giải bài tập sức bền vật liệu: Hướng dẫn sử dụng phần mềm MDSOLIDS

TRÇN MINH Tó
–
PH¹M SÜ §åNG










H−íng dÉn sö dông
phÇn mÒm mdsolids
Gi¶I bμi tËp søc bÒn vËt liÖu

HÀ NỘI 2010

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MDSolids
I. Giới thiệu
Hiện nay có nhiều phần mềm hỗ trợ học tập và giảng dạy môn học Sức bền vật liệu,
tuy nhiên vấn đề tìm kiếm một phần mềm thích hợp, dễ sử dụng, giao diện thân thiện và phù
hợp với môn học đòi hỏi nhiều thời gian.
MDSolids là phần mềm của Timothy A. Philpot, Ph.D, P.E, giảng viên trường Đại học
Missouri – Rolla (Mỹ). Đây là phần mềm đạt giải thưởng phần mềm dạy học xuất sắc nhất
trong cuộc thi phần mềm giáo dục năm 1998, với giao diện thân thiện, tính năng phong phú.
Phần mềm được xây dựng dựa trên các giáo trình về sức bền vật liệu chuẩn của các tác giả có
uy tín lớn trên thế giới như : Mechanics of Materials của Roy R. Craig; Mechanics of
Materials của Beer Johnston và Dewolf, Mechanics of Materials của Gere, Mechanics of
Materials của Hibbeler… MDSolids đã được sử dụng nhiều ở các trường đại học của Mỹ như:
University of Texas, The Pennsylvania State University, Stanford University và nhiều
trường đại học ở nhiều nước khác trên thế giới.
II. Khả năng của MDSolids :
MDSolids là phần mềm được thiết kế nhằm hỗ trợ cho việc dạy và học môn Sức bền
vật liệu (SBVL). Phần mềm này có thể hỗ trợ chúng ta trong các vấn đề sau :
1. Giải các bài toán SBVL. Phần mềm này có thể giúp giải quyết hầu hết các dạng bài tập
cơ bản của môn học SBVL.
2. Giúp sinh viên kiểm tra lại kết quả đã tính toán bằng tay, giúp kiểm tra lỗi trong quá
trình tính toán.
3. MDSolids cung cấp cách giải gọn nhẹ. Những giải thích rõ ràng trong các bước giải sẽ
giúp sinh viên nâng cao khả năng hiểu và giải quyết các bài tập. Đồng thời qua đó
giúp sinh viên hiểu và nắm luôn các khái niệm cơ bản của SBVL.
4. Cung cấp hình ảnh minh hoạ nội lực và ứng suất trong mặt cắt ngang khi thanh chịu

kéo (nén), uốn, xoắn,… rất trực quan và sinh động.
5. Phần mềm này giúp sinh viên có một cái nhìn trực giác về kết quả tính toán. Bằng trực
giác sẽ giúp sinh viên nắm kỹ hơn về nguyên lý cộng độc lập tác dụng, đây là vấn đề
khó mà phần lớn sinh viên thường vấp phải.
6. Nếu muốn tìm hiểu môn học SBVL, phần trợ giúp (help) của chương trình bao gồm
nhiều tham khảo bổ ích.
7. MDSolids có phần trợ giúp rất chi tiết, trong đó có các ví dụ kèm theo hướng dẫn giải
rất rõ ràng, giúp cho chúng ta tự nghiên cứu.
8. cung cấp những tuỳ chọn cho những đơn vị thường sử dụng nhất, đồng thời các ký
hiệu quy ước được dùng bằng chữ (không dùng các ký hiệu) nên rất thuận lợi cho
người học tiếp cận phần mềm này.
9. Ngoài ra phần mềm này còn có những tính năng hấp dẫn khác, dùng rồi sẽ biết ☺.
III. Nội dung của phần mềm :
MDSolids gồm có 12 môđun, mỗi môđun đề cập đến từng vấn đề tiêu biểu trong môn
học SBVL, bao gồm :
- Thanh chịu lực dọc trục.

2
- Hệ thanh siêu tĩnh chịu lực dọc trục.
- Thanh chịu xoắn.
- Dầm tĩnh định chịu uốn.
- Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của dầm chịu uốn.
- Đặc trưng hình học tiết diện của mặt cắt.
- Ổn định.
- Vòng tròn Mohr.
- Thanh chiu lực tổng quát.
- Tính bình chịu áp lực.
- Thư viện các bài tập
- Phân tích tổng quát của bài toán SBVL cơ bản.
Giao diện chương trình chính được thể hiện ở hình 1.

Hình 1.










