Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tích hợp ansys

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HỒ THÚC NIN

PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
MỀM CỦA CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT
BẰNG TÍCH HỢP ANSYS/ADAMS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Thọ
Người phản biê ̣n 1: TS. Nguyễn Vũ Anh Duy
Người phản biê ̣n 2: TS. Đào Thanh Phong
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hô ̣i đồ ng chấ m bảo vê ̣ Luâ ̣n văn tha ̣c s ̃ Trường
Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 09 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Châu Minh Quang

Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Nguyễn Vũ Anh Duy

Phản biện 1

3. TS. Đào Thanh Phong

Phản biện 2

4. TS. Lê Tuấn Phương Nam

Ủy viên

5. TS. Ao Hùng Linh

Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang

TS. Châu Minh Quang


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hồ Thúc Nin

MSHV: 16083641

Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1990

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 6052103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Phân tích và mơ phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tích
hợp ANSYS/ADAMS.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Phân tích và mơ phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tích
hợp ANSYS/ADAMS nhằm bổ sung những công cụ tiện lợi, khoa học để giải quyết
bài toán động lực học hệ nhiều vật, vốn dĩ là bài tốn khó và đầy thử thách nếu xem
xét sự tồn tại của khâu mềm (khâu có khả năng biến dạng đàn hồi), là tài liệu hướng
dẫn kỹ thuật mô phỏng ảo trong thiết kế kỹ thuật tối ưu nhằm giảm chi phí sản xuất,
rút ngắn thời gian chế tạo thử nghiệm. Nội dung chính bao gồm:
-Giải bài toán động lực học vật mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng phương
pháp giải tích.
-Đề xuất quy trình phân tích động lực học vật mềm dựa trên tích hợp ANSYS/
ADAMS.
-Kiểm tra, đánh giá và đề xuất hình dạng hợp lý của khâu mềm.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 04/QĐ-ĐHCN ngày 03/01/2018
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hữu Thọ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Hữu Thọ
TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập tại trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, với
sự chỉ dẫn tận tình của Thầy, Cơ giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè và sự nỗ lực
của bản thân, em đã hoàn thành Luận văn thạc sĩ và đạt được những kết quả mong
muốn.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Thọ, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp
đỡ em thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng
góp cho em những ý kiến quý báu và bổ ích.
Em cảm ơn Thầy TS. Châu Minh Quang, Trưởng Khoa Cơ khí và Thầy TS. Đặng
Hồng Minh, phụ trách sau đại học đã tạo điều kiện cho em hồn thành luận văn
này.
Cảm ơn gia đình, ba mẹ, vợ đã động viên, tạo điều kiện để hoàn thành Luận văn.
Xin chúc quý Thầy/Cô sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong cuộc sống.
Học viên

Hồ Thúc Nin

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện nay, đại đa số các chương trình mơ phỏng động lực cơ cấu đều giả định rằng
các khâu đều là những vật rắn không biến dạng trong q trình chuyển động nên
việc phân tích động học và động lực học kém chính xác.
Với đề tài: “Phân tích và mơ phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con
trượt bằng tích hợp ANSYS/ADAMS”. Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích
phần tử hữu hạn của phần mềm ANSYS và khả năng mô phỏng động lực học của

ADAMS, Cho phép chúng ta có cơng cụ giải bài toán động học và động lực học cơ
cấu có tính đến biến dạng của khâu một cách hiệu quả. Phương pháp này sẽ làm rút
ngắn thời gian thử nghiệm và chi phí chế tạo nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy. Khung
thích hợp giữa ANSYS/ADAMS đã được đề xuất một cách chi tiết, rõ ràng nhằm
giúp người kỹ sư dễ dàng ứng dụng trong tính tốn, mơ phỏng cơ khí. Hơn nữa,
việc giải bài tốn động học và động lực học sử dụng khâu mềm cho kết quả chính
xác và thực tế hơn.

