Để thiết kế ra một sản phẩm 3D người thiết kế có thể bắt đầu bằng những đường cơ sở khác nhau nhưng đều phải bắt đầu từ sketcher cơ bản rồi từ đó xuất sang 3D rồi sử dụng những công cụ sẵn có để thiết lập lên mô hình 3D.
Các thanh công cụ sử dụng trong thiết kế 3D
- Thanh Sketcher: có tác dụng phác họa biên dạng chi tiết.
Sketcher sử dụng khi chọn một mặt phẳng vẽ phác bằng cách chọn trên Model Tree hay chọn trực tiếp trên chi tiết. Khi đó môi trường làm việc 2D xuất hiện. Muốn thoát khỏi môi trường phác thảo, trên thanh Workbench chọn Exit Workbench.
- Thanh Sketch-Based Features.
Dùng để tạo các hình cơ bản: Pad, Pocsket, Shaft, Groove, Hole, Rib, Slot, Stiffener, Soft, Remove loft…
Tạo Part bằng cách kéo 1 biên dạng
Khoét rãnh bằng 1 biên dạng
Tạo Part có vát mặt bên, vo tròn các cạnh
Tạo lỗ ren Part Khoét 1 Part bằng 1 biên dạng Tạo đường gân Tạo hốc vát mặt bên và vo tròn
các cạnh
Cắt part theo 1 đường cong Tạo Part bằng cách quay 1 biên
dạng
Tạo gân trợ lực Tạo Part với nhiều biên dạng có
kích thước khác nhau
Tạo Part từ nhiều mặt phẳng vẽ phác qua một đường chỉ hướng
Vẽ liên tục các đường line và Arc Vẽ Elip, Hyperbola, parabola… Vẽ Rectangle, keyhole profile… Vẽ line, infiniteline…
Vẽ Circle, Arc… Vẽ Axis
Vẽ các đường spline,… Vẽ point, intersection point,… Dùng để vẽ biên dạng phác thảo 2D.
- Thanh Dress-up Features.
Dùng để chỉnh sửa các Part. Bo tròn một bề mặt Vát bề mặt với những góc khác nhau Bo tròn một bề mặt với giá trị bán kính khác nhau Bo tròn giao Tạo vỏ
Bo tròn bề mặt cắt 2 mặt Tạo bề dày cho một mặt phẳng
Vát bề mặt Tạo ren cho một mặt trụ
- Thanh Transfomation Features.
Di chuyển và thực hiện một số phép toán như: Mirror, Scale… Di chuyển Part đi một
đoạn
Sao chép một đối tượng hoặc đặc điểm đối tượng, sắp xếp
theo vòng tròn
Quay Part quanh một trục Sao chép một đối tượng hoặc đặc điểm đối tượng, sắp xếp theo cột hoặc hàng
Lấy đối xứng nhưng không xóa Part nguồn
Phóng to, thu nhỏ một đối tượng
Lấy đối xứng nhưng xóa Part nguồn
Sao chép một đối tượng hoặc đặc điểm đối tượng, đặt chúng tại các điểm của một sketch
- Thanh Constraints.
Để đặt ràng buộc các kích thước.
- Thanh Surface-Base Features.
Cung cấp một số lệnh liên quan đến Split Cắt bỏ một nửa đối tượng bằng
một mặt
Tạo Part bằng cách đóng kín một mặt
Tạo bề dày cho một mặt Tạo Part bằng một mặt cong giao với Part
- Thanh Reference Elements.
Tạo 3 đối tượng cơ bản dùng trong quá trình thiết kế: điểm, đường, mặt phẳng. Một điểm mạnh của CATIA cho phép người thiết kế tạo ra những đường biên dạng hình học được thiết lập theo công thức toán học. Bánh răng là một chi tiết được bằng phương pháp trên. Tuy nhiên catia có điểm mạnh nữa là chúng ta
có thể sử dụng thư viện có sẵn để xây dựng chi tiết bánh răng bằng cách can thiệp thay đổi các các thông số như mong muốn.
4.3. Ứng dụng phần mềm CATIA để thiết kế chi tiết trong hộp số cơ khí trên ô tô: thiết kế bánh răng
Ta chuyển sang the generative shape design workshop:
Tiếp đó ta định hình môi trường làm việc với
parameters and formulas: Chúng ta kích lựa chọn 2 thông số như hình vẽ:
Lúc đó trên cây thư mục ta có thể quan sát được như sau:
1) Định nghĩa những tham số ban đầu
Chuyển đến cửa sổ làm việc click vào f(x) button:
Sau đó ta có thể tạo ra được các tham số bánh răng: • chọn unit (integer, real, length, angle, …).
