Tối ưu hóa kết cấu máy công cụ chế tạo bằng phương pháp hàn

Mục Lục
Lời cam đoan ........................................................................................................................ 2
Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt ........................................................................................ 3
Danh mục các hình vẽ.......................................................................................................... 4
Tổng quan đề tài .................................................................................................................. 6
Chương 1 : Giới thiệu chung .............................................................................................. 9

1.1 Độ cứng của kết cấu máy. ................................................................................. 9
1.2 Tiêu chuẩn về kích thước và độ bền của mối hàn. ......................................... 12
Chương 2 : Ảnh hưởng của mối hàn đến kết cấu căn bản trong chi tiết chính của máy
công cụ. ............................................................................................................................... 15

2.1 Các dạng kết cấu căn bản trong chi tiết máy. ................................................ 15
2.2 Ảnh hưởng của mối hàn và vật liệu đến mô hình căn bản. ........................... 16
2.2.1 Ảnh hưởng của mối hàn đến tần số tự nhiên và độ cứng của kết cấu trong
mô hình căn bản. ................................................................................................18
2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu hàn đến tần số tự nhiên và độ cứng của kết cấu
trong mô hình căn bản........................................................................................25
Chương 3 : So sánh và đánh giá chỉ tiêu động học của kết cấu máy hàn thép và kết
cấu máy gang đúc. .............................................................................................................. 31

3.1 Xây dựng và phân tích mô hình ..................................................................... 31
3.1.1 Xây dựng mô hình......................................................................................31
3.1.2 Phân tích mô hình......................................................................................33
3.2 Kết luận. ......................................................................................................... 36
Chương 4 : Cải thiện độ cứng động của kết cấu Dầm ngang hàn thép và kiểm bền mối
hàn. ...................................................................................................................................... 38

4.1 Nguyên lý về hấp thu dao động. .................................................................... 40
4.2

Thiết kế bộ hấp thu dao động cho Dầm ngang. .......................................... 41

4.2.1 Thiết kế bộ hấp thu dao động. ...................................................................41
4.2.2 Phân tích dao động của Dầm ngang sau khi có Bộ giảm chấn. ...............43
4.3

Kiểm bền mối hàn trong chi tiết dầm ngang. ............................................. 44

4.4

Kết luận. ...................................................................................................... 46

Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 48

1


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi và chưa
được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu và kết quả trong luận
văn là trung thực.

Tác giả luận văn

Nguyễn văn Hoan

2

Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt
: là độ cứng của máy được tính toán trong giới hạn đàn hồi của vật liệu của
chi tiết máy.
: là độ cứng của chi tiết thứ i , trong trường hợp chi tiết thứ i là tổ hợp của
nhiều chi tiết lắp ráp song song với nhau thì

là tổng của độ cứng các chi

tiết thành phần.
n : là số chi tiết máy có ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu.
m1, c1, k1 :là khối lượng của vật được hấp thu dao động, cản nhớt và độ cứng lò
xo của tác dụng.
m2, c2, k2 : là khối lượng, cản nhớt và độ cứng lò xo của hệ hấp thu dao động.
µ: là tỷ số khối lượng m2/m1
: ứng suất bền kéo thép C45.
ố

à

: ứng suất bền của mối hàn .

3


Danh mục các hình vẽ
Chương

I

Số hiệu - Tên hình vẽ

Hình I.1: Kết cấu máy phay đứng cổ điền.
Hình I.2: Bảng 5.8- Tiêu chuẩn AWS D1.1 2000 về quy định
kích thước mối hàn nhỏ nhất.
Hình I.3: Bảng 2.3- Tiêu chuẩn AWS D1.1 2000 về quy định
ứng suất bền cho phép của mối hàn.
Hình II.1: Dầm ngang cột máy- Kết cấu đúc căn bản là Detail
C và Detail D
Hình II.2: Kết cấu hàn căn bản tương ứng với kết cấu đúc căn
bản ở hình trên
Hình II.3 : Mô hình căn bản thứ 1 – Dạng góc
Hình II.4: Mô hình căn bản thứ 2– Dạng chữ T
Hình II.5 : Kết cấu căn bản Dạng góc có mối hàn.
Hình II.6 : Kết cấu căn bản Dạng góc không có mối hàn.
Hình II.7: Kết cấu căn bản Dạng chữ T có mối hàn
Hình II.8: Kết cấu căn bản Dạng chữ T không có mối hàn
Hình II.9: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
X

