Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần mềm ansys

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: PHAN THANH DŨNG Lớp: 48 ĐT – 1
Ngành: Đóng tàu thủy
Tên đề tài: Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần
mềm Ansys.
Số trang: 61 Số chương: 05 Số tài liệu tham khảo: 09
Hiện vật: - 03 bộ đề tài và 03 đĩa CD.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN








Kết luận:


Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2011
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)



PGS TS. TRẦN GIA THÁI

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên Sinh viên: PHAN THANH DŨNG Lớp: 48 ĐT – 1
Ngành: Đóng tàu thủy
Tên đề tài: Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần
mềm Ansys.
Số trang: 61 Số chương: 05 Số tài liệu tham khảo: 09
Hiện vật: - 03 bộ đề tài và 03 đĩa CD.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN






Điểm phản biện:
Nha Trang, ngày……tháng……năm 2011
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ


Nha Trang, ngày……tháng……năm 2011
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 03 tháng tích cực tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp:
“Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần mềm
Ansys”, đến nay tôi đã hoàn thành đồ án. Đồ án không chỉ có sự cố gắng của bản
thân mà còn được sự giúp đỡ động viên rất lớn của gia đình, quý thầy cô, đồng
nghiệp, bạn bè…
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến: Ban Chủ Nhiệm Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy –
Trường Đại Học Nha Trang, quý Thầy cô trong Bộ Môn Đóng Tàu đã tạo điều kiện
thuận lợi để tôi thực hiện tốt đồ án.
Chân thành cảm ơn Thầy PGS TS. Trần Gia Thái, anh Kỹ sư Trần Ngọc
Anh và Thầy Thạc sĩ Bùi Văn Nghiệp – người đã hướng dẫn cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện đồ án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, anh
chị em, bạn bè, các bạn đồng nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi học
tập, nghiên cứu trong suốt khóa học và trong quá trình thực hiện đồ án.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: PHAN THANH DŨNG Lớp: 48ĐT-1
Địa chỉ liên hệ: 39/32 Đoàn Trần Nghiệp - TP Nha Trang - Khánh hoà.
Điện thoại: 0974709816
Email:
Tên đề tài: Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần
mềm Ansys.
Ngành: Đóng tàu Mã ngành: 18.06.10
Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. TRẦN GIA THÁI
− Nội dung thực hiện:
1. Đặt vấn đề.
2. Cơ sở lý thuyết.
3. Tính toán, mô phỏng.
4. Chế tạo thử nghiệm.
5. Kết luận và kiến nghị.
I. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.
1. Đối tượng đề tài:
Phần mềm Ansys.
2. Phạm vi đề tài:
Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu.
3. Mục tiêu đề tài:
Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu bằng phần mềm Ansys.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Tổng quan đề tài.
1.2 Thực trạng của vấn đề đặt ra.

1.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài.
1.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu.


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1 Tính toán chế độ gia công nhiệt.
2.1.1. Nhiệt độ.
2.1.2. Tốc độ di chuyển đèn hỏa công.
2.1.3. Vị trí gia công nhiệt.
2.1.4. Kích thước đường gia công nhiệt.
2.2 Bài toán phân tích nhiệt trong Ansys.
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Ansys.
2.2.2. Bài toán phân tích nhiệt trong Ansys.
1. Tạo mô hình (Modeling).
2. Chia lưới (Meshing).
3. Các điều kiện tải nhiệt (Loads).
4. Giải (Slove).
5. Xử lí kết quả.
2.3 Mô tả phần tử SOLID187 sử dụng trong mô hình tính.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG.
3.1. Tấm cong hai chiều.
3.2. Tấm cong một chiều.
 Nhận xét chung.
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM.
4.1. Bản vẽ chế tạo.
4.2. Báo cáo kết quả chế tạo.
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
5.1. Kết luận.
5.2. Kiến nghị.
III. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

Từ 15/10/2010 đến 30/11/2010: Tìm hiểu phần mềm Ansys.
Từ 01/12/2010 đến 05/12/2010: Lập đề cương chi tiết.
Từ 06/12/2010 đến 15/12/2010: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.


Từ 16/12/2010 đến 24/12/2010: Tính toán và mô phỏng.
Từ 27/12/2010 đến 29/12/2010: Tham gia chế tạo thử nghiệm.

