Đề tài Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE trong việc thiết kế, phân tích, đánh giá và chế tạo chi tiết

Print. Nó cũng chứa một danh sách các file đã dùng trước đó. - Edit menu: Bao gồm các lệnh như Cut, Copy, Paste, Update. Menu này tương tự danh sách sổ xuống. - Views Menu: Là menu quan trọng nhất gồm tất cả các công cụ và lựa chọn điều khiển (Manupulating) như Zoom, Pan, Rotate... và lựa chọn Render. - Insert Menu: Gồm các lệnh dùng để chèn các vật thể hay một chi tiết trong file. - Tools Menu: Là menu quan trọng sử dụng để gán các thuộc tính sử dụng cho môi trường làm việc của Catia. - Window Menu: Dùng để chuyển đổi và quan sát các file đã mở. - Help Menu: Dùng để mở dữ liệu trợ giúp của Catia Hình 1.2. Giao diện chính của Catia 2. Specication Tree và vùng vẽ (Geometry Area) : Specification Tree Để thuận tiện cho quá trình thao tác và quản lý các sản phẩm trong bản vẽ, Catia cung cấp cho người thiết kế Specification Tree. Specification Tree lưu giữ tất cả các sản phẩm cũng như các lệnh mà người thiết kế dùng để tạo nên sản phẩm của mình, ta có thể quan sát thấy Specification Tree ở phía trên bên trái của màn hình. Để tắt hoặc bật Specification Tree ta vào: View-> Specifications (Hoặc ấn F3). + Bật chế độ Full Screen:View->Full Screen. + Thoát khỏi Full Screen: Right Click lên màn hình và hủy chọn Full Screen. Muốn di chuyển Specification Tree trong hộp thoại ta Click chuột trái lên khung nhìn và di chuột. Muốn Zoom khung nhìn ta Click chuột trái vào góc dưới bên trái hoặc góc trên bên phải của khung nhìn rồi di chuột. Geometry Area: Là vùng đồ họa phía dưới specifitation tree hay bao gồm toàn bộ màn hình. Hộp thoại Geometry Overview cho phép ta quan sát toàn bộ những vật thể có trong màn hình. Hộp thoại này cũng cho phép di chuyển và phóng to, thu nhỏ khung nhìn. 3. Compass : Catia cung cấp 3D Compass cho phép người dùng có thể thay đổi khung nhìn và di chuyển các vật thể trong chương trình. 3D Compass nằm ở phía trên bên phải của màn hình. 4. Các thanh công cụ và biểu tượng (Toolbars & Icons) Vị trí của các thanh công cụ và biểu tượng được chỉ tương ứng trên hình vẽ. Các biểu tượng được chứa trong các thanh công cụ, sử dụng để thực thi các lệnh mà người sử dụng muốn thực hiện. Hình 1.3. Hệ trục tọa độ 3D trong Catia Tùy môi trường mà bạn đang làm việc mà có các thanh công cụ chứa những biểu tượng với những chức năng khác nhau. Chúng sẽ được trình bày cụ thể trong các chương tiếp theo. 1.4.2 Sơ lược về cách sử dụng phần mềm Catia trong CAD Các bước thiết kế chung: I. Giới thiệu vẽ phác và môi trường vẽ phác (Sketcher) 1. Giới thiệu: Tạo Sketcher là bước cơ bản đầu tiên để tạo mô hình. Mô hình tạo thành trong Catia được liên kết với biên dạng của chúng. Khi hiệu chỉnh biên dạng, mô hình tự động cập nhật những thay đổi này. Ta làm việc trong môi trường vẽ phác cần tạo ra hoặc hiệu chỉnh các biên dạng của mô hình. Môi trường vẽ phác bao gồm các mặt phẳng và các công cụ vẽ phác (Sketch Tools). Mặt phẳng vẽ phác chứa các biên dạng của vật thể. Nó có thể là các Plane hoặc là các mặt phẳng của các vật thể có sẵn. 2. Môi trường vẽ phác: Click vào Sketch trên thanh công cụ. Hoặc từ menu File chọn: Start Mechanical Design Sketcher. Chọn mặt phẳng tạo Sketch trên màn hình đồ họa hoặc trên Specification tree. Sketch workbench xuất hiện. Hình1.4. Môi trường vẽ phác (Sketch) Các toolbar chính để tạo sketch gồm: Sketch Tools Sketch tools dùng để nhập các thông số cho đối tượng vẽ và kích hoạt một số chức năng điều khiển: Snap to point (1): Chức năng này được kích hoạt mặc định, khi nó được kích hoạt thì con trỏ sẽ tự động nhảy đến các nút của Grid khi chúng ta di chuyển con trỏ trên màn hình. Construction/ Standard Element (2): + Construction: Các Construction là các đường tạm thời, thường được dùng để xây dựng lên các đường khác. Các Contruction tự động ẩn đi sau khi thoát khỏi Sketch. + Standard: Là các đường được dùng để xây đựng lên bản vẽ Sketch, nó vẫn còn lưu lại sau khi thoát khỏi Sketch. Geometrical Constraints (3): Chức năng này được kích hoạt sẽ cho phép chúng ta đặt các ràng buộc giữa các đối tượng hình học. Dimensional Constraints (4): Cho phép đặt các ràng buộc về kích thước. Các thông số của đối tượng vẽ (5): Muốn nhập các thông số vào Sketch Tools ta có thể dùng phím Tab hoặc dùng con trỏ click vào ô tương ứng. Profile (Vẽ đường biên dạng là đường thẳng hoặc đường cong) Vẽ các hình cơ bản: Point, Line, Polyline, Spline, Rectangle, Circle, Conic… Operation Thực hiện các phép toán trên đối tượng: Corner, Chanfer, Trim, Break, Mirror, Translate, project… Contrains Đặt các ràng buộc về mặt hình học giữa các đối tượng và các ràng buộc về kích thước: Horizontal, Vertical, Concident, Tangent, Length, Angle… Workbench Thoát khỏi môi trường vẽ 2D : Exit Workbench Phân tích biên dạng kín hay hở: Thanh Menu -> Tools -> Sketch Analysis: Open or Close Biên dạng đầy đủ các ràng buộc kích thước và ràng buộc hình học sẽ có màu xanh lá cây Chỉnh sửa Sketch: Có thể nháy kép vào một đối tượng trong sketch đó hoặc kích chuột vào tên Sketch trên cây thư mục -> chọn Sketch.object -> Edit II. Thiết kế chi tiết (Part Design ) Để vào part design workbench, trên menu chọn File / New (Ctrl +N). Hộp thoại New xuất hiện Hinh 1.5. Môi trường vẽ 3D (Part Design) Trong hộp thoại New chọn Part, ấn nút OK. Part Design Workbench xuất hiện. Part design Workbench cung cấp một số thanh công cụ: + Sketch based Features Dùng để tạo các hình cơ bản Pad, Pocket, Shaft, Groove, Hole, Rib, Slot, Stiffener, Soft, Remove loft… + Constraints  Đặt các ràng buộc về kích thước, vị trí. + Dress-up Features Chỉnh sửa, tạo mô hình: Fillet, Chamfer, Draft… + Transfomation Features Di chuyển và thực