II

Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương X
Hình II.10 : Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
Y
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương Y
Hình II.11: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
X
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương X
Hình II.12 : Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
Y
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương Y

Hình II.13: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
X
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương X

4

Số trang


Hình II.14: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương
Y
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương Y
Hình III.1 : Dầm ngang gang đúc
Hình III.2: Dầm ngang hàn thép – mối hàn 15mm
Hình III.3 : Vị trí làm việc kết cấu máy có độc cứng thấp nhất.
Hình III.4 : Mô hình Dầm ngang chịu lực cắt theo phương X,
tần số lực cắt thay đổi trong dải (0÷600)Hz
III

Hình III.5: Biểu đồ biên độ dao động của Dầm ngang đúc
ngang và Dầm ngang hàn thép theo tần số của lực
cắt phương X
Hình III.6: Mô hình Dầm ngang chịu lực cắt theo phương Y,
tần số lực cắt thay đổi trong dải (0÷600)Hz
Hình III.7 : Biểu đồ biên độ dao động của Dầm ngang đúc
ngang và Dầm ngang hàn thép theo tần số của lực
cắt phương Y
Hình IV.1 : Biên độ dao động của Dầm ngang hàn thép khi
tần số lực cắt Fx là 100Hz

IV

Hình IV.2 : Mô hình bộ hấp thu dao động.
Hình IV.3 : Dạng dao động của Dầm ngang tại tần số tự
nhiên thứ nhất 99,3Hz
Hình IV.4 : Mô hình lò xo – khối lượng dao động theo phương
ngang.
Hình IV.5 : Mô hình Dầm ngang bổ sung Bộ giảm chấn trên
phần mềm ANSYS
Hình IV.6: Biến dạng của Dầm ngang hàn thép có và không
có giảm chấn
Hình IV.7: Biến dạng của Dầm ngang hàn thép có và không
có giảm chấn.
Hình IV.8: Giá trị ứng suất trong mối hàn khi chịu tải tác
dụng là lực tĩnh Fx = 500N.
Hình IV.9: Giá trị ứng suất trong mối hàn khi chịu tải tác
dụng là lực tĩnh Fx = 500N.

5


Tổng quan đề tài
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật,
các máy móc công cụ trong lĩnh vực cơ khí nói chung và lĩnh vực gia công
vật liệu nói riêng ngày càng được hiện đại. Máy công cụ vạn năng được sử
dụng rộng rãi trước kia đã được thay thế bằng hệ thống máy gia công CNC
thế hệ mới, hiện đại hơn, phức tạp hơn, cho năng suất gia công và chất lượng
sản phẩm cao hơn rất nhiều so với thế hệ máy cũ.
Với ưu việt như vậy nhưng giá thành máy CNC mới là khá đắt so với mặt

bằng chung nhu cầu của các đơn vị cơ khí gia công trong nước, vậy nên nhu
cầu sản xuất được máy CNC trong với giá thành giảm là hướng đi có rất
nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên để sản xuất được máy CNC thì cần phải trang bị
máy CNC cỡ lớn (hay còn gọi là máy cái) nhằm giải quyết vấn đề gia công
các chi tiết chính của máy CNC.
Mục tiêu đó đặt ra yêu cầu là chế tạo được máy CNC cỡ lớn (máy cái), …
khi đó thì việc chế tạo các chi tiết lớn lên đến 6m chiều dài bằng các phương
pháp đúc khuôn cát gặp nhiều khó khăn và lại có chi phí lớn. Do đó nghiên
cứu và chế tạo các chi tiết máy có kích thước lớn bằng phương pháp hàn là
một yêu cầu cần thiết, để đảm bảo chi tiết đó đạt được các yêu cầu về chất
lượng và giá thành giảm.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi
Như đã đề cập ở trên, nhiệm vụ chế tạo máy CNC cỡ lớn bằng các phương
pháp đúc truyền thống gặp nhiều khó khăn và chi phí cao, do đó mục tiêu ứng
dụng phương pháp hàn vào chế tạo các chi tiết lớn là hướng nghiên cứu mang
lại nhiều lợi ích, không chỉ giảm thiểu được chi phí chế tạo mà đơn giản quy