3
Chương 1. THANH CHỊU KÉO NÉN ĐÚNG TÂM
A. Hệ dàn phẳng:
Ứng dụng phần mềm giải bài toán sau:
o hệ dàn phẳng có hình dạng, kích thước và chịu tải trọng như hình vẽ. Xác định ứng
lực lự
Ví dụ:
Ch
c dọc trong các thanh. Xác định ứng suất pháp trong các thanh biết diện tích mặt cắt
ngang các thanh A=100mm2

1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình



4
Từ menu chính, kích chuột trái vào biểu tượng Trusses trên màn hình

. Để vẽ hệ dàn phẳng, kích chuột trái vào New Truss.
Spacing interval X direction:
theo phương X
pacing interval Y direction:
theo phương Y

. Để tạo hệ lưới, kích chuột trái vào nút OK
2

: Khoảng cách giữa các đường

S
: Khoảng cách giữa các đường
Number of spaces: Số lượng khoảng cách.




3

5

4. Vẽ hệ thanh dàn phẳng:
Kéo chuột trái từ điểm đầu đến điểm cuối của mỗi đoạn thanh cần vẽ.


5. Để tạo liên kết của hệ dàn phẳng, kích truột trái vào mục
Supports.

Tại nút cần tạo liên kết, kích chuột và kéo theo 1 phương tạo
liên kết đơn, 2 phương tạo liên kết đôi.


6


6. Để vào số liệu tải trọng của hệ dàn phẳng, kích truột trái vào
mục Loads.




Tải trọng đi từ trái sang phải, có giá trị bằng 20







Tải trọng đi từ trên xuống, có giá trị bằng 20







7

7. Để tính toán ứng lực lực dọc trong các thanh, kích chuột vào Compute.
Trên màn hình hiện ra ứng lực trong các thanh và phản lực gối tựa. Thanh chịu kéo ký
hiệu T(Tension). Thanh chịu nén ký hiệu C(Compress)





8
8. Để tính ứng suất trong thanh, kích chuột vào mục Stresses trên màn hình.


Vào số liệu diện tích tiết diện các thanh, kích chuột vào Compute cho kết quả ứng suất.














9
B. Hệ hỗn hợp gồm dầm được treo bởi 2 thanh.
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình

Giải bài toán Hệ hỗn hợp gồm dầm có độ
cứng tuyệt đối được treo bởi 2 thanh, kích chuột trái
vào biểu tượng màn hình Problem Library.




Chọn thư mục Axial Deformation:



10

Kích chuột trái vào mục Beam and two rods.

2. Vào số liệu đầu vào cho bài toán tại những ô trống mầu vàng:
Thanh 1 có diện tích 100mm2, chiều dài 2000mm, modul đàn hồi E=193GPa; thanh 2
có diện tích 100mm2, chiều dài 2400mm, modul đàn hồi E=193GPa; Lực tập trung P=24KN,
chiều dài dầm L=4000mm.

11

3. Kích chuột trái vào Compute được kết quả như sau:

4. Kết quả tính toán được tại những ô trống màu trắng:
Kết quả tính toán cho ứng lực lực dọc, ứng suất và độ giãn dài trong 2 thanh treo. Lực tập
trung P cách gối trái 1818,2mm thì dầm nằm ngang.

12
C. Thanh tĩnh định:
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình



Giải bài toán Thanh tĩnh định chịu nén đúng tâm,
kích chuột trái vào biểu tượng màn hình Problem
Library.



Chọn thư mục Axial Defomation Segmented axial members Horizontal axial
members  Rod areas specified màn hình sẽ hiện ra bảng tính như sau:


13

2. Vào số liệu đầu vào cho bài toán tại những ô trống mầu vàng:
Đoạn AB dài 3000mm, diện tích tiết diện 600mm2, đoạn BC dài 4000mm, diện tích tiết
diện 450mm2, đoạn CD dài 3500mm, diện tích tiết diện 400mm2. Thanh chịu lực tập trung
F
B
=20kN hướng sang trái, F
C
=25kN hướng sang trái, F
D

=15kN hướng sang phải. Modul đàn
hồi của 3 đoạn thanh E=200GPa. Xác định lực dọc, ứng suất và chuyển vị của các đoạn thanh.
3. Liên kết thanh:
Để tạo liên kết thanh ngàm tại A, kích chuột vào nút Joint A Supported:
4. Kích chuột trái vào Compute được kết quả như sau:

5. Kết quả tính toán được tại những ô trống màu trắng:
Phản lực tại A: Fa=30kN.
N
AB
=-30kN; N
BC
=-10kN;N
CD
=15kN.
б
AB
= -50MPa; б
BC
=-22,222MPa; б
CD
=37,5MPa;
Độ dãn dài đoạn AB=-0,75mm.
Độ dãn dài đoạn BC=-0,444mm.
Độ giãn dài đoạn CD=0,6563mm.
Độ giãn dài cả thanh: AD=-0,5382mm.

