y’’ = J E M . − (2.34) Trong đó : M : Mô men E : Môdul đàn hồi J : Mô men quán tính
2.7. Giới thiệu một số phần mềm tính FEM. 2.8.1. Ansys.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.7.1.1. Lịch sử ra đời và phát triển
ANSYS (Analysis Systems) là một hệ thống tính toán đa năng. Trong hệ thống này, các vấn đề cơ học, kỹ thuật được giải bằng PP PTHH lấy chuyển vị làm gốc.
ANSYS (Analysis Systems) được lập ra năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr. John Swanson tại Mỹ. Sau đó được ứng dụng tại nhiều nước châu Âu và châu Á.
Các phiên bản của phần mềm ANSYS như:
- Version 2.x: Tĩnh học, động lực học, nhiệt động học, dòng điện - Version 3.x: Mở rộng các Module hình học, thư viện phần tử - Version 4.x Vật liệu Composite, các phép tính được mở rộng
- Version 5.x: Tạo lưới tự động, biến dạng lớn, mặt tiếp xúc, các thuộc tính vật liệu đa dạng
- Hiện nay đã có ANSYS 6.x, 7.x ... 11.x đang sử dụng rộng rãi và có bán trên thị trường.
Những tính năng nổi bật của phần mềm:
- Khả năng đồ hoạ mạnh mẽ giúp mô phỏng nhanh, chính xác các cấu trúc 2D, 3D.
- Giải nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện tử, lưu chất…
- Thư viện phần tử lớn
- Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, tải phân bố, nhiệt… - Phần xử lý cao cấp: vẽ đồ thị, tính toán tối ưu…
- Dùng như ngôn ngữ lập trình. - Hệ thống MENU trực quan.
2.7.1.2. Dữ liệu trong ANSYS
ANSYS làm việc với một cơ sở dữ liệu lớn, lưu trữ tất cả dữ liệu nhập (kích thước hình học, vật liệu, điều kiện biên) và dữ liệu xuất (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ).
Dữ liệu quản lý:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Jobname.err – Ghi lại các lệnh sai, Jobname.rst – ghi kết quả tính toán kết cấu. Jobname.rth – ghi kết quả tính toán nhiệt, Jobname.rmg – kết quả từ. Jobname.rfl – kết quả tính toán động học lưu chất, Jobname.grph - đồ hoạ. Jobname.emat – Ghi ma trận phần tử, Jobname.tri – Ghi ma trận cấu trúc. Jobname.out – Xuất dữ liệu, Jobname.sn – Ghi tải trọng theo bước
2.7.1.3. Các modul của ANSYS
- ANSYS/Structural:
+ Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis). + Tính toán dao động (Modal Analysis).
+ Tính toán động lực học (Transient Dynamic Analysis). + Phân tích phổ (Spectrum Analysis).
+ Tính toán mất ổn định (Buckling Analysis).
+ Tính toán phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis). + Tính toán mỏi (Fatigue).
+ Cơ học phá huỷ (Fracture Mechanics).
- ANSYS/ Linear Plus: Dùng cho những bài toán tĩnh động tuyến tính hay bài toán động.
- ANSYS/ Flotran: Bài toán về dòng lưu chất. - ANSYS/ Emag: Bài toán về trường điện từ. - ANSYS/ Mechanical: Bài toán cơ học. - ANSYS/ Thermal: Bài toán nhiệt.
- ANSYS/ LS-DYNA: Bài toán động lực học (lực biến thiên theo thời gian, biến dạng lớn).
2.7.1.4. Một số kiểu phần tử
Do có thể giải được rất nhiều dạng bài toán khác nhau nên phần mềm có rất nhiều loại phần tử. Với nội dung hạn chế của đề tài tác giả chỉ giới thiệu một số loại phần tử được ứng dụng trong đề tài:
STRUCTURE: Phần tử cấu trúc SPAR: Phần tử thanh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PIPE : Phần tử ống 2D SOLIDS: Phần tử khối đặc 2D 3D SOLID: Phần tử khối đặc 3D SHELL : Phần tử tấm vỏ SPECLTY: Phần tử đặc biệt CONTACT: Phần tử tiếp xúc SPAR Phần tử thanh
2D-SPAR :Phần tử Thanh 2D : LINK1 3D-SPAR :Phần tử Thanh 3D : LINK8 BILINEAR : Phần tử Thanh phi tuyến LINK10 BEAM : Phần tử dầm
2D-ELAST : PT Dầm đàn hồi 2D đối xứng BEAM3 3D- ELAST : PT Dầm đàn hồi 3D, 2~3 nút BEAM4 2D- TAPER : PT Dầm thon 2 nút đàn hồi 2D BEAM54 3D-TAPER : PT D ầm thon 2 nút không đối xứng, 3D BEAM44
2D-PLAST : PT Dầm dẻo 2D2 nút BEAM23 THIN WALL : PT thành mỏng 3 nút dầm dẻo BEAM24 2.7.2. Catia.
