2.1.3.7.1. Kiểm tra chân cổng:
Kiểm tra độ bền chân cổng theo thuyết bền bốn (tr.10).[3]:
Trang 50 Trong đó:
Ứng suất lớn nhất ở đầu chân cổng được tính như sau (tr.10).[3]:
= + +N (2.191)
Ứng suất tiếp do lực cắt lớn gây ra (tr.10).[3]:
= + ℎ (2.192)
2.1.3.7.2. Kiểm tra dầm biên:
Ứng suất uốn phụ do mômen quán tính gây ra (tr.222).[4]:
= + (2.193)
Ứng suất uốn tổng tương ứng với trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai (tr.222).[4]:
= + ≤[ ] (2.194)
Ứng suất cho phép tương ứng với trường hợp phối hợp tải trọng này [ ] = 180 / .
2.1.3.8. Kiểm tra thời gian tắt dần dao động của dầm chính.
Thời gian tắt dao động riêng của kết cấu dầm chính, theo (14.3).[15]:
s P f ttd 15 . . 2 ln ≤ ≤ δ (2.195)
Trong đó: f : độ võng dầm chính tại tiết diện giữa; P: Tần số dao động riêng của dầm;
M C P π 2 1 = , theo (14.4).[15]. Với : 48.3. L J E
C= x: Độ cứng của dầmtheo công thức của bảng 2 (tr.2.23).[17]. M: khối lượng quy dẫn của dầm theo công thức (14.5).[15]:
g G g G M = + dc + x 35 17 (2.196) với : g = 9810mm/s2 ; Gdc: trọng lượng của dầm chính; Gx: trọng lượng xe nâng; δ = 0,07 : hằng số lôga tắt dần. Thay tất cả vào công thức trên ta được :
Trang 51 δ . . 2 ln P f ttd = (2.197) 2.2. Phần mềm SolidWorks.
Hiện nay, các phần mềm phân tích kết cấu thép thông dụng như: RDM6, ANSYS, SolidWorks, SAP2000,… đều có thể ứng dụng để tính toán kết cấu thép cổng trục. Nhưng để thay thế được nhiều công đoạn tính toán kết cấu cổng trục trong phương pháp tính truyền thống thì SolidWorks là phần mềm rất phù hợp. Vì SolidWorks thực hiện được phần lớn các bước tính toán trong thiết kế kết cấu cổng trục, nội dung chính của phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks bao gồm:
Xây dựng mô hình tính;
Tính nội lực kết cấu (SolidWorks Simulation); Tính tối ưu (Design Study).
Thông số đầu vào của phần mềm SolidWorks bao gồm: kích thước bao kết cấu cổng trục, sơ bộ kích thước tiết diện các thành phần cổng trục và các tải trọng tác động lên kết cấu. Trong phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks vẫn phải ứng dụng các công thức kinh nghiệm của phương pháp tính truyền thống để xác định.
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks là thực hiện các công đoạn tính toán giống nhau với thông số đầu vào khác nhau một cách nhanh chóng và cho kết quả chính xác. So với phương pháp tính truyền thống ngoài tính trọng lượng, các đặc trưng tiết diện cho một hay nhiều chi tiết; phân tích nội lực của từng bộ phận hay nhóm bộ phận hay toàn bộ kết cấu cổng trục; thì phần mềm SolidWorks có khả năng tính tối ưu bất kỳ một chi tiết, một bộ phận hay toàn bộ kết cấu cổng trục; và cho kết quả hợp lý nhất về kích thước tiết diện của từng bộ phận kết cấu cổng trục.
2.2.1. Giới thiệu phần mềm SolidWorks:
SolidWorks của hãng Dassault Systèmes là phần mềm thiết kế 3D được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, kiến trúc, cơ khí… Phần mềm SolidWorks cũng cho phép nhiều phần mềm ứng dụng nổi tiếng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó như GearTrax, CamTrax... SolidWorks có thể xuất ra các file dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác mô hình trong môi trường các phần mềm phân tích khác như ANSYS, ADAMS, Pro-Casting… ngoài ra có một
Trang 52 số phần mềm hỗ trợ, hoạt động song song và liên kết với SolidWorks, như MasterCAM, SolidCAM...
Giao diện của chương trình được bố trí một cách khoa học và rất thuận lợi cho người sử dụng. Nó mang đầy đủ những tính năng đã được chọn lọc qua nhiều phiên bản của những phần mềm CAD, điều này rất thuận lợi với người đang sử dụng CAD và dễ tìm hiểu nghiên cứu đối với người mới sử dụng. Những thành phần chính trên giao diện của SolidWorks như hình 2.37.
Hình 2.37: Cửa sổ của SolidWorks.
