SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 46 Ảnh hưởng của tải làm hư vật liệu được biểu hiện mật thiết với biểu đồ Stress-Life:
- Biểu đồ stess-life thể hiện mối quan hệ của biên độ stress và chu kỳ mỏi. - Số chu kỳ làm hỏng vật liệu thấp hơn khi ta đặt tải cao hơn.
Bước 4: Tính tốn các thơng số ở bảng Straint-Life Parameters
Hình 4.1.6 Giao diện khi chưa thêm tính chất Straint-Life Parameters
Các thông số cần xác định: - Strength coefficient: K - Strength exponent: b - Ductility coefficient: εf - Ductility exponent: c
- Cyclic strength coefficient (H): H=K / ( εf n ) - Cyclic strain hardening exponent (n): n= b/c
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 47 Độ bền kéo và tỷ lệ kéo dài, đã được xác định từ đường cong kỹ thuật stress-strain cho ba loại polymers.sau đó đã được rút ra đường cong ứng suất biến dạng để tính tốn hệ số strain hardening coefficient (n) và hệ số strength coefficient (K) :
Bảng 4.1
Fig (4) cho thấy một đường cong cho độ bền kéo của Polyethylene (High Density), khu vực bắt đầu ở chân của đường cong phải được lưu ý. Biểu đồ khơng đại diện cho thuộc tính của vật liệu mà nó được tạo ra bởi sự sắp xếp hoặc do vị trí của vật đó.để có được giá trị chính xác của các thơng số như modules, strain và điểm năng suất, thì những kỹ thuật này phải được bù đắp để cung cấp cho các điểm không đúng về chủng hoặc trục mở rộng [9] .Khi (B) được thể hiện trong các đường cong, đó là điểm strain ban đầu mà từ đó tất cả các phần mở rộng hoặc căng phải được đo lường bao gồm cả yield offset(BD). Quan sát từ việc kiểm tra độ bền kéo, các giá của polyethylene cho thấy tính chất của loại polymer này nó sẽ được làm mềm sau thử nghiệm LCF. Trong khi số lượng n = 0,23 vẫn nằm trong vùng độ m62m của vật liệu.cũng vậy,biểu đồ không chỉ ra nhiều điểm quan trọng của K trong việc xác định các tính chất của vật liệu mà nó đại diện cho các giá trị stress cần thiết đạt được. tiếp cận Polyethylene tại giá trị của K = 42 MPa (fig 5).
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 49 Khi vẽ ra những mối quan hệ giữa biên độ strain và số chu kỳ,ta thấy Các dạng đường cong stress Strain cho polymer PE, PP và PMMA cũng tương tự như đường cong stress Strain của các kim loại.từ đó ta có bảng thuộc tính kỹ thuật sau:
Bảng 4.2
Từ các giá trị vừa có ta xác định được H = K / ( εf n )
= 55 / ( 0.230.055 ) = 60 MPa = 60000000 Pa Từ đó ta có được bảng giá trị Straint-Life Parameters
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 50
Hình 4.1.8 Chu kỳ Stress-Strain
Bước 5 Xây dựng mơ hình hình học
Xây dựng mơ hình bài tốn một cách nhanh chóng, ta sử dụng phần mềm chuyên thiết kế về 3D là Creo 3.0
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 51
Bước 6: Chia lưới
Ta đưa mơ hình 3D vào mơi trường Workbench. Mơi trường mới sẽ có giao diện như sau:
Hình 4.1.10 Add vật liệu trong mơi trường Workbench
Ta tiến hành chia lưới phần tử, chia lưới theo mặc định: nhấp chuột phải vào Mesh
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 52
Hình 4.1.11 Generate Mesh
Sau khi chia lưới chi tiết sẽ có ảnh như hình như sau:
SVTH: Nguyễn Phan Hồi Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 53
Bước 7: Hạn chế các bậc tự do cần thiết ( Fix )
Hình 4.1.13 Chọn Fixed support
Hình 4.1.14 Chọn các mặt định vị trên chi tiết
Ta cần xác định được 2 mặt cần khống chế khi thí nghiệm Khống chế 5 bậc tự do
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 54
Bước 8: Đặt tải trọng và rằng buộc vào đồ gá
Đặt lực vào chi tiết bị phay: Nhấp chuột phải vào Static Structural (A5) → chọn
insert → chọn Force.
Hình 4.1.15 Chọn lực tác dụng
Chọn mặt bị lực tác dụng. Trong hộp thoại Details of Force → chọn Define By →
Conponent. Đặt Magnitude = 10 N
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 55
Hình 4.1.16 Đã chọn các giá trị liên quan đến lực
Bước 9: Xử lí và xem kết quả bài tốn Biến dạng của chi tiết
Nhấp chuột phải lên dòng Solution (A6) → chọn insert → Deformation →
Directional để xem kết quả biến dạng tổng của đồ gá
Lưu ý : phải điều chỉnh về đơn vị hệ Metric ( mm, Kg, N, mV, mA )
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 56 Sau đó từ lệnh Solve từ biểu tượng trên thanh cơng cụ để phần mềm tiến hành giải. Hiển thị biến dạng bằng cách chọn Solution → Insert→ Fatigue→ Fatigue Tool.
Sau đó chọn được 3 kết quả :
Life, Damage , Safety factor
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 57
4.2 Ứng dụng phần mềm Ncode để phân tích (ở nhiệt độ phòng):
Bước 1: Mở giao diện Ncode EN constant (DesignLife) và liên kết Solution
Hình 4.2.1 Mở giao diện Ncode từ Ansys
- Update solution ở bảng A:kết quả stress result mô phỏng từ Ansys sẽ được update. - Refresh solution ở bảng B:kết quả phân tích từ ncode sẽ được làm trống.
Bước 2: Tạo giao diện nCode DesignLife
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 58
Hình 4.2.2 Giao diện nCode DesignLife
Bước 3: Display file trong Simulation Input và xác lập thuộc tính
Phải chuột bảng Simulation Input chọn Profile, xuất hiện bảng sau:
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 59 Chọn FE display → result legend → result case (load case – 1:unsaved_project- static
structural(A5): stress: time 1- stresses(node on element)), các tính chất cịn lại để như mặt định.
Hình 4.2.4 Model Parameters
Model parameter→ plot type: contour→ Fill/contour plot: mesh.
Bước 4: Thiết lập chạy chương trình
Thiết lập vật liệu: phải chuột vào bảng StrainLife- Alnalys→ chọn Yes→ Clear Default Material in Material Name→ chọn Polyethylene.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 60
Hình 4.2.5 Chọn vật liệu
Bước 5: Hiển thị và đọc kết quả
Để xem vị trí vật bị gãy : Click double vào bảng Fatigue_result_display→ Node by ID→ nhập node IDS và xem vị trí.
SVTH: Nguyễn Phan Hồi Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 61
Kết luận :
Kết quả phân tích từ Ansys và Ncode designlife cho ta thấy được số chu kỳ tải tối thiểu để phá hủy 1 điểm chi tiết là 185700 chu kỳ. Vị trí hỏng là vi trí 1 ( với tọa độ At Node 14837)
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 62
4.3 Ứng dụng phần mềm Ansys & Ncode designlife để phân tích ở 30o C:
Khi nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ phòng ( 22o C ) đến 30o C thì các thuộc tính cơ của móc khóa mũ bảo hiểm sẽ bị thay đổi, được thể hiện cụ thể ở các thông số của Straint-Life Parameters Các thông số cần xác định: - Strength coefficient: K - Strength exponent: b - Ductility coefficient: εf - Ductility exponent: c
- Cyclic strength coefficient (H): H=K / ( εf n
) - Cyclic strain hardening exponent (n): n= b/c Khi nhiệt độ ở 30o C thì dựa vào cơng thức Hook’s Law :
Ϭ/ET = Ϭ/E0 + α∆T Trong đó:
Ϭf /E0 = 0.085 (ở nhiệt độ phòng)
α = 0.00023 (coefficient of thermal expansion) ∆T = 30-22 = 8