2.7.2.1. Giới thiệu chung.
Catia là sản phẩm của hãng Dassault Systemes của Pháp, đây là một trong những nhà xây dựng phần mềmứng dụng lớn nhất thế giới. Các sản phẩm của hãng cung cấp những giải pháp cho các lĩnh vực thiết kế, mô phỏng và sản xuất cho các sản phẩm lớn và phức tạp như ôtô, máy bay cho đến các sản phẩm trang sức và đồ gia dụng.
Hãng Dassault Systemes bao gồm 6 lĩnh vực: - CATIA: Hỗ trợ thiết kế và mô phỏng.
- DELMIA: Xác định và mô phỏng số quá trình sản xuất.
- ENOVIA: Quản lý thông tin về tuổi thọ của sản phẩm và hỗ trợ quá trình. - SiMULIA: Hệ thống mô phỏng tổng hợpứng dụng khoa học.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - SPATIAL/ACIS: Xúc tiến và phân phối hệ thống mở.
- SOLIDWORKS: Giải pháp thiết kế 3D. 2.7.2.2. Các ứng dụng chính.
2.7.2.2.1. Các ứng dụng cơ bản.
- Kích hoạt môi trườngứng dụng (Activating appication workbenches). - Tạo mới, mở và cất tài liệu (Creating, opening and saving document). - Bố cục tài liệu (Laying out document ).
- Lựa chọn và sửa đổiđối tượng . - In, xem và tìm kiếm.
- Quản lý thông tin và dữ liệu.
- Các hiệuứng tô bóng và chiếu sáng. - Thay đổi cài đặt và thanh công cụ. - Sử dụng chuyên gia ảo.
2.7.2.2.2. Thiết kế cơ khí (Mechanical Design). - Thiết kế lắp ráp (Assembly Design)
- Thiết kế khuôn (Mold Tooling Design). - Thiết kế kết cấu (Structure Design).
- Thiết kế tấm vỏ trong hàng không (Airospace Sheetmetal Design). - Thiết kế tấm vỏ chung (Sheetmetal Design).
- Thiết kế hình dạng chung (Generative Shape Design). 2.7.2.2.3. Thiết kế hình dạng và kiểu dáng. (Shape Design and Styling)
2.7.2.2.4. Phân tích và mô phỏng (Analysis & Simulation). - Phân tích và tính toán dung sai (Tolerance Analysis).
- Phân tích chung (General). - Lắp ghép (Fastening). - Lập dung sai (Tolerancing)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Cosmos Design Star là một phần mền được sử dụn g trong quá trình thiết kế, tính toán các sản phẩm cơ khí. Là một phần mềm tính toán đa năng lấy chuyển vị làm nền tảng.
Cosmos Design Star cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ cho việc mô hình hóa cấu trúc. Một mô hình có thể được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều phương pháp khác nhau.
Mục đích chính của việc tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là mô phỏng sự ứng xử của vật liệu trong thực tế thông qua mô hình toán học. Mô hình này bao gồm các nút, phần tử, vật liệu, các hằng số hình học, các điều kiện biên và các đặc trưng khác.
* Giao tiếpđược với các phần mềm: - AutoCad. - Autodesk Inventer. - Solidworks. - Catia. * Các bước thực hiện: - Mô hình hoá hình học. - Chọn vật liệu.
- Gán tải trọng và điều kiện biên. - Tạo lưới chia mảnh.
- Chạy mô phỏng. - Phân tích kết quả. - Kiểm tra an toàn. * Những tính năng nổi bật:
- Khả năng đồ hoạ mạnh giúp cho quá trình mô phỏng nhanh, đạtđộ chính xác cao.
- Giảiđược nhiều loại bài toán chi tiết máy phức tạp. - Thư viện vật liệu lớn.
- Đa dạng về tải trọng. - Giao diện trực quan.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.7.4. Mechanical Destop.