• nhấn vào create parameter button. • nhập tên của các tham số.
• đặt giá trị ban đầu, chỉ sử dụng cho những giá trị cố định.
2) Định nghĩa tham số phụ thuộc
Tất cả các thông số hình học đều liên quan đến a, m, và Z. Chúng ta không cần phải tính toán mà Catia sẽ tự tính thay vì nhập các thông số ban đầu ta kích vào add formula. Sau đó chọn các giá trị trong formula.
3) Kiểm tra giá trị ban đầu và các thông số tính toán
Đặt các lựa chọn theo thứ tự để hiển thị các giá trị và công thức của mỗi tham biến. Lúc đó cây thư mục sẽ có dạng :
4) Tham số theo luật của đường cong phức tạp
Đến bây giờ ta đã định nghĩa tham số tính toán, ta định nghĩa tọa độ {Y,Z} theo đường cong phức tạp của bánh răng ta có thể định nghĩa tọa độ của Y0, Z0, Y1, Z1, … theo đường cong tuy nhiên catia cung cấp những công cụ hữu hiệu để làm điều đó parametric laws.
Theo trình tự ta tạo ra các tham số luật: click vào fog button:
Đưa vào công thức Y and Z coordinates of the involute curve: yd = rb * ( sin( t * PI * 1rad ) - cos( t * PI * 1rad ) * t * PI ) zd = rb * ( cos( t * PI * 1rad ) + sin( t * PI * 1rad ) * t * PI )
5) Tạo biên dạng hình học và đưa vào các thành phần
Trong catia phần partbody co xu hướng cho các bề mặt cơ khí. Với cấu trúc hình học ta cần làm việc với biên dạng
hình học: làm việc với the Insert / Open Body tại đầu của thanh công cụ.
Sau đó ta có thể sử dụng các nút ở bên phải thanh toolbar cho việc nhập vào các thành phần hình học catia được mặc định đặt tên cho các chi tiết của bản vẽ nhưng ta
có thể đổi tên phù hợp theo bối cảnh.
• Kích chuột phải chọn properties
6) Tạo biên dạng hình học của răng đầu tiên
Tất cả các răng còn lại là sự lặp của răng đầu tiên trên 1 vòng tròn.
7) Định nghĩa tham số, hằng số và công thức
Đã được thực hiện ở phần phía trên. (bảng giá trị)
8) Chèn vào 5 điểm suy diễn và kết nối chúng bằng đường spline
Vị trí của các điểm được định nghĩa yd(t) và zd(t) là các tham số luật: Định nghĩa 5 điểm
trên YZ plane. Trình tự để ứng dụng những công thức phức tạp, sắp xếp điểm Y và Z phối hợp với mỗi điểm, đưa vào các giá trị của tham số.
Tạo 1 spline curve kết nối 5 điểm:
9) Ngoại suy đường spline hướng về tâm của bánh răng
Những đường cong phức tạp kết thúc trên đường tròn cơ sở có bán kính rb = rp * cos(20) ≈ rp * 0.94
Khi Z < 42, đường chân răng nhỏ hơn đường cơ sở. Ví dụ: khi Z = 25: rf = rp - hf = rp - 1.25 * m = rp * (1 - 2.5 / Z) = rp * 0.9
cho lên đường cong phức tạp này phải được ngoại suy nối với đường chân răng. Ngoại suy đường spline: bắt đầu từ điểm 1st chiều dài của đường ngoại suy là theo kinh nghiệm và được biểu diễn dưới công thức f(x) f= 2 * m:
10) Vẽ đường đỉnh và đường chân răng
Ta đưa vào 2 nửa đường tròn bán kính tương ứng ra và rf, theo trình tự nhất định hình ảnh dưới đây chỉ ra làm thế nào để vẽ đường tròn đỉnh.
11) Đưa vào đường góc lượn chân răng
Góc giữa đường cong ngoại xuy và đường chân răng có bán kính được định nghĩa bởi tham số rc . Catia yêu cầu chọn (in red) ra 4 đường (màu xanh)
12) Tạo đường chân răng cho răng tiếp theo
Ban đầu ta thiết kế đường biên dạng đối xứng cho răng đầu tiên và sau đó copy nó Z lần. Nhưng sau đó đường biên dạng phát sinh bị ngắt quãng bởi các đường mép chân răng.
Để tránh hiện tượng này, ta xây dựng toàn bộ biên dạng giữa các răng liên tục trên đường cơ bản.
