Phân tích kết cấu trụ đứng của thân máy phay CNC với giải pháp tối ƣu hóa topology

Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... 8
MỞ ĐẦU

................................................................................................... 11

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM
KẾT CẤU TRONG THIẾT KẾ ................................................. 14

1.1

Máy công cụ hiện đại ......................................................................... 14

1.2

Đặc điểm kết cấu chính của máy công cụ CNC .................................. 15

1.3

Độ chính xác gia công và độ cứng vững của hệ thống Máy – Gá – Dao
– Chi tiết .......................................................................................... 16

1.4

Thiết kế mô đun và vấn đề tối ƣu hóa ................................................ 18

Chƣơng 2

PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ
TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU .......................................................... 20

2.1

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn............................................................ 20

2.1.1

Lịch sử phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................... 20

2.1.2

Khái niệm cơ bản về phƣơng pháp phần tử hữu hạn .................... 21

2.1.3

Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn ....................................................... 21

2.1.4

Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn .................................... 22

2.1.5

Sơ đồ tính toán bằng PPPTHH .................................................... 23

2.1.6

Ứng dụng và một số ví dụ ........................................................... 24

2.2

Tối ƣu hóa kết cấu ............................................................................. 27

2.2.1

Tối ƣu hóa ................................................................................... 27

2.2.2

Tối ƣu hóa kết cấu ....................................................................... 28

2.2.3

Tối ƣu hóa kích thƣớc ................................................................. 29

Giần Hải Anh – CB101230

1


Luận văn Thạc sĩ khoa học

2.2.4

Tối ƣu hóa hình dạng .................................................................. 30

2.2.5

Tối ƣu hóa Topology ................................................................... 30

2.3

Các vấn đề về thiết kế kết cấu thân máy công cụ ................................ 43

2.3.1

Các yêu cầu của khung máy công cụ ........................................... 43

2.3.2

Vật liệu cho kết cấu khung .......................................................... 44

2.3.3

Tiêu chuẩn tải trọng tĩnh.............................................................. 45

2.3.4

Tiêu chuẩn thiết kế và hình dạng cho tải trọng động .................... 60

2.3.5

Tiêu chuẩn tải trọng nhiệt ............................................................ 64

Chƣơng 3

TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƢU HÓA .......................... 67

3.1

ANSYS và những ứng dụng triển khai trên cơ sở phƣơng pháp phần tử
hữu hạn ............................................................................................ 67

3.1.1

Công ty ANSYS .......................................................................... 67

3.1.2

Phần mềm ANSYS...................................................................... 67

3.1.3

Ansys Workbench ....................................................................... 69

3.1.4

Giải bài toán bằng phần mềm Ansys Workbench ........................ 70

3.2

Mô hình hóa và một số phân tích cơ sở .............................................. 71

3.3

Tối ƣu hóa kết cấu trụ máy ................................................................ 74

3.3.1

Mô hình số và điều kiện biên cho bài toán tối ƣu ......................... 74

3.3.2

Tối ƣu hóa kết cấu trụ máy .......................................................... 76

Chƣơng 4

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................... 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 96
PHỤ LỤC

................................................................................................... 97

Giần Hải Anh – CB101230

2


Luận văn Thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Giần Hải Anh, học viên cao học lớp 10BCTM-KH khóa 2010.
Chuyên ngành: Máy và Dụng cụ.
Đề tài: Phân tích kết cấu trụ đứng của thân máy phay CNC với giải pháp tối ƣu
hóa topology
Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Lê Giang Nam
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong nội dung luận văn này là
do chính tác giả thực hiện và trung thực.
Hà Nội ngày … tháng … năm 2012
Học Viên

Giần Hải Anh

Giần Hải Anh – CB101230

3


Luận văn Thạc sĩ khoa học

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu thực hiện các nội dung luận văn này, tác giả
gặp rất nhiều khó khăn về trang thiết bị cũng nhƣ tài liệu để tiến hành nghiên cứu và
thực nghiệm. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS. Lê Giang Nam, ngƣời đã trực
tiếp tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ và tháo gỡ những khó khăn cho tôi trong suốt quá
trình làm việc thực hiện nhiệm vụ của luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tới
tập thể các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Ma sát học - Viện cơ khí - Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc làm việc và giúp đỡ tôi trong quá
trình làm thực nghiệm của luận văn này.
Hà Nội ngày … tháng … năm 2012

Học Viên

Giần Hải Anh

Giần Hải Anh – CB101230

4


Luận văn Thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ansys

Phần mềm công nghiệp dùng cho thiết kế, phân tích tính toán cơ học,
dòng chất lƣu, điện từ … của hãng ANSYS Inc.