ii


ABSTRACT
Currently, the most of dynamics simulation tools for the mechanical mechanisms
assume that the links are non-deformable or rigid solids in the process of motion, so
the analysis of the kinematics and dynamics analysis become inappropriate.
With the thesis entitled "Analysis and simulation of the flexible dynamics of slidercrank mechanism based on the ANSYS/ADAMS interface”. By using the ANSYSbased finite element analysis method and ADAMS dynamic simulation capabilities,
It allows us to have a tool for solving dynamic problems and structural dynamics,
taking into account the linkage deformation effects. This method will shorten the
testing time and manufacturing cost, but still ensure reliability. The integrated
framework of ANSYS/ADAMS was proposed clearly in the detail in order that the
engineer can apply for calculating and simulating the mechanical problems.
Moreover, the consideration of flexible mechanism for solving the kinematics and
dynamics is more accurate and practical than the rigid body of links.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Hồ Thúc Nin, học viên lớp CHCK6B, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành
phố Hồ Chí Minh. Sau hai năm học tập, được sự giúp đỡ của Thầy/Cô, đặc biệt là

sự hướng dẫn của Thầy TS.Nguyễn Hữu Thọ, tơi đã hồn thành luận văn này.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Hồ Thúc Nin

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề .......................................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................2

4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .....................................................2

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.............................................................................2

CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................4

Giới thiệu tổng quan ......................................................................................4
1.1.1 Cơ cấu cứng.............................................................................................4
1.1.2 Cơ cấu mềm.............................................................................................4

1.2

Các nghiên cứu đã có.....................................................................................5

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................10

2.1

Động học cơ cấu tay quay con trượt (khâu cứng tuyệt đối) ........................11

2.2

Phương pháp giải tích (động lực học khâu mềm)........................................13

2.3

Phương pháp phần tử hữu hạn .....................................................................18

2.4

Khả năng tích hợp ANSYS/ADAMS ..........................................................23
2.4.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS:..............................................................23
2.4.2 Giới thiệu phần mềm ADAMS..............................................................24
2.4.3 Quy trình giải quyết bài tốn động lực học khâu mềm: ........................26
2.4.4 Quy trình xuất file MNF từ mơi trường ANSYS sang MSC.ADAMS: 26
2.4.5 Xây dựng mơ hình .................................................................................27
2.4.5.1
2.4.5.2
2.4.5.3

Mơ hình điểm tương tác:................................................................27
Xuất dữ liệu sang ADAMS:...........................................................28
Biểu diễn File MNF từ môi trường ANSYS:.................................29

v


2.4.5.4
2.4.5.5
2.4.5.6
CHƯƠNG 3

3.1

Các phần tử dùng cho sự tương tác giữa ANSYS/ADAMS:.........31
Nhập file MNF vào ADAMS.........................................................32
Chuyển tải, tính tốn ứng suất và biến dạng trong ANSYS: .........32
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................34

Tương tác ANSYS và ADAMS mô phỏng cơ cấu tay quay con trượt .......34
3.1.1 Dữ liệu ban đầu .....................................................................................34
3.1.2 Kết quả phân tích trong ADAMS của khâu cứng tuyệt dối. .................36
3.1.3 Kết quả phân tích trong ADAMS khâu mềm và khâu cứng như sau....39
3.1.4 Phân tích lực cơ cấu mềm trong ADAMS.............................................42
3.1.5 Kết quả chuyển tải từ ADAMS chuyển vào trong ANSYS tính tốn
biến dạng và ứng suất.....................................................................................45

3.1.5.1 Biến dạng .......................................................................................45
3.1.5.2 Ứng suất .........................................................................................47
3.2 Kết quả mô phỏng trong ANSYS/Workbench/Shape Optimization ...........49
3.2.1 Dữ liệu ban đầu: ....................................................................................49
3.2.2 Kết quả...................................................................................................50
3.2.3 Nhận xét: ...............................................................................................51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................52
1.

Những đóng góp, của luận văn .....................................................................52

2.

Giới hạn mà luận văn chưa giải quyết được .................................................52

3.