Bây giờ ta có thể xây dựng đường chân răng đối xứng ở hình ảnh phía trên ta có thể thấy một đường thẳng đứng vạch ra trên mặt phẳng ZX một đường xiên vạch ra trên mặt phẳng giữa các đường răng liên tục mặt phẳng này phù hợp với mặt phẳng ZX quay đi một góc 180deg / Z xung quanh trục X. Theo hình vẽ ở trên chỉ ra được làm thế nào để định nghĩa mặt phẳng trung trực bây giờ mặt phẳng này dùng để xác định đường chân răng trên vòng tròn chân răng.
13) Lắp ráp các thành phần của răng đầu tiên
Bây giờ ta cắt, nối liền các thành phần của the 1st tooth răng đầu tiên cắt từng đoạn của đường ngoại suy giữa đường đỉnh răng và đường chân răng.
Xác định đường biên dạng đối xứng thông qua mặt phẳng ZX, cho mặt kia của răng đầu tiên. Ta có thể cắt đường tròn chân răng và đường tròn đỉnh răng nhưng thay vì ta xác định 2 cung có bán kính lần lượt
Quá trình cuối cùng bao gồm công đoạn kết nối tất cả các thành phần của răng đầu tiên.
14) Xây dựng toàn bộ biên dạng răng và extrude nó
15) Kết quả thiết kế trục trung gian:
CHƯƠNG 5
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM COSMOS ĐỂ KIỂM NGHIỆM BỀN CHI TIẾT 5.1. Đặt vấn đề
• Quá trình giải bài toán về đàn hồi, sức bền, kết cấu cơ khí trong kỹ thuật thường dẫn đến giải phương trình hoặc hệ phương trình vi phân, đạo hàm riêng hoặc hệ phương trình đại số.
• Đối với các bài toán phức tạp, việc tìm ra nghiệm chính xác bằng phương pháp giải tích là gần như không thực hiện được mà ta chỉ lấy các giá trị gần đúng. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời về cơ bản giải quyết được những khó khăn trên.
• Ngày nay với tiến bộ của công nghệ thông tin và máy tính điện tử, các phần mềm của phương pháp phần tử hữu hạn ra đời phát huy tác dụng tích cực. Phương pháp phần tử hữu hạn này là công cụ chính trong việc thiết kế máy cơ khí: máy cắt kim loại, hộp số cơ khí,... Trong đó các trục là chi tiết rất quan trọng, người ta chủ yếu tính độ cứng vững, độ bền theo kinh nghiệm.
5.2. Giới thiệu phần mềm COSMOS
Phần mềm COSMOS có tính năng nổi bật sau:
• Trước đây việc tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết máy như trục máy, thân máy,... thường phải mô hình hóa trục, thân máy thành các dạng đơn giản hơn rồi đặt lực lên đó thêm một số giả thiết nhằm tính toán đơn giản hóa, sau đó tính toán theo các giả thiết trên. Việc giả thiết như vậy vừa không đưa ra kết quả xác
thực vừa không chính xác. Phần mềm COSMOS có ưu điểm tính toán rất sát thực tế, ví dụ như khi tính bền của một trục hay thân máy ta tiến hành theo các bước sau: ban đầu ta có chi tiết đã vẽ 3D bằng phần mềm SOLIDWORKS hay CATIA (là phần mềm thiết kế 3D), rồi save lại thành file. Khi đã mở được file trên ta thao tác các bước rất đơn giản như: đưa vào các điều kiện ràng buộc, chia phần tử và chạy chương trình. Sau khi chạy chương trình ta sẽ đạt được kết quả thu được cụ thể mà không tốn nhiều thời gian cũng như công sức.
• Phần mềm COSMOS có thể tính được các bài toán như: tính toán tần số riêng của một chi tiết, một cụm chi tiết, có thể tính được độ bền chi tiết dưới dạng tác dụng của ngoại lực, có thế tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền, tần số riêng của chi tiết máy,... Ngoài ra, phần mềm có thể tính được các bài toán về truyền nhiệt, dẫn nhiệt,... COSMOS là phần mềm phân tích thiết kế phát triển từ SARC (phân tích và thiết kế cấu trúc).
• Phần mềm phát triển có cấu trúc mở, chương trình đa tài liệu để tận dụng giao diện đồ họa của window hiệu quả và trực quan. Cấu trúc mở của chương trình cho phép người dùng có thể nhúng vào các phần mềm thiết kế của một hãng thứ ba bằng cách dùng tính năng Customization cộng chương trình vào hoàn chỉnh chương trình.
• COSMOS được thiết kế trên nền cơ sở Parasolid, cũng hỗ trợ chuẩn ACIS và STEP AP203. Chương trình có thể mở trực tiếp từ SOLIDWORKS và Pro/Engineer. Ngoài ra, chương trình có thể đọc hầu hết các file CAD hiện nay.
• Phần mềm trên còn rất nhiều tính năng nổi bật và ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau.