Catia

Phần mềm công nghiệp dùng cho thiết kế, phân tíchcủa hãng Dassault
Systèmes

CNC

ComputerNumericalControl, máy điều kiển số

ER

Evolutionary Rate, hệ số tiến hóa

ESO

Tối ƣu hóa Topology theo hƣớng tiến hóa

Inventor Phần mềm công nghiệp dùng cho thiết kế, phân tích, tính toán cơ học của
hãng Autodesk
PTHH

Phần tử hữu hạn

RR

Rejection Ratio, hệ số cho phép kiểm soát sự loại bỏ phần tử

SIMP

Tối ƣu hóa Topology theo hƣớng mật độ

Giần Hải Anh – CB101230

5


Luận văn Thạc sĩ khoa học

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Ảnh hƣởng của hệ số loại bỏ phần tử RR đến kết quả tối ƣu........... 37
Bảng 2-2: Ảnh hƣởng của hệ số loại bỏ phần tử ban đầu RR0 lên quá trình tiến
hóa .................................................................................................................. 39
Bảng 2-3: Ảnh hƣởng của hệ số tiến hóa ER lên quá trình tiến hóa ................. 40

Bảng 2-4: Ảnh hƣởng của kích thƣớc phần tử tới quá trình tiến hóa .............. 41
Bảng 2-5: Biểu đồ thể hiện ảnh hƣởng của số lƣợng phần tử chia ................... 42
Bảng 2-6: Đặc tính vật liệt và kết cấu ............................................................. 44
Bảng 2-7: Độ bền uốn và xoắn của các dạng mặt cắt ...................................... 49
Bảng 2-8: Độ bền uốn và xoắn của máy công cụ với các loại gân ................... 50
Bảng 2-9: Độ đàn hồi,thể tích của kết cấu đóng thân máy ............................... 52
Bảng 2-10: So sánh đánh giá các kết cấu ........................................................ 53
Bảng 2-11: Điều kiện đàn hồi của bệ máy dƣới tải trọng xoắn ........................ 54
Bảng 3-1: Điều kiện biên cho bài toán phân tích cơ sở trụ đứng thân máy phay
CNC ............................................................................................................... 72
Bảng 3-2: Kết quả tính toán chuyển vị, ứng suất cho phân tích cơ sở .............. 73
Bảng 3-3: Hình dạng trụ đứng ứng 4 mode tần số dao động tự nhiên .............. 73
Bảng 3-4: Bảng tổng hợp các giá trị tính toán cho trụ đứng máy phay
BridgePort –TC1 ............................................................................................ 73
Bảng 3-5: Điều kiện biên cho bài toán tối ƣu trụ đứng của thân máy phay
CNC................................................................................................................ 75
Bảng 3-6: Các trƣờng hợp làm việc của máy .................................................. 78
Bảng 3-7: Các trƣờng hợp chịu tải trọng của trụ máy ...................................... 79
Bảng 3-8: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp A ........................ 80
Bảng 3-9: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp B ........................ 80
Bảng 3-10: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp C ...................... 80
Bảng 3-11: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp D ...................... 80
Bảng 3-12: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp E ...................... 81
Bảng 3-13: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp F ....................... 81

Giần Hải Anh – CB101230

6

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Bảng 3-14: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp G ...................... 81
Bảng 3-15: Kết quả tính chuyển vị, ứng suất cho trƣờng hợp H ...................... 81
Bảng 3-16: Bảng tổng hợp các giá trị chuyển vị và ứng suất lớn nhất ............ 82
Bảng 3-17: Đồ thị chuyển vị, ứng suất trƣờng hợp D và G ............................. 83
Bảng 3-18: Kết quả của tối ƣu Topology với lƣới lập phƣơng 50x50x50mm (D)
........................................................................................................................ 84
Bảng 3-19: Kết quả của tối ƣu Topology với lƣới lập phƣơng 50x50x50mm (G)
........................................................................................................................ 86
Bảng 3-20: Kích thƣớc của thành, vách và gân cho kết cấu đúc ...................... 89
Bảng 3-21: Kích thƣớc của thành, vách và gân cho kết cấu hàn ...................... 89
Bảng 4-1: Bảng so sánh các trƣờng hợp: thiết kế theo kinh nghiệm, máy có sẵn
và tối ƣu ......................................................................................................... 92

Giần Hải Anh – CB101230

7


Luận văn Thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Trung tâm gia công phay CNC ........................................................ 15
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống động lực học mạch hở .................................... 17
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống động lực học mạch kín ................................... 17
Hình 1.4: Dòng lực trong máy khoan ngang ................................................... 18
Hình 1.5: Cấu trúc thứ bậc trong thiết kết mô đun........................................... 19
Hình 2.1: Sự giao nhau giữa các phần tử (biên giới) ....................................... 22
Hình 2.2: Phần tử một chiều ........................................................................... 22

Hình 2.3: Phần tử 2 chiều ............................................................................... 23
Hình 2.4: Phần tử 3 chiều tứ diện .................................................................... 23
Hình 2.5: Phần tử 3 chiều lăng trụ................................................................... 23
Hình 2.6: Sơ đồ khối chƣơng trình tính toán theo phƣơng pháp PTHH ........... 24
Hình 2.7: Bài toán kết cấu với phần mềm Catia .............................................. 25
Hình 2.8: Bài toán kết cấu với phần mềm Inventor ......................................... 25
Hình 2.9: Bài toán phát sinh và truyền nhiệt với phần mềm Ansys ................. 26
Hình 2.10: Tối ƣu hoá kích thƣớc ................................................................... 29
Hình 2.11: Tối ƣu hoá hình dạng .................................................................... 30
Hình 2.12: Mô hình vật liệu của phƣơng pháp mật độ..................................... 32
Hình 2.13: Mô hình bài toán tối ƣu ................................................................. 33
Hình 2.14: Kết quả tối ƣu Topology theo hƣớng mật độ (SIMP) ..................... 33
Hình 2.15: Kết quả tối ƣu Topology theo hƣớng tiến hóa (ESO) ..................... 33
Hình 2.16: Giải thuật cho phƣơng pháp tiến hóa ESO ..................................... 36
Hình 2.17: Một số cấu trúc máy công cụ ......................................................... 43
Hình 2.18: Biến dạng của máy ép do tải trọng tĩnh gây ra ............................... 45
Hình 2.19: Mối liên hệ độ cứng ...................................................................... 46
Hình 2.20: Phân tích biến dạng ....................................................................... 48
Hình 2.21: Biến dạng của thân máy ................................................................ 49

