ANSYS WORKBENCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ANSYS WORKBENCH VÀO PHÂN TÍCH tối ưu CHI TIẾT BÍCH đầu bơm THỦY lực

PHẦN I
ANSYS WORKBENCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA ANSYS
WORKBENCH VÀO PHÂN TÍCH TỐI ƯU CHI TIẾT BÍCH ĐẦU
BƠM THỦY LỰC.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH 13
1.1.Giới thiệu chung.
 Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nên các ngành công nghiệp thì việc ứng dụng
các phần mềm số là rất quan trọng. Nó không những giúp mô phỏng một cách gần đúng
các mô hình cần chế tạo…mà còn giảm chi phí sản xuất, giảm các công đoạn kiểm tra
đánh giá. Từ đó giảm giá thành sản phẩm. Trước đây, để tính toán các mô hình người ta
dùng các phương thủ công là tính bằng tay nhờ các công thức thực nghiệm. Những năm
gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ tính toán cùng sự phát triển của máy tính điện
tử được thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các
bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi
tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. Ansys
Workbench là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi, nó có thể đáp
ứng các yêu cầu nói trên của cơ học.
 Ansys Workbench 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 về dạng số, với việc sử dụng phương
pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải.
 Lợi thế của ANSYS WORBENCH :
-Khả năng nhập mô hình hình học.
-Khả năng chia lưới tốt.
-Tích hợp các công cụ.
-Khả năng kết hợp theo hai hướng với CAD…
 Trong bài toán kết cấu (Structural),phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng
suất – biến dạng, trường nhiệt do các kết 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 giải cho
các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật liệu đàn hồi, đàn
dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt… Ansys workbench cung cấp trên 200 kiểu phần tử

khác nhau. Mỗi kiểu phần tử tương ứng với 1 dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ
lọc sẽ cho các module tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số
để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, Ansys workbench yêu cầu chọn dạng bài toán riêng
cho từng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật liệu. Mỗi bài toán cần đưa
mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến
tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số của vật liệu. Ansys
workbench là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình
học thực. Vì vậy cần đưa ra mô hình học đúng. Ansys workbench cho phép xây dựng các
mô hình học 2D và 3D với các kích thước thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như
vật thật. Ansys workbench có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường,
diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và các phần tử. Hai dạng mô hình trao
đổi và thống nhất với nhau để giải các bài toán bằng phần tử hữu hạn, nên sau khi xây
dựng mô hình học, Ansys workbench cho phép chia lưới phần tử do người 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 nhỏ càng tốt. Nhưng việc chia lưới cũng phụ thuộc vào năng lực của
từng phần mềm.
 Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys workbench, cần đưa ra các điều kiện ban đầu
và điều kiện biên cho mô hình học. Các ràng buộc, các nội lực hoặc các ngoại lực (lực,
chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) được đưa vào từng nút, từng phần tử trong mô hình hình
học. Cụ thể các bước của quá trình mô phỏng như sau:
 Mô hình hóa hình học 3D, nhờ các phân mềm, sau đó, chuyển về Ansys workbench, nếu
sử dụng WorkBench thì có thể chuyển phân tích ngay.
 Nhập chọn mô hình vật liệu cho từng chi tiết: nhập các thuộc tính cơ học, nhiệt và các
thuộc tính khác cho các chi tiết và kết cấu. Ansys workbench cho phép nhập thuộc tính
vật liệu không phải chỉ là các giá trị cố định về giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy, mà cho
phép nhập quan hệ ứng suất và biến dạng, hay nói cách khác cho phép nhập quan hệ
thực giữa ứng suất và biến dạng, quan hệ đó là quan hệ phi tuyến và phụ thuộc nhiệt độ
và tốc độ biến dạng. Ansys workbench cho quan hệ ứng suất và biến dạng của một số
thép thông dụng, nhưng cũng cho phép người dùng tự nhập các giá trị đường cong thực
nghiệm của người dùng.