5.3. Ứng dụng COSMOS giải bài toán kiểm nghiệm bền
5.3.1 Sơ đồ hóa các bước thực hiện giải bài toán kiểm nghiệm bền:
Thiết kế trên các phần mềm CAD 3D
(Catia, Solidworks, Pro/engineer,...)
Đánh giá độ bền và độ cứng vững bằng CAE ( COSMOS, ANSYS,...)
5.3.2. Cụ thể các bước: ứng dụng COSMOS giải bài toán kiểm nghiệm bền.
• Ở trên ta đã thiết kế bằng CATIA cho trục trung gian. Sau đó chuyển sang COMOS. Bánh răng Then Trục Lắp ghép các thành phần Sử a đổ i kế t cấ
Chuyển dữ liệu sang COSMOS Gán vật liệu cho các thành phần trục
Đặt lực và các ràng buộc vào trục Rời rạc hóa trục thành các phần tử
Chạy chương trình tính toán kiểm tra, đánh giá kết quả
Hợp lý Chưa hợp lý
• Chọn vật liệu cho chi tiết: click chuột phải vào solids. Chọn Apply Material to Allhiện ra thư viện vật liệu. Chọn vật liệu cần dùng.
•Đặt lực và các ràng buộc vào trục
Chọn thư mục Restraint, sau đó chọn ràng buộc On cylindrical face để tạo ràng buộc tại vị trí của các ổ lăn
Chọn mục Remote Load đặt lực nên chi tiết
Sau khi đã chọn bề mặt đặt lực ta tiến hành nhập thông số, vị trí và giá trị của các lực theo các phương khác nhau như hình bên.
Sau khi tạo ràng buộc và đặt lực lên chi tiết ta được giao diện:
Click vào Mesh trên cây thư mục chọn Create Mesh để tạo lưới cho chi tiết
•Chạy chương trình tính toán
Click chuột phải vào Study chọn Run và đợi máy thực hiện tính toán
•Xem kết quả tính toán
- Stress: ứng suất tổng hợp - Displacement: chuyển vị của chi tiết
•Kết quả tính bền
Ứng suất tay số 1
Kết quả của quá trình sử dụng phần mềm COSMOS:
Biểu đồ chuyển vị Biểu đồ ứng suất
• Đánh giá kết quả
Kết quả thu được là trục thiết kế đủ bền.
So với kết quả trong kiểm tra tính bền bằng phương pháp truyền thống thì phương pháp này:
- Quá trình tính toán nhanh.
- Cụ thể.
- Đạt độ chính xác cao hơn.
- Dễ quan sát chuyển vị và ứng suất.
CHƯƠNG VI
TẠO CHI TIẾT TRỤC TRUNG GIAN. 6.1. Giới thiệu trục
• Trục là chi tiết được dùng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy, nó có nhiệm vụ truyền chuyển động quay, mô men xoắn nên chịu biến dạng phức tạp: xoắn, uốn, kéo, nén.
• Các chi tiết trục có bề mặt cơ bản cần gia công là mặt tròn xoay ngoài, mặt này thường dùng làm mặt lắp ghép.
• Vật liệu để chế tạo trục thông thường là thép cacbon như thép 30, 40, 45; thép hợp kim như 40Cr, 40Mn, 50Mn,... dùng cho trục chịu tải trọng lớn.
• Tùy theo kết cấu ta có thể chia các chi tiết dạng trục ra các loại khác nhau:
• Trục trơn: trên suốt chiều dài l, trục chỉ có một kích thước đường kính d. Với l/d < 4 là trục trơn ngắn, 4 ≤ l/d ≤ 10 là trục trơn thường, l/d >10 là trục trơn dài.
• Trục bậc: trên suốt chiều dài l trục có một số kích thước đường kính khác nhau. Trên trục bậc có thể có rãnh then, rãnh then hoa, hoặc có ren.
• Trục rỗng: có tác dụng làm giảm trọng lượng hoặc làm mặt lắp ghép.
• Trục răng: là loại trục trên đó có bánh răng liền trục.
• Trục lệch tâm: là loại trục có những cổ trục không cùng lằm trên một đường tâm như trục khuỷu.
• Trục của hộp số ôtô ta xét là trục bậc.
6.2. Yêu cầu kỹ thuật
Chế tạo các chi tiết dạng trục cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:
• Kích thước đường kính các cổ lắp ghép yêu cầu cấp chính xác 7 ÷ 10, một vài trường hợp cần cấp 5.
• Độ chính xác hình dạng hình học như độ côn, độ ôvan của các trục lằm trong khoảng 0,25 ÷ 0,5 dung sai đường kính cổ trục.