Menu Bar: Trình đơn
CommandManager: Thanh công cụ
Property Manager: Hộp thoại của các lệnh trong SolidWorks
FeatureManager filter: Công cụ lọc tên trong cây thư mục quản lý các đặc tính thiết kế.
FeatureManager design tree: Cây thư mục quản lý các đặc tính thiết kế
Status Bar: Thanh tình trạng
Search Assistant: Hộ trợ tìm kiếm tổng thể
Tool Bar: Thanh công cụ
Help flyout menu: Trình đơn giúp đỡ của SolidWorks. Heads-up View toolbar: Tập hợp lệnh hỗ trợ quan sát bản vẽ 3D
Trang 53 Những trình đơn Menu Bar chứa đựng gần như tất cả các lệnh trong SolidWorks. CommandManager là thanh công cụ năng động và chuyên nghiệp. Theo mặc định, mỗi một tab trên thanh công cụ là một nhóm lệnh chuyên dụng và được sắp xếp phân vùng theo tính năng. Để thuận lợi cho thao tác của người sử dụng, ta hoàn toàn có thể thay đổi vị trí hay thêm bớt lệnh trong tab hoặc thêm bớt tab, hình 2.38d).
Hình 2.38: a) Tab Features – Tập lệnh vẽ khối
b) Tab Sketch – Tập lệnh vẽ phát
c) Tab Evaluation – Tập lệnh tính toán ước lượng d) Thêm bớt tab trên
CommandManager
PropertyManager là một trong những tab của FeatureManager design tree, nó là
hộp thoại chuyên soạn thảo hoặc sửa đổi các đặc tính thiết kế trên cây thư mục. Các đặc tính thiết kế bao gồm: các lệnh vẽ phát, các lệnh vẽ khối. PropertyManager xuất hiện khi ta sử dụng các đặc tính thiết kế.
FeatureManager design tree là cây thư mục quản lý các đặc tính thiết kế, nó cung
cấp danh sách các đặc tính thiết kế ở dạng một cây thư mục. Trình tự các lệnh được sắp xếp và đặt tên theo thứ tự trong quá trình thao tác; Cho phép thay đổi hay di dời thứ tự đó theo quy luật mối quan hệ logic điểm, đường, mặt; Cho phép đổi tên đặc tính thiết kế bằng lệnh remane hoặc click đôi lên tên cần điều chỉnh; Cho phép tạo thư mục để hỗ trợ chia nhóm, phân loại, hoặc làm giảm chiều dài cây thư mục.
FeatureManager design tree giúp người sử dụng quản lý các đặc tính thiết một cách khoa học.
FeatureManager filter là công cụ lọc tên từ cây thư mục quản lý các đặc tính thiết
kế. Giúp ta tìm những đặc tính cùng đoạn kí tự hoặc chính xác tên đặc tính. phẳng cơ bản.
Task Pane: Thanh menu thư viện các bản vẽ 3D, thư viện màu và kết nối internet
Trang 54
Status Bar là thanh tình trạng nằm ở đáy cửa sổ SolidWorks, nó cung cấp thông tin
liên quan đến chức năng mà ta đang thực hiện.
Search Assistant là công cụ tìm kiếm, hỗ trợ tìm kiếm những chủ đề có trong dữ liệu giúp đỡ và hướng dẫn sử dụng.
ToolBar là những thanh công cụ chuyên dụng, mặc định của mỗi tab là một tập hợp
lệnh cùng chuyên môn, và ToolBar cho phép thêm bớt lệnh bất kỳ trên tab.
Heads-up View toolbar là loại thanh công cụ nằm bên trên của vùng đồ họa. Heads-
up View toolbar cung cấp đầy đủ lệnh của viewport, hỗ trợ người thiết kế quan sát hay tìm kiếm các entities (điểm, đường, mặt) của chi tiết; hay góc nhìn toàn bộ kết cấu trong vùng đồ hoạ.
Hình 2.39: a) Cổng trục dầm đơn b) Cổng trục dầm đôi
2.2.2. Mô hình tính:
Trong SolidWorks có 3 loại bản vẽ cơ bản sau:
- Part: bản vẽ chi tiết, được sử dụng mô phỏng chi tiết hoặc toàn bộ kết cấu. Trong một bản vẽ chi tiết có nhiều khối có thể tách ra làm nhiều bản vẽ chi tiết khác nhau.
- Assembly: bản vẽ lắp ráp, được sử dụng để liên kết các bản vẽ part hoặc bản vẽ assembly với nhau để tạo thành máy hoàn chỉnh. Bản vẽ này có sự kết nối trực tiếp với từng chi tiết được đưa vào bản vẽ, cho nên nếu có sự thay đổi nào đó từ bản vẽ Part thì chi tiết tương ứng trên bản vẽ lắp cũng tự động cập nhật theo.
- Drawing : bản vẽ 2D, chủ yếu dùng để biểu diễn các bản vẽ tổng thể, bản vẽ chế tạo từ bản vẽ Part, bản vẽ Assembly.