AutoCad Mechanical Desktop là một phần mềm vẽ thiết kế, tính toán, sử dụng chuyên cho thiết kế cơ khí, là một sản phẩm phần mềm của hãng AutoDisk. Phiên bản cao nhất hiện nay của dòng này là 6.0
Khác với các phần mềm vẽ thiết kế trước đây như AutoCad các phiên bản R12, R13, R14, AutoCad 2000, AutoCad 2002… được quảng cáo là sử dụng cho các lĩnh vực như cơ khí, kiến trúc, xây dựng…AutoCad Desktop được sử dụng chuyên cho lĩnh vực cơ khí, điều này làm nên một sự khác biệt lớn vì những hỗ trợ của Mechanical Desktop cho một kĩ sư cơ khí chưa từng xuất hiện trước đây trong bất cứ phiên bản nào.
Ngoài chức năng vẽ thiết kế thông thường do chạy trên nền Cad 2000, Cad 2002 nên nó có tính năng nền của các phiên bản này như cho phép nhúng đối tượng, mở rộng hỗ trợ về bắt dính (bắt điểm kéo dài của đường tròn, bắt dính tâm hình vuông…) vẽ thiết kế mô hình ba chiều, bước tiến của Cad desktop ở đây là có thư viện cơ sở dữ liệu các chi tiết cơ khí tiêu chuẩn thông minh, khoảng 500.000 chi tiết tiêu chuẩn thông minh 2D, và 3D ở tất cả các hệ tiêu chuẩn lớn như Din (đức), ISO (quốc tế), JIN…bao gồm tất cả các chi tiết tiêu chuẩn như bánh răng, bánh vít, puli, bulon, đai ốc, vòng đệm, vít cấy, ổ lăn, chốt chẻ, xích, đĩa xích, đai, ren…khi muốn vẽ chi tiết nào chỉ việc trả lời hội thoại để chèn chi tiết (thay đổi kích thước của chi tiết tạo sẵn vì chi tiết được gọi là thông minh, hay là có khả năng thay đổi kích thước cho phù hợp), các chức năng thiết kế riêng cho nó như POWER PACK hỗ trợ ghi kích thước, ghạch mặt cắt, text.. ngoài các chức năng này, chi tiết không cần tính toán bằng bằng tay như phương pháp truyền thống (trong phương pháp truyền thống Cad chỉ có chức năng vẽ đơn thuần) mà các tính toán thực hiện ngay trong phần mềm, các tính toán đặc trưng bao gồm:
- Tính thiết kế trục. - Tính thiết kế ổ lăn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Tính thiết kế đai, xích.
- Tính thiết kế cam.
- Tính thiết kế phần tử hữu hạn (FEA- finite element analyze) …
VớiAutoCad mechanical Desktop người kĩ sư chỉ việc trả lời các hội thoại sau khi đã đưa ra ý đồ thiết kế.
Cài đặt cơ bản của phần mềm đòi hỏi như sau: Chạy từ Window 98 trở lên, RAM 64 MB trở lên, ổ cứng 1G cài đặt, 1G sử dụng, video card từ 16 bit trở lên, Chip pentium II trở lên, CD rom cho cài đặt ban đầu.
2.8. Lựa chọn công cụ chính và công cụ hỗ trợ. 2.8.1. Công cụ chính.
- Phần mềm Mechanical Destop. - Phần mềm Cosmos Design Star. 2.8.2. Công cụ hỗ trợ.
- AutoCad. - Solidworks. 2.8.3. Nhận dạng lẫn nhau.
- Biến đổi về gốc toạđộ địa phương - Sử dụng phép biếnđổi ma trận 2.9. Tổng quan về mô hình cấu trúc.
2.9.1. Tổng quan về xây dựng mô hình. 2.9.1.1. Mô hình hóa cấu trúc. 2.9.1.1. Mô hình hóa cấu trúc.
Cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ cho việc mô hình hóa cấu trúc. Một mô hình có thể được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều phương pháp khác nhau.
Mục đích chính của việc tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là mô phỏng sự ứng xử của vật liệu trong thực tế thông qua mô hình toán học. Mô hình này bao gồm các nút, phần tử, vật liệu, các hằng số hình học, các điều kiện biên và các đặc trưng khác.
“Mô hình hình học” chỉ có nghĩa là xây dựng về mặt hình học. 2.9.1.2. Các bước chính trong việc mô hình hóa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Xác định mục tiêu: bao gồm dạng bài toán, loại phần tử và lưới chia. - Thiết lập mặt phẳng làm việc.
- Tạo các đối tượng hình học thông qua các lệnh hình học và phép toán của phần mềm.