Ϭ/ET = 0.085 + 0.00023 * 8 = 0.086 b = -0.045
c = -0.78 n = 0.057
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 63
Hình 4.3.1 Bảng giá trị đã thêm tính chất Straint-Life Parameters
Hình 4.3.2 Chu kỳ Stress-Strain
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 64
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 65
4.4 Ứng dụng phần mềm Ansys & Ncode designlife để phân tích ở 40o C:
Khi nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ phòng ( 22o C ) đến 40o C thì các thuộc tính cơ của móc khóa mũ bảo hiểm sẽ bị thay đổi, đượ thể hiện cụ thể ở các thông số của Straint- Life Parameters Các thông số cần xác định: - Strength coefficient: K - Strength exponent: b - Ductility coefficient: εf - Ductility exponent: c
- Cyclic strength coefficient (H): H=K / ( εf n
) - Cyclic strain hardening exponent (n): n= b/c Khi nhiệt độ ở 40o C thì dựa vào cơng thức Hook’s Law :
Ϭ/ET = Ϭ/E0 + α∆T Trong đó:
Ϭf /E0 = 0.085 (ở nhiệt độ phòng)
α = 0.00023 (coefficient of thermal expansion) ∆T = 40-22 = 18
Ϭ/ET = 0.085 + 0.00023 * 18 = 0.089 b = -0.046
c = -0.78 n = 0.058
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 66
Hình 4.4.1 Bảng giá trị đã thêm tính chất Straint-Life Parameters
Hình 4.4.2 Chu kỳ Stress-Strain
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 67
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 68
CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘ BỀN MỎI 5.1 Thí nghiệm trên mẫu thử 1
Mẫu 1 được thực hiện ở nhiệt độ 22oC
Hình 5.1.1
Tổng cộng 661909 lần
Hình ảnh trước và sau khi thí nghiệm
a) Trước b) Sau
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 69
Hình 5.1.3
5.2 Thí nghiệm trên mẫu thử 2
Mẫu 2 được thực hiện ở nhiệt độ 30oC
Hình 5.2.1
SVTH: Nguyễn Phan Hồi Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 70 Hình ảnh thí nghiệm
Hình 5.2.2
5.3 Thí nghiệm trên mẫu thử 3
Mẫu 1 được thực hiện ở nhiệt độ 40oC
Hình 5.3.1
SVTH: Nguyễn Phan Hồi Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 71 Hình ảnh thí nghiệm
Hình 5.3.2
5.4 Nhận xét
Qua q trình thí nghiệm với 3 mức nhiệt độ 20oC 30oC 40oC, ta nhận được kết quả là nếu tăng nhiệt độ thì số lần gãy của chi tiết sẽ giảm dần điều này chứng minh là máy mỏi hoạt động gần đúng với lý thuyết khi thực hiện trên phần mềm ANSYS và nCode DesignLife.
Ưu điểm:
Máy có những ưu điểm được cải tiến so với thế hệ trước đó là:
- Thử độ mỏi của các sản phẩm nhựa ở nhiều nhiệt độ khác nhau (20-80 oC).
- Tốc độ tối đa có thể đạt tới 3000 vịng/phút.
- Kết cấu vững chắc, có độ thẩm mỹ cao.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 72
Nhược điểm:
Máy thử độ mỏi này vừa được chế tạo ra và đang trong quá trình cải thiện để đáp ứng nhu cầu của các nhà sản xuất sản phẩm nhựa. Bên cạnh những ưu điểm đó, máy cịn một vài khuyết điểm hạn chế đó là:
- Hộp nhiệt thiết kế chưa được kín gây thốt nhiệt nhưng khơng đáng kể.
- Máy còn chưa vững chắc. Khi chạy ở tốc độ trên 1500 vịng/phút thì máy hơi rung lắc.
- Ảnh hưởng về gia cơng dẫn đến độ chính xác của việc đặt lực.
Phương hướng phát triển:
Khắc phục những nhược điểm đã nêu trên:
- Gia cố máy vững chắc hơn để đạt được tốc độ tối đa.
- Hộp nhiệt kín hơn để khơng bị thốt nhiệt.
