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 suất phẳng) hay dài vô hạn (biến dạng phẳng) hoặc kết cấu ba chiều đối xứng trục.
- Các mô hình vỏ 3 chiều được sử dụng cho các cấu trúc vỏ mỏng trong không gian 3 chiều.
- Các mô hình khối 3 chiều được sử dụng cho các cấu trúc khối trong không gian không đối xứng trục hay có mặt cắt thay đổi.
2.9.2.3. Chọn bậc phần tử.
Các phần tử phẳng và khối trong thư viện các phần tử của phần mềm được phân làm 2 loại cơ bản: loại tuyến tính (có hay không có các hàm dạng phụ) và loại bậc 2.
Phần tử bậc 1.
Trong tính toán, các phần tử tuyến tính với hàm dạng phụ thường cho kết quả chấp nhận được với thời gian tính toán tương đối hợp lý nếu chúng ta tránh sử dụng chúng ở những vùng đặcc biệt (vùng có biến dạng, ứng suất lớn). Trong tính toán phi tuyến, thông thường một lưới mịn các phần tử bậc 1 sẽ cho kết quả tốt hơn với thời gian tính toán ngắn hơn so với một lưới tương đương thô hơn sử dụng các phần tử bậc 2.
Đối với các cấu trúc vỏ cong, ta phải lựa chọn quyết định phần tử loại nào (bậc nhất hay bậc 2) sẽ được sử dụng là rất quan trọng. Trong tính toán thực hành, việc sử dụng các phần tử phẳng cho phần lớn các bài toán sẽ thu được kết quả chính xác với thời gian tính toán là tối thiểu. Mật độ lưới chia khi đó phải đủ mịn để biểu diễn chính xác bề mặt cong. Thông thường, ta không nên sử dụng phần tử vỏ phẳng để mô hình một cung với góc ở tâm quá 150. Với phần tử vỏ nón, giới hạn này là 100 (hay 50 cho các vùng gần trục Y).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần tử bậc 2.
Với các bài toán tính toán tuyến tính sử dụng các hàm dạng suy biến, các phần tử bậc 2 thường cho kết quả tốt hơn với thời gian tính toán ngắn hơn so với các phần tử tuyến tính. Một số đ ặc trưng riêng của các phần tử bậc hai cần lưu ý khi sử dụng được trình bày sau đây:
- Các tải trọng phân bố được đưa về nút không tuân theo trực giác thông thường như đối với phần tử tuyến tính.
- Nếu nhiệt độ được định nghĩa tại nút giữa của phần tử vượt ra khỏi phạm vi nhiệt độ giới hạn bởi 2 nút biên, nó sẽ được định nghĩa lại bằng cách nội suy từ nhiệt độ ở 2 nút này.
- Khi tính toán động, do khối lượng đặt tại nút giữa luôn lớn hơn tại các nút góc, nên thường ta có thể chỉ định bậc tự do chủ tại các n út giữa nhằm giảm khối lượng tính toán.
- Khi tính toán động trong các bài toán truyền sóng, do khối lượng phân bố không đều, thường không nên sử dụng các phần tử có nút giữa.
- Không được sử dụng các phần tử tiếp xúc cho các cạnh với các phần tử có nút giữa.
- Khi ràng buộc các bậc tự do trên một cạnh (hay mặt) của phần tử cần lưu ý rằng tất cả các nút (kể cả nút giữa) phải được ràng buộc.
- Nút góc của một phần tử chỉ nên nối với nút gốc của phần tử khác. Các phần tử kề nhau nên được nối chung nút giữa.
- Các phần tử có chung nút giữa nên có cạnh chung thẳng trừ khi mô tả các đường hay bề mặt cong.
- Vị trí nút giữa nên định vị chính xác tại điểm giữa cạnh. Trong trường hợp bắt buộc nào đó, vị trí này nên được giới hạn trong khoảng L/10 từ vị trí điểm giữa cạnh (L là khoảng cách 2 nút góc). Trường hợp ngoại lệ với vị trí nút giữa gặp trong các bài toán cơ học rạn nứt.
- Nút giữa định vị chính xác tại vị trí L/4 trên đường thẳng nối 2 nút góc sẽ cho ta phần tử suy biến với bậc suy biến 0.5. Đặc tính này thường
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn được sử dụng trong các phần tử tam giác và đặc biệt hữu dụng cho việc mô phỏng đỉnh vết nứt.
- Nếu ta không chỉ định vị trí nút giữa, chương trình sẽ tự động đặt nút này tại điểm giữa trên đường thẳng nối liền hai nút góc. Trong trường hợp này, bậc tự do xoay của nút sẽ được nội suy tuyến tính theo 2 nút góc.
- Các phần tử kết nối với nhau nên có chung số nút trên cạnh chung. Do đó khi kết nối các phần tử khác nhau (có số nút trên một cạnh khác nhau) ta nên loại bỏ nút giữa của một phần tử.
- Cạnh có nút giữa bị loại bỏ khi đó sẽ là cạnh thẳng và phần tử khi đó sẽ trở nên cứng hơn. Ta chỉ nên sử dụng phần tử loại này tại các biên chuyển tiếp, không nên sử dụng chúng thay cho các phần tử tuyến tính với các hàm nội suy phụ. Nút giữa cũng có thể được thêm vào hay loại ra sau khi phát sinh phần tử bằng cách sử dụng lệnh EMID và EMODIF.
- Do số điểm lấy tích phân của các phần tử bậc 2 không nhiều hơn các phần tử bậc nhất, ta có xu hướng sử dụng các phần tử bậc nhất trong tính toán phi tuyến.
- Các lưới phần tử hữu hạn chỉ sử dụng một phần tử bậc cao như PLANE82, SHELL93 có thể sẽ bị suy biến do năng lượng biến dạng bằng không.
- Chương trình sử dụng duy nhất các nút góc cho việc biểu diễn mặt cắt và đường khuất. Các lệnh xuất ứng suất nút và hậu xử lý cũng chỉ có cho các nút góc.
- Trong chế độ đồ họa, các phần tử có nút giữa với cạnh cong được biểu diễn bằng các đoạn thẳng. Mô hình khi đó sẽ có vẻ thô hơn thực tế.
2.9.2.4. Sử dụng tính đối xứng của mô hình.
- Rất nhiều đối tượng có các tính đối xứng: đối xứng lặp, đối xứng gương và đối xứng trục. Khi một đối tượng đối xứng về tất cả các mặt (hình học, tải trọng, điều kiện biên và vật liệu) ta có thể lợi dụng tính đối xứng này để giảm kích thước và phạm vi của mô hình.