SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 39
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS, NCODE DESIGNLIFE ĐỂ PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN MỎI
CỦA MÓC KHÓA MŨ BẢO HIỂM 4.1 Ứng dụng phần mềm Ansys để phân tích (ở nhiệt độ phịng):
Bước 1: Chọn mơđun phân tích
Sử dụng mô đun Static Structural (phân tích tĩnh) để phân tích biến dạng và độ mỏi của chi tiết ở trạng thái tĩnh, với các thông số đầu vào là lực cắt P và moment M. Các bước để tính biến dạng và ứng suất như sau:
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 40 Khởi động ANSYS Workbench, chọn mơ đun phân tích: Static Structural (phân tích tĩnh).
Bước 2: Thiết lập vật liệu cho bài toán
Nháy đúp chuột vào Engineering Data → chọn Engineering data sources→chọn
general material→chọn vật liệu polyethylene
Hình 4.1.2 Bảng tính chất vật liệu Polyethylene
Các thành phần trong kết cấu của vật liệu có thể bị phá hủy bời độ mỏi trong quá trình chịu tải chu kỳ. với những dữ liệu vào ban đầu,việc phân tích biên độ mỏi có thể xác định nhanh và đơn giản về quá trình mỏi.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 41 Có hai phương pháp chính để ước lượng khả năng chống mỏi của các thành phần và cấu trúc:
Phân tích giới hạn ứng suất (stress-life): những giả thuyết luôn cho thấy những sự
căng dãn luôn luôn giữ độ đàn hồi, ngay cả ở các bộ phận tập trung độ căng .Hầu hết giới hạn mỏi bị gây ra bởi các hạt nứt cực kỳ nhỏ. Điển hình cho các tình huống duy trì cuộc sống lâu dài (hàng triệu chu kỳ), nơi các yếu tố kháng mỏi được điều khiển bởi ứng suất danh nghĩa và dộ bền vật liệu.
Strain-Life được sử dụng cho các tình huống mà biến dạng dẻo xảy ra xung quanh
bị căng dãn.
Một ví dụ là trong một cấu trúc có một chu kỳ tải lớn mỗi ngày. Cả stress-life và strain-life cung cấp cho ta một cách ước tính là bao lâu để tạo thành một vết nứt dài khoảng 1mm.
Strain:
Strain là "biến dạng của một chất rắn do sự căng mạnh" và được thể hiện như công thức sau:
ε = dL / L (1) Trong đó:
Ε: độ căng (m / m) (in / in)
dL: khoảng kéo dài hay nén (offset) của đối tượng (m) (in) L: chiều dài của đối tượng (m) (in)
Stress:
Độ dãn là lực trên một đơn vị diện tích và được thể hiện như sau: σ = F / A (2)
Trong đó:
σ: độ dãn (N / m2) (lb / in2, psi) F: lực (N) (lb)
A: diện tích của đối tượng (m2) (in2)
Elasticity:
Độ đàn hồi là một thuộc tính của một đối tượng hoặc vật liệu mà nó sẽ khơi phục lại hình dạng ban đầu của nó sau khi biến dạng.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 42
Young's modulus được tính như sau:
E = stress / strain
= (F / A) / (dL / L) (3) Trong đó:
E: Young's modulus (N/m2) (lb/in2, psi)
Yield strength
Được định nghĩa trong kỹ thuật như số lần căng dãn mà một vật liệu có thể trải qua trước khi di chuyển từ biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo.
Poisson's ratio:
Là tỷ lệ của sự căng co tương đối (hoặc căng ngang) khi đặt tải – đến căng dãn tương đối (hoặc biến dạng dọc) theo hướng của tải
Tỷ lệ Poisson được thể hiện như sau : μ = - εt / εl (1)
Trong đó:
μ: Poisson
εt: độ căng theo chiều ngang
εl: độ căng theo chiều dọc hoặc trục
Ảnh hưởng của các thông số trong những biểu hiện độ bền mỏi của nhựa
Nhiệt độ là một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền mỏi của nhựa và sự gia tăng nhiệt độ trễ đóng một vai trị quan trọng trong vấn đề này. Nhìn chung, dưới tải theo chu kỳ, một phần năng lượng tạo ra chuyển đổi thành nhiệt, tùy thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu mà nó có thể làm tăng nhiệt lên cho vật thể. Nhựa, nói chung, có tính dẫn nhiệt thấp làm cho chúng dễ rơi vào hiện tượng này. Các tham số như : mức độ căng, tần số và loại tải thì trực tiếp ảnh hưởng đến sự trễ nhiệt. Nhìn chung, chất dẻo dễ bị cắt chuỗi. Mặt khác, một số loại nhựa có cấu trúc phân tử dễ bị mất khả năng tổ chức lại cấu trúc trong quá trình truyền vết nứt .
Ảnh hưởng của tần số đến giới hạn mỏi của nhựa.
Để tìm hiểu ảnh hưởng của tần số, là một trong các thông số ảnh hưởng đến giới hạn mỏi của nhựa,ta kiểm tra lực kiểm soát đơn trục được thực hiện trên một vật liệu
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 43 polypropylene dựa trên ASTM D7791 [8]. Mẫu mặt cắt ngang đồng nhất theo tiêu chuẩn ASTM D638 [9] đã được đúc.
Sau quá trình thử nghiệm, Các xét nghiệm đã chạy ở tần số 1, 2, 5 và 10 Hz. Tần số cao hơn đã được thử nghiệm, nhưng khơng có biên độ lực ổn định có thể được duy trì được.
Biểu hiện của các loại tần số khác nhau trong một vất liệu nhựa dống một vai trò chủ yếu,quan trọng nhất đối với độ bền mỏi của nhựa,trong các trường hợp đã được thực nghiệm cho thấy tần số càng cao thì độ bền mỏi càng giảm của nhựa.
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 44 Đây là một thực nghiệm quan trọng trong việc kiểm tra vật liệu polypropylene,một trong những thành phần cịn thiếu trong ansys,để thêm vào tính chất này ta thực hiện bước 3.
Bước 3:Thêm tính chất tần số và khảo sát giá trị
Thêm tính chất Alternating stress mean stress trên toolbox vào polyethylene’s property
Hình 4.1.4 Giao diện khi chưa thêm tính chất Alternating stress mean stress
Các giá trị ở table of parameter sẽ quyết định loại tần số và biểu đồ thuộc tính,để có các giá trị này ta cần chọn một tần số cụ thể ,đó là 5Hz.
Để có các giá trị cụ thể cycle và alternative stress (psi) ta đưa biểu đồ vào autocad chiếu lần lượt tọa độ các điểm ta được bảng giá trị sau:
SVTH: Nguyễn Phan Hoài Bảo, Nguyễn Cao Thắng & Khổng Thành Trung 45 Thêm các giá trị vừa tìm được vào table of parameter ta được biểu đồ thuộc tính sau:
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 toán 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 Hồi 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