- Gia cơng chính xác hơn để khơng gây ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo cũng như hồn thiện về mặt thẩm mỹ.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 73
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN - ỨNG DỤNG VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tại, chúng em đã hiểu rõ hơn về độ bền mỏi của các sản phẩm nhựa phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào cụ thể là móc khóa quai nón bảo hiểm. Qua đó cũng nâng cao được kiến thức của bản thân trong q trình tìm hiểu, tính tốn và thực nghiệm về độ bền mỏi.Thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Ansys, nCode Designlife chúng em có thể tìm ra được một phần các vùng và tính tốn được số lần chịu tải dẫn đến hư sản phẩm theo các nhiệt độ khác nhau (thơng qua việc phân tích thuộc tính của vật liệu theo từng nhiệt độ). Dựa vào đó, có thể tính tốn, kiểm nghiệm lại độ bền của chi tiết móc khóa quai nón mũ bảo hiểm theo từng nhiệt độ trên máy mỏi.
Thông qua các kết quả thu được,có thể cung cấp cho các nhà sản xuất các thông tin cần thiết để tối ưu hóa các sản phẩm nhựa tùy theo từng mơi trường sử dụng khác nhau nhằm đảm bảo kết sản phẩm được tối ưu hơn, tiết kiệm kinh phí sản xuất, chế tạo và đảm bảo yêu cầu độ bền của sản phẩm.
Bên cạnh những mặt tích cực, chúng em cũng gặp phải một số khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án:
- Các thơng số đầu vào khơng phải là hồn tồn thực tế (chưa xét tới các điều kiện thực tế tác động trực tiếp từ môi trường bên ngoải) ,ta chỉ thử nghiệm ở mỗi một nhiệt độ xác định mà khơng có sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian,điều này cũng ảnh hưởng một phần đến độ bền mỏi của sản phẩm so với khi sử dụng thực tế. - Các số liệu tính tốn được làm trịn và các thông số vẫn phải dựa trên thực nghiệm - Chỉ tối ưu được các chi tiết bằng nhựa polyethylene chứ khơng hồn tồn với các
vật liệu nhựa khác.
6.2 Kiến nghị
Qua đề tài này, chúng em tìm ra được các mặt tích cực cũng như hạn chế khi sử dụng phần mềm Ansys vào quá trình tính tốn, phân tích độ bền mỏi sản phẩm nhựa theo nhiệt độ. Song, do chỉ tiếp xúc với độ bền mỏi của sản phẩm nhựa thông qua sách tham khảo và tài liệu mạng nên chúng em vẫn chưa hoàn toàn nắm chắc được các vấn đề về độ bền
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 74 mỏi của các sản phẩm nhựa trên thực tế để tiến hành tối ưu hóa tốt hơn và mở rộng để đề tài hồn thiện hơn.
Trong khi thực hiện đề tài, chúng em cũng có trải qua q trình tìm hiểu và so sánh các modul ứng dụng của phần mềm Ansys với các phần mềm CAE (phân tích kết cấu) khác. Qua đó, chúng em nhận thấy Ansys chỉ thực hiện tốt nhiệm vụ ở mảng tính tốn và phân tích kết cấu dựa vào các thơng số đầu vào, nếu thực hiện nhầm lẫn hoặc tính tốn sai sót có thể ảnh hưởng rất lớn đến kết quả sau cùng, nguồn vật liệu cho các sản phẩm nhựa phổ biến là hoàn toàn sơ khai. Và một lý do khác nữa là công cụ Ansys Workbench chỉ hỗ phân tích, có nghĩa là để tối ưu hóa kết cấu, chúng ta sẽ cần tới cơng cụ khác khác hoặc phương pháp khác để thay thế.
6.3 Ứng dụng
- Đề tài có thể sử dụng trong q trình nghiên cứu, phân tích độ bền mỏi của các sản phẩm nhựa theo từng môi trường nhiệt độ khác nhau trên trường lý thuyết trước khi đưa vào sản xuất đại trà nhằm hạn chế các vấn đề xấu có thể xảy ra hư hỏng khi không đạt đủ điều kiện bền theo yêu cầu.
- Sau khi hoàn thành đề tài, chúng em hy vọng sẽ tiếp tục tìm hiểu, nghiên cứu và hơn nữa là có thể đưa đề tài này vào phát triển thực tế trong lĩnh vực tính tốn thiết kế và kiểm nghiệm kết cấu sản phẩm.