hiện một số phép toán: Translation, Symmetry, Mirror, Scale… + Reference Element Cho phép tạo ba đối tượng cơ bản dùng để hỗ trợ quá trình thiết kế các mô hình: Point, Line, Plane. + Surface-Base Features Cung cấp một số lệnh liên quan đến các mặt: Split + Prt Sketch Ngoài các thanh công cụ, Part Design Workbench còn cung cấp các menu có chứa các lệnh như trong các thanh công cụ như ở thanh Insert hình dưới Hình1.6. Các lệnh trong thanh menu Insert 1.4.3 Sử dụng Catia trong CAM CAM - Computer-aided manufacturing: Chế tạo có sự trợ giúp của máy tính, là một trong những chức năng có khả năng gia công để sinh ra các đoạn mã code hợp lệ cho máy CNC và được máy CNC cắt theo một hình dạng đã được thiết kế trước bởi hệ thống computer-aided design (CAD). Định dạng mà phần mềm CAM xuất ra thường là tập tin dạng văn bản G-code và được chương trình direct numerical control (DNC) chuyển đến máy công cụ để tiến hành quá trình gia công. Có nhiều Module có thể gia công CNC như: Lathe Machining, Suface Machining, Prismatic Machining…(Thông thường khi gia công CNC ta thường dùng module Prismatic Machining). Sau đây là một ví dụ sử dụng module Prismatic Machining trong việc gia công lòng khuôn:  Start -> NC Manufacturing -> Prismatic Machining Hình 1.7. Các thanh công cụ sử dụng trong gia công CNC Hình 1.8. Giao diện Prismatic Machining Pocketing Opertions - Chu trình phay hốc Pocket. Một chu trình Pocket có thể được tạo để gia công: + Closed Pockets: Dụng cụ cắt được giới hạn bởi đường bao kín cứng. + Open Pockets: Dụng cụ cắt ở vùng có ít nhất một đường bao mềm. Closed Pockets: Tạo một chu trình phay trong chương trình khi Pocket được giới hạn chỉ trong vùng khép kín cứng. Click nút Pocketing ICon. Một đối tượng Pocketing với dụng cụ mặc định được thêm vào phần Manufacturing Program.i trên cây phả hệ. Hộp thoại Pocketing.i hiện ra. Hình 1.9. Hộp thoại Pocketing Bottom: Hard/Soft: Định ra dạng của mặt dưới Bottom. Là mặt cứng (có vật liệu phía dưới) hoặc mặt mềm Soft (không có vật liệu phía dưới, có thể chọn mặt Plane bất kỳ). Trong phần chọn dạng hình học của chi tiết cần phay Geometry Tab Page . Tab Page này chứa đựng một ICon nhạy (Sensitive) giúp chọn lựa dạng hình học được gia công. Mặt dưới Bottom và sườn Flanks của ICon có màu đỏ định ra dạng hình học cần để định nghĩa hốc Pocket. Tất cả các Pocket khác là tuỳ ý, không bắt buộc. Click vào Text Closed/Open Pocket để chuyển đổi qua lại giữa 2 kiểu. Ở đây, chuyển qua Closed Pocket. Mở một ví dụ mẫu điển hình: Hình 1.10. Chi tiết mẫu Lựa chọn dụng cụ gia công tạo hình chi tiết bằng cách nháy vào biểu tượng Pocketing . Khi đó trên cây thuyết minh có dạng: Hình 1.11. Biểu tượng Pocketing Đồng thời hộp thoại Pocketing xuất hiện: Hình1.12. Hộp thoại Pocketing Lựa chọn bề mặt gia công bằng cách nháy thẳng vào chi tiết (là bề mặt hõm phía trong) tương ứng với nó ta cũng chọn bề mặt màu đỏ trong hộp thoại: Lựa chọn tiếp đường dẫn (Drive) cho dụng cụ. Khi đó ta thu được: Hình 1.13. Chi tiết gia công Nhấn OK. Việc chuyển sang mô phỏng gia công được thực hiện bằng cách nháy chuột vào biểu tượng Replay Tool Path . Khi đó hộp thoại Replay Tool Path xuất hiện Hình1.14. Hộp thoại Replay Tool Path Lựa chọn dạng chuyển động theo điểm hay theo đường của dụng cụ bằng cách nháy chuột vào các biểu tượng ngay trên hộp thoại. Nhấn chuột vào biểu tượng để trở về dạng phôi ban đầu. Nhấn chuột vào biểu tượng để quay về điểm bắt đầu gia công của dụng cụ. Chọn nút Run để bắt đầu thực hiện chạy mô phỏng. Khi đó bạn thu được kết Hình 1.15. Quá trình gia công Quá trình xuất ra NC code: Vào thư mục Menu facturing Programmar -> Menu facturing Programmar object -> Generate NC Code Interactively ta có 2 hình dưới Hình 1.16. Xuất ra mã code NC Tùy theo từng mục trong hình 1.10 mà xuất ra NC code thích hợp Duyệt một tệp CATProcess sản xuất V5 Phần này hướng dẫn bạn cách duyệt một tệp CATProcess Manufacturing V5 trong workbench NC Manufacturing Review Vào workbench NC Manufacturing Review và kích chuột vào File > Open để chọn một tệp CATProcess. Kích đúp chuột vào thao tác (nguyên công) Pocketing trên cây. Hộp thoại Pocketing xuất hiện Hình 1.17. Hộp thoại Pocketing Các thuộc tính của nguyên công được trình bày trong các trang kéo như dưới đây: : Các chế độ công nghệ khác nhau : Khu vực gia công : Dao dùng cho nguyên công : Lượng chạy dao và tốc độ của trục chính : Các Macro (Các đường chuyển). : Thuộc tính của cú pháp từ (tab này chỉ hiển thị cho một số dạng nguyên công). Bạn có thể duyệt và dưới những những điều kiện nhất định, sửa lại các thuộc tính này. Nếu ứng dụng cho phép tạo thành sửa các thao tác trên máy, nút OK có thể tiếp cận, các thao tác trên máy có thể sửa đổi được. Chức năng Tool Path Replay có thể gọi ra được khi: + Đường chạy dao có trên thao tác bằng máy (trạng thái đã tính toán) + Không có đường chạy dao nhưng khả năng của ứng dụng cho phép có thể tạo ra thay đổi các thao tác trên máy. + Chỉ cần nhấn Cancel để đóng hộp thoại thao tác trên máy. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong kết cấu ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng, dầm cầu,v.v.., cho đến những bài toán của lý thuyết trường như : lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện – từ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng. Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEP, SAP2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v... Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hóa cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp. 2.2 Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Các hàm xấp xỉ này được này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán. Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm. Phương pháp phần tử hữu hạn là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. 2.3 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó. Tuy nhiên phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn bộ miền V mà chỉ trong từng miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định V. Do đó, phương pháp này rất thích hợp với hàng loạt bài toán vật lý và kĩ thuật trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có được tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau. Phương pháp ra đời từ trực quan phân tích kết cấu, rồi được phát biểu một cách chặt chẽ và tổng quát như một phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng số nhưng được xấp xỉ trên mỗi phần tử. Để giải một bài toán biên trong miền xác định V, bằng phép tam giác phân, ta chia thành một số hữu hạn các miền con Ve (e = 1,..., n) sao cho hai miền con bất kì không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh. Mỗi miền con Ve được gọi là một phần tử hữu hạn (phần tử hữu hạn). Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài toán biên ban đầu trong một không gian hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền V và hạn chế của chúng trên từng phần tử hữu hạn Ve là các đa thức. Có thể chọn cơ sở của không gian này gồm các hàm số ψ1(x),..., ψn(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần tử hữu hạn Ve ở gần nhau. Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được tìm dưới dạng: c1ψ1(x) + ... + cnψn(x) Trong đó các ck là các số cần tìm. Thông thường người ta đưa việc tìm các ck về việc giải một phương trình đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số đường song song sát với đường chéo chính là khác không) nên dễ giải. Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền có dạng hình học phức tạp. Phương pháp phần tử hữu hạn có thể dùng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình. Thông thường với bài toán cơ vật rắn biến dạng và cơ kết cấu tùy theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân tích bài toán theo 3 dạng mô hình sau: Trong mô hình tương thích: Người ta xem chuyển vị là đại lượng cần tìm trước và hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phân tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý thế năng toàn phần dừng, hay nguyên lý biến phân Lagrange. Theo mô hình cân bằng: Hàm xấp xỉ được biểu diễn dạng gần đúng phân bố của ứng suất hay nội lự trong phần tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý năng lượng hệ toàn phần dừng hay nguyên lý biến phân về ứng suất (Nguyên lý Castigliano). Theo mô hình hỗn hợp: Coi các đại lượng chuyển vị ứng suất là 2 yếu tố độc lập. Các hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị lẫn ứng suất trong phân tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner. Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải một phương trình đại số vừa nhận được thì cũng có nghĩa là ta tìm được các xấp xỉ biểu diễn đại lượng cần tìm trong tất cả các phần tử. Và từ đó cũng tìm ra được các đại lượng còn lại. 2.3.1 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Bước 1 : Rời rạc hóa miền khảo sát Trong bước này miền khảo sát V được chia thành các miền con Ve hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp. Với các bài toán cụ thể số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kích thước các phần tử được xác định rõ. Số điểm nút của mỗi phần tử không lấy được một cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn Bước 2 : Chọn hàm xấp xỉ thích hợp Vì đại lượng cần tìm chưa biết, nên ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn giản đối với tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ và thường chọn ở dạng đa thức. Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể cả các đạo hàm của nó tại các nút của phần tử {qe}. Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử [Ke] và vectơ tải phần tử {Pe} Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân… Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phương trình phần tử: [Ke] .{qe} = {Pe} Bước 4: Ghép nối các phần tử trên mô hình tương thức mà kết quả là hệ thống phương trình [Ke] .{qe} = {Pe} Trong đó: [Ke]: Ma trận độ cứng tổng thể (hay ma trận hệ số toàn miền) {qe}: Vectơ tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút (còn gọi là vectơ chuyển vị nút tổng thể) {Pe}: Vectơ các số hạng tự do tổng thể (hay vectơ tải tổng thể ) Rồi sử dụng điều kiện biên của bài toán, mà kết quả nhận được là hệ phương trình sau: [K*] .{q*} = {P*} Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình để giải Bước 5: Giải phương trình đại số [K*] .{q*} = {P*} Với bài toán tuyến tính việc giải hệ phương trình đại số là không khó khăn. Kết quả là tìm được chuyển vị của các nút. Nhưng với bài toán phi tuyến thì nghiệm sẽ đạt được sau một chuỗi các bước lặp mà sau mỗi bước ma trận cứng [Ke] thay đổi (trong bài toán phi tuyến vật lý) hay vectơ lực nút {Pe} thay đổi (trong bài toán phi tuyến hình học). 