4.2.1. Sơ lược về các phần mềm phần tử hữu hạn
Trong những năm gần đây, rất nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực phát triển chương trình số cho quá trình hàn ma sát khuấy. Trong đó đã có rất nhiều phần mềm thương mại như ABAQUS, ANSYS, DEFORM-3D, FIDAP, FLUENT, LSDYNA, FORGE3, Hyper
60
Works và 1 số chương trình tự viết, đã được sử dụng để mô phỏng quá trình hàn ma sát khuấy. Trong những nghiên cứu này, có 2 phương pháp tiếp cận chính là:
- Phương pháp cơ học vật rắn phần tử hữu hạn (FEM) với việc áp dụng mô hình tính toán Lagrange.
- Phương pháp động lực học lưu chất (CFD) trên nền tảng thể tích hữu hạn (FVM) với việc áp dụng mô hình tính toán Euler.
Trong cách thức sử dụng mô hình tính toán Lagrangian, miền tính toán được chia nhỏ thành các nút và phần tử vật liệu. Các điểm và phần tử này chuyển động và biến dạng trong quá trình phân tích. Trong cách thức sử dụng mô hình tính toán Eulerian, miền tính toán được chia thành các nút và phần tử không gian, và được giữ cố định trong quá trình tính toán. Tuy nhiên, vật liệu trong mô hình tính toán này được phép chảy qua biên của các phần tử trong lưới cứng.Các biến tính toán trong những mô hình sử dụng nút và phần tử cố định bao gồm nhiệt độ, vận tốc và tốc độ biến dạng.
Mỗi phần mềm đều có khả năng riêng biệt trong việc mô phỏng quá trình hàn ma sát khuấy. Dựa trên các nghiên cứu trước đây qua nhiều tác giả của các mô hình mô phỏng, khả năng mô phỏng của các phần mềm được thể hiện trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1 Khả năng mô phỏng của một số phần mềm cho hàn ma sát khuấy.
Phần mềm Mô hình vật liệu
Thư viện vật liệu
Tính toán nhiệt
Tính toán biến dạng
Tính toán ứng suất dư
Dòng vật liệu
Tính toán kích cỡ hạt
Tính toán độ cứng
HyperWorks Dẻo nhớt
✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
Deform 3D Dẻo nhớt
✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
Abaqus Đàn
dẻo
✓ ✓ ✓ ✓ - -
Ansys Dẻo
nhớt
✓ ✓ ✓ - - -
Forge3 Dẻo
nhớt
✓ ✓ ✓ - - - -
61
4.2.2. Mô phỏng quá trình hàn ma sát khuấy trên phần mềm Hyper Works
Công cụ mô phỏng Altair® HyperWorks® được sử dụng để mô phỏng và phân tích phần tử hữu hạn quá trình ma sát khuấy. Phần mềm này có khả năng tính toán được quá trình truyền nhiệt và tạo dựng mô hình 3D, phân tích trạng thái nhiệt ổn định hoặc tức thời.
Phương pháp phân tích hữu hạn tức thời được thực hiện bằng cách giả sử nguồn nhiệt của toàn bộ quá trình ở trạng thái ổn định. Các bước phân tích phần tử hữu hạn cho quá trình hàn ma sát khuấy trên HyperWorks được thực hiện như sau:
Bước 1. Chọn đơn vị cho quá trình tính toán phân tích. (Hình 4.1)
Bước 2. Thiết kế mô hình cho mối hàn giáp mối (dụng cụ và phôi hàn).(Hình 4.2) Bước 3. Chia lưới cho mô hình mối hàn (phân chia các thành phần, tạo các bề mặt tương tác) trên HyperMesh. (Hình 4.3)
Bước 4. Chọn vật liệu cho mối hàn và phôi hàn trong thư viện vật liệu của HyperWorks.
(Hình 4.4)
Bước 5. Cài đặt các thông số quá trình (vận tốc di chuyển, tốc độ quay, góc nghiêng).
Bước 6. Cài đặt điều kiện biên cho quá trình hàn. (Hình 4.5)
Bước 7. Tiến hành tính toán các thông số của quá trình trên công cụ HyperXtrude Solver.
(Hình 4.6)
Bước 8. Truy xuất kết quả phân tích trên HyperView.
Hình 4.1 Lựa chọn đơn vị cho quá trình tính toán.
62
Mô hình phần tử hữu hạn áp dụng để mô phỏng cho quá trình hàn ma sát khuấy sử dụng 200 phần tử lăng trụ lục giác và 1209 nút. Các thông số quá trình hàn trong mô hình được xét tới là đường kính đầu khuấy, chiều cao đầu khuấy, đường kính vai dụng cụ, tốc độ quay dụng cụ, vận tốc di chuyển, góc nghiêng dụng cụ. Giả sử rằng 90% năng lượng cơ được chuyển hóa thành năng lượng hàn.
Nhiệt độ ban đầu của phôi được giả sử là bằng với nhiệt độ phòng là 30oC (303K). Hệ số đối lưu tại bề mặt trên cùng và mặt bên của phôi được đặt là 30 W/m2K.
Bởi vì giá trị của hệ số truyền nhiệt giữa phôi và đe hàn là không có và toàn bộ lượng nhiệt thoát ra tại bề mặt bên dưới được chuyển hóa dưới dạng đối lưu với hệ số là 300 W/m2K. Các điều kiện biên trên đều được sử dụng các giả thuyết của Colegrove [16].
Hình 4.3 Chia lưới cho mô hình.
Hình 4.2 Dụng cụ và phôi hàn.
63
Hình 4.4 Gán vật liệu cho dụng cụ và phôi hàn.
Hình 4.5 Cài đặt điều kiện biên cho quá trình.
Hình 4.6 Giải mô hình trên HyperXtrude Solver.
64