Giần Hải Anh – CB101230

8


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 2.22: Các loại gân tăng cứng .................................................................. 50
Hình 2.23: Thiết kế gân .................................................................................. 51
Hình 2.24: Ảnh hƣởng của lỗ tới độ cứng của dầm rỗng ................................. 55

Hình 2.25: Kết cấu một số dạng thân máy....................................................... 56
Hình 2.26: Sự uốn cong trong mối nối ............................................................ 57
Hình 2.27: Độ cứng vững của 2 thiết kế .......................................................... 57
Hình 2.28: Tỷ lệ giữa chiều dày mặt bích và diện tích .................................... 58
Hình 2.29: Biến dạng của bulong .................................................................... 58
Hình 2.30: Dạng lò xo tƣơng đƣơng của 1 bulong .......................................... 59
Hình 2.31: Thân máy có mặt cắt hình chữ nhật ............................................... 59
Hình 2.32: Thân máy có mặt cắt hình tròn ...................................................... 60
Hình 2.33: Mô hình của dao động tự nhiên trên máy tiện trục ......................... 61
Hình 2.34:Độ lệch do rung động của một máy phay hai trụ ............................ 62
Hình 2.35: Phân tích đặc tính động của máy công cụ ...................................... 63
Hình 2.36: Thay đổi trong chế độ động ........................................................... 64
Hình 2.37: Các đƣờng đẳng nhiệt trên thành của một ụ trƣớc máy tiện ........... 65
Hình 2.38: Ảnh hƣởng của kết cấu đến khả năng biến dạng nhiệt của
thân máy ......................................................................................................... 66
Hình 3.1: Ansys Workbench ........................................................................... 69
Hình 3.2: Môi trƣờng ANSYS WORKBENCH .............................................. 70
Hình 3.3: Máy phay Bridgeport – TC1 ........................................................... 71
Hình 3.4: Mô hình số trụ đứng thân máy với mô đun Goemetry ..................... 72
Hình 3.5: Mô hình số ...................................................................................... 74
Hình 3.6: Xây dựng mô hình .......................................................................... 76
Hình 3.7: Nạp thông số vật liệu, gán cho mô hình và chia lƣới ....................... 77
Hình 3.8: Thiết lập điều kiện biên và các yêu cầu cho kết quả ........................ 79
Hình 3.9: Goad Driver Otimization với biến là vị trí cụm đầu trục chính VT .. 82
Hình 3.10: Shape Optimization-Topology ...................................................... 84
Hình 3.11: Phần đỉnh cong.............................................................................. 87

Giần Hải Anh – CB101230

9

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 3.12: Phần rìa sát ray dẫn hƣớng ............................................................ 87
Hình 3.13: Phần gân trong và độ dày các thành .............................................. 87
Hình 3.14: Phần đế ......................................................................................... 88
Hình 3.15: Mô hình tính – Phân tích giảm khối lƣợng - Mô hình với hình dáng
tối ƣu .............................................................................................................. 88
Hình 3.16: Đáp ứng bề mặt các kích thƣớc với chuyển vị dạng 2D và 3D....... 90
Hình 3.17: Mô hình tối ƣu đƣợc xây dựng dựa trên kết quả tiến hóa - ESO và
tối ƣu hóa kích thƣớc. ..................................................................................... 90
Hình 4.1: Biểu đồ so sánh các thiết kế ............................................................ 92
Hình 4.2: Chuyển vị của kết cấu đặc, rỗng, gân chữ X, gân song song và máy
có sẵn ............................................................................................................. 93
Hình 4.3: Mô hình, chuyển vị và ứng suất của kết cấu tối ƣu .......................... 93
Hình 4.4 : Sơ đồ bài toán tối ƣu hóa kết cấu.................................................... 94

Giần Hải Anh – CB101230

10


Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Thế giới ngày nay đang phát triển mạnh mẽ, rất nhiều sản phẩm đƣợc tạo ra để
đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Nhƣng hệ quả của phát triển đó là nhân loại đang
đứng trƣớc nguy cơ cạn kiệt các nguồn nguyên vật liệu, năng lƣợng và ô nhiễm môi
trƣờng[1]. Nói nhƣ vậy để thấy rằng những sản phẩm công nghiệp hiện đại nói