- Xác định hệ trục tọa độ thích hợp.
- Xây đựng mô hình theo cách tiếp cận từ dưới lên.
- Sử dụng các phép toán Booleanđể kết hợp các đối tượng hình học. - Xác định các đặc trưng phần tử.
- Xác định mật độ lưới chia thích hợp.
- Xây dựng nút và phần tử thông qua công cụ tạo lưới.
- Thêm các đặc trưng: các phần tử tiếp xúc, ràng buộc giữa các bậc tự do,… 2.9.1.3. So sánh giữa mô hình hóa t hông qua các đối tượng hình học với phát sinh phần tử trực tiếp.
Trong mô hình hóa cấu trúc thông qua các đối tượng hình học, ta mô phỏng các biên hình học của bài toán, xác lập các kích thước và hình dạng phần tử và sau đó sử dụng các công cụ sinh lưới tự động của phần mềm để phát sinh nút và phần tử. Ng ược lại, khi phát sinh trực tiếp, ta phải xác định trước vị trí của từng nút, kích thước, hình dạng và liên kết của từng phần tử trước khi xây dựng mô hình. Dù các công cụ phát sinh phát sinh tự động nhưng phát sinh theo kiểu này đòi hỏi chúng ta phải theo sát cách đánh số nút của lưới chia. Việc này đặc biệt khó khăn và dễ phát sinh lỗi khi xây dựng các bài toán lớn có dạng hình học phức tạp. Do đó mô hình hóa cấu trúc thông qua các đối tượng hình học thườ ng được ưa thích hơn. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt, việc phát sinh trực tiếp lại tỏ ra hữu hiệu hơn. Trong một bài toán, chúng ta cũng có thể sử dụng cả hai phương pháp cho việc tạo mô hình phần tử hữu hạn. Một số thuận lợi và bất lợi khi sử dụng 2 phương pháp này được liệt kê như sau:
a) Mô hình hóa thông qua các đối tượng hình học.
- Đặc biệt thích hợp cho các bài toán lớn với dạng hình học phức tạp, nhất là các bài toán 3 chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Rất ít đối tượng cần quản lý.
- Cho phép sử dụng các lệnh về hình học (kéo, xoay) không thể thực hiện với nút và phần tử.
- Cung cấp các đối tượng hình học cơ bản và các phép toán Boolean cho việc xây dựng mô hình theo trình tự từ trên xuống.
- Dễ dàng hiệu chỉnh, thích nghi cho từng loại bài toán. - Đôi khi đòi hỏi nhiều thời gian tính toán.
- Không thích hợp lắm cho các bài toán đơn giản, nhỏ.
- Trong một số trường hợp chương trình không thể tạo ra được lưới phần tử hữu hạn.
b) Phát sinh phần tử trực tiếp.
- Thích hợp cho các bài toán đơn giản, nhỏ. - Dễ dàng quản lý các đối tượng phần tử hữu hạn.
- Thường tiêu tốn nhiều thời gian, khối lượng công việc nhiều. - Không mềm dẻo trong việc chia lưới.
- Không thuận lợi trong việc tối ưu hóa. - Dễ nhàm chán dẫn đến phát sinh lỗi. 2.9.2. Các bước tiến hành.
2.9.2.1. Xác định mục tiêu.
Việc xác định mục tiêu cho bài toán (ứng suất, chuyển vị…) không phụ thuộc vào khả năng của chương trình phần mềm mà phụ thuộc vào trình độ và kinh nghiệm nghề nghiệp của người kỹ sư chịu trách nhiệm trực tiếp về dự án. Mục tiêu này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình mô hình hóa sau này của bài toán.
2.9.2.2. Chọn mô hình (1D, 2D, 3D…).
Một bài toán thực tế có thể mô hình hóa bằng nhiều đối tượng hình học 1D, 2D hay 3D nhưng phải đảm bảo sự tương thích giữa các bậc tự do của bài toán. Chẳng hạn để mô hình một kết cấu vỏ với các sườn gia cường ta có thể sử dụng phần tử vỏ 3D kết hợp với các phần tử dầm 3D. Việc lựa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn chọn mô hình và phần tử là yếu tố quyết định ảnh hưởng đến sự chính xác của kết quả nhận được.
- Các mô hình đường có thể biểu diễn các phần tử dầm 2D, 3D hay phần tử ống cũng như phần tử vỏ đối xứng trục.
- Các mô hình hai chiều có thể sử dụng để mô phỏng các kết cấu phẳng (ứng