14
D. Thanh siêu tĩnh.
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình

Từ màn hình chính chọn Indet Axial
Analysis OptionsEnd to End Bars
with force in middle màn hình sẽ hiện ra bảng tính sau:






15



2. Để chuyển thanh theo phương đứng thành phương ngang, kích chuột vào Horizontal.

16

3. Vào số liệu đầu vào cho thanh:
Chiều dài đoạn thanh 1: L1 = 1000mm; Chiều dài đoạn thanh 2: L2 = 1500mm; Diện
tích thanh 1: 1500mm2; Diện tích thanh 2: 1000mm2; Modul đàn hồi E=200GPa; Tải trọng
P=150kN.
4. Kích chuột trái vào Compute được kết quả như sau:

5. Kết quả tính toán:

17
Lực dọc N1 = -103,846kN; Lực dọc N2 = 46,154kN; Ứng suất б1 = -69,231MPa; Ứng
suất б 2 = 46,154MPa; Biến dạng dài tỉ đối thanh 1: 0,000346; Biến dạng dài tỉ đối thanh 2:

0,000231.
Chuyển vị điểm B sang trái: 0,346154mm.
6. Để xem các phương trình cơ bản của chương trình nhấn chuột vào Show Equations.




















18
Chương 2: XOẮN THUẦN TÚY THANH TIẾT DIỆN TRÒN
A. Bài toán xoắn thanh tĩnh định:
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình


Giải bài toán thanh tiết diện tròn chịu xoắn

thuần túy, kích chuột trái vào biểu tượng màn
hình Torsion.









Từ màn hình chính chọn Torsion 
Analysis Options  Multiple torques, màn hình
sẽ hiện ra bảng tính như sau:





Thanh gồm 3 đoạn AB; BC; CD, một đầu
ngàm 1 đầu tự do:

19

2. Vào số liệu đầu vào cho thanh:
Cho đoạn AB=2000mm; đoạn BC=2000mm; đoạn CD=2000mm; tiết diện thanh hình
vành khuyên đường kính ngoài D=10mm, đường kính trong d=5mm. Momen tập trung
M
B
=50Nm quay thuận KĐH; M

C
=100Nm quay ngược KĐH; M
D
=80Nm quay thuận KĐH;
3. Kích chuột trái vào Compute được kết quả như sau:
a. Biểu đồ Momen:


Kích chuột trái vào Shear Stress được kết quả tính như sau:
b. Biểu đồ ứng suất:

20

Kích chuột trái vào rotation Angle được kết quả tính như sau:
c. Biểu đồ chuyển vị:





21
B. Bài toán xoắn thanh siêu tĩnh:
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình


Từ màn hình chính chọn Torsion  Analysis Options  Indeterminate End-To-End
Shafts, màn hình sẽ hiện ra :

22

2. Vào số liệu đầu vào cho bài toán tại những ô trống mầu vàng:
Chiều dài đoạn thanh 1: L1 = 2000mm; Chiều dài đoạn thanh 2: L2 = 2000mm; Tiết
diện thanh 1 hình tròn D = 100mm; Tiết diện thanh 2 hình vành khuyên D = 100mm; d =
60mm; Modul trượt G=76GPa; Tải trọng M=100Nm.

3. Kích chuột trái vào Compute được kết quả như sau:
4. Kết quả tính toán được tại những ô trống màu trắng:

23
a. Ứng lực, ứng suất và góc xoắn của thanh.

b. Cho ứng suất cho phép của đoạn 1 là τ
1
= 0,4MPa; τ
2
= -0,4MPa. Xác định tải trọng
giới hạn của thanh:

c. Cho góc xoắn của thanh φ = 0,02
O
. Xác định tải trọng giới hạn của thanh:


24
Chương 3. PHÂN TÍCH DẦM CHỊU UỐN
1. Từ menu chính của MDSolids chọn MdSolids Module bên phải màn hình

2. Xác định các đặc trưng hình học của mặt cắt ngang
a. Nhấn biểu tượng “Section Properties”

b. Từ thanh công cụ chọn hình dạng mặt cắt ngang mà bài toán đưa ra (mặt cắt ngang
chữ nhật, tròn, chữ T, I,U,…)


25