CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG TIỆN
3.2. Ứng dụng phần mềm Solid works 2009 thiết kế hoàn thiện cánh tay ủũn hiệu chuẩn
3.2.2. Sử dụng COSMOS WORKS 2009 mô phỏng tính toán
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 45 Khi ngoại lực tỏc ủộng lờn một vật, vật này sẽ bị biến dạng và lực sẽ truyền qua toàn bộ vật. Ngoại lực sẽ làm sinh ra ứng lực và phản lực ủể ủưa vật trở lại trạng thái cân bằng.
Các nghiên cứu tĩnh tuyến tính sẽ tính toán các chuyển vị, sức căng, ứng suất và phản lực dưới tỏc ủộng của ngoại lực.
Các nghiên cứu tĩnh tuyến tính thực hiện dựa trên các giả thiết sau:
Giả thiết tĩnh:
Tất cả cỏc lực tỏc ủộng chậm và tăng dần cho tới khi ủạt ủủ cường ủộ.
Sau khi ủạt ủủ cường ủộ, lực sẽ giữ khụng ủổi theo thời gian. Giả thiết này cho phép ta bỏ qua các lực quán tính và giảm chấn do khi gia tốc và vận tốc nhỏ thỡ cỏc lực này là khụng ủỏng kể.
Trường hợp cỏc lực tỏc ủộng thay ủổi theo thời gian, cú thể gõy nờn cỏc lực quỏn tớnh hoặc giảm chấn lớn, ta phải tớnh toỏn trong cỏc phõn tớch ủộng.
Cỏc tải ủộng thay ủổi theo thời gian và trong nhiều trường hợp gõy nờn cỏc lực quán tính hoặc giảm chấn lớn không thể bỏ qua thì không áp dụng giả thiết tĩnh ủược.
Lưu ý:
•Việc xỏc ủịnh tải cú ỏp dụng theo giả thiết tĩnh ủược hay khụng là rất quan trọng, lý do là một tải ủộng cú thể sinh ra ứng suất lớn gấp 1/(2x) lần tải tĩnh với cựng cường ủộ, ở ủõy, x là hệ số giảm chấn. Với cấu trỳc ớt giảm chấn, vớ dụ với 5% giảm chấn, ứng suất ủộng sẽ lớn gấp 10 lần ứng suất tĩnh.
Trường hợp xấu nhất là cộng hưởng.
•Cú thể dựng cỏc phõn tớch tĩnh ủể tớnh toỏn phản ứng của cấu trỳc một vật quay với tốc ủộ khụng ủổi hoặc di chuyển thẳng với gia tốc khụng ủổi, do lực quỏn tớnh sinh ra khụng ủổi theo thời gian.
Giả thiết tuyến tính:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 46 Quan hệ giữa tải và cỏc ủỏp ứng sinh ra (chuyển vị, sức căng và ứng suất) là tuyến tớnh. Vớ dụ, nếu tăng tải gấp ủụi, thỡ cỏc ủỏp ứng của mụ hỡnh cũng tăng gấp ủụi. Cú thể thực hiện cỏc phõn tớch theo giả thiết tuyến tớnh nếu:
•Tất cả cỏc vật liệu trong mụ hỡnh tuõn theo ủịnh luật Hooke, rằng ứng suất tỷ lệ bậc nhất với sức căng. (Thực tế thì ứng suất không tỷ lệ bậc nhất với sức căng, mà chỉ gần ủỳng như vậy. Giả thiết này nhằm ủơn giản húa tớnh toỏn và kết quả khụng sai lệch ủỏng kể với thực nghiệm).
•Cỏc chuyển vị sinh ra là ủủ nhỏ ủể bỏ qua sự thay ủổi ủộ cứng do tải.
(ðộ cứng của một cấu trỳc phụ thuộc vào hỡnh dạng của cấu trỳc ủú. Khi cấu trỳc chịu tải thỡ hỡnh dạng của nú sẽ thay ủổi, thể hiện qua chuyển vị, ủộ vừng và gúc xoay. Như vậy, nhỡn chung là ủộ cứng của cấu trỳc sẽ thay ủổi khi chịu tải. Nhưng nếu tớnh toỏn chi tiết ủến như vậy thỡ bài toỏn trở nờn phức tạp. Giả thiết này nhằm ủơn giản húa bài toỏn ủối với những trường hợp cấu trỳc chỉ cú những chuyển vị nhỏ dưới tỏc ủộng ngoại lực).
•Cỏc ủiều kiện biờn khụng thay ủổi trong quỏ trỡnh chịu tải. Tải phải bằng hằng số về cường ủộ, hướng và phõn bố. Chỳng khụng thay ủổi khi mụ hỡnh bị biến dạng. (ðiều kiện biờn bao gồm tải trọng và cỏc ràng buộc ủối với cấu trỳc, như bản lề, ngàm, nhiệt ủộ... Giả thiết này cũng nhằm ủơn giản húa tớnh toỏn chứ thực tế khụng bao giờ như vậy, chỳng phải thay ủổi khi mụ hỡnh biến dạng.)
Như vậy, chỉ áp dụng phân tích tĩnh tuyến tính nếu cấu trúc có vật liệu là tuyến tớnh và tải chỉ gõy biến dạng nhỏ cho cấu trỳc ủú.
3.2.2.2. Một số ủịnh nghĩa cơ bản
Cỏc ứng lực bờn trong vật sẽ thay ủổi từ ủiểm này ủến ủiểm khỏc. Thụng qua một diện tớch nhỏ bất kỳ, lực tỏc ủộng từ bờn này sang bờn kia của diện
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 47 tớch. Ứng suất là ủại lượng xỏc ủịnh cường ủộ ứng lực (lực trờn ủơn vị diện tích).