6


trình chế tạo. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp hàn sẽ đặt ra một số vấn
đề cụ thể:
- Kết cấu, chi tiết hàn được chế tạo ra cần phải đảm bảo chất lượng và
chỉ tiêu về độ cứng, độ bền như các chi tiết đúc.
- Tính toán và lựa chọn mối hàn đảm bảo đủ bền.
Do vậy luận văn tập trung vào giải quyết vấn đề xây dựng kết cấu hàn đảm
bảo đủ cứng và bền so với kết cấu đúc tương tự, tính toán và lựa chọn mối
hàn đạt kích thước và độ bền.
Đối tượng của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của mối hàn đến các yếu tố về
độ cứng, độ bền của kết cấu; cụ thể trong phạm vi đề tài tác giả lựa chọn chi

tiết dầm ngang của kết cấu chính của máy VMC đang được nghiên cứu và chế
tạo bởi công ty TNHH Cơ Điện Tử Bách Khoa BKMECH . Từ đó đưa ra các
phương án có thể để cải tiến kết cấu, đảm bảo cho kết cấu hàn đủ bền và cứng
so với kết cấu đúc tương tự.
3. Luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn
Chương 1 của luận văn, tác giả đưa ra các khái niệm về tiêu chuẩn đánh
giá độ cứng của kết cấu và tiêu chuẩn về kích thước và độ bền của mối hàn.
Chương 2, luận căn tập trung vào việc phân tích và tính toán ảnh hưởng
của mối hàn đến các chỉ tiêu về độ cứng của kết cấu hàn điển hình so với kết
cấu đúc trên phần mềm Ansys . Đưa ra đánh giá về ảnh hưởng đó để làm tiền
đề cơ sở cho các tính toán ở chương tiếp theo đối với mô hình thực.
Chương 3, sử dụng các mô hình phân tích và tính toán như chương 2 đối
với kết cấu điển hình vào chi tiết dầm ngang của máy 5 truc cỡ lớn , so sánh
và đánh giá ưu nhược điểm của kết cấu hàn với kết cấu đúc, từ đó đưa ra
những cải tiến với kết cấu hàn.

7


Chương 4, luận căn đưa ra phương pháp cải thiện kết cấu hàn để đạt được
các chỉ tiêu về độ cứng, độ bền tương tự như kết cấu đúc. Sau đó, đưa ra
những kết luận về ưu nhược điểm của kết cấu hàn so với kết cấu đúc.
Kết luận những vấn đề đã đạt được và đề ra các phương hướng mới trong
việc nghiên cứu ứng dụng phương hàn vào chế tạo các chi tiết máy lớn.

8


Chương 1 : Giới thiệu chung
1.1 Độ cứng của kết cấu máy.

Máy công cụ là tổ hợp của nhiều chi tiết khác nhau, mỗi chi tiết có giá trị độ
cứng hữu hạn và tạo thành một vòng nối tiếp. Với kết cấu máy phay cổ điển (hình
chữ C) thì vòng nối tiếp có thứ tự như sau: Dao – Đầu trục chính – Cột máy – Bệ
máy – Bàn X – Bàn Y – Phôi (hình I.1). Lực cắt trong quá trình gia công tác động
vào đầu dao và phôi, tổng biến dạng của đầu dao và phôi so với vị trí lý tưởng tỷ lệ
nghịch với độ cứng của máy, máy có độ cứng cao thì giá trị biến dạng nhỏ và ngược
lại.
Do kết cấu máy là một vòng nối tiếp nên giá trị độ cứng của kết cấu máy được
tính theo công thức:
(
Trong đó:

)

(1.1)

, là độ cứng của máy được tính toán trong giới hạn đàn hồi của
vật liệu của chi tiết máy.
, là độ cứng của chi tiết thứ i , trong trường hợp chi tiết thứ i là tổ
hợp của nhiều chi tiết lắp ráp song song với nhau thì

là tổng

của độ cứng các chi tiết thành phần.
n , là số chi tiết máy có ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu.
Với trường hợp lực cắt được coi là tĩnh, tức là tần số dao động bằng không ta có
giá trị độ cứng tĩnh