Phần mềm này cho phép người sử dụng dễ dàng xây dựng một mô hình 3D hoàn chỉnh với giao diện trực quan và thao tác đơn giản hơn bất kỳ một phần mềm nào tương tự; SolidWorks không hạn chế tính phức tạp hay số lượng solid trên một bản vẽ part.
Thư viện vật liệu và tiết diện rất đa dạng và phong phú; có thể áp dụng vật liệu cho từng phần tử, hay từng nhóm phần tử hay toàn bộ kết cấu từ thư viện có sẵn; hoặc thiết
Trang 55 kế một vật liệu mới; có thể áp dụng tiết diện cho từng chi tiết hay nhóm chi tiết, có thể tùy chỉnh thông số tiết diện từ thư viện hoặc thiết kế một tiết diện bất kỳ; SolidWorks cho phép lấy kết quả các đặc trưng tiết diện cho một tiết diện bất kỳ, và trọng lượng tương ứng cho một chi tiết hay một nhóm chi tiết bất kỳ, hay toàn bộ kết cấu.
2.2.3. Tính nội lực kết cấu.
SolidWorks Simulation là một hệ thống phân tích thiết kế đầy đủ được tích hợp trong SolidWorks. SolidWorks Simulation cung cấp một giải pháp toàn diện cho các kiểu phân tích về: ứng suất (stress), tần số (frequency), mất ổn định (buckling), nhiệt (thermal),... và tối ưu thiết kế (optimization). Mạnh mẽ bởi các tính toán cực kỳ nhanh, SolidWorks Simulation cho phép bạn giải quyết những vấn đề lớn một cách nhanh chóng chỉ với chiếc máy tính cá nhân. SolidWorks Simulation được phân thành các môđun khác nhau phục vụ cho các nhu cầu phân tích thiết kế khác nhau. SolidWorks Simulation rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường bằng cách tiết kiệm thời gian và công sức trong việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu.
Hình 2.40: Các bước phân tích cơ bản của SolidWorks Simulation.
SolidWorks Simulation phân tích bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). FEM là một kỹ thuật số hoá dành riêng cho việc phân tích các thiết kế kỹ thuật. FEM được chấp nhận như phương pháp phân tích tiêu chuẩn do tính tổng quát cũng như sự phù hợp của nó khi thực hiện trên máy tính. FEM chia mô hình thành nhiều phần nhỏ có hình dạng đơn giản gọi là các phần tử, bằng cách đó một vấn đề phức tạp sẽ được thay thế bằng nhiều vấn đề đơn giản được giải quyết đồng thời. Những phần tử này chia sẻ các điểm chung được gọi là các nút (node). Hình có lớp lưới bao phủ như hình 2.37b, trong SolidWorks gọi là lưới chia (meshing). Phân tích ứng suất (Stress) hay phân tích tĩnh học (Static) là tính toán các chuyển vị, phản lực, biến dạng, ứng suất, và hệ số an toàn. Việc tính toán hệ số an toàn dựa trên tiêu chuẩn về phá huỷ. Phần mềm cung cấp 4 tiêu chuẩn về phá huỷ khác nhau. Phân tích tĩnh học giúp ta tránh được những phá hủy do ứng suất lớn. Nếu hệ số an toàn thấp hơn mức cho phép vật liệu sẽ bị phá huỷ. Những vùng có hệ số an toàn lớn cho thấy ứng suất
Trang 56 nơi đó thấp và ta có thể tiết giảm vật liệu phù hợp hơn. Trong phần mềm SolidWorks, phân tích ứng suất được thực hiện trên toàn bộ kết cấu hoặc phân tích ứng suất cho từng bộ phận kết cấu. Cho nên đều có thể áp dụng mô hình tính là sơ đồ kết cấu chung hay sơ đồ kết cấu riêng.
2.2.4. Tính tối ưu.
Chức năng của Design Study là để thực hiện sự tối ưu hóa (optimization) hay sự ước lượng (evaluate) những chi tiết hay bộ phận máy đặc biệt của một kết cấu. Dữ liệu đầu vào của Design Study bao gồm những kích thước thiết kế từ mô phỏng 3D (kích thước tiết diện, chiều dày,…); từ kết quả của phân tích tĩnh học (chuyển vị, phản lực, biến dạng, ứng suất, và sự phân bố hệ số an toàn); SolidWorks cho phép thiết lập những cảm biến (sensors) để cập nhật những thông số từ kết quả của SolidWorks Simulation hoặc những thông số từ bản vẽ 3D làm thông số đầu vào cho Design Study. Người thiết kế phải thiết lập đầy đủ các điền kiện giới hạn đối với kết cấu. Design study sẽ tự động xây dựng hệ phương trình từ những điều kiện trên và cho kết quả tối ưu nhất.