Đề xuất và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo từ kết quả của luận văn ..53

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN ............................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................55
PHỤ LỤC..................................................................................................................58
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................76

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các quy trình mơ phỏng hệ thống nhiều vật ................................................6
Hình 1.2 Quá trình phát triển khâu mềm trong MWorks............................................8
Hình 2.1 Cơ cấu tay quay con trượt (Khâu cứng tuyệt đối)......................................11
Hình 2.2 Cơ cấu tay quay con trượt (Có xét khâu mềm) ..........................................13
Hình 2.3 Biểu diễn hình học của phần tử tự do nhỏ của thanh truyền. Áp dụng lý
thuyết chuyển động của khối tâm. .............................................................14
Hình 2.4 Cấu trúc con (substructure) và điểm tương tác ..........................................19
Hình 2.5 Các nút tương tác và nút bên trong thanh kết nối và các nút tương tác được
kết hợp với các nút bên trong.....................................................................20
Hình 2.6 Mơ hình cấu trúc con của phần tử hữu hạn ................................................23
Hình 2.7 Các mơđun trong ANSYS..........................................................................23
Hình 2.8 Các mơ đun của MSC. ADAMS ................................................................25
Hình 2.9 Quy trình giải bài tốn................................................................................26
Hình 2.10 Quy trình xuất file của ANSYS và ADAMS ...........................................27
Hình 2.11 Mơ hình trong PTC Creo .........................................................................27
Hình 2.12 Mơ hình điểm tương tác ...........................................................................28
Hình 2.13 Xuất File MNF .........................................................................................29

Hình 2.14 cấu trúc Phần tử Beam 188 ......................................................................31
Hình 2.15 cấu trúc phần tử Solid 185 .......................................................................32
Hình 3.1 Kích thước cơ cấu tay quay con trượt được mơ phỏng..............................34
Hình 3.2 Mơ hình hóa khâu phức hợp trong ANSYS...............................................35
Hình 3.3 Nhập File MNF vào ADAMS với ADAMS/Flex ......................................35
Hình 3.4 Mơ hình cơ cấu tay quay con trượt trong ADAMS ...................................36
Hình 3.5 Đồ thị vận tốc góc của piston.....................................................................37
Hình 3.6 Đồ thị gia tốc góc của piston......................................................................37
Hình 3.7 Đồ thị vận tốc góc của thanh truyền ..........................................................37
Hình 3.8 Đồ thị gia góc của thanh truyền .................................................................38
Hình 3.9 Đồ thị vận tốc góc của trục khuỷu .............................................................38
Hình 3.10 Đồ thị gia tốc góc của trục khuỷu ............................................................38

vii


Hình 3.11 Mơ phỏng trong ADAMS với thanh truyền cho là khâu mềm ................40
Hình 3.12 Đồ thị Vận tốc khối tâm của khâu cứng so với khâu mềm ......................40
Hình 3.13 Đồ thị Gia tốc khối tâm của khâu cứng so với khâu mềm .......................41
Hình 3.14 Mơ hình phân tích lực cơ cấu mềm trong ADAMS.................................42
Hình 3.15 Đồ thị mơ phỏng lực cơ cấu mềm trong ADAMS ...................................43
Hình 3.16 Mối quan hệ giữa mômen đặt vào tay quay và thời gian .........................43
Hình 3.17 Lực tác dụng lên piston khi khơng gán lực nén .......................................44
Hình 3.18 Giá trị lực tác dụng lên đầu piston với lực nén được gán 1000N ............44
Hình 3.19 Biến dạng dẻo đàn hồi Load step 10 ........................................................45
Hình 3.20 Ứng suất Load step 1................................................................................47
Hình 3.21 Ứng suất Load step 10..............................................................................47
Hình 3.22 Bảng vẽ quy cách kích thước thanh truyền ..............................................49
Hình 3.23 Gán lực và ràn buộc .................................................................................50
Hình 3.24 Sau khi phân tích ANSYS trong mơi trường Shape Optimization ..........50

Hình 3.25 Kết quả phân tích ANSYS/Shape Optimization phần hình dạng cần bỏ .50
Hình 3.26 Kết quả phân tích ANSYS/Shape Optimization phần hình dạng tối ưu ..51
Hình 3.27 Thiết kế lại mơ hình .................................................................................51
Hình 3.28 Khối lượng sau bỏ biên dạng ...................................................................51

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Hệ thống đơn vị .........................................................................................30
Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu của các khâu trong cơ cấu tay quay con trượt................39
Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng biến dạng dẻo đàn hồi max qua 36 Step .....................46
Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng ứng suất max qua 36 Step ...........................................48
Bảng 3.4 Quy cách thanh truyền cần mô phỏng .......................................................49

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADAMS

Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System

ANSYS

Analysis Systems

APDL

Ansys Parameter Design Language

CAD

Computer Aided Design

CAE

Computer Aided Engineering

DMX

Maximum deformation

DOF

Degree of Freedom

EPELQV

Equivalent elastic strains

FEA

Finite Element Analysis

MNF

Modal neutral file

P

Position

PTHH

Phần tử hữu hạn

SEQV

Surface equivalent stress

SMN

Minimum stress (strain)

SMX

Maximum stress (strain)

x


MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề

ANYS là một chương trình phân tích phần tử hữu hạn rất mạnh, được sử dụng cho
việc giải các bài toán cơ học vật rắn biến dạng như xác định ứng suất, chuyển vị,
biến dạng của thanh khi chịu tải, quá trình tạo hình kim loại khi dập, rèn…ADAMS

là phần mềm chuyên dụng dùng trong mô phỏng động học, động lực học hệ nhiều
vật, hiện nay có thể nói đây là phần mềm mạnh nhất về lĩnh vực này trên thế giới vì
khả năng ứng dụng rộng rãi của nó trong nhiều lĩnh vực như: động lực học ô tô,
động lực học bay, dao động phi tuyến…. Tuy nhiên, điều đáng lưu ý nhất hiện nay,
đại đa số các chương trình mơ phỏng động lực cơ cấu đều giả định rằng các khâu
đều là những vật rắn khơng biến dạng trong q trình chuyển động nên việc phân
tích động học và động lực học kém chính xác. Trong ADAMS/Flex, việc phân tích
hệ nhiều vật biến dạng cịn chưa mạnh vì khả năng phân tích phần tử hữu hạn không
chuyên dụng. Với sự tương tác giữa ưu điểm của hai phần mềm ANSYS và
ADAMS cho phép việc giải bài toán động học và động lực học cơ cấu có tính đến
biến dạng của khâu trở nên thực tế. Chính vì vậy, đây là mục tiêu chính yếu của tên
đề tài luận văn.
2.

Mục tiêu nghiên cứu

Giải bài toán động lực học vật mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng phương
pháp giải tích.
Đề xuất quy trình phân tích động lực học vật mềm dựa trên tích hợp ANSYS/
ADAMS.
Kiểm tra, đánh giá và đề xuất hình dạng hợp lý của khâu mềm.

1


3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài không đi sâu nghiên cứu, xây dựng cơ sở lý thuyết mới, chỉ ứng dụng các kết

quả của lý thuyết động lực học, sức bền vật liệu và phần tử hữu hạn để phân tích
động lực học của cơ cấu tay quay con trượt có tính đến biên dạng đàn hồi của khâu.
Giải quyết bài toán động lực học cơ cấu khâu mềm, khơng xem xét bài tốn ứng
suất, biến dạng của từng khâu chịu tải trọng trong môi trường ANSYS.
Các kết quả nghiên cứu được triển khai trên các cơ cấu tay quay con trượt, chỉ xem
xét về mặt lý thuyết mô phỏng, chưa được so sánh với kết quả thực nghiệm.
4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1

Phân tích lý thuyết

Phân tích phương pháp luận từ các cơng trình khoa học liên quan được công bố
trong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, bài báo các kỷ yếu hội nghị khoa
học trong nước và quốc tế, trên các luận văn thạc sĩ và các tài liệu chuyên khảo liên
quan. Chọn lựa và phát triển các công cụ hiện đại phù hợp với vấn đề cần giải quyết
để xây dựng cơ sở lý thuyết và đề xuất phương pháp thực hiện đề tài.
4.2

Phương pháp mơ phỏng

Phân tích số liệu từ kết quả mô phỏng để đưa ra kết quả, thông số chúng ta quan tâm
nhằm rút ngắn thời gian thử nghiệm, chế tạo mà có độ tin cậy khả quan.
5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Luận văn là tài liệu nghiên cứu, hướng dẫn ứng dụng công nghệ thơng tin trong lĩnh

vực cơ khí, cơ điện tử. Đây là một cái nhìn mới về phương pháp phân tích, mô
phỏng tiên tiến, nhằm bổ sung những công cụ tiện lợi, khoa học để giải quyết bài
toán động lực học hệ nhiều vật, vốn dĩ là bài tốn khó và đầy thử thách nếu xem xét
sự tồn tại của khâu mềm (khâu có khả năng biến dạng đàn hồi trong q trình mơ
phỏng)

2


Cơng cụ tương tác ANSYS/ADAMS đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong thiết kế
tối ưu hệ thống cơ khí, cơ điện tử và đề ra các giải pháp để điều khiển các đáp ứng
động học, động lực học một các chính xác và hiệu quả.
Ngồi ra, luận văn cịn là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật mô phỏng ảo trong thiết kế kỹ
thuật tối ưu nhằm giảm chi phí sản xuất, rút ngắn thời gian chế tạo thử nghiệm.

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu tổng quan
Nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu là một trong những nội dung cơ bản
của cơ học máy, là cơ sở ban đầu cho việc tính toán thiết kế chi tiết máy, giúp ta
nhận biết được quy luật chuyển động và các thành phần (lực, moment) cần thiết để
gây ra chuyển động cho các hệ thống kỹ thuật. Trong những năm trước, việc nghiên
cứu tính tốn động học và động lực học vơ cùng khó khăn, tốn rất nhiều thời gian
do sự phức tạp của toán học, giới hạn tính tốn của con người. Ngày nay, sự ra đời
của máy tính đánh dấu một bước ngoặc phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực công

nghệ thông tin, việc tính tốn phức tạp hồn tồn có thể được giải quyết. Nhiều
cơng cụ tốn học đã ra đời và sự phát triển của các hệ thống CAD/CAE thúc đẩy
quá trình tự động hóa tính tốn và kiểm tra một cách nhanh chóng, mang lại hiệu
quả cao. Trong kỹ thuật, công cụ CAD/CAE như ANSYS và ADAMS vẫn thường
được sử dụng cho việc tính tốn ứng suất, biến dạng, mơ phỏng động học, động lực
học hệ nhiều vật, và đó cũng là mục đích chính của luận văn, nhằm sử dụng tốt sự
tương tác của ANSYS/ADAMS để giải quyết bài toán động học và động lực học cơ
cấu, đồng thời kiểm chứng kết quả so với phương pháp toán học giải tích.
1.1.1 Cơ cấu cứng
Trong vật lý, khâu cứng được xem là lý tưởng của vật thể khối rắn (Solid) không
biến dạng. Mặt khác, khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ đã cho trên khâu cứng tuyệt
đối giữ nguyên không đổi theo khoảng thời gian dưới tác động của tải trọng.
1.1.2 Cơ cấu mềm
Khâu có khả năng biến dạng đàn hồi trong q trình mơ phỏng. Mỗi khâu được đặc
trưng bởi ma trận độ cứng và khối lượng. Trong đó các đặc tính vật liệu của khâu
đóng vai trị quan trọng khi phân tích động lực học cơ cấu.

4


1.2 Các nghiên cứu đã có:
Baumjohann và các cộng sự [1] đã áp dụng phương pháp mô phỏng 3 chiều để tìm
hiểu ứng xử động lực học của hệ thống phát điện sử dụng cánh tuabin. Trong đó, họ
xem xét hệ thống phát điện như là hệ nhiều vật có nhiều khâu mềm, khâu có khả
năng biến dạng đàn hồi, như rotor và thân tháp. Phương pháp giải tích mang lại đầy
thử thách trong tìm kiếm lời giải cho bài tốn. Nhóm tác giả đã thực thi mơ hình mơ
phỏng 3D dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Các phần tử tạo chuyển động,
lực, phản lực và momen được đặt tại các điểm nút. Hiệu quả quán tính của các phần
tử cấu trúc như rotor, bộ phận dẫn động, hộp số và bộ phận phát điện cũng được
thực thi để tính tốn tốc độ, sự tương tác của dịng khơng khí và dao động của cánh

tuabin và phần thân tháp.
Nhóm nghiên cứu Eberhard [2] nêu ra vấn đề quan trọng của hệ thống nhiều vật
mềm là giảm số bậc tự do của vật mềm có khả năng biến dạng. Dữ liệu phần tử hữu
hạn và các thông số đầu vào của người sử dụng là cần thiết. Họ đã phát triển
chương trình cho hệ thống nhiều vật đàn hồi, có tên là MOREMBS, có khả năng
tương tác dễ dàng với dữ liệu đạt được từ phần mềm ANSYS hoặc ABAQUS (tên
mới hiện nay là SIMULIA). Các kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong mơ
phỏng q trình phun dầu. Tác giả đã tập trung vào tương tác giữa bộ phân van và
phần ứng điện, xem xét các khâu chịu nén như là khâu mềm. Lực tiếp xúc được gán
cho mơ hình tác động để kiểm tra ảnh hưởng của mơ hình giảm bậc tự do trong tính
tốn lực tác động của hệ nhiều vật mềm. Nhóm nghiên cứu Nowakowski [3] (hình
1.1) cũng theo hướng này để mơ hình hóa trục khuỷu như là hệ nhiều vật có khả
năng đàn hồi. Họ phân tích và tối ưu hệ thống các thành phần động cơ đốt trong và
chỉ ra rằng biến dạng của trục khuỷu có ảnh hướng rất lớn trong q trình vận hành.
Điều này được bỏ qua trong mơ phỏng động lực vật cứng tuyệt đối.
Moghadasi [4] đã tối ưu hóa hình dạng của miền chịu tải ổ lăn trong hệ nhiều vật
mềm. Tối ưu hóa hình dạng đã mang lại thành công khi tối ưu các phần tử cấu trúc
trong hệ nhiều vật mềm.

5


Hình 1.1 Các quy trình mơ phỏng hệ thống nhiều vật
Trong đó, biến dạng tuyến tính của các khâu đàn hồi trong hệ nhiều vật được mô tả
cho các khung cấu trúc liên quan. Các chuyển động của khâu được xem là lớn, được
mô tả bởi chuyển động phi tuyến của cấu trúc. Tác giả cũng khẳng định rằng việc
tích hợp của các khâu mềm của hệ nhiều vật là cần thiết và quan trọng để mơ hình
hóa các khâu, khớp liên quan. Mơ hình hóa chính xác các khớp không những quan
trọng để biết thiết kế tối ưu của diện tích khớp mà cịn tăng cường độ chính xác cấu
trúc tối ưu. Trong nghiên cứu của Moghadasi, sự so sánh khác biệt hình dáng tối ưu

giữa ảnh hưởng của khâu cứng tuyệt đối và khâu mềm đối với miền chịu tải của ổ
lăn.
Zhu và cộng sự [5] đã trình bày phương pháp phân tích động lực học của robot song
song với khâu mềm. Họ lấy một loại robot song song dạng 3-TPT làm ví dụ cho mơ
hình hệ nhiều vật mềm của máy công cụ. Mô phỏng động lực học sử dụng ADAMS
và ANSYS để đề xuất các giải pháp về đặc tính động lực. Kết quả so sánh giữa vật
cứng tuyệt đối và vật mềm cũng được rút ra để thấy được việc xem xét khâu mềm
mang lại ứng xử của robot song song thực tế hơn, chính xác và hiệu quả.

6


Wasfy và Noor [6] đã thực hiện một khảo sát các chiến lược tính tốn và những
phát triển gần đây cho hệ nhiều vật mềm trên 877 cơng trình nghiên cứu. Các thảo
luận về khái niệm của động lực học hệ nhiều vật mềm bao gồm: mơ hình hóa khâu
mềm, mơ hình hóa ràng buộc, phương pháp giải quyết, chiến lược điều khiển, vấn
đề khớp, thiết kế và nghiên cứu thực nghiệm. Họ cũng đưa ra nhiều ứng dụng mới
trong lĩnh vực phân tích hệ thống cơ khí micro và nano; các chiến lược tăng cường
hiệu quả tính tốn; các cơng cụ để cải tiến q trình thiết kế hệ nhiều vật mềm.
Hać và Łazęcki [7] đã phân tích động lực học của cơ cấu tay quay con trượt. Hai mơ
hình được xem xét: mơ hình thanh được xây dựng dựa trên phần tử hữu hạn 2 chiều
kiểu dầm và mơ hình khối (solid). Trong mơ hình solid, họ sử dụng mơi trường tích
hợp ANSYS/ADAMS để nghiên cứu ứng xử động lực học của cơ cấu về đáp ứng
lực, moment và dao động.
Gang và cộng sự [8] đã mơ hình hóa và mơ phỏng hệ nhiều vật (cứng và mềm liên
kết bằng các khớp) trong mơi trường Mworks (Hình 1.2) để thiết kế sản phẩm cơ
điện tử hiện đại. Đầu tiên, họ xây dựng các phần tử khâu mềm dựa trên tổng hợp
các mode của khâu và phương pháp Craig-Bampton. Các khâu mềm được phát triển
dựa trên thư viện hệ nhiều vật chuẩn trong Modelica, mô tả ứng xử biến dạng tuyến
tính, nhỏ của khâu mềm, vốn dĩ xem xét trong chuyển động tồn cục phi tuyến có

biến dạng lớn. Trong mơ hình của Gang, file dữ liệu MNF (modal neutral file) được
giới thiệu trung gian để mô tả các mode ràng buộc cho phân tích động lực học hiệu
quả trong hệ thống kỹ thuật nhiều vật mềm.
Häußler và các cộng sự [9] trình bày phương pháp tối hưu hóa hình dạng tự động
của khâu mềm trong hệ thống nhiều vật phần tử hữu hạn lai (hybrid) sử dụng
ADAMS/Flex và MSC. Construct. Trong quá khứ, phân tích phần tử hữu hạn và mô
phỏng hệ nhiều vật là hai định hướng cách ly nhau (rời rạc), không liên quan nhau
trong lĩnh vực mơ phỏng hệ thống cơ khí. Trong khi phân tích động lực học tập
trung vào động lực học phi tuyến của hệ thống tổng thể các khâu cứng tuyệt đối liên
kết nhau, phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để kiểm tra ứng xử biến dạng đàn

7


hồi, biến dạng dẻo của các thành phần (khâu) mềm. Trong những năm gần đây,
ADAMS/Fex được trang bị khả năng này kết hợp ưu điểm của các phân tích phần tử
hữu hạn và mơ phỏng hệ nhiều vật.

Hình 1.2 Q trình phát triển khâu mềm trong MWorks
Dựa vào đó, nhóm nghiên cứu của Häler [9] đã mơ tả tối ưu hình dạng của các
khâu mềm chịu tải trọng động bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tích hợp trong
hệ thống nhiều vật bằng các liên kết khớp qua ADAMS. Điều này mang lại một lợi

8


ích lớn, tạo ra cơ hội mới trong thiết kế tối ưu kết cấu hệ thống cơ khí, cơ điện tử
cho người kỹ sư.
Dựa trên cơ sở khoa học từ các cơng trình nghiên cứu trên, khung tích hợp giữa
ANSYS/ADAMS được xây dựng để giải bài toán động lực học của cơ cấu tay quay

con trượt. Trong đó, thanh truyền được xem xét như là một khâu mềm, khâu có khả
năng biến dạng đàn hồi trong q trình mơ phỏng động lực học.
Lý do chọn thanh truyền mô phỏng:
Cơ cấu trung gian truyền công suất từ piston tới trục khuỷu chị kéo nén nhiều
nhất, chịu ngoại lực nội lực, biến đổi chuyển động tịnh tuyết thành chuyển động
quay, khối lượng lực từ động cơ nổ.
Sự dịch chuyển của piston đặc trưng phụ thuộc vào thanh truyền.
Hình dáng hình học của thanh truyền khá phức tạp.

9


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Kết cấu hệ thống cơ cấu cơ khí ngày càng địi hỏi khả năng vận hành ở tốc độ và độ
tin cậy cao, hiệu suất lớn, trọng lượng nhẹ và máy móc có độ chính xác cao, và hình
dạng chi tiết phức tạp. Để tìm ra giải pháp phù hợp trong thiết kế kết cấu nêu trên,
hệ thống cơ cấu cứng, nơi mà các khâu được xem như cứng tuyệt đối, khơng cịn
phù hợp nữa. Do vậy, vấn đề xem xét các khâu mềm có khả năng biến dạng đàn hồi
được đánh giá hiệu quả và có tính thực tế cao. Mơ hình, phân tích và nghiên cứu các
cơ cấu khâu mềm đã được tiến hành từ đầu những năm 70, chủ yếu tập trung vào
việc xác định các mơ hình tốn học chính xác cho cả hệ thống cơ cấu.
Cơ cấu cứng (các khâu được xem là cứng tuyệt đối): Các thành phần của cơ cấu
dạng này có thể mơ tả là các vật cứng tuyệt đối liên kết với nhau bằng các khớp
động học như khớp cầu, khớp trụ, khớp nối trục, v.v…. Thông thường, những tọa
độ này về bản chất liên kết với các thiết bị truyền động để thiết kế điều khiển. Hệ
tọa độ Cartesian đã được đề xuất cho phân tích và mơ phỏng hệ thống kết cấu cơ
khí phức tạp. Hai phương pháp có thể được sử dụng để có được các phương trình

chuyển động: Cơng thức Newton-Euler và cơng thức Lagrangian. Các phương trình
Newton-Euler bắt nguồn từ việc áp dụng quy luật chuyển động cho mỗi khâu cứng,
bao gồm phản lực và momen xoắn. Theo nguyên lý d'Alembert, các phản lực có thể
được loại bỏ bằng cách chiếu lên các không gian phương chuyển động, dẫn đến một
tập hợp các phương trình độc lập nhỏ gọn. Đối với cơ cấu song song, các phương
pháp đệ quy vẫn có thể được khai thác bằng cách sử dụng phương pháp cắt khớp để
phá vỡ các vòng lặp, và thêm các ràng buộc động học giữa các khâu. Trong công
thức Lagrangian, động lực hệ thống được mô tả trong các điều kiện về công và năng
lượng sử dụng các tọa độ suy rộng, ví dụ: tương đối hoặc tọa độ Cartesian. Nếu tọa
độ suy rộng là độc lập, phản lực và mô men xoắn được tự động loại bỏ, dẫn đến
phương trình chuyển động nhỏ gọn. Mô tả động học của một cơ cấu mềm có biến
dạng địi hỏi một tập hợp vô hạn của bậc tự do (Degree of Freedom - DOF). Để phát

10


triển một phương pháp mơ hình có hệ thống và tổng quát, một xấp xỉ có thể thu
được bằng cách rời rạc khơng gian. Do đó, chuyển động được tham số bởi một số
tọa độ bổ sung, đó là biên độ liên quan đến hình dạng chức năng.
2.1

Động học cơ cấu tay quay con trượt (khâu cứng tuyệt đối)

Cơ cấu tay quay con trượt là một cơ cấu đơn giản để sử dụng chuyển đổi chuyển
động tịnh tiến thành chuyển động quay hoặc ngược lại. Nó là một cơ cấu đơn giản
nhưng nó sử dụng rất rộng [11-16].
Trong phân tích động học, phương pháp lượng giác được sử dụng trong hệ tọa độ
O,x,y [17-20].

Hình 2.1 Cơ cấu tay quay con trượt (Khâu cứng tuyệt đối)

x:là khoảng dịch chuyển, v: vận tốc, a: gia tốc, φ: góc, ω: vận tốc góc, α: gia tốc
góc, m: khối lượng, K31 là tâm vận tốc góc tức thời.
Từ hình 2.1
, r vector vị trí OA, l vector vị trí BA
Cho điểm A

11

(2-1)


(2-2)

(2-3)
Phương trình tham số của vị trí điểm A, B và C:

(2-4)

(2-5)

(2-6)
Vận tốc điểm A, B và C
(2-7)
Gia tốc điểm A, B và C
(2-8)
Ta có góc, vận tốc góc và gia tốc góc của thanh 3
(2-9)
(2-10)

(2-11)

12