2.3.2 Hàm xấp xỉ - phép nội suy 1. Hàm xấp xỉ Một trong những tư tưởng cơ bản của phần tử hữu hạn là xấp xỉ đại lượng cần tìm trong mỗi miền con – phần tử Ve. Điều này cho phép khả năng thay thế việc tìm nghiệm vốn phức tạp trên toàn miền V bằng việc tìm nghiệm trong phạm vi mỗi phần tử ở dạng hàm xấp xỉ đơn giản. Vì vậy, bước quan trọng đầu tiên cần nói đến là việc chọn hàm đơn giản mô tả gần đúng đại lượng cần tìm trong phạm vi mỗi phần tử. Hàm đơn giản thường được chọn ở dạng đa thức vì 3 lí do sau: + Đa thức khi được xem như tổ hợp tuyến tính của các đơn thức thì tập hợp các đơn thức thỏa mãn yêu cầu độc lập tuyến tính như yêu cầu của Rits, Galerkin. + Hàm xấp xỉ ở dạng đa thức thường dễ tính toán, dễ thiết lập công thức khi xây dựng các phương trình của phương pháp phần tử hữu hạn và tính toán bằng máy tính. Đặc biệt dễ đạo hàm, tích phân. + Có khả năng tăng độ chính xác bằng cách tăng số bậc của đa thức xấp xỉ (Về mặt lý thuyết thì đa thức bậc vô cùng sẽ cho nghiệm chính xác). Tuy nhiên trong thực tế ta cũng chỉ thấy các đa thức xấp xỉ bậc thấp mà thôi. Chú ý là các hàm đa thức xấp xỉ ở dạng lượng giác cũng có tính chất và ưu điểm như trên nhưng ít dùng. 2. Phép nội suy Trong phương pháp phần tử hữu hạn các hệ số của hàm xấp xỉ dạng đa thức được biểu diễn qua chính các giá trị của nó (hoặc cả giá trị đạo hàm) tại một điểm nút được định trước trên phần tử. Nói cách khác là hàm xấp xỉ được nội suy theo các giá trị (hoặc các đạo hàm) của nó tại các nút phần tử. Kết quả là, trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìm là hàm bất kì sẽ được xấp xỉ hóa bằng một đa thức nội suy qua các giá trị (hoặc cả đạo hàm) của chính nó tại điểm nút của phần tử. Hình 2.1 Dạng nội suy của các hàm xấp xỉ theo phương pháp Lagrange Các hàm đa thức bất kì được biểu diễn bằng hàm xấp xỉ bằng các đa thức bậc 0, bậc 1, bậc 2 theo các giá trị (chỉ theo các giá trị) của hàm tại các điểm định trước (điểm nút). Phép xấp xỉ này được gọi là phép nội suy Lagrange. Nội suy Hecmit: Khác với phép nội suy Lagrange, nội suy Hecmit là phép xấp xỉ theo giá trị và cả đạo hàm từ bậc 1 nào đó tại điểm cơ sở. Hình 2.2. Hàm nội suy Hecmit 3. Chọn bậc đa thức xấp xỉ (hay hàm xấp xỉ ) Khi chọn bậc của đa thức xấp xỉ cần xét tới những yêu cầu sau: Các đa thức xấp xỉ phải thỏa mãn điều kiện hội tụ: Đây là một yêu cầu quan trọng vì phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số và do đó phải đảm bảo được rằng khi kích thước phần tử giảm đi thì kết quả sẽ hội tụ đến nghiệm chính xác. Muốn vậy đa thức xấp xỉ ue phải thỏa mãn 3 điều kiện sau: Liên tục trong phần tử Ve Bảo đảm tồn tại trong phần tử trong trạng thái đơn vị ( hằng số ) và các đạo hàm riêng của nó đến bậc cao nhất mà phiếm hàm I(u) đòi hỏi. I(u) = Trên biên phần tử, u và các đạo hàm của nó đến cấp (r – 1) là liên tục. Các đa thức xấp xỉ được chọn sao cho không làm mất tính đẳng hướng của hình học. Có như vậy các xấp xỉ mới độc lập với hệ tọa độ phần tử. Muốn vậy dạng các đa thức được chọn từ các tam giác Pascal (cho bài toán 2 chiều) hay từ tháp Pascal (bài toán 3 chiều). Các số phần tử của {a} tức số tham số của đa thức xấp xỉ phải bằng số bậc tự do của phần tử qe. Yêu cầu này cho khả năng nội suy đa thức xấp xỉ theo giá trị đại lượng cần tìm tại các điểm nút. 4. Biểu diễn đa thức xấp xỉ theo vectơ các bậc tự do của phần tử. Ma trận các hàm dạng Bậc tự do của một nút (Nodal Degree Of Freedom) là các giá trị (có thể cần cả giá trị đạo hàm) của hàm (hay đa thức) xấp xỉ tại nút. Tập hợp tất cả các bậc tự do của các nút trên phân tử được gọi là vectơ các bậc tự do của phần tử, ký hiệu là { q}e. Hay trong vật rắn thường gọi là vectơ chuyển vị nút phần tử. Và các bậc tự do này (hay các chuyển vị nút) là ẩn số của bài toán khi phân tích theo Phương pháp phần tử hữu hạn: Tóm lại: Nếu phần tử e có r nút và mỗi nút có s bậc tự do thì vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e có số thành phần ne = s x r Trong phần tử hữu hạn các đa thức xấp xỉ được biểu diễn theo vectơ các bậc tự do phần tử {q}e hay người ta nói rằng các đa thức này được nội suy theo {q}e . Khi đó ta có: (2.2) Điều này dễ thực hiện được bằng cách thay tọa độ các nút vào các đa thức xấp xỉ rồi thực hiện đồng nhất, cụ thể: (2.3) Trong đó: [A] là ma trận vuông (ne x ne) và chỉ chứa tọa độ các điểm nút phần tử. (2.4) (2.5) Với : (2.6) và được gọi là ma trận các hàm nội suy, hay các ma trận hàm dạng Phần tử thanh chịu biến dạng dọc trục Mọi điểm chỉ tồn tại chuyển vị và biến dạng dọc trục, cụ thể là u(x) và єx Ví dụ: Tìm ma trận hàm dạng của phần tử lăng trụ chịu kéo – nén dọc trục (hình dưới) Nên đa thức xấp xỉ u(x) đòi hỏixấp xỉ tuyến tính: U(x) = a1 + a2x (0 ≤ x ≤ L ) Do {a}chỉ có 2 tham số chuyển vị nút {q}e của phần tử cũng chỉ có 2 bậc tự do: đó là chuyển vị dọc trục x của 2 điểm nút đầu và cuối của phần tử. Hay ta có vectơ chuyển vị nút phần tử như sau: Điều này cũng phù hợp với yêu cầu đảm bảo tương thích về biến dạng của bài toán kết cấu đang xét. Thực hiện đồng nhất phương trình 2.2 ta có: Vậy: Theo (2.5) ta có các ma trận hàm dạng: (2.6) Cuối cùng ta có thể biểu diễn đa thức xấp xỉ chuyển vị dọc trục theo các chuyển vị nút phần tử: Hay Các hàm Ni(x) trong 2.6 còn có tên là các hàm nội suy Lagrange bậc1 có đồ thị như trên. 2.4 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong thực tế. Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lí thuyết đàn hồi và dẻo, cơ học chất lỏng, cơ học vật rắn, cơ học thiên thể, khí tượng thuỷ văn, vv… Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể. Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn cũng được dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, như trong vật lý plasma, các bài toán về truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trường điện từ 2.5 So sánh PPPTHH với phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH) Phương pháp sai phân hữu hạn là phương pháp chỉ áp dụng cho hình chữ nhật có mối quan hệ đơn giản, dùng để giải các phương trình vi phân từng phần. Nó có nhiều đặc điểm tương tự phần tử hữu hạn, có nhiều trường hợp nó là tập con của phương pháp phần tử hữu hạn. Sự khác nhau giữa PPPTHH và PPSPHH là: Điểm đặc trưng nhất của PPPTHH là nó có khả năng áp dụng cho những bài toán hình học và những bài toán biên phức tạp với mối quan hệ rời rạc. Trong khi đó PPSPHH về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản, việc vận dụng kiến thức hình học trong PPPTHH là đơn giản về lý thuyết. Điểm