 Chia lưới phần tử Meshing: Để giải bài toán phân tích, như tính bền chẳng hạn, người ta
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải. Vì vậy cần phải chia lưới phần tử. Số
lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên lưới càng chia nhỏ
càng tốt, nhưng việc chia nhỏ phần tử phụ thuộc vào năng lực của từng phiên bản
ANSYS.
 Nhập điều kiện biên Cơ - nhiệt: Xác định các điểm hoặc mặt cố định, hoặc chuyển động
với số bậc tự do nào đó, nhập lực tác dụng với lực tập trung, lực phân bố, mô men, hay
nhiệt
Chọn phương pháp giải: bài toán tính bền tĩnh hay động, bài toán mỏi, hay dao động, bài
toán nhiệt đơn thuần hay bài toán đồng tác dụng nhiệt và cơ
 Cho chạy Run chương trình để máy tính giải
 Lấy kết quả: vào Result để chọn các kết quả cần phần tích: chuyển vị, ứng suất, biến
dạng tùy theo yêu cầu người dùng Sau đó so với các tiêu chuẩn bền để phán xét chỗ
nào bền, chỗ nào sẽ bị hỏng, từ đó chỉnh lại kết cấu để tránh các sai hỏng ,.
 Sau khi xác lập được các điều kiện bài toán, để giải chúng Ansys workbench cho phép
chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài
toán. Ansys workbench cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp vứi độ chính
xác cao. Để theo dõi bước tính, Ansys workbench cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ.
Các kết quả tính toán được lưu vào file dữ liệu. Việc xuất ra các dữ liệu được tính toán
và lưu trữ, Ansys workbench xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị,
ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất
kết quả dưới dạng bảng số.
1.2. Cấu trúc phần mềm ANSYS WorkBench.
1.2.1.Phân loại các modul trong Ansys workbench.
 Ansys workbench là gói phần mềm FEA hoàn chỉnh được dùng để mô phỏng, tính toán,
thiết kế công nghiệp, đã và đang sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ
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 lĩnh vực công nghiệp khác có
sử dụng tới Ansys workbench
 Vũ trụ, hàng không
 Công nghiệp ô tô
 Xây dựng cầu đường.
 …
 Các thành phần của ANSYS WORBENCH :
- DesignModeler
- Meshing
- Simulation
- DesignXplorer và DesignXplorer VT
- FE Modeler
- Advanced Meshing
- Autodyn .
1.2.2. Cấu trúc của modul Static structural.
 Khởi động Ansys workbench và vào modul Static structural.

Cấu trúc tĩnh
 Modul cài đặt vật liệu.
Cài đặt
vật liệu
 Modul thiết kế.
Tổng quát cấu trúc vật
liệu
Phác thảo các loại vật
liệu

Chọn dạng vật liệu
chung
Thiết kế hình
học
 Modul chuyển mô hình sang mô phỏng.
Mô hình chi
tiết
 Modul cài đặt các thông số mô phỏng chi tiết.
 Chia lưới chi tiết.
Chế độ chia
lưới
 Đặt các tải trọng lên chi tiết.
Các loại tải
trọng
 Modul giải pháp cho mô hình.
 Quá trình chạy mô phỏng.
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS WORKBENCH 13 VÀO
TÍNH TOÁN CẤU TRÚC TĨNH CỦA CHI TIẾT BÍCH ĐẦU BƠM THỦY
LỰC
2.1. Yêu cầu tính toán thiết chi tiết bích đầu bơm thủy lực.
 Kết cấu của chi tiết phải đảm bảo đủ độ cứng, độ bền và đảm bảo tính tin cậy gia công
chế tạo. Chi tiết phải chịu được các điều kiện tác động bên ngoài: Rung động, dao động,
thay đổi nhiệt độ…
 Kích thước chi tiết: 149x134x35 mm.
 Trọng lượng: 2,8 kg.
 Các dạng tải trọng phải chịu:
 Áp lực của dầu bơm.
 Momen quay của trục bánh răng.
 …
=> Qua phân tích ở trên ta có thể thấy yêu cầu của bài toán đặt ra là tính toán, mô phỏng

độ bền cơ học của chi tiết trong quá trình làm việc.
 Vật liệu chế tạo: Gang xám.
2.2.Đặt vật liệu và chia lưới.
2.2.1.Vật liệu.
Vật liệu sử dụng cho chế tạo chi tiết bích là Gang xám.Với các thông số đặt vào chi tiết
như sau:

Hình 2.1: Chi tiết bằng Gang xám và Bảng vật liệu Gang xám.
2.2.2.Chia lưới.
 Do điều kiện hạn chế của máy tính nên chỉ có thể chia lưới đến mức mịn nhất đối
với các kết cấu của lỗ nhỏ, các rãnh cũng như các chi tiết quá nhỏ khác
 Lý do chia lưới như thế là vì :
 Với các kích thước nhỏ thì buộc phải chia lưới với phần tử nhỏ tương ứng.
 Phần trụ là phần có ảnh hưởng lớn nhất đến kết cấu của chi tiết.
 Các phần còn lại chia lưới nhỏ nhất có thể so với khả năng của máy tính
Hình 2.2: Chia lưới vật liệu
2.3.Các trường hợp tính toán và kết quả thu được.
Hình 2.3: Mô hình làm việc của bích đầu trong máy bơm
 Sau khi phân tích các điều kiện của bích đầu bơm. Khi làm việc bích đầu bơm chịu tác
dụng của dầu,với áp suất tác dụng lên là 2 MPa.Và áp suất này giữ suốt trong quá trình
làm việc của máy.
 Ta nhận thấy rằng với bề mặt chịu tác dụng có tiết diện là 0,005 m
2
thì lực tác dụng
vào sẽ là: F = 2000000x0,005 = 10000 N.
 Với bề mặt lỗ Φ16. Có tiết diện 0,000116 m
2
. Thì lực tác dụng vào sẽ là F =
2000000x0,000116 = 232 N.
 Với bề mặt 2 lỗ trục thì chịu lực momen là:

M =
5 02 0.
1 0.
1 0 0
8 5
2 0
.
1 0.
==
v
m s
q
p
η
(Nm)
2.3.1.Trường hợp 1.
2.3.1.1.Điều kiện biên.
 Đặt fixed support vào mặt trong bích và mặt ngoài của bích.
 Đặt lực F = 232 N vào tiết diện lỗ Φ16.
 Đặt lực tác dụng lên bề mặt trong của bích với độ lớn F = 10000 N.
 Đặt momen1 M = 50 Nm vào trục chủ động.
 Đặt momen2 M = 50 Nm vào trục bị động.
2.3.1.2. Điều kiện thu được.
Sau khi tính toán ta thấy rằng, ứng suất lớn nhất tập trung lớn nhất tại phần giữa 2 trục
bánh răng và 1 phần ở bên trục bị động. Phần chịu biến dạng lớn nhất là mặt trong bị áp
suất dầu bơm tác dụng vào và 1 phần mặt sau của bích. Ta có bảng kết quả của biến dạng
tổng và ứng suất tương đương.
 Bảng tổng biến dạng.
Results Defomation (mm)
Minimum 0

Maximum 0,00059402
 Bảng ứng suất tương đương.
Results Equivalent Stress (Mpa)
Minimum 0,0022269
Maximum 5,6316
 Kết quả mô phỏng Total Defomation.
Hình 2.4 : Tổng thể biến dạng.
Hình 2.5: Mặt trên của lỗ.
Hình 2.6: Mặt sau bích.
 Kết quả mô phỏng Equivalent stress.
Hình 2.7: Tổng thể mặt trong của bích.
Hình 2.8: Bề mặt rãnh.
Hình 2.9: Phía trong lỗ bị động.
Hình 2.10: Mặt trong lỗ chủ động
Hình 2.11: Bề mặt lỗ Φ16.
Hình 2.12: Bề mặt ngoài bích.
Hình 2.13: Bề mặt góc lượn.
Hình 2.14: Chân lỗ bơm dầu.
2.3.2. Trường hợp 2: Giữ nguyên mặt fixed support và thay đổi chiều quay của trục.
2.3.2.1.Phân tích lại điều kiện biên.
Hình 2.15: Sơ đồ đặt lại momen quay.
2.3.2.2.Kết quả thu được.
Sau khi tính toán ta thấy rằng khi thay đổi chiều quay của momen thì ứng suất lớn nhất
vẫn tập trung lớn nhất tại phần giữa 2 trục bánh răng và 1 phần ở bên trục bị động. Phần
chịu biến dạng lớn nhất là mặt trong bị áp suất dầu bơm tác dụng vào và 1 phần mặt sau
của bích. Ta có bảng kết quả của biến dạng tổng và ứng suất tương đương.
 Bảng tổng biến dạng.
Results Defomation (mm)
Minimum 0
Maximum 0,00059382

 Bảng ứng suất tương đương.
Results Equivalent Stress (Mpa)
Minimum 0,0022263
Maximum 5,63
 Kết quả mô phỏng Total Defomation.