. Tuy rằng trên thực giá trị tần số này luôn luôn lớn hơn

không, nhưng giá trị độ cứng tĩnh vẫn được đưa ra như một tiên chuẩn để đánh giá
chất lượng của kết cấu máy. Do giá trị độ cứng tĩnh chỉ được xem xét trong miền
đàn hồi của vật liệu nên mỗi kết cấu máy chỉ có duy nhất một độ cứng tĩnh tại một
vị trí gia công. Với mỗi máy gia công số vị trí gia công là một miền 3D nên cũng
có thể coi có vô hạn giá trị độ cững tĩnh đối với mỗi một kết cấu máy,…Vậy để

9


đảm bảo có thể tính toán và đánh giá kết cấu máy thì chỉ xem xét giá trị độ cứng đó
tại vị trí gia công yếu nhất, tức là có độ cứng tĩnh thấp nhất. Đối với kết cấu máy
như hình I.1 thì vị trí gia công yếu nhất là khi đầu dao cao nhất hay đầu trục chính
lên đến giới hạn trên của hành trình Z.
Độ cứng tĩnh của kết cấu máy ảnh hưởng trực tiếp đến sai số hình dạng và khả
năng gia công của máy. Với máy có độ cứng tĩnh càng cao thì sai số hình dạng càng
nhỏ và khả năng gia công càng cao, năng suất cao hơn. Để cải thiện độ cứng tĩnh thì
cần phải tăng độ cứng tĩnh của các chi tiết thành phần trong công thức (1.1).

Hình I.1: Kết cấu máy phay đứng cổ điền.
1-Bệ máy ; 2- Cột máy ; 3- Đầu trục chính ; 4- Dụng cụ ; 5- Bàn X ; 6- Bàn Y

Với trường hợp lực cắt có tần số dao động ta có giá trị độ cứng động

. Với

mỗi một giá trị tần số dao động khác nhau lực cắt lại có một giá trị độ cứng động tại
tần số đó, như vậy một kết cấu máy sẽ có vô số giá trị độ cứng động. Tuy nhiên
trong đó thì chỉ những giá trị độ cứng động tại các vị trí và thời điểm mà tần số dao
động của lực cắt trùng với tần số tự nhiên của kết cấu là cần phải quan tâm, vì khi
đó độ cứng động nhỏ nhất hay biên dạng dao động của đầu dao và phôi là lớn nhất

do hiện tượng cộng hưởng. So với độ cứng tĩnh thì độ cứng động lại ảnh hưởng

10


trực tiếp đến chất lượng bề mặt của sản phẩm hay độ nhấp nhô tế vi, tuổi thọ của
dụng cụ gia công, tuổi thọ của các chi tiết cơ khí.
Hiện tại các phương pháp chủ yếu để cải thiện độ cứng động của kết cấu chủ
yếu tập trung vào các hướng như sau:
-

Tăng giá trị tần số riêng của kết cấu máy để tránh vùng tần số của lực cắt,
trong trường hợp tần số riêng nằm trong vùng tần số lực cắt thì cần tránh gia
công.

-

Tăng giá trị giảm chấn của kết cấu máy, từng chi tiết máy để làm giảm biên
độ dao động khi công hưởng.

Tuy nhiên cả 2 phương pháp này đều không giải quyết triệt để ảnh hưởng của
hiện tượng cộng hưởng, ở phương pháp thứ nhất thì luôn luôn vẫn tồn tại giá trị tần
số riêng của máy trong miền tần số lực cắt, còn ở phương pháp 2 thì có làm giảm
biên độ dao động nhưng không nhiều . Trong luận văn này, ở mục chương 4 tác giả
đã tính toán và thiết kế một hệ thống giảm chấn theo dạng mô đun tháo lắp đơn giản
vào kết cấu máy để triệt tiêu đáng kể biên dạng dao động khi xảy ra hiện tưởng
cộng hưởng.