chung các sản phẩm máy móc cơ khí nói riêng ngày càng mang trong nó nhiều yêu
cầu khắt khe nhƣ vừa phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật công nghiệp vừa phải thỏa
mãn những chỉ tiêu về tiết kiệm chi phí sản xuất hơn nữa lại phải thân thiện với môi
trƣờng. Xuất phát từ những thực tế đó đòi hỏi phải có những cải cách trong thiết kế
và đó là tiền đề cho bài toán tối ƣu hóa, trong đó có tối ƣu Topology.
Tối ƣu hóa Topology là một phƣơng pháp mới, hiện đại trong lĩnh vực tối ƣu
hóa hình dáng kết cấu. Một số hãng phần mềm công nghiệp danh tiếng chuyên về
tính toán, phân tích sớm nhận thấy triển vọng của phƣơng pháp này nên đã đƣa nó
vào bộ tính toán của mình nhƣ: Ansys, Toposlang, MSC.Nastran, Hyperwork,
Abaqus…. Ansys WorkBench là một nhánh của hệ thống Ansys nên nó cũng đƣợc
trang bị công cụ này. Vì thế quá trình tiến hành tối ƣu Topology trong Ansys
WorkBench thuận lợi, trực quan hơn mà kết quả thu đƣợc lại chính xác, rõ ràng.
Trên thế giới phƣơng pháp tối ƣu Topology đƣợc áp dụng cho thiết kế cánh
máy bay của hãng AIRBUS (2002)[2], tòa nhà văn phòng ở Nhật Bản (2004) hay
trung tâm hội nghị quốc gia Qatar [3]… còn trong lĩnh vực cơ khí mặc dù có những
tiến bộ đáng kể trong việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới cho thiết kế chế tạo
máy công cụ tuy nhiên đó mới chỉ dừng lại ở vấn đề thử nghiệm. Vì vậy có thể nhận
định đây vẫn là xu hƣớng mới của thế giới trong việc thiết kế các sản phẩm cơ khí
nói chung và máy công cụ nói riêng. Còn ở Việt Nam đây vẫn còn là vấn đề rất mới.
Đặc biệt là trong ngành cơ khí khi mà máy tính đa phần mới đƣợc sử dụng để hỗ trợ
quá trình thiết kế (CAD) và gia công (CAM) còn trong việc phân tích, tính toán
(CAE) vẫn còn đƣợc ít biết đến.

Giần Hải Anh – CB101230

11

Comment [G1]: Bài báo thầy gửi

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Thân máy công cụ trong hệ thống Máy – Gá – Dao – Chi tiết [4]là thành phần
mang tải, đỡ các bộ phận của máy đồng thời phải chống chịu các lực do quá trình
gia công tạo ra. Vì thế thân máy cần phải đảm bảo độ cứng, độ bền, khả năng giảm
chấn, khả năng chịu mỏi, khả năng chịu tải trọng nhiệt... Tuy nhiên để đáp ứng các
tiêu chí này thì các kết cấu truyền thống thƣờng gặp những khó khăn nhƣ: giá thành
phẩm tăng cao do phải chi cho vật liệu chế tạo, công nghệ gia công, vận chuyển…
hay những chi phí cho tiến hành chế thử, cải tiến không chỉ tốn kém về tiền của
công sức mà còn tiêu tốn rất nhiều thời gian và còn phải trả thêm một khoản cho
việc sử lí rác thải.
Với đề tài: “Phân tích kết cấu trụ đứng của thân máy phay CNC với giải pháp
tối ƣu hóa topology” tác giả dựa trên cơ sở mô hình thân máy phay đứng CNC,
Bridgeport-TC1 tại Viện Cơ khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với giải pháp
phân tích tối ƣu Topology tiến hóa ứng dụng trên phần mềm phân tích tính toán
công nghiệp Ansys 14 đồng thời kết hợp điều tra tƣ liệu nhằm hƣớng tới một kết
cấu tốt hơn, giảm chi phí sản xuất, hạn chế tối đa phế phẩm đó cũng là một trong
những tiêu chí của công nghệ Xanh; trên cơ sở đó đƣa ra một qui trình chung cho
thiết kế tối ƣu những kết cấu máy khác.
Tuy nhiên, do vấn đề mà luận văn hƣớng đến còn khá mới mẻ mặc dù đã có
nhiều cố gắng trong việc xây dựng ý tƣởng, mô hình, nội dung luận văn có thể vẫn
còn những thiếu sót và nhiều điểm mới cần đƣợc đề xuất trao đổi và thảo luận thêm.
Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp phê bình của các thầy cô và đồng
nghiệp đối với luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, Viện Cơ Khí cùng
các thầy cô trong Bộ Môn Máy và Ma Sát Học của trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà
Nội đã hết sức tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn.
Đặc biệt, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Lê Giang Nam đã
tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt quá trình xây dựng ý tƣởng, mô hình và hoàn

thành nội dung luận văn.