Nha Trang, ngày 05 tháng 12 năm 2010

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ, tên)

PGS TS. TRẦN GIA THÁI

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký và ghi rõ họ, tên)

PHAN THANH DŨNG

MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ 3
1.1. Tổng quan đề tài 3
1.2. Thực trạng của vấn đề đặt ra 3
1.3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 4
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu 4
1.3.2. Nội dung nghiên cứu 4
1.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu 5
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1. Tính toán chế độ gia công nhiệt 6
2.1.1. Nhiệt độ 6
2.1.2. Tốc độ di chuyển đèn hỏa công (V) 7
2.1.3. Vị trí gia công nhiệt 9

2.1.4. Kích thước của đường gia nhiệt 9
2.2. Bài toán phân tích nhiệt trong Ansys 9
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Ansys 9
2.2.2. Bài toán phân tích nhiệt trong Ansys 11
1. Tạo mô hình (Modeling) 11
2. Chia lưới (Meshing) 11
3. Giải (Slove) 13
4. Xử lí kết quả 17 -17
2.3. Mô tả phần tử SOLID187 sử dụng trong mô hình tính 18




CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 22
3.1. Tấm cong hai chiều U17HU-K#01 23
3.1.1. Lựa chọn bài toán và phương pháp giải cho mô hình tính 26
3.1.2. Chọn kiểu phần tử cho mô hình tính 28
3.1.3. Nhập các thông số vật liệu cho mô hình 28
3.1.4. Dựng mô hình tính tấm 31
3.1.5. Chia lưới cho tấm 39
3.1.6. Đặt điều kiện biên cho mô hình 40
3.1.7. Tiến hành giải 43
3.1.8. Xuất kết quả từ mô hình tính 43
3.2. Tấm cong một chiều U17HU-K#10 48
Nhận xét chung kết quả 52
CHƯƠNG 4
CHẾ TẠO THỬ NGIỆM 54
4.1. Bảng vẽ chế tạo 54
4.2. Báo cáo kết quả chế tạo 56

CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59
5.1. Kết luận 59
5.2. Kiến nghị 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC.
Phụ lục 1: Bảng vẽ các trường hợp mô phỏng tấm cong hai chiều.
Phụ lục 2: Bảng vẽ các trường hợp mô phỏng tấm cong một chiều.




- 1 -

MỞ ĐẦU
Máy tính từ khi ra đời đã tạo điều kiện và hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh
vực của cuộc sống và ngày càng được coi như là công cụ không thể thiếu trong học
tập cũng như trong nghiên cứu.
Chính vì vậy, việc nâng cao và phát triển khả năng tính toán xử lý của máy
tính ngày càng được các nhà khoa học, kỹ sư các ngành quan tâm đến. Tuy nhiên để
viết được một chương trình bằng ngôn ngữ lập trình cao cấp phục vụ tốt cho một
lĩnh vực khoa học kỹ thuật đòi hỏi không những phải giỏi về toán học, các kiến thức
về lập trình máy tính… mà còn phải nắm rất vững về các kiến thức chuyên môn của
chuyên ngành đó. Người lập trình để đạt được những yêu cầu này phải mất rất nhiều
thời gian và tốn rất nhiều công sức.
Để tạo điều kiện cho các nhà khoa học thuộc các chuyên ngành khác, người ta
đã xây dựng nên những phần mềm xử lý dữ liệu đơn giản, tiện lợi. Ansys là một
trong những phần mềm như vậy và hiện nay đang được sử dụng rất rộng rãi trên
toàn thế giới. Nó không chỉ cho phép tính toán, mà còn cung cấp cho ta những công
cụ cực mạnh để biểu diễn, mô phỏng, xử lí các dữ liệu, thông tin bằng đồ họa.

Đất nước đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hóa hiện đại hóa. Ngành
công nghiệp cơ khí nói chung và ngành công nghiệp tàu thủy nói riêng vẫn còn
đang trên đà phát triển và đang rất cần áp dụng những phần mềm để mô phỏng và
tính toán. Ứng dụng phần mềm tin học trong tính toán và mô phỏng đã đang và sẽ là
một trong những ngành mũi nhọn cần được đầu tư nhờ những thiết thực của nó.
Hiện nay, việc thúc đẩy năng suất là một chủ đề quan trọng trong ngành đóng
tàu. Các đường đốt nóng, được sử dụng để tạo thành các tấm cong phức tạp, và
được thực hiện bởi công nhân lành nghề. Độ chính xác của hình dạng cuối cùng và
thời gian sản xuất chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác của người lao động. Vì vậy
mà việc chế tạo các chi tiết cong phức tạp gặp nhiều khó khăn.
Với mục đích nghiên cứu và đề xuất phương pháp xác định vị trí đường đốt
nóng, nguồn nhiệt có thể đạt được .v v… phục vụ cho gia công nhiệt trong điều
kiện hiện nay tại các nhà máy đóng tàu ở khu vực khác nhau. Nên việc thực hiện
- 2 -