Stress (Ứng suất): Trong một vật thể liờn tục, ứng suất tại một ủiểm như sau:
-Tưởng tượng một mặt phẳng tựy ý cắt qua vật thể tại ủiểm cần tớnh ứng suất, -Xột một diện tớch vụ cựng nhỏ DeltaA bao quanh ủiểm ủú trờn mặt phẳng này.
-Gọi cường ủộ lực truyền qua DeltaA theo một hướng nào ủú là DeltaF,
-Ứng suất theo hướng này ủược tớnh bằng DeltaF/DeltaA khi DeltaA tiến tới 0.
Strain (sức căng): Sức căng là tỷ lệ thay ủổi chiều dài dL trờn chiều dài ban ủầu L. Sức căng là ủại lượng khụng thứ nguyờn.
Chuỗi tính toán: Với một tập hợp các chuyển vị bắt buộc và tải, chương trình phân tích tĩnh tuyến tính sẽ tiến hành như sau:
-Chương trình sẽ xây dựng và giải một hệ các phương trình cân bằng của phần tử hữu hạn tuyến tớnh ủể cú ủược chuyển vị tại mỗi nỳt.
-Sau ủú, chương trỡnh sẽ dựng cỏc kết quả chuyển vị này ủể tớnh toỏn cỏc thành phần sức căng.
-Cuối cùng, chương trình sử dụng các kết quả sức căng và quan hệ ứng suất- sức căng ủể tớnh toỏn cỏc ứng suất.
3.2.2.3. Tính toán ứng suất
Ứng suất trước tiờn ủược tớnh toỏn tại cỏc ủiểm ủặc biệt, gọi là cỏc ủiểm Gauss hoặc Quadrature, nằm trong từng phần tử. Những ủiểm này ủược lựa chọn ủể cho số lượng kết quả tối ưu. Chương trỡnh sẽ tớnh ứng suất tại cỏc nỳt của mỗi phần tử bằng cỏch ngoại suy cỏc kết quả cú sẵn tại cỏc ủiểm Gauss.
Sau khi chạy phân tích thành công, các kết quả ứng suất nút tại mỗi nút của mọi phần tử ủó cú trong cơ sở dữ liệu. Cỏc nỳt chung của hai hoặc nhiều
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 48 phần tử sẽ có nhiều kết quả. Nói chung, các kết quả này thường không giống nhau do phương phỏp phần tử hữu hạn chỉ là một phương phỏp gần ủỳng. Vớ dụ, nếu một nút là chung cho ba phần tử, có thể có ba giá trị ứng suất hơi khác nhau cho mỗi thành phần của ứng suất tại nút này.
Khi xem các kết quả ứng suất, cần biết các ứng suất phần tử hoặc các ứng suất nút. ðể tính toán các ứng suất phần tử, chương trình sẽ tính trung bình các giá trị ứng suất của các nút trong phần tử này. ðể tính toán các ứng suất nút, chương trình sẽ tính trung bình các kết quả tương ứng của tất cả các phần tử cú chung nỳt ủú.
3.2.2.3. Kết quả của các phân tích tĩnh tuyến tính
Theo mặc ủịnh, cỏc hướng X, Y và Z ủược xỏc ủịnh theo hệ tọa ủộ chung. Nếu chọn một tham chiếu khỏc, những hướng này sẽ theo ủối tượng tham chiếu ủược chọn.
1. Các thành phần chuyển vị
•UX = Chuyển vị theo hướng X
•UY = Chuyển vị theo hướng Y
•UZ = Chuyển vị theo hướng Z
•URES = Chuyển vị tổng hợp
•RFX = Phản lực theo hướng X
•RFY = Phản lực theo hướng Y
•RFZ = Phản lực theo hướng Z
•RFRES = Phản lực tổng hợp 2. Các thành phần ứng suất
•EPSX = Ứng suất pháp X
•EPSY = Ứng suất pháp Y
•EPSZ = Ứng suất pháp Z
•GMXY = Sức căng tiếp theo hướng Y trong mặt phẳng YZ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 49
•GMXZ = Sức căng tiếp theo hướng Z trong mặt phẳng YZ
•GMYZ = Sức căng tiếp theo hướng Z trong mặt phẳng XZ
•ESTRN = Sức căng tương ủương
•SEDENS = Mật ủộ năng lượng sức căng
•ENERGY = Tổng năng lượng sức căng
•E1 = Sức căng pháp trong hướng chính thứ nhất
•E2 = Sức căng pháp trong hướng chính thứ hai
•E3 = Sức căng pháp trong hướng chính thứ ba 3. Các ứng suất phần tử và nút
•SX = Ứng suất pháp X
•SY = Ứng suất pháp Y
•SZ = Ứng suất pháp Z
•TXY = Ứng suất tiếp theo hướng Y trong mặt phẳng YZ
•TXZ = Ứng suất tiếp theo hướng Z trong mặt phẳng YZ
•TYZ = Ứng suất tiếp theo hướng Z trong mặt phẳng XZ 4. Cỏc thụng số dưới ủõy khụng dựng tham chiếu:
•P1 = ứng suất chính thứ nhất (lớn nhất)
•P2 = ứng suất chính thứ 2
•P3 = ứng suất chính thứ 3
•VON = ứng suất von Mises
•INT = Cường ủộ ứng suất
•ERR = Lỗi tiêu chuẩn năng lượng (chỉ có với ứng suất phần tử)