ứng dụng của công nghệ CAD/CAM/CAF trong việc thiết kế, đánh giá và chế tạo chi tiết, chương 9 pot

Chương 9: ANSYS WORKBENCH VÀ KHẢ
NĂNG ỨNG DỤNG ANSYS
WORKBENCH PHÂN TÍCH, ĐÁNH
GIÁ MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC
3.1 Tổng quan về Ansys
1. Gi
ới thiệu chung
Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử
dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích bài toán vật
lý –
cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm
riêng t
ừ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời
r
ạc hóa và gần đúng để giải.
Nh
ờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ
thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây
d
ựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên
c
ụ thể với số bậc tự do lớn.
Trong bài toán k
ết cấu (Stuctural), phần mềm Ansys dùng để
giải các bài toán trường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho các
k
ết cấu. Giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài
toán
ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được
gi
ải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các

bài toán v
ới vật liệu đàn hồiđàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng,
dẻo nhớt, đàn nhớt…Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác
nhau. M
ỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn
m
ột phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đưa
ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng
th
ời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu chọn dạng bài toán riêng
cho t
ừng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật liệu.
M
ỗi bài toán cần đưa mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là
v
ật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính,
v
ới mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số vật lý của vật liệu. Ansys là
ph
ần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên
mô hình h
ọc thực. Vì vậy cần đưa vào mô hình học đúng. Ansys
cho phép xây dựng các mô hình học 2D và 3D với các kích thước
th
ực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật. Ansys có
kh
ả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường, diện
tích và mô hình ph
ần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng
mô hình

được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys
là ph
ần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên
sau khi d
ựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử
do ngườ
i sử dụng hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử
quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng
nh
ỏ càng tốt. Nhưng việc chia lưới phụ thuộc năng lực của từng
ph
ần mềm.
Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa các điều
ki
ện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng
bu
ộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ)
được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học.
Sau khi xác l
ập được các điều kiện bài toán, để giải chúng
Ansys cho phép ch
ọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi
tuy
ến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài toán. Ansys cho phép xác
l
ập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo
dõi b
ước tính, Ansys cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ. Các kết
qu
ả tính toán được ghi vào file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu được

tính toán và lưu trữ, Ansys xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu
dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và
bi
ến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng
s
ố.
Ansys là gói ph
ần mềm FEA hoàn chỉnh dùng để mô phỏng,
tính toán thi
ết kế công nghiệp, đã và đang sử dụng trên toàn thế
giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật:
- Kết cấu – cơ học (Structural)
- Nhiệt (Thermal)
- Dòng chảy, bao gồm cả mô phỏng số động lực học dòng chảy
(Computational Fluid Dynamics, CFD)
- Điện, Tĩnh điện (Electric)
- Điện từ (Magnetic)
- Thủy khí (Fluid)
- Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý
Các l
ĩnh vực công nghiệp chính có sử dụng Ansys:
- Vũ trụ, hàng không
- Công nghiệp ôtô
- Y sinh
- Xây dựng và cầu đường
- Điện tử và thiết bị
- Máy móc và thiết bị công nghiệp nặng
- Các hệ vi cơ – điện tử (Micro Electromechanical Systems,
MEMS).
- Dụng cụ thể thao

 ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của
ANSYS, nó ch
ứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao
trùm t
ất cả các lĩnh vực kỹ thuật.
 Có 3 sản phẩm thành phần chính dẫn xuất từ
ANSYS/Multiphysics là:
+ ANSYS/Mechanical : Tính toán k
ết cấu và nhiệt.
+ ANSYS/Emag : Tính toán điện từ.
+ ANSYS/FLOTRAN : Tính toán CFD.
 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 l
ực)
+ DesignSpace : Là m
ột công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích
và thi
ết kế nhanh trong các môi trường CAD khác nhau (ví
d
ụ: SolidWorks, Autodesk products, SolidEdge, Unigraphics
…).
+ ANSYS/ProFEA : Cho phép phân tích và t
ối ưu thiết kế
trong môi
tr
ường CAD Pro/ENGINEER
2. Phân tích một số đặc điểm của Ansys
 Phân tích kết cấu:

- Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định đường chuyển vị,
bi
ến 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 ti
ếp xúc, chảy dẻo, siêu đàn hồi, từ biến…
Hình 3.1: Dầm có độ võng lớn
- Phân tích động lực học:
+ Bao g
ồm hiệu ứng khối lượng, giảm chấn.
+ Phân tích Modal: Xác định tần số riêng, dao động riêng.
+ Phân tích điều hòa : Xác định kết cấu khi tải trọng có dạng
hình sin v
ới biên độ và tần số xác định.
+ Phân tích động lực học tức thời: Xác định kết cấu khi tải
tr
ọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả phi tuyến.
- Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu:
+ Phân tích ph
ổ
+ Phân tích dao độ
ng ngẫu nhiên
+ M
ất ổn định
+ K
ết cấu con
Hình 3.2 : Dạng chuyển vị
 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 hủy, tạo hình
nhanh…
 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 ph
ỏng : dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ
- Trạng thái ổn định: Bỏ qua các ảnh hưởng phụ thuộc thời
gian
- Trạng thái tức thời hay chưa ổn định:
+ Để xác định nhiệt độ và một số đại lượng khác như một hàm
c
ủa thời gian
+ Cho phép mô ph
ỏng sự thay đổi pha (nóng chảy hoặc đông
đặ
c)
 Phân tích điện từ
- Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong
các thi
ết bị điện từ
+ Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều, nguồn
xoay chi
ều tần số thấp, các tín hiệu tần số tức thời tần số thấp.
+ Ví d
ụ: Thiết bị khởi động từ, các động cơ, máy biến thế.

+ Các thông s
ố đáng quan tâm bao gồm: Mật độ thông lượng
t
ừ, 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 ph
ỏng các thiết bị truyền sóng điện từ
+ Ví dụ: Các thiết bị thu vi sóng và sóng radio, dẫn song, thiết
b
ị kết nối đồng trục
+ Các đại lượng quan tâm gồm có: Các thông số S, nhân tố Q,
t
ổn thất đường về, tổn hao điện môi và tổn hao dẫn điện, các
trường điện từ.
- Phân tích tĩnh điện:
+ Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hay tích
điện
+ Ví d
ụ: Thiết bị cao áp, các hệ vi cơ điện tử (MESM), đường
truy
ền
+ 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
m
ột điện áp
- Kết nối mạch: Để kết nối một mạch điện với các thiết bị điện
t

ừ
- Các kiểu phân tích điện từ:
+ Phân tích t
ĩnh: Tính toán từ trường của dòng một chiều hoặc
nam châm v
ĩnh cửu
+ Phân tích điều hòa: Tính toán từ trường của dòng điện xoay
chi
ều
+ Phân tích t
ức thời: Được sử dụng với từ trường thay đổi theo
th
ời gian
 Tính toán động lực học dòng chảy
- Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng
ch
ảy
Hình 3.3. Vận tốc của dòng chảy trong một ống dẫn và phân bố
áp suất
- ANSYS/FLOTRAN có thể mô phỏng dòng chảy tầng và
dòng ch
ảy rối, dòng nén được và dòng không nén được, và nhiều
dòng ch
ảy 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,
nhi
ệt độ và các hệ số màng.
- Âm thanh :

+ Để phân tích và mô phỏng sự tương tác giữa 1 môi trường
ch
ất lỏng hoặc khí và khối chất rắn bao quanh.
+ Ví d
ụ : 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 ch
ảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thủy tĩnh khuấy
lên.
+ Ví d
ụ : Trong tàu 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
kh
ối lượng giữa hai vị trí, ví dụ như dịch chuyển của một khối
l
ượng trong một cái ống.
 Phân tích tương tác giữa các trường vật lí :
- Xem xét sự tương tác giữa hai hoặc nhiều trường khác nhau.
Vì trên th
ực 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 gi
ải quyết đồng thời cả hai hiện tượng bằng cách kết hợp
chúng.

- Ví dụ:
+ Phân tích nhi
ệt - ứng suất.
+ Phân tích áp điện (điện và kết cấu)
+ Âm thanh (dòng ch
ảy và kết cấu)
+ Phân tích nhi
ệt-điện
+ C
ảm ứng nhiệt (từ và nhiệt)
+ Phân tích t
ĩnh điện-kết cấu