nghiên cứu đề tài: “Tính toán và mô phỏng quá trình uốn tấm tôn bao vỏ tàu
bằng phần mềm Ansys”, là rất cần thiết.
Do thời gian còn ngắn để có thể đi sâu và do trình độ có hạn. Nên trong quá
trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Đề tài rất mong được sự góp ý
của quý thầy, các bạn đồng nghiệp.
Chân thành cảm ơn Thầy PGS TS. Trần Gia Thái, anh Trần Ngọc Anh và
Thầy Thạc Sĩ Bùi Văn Nghiệp – đã hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài và quý Thầy cô trong Bộ Môn Đóng Tàu đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi
thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp này.
Nha Trang, ngày 02 tháng 01 năm 2011
Sinh viên thực hiện


PHAN THANH DŨNG

- 3 -

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.
Trong quy trình công nghệ đóng tàu, việc chế tạo chi tiết kết cấu là một khâu
quan trọng, ảnh hưởng tới chất lượng, thẩm mỹ, cũng như thời gian hoàn thành con
tàu.
Trong quá trình đóng mới, để tạo hình cho những chi tiết và tấm cong có biên
dạng phức tạp, đặc biệt là tấm tôn bao vỏ tàu thì đòi hỏi phải có một phương pháp
gia công rõ ràng. Hiện nay phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong ngành
tàu là uốn bằng ngọn lửa. Tuy nhiên để uốn tấm tôn bao theo biên dạng các đường
sườn là một vấn đề khó khăn trong khi vật liệu gia công chỉ ở dạng phẳng. Vậy thì
làm thế nào để xác định được vị trí các đường cần gia nhiệt và nhiệt độ hỏa công để
phục vụ cho quá trình chế tạo?
Nghiên cứu này đề cập đến vấn đề nêu trên và đề xuất một giải pháp để khắc
phục chúng. Mối liên hệ giữa hình dạng ban đầu và cuối cùng của tấm tôn được làm

rõ thông qua quá trình tính toán và mô phỏng bằng cách sử dụng phần mềm Ansys
dựa trên Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn. Căn cứ trên những kiến thức thu được
qua phân tích FEM (Finite Element Method), ta xác định được vị trí của các đường
đốt nóng và số liệu cần thiết phục vụ cho quá trình chế tạo chi tiết.
1.2. THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ ĐẶT RA.
Ở nước ta hiện nay khá ít chủ đề nghiên cứu về quá trình uốn tấm bằng những
đường đốt nóng với sự hỗ trợ của phần mềm. Trong các nhà máy đóng tàu Việt
Nam hiện nay để tạo những tấm có biên dạng cong phức tạp chủ yếu là dựa vào
kinh nghiệm của những công nhân lành nghề và thực hiện theo phương pháp đúng
dần. Do đó số lượng phế phẩm sẽ tăng, mất rất nhiều thời gian cho công việc, sản
phẩm tạo thành khó đảm bảo về mặt cơ tính .v v…
Hiện nay cũng chưa có cơ sở lý thuyết phù hợp để dự đoán kết quả hình dạng
và cơ tính của vật liệu cuối cùng sau khi gia công nhiệt đạt được yêu cầu chưa.
- 4 -

Có nhiều lựa chọn để giải quyết những vấn đề này, chẳng hạn như phương
pháp gia công tự động đòi hỏi nhiều lợi thế của máy tính, tính toán và mô phỏng để
có một số liệu tương đối chính xác phục vụ cho quá trình chế tạo.v v…
Trong đề tài này tôi sử dụng phần mềm Ansys tính toán và mô phỏng cho hai
trường hợp, tấm cong hai chiều và tấm cong một chiều.
Kết quả tính toán và so sánh được thể hiện ở toàn bộ chương 3 và kết quả chế
tạo thử nghiệm được thể hiện ở chương 4.
1.3. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu.
 Chọn tấm tôn của một con tàu cụ thể đã có hình dạng ban đầu và hình
dạng cuối cùng cần đạt được.
 Tính toán và mô phỏng cho nhiều trường hợp khác nhau trên tấm tôn được
chọn.
 Chọn ra trường hợp tấm có biến dạng gần đúng nhất với hình dạng cuối
cùng của tấm cần đạt được.