11

1.2 Tiêu chuẩn về kích thước và độ bền của mối hàn.
Có thể nói hàn là phương pháp rất phổ biến trong xây dựng và chế tạo kết cấu
thép, ưu điểm rất lớn của phương pháp hàn là chế tạo được những chi tiết lớn với
giá thành giảm mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt. Và trên thế giới hiện có
nhiều tiêu chẩn về hàn, tuy nhiên thông dụng nhất là 2 bộ tiêu chuẩn: AWS
(American Welding Society) và BSEN (British Standard European Norm). Trong
luận văn này tác giả sử dụng tiêu chuẩn AWS để xây dựng, đánh giá kích thước và
độ bền của mối hàn. Do luận văn chỉ đề cập đến mối hàn góc nên sẽ chỉ trình bầy
tiêu chuẩn cho mối hàn góc
 Tiêu chuẩn về kích thước cho mối hàn góc.
Việc tính toán và lựa chọn kích thước mối hàn dựa theo tiêu chuẩn AWS D1.1
2000, kích thước mối hàn tối thiểu được quy định ở bảng 5.8 – trích dẫn ở dưới:

Hình I.2: Bảng 5.8- Tiêu chuẩn AWS D1.1 2000 về quy định kích
thước mối hàn nhỏ nhất.

12


Với chi tiết dầm ngang của máy công cụ có kích thước của các tấm là (50 ÷ 60)
mm, vậy theo Bảng 5.8 thì kich thước nhỏ nhất của mối hàn là T > 8mm. Thêm
vào đó, với công nghệ hàn hiện tại kích thước mối hàn lớn nhất có thể hàn mà vẫn
đảm bảo cơ tính tốt là 15mm. Như vậy ta chọn kích thước mối hàn là 15mm, đây
là giá trị cạnh đứng của mối hàn.
 Tiêu chuẩn về độ bền cho mối hàn góc.
Việc tính toán ứng suất bền cho mối hàn được quy định ở Bảng 3.2 của bộ tiêu
chuẩn AWS D1.1 2000 (hình I.3). Bảng 3.2 quy định giá trị ứng suất bền cho tất cả
các loại mối hàn, với mối hàn góc (fillet Weld) như sau:
-

Nếu ứng suất trong mối hàn là ứng suất cắt, thì giá trị ứng suất bền bằng 0.3
lần ứng suất bền kéo của vật liệu hàn.

-

Nếu ứng suất trong mối hàn là ứng suất kéo hoặc nến song song với trục
đường hàn, thì giá trị ứng suất bền của mối hàn bằng với ứng suất bền của
vật liệu hàn.

Như vậy, gộp cả 2 trường hợp trên là khi mối hàn chịu ứng suất phức tạp thì giá
trị ứng suất bền của mối hàn là “0.3 lần ứng suất bền kéo của vật liệu hàn”.

13


Hình I.3: Bảng 2.3- Tiêu chuẩn AWS D1.1 2000 về quy định ứng suất bền cho phép
của mối hàn.

14


Chương 2 : Ảnh hưởng của mối hàn đến kết cấu căn bản trong
chi tiết chính của máy công cụ.
2.1 Các dạng kết cấu căn bản trong chi tiết máy.
Như đã biết các chi tiết chính của máy công cụ thường được chế tạo bằng
phương pháp đúc với vật liệu là gang. Nhìn chung thì các chi tiết chính này có hình
dạng bao gồm các thành vách vuông góc với nhau,… như vậy thì kết cấu hàn tương
đương sẽ bao gồm các tấm hàn với nhau bằng mối hàn góc. Ví dụ như ở hình II.1
Chi tiết dầm ngang cột máy của máy công cụ có các kết cấu căn bản là dạng 2 tấm

vuông góc với nhau (Detail C) và 2 tấm dạng chữ T (Detail D), khi đó thì kết cấu
hàn căn bản cũng là 2 tấm hàn vuông góc với nhau và dạng chữ T như ở hình II.2

Hình II.1: Dầm ngang cột máy- Kết cấu đúc căn bản là Detail C và Detail D

15


Hình II.2: Kết cấu hàn căn bản tương ứng với kết cấu đúc căn bản ở hình
trên
Như vậy ta có thể thấy rằng để chuyển từ một kết câu đúc sang kết cấu hàn thì
phải tách kết cấu ra thành các tấm sau đó bổ sung mối hàn vào. Vì chủ yếu các tấm
vuông góc hoặc liên kết dạng chữ T nên mối hàn được sử dụng là mối hàn góc.
Từ kết cấu căn bản và kích thước mối hàn, trong mục 2.2 tới tác giả cố gắng xây
dựng mô hình căn bản để so sánh giữa kết cấu có mối hàn và kết cấu không có mối
hàn – nhằm đánh giá ảnh hưởng của mối hàn đến tần số tự nhiên và độ cứng của
kết cấu, giữa kết cấu thép không có mối hàn với kết cấu gang đúc không có mối hàn
– nhằm đánh giá ảnh hưởng của vật liệu hàn đến tần số tự nhiên chỉ tiêu độ cứng.