đặc trưng của phương pháp sai phân hữu hạn là có thể dễ dàng thực hiện được. Trong một vài trường hợp, PPSPHH có thể xem như là một tập con của PPPTHH xấp xỉ. Việc lựa chọn hàm cơ sở là hàm không đổi từng phần hoặc là hàm delta Dirac. Trong cả hai phương pháp xấp xỉ, việc xấp xỉ được tiến hành trên toàn miền, nhưng miền đó không cần liên tục. Như một sự lựa chọn, nó có thể xác định một hàm trên một miền rời rạc, với kết quả là toán tử vi phân liên tục không sinh ra chiều dài hơn, tuy nhiên việc xấp xỉ này không phải là PPPTHH. Có những lập luận để lưu ý đến cơ sở toán học của việc xấp xỉ phần tử hữu hạn trở lên đúng đắn hơn, ví dụ: bởi vì trong PPSPHH đặc điểm của việc xấp xỉ những điểm lưới còn hạn chế. Kết quả của việc xấp xỉ bằng PPPTHH thường chính xác hơn PPSPHH, nhưng điều này còn phụ thuộc vào nhiều vấn đề khác và một số trường hợp đã cho kết quả trái ngược. Nói chung, PPPTHH là một phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán về kết cấu (giải các bài toán về biến dạng và ứng suất của vật thể dạng khối hoặc động lực học kết cấu), trong khi đó phương pháp tính trong động lực học chất lỏng có khuynh hướng sử dụng PPSPHH hoặc những phương pháp khác (như phương pháp khối lượng hữu hạn). Những bài toán của động lực học chất lỏng thường yêu cầu phải rời rạc hóa bài toán thành một số lượng lớn những “ô vuông” hoặc những điểm lưới (hàng triệu hoặc hơn), vì vậy mà nó đòi hỏi cách giải phải đơn giản hơn để xấp xỉ các “ô vuông”. Điều này đặc biệt đúng cho các bài toán về dòng chảy ngoài, giống như dòng không khí bao quanh xe hơi hoặc máy bay, hoặc việc mô phỏng thời tiết ở một vùng rộng lớn. Có rất nhiều bộ phần mềm về phương pháp phần tử hữu hạn, một số miễn phí và một số được bán. CHƯƠNG 3: ANSYS WORKBENCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ANSYS WORKBENCH PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3.1 Tổng quan về Ansys 1. Giới thiệu chung Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích bài toán vật lý – cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn. Trong bài toán kết cấu (Stuctural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu. Giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật liệu đàn hồi đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt…Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật liệu. Mỗi bài toán cần đưa mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình học thực. Vì vậy cần đưa vào mô hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mô hình học 2D và 3D với các kích thước thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường, diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt. Nhưng việc chia lưới phụ thuộc năng lực của từng phần mềm. Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học. Sau khi xác lập được các điều kiện bài toán, để giải chúng Ansys cho phép chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài toán. Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ. Các kết quả tính toán được ghi vào file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, Ansys xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số. Ansys là gói phần mềm FEA hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật: Kết cấu – cơ học (Structural) Nhiệt (Thermal) Dòng chảy, bao gồm cả mô phỏng số động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics, CFD) Điện, Tĩnh điện (Electric) Điện từ (Magnetic) Thủy khí (Fluid) Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Các lĩnh vực công nghiệp chính có sử dụng Ansys: Vũ trụ, hàng không Công nghiệp ôtô Y sinh Xây dựng và cầu đường Điện tử và thiết bị Máy móc và thiết bị công nghiệp nặng Các hệ vi cơ – điện tử (Micro Electromechanical Systems, MEMS). Dụng cụ thể thao ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật. Có 3 sản phẩm thành phần chính dẫn xuất từ ANSYS/Multiphysics là: + ANSYS/Mechanical : Tính toán kết cấu và nhiệt. + ANSYS/Emag : Tính toán điện từ. + ANSYS/FLOTRAN : Tính toán CFD. Ngoài ra còn có các dòng sản phẩm khác: + ANSYS/LS-DYNA : Giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao (VD:bài toán động lực học biến dạng lớn trong gia công áp lực) + DesignSpace : Là một công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích và thiết kế nhanh trong các môi trường CAD khác nhau (ví dụ: SolidWorks, Autodesk products, SolidEdge, Unigraphics …). + ANSYS/ProFEA : Cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD Pro/ENGINEER Phân tích một số đặc điểm của Ansys Phân tích kết cấu: Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định đường chuyển vị, biến dạng, ứng suất, và các phản lực. Phân tích tĩnh: + Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh + Ứng xử phi tuyến: Ví dụ như độ võng lớn, biến dạng lớn, bài toán tiếp xúc, chảy dẻo, siêu đàn hồi, từ biến… Hình 3.1: Dầm có độ võng lớn Phân tích động lực học: + Bao gồm hiệu ứng khối lượng, giảm chấn. + Phân tích Modal: Xác định tần số riêng, dao động riêng. + Phân tích điều hòa : Xác định kết cấu khi tải trọng có dạng hình sin với biên độ và tần số xác định. + Phân tích động lực học tức thời: Xác định kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả phi tuyến. Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu: + Phân tích phổ + Phân tích dao động ngẫu nhiên + Mất ổn định + Kết cấu con Hình 3.2 : Dạng chuyển vị Động lực học biến dạng lớn Dùng để mô phỏng biến dạng rất lớn khi lực quán tính đóng vai trò quyết định Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm, phá hủy, tạo hình nhanh… Phân tích nhiệt Phân tích nhiệt được dùng để xác định trường phân bố nhiệt độ trong một vật thể. Các đại lượng đáng quan tâm khác bao gồm : lượng nhiệt mất đi hoặc tăng lên, gradient nhiệt, và dòng nhiệt Tất cả 3 dạng truyền nhiệt cơ bản đều có thể được phân tích và mô phỏng : dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ Trạng thái ổn định: Bỏ qua các ảnh hưởng phụ thuộc thời gian Trạng thái tức thời hay chưa ổn định: + Để xác định nhiệt độ và một số đại lượng khác như một hàm của thời gian + Cho phép mô phỏng sự thay đổi pha (nóng chảy hoặc đông đặc) Phân tích điện từ Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong các thiết bị điện từ + Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều, nguồn xoay chiều tần số thấp, các tín hiệu tần số tức thời tần số thấp. + Ví dụ: Thiết bị khởi động từ, các động cơ, máy biến thế. + Các thông số đáng quan tâm bao gồm: Mật độ thông lượng từ, cường độ từ trường, lực và mô men từ, trở kháng, độ tự cảm, dòng điện xoáy, công suất mất mát và dòng rò Phân tích điện từ tần số cao: + Mô phỏng các thiết bị truyền sóng điện từ + Ví dụ: Các thiết bị thu vi sóng và sóng radio, dẫn song, thiết bị kết nối đồng trục + Các đại lượng quan tâm gồm có: Các thông số S, nhân tố Q, tổn thất đường về, tổn hao điện môi và tổn hao dẫn điện, các trường điện từ. Phân tích tĩnh điện: + Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hay tích điện + Ví dụ: Thiết bị cao áp, các hệ vi cơ điện tử (MESM), đường truyền + Các đại lượng điển hình là cường độ và điện dung của trường điện Độ dẫn điện: Để tính toán dòng điện trong dây dẫn khi áp đặt một điện áp Kết nối mạch: Để kết nối một mạch điện với các thiết bị điện từ Các kiểu phân tích điện từ: + Phân tích tĩnh: Tính toán từ trường của dòng một chiều hoặc nam châm vĩnh cửu + Phân tích điều hòa: Tính toán từ trường của dòng điện xoay chiều + Phân tích tức thời: Được sử dụng với từ trường thay đổi theo thời gian Tính toán động lực học dòng chảy Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy Hình 3.3. Vận tốc của dòng chảy trong một ống dẫn và phân bố áp suất ANSYS/FLOTRAN có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp. Ứng dụng cho : hàng không vũ trụ, đóng gói điện tử, thiết kế ôtô. Các đại lượng đặc trưng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng. Âm thanh : + Để phân tích và mô phỏng sự tương tác giữa 1 môi trường chất lỏng hoặc khí và khối chất rắn bao quanh. + Ví dụ : Loa phóng thanh, nội thất ô tô, thiết bị dò bằng siêu âm. + Các đại lượng đặc trưng bao gồm: phân bố áp suất, chuyển vị và các tần số riêng. Phân tích chất lỏng (hoặc khí) trong bể chứa : + Để mô phỏng hiệu ứng của một chất lỏng hoặc khí đứng yên (không chảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thủy tĩnh khuấy lên. + Ví dụ : Trong tàu chở dầu, các bình chứa chất lỏng khác. Nhiệt và sự dịch chuyển khối lượng: Một phần tử 1 chiều được sử dụng để tính toán lượng nhiệt sinh ra do sự dịch chuyển khối lượng giữa hai vị trí, ví dụ như dịch chuyển của một khối lượng trong một cái ống. Phân tích tương tác giữa các trường vật lí : Xem xét sự tương tác giữa hai hoặc nhiều trường khác nhau. Vì trên thực tế các trường đều phụ thuộc lẫn nhau, nên không thể giải quyết chúng một cách tách biệt, bởi vậy cần có một chương trình giải quyết đồng thời cả hai hiện tượng bằng cách kết hợp chúng. Ví dụ: + Phân tích nhiệt - ứng suất. + Phân tích áp điện (điện và kết cấu) + Âm thanh (dòng chảy và kết cấu) + Phân tích nhiệt-điện + Cảm ứng nhiệt (từ và nhiệt) + Phân tích tĩnh điện-kết cấu 3.2 Ứng dụng của Ansys Workbench vào phân tích, đánh giá mô hình máy phay CNC 3.2.1. Phân tích biến dạng và ứng suất tĩnh Việc thực hiện phân tích cấu trúc tĩnh học được mô phỏng theo các bước sau: Gán hình học: Xác định kiểu mô hình hình học sẽ được sử dụng để mô phỏng Định nghĩa và xác định tính chất của chi tiết Định nghĩa kiểu phân tích: đặt kiểu phân sự truyền nhiệt, phương thức hay trạng thái truyền nhiệt Đặt tải và xác định điều kiện biên: Chỉ rõ cách mình đặt tải và điều kiện biên để giữ chặt chi tiết Những kết quả yêu cầu Giải bài toán: Giải bài toán theo yêu cầu mình đặt ra và tính toán ra kết quả cụ thể Tổng quan những kết quả đạt được: Tổng kết lại những kết quả mình đạt được Việc phân tích cấu trúc tĩnh học được giải quyết theo phương trình ma trận sau: [K]{x} = F Trong đó: [K]: hằng số phụ thuộc: - Vật chất đàn hồi tuyến tính - Độ lệch lý thuyết chỉ sử dụng nhỏ - Có một số điều kiện biên F: Lực đặt tĩnh - Không có lực khác nhau trong thời gian xem xét - Không có hiệu ứng quán tính Bài toán: Tính biến dạng ứng suất theo 3 trục X, Y, Z 1. Sự biến dạng ứng suất được phân tích theo 3 trục X, Y, Z Sự biến dạng ứng suất theo trục X Bước 1: Bắt đầu sự mô phỏng ( From the launcher start Simulation) Hình 3.4. Các thư mục lớn của Ansys Workbench Từ thực đơn văn cảnh vào thư mục Geometry -> From file Đưa tới hồ sơ có tên: “ corrected_bar_and spindle_only.x_t “ để mở nó Hinh 3.5 : Mô hình máy phay CNC năm trục Bước 2a: Chọn đơn vị để đặt chế độ làm việc “Units - > Metric (mm, kg, N, °C, s, mV, mA )” Hinh 3.6 :Đặt đơn vị làm việc Bước 2b: Bảng vật liệu Hình 3.7. Bảng vật liệu Bước 3: Thay đổi bề dày của chi tiết Bước 4: Phân tích loại máy, kích vào thực đơn chọn New Analysis -> Static Structural Trong thư mục Static Structural chứa thư mục Solution và mô hình chi tiết Từ thực đơn Environment chọn Loads -> Force (lực chịu tải ) Từ cửa sổ Details of “ Force “ thay đổi các thành phần và cho X = 500N, Y = 0, Z = 0 như ở bảng dưới Hình 3.7: Đặt lực cho chi tiết Hình 3.8. Đặt lực cho chi tiết Bước 5: Đặt điều kiện biên Thư mục Environment - >Supports -> Fixed Supports Chọn Apply trong chi tiết ô của sổ Details of “ Fixed Supports” Hình 3.9. Đặt tải trọng và điều kiện biên Bước 6: Sự biến dạng Vào thư mục Solulation -> Deformation -> Directinonal Ở cửa sổ Details of “ Directional Deformation “ thay đổi Orientation thành X Axis Vào thư