Giần Hải Anh – CB101230

12

Comment [G2]: Ký hiệu A: CNC


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hà Nội ngày … tháng … năm 2012
Học Viên

Giần Hải Anh

Giần Hải Anh – CB101230

13


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI VÀ ĐẶC
ĐIỂM KẾT CẤU TRONG THIẾT KẾ
1.1 Máy công cụ hiện đại
Máy công cụ là những thiết bị, máy móc làm thay đổi hình dáng, kích thƣớc và
độ chính xác của chi tiết đƣợc gia công (theo thiết kế) bằng các phƣơng pháp công
nghệ khác nhau từ phôi[5]. Máy công cụ đƣợc chia làm nhiều loại nhƣ: máy tiện,
máy phay, máy khoan, máy bào, máy mài, máy gia công răng, máy gia công ren

...Về cơ bản, hoạt động của nó là sự phối hợp các chuyển động xoay tròn hoặc tịnh
tiến của dao và phôi cùng với chuyển động cắt để tạo nên chi tiết.
Máy công cụ truyền thống đƣợc phát minh từ rất sớm, tuy nhiên chiếc máy tiện
gia công kim loại thực tế đầu tiên mới đƣợc Henry Maudslay phát minh vào năm
1800. Đặc điểm của máy công cụ truyền thống là yêu cầu ngƣời vận hành phải có
tay nghề nhất định, sử dụng các công tác hành trình, tay gạt, tay quay và du xíchđể
vận hành điều chỉnh máy. Hệ lụy nhiều phế phẩm sinh ra trong quá trình sản xuất
mà không thể kiểm soát đƣợc.
Để giảm thời gian phụ trong quá trình gia công, cần thiết tiến hành tự động hóa
quá trình điều khiển. Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu ngƣời ta dùng
phƣơng pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển bằng các
mẫu chép hình, bằng cam trên trục phân phối… Đặc điểm của các loại máy tự động
này là rút ngắn đƣợc thời gian phụ, nhƣng thời gian chuẩn bị sản xuất quà dài (nhƣ
thời gian thiết kế và chế tạo cam, thời gian điều chỉnh máy …). Nhƣợc điểm này là
không đáng kể nếu nhƣ sản xuất với khối lƣợng lớn. Trái lại với lƣợng sản xuất nhỏ,
mặt hàng thay đổi thƣờng xuyên, loại máy tự động này trở nên không kinh tế. Do đó
cần phải tìm ra phƣơng pháp điều khiển mới, yêu cầu này đƣợc thực hiện bởi các
máy công cụ hiện đại CNC.
Đặc điểm quan trọng của việc tự động hóa quá trình gia công trên các máy
CNC là đảm bảo cho máy có tính vạn năng cao và linh hoạt hóa trong điều khiển.

Giần Hải Anh – CB101230

14


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật cho sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ với các chi tiết đa
dạng, phức tạp.

Hình 1.1: Trung tâm gia công phay CNC

1.2 Đặc điểm kết cấu chính của máy công cụ CNC
Cũng nhƣ máy công cụ thông thƣờng kết cấu của máy công cụ CNC vẫn gồm
những cụm sau: truyền động, truyền tải năng lƣợng, chấp hành, mang tải và giá đỡ,
liên kết, đo lƣờng, thu gom rác thải và an toàn. Tuy nhiên nó có những đặc điểm
riêng nhƣ:
Trục chính quay và trục chạy dao điều kiển đƣợc đây là yêu cầu hầu hết của các
máy công cụ CNC. Trên các máy này các trục đƣợc truyền động độc lập, không phụ
thuộc vào nhau ví dụ nhƣ máy tiện CNC sẽ có tối thiểu 2 trục chạy dao điều khiển
và điều chỉnh đƣợc chúng đƣợc đặt theo trục X và Z; còn đối với máy phay CNC sẽ
có tối thiểu 3 trục chạy dao điều khiển và điều chỉnh đƣợc, chúng thƣờng đƣợc đặt
theo các trục X, Y, Z, để nâng cao khả năng gia công ngƣời ta cũng bổ xung thêm
các trục U, V và W là những trục quay xung quanh các trục tịnh tiến trên.
Các bàn trƣợt mang dao và chi tiết sẽ dịch động khi gia công nhờ truyền động
chạy dao. Do độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại cao mà những yêu cầu
đặt ra đối với hệ thống chạy dao cũng rất cao. Mỗi trục chạy dao phải thực hiện dịch
chuyển chạy dao với tốc độ lớn nhƣng thời gian định vị nhỏ. Vì thế các hệ truyền

Giần Hải Anh – CB101230

15


Luận văn Thạc sĩ khoa học

động chạy dao hiện đại thƣờng đƣợc cấu thành từ những bộ phận nhƣ: động cơ,
khớp nối cơ khí chống quá tải và bộ điều khiển điện tử, trục vít-me bi truyền lực
không có khe hở, hệ thống đo lƣờng dịch chuyển với độ chính xác cao và các hệ

thống khuếch đại công suất với các giao diện tƣơng tự hoặc giao diện số với hệ điều
khiển CNC.
Hệ thống truyền động chính phải có độ cứng vững cao, nghĩa là momen quay
phải đảm bảo trong mọi trƣờng hợp ngay cả khi các lực gia công lớn mọi vị trí vẫn
đƣợc giữ ổn định. Ngoài ra, hệ thống truyền động cần phải có đặc tính động học đủ
lớn để nó có thể thay đổi tốc độ một cách mau lẹ mà không gây ra rung động.
Trục chính công tác đƣợc dẫn động chính xác bằng động cơ vô cấp một chiều
hoặc xoay chiều, trong đó động cơ xoay chiều thƣờng hay đƣợc sử dụng hơn.
Có hai loại động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng là động cơ không đồng bộ và
động cơ đồng bộ. Cả hay loại này so với động cơ một chiều cũng kích thƣớc đều
cho momen quay, số vòng quay cũng nhƣ công suất cao hơn nhiều trong khi đó lại
dễ bảo trì và sửa chữa.
Để có thể phát huy những ƣu điểm của điều kiển điện tử là độ chính xác cao và
tốc độ lớn thì cụm mang tải và giá đỡ phải thỏa mãn những yêu cầu đặc biệt về kết
cấu nhƣ: nâng cao độ cứng vững với các phƣơng thức cấu trúc dạng hộp và tính
không gian hợp lý, các gân tăng cứng đƣợc bố trí theo chiều dọc hoặc chiều ngang.
Đƣờng dẫn hƣớng cho bàn trƣợt phải chịu mòn, ít ma sát cùng với đó quá
trình bôi trơn tập tập trung để tăng hiệu suất máy.

1.3 Độ chính xác gia công và độ cứng vững của hệ thống Máy – Gá –
Dao – Chi tiết
Hệ thống động lực học máy công cụ là một tập hợp gồm hệ thống đàn hồi và
những quá trình làm việc. Hệ thống đàn hồi thƣờng chủ yếu là máy, đồ gá, dụng cụ
và chi tiết gia công. Quá trình làm việc là quá trình cắt, quá trình ma sát và quá trình
trong động cơ v.v..[4]

Giần Hải Anh – CB101230

16

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Dạng sơ đồ khối biểu thị hệ thống động lực học có tính chất tƣơng tự nhƣ sơ đồ
hệ thống điều khiển tự động. Sự phân biệt ở đây là việc áp dụng lý thuyết điều
khiển để nghiên cứu hệ cơ học máy mà chính là sự tác động lẫn nhau của hệ thống
đàn hồi và quá trính công tác.
Sự tác động của quá trình công tác lên hệ thống đàn hồi và ngƣợc lại tạo ra mối
liên kết mạch vòng. Có thể là mạch vòng kín hay hở, một vòng hay nhiều vòng.
f(t)
y1
y2
y3

P

F

y1(t)
y2(t)

M
y3(t)

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống động lực
học mạch hở

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống động lực
học mạch kín

Khi phân tích mối quan hệ trong lý thuyết động lực học cho phép nêu ra những
đặc điểm sau: hệ thống động lực học máy là hệ thống khép kín nhiều mạch vòng,
bao gồm cả nguồn năng lƣợng (coi là hệ thống chủ động); tác động của những phần
tử cơ bản của hệ thống coi là những tác động có hƣớng; sự tác động lẫn nhau trong
quá trình làm việc chỉ xảy ra trong hệ thống đàn hồi.
Vì thế khi phân tích chất lƣợng động lực học máy công cụ,thì tính chất điển
hình nhất về động lực học cơ hệ là sự khép kín các tƣơng tác giữa các phần tử trong
hệ, bao gồm hệ thống đàn hồi Máy – Gá – Dao – Chi tiết với các quá trình làm việc
và không thể bỏ qua liên kết ngƣợc của hệ thống đàn hồi lên quá trình làm việc.
Thân máy công cụ là một thành phần quan trọng trong hệ thống đàn hồi, nó là
điểm đến của hầu hết các dòng lực trong hệ thống.Ví dụ dƣới đây là một phân tích
điển hình về dòng lực trong máy công cụ (hình Hình 1.4).
Dòng lực cơ bản từ động cơ qua hệ thống truyền động, hệ thống gia công, phôichi tiết, hệ thống bàn máy rồi xuống thân máy. Theo một hƣớng khác dòng lực cũng
từ động cơ qua hệ thống truyền động, cụm đầu trục chính rồi tới thân máy v.v..

Giần Hải Anh – CB101230

17

Comment [G3]: M, F, P, y1,y2,yt


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 1.4: Dòng lực trong máy khoan ngang
Bởi là điểm đến của hầu hết các dòng lực trong hệ thống đàn hồi Máy – Gá –
Dao – Chi tiết, vì thế vai trò của thân máy có đóng góp quan trọng đến độ chính xác
gia công cũng nhƣ độ cứng vững của hệ thống Máy – Gá – Dao – Chi tiết.
Do đó một trong những cách để tăng độ cứng vững của hệ thống đàn hồi là cải
thiện chất lƣợng của thân máy, tuy nhiên để công việc này hiệu quả và có chất

lƣợng thì cần phải tuân thủ một số nguyên tắc nhất định.

1.4 Thiết kế mô đun và vấn đề tối ƣu hóa
Thiết kế mô đun hóa là một xu thế trong thiết kế máy công cụ hiện đại và ngày
càng đƣợc ứng dụng nhiều ở Việt Nam và thế giới. Nó góp phần quan trọng trong
việc đổi mới tƣ duy thiết kế không chỉ ở máy công cụ mà còn nhiều lĩnh vực khác.
Thuật ngữ thiết kế mô đun đƣợc hiểu là một máy công cụ hay một hệ thống
máy công cụ gồm nhiều bộ phận sau khi xác định đƣợc các kích thƣớc và các thông
số kỹ thuật cũng nhƣ chức năng đặc trƣng của bộ phận đó thì ta thiết kế chế tạo từng
bộ phận đó đảm bảo bốn yêu cầu sau:
- Một mô đun phải có cấu trúc và chức năng đặc trƣng.
- Mô đun phải có kích thƣớc và cấu trúc để kết hợp với các đơn vị khác, nghĩa
là phải đảm bảo khả năng thay thế cho nhau mà không cần thêm thiết bị đo.
- Các mô đun phải có mặt phân cách rõ ràng và đảm bảo độ cứng.

Giần Hải Anh – CB101230

18


Luận văn Thạc sĩ khoa học

- Dễ sử dụng và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.
Việc áp dụng thiết kế mô đun vào máy công cụ giúp mang lại nhiều lợi ích về
kết cấu, năng suất và tính kinh tế.
- Về kết cấu: thì máy công cụ đƣợc hoàn thiện và tối ƣu ở từng bộ phận .
- Về năng suất: từ kết cấu hoàn thiện giúp thực hiện các chức năng với
hiệuquả cao hơn, năng suất cao hơn.
- Về tính kinh tế: tiết kiệm đƣợc chi phí khi thay đổi kết cấu máy phù hợp với
sản phẩm, thay thế sửa chữa nhanh chóng thuận tiện.

Hình 1.5: Cấu trúc thứ bậc trong thiết kết mô đun
Kết luận chƣơng:
Để nâng cao độ chính xác gia công của hệ thống Máy – Gá – Dao – Chi tiết thì
máy công cụ cần đảm bảo độ cứng vững nhất định. Do đó yêu cầu nâng cao độ
cứng vững của máy công cụ là một vấn đề cấp thiết. Thân là một bộ phận quan
trọng của máy nó đƣợc cấu thành từ nhiều chi tiết trong đóvới việc các chi tiết khi
đƣợc mô đun hóa sẽ trở nên hoàn thiện và tối ƣu hơn vì vậytrong phạm vi luận văn
sẽtập trung nghiên cứu trụ đứng của thân máy phay nhằm hƣớng tới một kết cấu
vừa đảm bảo chỉ tiêu kĩ thuật lại sử dụng vật liệu hiệu quả hơn nâng cao hiệu quả
kinh tế.

Giần Hải Anh – CB101230

19


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ CÁC VẤN ĐỀ
VỀ TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU
2.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
2.1.1 Lịch sử phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc hình thành từ nhu cầu cần thiết để giải
quyết các bài toán đàn hồi phức tạp và những khó khăn khi phân tích cấu trúc trong
kỹ thuật xây dựng và kỹ thuật hàng không.
Nó đƣợc bắt đầu phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard
Courant (1942)[6]. Mặc dù hƣớng tiếp cận của những ngƣời đi tiên phong là khác
nhau nhƣng họ đều có chung một quan điểm, đó là chia những miền liên tục thành
những miền con rời rạc. Hrennikoff rời rạc những miền liên tục bằng cách sử dụng

lƣới tƣơng tự, trong khi Courant chia những miền liên tục thành những miền có
hình tam giác cho cách giải thứ hai của phƣơng trình vi phân từng phần elliptic,
xuất hiện từ các bài toán về xoắn của phần tử thanh hình trụ. Courant cũng có đóng
góp trong sự phát triển và thu hút một số lƣợng ngƣời để từ đó nhanh chóng đƣa ra
kết quả cho phƣơng pháp vi phân toàn phần elliptic đƣợc phát triển bởi Rayleigh,
Ritz, và Galerkin. Sự phát triển chính thức của phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc
bắt đầu vào nửa sau những năm 1950 trong việc phân tích kết cấu khung máy bay
và công trình xây dựng, và đã thu đƣợc nhiều kết quả ở Berkeley trong những năm
1960 trong ngành xây dựng. Phƣơng pháp này đƣợc cung cấp nền tảng toán học
chặt chẽ vào năm 1973 với việc tổng kết và xuất bản cuốn “An Analysis of The
Finite element Method” của tác giả Gilbert Strang(1934) và George Fix(1939)[7],
kể từ đó phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc tổng quát hóa thành một ngành của
toán ứng dụng, một mô hình số học cho các hệ thống tự nhiên, đƣợc ứng dụng rộng
rãi trong kĩ thuật.

Giần Hải Anh – CB101230

20


Luận văn Thạc sĩ khoa học

2.1.2 Khái niệm cơ bản về phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn là một phƣơng pháp số đặc biệt hiệu quả để giải
các bài toán đƣợc mô tả bởi các phƣơng trình vi phân riêng phần cùng với các điều
kiện biên cụ thể. Cơ sở của phƣơng pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục
phức tạp của bài toán. Các miền liên tục đƣợc chia thành nhiều miền con (phần tử).
Các miền này đƣợc liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến
phân tƣơng đƣơng với bài toán đƣợc giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng
phần tử, thoả mãn điều kiện biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.

Về mặt toán học, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc sử dụng để giải gần đúng
bài toán phƣơng trình vi phân từng phần và phƣơng trình tích phân, ví dụ nhƣ
phƣơng trình truyền nhiệt. Lời giải gần đúng đƣợc đƣa ra dựa trên việc loại bỏ
phƣơng trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc
chuyển phƣơng trình vi phân toàn phần sang một phƣơng trình vi phân thƣờng
tƣơng đƣơng mà sau đó đƣợc giải bằng cách sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu
hạn...
Để tiến hành phân tích phần tử hữu hạn cần áp dụng phƣơng pháp rời rạc hóa
hay còn gọi phƣơng pháp xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn.
2.1.3 Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn
Giả sử V là miền xác định của một đại lƣợng cần khảo sát nào đó (chuyển vị,
ứng suất, biến dạng, nhiệt độ...). Ta chia V ra nhiều miền con ve có kích thƣớc và
bậc tự do hữu hạn. Đại lƣợng xấp xỉ của đại lƣợng trên sẽ đƣợc tính trong tập hợp
các miền ve.
Phƣơng pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve đƣợc gọi là phƣơng pháp xấp xỉ bằng
các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:
Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút
của ve và biên của nó.
Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve đƣợc xây dựng sao cho chúng liên tục
trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau.

Giần Hải Anh – CB101230

21


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Các miền con ve đƣợc gọi là các phần tử hữu hạn.
2.1.4 Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn

Nút hình học:
Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các phần tử
hữu hạn. Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần
tử ve có dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó đƣợc xác định giải
tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ
nằm trong ve hoặc trên biên của nó.
Quy tắc chia miền thành các phần tử (Elements):
Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai quy tắc sau:
Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của
chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các
phần tử có thể là các điểm, đƣờng hay mặt.

Hình 2.1: Sự giao nhau giữa các phần tử (biên giới)
Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho
trƣớc càng tốt. Tránh không đƣợc tạo lỗ hổng giữa các phần tử.
Các dạng phần tử
Phần tử 1 chiều

Hình 2.2: Phần tử một chiều
Phần tử 2 chiều

Giần Hải Anh – CB101230

22


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 2.3: Phần tử 2 chiều
Phần tử 3 chiều

Phần tử tứ diện

Hình 2.4: Phần tử 3 chiều tứ diện
Phần tử lăng trụ

Hình 2.5: Phần tử 3 chiều lăng trụ
2.1.5 Sơ đồ tính toán bằng PPPTHH
Một chƣơng trình tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thƣờng gồm các
khối chính sau:
Khối 1: Đọc, kiểm tra, tổ chức các dữ liệu mô tả nút và phần tử (lƣới phần tử),
các thông số vật lý (mô đun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt, hệ số poisson...v.v), tải trọng
tác dụng và điều kiện biên.
Khối 2: Xây dựng ma trận độ cứng phần tử ke và véctơ lực nút F sau đó xây
dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ.

Giần Hải Anh – CB101230

23


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Khối 3: Nhập điều kiện biên và giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính.
Khối 4: Tính toán các đại lƣợng khác: ứng suất, biến dạng, gradient nhiệt, ..v.v
và in kết quả.
Sơ đồ khối tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn:
Đọc, kiểm tra, tổ chức dữ liệu
Đọc và in
- Toạ độ nút
- Tải trọng tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử
- Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F
Với mỗi phần tử :
-Trích những thông tin liên quan đến phần tử
- Xây dựng ma trận độ cứng k và véc tơ lực f
-Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực F cho cả hệ

Giải hệ phƣơng trình K.q = F
- Nhập điều kiện biên (Biến đổi K và F)
- Giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính để tìm q (Gauss)

-

In kết quả
Tính các đại lƣợng khác (ứng suất, biến dạng...v.v)
In kết quả (Bảng số, đồ thị...)

Hình 2.6: Sơ đồ khối chƣơng trình tính toán theo phƣơng pháp PTHH

Comment [G4]: B: Phần tử hữu hạn

2.1.6 Ứng dụng và một số ví dụ
Các chƣơng trình ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho các nhiệm vụ
đơn lẻ, ngày nay đã đƣợc tích hợp trong các phần mềm thƣơng mại, thuận lợi và
liên thông cho giải quyết nhiều vấn đề ví dụ nhƣ:
Bài toán cơ học
Dƣới tác dụng của tải trọng làm cho độ bền của các chi tiết máy bị ảnh hƣởng,
khi tải trọng tác dụng vƣợt quá giới hạn cho phép dẫn đến ứng suất phát sinh σ,

Giần Hải Anh – CB101230

24


Luận văn Thạc sĩ khoa học

chuyển vị (chuyển vị góc θ và chuyển vị dài f)… lớn hơn giá trị cho phép ([σ], [θ],
[f]…) chi tiết bị phá huỷ.

Hình 2.7: Bài toán kết cấu với phần
mềm Catia

Hình 2.8: Bài toán kết cấu với phần
mềm Inventor

Bài toán dòng chất lƣu
- Xác định phân bố lƣu lƣợng và nhiệt độ trong một dòng chảy cũng nhƣ có thể
mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén đƣợc và không nén đƣợc, và
nhiều dòng chảy kết hợp đƣợc ứng dụng cho ngành hàng không vũ trụ, đóng gói
điện tử, thiết kế ôtô.
-Phân tích và mô phỏng sự tƣơng tác giữa một môi trƣờng chất lỏng (hoặc khí)
và khối chất rắn bao quanh đƣợc ứng dụng trong chế tạo loa phóng thanh, nội thất
ôtô, thiết bị dò bằng siêu âm.
- Phân tích chất lỏng (hoặc khí) trong bể chứa : để mô phỏng hiệu ứng của chất
lỏng hoặc khí đứng yên (không chảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thuỷ tĩnh
do bị khuấy lên.
- Phân tích quá trình phát sinh và truyền nhiệt…

Giần Hải Anh – CB101230

25