2.2 Ảnh hưởng của mối hàn và vật liệu đến mô hình căn bản.
Mô hình căn bản để đánh giá ảnh hưởng của mối hàn đến chỉ tiêu độ cứng được
mô tả ở hình II.3 và II.4, bao gồm 2 mô hình căn bản – mô hình thứ 1 là dạng góc,
mô hình 2 là dạng chữ T. Hai đầu của mô hình này đều được ngàm chặt, tải tác
dụng lực đặt ở điểm bên ngoài (mô hình này mô phỏng lại tải tác dụng lên dầm
ngang của cột máy). Vị trí đặt tải là tại mặt phẳng đối xứng và cách mặt kết cấu là
200mm, như ở chương 1 – lực cắt theo phương Z là nhỏ hơn rất nhiều so với
phương X và Y, nên ta chỉ so sánh trong 2 trường hợp tải theo phương X và Y. Giá
trị lực cắt chọn là 100N
Kích thước của các tấm hàn như sau:
-

Chiều dày các tấm là 50mm, chiều rộng 200mm, chiều dài là 2000mm.

-

Mối hàn giữa các tấm là 15mm chiều cao và chiều rộng.

16


Hình II.3 : Mô hình căn bản thứ 1 – Dạng góc

Hình II.4: Mô hình căn bản thứ 2– Dạng chữ T
Trong mục 2.2.1, ta sẽ tiến hành phân tích ảnh hưởng của mối hàn đến độ cứng
bằng cách so sánh độ cứng của kết cấu khi có mối hàn và khi không có mối hàn khi đó thì vật liệu của kết cấu cùng là thép C45, kết cấu không có mối hàn thì ta coi
kết cấu là liền và liên tục. Vật liệu hàn ký hiệu là E7010 có thông số cơ lý như sau:
- Trọng lượng riêng : 7850 (kg/m3)
- Young modulus: 2.25E+05 (Mpa)
- Poisson ratio: 0.3
Đến mục 2.2.2, để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu đến chỉ tiêu độ cứng thì ta so
sánh các chỉ tiêu của kết cấu căn bản với vật liệu là thép – so với vật liệu là gang
đúc. Việc khảo sát ảnh hưởng của vật liệu đến chỉ tiêu độ cứng là rất quan trọng vì
khi ta thay chi tiết máy được làm bằng gang đúc với chi tiết máy tương tự được hàn

17


từ thép kết cấu C45 thì các giá trị về độ cứng sẽ thay đổi và làm ảnh hưởng đến toàn
máy.
Để thực hiện các đánh giá trên ta sử dụng mô đun Harmonic Response của

phần mềm Ansys, mô đun này có khả năng phân tích độ cứng của kết cấu dưới tác
dụng của tải điều hòa có tần số thay đổi.
Trong phần mềm Ansys thì ta mô hình kết cấu có mối hàn như sau:
- Mối hàn được coi là một chi tiết đơn lẻ với vật liệu là E7010, các chi tiết của
kết cấu là thép C45 hoặc gang.
- Các chi tiết liên kết với mối hàn theo dạng mối liên kết cứng không tách rời.
Như vậy mô hình kiểu này ta đã bỏ qua ảnh hưởng của độ ngấu mối hàn vào chi tiết
được hàn, và ảnh hưởng của ứng suất dư, biến dạng nhiệt trong quá trình hàn.
2.2.1 Ảnh hưởng của mối hàn đến tần số tự nhiên và độ cứng của kết cấu trong
mô hình căn bản.
Như đã tóm tắt ở trên phần này sẽ so sánh chỉ tiêu độ cứng của kết cấu căn bản
có mối hàn và kết cấu căn bản không có mối hàn, vật liệu của kết cấu trong cả 2
trường hợp là thép C45, vật liệu mối hàn trong kết cấu hàn là E7010. Mô tả kết cấu
có mối hàn và không có mối hàn ở hình II.5 đến II.8 ở dưới:

Hình II.5 : Kết cấu căn bản Dạng góc có mối hàn.
Vật liệu chi tiết hàn : thép C45 ; Vật liệu mối hàn : E7010

18


Hình II.6 : Kết cấu căn bản Dạng góc không có mối hàn.
Vật liệu chi tiết : thép C45

Hình II.7: Kết cấu căn bản Dạng chữ T có mối hàn
Vật liệu chi tiết hàn : thép C45 ; Vật liệu mối hàn : E7010

Hình II.8: Kết cấu căn bản Dạng chữ T không có mối hàn
Vật liệu chi tiết: thép C45

19


2.2.1.1 Ảnh hưởng của mối hàn đến tần số tự nhiên mô hình căn bản.
Tần số tự nhiên của kết cấu Dạng góc có mối hàn và không có mối hàn: 9 giá trị
tần số tự nhiên đầu tiên

Mode

Frequency [Hz] - kết cấu Dạng góc

Sai lệch

Không có mối hàn

1

Có mối hàn
168.55

169.84

0.8%

2

215.66

215.56

0.0%

3

367.42

396.12

7.2%

4

392.47

404.89

3.1%

5

500.15

501.26

0.2%

6

642.69

648.28

0.9%

7

821.45

866.23

5.2%

8

864.43

905.47

4.5%

9

920.28

934.3

1.5%

Tần số tự nhiên của kết cấu Dạng chữ T có mối hàn và không có mối hàn: 9 giá
trị tần số tự nhiên đầu tiên

Mode

Frequency [Hz] - kết cấu Dạng chữ T

Sai lệch

1

Có mối hàn
213.2

Không có mối hàn
210.12

-1.44%

2

256.16

263.57

2.89%

3

347.24

347.82

0.17%

4

445.4

439.04

-1.43%

5

586.21

606.43

3.45%

6

700.12

690.89

-1.32%

7

792.05

790.61

-0.18%

8

958.86

971.01

1.27%

9

982.51

985.17

0.27%

20


Như vậy khi có mối hàn thì tần số tự nhiên của kết cấu thay đổi không đáng kể.
Ở mô hình căn bản Dạng góc giá trị sai lệch lớn nhất nằm ở tần số thứ 3 là 7.2%,
còn mô hình căn bản Dạng chữ T giá trị sai lệch lớn nhất nằm ở tần số thứ 2 là
2.89%.
2.2.1.2 Ảnh hưởng của mối hàn đến độ cứng của kết cấu trong mô hình căn bản
 Kết cấu căn bản là Dạng góc.

-

Trường hợp 1: tải tác dụng theo phương X, tần số của tải thay đổi từ (0
÷1000) Hz. Dải tần số này chứa 9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên của mô hình
căn bản dạng góc.
Biểu đồ biến dạng của kết cấu khi chịu tác dụng của tải Fx = 100N, tần số
thay đổi (0 ÷1000) Hz như sau:

1.40E-02
1.29E-02
1.20E-02
1.00E-02
8.00E-03

KHÔNG CÓ MỐI HÀN
CÓ MỐI HÀN

6.00E-03
4.00E-03
2.83E-03
2.00E-03
0.00E+00

Hình II.9: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương X
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương X
Kết cấu căn bản Dạng góc có mối hàn và không có mối hàn
Như vậy, với trường hợp này thì mối hàn chủ yếu chỉ làm tăng gía trị biến dạng
của kết cấu tại tần số của lực cắt trùng với tần số tự nhiên. Với đồ thị trên thì giá trị

21

biến dạng theo phương X (tại tần số 220Hz của lực tác dụng – giá trị này trùng với
tần số tự nhiên thứ 2 ) của kết cấu không có mối hàn là 2.83E-3 mm, trong khi đó
của kết cấu có mối hàn là 1.29E-3 mm.

-

Trường hợp 2: tải tác dụng theo phương Y, tần số của tải thay đổi từ (0
÷1000) Hz. Dải tần số này chứa 9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên của mô hình
căn bản dạng góc.