 Suy ra nhiệt độ và số lượng đường cần gia nhiệt cần thiết trên tấm tôn tại
trường hợp được chọn.
 Từ kết quả nhiệt độ và các đường gia nhiệt cần thiết tiến hành chế tạo thử
nghiệm.
 Nhận xét kết quả chế tạo thử nghiệm.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu.
Với đề tài nghiên cứu và hướng giải quyết đã được nêu trong mục tổng quan,
đề tài thực hiện theo những nội dung như sau:
1. Chương 1: Đặt vấn đề.
2. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
3. Chương 3: Tính toán, mô phỏng.
4. Chương 4: Chế tạo thử nghiệm.
5. Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

- 5 -

1.4. GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
Chúng ta biết rằng vỏ tàu thủy luôn có những đoạn cong từ đơn giản đến
phức tạp. Vì vậy việc chế tạo chi tiết cong phức tạp đòi hỏi có quy trình rõ ràng, có
đội ngũ kỹ sư, công nhân lành nghề, bên cạnh đó đòi hỏi hệ thống máy móc thiết bị
hiện đại. Hơn nữa những chi tiết đó thường là ở những vị trí mũi và đuôi tàu, nơi
mà con tàu làm việc chịu nhiều tác động khắc nghiệt nhất, ngoài việc có được thẩm
mỹ cho con tàu thì yếu tố độ bền đảm bảo an toàn cho con người cũng như con tàu
đóng vai trò cực kỳ quan trọng.
Mặc dù có thể chế tạo các chi tiết bằng các phương pháp khác nhau như dập,
uốn, .v v Nhưng là đối với chi tiết cong một chiều, còn tấm cong hai hay ba chiều
thì các phương pháp đó chỉ giúp phần nhỏ công việc mà thôi.
Do đó nghiên cứu phương pháp gia công nhiệt mới có thể giải quyết được các
bài toán khó trong việc chế tạo các chi tiết cong phức tạp. Vì vậy trong giới hạn nội
dung, đề tài chỉ đề cập đến bài toán uốn tấm bằng phương pháp nhiệt với sự hỗ trợ

của phần mềm ansys.












- 6 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ GIA CÔNG NHIỆT.
2.1.1. Nhiệt độ.
Thép đóng tàu thường là thép cacbon thấp nên khi nung từ 20÷100
0
C, độ dẻo
tăng một ít và tăng chậm, từ 200÷600
0
C thì độ dẻo giảm dần, ở nhiệt độ khoảng
500÷550
0
C thì thép dòn dễ gãy, người ta gọi nhiệt độ này là vùng dòn, khi nung quá
600

0
C thì độ dẻo tăng rất nhanh, nên thông thường người ta chỉ hỏa công ở khoảng
nhiệt độ 550÷800
0
C. Và cũng để hỏa công đảm bảo an toàn cho vật liệu vì nhiệt độ
nóng chảy của thép tương đối cao (trên 1000
0
C), nhưng thép là vật liệu dễ bị oxy
hóa và phản ứng oxy hóa khử bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ khoảng 850
0
C. Nếu nhiệt độ
thấp quá thì hỏa công sẽ không đạt hiệu quả.

Hình 2.1. Cản trở biến dạng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Từ hình trên cho ta thấy ở khoảng gần 300
0
C thì cản trở biến dạng sẽ lớn nhất,
nhiệt độ lớn dần thì cản trở giảm đi. Khi nhiệt độ lên đến 600
0
C÷700
0
C vật liệu có
màu đỏ thẫm. Lúc này thuận lợi cho quá trình tạo hình chi tiết vì cản trở bé. Tuy
nhiên lên các khoảng nhiệt độ cao hơn cản trở biến dạng còn giảm nhưng chi tiết lại
bị oxy hóa và thoát cacbon ở bề mặt đồng thời xảy ra nhiều vấn đề ảnh hưởng xấu
đến cơ tính của chi tiết.
- 7 -


Hình 2.2. Phạm vi nhiệt độ gia công nhiệt.

