Đang tải... (xem toàn văn)
Khảo sát biến dạng thân máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn
MỤC LỤC Trang ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ‘’KH ẢO SÁT BIẾN DẠNG THÂN MÁY TIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ’’ Học viên: Nguyễn Thế Đoàn Hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Trần Vệ Quốc THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC Trang Mở đầu ………………………………………………………………………………………… 7 Chương I: CÁC DẠNG KẾT CẤU HIỆN ĐẠI CỦA THÂN MÁY TIỆN ………………. 9 Chương II: CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 12 2.1 Các phương pháp tính sức bền trong cơ học………………………………………… 12 2.1.1 Phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin kết hợp với phương trình vi phân đường đàn hồi………………………………………………………………………………………… 12 2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn……………………………………………………… 13 2.2 Các dạng đối tượng của bài toán sức bền trong thiết kế hiện đại……………………. 23 2.2.1. Chi tiết dạng thanh…………………………………………………………………. 23 2.2.2 Chi tiết dạng dầm…………………………………………………………………… 23 2.2.3 Chi tiết dạng khối.…………… …………………………………………………… 23 2.3. Các kiểu phần tử của bài toán phần tử hữu hạn và sử dụng…………………………. 24 2.3.1. Phần tử kiểu đường………………………………………………………………… 24 2.3.2. Phần tử kiểu đa giác……………………………………………………………… 24 2.3.3. Phần tử kiểu tứ diện……………………………………………………………… . 25 2.3.4. Các kiểu khác………………………………………………………………………. 25 2.4. Các bước thực hiện bài toán phần tử hữu hạn……………………………………… 25 2.5. Các bài toán ứng dụng phương phần tử hữu hạn……………………………………. 27 2.5.1. Bài toán cơ học……………………………………………………………………. 27 2.5.2. Bài toán truyền nhiệt………………………………………………………………. 29 2.5.3. Bài toán dòng chất lưu…………………………………………………………… . 33 2.5.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài……………………………………………………. 33 2.6. Các mô hình toán học của phương pháp phần tử hữu hạn………………………… 34 2.6.1. Phương trình mô tả chuyển vị…………………………………………………… 34 2.6.2. Phương trình mô tả lực nút………………………………………………………… 34 2.6.3. Phương trình vi phân đường đàn hồi………………………………………………. 34 2.7. Giới thiệu một số phần mền tính FEM………………………………………………. 34 2.7.1. Ansys……………………………………………………………………………… 34 2.7.2. Catia……………………………………………………………………………… . 37 2.7.3. Cosmos Design Star……………………………………………………………… 2.7.4. Mechanical Destop…………………………………………………………………. 38 40 2.8. Lựa chọn công cụ chính và công cụ hỗ trợ………………………………………… 41 2.8.1. Công cụ chính……………………………………………………………………… 41 2.8.2. Công cụ hỗ trợ…………………………………………………………………… 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 2.8.3. Nhận dạng lẫn nhau………………………………………………………………. 41 2.9. Tổng quan về mô hình cấu trúc……………………………………………………… 41 2.9.1. Tổng quan về xây dựng mô hình………………………………………………… . 41 2.9.2. Các bước tiến hành………………………………………………………………… 43 2.9.3. Các hệ trục toạ độ…………………………………………………………………. 49 2.9.4. Sử dụng chuột và mặt phẳng làm việc……………………………………………. 53 2.9.5. Mô hình thông qua các đối tượng hình học……………………………………… 54 2.9.6. Phát sinh lưới……………………………………………………………………… 57 2.9.7. Hiệu chỉnh mô hình………………………………………………………………… 63 2.9.8. Sinh lưới thích ứng ………………………………………………………………… 67 2.9.9. Phát sinh trực tiếp………………………………………………………………… 71 2.9.10. Mô hình đường ống ………………………………………………………………. 71 2.9.11. Hiệu chỉnh số nút và phần tử…………………………………………………… . 73 2.10. Xây dựng mô hình hình học………………………………………………………… 76 2.10.1. Giới thiệu…………………………………………………………………………. 76 2.10.2. Các sản phẩm kết nối…………………………………………………………… 78 2.10.3. Sử dụng các lệnh trong phần mềm……………………………………………… 78 2.11. Tạo mô hình phần tử hữu hạn……………………………………………………… 80 2.11.1. Tổng quan………………………………………………………………………… 80 2.11.2. Các thuộc tính cơ bản của phần tử……………………………………………… . 81 2.11.3. Các thuộc tính kết hợp của phần tử………………………………………………. 86 2.11.4. Điều khiển mật độ lưới…………………………………………………………… 87 2.12. Đặt tải………………………………………………………………………………. 87 2.12.1. Định nghĩa tải…………………………………………………………………… 87 2.12.2. Hệ toạ độ nút (Nodal Coordinate System - NCS)…………………………… 88 2.12.3. Các ràng buộc chuyển vị………………………………………………………… 89 2.12.4. Lực tập trung……………………………………………………………………… 89 2.12.5. Kiểm tra các kết quả……………………………………………………………… 89 CHƯƠNG III : MÔ HÌNH HỌC VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CỦA BÀI TOÁN THÂN MÁY TIỆN…………………………………………………………………. 91 3.1. Xây dựng mô hình hình học thân máy………………………………………………. 3.1.1. Cụm thân máy…………………………………………………………………… 91 91 3.1.2. Mô hình hình học với Mechanical Destop………………………………………… 99 3.1.3. Mô hình FEM của thân máy………………………………………………………. 100 3.2. Xác định các thông số cơ bản của mô hình hình học………………………… 101 3.2.1. Thông số cơ học của vật liệu……………………………………………………… 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 3.2.2. Thông số hình học của mô hình…………………………………………………… 101 3.3. Tính toán bộ tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục chính và thân máy…………. 102 3.3.1. Chế độ cắt tính toán…….………………………………………………………… 102 3.3.2. Tính lực cắt………………………………….……………………………………… 102 Chương IV: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH THÂN MÁY TIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRÊN HỆ THỐNG COSMOS/ANSYS……………………………………………… 104 4.1. Sơ đồ tính……………………………………………………………………………. 104 4.2. Phân tích hệ thống ngoại lực tác dụng………………………………………………. 104 4.3. Đơn vị tính………………………………………………………………………… 107 4.4. Ứng dụng phần mềm Ansys/Cosmoss….…………………………………………… 107 4.4.1. Khởi động chương trình Ansys, giao diện Ansys…………………………………. 107 4.4.2. Xây dựng mô hình học…………………………………………………………… 108 4.4.3. Định hướng bài toán………………………………………………………………. 108 4.4.4. Tạo mô hình phần tử hữu hạn……………………………………………………… 109 4.4.5. Khai báo các thuộc tính của vật liệu……………………………………………… 109 4.4.6. Khai báo các điều kiện biên……………………………………………………… 110 4.4.7. Đặt tải trên mô hình………………………………………………………………… 110 4.4.8. Giải…………………………………………………………………………………. 111 4.4.9. Kết quả……………………………………………………………………………… 111 4.5. Kết quả dạng dữ liệu…………………………………………………………………. 120 4.6. Đánh giá và kết luận … ……………………………………………………………… 121 4.6.1. Đánh giá …………………………….……………………………………………… 121 4.6.2. Kết luận… ………………………………………………………………………… 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO. …………………………………………………………………… 124 PHỤ LỤC. …………………………………………………………………………………… 126 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 MỞ ĐẦU Phương pháp phần tử hữu hạn đã được ứng dụng vào cơ học từ rất lâu, nó thường được sử dụng để khảo sát các mô hình có những đặc điểm cơ học phức tạp. Do đặc điểm quản lý thông tin về nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính toán sơ cấp rất lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn chỉ thực sự có ý nghĩa khi được ứng dụng máy tính. Ngày nay với sự phát triể n của kỹ thuật gia công và các phần mền hỗ trợ thiết kế. Trong thực tế xuất hiện rất nhiều các loại chi tiết không thuộc kiểu chi tiết truyền thống (Trục, dầm, thanh) điều này điều này đòi hỏi phải có công cụ tính mới. Bên cạnh đó các hệ vật phức tạp khi tính toán sức bền được ứng dụng Phương pháp phần tử hữu hạn cho hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt nhất. Xuất phát từ tình hình nói trên, việc hệ thống hoá các kiểu phần tử trong bài toán cơ học và xây dựng các mô hình tính cho một số chi tiết phức tạp trong chế tạo máy đang là một vấn đề cấp bách. Vì vậy đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu sâu. Tuy nhiên, mặc dù có cố gắng nhiều trong việc xây dựng ý tưởng mô hình nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều những điểm mới cần được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm. Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn. Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn thành với nội dung tốt nhất. Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS TS Trần Vệ Quốc, Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề kỹ thuật Thiết bị Y tế - Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình xây dựng ý tưởng mô hình và hoàn thành nội dung luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm. Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. HỌC VIÊN Nguyễn Thế Đoàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 CHƯƠNG I : CÁC DẠNG KẾT CẤU HIỆN ĐẠI CỦA THÂN MÁY TIỆN 1.1. Thân máy tiện thường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 1.2. Thân máy tiện CNC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1. Các phương pháp tính sức bền trong cơ học. 2.1.1. Phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin kết hợp với phương trình vi phân đường đàn hồi. * Thành lập công thức: Dựa theo công thức tích phân Mor, ta có nhận xét như sau: - Mô men uốn do tải trọng gây ra Mx là hàm số bất kì f(z). -Mô men uốn Mk do lực đơn vị gây ra là hàm số bậc nhất ta có thể phân tích là: Mk =F(z) =az+b (2.1) Giả sử EJ =const, ta tính tích phân: I=( ) ( ) ()( ) ( ) ( )∫ ∫ ∫ ∫ ∫+=+==l l l l lkxdzzfbdzzzfadzbazzfdzzFzfdzMM0 0 0 0 0 (2.2) Ta nhận thấy: f(z).dz là diện tích của hình gạch gạch, cho nên: ( )( )clzfzSdzzzf .0Ω==∫ (mô men tĩnh của hình phẳng giới hạn bởi đường f(z) với trục f(z)) ( )Ω=∫ldzzzf0 là diện tích của hình phẳng được giới hạn bởi đường f(z) Thay vào ta được: ( )cccbzabzaIη Ω=+Ω=Ω+Ω= (2.3) * Phép nhân biểu đồ: - Vẽ biểu đồ mô men uốn do tải trọng gây nên, ta được biểu đồ mô men được ký hiệu là MP. Giả sử ta tính được diện tích của biểu đồ MP là Ω và trọng tâm C của biểu đồ. - Tại điểm cần tính chuyển C f(z) Ω 0 z z dz l zc F(z) cη Hình 2.1 z [...]... của phần tử FF - lực tác dụng lên phần tử [K] {δ }- lực biến dạng của phần tử 4 Phương trình độ cứng của vật thể: 2.2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết phương pháp lực: Dựa vào lý thuyết của phương pháp lực khó tự động hoá 2.2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết phương pháp chuyển vị: Dựa vào lý thuyết của phương pháp chuyển vị dễ tự động hoá nên được sử dụng phổ biến. .. – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 37 PIPE : Phần tử ống 2D SOLIDS: Phần tử khối đặc 2D 3D SOLID: Phần tử khối đặc 3D SHELL : Phần tử tấm vỏ SPECLTY: Phần tử đặc biệt CONTACT: Phần tử tiếp xúc Phần tử thanh SPAR 2D-SPAR :Phần tử Thanh 2D : LINK1 3D-SPAR :Phần tử Thanh 3D : LINK8 BILINEAR : Phần tử Thanh phi tuyến LINK10 : Phần tử dầm BEAM 2D-ELAST : PT Dầm đàn hồi 2D đối xứng BEAM3 3D-... biểu đồ Mk Phương pháp sử dụng các phương trình vi phân : phức tạp, độ chính xác tương đối cao nhưng việc xác định kết quả của bài toán tại các điểm khác nhau trên chi tiết là rất khó khăn và phức tạp 2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học Tư tưởng của phương pháp này là chia phần tử ra thành... pháp cho ộ chính xác cao và kiểm tra kết quả rất thuận tiện đ Ngày nay duới sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp này đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ Phương pháp này xây ựng công thức dựa trên cơ sở ha i phương pháp: d phương pháp bi n phân (phương pháp Rayleigh –Ritz) và phương pháp weighted ế residuals (phương pháp Galerkin) Các phương trình cơ bản đều được suy ra từ các phương trình cân bằng. .. khó khăn này, phương pháp FEM đã đưa ra cách giải bằng phương pháp số hoá rất mạnh cho lời giải gần đúng nhận được với biến dạng nhận được rất đa dạng Phương pháp FEM giả thiết phân tích chi tiết thành các miền có hình dạng và kích thước khác nhau (phần tử) , các phương trình gần đúng khác nhau tạo lập bởi các phương trình đại số và số hoá quá trình tính toán các biến dạng Các phần tử có dạng: đoạn thẳng... các chỉ tiêu khác nhau 2.6 Các mô hình toán học của phương pháp phần tử hữu hạn 2.6.1 Phương trình mô tả chuyển vị ∂u ∂x ∂v εy = ∂y ∂v ∂u γ xy = + ∂x ∂y εx = (2.32) Trong đó: εx - biến dạng pháp tuyến theo phương x εy - biến dạng pháp tuyến theo phương y γxy - biến dạng góc trên mặt phẳng x-y u, v - chuyển vị theo hai phương của trục x và y 2.6.2 Phương trình mô tả lực nút {q}e = {K }e {δ }e (2.33)... Quá trình xây dựng các phương trình cân bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phương pháp Galerkin: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 L[u ( x)] = f ( x) a ≤ x ≤ b u (a ) = u a u (b) = u b (2.5) Trước hết ta chia đoạn [a,b] thành n miền con (hình 2.1) Các miền con này được gọi là các phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Hình 2.2 Quá... ANSYS/ LS-DYNA: Bài toán động lực học (lực biến thiên theo thời gian, biến dạng lớn) 2.7.1.4 Một số kiểu phần tử Do có thể giải được rất nhiều dạng bài toán khác nhau nên phần mềm có rất nhiều loại phần tử Với nội dung hạn chế của đề tài tác giả chỉ giới thiệu một số loại phần tử được ứng dụng trong đề tài: STRUCTURE: Phần tử cấu trúc SPAR: Phần tử thanh BEAM: Phần tử dầm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –... Điều kiện cân bằng lực Phương pháp này thoả mãn chính xác các điều kiện biên về chuyển vị Ẩn số của phương pháp này là chuyển vị (phương pháp này thường hay dùng nhất) Còn phương pháp phần tử hữu hạn lấy ứng suất làm gốc thì đáp ứng chính xác Điều kiện vật liệu, Điều kiện cân bằng lực và thoả mãn tương đối với ràng buộc Tính tương thích Ẩn số của phương pháp này là lực và moment - Các phương pháp giải... cứng của các phần tử - Kết nối các phần tử với nhau qua các nút,sẽ có hệ thống phương trình cấu trúc - Giải hệ thống phương trình để xác định các ẩn số là chuyển vị sau đó suy ra đ ộ biến dạng và ứng suất - Kết quả sẽ thoả mãn các điều kiện biên, các điều kiện vật lý Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn Start Định nghĩa bài toán: - Số bậc tự do - Số nút ở gốc - Số phần tử - Số liệu . THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ‘’KH ẢO SÁT BIẾN DẠNG THÂN MÁY TIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ’’ . và phức tạp. 2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải
![Trước hết ta chia đoạn [a,b] thàn hn miền con (hình 2.1). Các miền con này được gọi là các phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). - Khảo sát biến dạng thân máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn](https://media.store123doc.com/figures/001/167/het-doan-mien-mien-phan-phuong-phan-han-1167226.png)