1.40E-02
1.28E-02
1.20E-02

1.00E-02

8.00E-03
KHÔNG CÓ MỐI HÀN
6.00E-03

CÓ MỐI HÀN
4.06E-03

4.00E-03
2.97E-03
2.00E-03

2.01E-03

980

920

860

800

740

680

620

560

500

440

380

320

260

200

140

80

20

0.00E+00

Hình II.10 : Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương Y
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương Y
Kết cấu căn bản Dạng góc có mối hàn và không có mối hàn
Tương tự với trường hợp tải theo phương X, khi tải tác dụng theo phương Y thì
kết cấu có mối hàn cũng bị biến dạng lớn hơn rất nhiều so với kết cấu không có mối
hàn tại 2 vị trí tần số của tải tác dụng trùng với tần số tự nhiên của kết cấu là 220 Hz
và 400 Hz.

22


 Kết cấu căn bản là Dạng chữ T.
-

Trường hợp 1: tải tác dụng theo phương X, tần số của tải thay đổi từ (0
÷1000) Hz. Dải tần số này chứa 9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên của mô hình
căn bản dạng góc.
Biểu đồ biến dạng của kết cấu khi chịu tác dụng của tải Fx = 100N, tần số
thay đổi (0 ÷1000) Hz như sau:

2.50E-03
2.32E-03
2.00E-03

1.50E-03

1.00E-03

5.00E-04

20
60
100
140
180
220
260
300
340
380
420
460
500
540
580
620
660
700
740
780
820
860
900

940
980

0.00E+00

Hình II.11: Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương X
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương X
Kết cấu căn bản Dạng chữ T có mối hàn và không có mối hàn
Như vậy, với trường hợp này thì mối hàn chủ yếu chỉ làm tăng gía trị biến dạng
của kết cấu tại tần số của lực cắt trùng với tần số tự nhiên. Với đồ thị trên thì giá trị
biến dạng theo phương X (tại tần số 260Hz của lực tác dụng – giá trị này gần với
tần số tự nhiên thứ 2 ) của kết cấu không có mối hàn là 1.60E-3 mm, trong khi đó
của kết cấu có mối hàn là 2.32E-3 mm.

23


-

Trường hợp 2: tải tác dụng theo phương Y, tần số của tải thay đổi từ (0
÷1000) Hz. Dải tần số này chứa 9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên của mô hình
căn bản dạng góc.

2.50E-03
2.25E-03
2.00E-03

1.50E-03
1.29E-03

KHÔNG CÓ MỐI HÀN
CÓ MỐI HÀN

1.00E-03

5.00E-04

980

920

860

800

740

680

620

560

500

440

380

320

260

200

140

80

20

0.00E+00

Hình II.12 : Đồ thị biểu thị biến dạng của kết cấu theo phương Y
Trường hợp 1 - Tải tác dụng theo phương Y
Kết cấu căn bản Dạng chữ T có mối hàn và không có mối hàn
khi tải tác dụng theo phương Y thì kết cấu có mối hàn cũng bị biến dạng lớn hơn
rất nhiều so với kết cấu không có mối hàn tại vị trí tần số 340 Hz của tải tác dụng,
giá trị này gần với giá trị tần số tự nhiên thứ 3 của kết cấu Dạng chữ T

24


2.2.2 Ảnh hưởng của vật liệu hàn đến tần số tự nhiên và độ cứng của kết cấu
trong mô hình căn bản.
2.2.2.1 Ảnh hưởng của vật liệu hàn đến tần số tự nhiên mô hình căn bản.
Tần số tự nhiên của kết cấu Dạng góc với vật liệu hàn là Thép C45 – Gang đúc:
9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên

Mode

Frequency [Hz]- kết cấu Dạng góc
Gang đúc

1

Thép C45
169.84

2

215.56

167.44

3

396.12

307.64

4

404.89

314.31

5

501.26

388.8

6

648.28

503.54

7

866.23

671.74

8

905.47

703.07

9

934.3

725.59

131.64

Tần số tự nhiên của kết cấu Dạng chữ T với vật liệu hàn là Thép C45 – Gang

đúc: 9 giá trị tần số tự nhiên đầu tiên.

Mode

Frequency [Hz] - kết cấu Dạng chữ T
Gang đúc

1

Thép C45
210.12

2

263.57

204.38

3

347.82

269.84

4

439.04

341.54

5

606.43

470.87

6

690.89

537.08

7

790.61

613.76

8

971.01

754.17

9

985.17

765.28

25

163.5