PHÂN TÍCH BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEA) VÀ PHẦN MỀM TÍNH KẾT CẤU ANSYS Ks. Nguyễn Thành Công Bộ môn Cơ khí ô tô I/ FEA là gì ? 1.1- Giới thiệu : Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một phương pháp số dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng trên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ. Hệ vật lý được mô hình hóa bằng các phần tử rời rạc (elements). Mỗi phần tử có các phương trình chính xác mô tả ứng xử của nó với một tải xác định. “Tổng” ứng xử của tất cả các phần tử trong mô hình sẽ cho ta ứng xử chung của hệ vật lý. Các phần tử có số lượng ẩn hữu hạn, do đó chúng là các phần các phần tử hữu hạn (finite elements). Mô hình phần tử hữu hạn có số ẩn hữu hạn nên chỉ có thể mô phỏng gần đúng ứng xử của hệ vật lý (có vô hạn số ẩn). Vì thế sẽ nảy sinh câu hỏi: Độ chính xác của nghiệm xấp xỉ ? Câu hỏi này không dễ trả lời. Nó phụ thuộc hoàn toàn vào cách mô phỏng và công cụ được sử dụng để mô phỏng. Giáo trình này sẽ cố gắng hướng dẫn các bạn tiếp cận vấn đề này một cách tốt nhất.
1.2- Tại sao lại cần FEA? Giảm số lượng mẫu thí nghiệm vì mô phỏng trên máy tính cho phép giả lập các kịch bản “nếu… thì…” một cách nhanh chóng và thuận tiện. Mô phỏng những thiết kế khó (hoặc không thể) thực hiện với mẫu thựcvà tiết kiệm chi phí, tiết kiệm thời gian, tạo ra các thiết kế có chất lượng tốt hơn và tin cậy hơn. II/ Tổng quan về ANSYS. ANSYS là một gói phần mềm FEA hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật Kết cấu. Nhiệt. cả Mô phỏng số động độn g lực học dòng d òng chảy, chảy, (Computational Fluid Dòng chảy, bao gồm cả Mô Dynamics, CFD). Điện/ Tĩnh điện. Điện từ. Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Các lĩnh vực công nghiệp chính có sử dụng ANSYS: Vũ trụ, hàng không; Công nghiệp ô tô;Y sinh;Xây dựng và cầu đườngĐiện tử và thiết bị; Máy móc và thiết bị công nghiệp nặng; Các hệ vi cơ-điện tử (Micro tử (Micro Electromechanical Systems, MEMS); Dụng cụ thể thao.
ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật. Ngoài ra còn có các dòng sản phẩm khác : ANSYS/LS-DYNA : giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao (VD:bài toán động lực học biến dạng lớn trong gia công áp lực) DesignSpace : là một công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích và thiết kế nhanh trong các môi trường CAD khác nhau (ví dụ: SolidWorks, Autodesk products, SolidEdge, Unigraphics …). ANSYS/ProFEA : cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD Pro/ENGINEER.
ANSYS/
ANSYS/
Professional
Mechanical
ANSYS/ Emag
ANSYS/
ANSYS/
ED
Structural
ANSYS/ ProFEA
ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/
ANSYS/
PrepPost
University
Design Space
2.1 -Phân tích kết cấu : Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất, và các phản lực. Phân tích tĩnh : Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh Ứng xử phi tuyến ví dụ như độ võng lớn, biến dạng lớn, bài toán tiếp xúc, chảy dẻo, siêu đàn hồi, từ biến ... Phân tích động lực học : Bao gồm hiệu ứng khối lượng và giảm chấn. Phân tích modal: xác định tần số riêng và dạng dao động riêng. Phân tích điều hòa: xác định ứng xử của kết cấu khi tải trọng có dạng hình sin với biên độ và tần số xác định. Phân tích động lực học tức thời (Transient Dynamic Analysis) : xác định ứng xử của kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả ứng xử phi tuyến. Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu : Phân tích phổ. Phân tích dao động ngẫu nhiên. Mất ổn định. Kết cấu con (Subtructuring, submodeling). •
•
•
2.2- Động lực học biến dạng lớn : Dùng để mô phỏng biến dạng rất lớn khi lực quán tính đóng vai trò quyết định. Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm, phá huỷ, tạo hình nhanh, … 2.3- Phân tích nhiệt : Phân tích nhiệt được dùng để xác định trường phân bố nhiệt độ trong một vật thể. Các đại lượng đáng quan tâm khác bao gồm: lượng nhiệt mất đi hoặc tăng lên, gradient nhiệt, và dòng nhiệt. Tất cả 3 dạng truyền nhiệt cơ bản đều có thể được phân tích và mô phỏng: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ. Trạng thái ổn định (Steady-State) : Bỏ qua các ảnh hưởng phụ thuộc thời gian. Trạng thái tức thời hay chưa ổn định (Transient ) : Để xác định nhiệt độ và một số đại lượng khác như một hàm của thời gian. Cho phép mô phỏng sự thay đổi pha (nóng chảy hoặc đông đặc). 2.4- Phân tích điện từ : Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong các thiết bị điện từ. Phân tích điện từ tĩnh và tần số thấp : Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện 1 chiều, nguồn xoay chiều tần số thấp, các tín hiệu tức thời ngắn tần số thấp. Ví dụ : thiết bị khởi động từ (solenoid), các động cơ, máy biến thế. Các thông số đáng quan tâm bao gồm : mật độ thông lượng từ, cường độ từ trường, lực và mô men từ, trở kháng, độ tự cảm, dòng điện xoáy, công suất mất mát, và dòng rò. Phân tích điện từ tần số cao : Mô phỏng các thiết bị truyền sóng điện từ. Ví dụ : các thiết bị thu vi sóng và sóng radio, dẫn sóng, thiết bị kết nối đồng trục. Các đại lượng đáng quan tâm gồm có: các thông số S, nhân tố Q, tổn thất đường về, tổn hao điện môi và tổn hao dẫn điện, và các trường điện và từ. Phân tích tĩnh điện : Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hoặc tích điện Ví dụ : Thiết bị cao áp, các hệ vi cơ điện tử ( MEMS ), đường truyền. Các đại lượng điển hình là cường độ và điện dung của trường điện. Độ dẫn điện : để tính toán dòng điện trong dây dẫn khi áp đặt một điện áp Kết nối mạch : để kết nối mạch điện với các thiết bị điện từ. Các kiểu phân tích điện từ : Phân tích tĩnh: tính toán từ trường của dòng 1 chiều hoặc nam châm vĩnh cửu. Phân tích điều hòa : tính toán từ trường của dòng điện xoay chiều. Phân tích tức thời: được sử dụng với từ trường thay đổi theo thời gian. 2.5- Tính toán động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics,CFD) : Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy. ANSYS/FLOTRAN có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp. Ứng dụng cho : hàng không vũ trụ, đóng gói điện tử, thiết kế ôtô. Các đại lượng đặc trưng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng. Âm thanh : Để phân tích và mô phỏng sự tương tác giữa 1 môi trường chất lỏng (hoặc khí) và khối chất rắn bao quanh. • •
• • •
Ví dụ : loa phóng thanh, nội thất ô tô, thiết bị dò bằng siêu âm. Các đại lượng đặc trưng bao gồm: phân bố áp suất, chuyển vị và các tần số riêng. Phân tích chất lỏng (hoặc khí) trong bể chứa : Để mô phỏng hiệu ứng của một chất lỏng hoặc khí đứng yên (không chảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thủy tĩnh do bị khuấy lên. Ví dụ : Trong tầu chở dầu, các bình chứa chất lỏng khác. Nhiệt và sự dịch chuyển khối lượng : Một phần tử 1 chiều được sử dụng để tính toán lượng nhiệt sinh ra do sự dịch chuyển khối lượng giữa hai vị trí, ví dụ như dịch chuyển của một khối lượng trong một cái ống. 2.6- Phân tích tương tác giữa các trường vật lí : Xem xét sự tương tác giữa hai hoặc nhiều trường khác nhau. Vì trên thực tế các trường đều phụ thuộc lẫn nhau, nên không thể giải quyết chúng một cách tách biệt, bởi vậy cần có một chương trình giải quyết đồng thời cả hai hiện tượng bằng cách kết hợp chúng. Ví dụ : Phân tích nhiệt-ứng suất. Phân tích áp điện (điện và kết cấu) Âm thanh (dòng chảy và kết cấu) Phân tích nhiệt-điện Cảm ứng nhiệt (từ và nhiệt) Phân tích tĩnh điện-kết cấu III/ Một số bài toán tính trong ANSYS:
Hình 1: Tính toán cơ cấu nâng hạ ô tô tự đổ 16T
Hình 2 : Tính toán một số cụm chi tiết của ô tô
Hình 3 : Mô phỏng khí động học
Hình 4: Tính bền khung xương xe khách
Hình 5: Mô phỏng tai nạn ô tô
Độc giả có nhu cầu tìm hiểu sâu thêm về phần mềm ANSYS có thể liên hệ: Nguyễn Thành Công-Bộ môn Cơ khí ô tô-ĐH Giao thông vận tải. ĐT: 0983555685