Trang 57
CHƯƠNG 3:
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính toán kết cấu cổng trục bằng phương pháp truyền thống: 3.1.1. Các thông số ban đầu: 3.1.1. Các thông số ban đầu:
* Giả sử cổng trục dầm đôi dạng hộp với chế độ làm việc bình thường, có các thông số ban đầu như sau:
Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Giá trị Đơn vị
Tải trọng nâng định mức: Q 25 Tấn 245250 N
Chiều cao nâng. H 6 m 6000 mm
Khẩu độ. L 20 m 20000 mm Trọng lượng xe nâng. 5 tấn 49050 N Khoảng cách trục các bánh xe của xe nâng. 1,6 m 1600 mm Khoảng cách vết bánh xe của xe nâng. 2,6 m 2600 mm Khoảng cách từ trục các bánh xe
nâng đến đầu mút khẩu độ. 1 m 1000 mm
Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của cổng trục.
* Mô hình tính:
Hình 3.1: Mô hình tính theo phương pháp truyền thống.
Để đơn giản cho tính toán, trên mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với đường ray, ta xem khung chân cổng như một phần tử.
Trong phương pháp tính truyền thống sau ta xem dầm chính, gối tựa, dầm biên có tiết diện không đổi, và chân cổng có tiết diện thay đổi đều. Các phần tử của cổng trục là loại phần tử dạng thanh. B A ) ) E A ) E M A B
Trang 58 Với khẩu độ L ≤ 20m, chọn liên kết ở 2 đầu dầm chính là liên kết cứng ở vị trí A, B. Và tại vị trí E, M là 2 vị trí tiếp xúc của cổng trục với đường ray, ta xem E và M là 2 gối cố định. Đây là cổng trục dầm đôi có 2 gối cố định và ta thực hiện tách dầm như hình 3.1.
3.1.2. Vật liệu chế tạo dầm chính:
Vật liệu chế tạo dầm chính là thép CT3 có các đặc trưng cơ tính như sau: Môđun đàn hồi (khi kéo) : E = 2,10.105
N/mm2; Môđun đàn hồi trượt : G = 0,81.106 kG/cm2; Giới hạn chảy : σ = 2400 ÷ 2800 daN/cm2; Giới hạn bền : σ = 3800 ÷ 4200 daN/cm2; Độ dai va đập : A = 50 ÷ 100J/cm2;
Khối lượng riêng : γ = 7,83 T/m3
; Độ dãn dài khi đứt : ε = 21%;
3.1.3. Xác định sơ bộ kích thước cổng trục:
* Dầm chính có tiết diện hình chữ I là tổ hợp hàn từ 3 thép tấm CT3.
Chiều cao dầm chính ở tiết diện giữa phụ thuộc vào khẩu độ của cổng trục:
ℎ = 141 ÷181 = 141 ÷181 20000 = 1111 ÷ 1428,6 Ta chọn h = 1200 mm; Chiều rộng của dầm 1 thành vách: B = (0,33 ÷ 0,5)ℎ = 396 ÷ 600 Với B ≥300 , ta chọn B = 500 mm; = 401 ÷501 = 400 ÷ 500 Với ≥ = 400 , ta chọn B0 = 450 mm; đối với chiều dày thép tấm, ta có:
δ = 100 ÷1 1601 ℎ = 100 ÷1 1601 1176 = 7,35 ÷ 11,76 = = (1,5 ÷ 2,0). = 15 ÷ 20
Ta chọn:
- Chiều dày thành đứng: δ =δ = 10mm; - Chiều dày tấm biên trên: = = 14 ;
Trang 59 - Chiều dày tấm biên dưới: = = 10 .
* Kích thước cơ sở của cổng trục :
≥4=200004 = 5000 Ta chọn kích thước cơ sở Bc = 5000 mm
Chiều dài chân cổng:
= + −2 = 9314.5 * Chiều dài dầm biên Ac = 5500 mm.
* Chiều dài gối tựa:
= − = 2600−500 = 2100
3.1.4. Xác định các đặc trưng tiết diện cổng trục:
Từ các tiết diện sơ bộ hình 3.2, ta tính các đặt trưng tiết diện.
3.1.4.1. Đặc trưng tiết diện dầm chính:
Tính diện tích tiết diện:
Diện tích thanh biên trên: = . = 500.14 = 7000
a) Tiết diện dầm chính. b) Tiết diện dầm biên.
c) Tiết diện đầu chân cổng. d) Tiết diện cuối chân cổng e) Tiết diện gối tựa.
Trang 60 Diện tích thanh biên dưới: = . = 500.10 = 5000
Diện tích thành đứng: = 2.ℎ . = 2.1176.10 = 23520
Chiều cao thành đứng: ℎ =ℎ− − = 1200−14−10 = 1176
Tổng diện tích của tiết diện: = + + = 35520