Chú ý rằng đối với một số loại thép đóng tàu độ bền cao tức hàm lượng
cacbon lớn thì khoảng nhiệt độ phù hợp cho gia nhiệt rộng hơn và có thể lên đến
900
0
C, vì nhiệt độ nóng chảy của nó cao hơn (thể hiện ở Hình 2.2).
 Đối với thép thường thì hỏa công ở khoảng nhiệt độ 550
0
÷800
0
C.
 Đối với thép có độ bền cao thì hỏa công ở khoảng nhiệt độ 600
0
÷900
0
C.
Với dao động nhiệt độ này thì theo giản đồ pha vật liệu không thể biến đổi cơ
tính, đồng thời khi tấm biến dạng thì việc kiểm tra sẽ bằng dưỡng.
2.1.2. Tốc độ di chuyển đèn hỏa công (V).
Tốc độ di chuyển đèn phụ thuộc vào loại mỏ đốt (lớn hay nhỏ, một vòi hay
nhiều vòi), độ dày của chi tiết và nhiệt độ cần gia công .v v…
Trong thực tế các nhà máy đóng tàu đều sử dụng đèn hỏa công một vòi để chế
tạo chi tiết cong và tốc độ di chuyển đèn được đo đạc nằm trong khoảng 4÷7 mm/s.
Yếu tố cần quan tâm lớn nhất ảnh hưởng tới tốc độ di chuyển đèn hỏa công là
chiều dày chi tiết: Với chi tiết càng dày thì tốc độ di chuyển càng nhỏ và ngược lại.
 Với những chi tiết (tấm) dày 8÷16 mm thì V=6÷7 mm/s.
 Còn các chi tiết có chiều dày trên 16 mm thì V=4÷5 mm/s.
- 8 -

Phải lưu ý rằng để đảm bảo tốc độ di chuyển đều còn phụ thuộc vào tay nghề
thợ hỏa công, khi chuyển mỏ đốt trên mặt tôn cần lưu ý đảm bảo khoảng cách của

nhân ngọn lửa đến mặt thép phải chuẩn và không đổi. Góc lệch của mỏ đốt so với
mặt tôn là 60÷80
0
. Khoảng cách điểm nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cách nhân
khoảng 3÷5 mm.

Hình 2.3. Cách đặt mỏ đốt.

Hình 2.4. Khoảng cách điểm nhiệt độ và các thành phần trong ngọn lửa đốt.




- 9 -

2.1.3. Vị trí gia công nhiệt.
Trên mỗi chi tiết cần gia công thì tuỳ vào kiểu cong và độ cong mà có các vị
trí cần đốt khác nhau.
Vị trí đốt tuân theo hai quy luật chính:
 Hướng biến dạng chính nằm trong mặt phẳng vuông góc với các đường gia
nhiệt. Còn một phần nhỏ biến dạng theo hướng dọc theo các đường gia nhiệt.
 Khoảng cách giữa các đường gia nhiệt tỷ lệ nghịch với độ cong (biến
dạng) của chi tiết. Tức là biến dạng càng lớn thì khoảng cách giữa các đường gia
nhiệt càng bé và ngược lại.
2.1.4. Kích thước của đường gia nhiệt.
 Bề rộng: b=1÷2cm
 Chiều dày tuỳ thuộc vào kích thước và độ cong của tấm tôn.
2.2. BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NHIỆT TRONG ANSYS.
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Ansys.
Giải bài toán cơ học là một viêc vô cùng cần thiết nhưng khó khăn. Nhiều bài

toán lớn, giải với mô hình đồ sộ, cần sử dụng rất nhiều biến và các điều kiện phức
tạp, với không gian nhiều chiều, việc giải bằng tay là một việc không thể thực hiện
được.
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán với sự phát triển
của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử
dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí và các bài toán dao động,
bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến…
ANSYS là một phần mềm được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới,
có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học.
Trong bài toán thiết kế cơ khí, phần mềm Ansys có thể liên kết với các phần
mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng,
trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy
của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công việc chế
tạo. Ansys còn cung cấp các phương pháp giải các bài toán với nhiều dạng mô hình
- 10 -

vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, chảy
dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí…
Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các
phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ giải tích về dạng số, với việc
sử dụng phương pháp rời rạt hóa và gần đúng để giải.
Nhờ ứng dụng phương pháp PTHH, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy
khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dụng mô hình toán học, cho phép giải
chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
Trong bài toán kết cấu (structural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán
trường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho 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 hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn

nhớt…Trước hết, cần chọn được kiểu phần tử phù hợp với bài toán cần giải.
Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử, tương ứng
với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các mô đun tính toán
phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng
thời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phân tử.
Việc tính toán còn phụ thuộc vào vật liệu. Mỗi bài toán cần đưa mô hình vật liệu,
cần xác định rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với
mỗi vật liệu, cần nhập đầy đủ các thông số vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm
giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực. Vì
vậy cần đưa vào mô hình hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mô hình
hình học 2D và 3D, với các kích thước thực, hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình
như vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình 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 được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải
- 11 -

bài toán bằng phương pháp PTHH, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho
phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới.
Số lượng nút và phần tử quyết định độ chính xác bài toán, nên chia lưới càng
nhỏ càng chính xác.
Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa vào điều kiện ban đầu và
điều kiện biên cho mô hình hình học. Các rạng buộc và các nội lực và 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 lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, Ansys cho phép chọn
các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài
toán. Ansys cho phép xác lập các bước để giải bài toán lặp với độ chính xác cao.
Ansys có hệ hậu xử lý mạnh, đã đem lại một thế mạnh để các phần mềm khác
sử dụng. Ansys là một phần mềm xử lý phân tích trường ứng suất – biến dạng và
các thông số vật lý khác.

2.2.2. Bài toán phân tích nhiệt trong Ansys.
1. Tạo mô hình (Modeling).
 Có thể được tạo trên Ansys hoặc nhập vào.
 Bao gồm các chi tiết để cải thiện các kết quả:
 Mục tiêu là để mô hình hóa thoả đáng khối lượng nhiệt của kết cấu.
 Các tải đối lưu đòi hỏi các diện tích được mô hình hóa hợp lý.
 Các tải do sinh nhiệt đòi hỏi các thể tích mô hình hóa hợp lý.
2. Chia lưới (Meshing).
 Kiểu phần tử.
 Các kiểu phần tử nhiệt thông dụng nằm trong bảng dưới đây.
 DOF nút là: TEMP (nhiệt độ).




- 12 -

Các kiểu phần tử nhiệt thường được sử dụng
Khối 2D Khối 3D Vỏ 3D Các Phần Tử Đường
Tuyến tính PLANE55 SOLID70 SHELL57 LINK31, 32, 33, 34
Bậc hai
PLANE77
PLANE35
SOLID90
SOLID187

 Các thông số vật liệu.
 Yêu cầu tối thiểu là KX, độ dẫn nhiệt cho phân tích trạng thái ổn định.
 Nhiệt dung riêng (C) sẽ là cần thiết nếu áp đặt sinh nội nhiệt.
 Đặt lựa chọn ban đầu là “Thermal” để giới hạn Material Model GUI.

 Các hằng số đặc trưng.
Các điều kiện tải nhiệt (Loads).
Temperatures (Nhiệt độ) Các miền của mô hình đã biết nhiệt độ.
Heat flow (Dòng nhiệt)
Các điểm của mô hình đã biết tốc độ dòng
nhiệt.
Heat flux (Thông lượng nhiệt)
Các mặt của mô hình đã biết tốc độ dòng nhiệt
trên một đơn vị diện tích.
Convections (Đối lưu)
Các mặt ở đó nhiệt được truyền sang vùng lân
cận nhờ đối lưu. Đầu vào bao gồm hệ số màng
h (film coefficient) và nhiệt độ khối (bulk
temperature) của vùng lân cận T
B.

Heat generation (Sinh nhiệt)
Các vùng của mô hình đã biết tốc độ sinh nhiệt
thể tích.
Adiabatic surfaces
(Mặt đoạn nhiệt)
Các bề mặt “hoàn toàn cách nhiệt ” tức là không
có sự truyền nhiệt.
Radiation (Bức xạ)
Các bề mặt tại đó sự truyền nhiệt xuất hiện nhờ
bức xạ. Dữ liệu đầu vào bao gồm độ phát xạ,
hằng số Stefan-Boltzmann, và có thể (tuỳ chọn)
nhiệt độ tại một “nút không gian”.
- 13 -

3. Giải (Slove).
a. Hệ tọa độ nút.
Không giống như các điều kiện biên về chuyển vị và lực trong phân tích kết
cấu, các điều kiện biên về nhiệt độ và dòng nhiệt trong các phân tích nhiệt không
phụ thuộc vào hệ toạ độ nút.
b. Các ràng buộc về nhiệt độ.
 Dùng để xác định nhiệt độ đã biết trong mô hình.
 Để áp đặt các ràng buộc chuyển vị:
 Solution

Loads

Apply

Temperature
 Chọn vị trí muốn đặt điều kiện ràng buộc.
 Chọn các thực thể liên quan trên màn hình đồ họa.
 Sau đó nhập giá trị nhiệt độ. Giá trị mặc định là 0.

Hình 2.5. Cửa sổ nhập giá trị nhiệt độ trên mặt lựa chọn.
 Hoặc sử dụng họ lệnh D: DK, DL, DA, D.

- 14 -

c. Dòng nhiệt tập trung (Concentrated Heat Flow).
 Để áp đặt dòng nhiệt, cần có các thông tin sau:
 Chỉ số nút hoặc điểm (có thể xác định bằng cách nhắp chuột).
 Độ lớn của dòng nhiệt (giá trị này phải
phù hợp với hệ đơn vị đang sử dụng).
 Sử dụng:

 Solution

Loads

Apply

Heat Flow
 Hoặc các lệnh FK hoặc F.

d. Thông lượng nhiệt (Heat Flux).
Để áp đặt thông lượng nhiệt:
 Solution

Loads

Apply

Heat flux.
 Chọn lựa vị trí muốn đặt thông lượng nhiệt, thông
thường trên các mặt đối với các mô hình 2D, trên các thể tích
đối với các mô hình 3D.
 Chọn các thực thể liên quan trong màn hình đồ hoạ.
 Sau đó nhập các giá trị thông lượng nhiệt.
 Hoặc sử dụng họ các lệnh SF: SFL, SFA, SFE, SF.

Hình 2.6. Cửa sổ nhập giá trị thông lượng nhiệt.

- 15 -

e. Đối lưu (Convection)

Đặt tải đối lưu:
 Solution

Loads

Apply

Convection
 Chọn vị trí cần đặt tải đối lưu, thông thường trên
các đường đối với các mô hình 2D, trên các mặt đối với các
mô hình 3D.
 Chọn các thực thể liên quan trong màn hình đồ hoạ.
 Sau đó nhập giá trị hệ số màng và nhiệt độ khối.
 Hoặc sử dụng họ các lệnh SF: SFL, SFA, SFE, SF.

Hình 2.7. Cửa sổ đặt tải đối lưu.
- 16 -

f. Sinh nhiệt (Heat Generation).
Để áp đặt tải do sinh nhiệt:
 Solution

Loads

Apply

Heat Generation
 Hoặc sử dụng họ các lệnh BF: BFL, BFA, BFE,
BF.
 Chọn vị trí cần áp đặt tải do sinh nhiệt, thông

thường trên các mặt đối với các mô hình 2D, trên các thể
tích đối với các mô hình 3D.
 Chọn các thực thể liên quan trên màn hình đồ
hoạ.
 Sau đó nhập các giá trị tải do sinh nhiệt.


Hình 2.8. Cửa sổ đặt tải sinh nhiệt.
g. Các bề mặt đoạn nhiệt.
 Các bề mặt “cách ly hoàn toàn”: không có sự truyền nhiệt qua chúng.
 Đây là điều kiện mặc định, tức là bất kỳ mặt nào không có các điều kiện
biên xác định sẽ được tự động là bề mặt đoạn nhiệt.
h. Thay đổi và xóa các tải trọng.
 Để thay đổi giá trị tải trọng, chỉ cần đặt lại tải với giá trị mới.
 Để xoá các tải trọng:
- 17 -

 Solution

Loads

Delete
 Khi chúng ta xoá các tải trong mô hình hình
học, Ansys cũng tự động xoá tất cả các tải phần tử hữu
hạn tương ứng.

i. Các tùy chọn lời giải.
Phân tích ở trạng thái bình ổn (Steady State) và phân tích tức thời (Transient).
 Phân tích trạng thái bình ổn giả thiết rằng các điều kiện tải “bình ổn dần”
(settled down) tới mức bình ổn, ít phụ thuộc hoặc không phụ thuộc vào thời gian.

 Phân tích tức thời: các điều kiện thay đổi theo thời gian.

Hình 2.9. Cửa sổ tùy chọn lời giải.
4. Xử lí kết quả.
Các kết quả cần xem xét của phân tích nhiệt thông thường bao gồm:
 Phân bố nhiệt độ.
 Phân bố gradient nhiệt.
 Phân bố dòng nhiệt.