mục Stress chọn Stress – Normal Ở cửa sổ Details of “ Normal Stress “ thay đổi Orientation thành Z Axis Bước 7: Kích vào Solve để chạy ra kết quả Hình 3.10. Chạy kết quả Khi thành công, kích vào một trong những giải pháp : Directional Deformation và Normal Stress được trình bày ở trên hình vẽ Kích vào Directional Deformation có kết quả như bảng dưới: Hình 3.11. Kết quả của Directional Deformation trục X Kích vào Normal Stress ta được kết quả sau: Hình 3.12. Kết quả của Normal Stress trục X Các kết quả tương tự theo trục Y và trục Z: Hình 3.13. Kết quả của Directional Deformation trục Y Hình 3.14. Kết quả của Normal Stress trục Y Hình 3.15. Kết quả của Directional Deformation trục Z Hình 3.16. Kết quả của Normal Stress trục Z Bước 8: Chạy ra kết quả báo cáo Kích vào thư mục như hình dưới: Kết quả tính toán : Ta có bẳng kết qur tính toán biên dạng và ứng suất theo 3 trục Hình 3.17. Bảng kết quả giá trị max min Directional Deformation và Normal Stress theo trục X Nhìn vào bảng trên ta thấy: Giá trị max của Directional Deformation trục X đạt giá trị 9,677.10-4 m được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.11và giá trị min đạt giá trị -5,532.10-4m được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.11 Giá trị max của Normal Stress trục X đạt giá trị 7,202.1010 Pa được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.12 và giá trị min đạt giá trị -3,854.10 10 Pa được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.12  Tương tự ta có các bảng theo trục Y và trục Z 3.18. Bảng kết quả giá trị max min Directional Deformation và Normal Stress theo trục Y Giá trị max của Directional Deformation trục X đạt giá trị 3,629.10-4 m được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.13 và giá trị min đạt giá trị -8,195.10-4m được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.13 Giá trị max của Normal Stress trục X đạt giá trị 7,127.1010 Pa được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.14 và giá trị min đạt giá trị -5,553.10 10 Pa được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.14 3.19. Bảng kết quả giá trị max min Directional Deformation và Normal Stress theo trục Z Giá trị max của Directional Deformation trục X đạt giá trị 1,486.10-4 m được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.15 và giá trị min đạt giá trị -1,476.10-4m được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.15 Giá trị max của Normal Stress trục X đạt giá trị 1,119.1010 Pa được thể hiện bằng màu đỏ trên hình 3.16 và giá trị min đạt giá trị -6,662.10 10 Pa được thể hiện bằng màu xanh đậm trên hình 3.16 3.2.2 Phân tích Dao động tự do (Free Vibration Analysis) Dao động tự do là dao động mà các tần số chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của hệ mà không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài Trong phần này, việc mô phỏng dao động tự do được thực hiện một cách tổng quát. Trong mô phỏng việc phân tích dao động tự do tương tự như việc phân tích trạng thái tuyến tính (thẳng) Bài toán tính dao động tự do có phương pháp chính cần phải làm: + Cơ sở của phân tích dao động tự do (Free Vibration Analysis): Tính toán dao động tự do thông qua tần số và kiểu dao động được tính toán bằng công thức: Trong đó : và là các hằng số không đổi phụ thuộc vào: Độ đàn hồi tuyến tính được giả định Cấu trúc có thể bị cưỡng bức hay không bị ràng buộc + Các biện pháp phân tích dao động tự do (Free Vibration Analysis Procedure): được thực hiện phân tích trạng thái tĩnh tuyến tính (thẳng), nó không bao trùm tất cả chi tiết. Việc phân tích dao động tự do sử dụng các bước sau: Gán hình học Gán những thuộc tính của vật chất Định nghĩa các kiểu vùng tiếp xúc Định nghĩa vùng điều khiển mắt lưới Định nghĩa các kiểu phân tích Tìm các kết quả tần số yêu cầu Tìm các tần số tập hợp Giải bài toán Tìm ra các kết quả Bài toán: Tính dao động tự do của vật “ corrected_bar_and spindle_only.x_t” Bước 1: Bắt đầu sự mô phỏng ( From the launcher start Simulation Bước 2: Từ thực đơn văn cảnh vào thư mục Geometry -> From file để chọn chi tiết Đưa tới hồ sơ có tên: “ corrected_bar_and spindle_only.x_t” để mở nó Bước 3: Chọn đơn vị để đặt chế độ làm việc: Vào thực đơn New Analysis -> Modal Bước 3: Đặt điều kiện biên Thư mục Environment - >Supports -> Fixed Supports Hình 3.20. Đặt điều kiện biên Chọn Apply trong chi tiết ô của sổ Details of “Fixed Supports” Phân tích phương thức: Trong thư mục “Analysis Settings” -> Detail of “Analysis Settings” ở mục “Max modes to Find” chọn 6 kiểu max Bước 4: Cho chạy chương trình ta kích vào Solve Chạy xong vào Solulition sẽ xuất hiện bảng timeline như ở hình dưới, trong dữ liệu bảng xuất hiện bảng dao động với những kiểu tần số khác nhau Hình 3.21. Bảng kết quả dao động tự do Với những hình dạng yêu cầu được lựa chọn tạo ra những kết quả có kiểu hình dáng khác nhau Kích vào Solve để nhận kết quả: Hình 3.22. Bảng các kết quả Mode shape Khi đó ta có 6 kết quả là 6 mode shape ứng với tần số dao động riêng đầu tiên: Hình 3.23. Mode shape 1 Hình 3.24. Mode shape 2 Hình 3.25. Mode shape 3 Hình 3.26. Mode shape 4 Hình 3.27. Mode shape 5 Hình 3.28. Mode shape 6 Nhận xét: + Với những biến dạng khác nhau của chi tiết ta có các giá trị tần số dao động riêng tương ứng + Giá trị max thay đổi còn giá trị min luôn bằng 0 Tần số dao động riêng là tần số không phụ thuộc vào dao động chung của hệ mà chỉ phụ thuộc vào dao động của bản thân nó Dao động riêng của một hệ thống là mô hình chuyển động trong đó tất cả các thành phần của hệ thống chuyển động hình sin và tần số pha giống nhau. Những tần số riêng của một hệ thống được gọi là tần số tự nhiên hay là tần số cộng hưởng. Dạng dao động là một trong những phương thức quan tâm chính, dao động đầu tiên