Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH)
2.5.4. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chương trình ANSYS
Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích bài toán vật lý – cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
Trong bài toán kết cấu (Stuctural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu. Giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán đƣợc giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật liệu đàn hồi đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt… Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đƣa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật liệu.
Mỗi bài toán cần đƣa mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình học thực. Vì vậy cần đƣa vào mô hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mô hình học 2D và 3D với các kích thước thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường, diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng mô hình đƣợc trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện HVTH: Hà Phước Cường
31
phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt. Nhưng việc chia lưới phụ thuộc năng lực của từng phần mềm.
Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đƣa các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) đƣợc đƣa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học.
Sau khi xác lập đƣợc các điều kiện bài toán, để giải chúng, Ansys cho phép chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài toán.
Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ. Các kết quả tính toán được ghi vào file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, Ansys xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số.
2.5.4.2. Trình tự phân tích
- Chọn kiểu phần tử: với các bài toán trong Luận văn, ta chọn kiểu phần tử SHELL.
- Khai báo vật liệu: cần khai báo các tính chất của vật liệu chế tạo vật thể, nhƣ mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, trọng lƣợng riêng, ...
- Xây dựng mô hình hình học: vẽ kết cấu cần khảo sát, bằng cách cho tọa độ từng
điểm trong một hệ trục tọa độ đã được chọn trước.
- Xây dựng mô hình phần tử: thiết lập kích thước phần tử, cách thức chia lưới và tiến hành chia lưới mô hình.
- Đặt các điều kiện biên: lựa chọn ràng buộc bậc tự do của những nút đặc biệt trong mối liên kết giữa các phần tử với nhau, các phần tử với giá. Đặt tải trọng tác dụng lên vật thể khảo sát. Tải trọng có thể là lực tập trung, lực phân bố, mô men, áp suất.
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện HVTH: Hà Phước Cường
32
- Chọn các yêu cầu khi giải bài toán: chọn các thuật toán phù hợp khi giải bài toán, như chọn số bước con khi tính, chỉ tiêu hội tụ, cách xuất kết quả vào file dữ liệu,
....
- Xử lý kết quả: kết quả tính toán sau khi chạy chương trình có thể xuất ra dưới dạng các giá trị, các đồ thị, các bảng, file dữ liệu. Ứng suất và biến dạng của vật thể có thể xuất ra dưới dạng ảnh đồ phân bố trường, cho phép quan sát và nhận biết được trường phân bố của các giá trị ứng suất.
2.5.4.3. Các kiểu phần tử đƣợc dùng trong Luận văn
ANSYS là chương trình tính toán mạnh mẽ với thư viện phần tử phong phú, gồm nhiều loại phần tử đƣợc ứng dụng để mô hình cho các bài toán ở nhiều lĩnh vực kỹ thuật như kết cấu, nhiệt, lưu chất… Trong Luận văn này, tác giả sử dụng phần tử SHELL181 để mô hình cho kết cấu Silo vách trụ.
Phần tử SHELL181 là phần tử tấm vỏ có 4 nút với 6 bậc tự do tại mỗi nút, bao gồm 3 bậc tự do chuyển vị và ba bậc tự do góc xoay theo các phương x, y, z. Phần tử này thường được dùng để mô hình cho các tấm mỏng và cho kết quả rất tốt với các bài toán kết cấu thép.
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện HVTH: Hà Phước Cường
33
Hình 2.13. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện HVTH: Hà Phước Cường
34