thường có sự đóng góp lớn cho chuyển động của cơ cấu Trong một hệ thống ở một chế độ rung động sẽ có các nút. Những nút này tương ứng với những điểm trong kiểu hình dạng là kiểu chữ số 0. Một khi rung động của một hệ thống, sự thuyên chuyển của những điểm nút là không liên tụ Trong một hệ thống, với hai hoặc hơn hai kích thước, có nhiều tần số dao động riêng nhưng ta thường lấy sáu tần số dao động tự do đầu tiên, đó là: ba tần số dao động tịnh tiến theo ba phương X, Y, Z và ba tần số dao động quay theo ba phương đó. Còn các tần số dao động khác là sự kết hợp của nhiều phương với nhau. CHƯƠNG 4 : LẬP TRÌNH GIA CÔNG MỘT CHI TIẾT CỤ THỂ TRÊN MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC Hình 4.1. Chi tiết trên máy phay CNC năm trục Hình 4.2. Chi tiết 3D gia công CNC Hình 4.3. Bản vẽ chi tiết 4.1 Trình tự gia công và chế độ cắt Tiện mặt đầu T01: Dao tiện mặt đầu φ = 950 có gắn mảnh hợp kim cứng, tra sổ tay gia công cơ. Bước tiến của dao F = 0,1 mm/v (tra bảng2.63) Vận tốc cắt của dao: v = 215 v/phút (tra bảng 2.65), lấy S = 1600 v/p Tốc độ quay của trục chính: Tiện tinh mặt ngoài T02: Với dao tiện mặt ngoài thì chế độ cắt giống với dao tiện mặt đầu T01 Tiện rãnh T03: Dao tiện rãnh có bề rộng bằng bề rộng của rãnh Tra bảng 2.63 ta có: với tiện rãnh không sâu thường F = 0,05 mm/v, vận tốc cắt v = 110 mm/p, chọn S = 800 v/phút Khoan lỗ T04: Dao khoan lỗ D = 40 mm, φ = 1200 ,Tốc độ quay trục chính S = 800 v/phút T05: Dao khoét lỗ Khoan lỗ ren T06: Dao khoan lỗ ren có đường kính D = 12mm, Tốc độ quay trục chính S = 800 v/phút 4.2 Chương trình gia công LỆNH CHƯƠNG TRÌNH TIỆN MÔ TẢ N05 G90 G21 Hệ tọa độ tuyệt đối, chọn đơn vị mm Tiện mặt đầu N10 T01 M06 Gọi thay dao tiện mặt đầu T01 N15 G97 S1600 M04 Tốc độ trục chính S=1600 v/ph ngược chiều kim đồng hồ N20 G00 X0 Z0 Dịch chuyển dao tới điểm có tọa độ X0 Z0 và xác nhận tọa độ làm việc N25 G01 G95 X-2 F1 M08 Nội suy đường thẳng thực hiện cắt , bước tiến của dao định nghĩa theo số vòng quay F=1 mm/v, mở dung dịch trơn nguội N30 G00 Z6 M09 Rút dao nhanh ra và tắt dung dịch làm mát N35 G53 G49 Z0 M05 Về điểm O của máy theo trục Z , hủy bù dao, đóng trục chính N40 M01 Dừng chương trình có điều kiện Tiện tinh mặt ngoài N45 T02 M06 Thay dao tiện tinh T02 N50 G97 S1600 M04 Tốc độ trục chính S=1600 v/ph ngược chiều kim đồng hồ N55 G01 X93.5 Z-1.66 F0.11 Nội suy đường thẳng đến điểm X93.5 Z-0.166 với bước tiến F=0.11 mm/v N60 G01 X91.5 Z0 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X91.5 Z0 N65 G01 X1 Z-1.66 F0.157 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1 Z-1.66 N70 G01 X1.21 Z-0.95 F0.031 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1.21 Z-0.95 với bước tiến F0.031 N75 G01 X93.5 Z-095 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1.21 Z-0.95 N80 G01 X93.5 Z-2.83 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X93.5 Z-2.83 N85 G01 X91.5 Z-2.83 F0.11 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X91.5 Z-2.83 N90 G01 X1 Z-2.83 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1 Z-2.83 N95 G01 X1.21 Z-2.62 F.0315 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1.21 Z-2.62 N100 G00 X93.5 Z-2.62 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X93.5 Z-2.62 N105 G01 X93.5 Z-4.5 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X93.5 Z-4.5 N110 G01 X93.5 Z-4.5 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X93.5 Z-4.5 N115 G01 X91.5 Z-4.5 F.0118 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X93.5 Z-4.5 với bước tiến F0.118 N120 G01 X1 Z-4.5 F.0157 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1 Z-4.5 với bước tiến F0.157 N125 G01 X1.21 Z-4.28 F.0315 Nội suy đường thẳng đến điểm có tọa độ X1.21 Z-4.28 với bước tiến F0.118 N130 M05 Dừng trục chính N135 M01 Dừng chương trình có điều kiện Do chương trình quá dài nên chỉ nêu một số lệnh trong code để gia công chi tiết trên 4.3 Các bước tiến hành gia công CNC trên Catia Kẹp phôi bằng mâm kẹp 3 chấu Hình 4.4. Chi tiết gia công CNC Tiện mặt đầu Hình 4.5. Quá trình tiện mặt đầu Tiện tinh mặt ngoài Hình 4.6. Quá trình tiện tinh mặt ngoài Tiện rãnh Hình 4.7. Quá trình tiện rãnh Khoan lỗ Hình 4.8. Quá trình khoan lỗ Tiện ren cho lỗ Hình 4.8. Tiện ren cho lỗ Khoan lỗ có ren Hình 4.9. Quá trình khoan 6 lỗ có ren KẾT LUẬN Đề tài “Ứng dụng của công nghệ CAD/CAM/CAE trong việc thiết kế, phân tích, đánh giá và chế tạo chi tiết” là một đề tài tương đối rộng, đòi hỏi nhiều kiến thức trong ba lĩnh vực CAD/CAM/CAE. Qua một thời gian thực tập và được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Th.s Trần Thanh Hải để tài của em đến nay đã hoàn thành đúng tiến độ. Đồ án của em đã đạt được những kết quả sau: Tìm hiểu kết cấu cơ bản của một số phần mềm gia công trong ngành cơ khí Sử dụng thành thạo phần mềm Catia Ứng dụng của phần tử hữu hạn vào tính toán các bài toán cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể. Tìm hiểu về phần mềm Ansys và ứng dụng của nó trong đời sống. Sử dụng Ansys để tính toán kết cấu , giải các bài toán trường ứng suất, biến dạng, phân tích các dao động tự do. Ứng dụng vào phần mềm Catia để gia công chi tiết cụ thể. Hướng phát triển đề tài: Ứng dụng các kiến thức đã học để tìm hiểu kĩ hơn các phần mềm Ứng dụng phần mềm để gia công sản phẩm thực tế Sau một thời gian đến nay em đã hoàn thành đề tài nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót, chưa ứng dụng nhiều vào thực thế. Vì vậy để hoàn thiện đề tài hơn em mong được sự đóng góp ý kiến, đánh giá của thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! TÀI LIỆU THAM KHẢO Phương pháp phần tử hữu hạn – Chu Quốc Thắng - NXBKHKT Hướng dẫn sử dụng Ansys – Trường học viện kĩ thuật quân sự File help trong Catia Tài liệu Website: