Đề tài Nghiên cứu và tính toán các hiện tượng khí động đàn hồi cánh máy bay

nằm sau tõm xoắn Cú 3 trường hợp ứng với 3 vị trớ của tõm khớ động F : Tõm khớ động nằm trước tõm xoắn Hiện tượng uốn-xoắn cỏnh flottement chỉ xuất hiện khi (9) Tõm khớ động nằm giữa tõm xoắn và trọng tõm Hiện tượng uốn-xoắn cỏnh flottement cú thể xảy ra Tõm khớ động nằm sau trọng tõm Hiện tượng uốn-xoắn cỏnh flottement chỉ cú thể xảy ra khi : và (10) 2.3.3.Vớ dụ ỏp dụng Ta xột một vớ dụ một profil cỏnh cú cỏc đặc trưng : vận tốc khụng thứ nguyờn. Ta sử dụng cỏc tham số khụng thứ nguyờn để dễ dàng tớnh toỏn. Sử dụng Matlab lập chương trỡnh tớnh và vẽ đồ thị nghiệm của phương trỡnh (6) theo cỏc tham số đó cho. Ta sẽ tỡm được giỏ trị vận tốc tới hạn khi xảy ra hiện tượng flottement. Vỡ cỏc nghiệm của p là liờn hợp phức của nhau nờn đồ thị cỏc nghiệm của phương trỡnh là đối xứng với nhau qua trục hoành, ta chỉ vẽ một nửa trờn của đồ thị. Nhận xột thấy tại vị trớ tới hạn xảy ra hiện tượng flottement (ứng với giỏ trị nhỏ nhất của PR lớn hơn 0 thỡ hai nhỏnh tần số trựng nhau. Nhỏnh tần số trờn đặc trưng cho hiện tượng xoắn cỏnh, nhỏnh dưới đặc trưng cho hiện tượng uốn cỏnh. Khi hai nhỏnh trựng nhau, tức là xảy ra sự kết hợp giữa uốn và xoắn cỏnh, khi đú sẽ xảy ra hiện tượng flottement. 2.3.4. Trường hợp đặc biệt  : Tớnh xấp xỉ vận tốc giới hạn bắt đầu xảy ra hiện tượng uốn-xoắn cỏnh flottement. Khi đú điều kiện mất ổn định là : Ta cần xột 2 trường hợp FCG và CFG trong phần 3.2, khụng cần xột trường hợp CGF vỡ ở đõy Phương trỡnh (7) được viết lại như sau : Từ đú ta suy ra giỏ trị gần đỳng của ỏp suất động và vận tốc uốn-xoắn cỏnh flottement : (11) Giỏ trị trờn đõy chỉ cú thể được sử dụng như một sự trợ giỳp cho sự tỡm hiểu hiện tượng uốn-xoắn cỏnh flottement. 2.4. Dạng tổng quỏt của cỏc phương trỡnh trong khớ động đàn hồi 2.4.1. Mụ hỡnh húa kết cấu + Nếu kết cấu bao gồm một số lượng cú hạn cỏc thành phần cứng liờn kết với nhau bởi cỏc mối ghộp cơ khớ, cỏc phương trỡnh chuyển động được thiết lập bằng cỏc định luật cơ bản của động lực học hoặc bằng hệ phương trỡnh LAGRANGE. + Đối với cỏc hệ liờn tục, hệ phương trỡnh LAGRANGE cú thể giỳp mụ hỡnh húa cấu trỳc với độ chớnh xỏc mong muốn bằng cỏch mụ tả chuyển động của chỳng bởi n tọa độ riờng : + Việc ứng dụng cỏc định luật về cụng dịch chuyển ảo giỳp ta tỡm được n lực riờng : tương ứng. + Phương trỡnh chuyển động được viết dưới dạng : (12) Trong đú : Cỏc ma trận : tương ứng là ma trận khối lượng ; ma trận cản ; ma trận độ cứng của kết cấu. 2.4.2. Mụ hỡnh húa cỏc lực khớ động + Thụng thường, đối với dũng dừng, tuyến tớnh, cỏc lực khớ động được viết dưới dạng : (13) Trong đú :  ; là ma trận cản và ma trận độ cứng khớ động. + Cỏc ma trận này cú dạng : Ma trận độ cứng khớ động : Ma trận cản khớ động : (14) Vậy trong khớ động học dừng và tuyến tớnh, phương trỡnh chuyển động cú dạng : (15) Trong đú V là vận tốc dũng khớ. + Chỳng ta đi tỡm nghiệm của phương trỡnh (15) dưới dạng với . Từ đú ta thiết lập được phương trỡnh đặc trưng của hệ. Nghiệm của phương trỡnh của p cú thể được tỡm bằng phương phỏp số. Trong đú cỏc ma trận  ; phụ thuộc vào vận tốc V của dũng chất lỏng. + Nếu như tất cả cỏc nghiệm của phương trỡnh đặc trưng, với một giỏ trị V xỏc định, mà phần thực mang dấu õm thỡ hệ là ổn định. + Việc nghiờn cứu sự mất ổn định động của hệ thống bao gồm việc tỡm giỏ trị nhỏ nhất của vận tốc V sao cho phần thực . PHẦN III: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS Phầm mềm ANSYS, do cụng ty Phần mềm ANSYS phỏt triển là một gúi phần mềm hoàn chỉnh dựa trờn phõn tớch phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis FEA) để mụ phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tỏc động của cỏc loại tải trọng khỏc nhau. Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rói trờn toàn thế giới để giải quyết cỏc bài toỏn thiết kế, mụ phỏng tối ưu kết cấu và cỏc quỏ trỡnh truyền nhiệt, dũng chảy, điện/tĩnh điện, điện từ, và tương tỏc giữa cỏc mụi trường hay cỏc hệ vật lý. Chớnh vỡ vậy ANSYS đó trở thành cụng cụ hữu hiệu trong cỏc nghành cụng nghiệp trong đú cú vũ trụ, hàng khụng, ụtụ, y sinh, xõy dựng cầu đường. Trong khuụn khổ đồ ỏn này, em xin giới thiệu tổng quan cỏc bước, cỏc thao tỏc cơ bản để tiến hành phõn tớch một bài toỏn kết cấu. I. Cỏc bước phõn tớch cơ bản 1.1. Quỏ trỡnh chuẩn bị Bất kỳ bài toỏn phõn tớch nào cũng gồm 4 quỏ trỡnh chớnh: Chuẩn bị Xử lý ban đầu Giải Xử lý kết quả Quỏ trỡnh chuẩn bị: Đú là quỏ trỡnh phõn tớch vấn đề cần nghiờn cứu sau đú chọn xem: Dựng kiểu phõn tớch nào? Mụ hỡnh hoỏ như thế nào? Dựng kiểu phần tử nào? Quỏ trỡnh xử lý ban đầu: Định nghĩa vật liệu. Tạo, nhập mụ hỡnh hỡnh học kết cấu. Chia lưới mụ hỡnh hỡnh học để tạo ra mụ hỡnh phần tử hữu hạn (cỏc nỳt và phần tử). Quỏ trỡnh giải: Đặt tải Giải Quỏ trỡnh xử lý kết quả: Khai thỏc kết quả. Kiểm tra tớnh hợp lý của lời giải. 1.1.2. Cỏc kiểu phõn tớch Một số kiểu phõn tớch thụng dụng: Kết cấu: chuyển động của vật rắn, ỏp suất trờn vật thể hoặc tiếp xỳc giữa vật thể. Nhiệt: Gia nhiệt, nhiệt độ cao, hoặc thay đổi nhiệt độ Điện từ: Cỏc thiết bị (dựng dũng xoay chiều hoặc một chiều), điện từ, kớch thớch bằng điện ỏp hoặc tớch điện. Dũng chảy: chuyển động của chất lỏng/khớ, hoặc chất lỏng, khớ trong bỡnh chứa. Kết hợp: kết hợp của cỏc bài toỏn trờn. 1.2. Quỏ trỡnh xử lý ban đầu 1.2.1. Tạo mụ hỡnh hỡnh học Một mụ hỡnh hỡnh học thụng thường được định nghĩa bởi cỏc thể tớch, cỏc diện tớch, cỏc đường và cỏc điểm. Thể tớch (volume) được giới hạn bởi cỏc diện tớch. Chỳng mụ tả cỏc đối tượng 3D. Diện tớch (area) được giới hạn bởi cỏc đường. Chỳng mụ tả cỏc mặt của đối tượng khối hoặc tấm vỏ. Đường (line) được giới hạn bởi cỏc điểm. Chỳng mụ tả cỏc cạnh của đối tượng. Điểm (keypoint) được định vị trong khụng gian 3D. Chỳng mụ tả đỉnh của cỏc đối tượng. Khi tạo mụ hỡnh hỡnh học của vật thể cần phõn tớch xem, vật thể được cấu thành từ những hỡnh khối cơ bản nào, từ đú đưa ra phương ỏn dựng mụ hỡnh hỡnh học thớch hợp. 1.2.2. Tạo mụ hỡnh phần tử hữu hạn Mụ hỡnh phần tử hữu hạn gồm cỏc nỳt và cỏc phần tử. Mụ hỡnh phần tử hữu hạn được tạo từ mụ hỡnh hỡnh học bằng cỏch chia lưới. Quỏ trỡnh chia lưới chớnh là quỏ trỡnh “điền đầy” mụ hỡnh hỡnh học bằng cỏc nỳt và cỏc phần tử. Để giải bài toỏn phần tử hữu hạn ta cần dựng tới mụ hỡnh phần tử hữu hạn chứ khụng phải mụ hỡnh hỡnh học. Mụ hỡnh hỡnh học chỉ là bưới trung gian để tạo mụ hỡnh phần tử hữu hạn. 1.2.3. Khai bỏo thuộc tớnh vật liệu Mỗi bài toỏn phõn tớch đũi hỏi phải nhập vào một vài thuộc tớnh của vật liệu: mụ đun đàn hồi Ex cho cỏc phần tử kết cấu. Cú hai cỏch để khai bỏo thuộc tớnh vật liệu: Thư viện vật liệu Cỏc thuộc tớnh riờng biệt. 1.3. Quỏ trỡnh giải 1.3.1. Xỏc định cỏc tải đặt lờn mụ hỡnh Cú 5 loại tải: Những ỏp đặt trờn bậc tự do (Degree Of Freedom DOF): ỏp đặt giỏ trị cho cỏc DOF, vớ dụ như chuyển vị trong một phõn tớch ứng suất, hoặc nhiệt độ trong một phõn tớch nhiệt Tải tập trung (Concentrated Load): Tải đặt vào một điểm, vớ dụ lực hoặc tiờu thụ dũng nhiệt. Tải bề mặt (Surface Load): Tải phõn bố trờn toàn bộ một bề mặt, vớ dụ như ỏp suất hay đối lưu. Tải vật thể (Body Load): tải thể tớch hay tải trường Tải quỏn tớnh (Inertia Load): Tải khối lượng kết cấu hoặc tải quỏn tớnh, vớ dụ như trọng lực hoặc vận tốc quay. 1.3.2. Giải 1.4. Quỏ trỡnh xử lý kết quả 1.4.1. Khai thỏc Xử lý kết quả là khõu cuối cựng của một bài toỏn phần tử hữu hạn Bắt buộc phải cú để hiển thị kết quả tương ứng với cỏc giả thiết trong quỏ trỡnh tạo và giải mụ hỡnh. Thường từ cỏc kết quả thu được ta sẽ phải ra cỏc quyết định về thiết kế nờn ta cần phải khỏi thỏc kết quả một cỏnh cẩn thận và đồng thời phải kiểm định lại kết quả. ANSYS cú hai cỏch khai thỏc kết quả: POST1: cỏch khai thỏc kết quả thụng thường để cú một tập hợp kết quả trờn toàn bộ mụ hỡnh. POST26: cỏch khai thỏc kết quả theo thời gian. Dựng để khai thỏc kết quả theo thời gian tại những điểm được chọn trong mụ hỡnh. Chủ yếu dựng cho phõn tớch tức thời và phi tuyến. 1.4.2. Kiểm tra kết quả Cần phải kiểm tra tớnh đỳng đắn hay tớnh hợp lý của kết quả để chắc chắn rằng lời giải là chấp nhận được. Những vấn đề cần kiểm tra phụ thuộc vào kiểu bài toỏn đang xột. So sỏnh kết quả tớnh bằng ANSYS so với thực nghiệm. II. Xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học 2.1. Giới thiệu Mục đớch của chương này là xem xột một số bước cơ bản khi tiến hành xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học, cỏch nhập một mụ hỡnh hỡnh học vào ANSYS, và cỏch tạo một mụ hỡnh hỡnh học trực tiếp trong ANSYS. Trước khi tiến hành xõy dựng mụ hỡnh cần phõn tớch xem: Mụ hỡnh gồm bao nhiờu chi tiết cơ bản? Tớnh đối xứng của mụ hỡnh? Mụ hỡnh cú ứng suất kỳ dị khụng? Cỏc chi tiết: Cỏc chi tiết nhỏ và khụng quan trọng của mụ hỡnh thiết kế trờn CAD cú thể được lược bỏ trước khi nạp vào ANSYS. Tuy nhiờn, đối với một vài kết cấu thỡ cỏc chi tiết nhỏ như gúc lượn, lỗ thủng đụi khi lại là nơi cú ứng suất lớn nhất và rất quan trọng, tựy thuộc vào cỏc mục tiờu mà bài toỏn đặt ra. Tớnh đối xứng: Nhiều kết cấu cú tớnh đối xứng và do đú chỉ cần mụ hỡnh húa một phần đại diện hoặc một mặt cắt ngang. Thuận lợi chớnh của việc mụ hỡnh cú tớnh đối xứng là: Mụ hỡnh thường dễ tạo hơn. Cho phộp chỳng ta tạo ra mụ hỡnh mịn hơn và chi tiết hơn và do đú thu được kết quả tốt hơn là sử dụng mụ hỡnh đầy đủ. Mụ hỡnh được coi là đối xứng nếu nú đối xứng trờn cỏc phương diện: Hỡnh học Cỏc thụng số vật liệu Cỏc điều kiện tải trọng Cú cỏc kiểu đối xứng khỏc nhau là: Tớnh đối xứng trục (Axisymmetry). Tớnh lặp theo quỹ đạo trũn (Rotational). Đối xứng mặt hay đối xứng gương (Planar or reflective). Tớnh lặp tịnh tiến (Repetitive or translational). Ứng suất kỳ dị (Stress singularities): Điểm ứng suất kỳ dị là điểm trong mụ hỡnh phần tử hữu hạn cú ứng suất đạt giỏ trị vụ hạn. Nếu lưới được chia mịn tại điểm cú ứng suất kỡ dị, thỡ giỏ trị ứng suất sẽ tăng lờn và khụng bao giờ hội tụ. Cỏc kết cấu thực khụng cú cỏc điểm ứng suất kỳ dị. Chỳng bị sinh ra do cỏc giả thiết đơn giản húa mụ hỡnh. Vỡ vậy ta phải đối phú với cỏc ứng suất kỳ dị này như thế nào? Nếu chỳng ở xa vựng chỳng ta quan tõm thỡ cú thể bỏ qua chỳng bằng cỏch khụng kớch hoạt lờn cỏc vựng bị ảnh hưởng khi xem kết quả. Nếu chỳng ở trong vựng quan tõm thỡ chỳng ta cần đưa ra hiệu chỉnh, vớ dụ: Cho gúc lượn vào cỏc gúc lừm vuụng và chạy lại phõn tớch. Thay thế lực tập trung bằng tải phõn bố tương đương. Mở rộng ỏp đặt chuyển vị cho một tập nỳt. 2.2. Xõy dựng mụ hỡnh bằng cỏch nhập mụ hỡnh từ phần mềm khỏc 2.2.1. Mụ hỡnh định dạng IGES Trong phần này, chỳng ta sẽ khai thỏc một số tựy chọn cú sẵn: Hai phương thức: No Defeaturing và Defeaturing. Cỏc tựy chọn: Merge, Solid, Small. Phương thức No Defeaturing - Nhập và lưu trữ mụ hỡnh hỡnh học trong cơ sở dữ liệu chuẩn của ANSYS.[ioptn, iges, nodefeat] Ưu điểm: Nhanh hơn và tin cậy hơn phương thức Defeaturing Cho phộp đầy đủ cỏc thao tỏc trờn mụ hỡnh hỡnh học Cỏc cụng cụ sửa đổi hỡnh dạng (Defeaturing tools) khụng cú hiệu lực. Đõy là phương thức mặc định và khuyến nghị. Phương thức Defeaturing - Nhập và lưu trữ hỡnh học trong một cơ sở dữ liệu đặc biệt cho phộp ta sửa và thay đổi hỡnh dỏng cho mụ hỡnh.[ioptn, iges, defeat]. Cú khả năng làm thay đổi hỡnh dỏng cho mụ hỡnh, loại bỏ cỏc chi tiết thứ yếu như là cỏc phần lồi ra, cỏc hốc và cỏc lỗ nhỏ. Bởi vỡ cơ sở dữ liệu đặc biệt được sử dụng để lưu trữ hỡnh học nờn chỉ một số thao tỏc trờn mụ hỡnh hỡnh học cú hiệu lực. Thụng thường yờu cầu bộ nhớ lớn hơn và cú phần chậm hơn phương thức “No Defeaturing” Phương thức này hiệu quả đối với cỏc mụ hỡnh khối đơn giản: chỳng đuợc nhập vào chia lưới và giải. Núi chung, khụng nờn dựng khi cần cỏc khả năng phỏt triển hỡnh học tiờn tiến (advanced geometry capabilities). Tựy chọn Merge YES được mặc định, để gắn kết cỏc thực thể trựng khớp sao cho cỏc diện tớch kề nhau thỡ gặp nhau tại một đường chung và cỏc đường kề nhau thỡ gặp nhau tại một điểm chung. Chỉ bật nú sang chế độ NO khi ta sử dụng phương thức Defeaturing và khi lần thử nghiệm trước đú khụng thành thiếu bộ nhớ.. Tựy chọn Solid YES được mặc định, để tự động tạo một thể tớch sau khi nhập và gắn kết Bật nú thành NO nếu chỳng ta chỉ muốn nhập cỏc bề mặt và tạo vỏ hoặc mụ hỡnh phẳng 2D. Tựy chọn Small YES được mặc định, để tự động xúa cỏc diện tớch nhỏ, cỏc mảnh vụn mà cú thể gõy rắc rối cho việc chia lưới. Cú hiệu lực chỉ đối với phương thức Defeaturing. Bật nú thành NO nếu chỳng ta muốn tỡm kẽ hở hoặc “cỏc lỗ” trong mụ hỡnh. 2.2.2. Cỏc sản phẩm kết nối Việc nhập file định dạng IGES vào ANSYS núi chung là tốt, tuy nhiờn vỡ phải chuyển đổi 2 lần: CAD à IGES à ANSYS, nờn trong nhiều trường hợp mụ hỡnh khụng được chuyển đổi hoàn toàn. Cỏc sản phẩm kết nối của ANSYS giỳp khắc phục vấn đề này bằng cỏch đọc trực tiếp file bản vẽ chi tiết “gốc” của phần mềm CAD: Kết nối với Pro/ENGINEER (Pro/E) Kết nối với Unigraphics (UG) Kết nối với SAT. Kết nối với Parasolid. Kết nối với CATIA. Để sử dụng một sản phẩm kết nối, chỳng ta cần phải mua bản quyền cho phiờn bản thớch hợp. Kết nối đến Pro/E: Đọc file .prt được tạo bởi Pro/E Đũi hỏi phải cú phần mềm Pro/E Cũng cú thể đọc một file .asm (bản vẽ lắp) của Pro/E Cõu lệnh: Utility Menu>File>Import>Pro/E hoặc ~proein. Kết nối đến UG: Đọc file .prt (bản vẽ chi tiết) được tạo bởi UG Đũi hỏi phải cú phần mềm Unigraphics Cõu lệnh: Utility Menu>File>Import>UG hoặc ~ugin Kết nối đến SAT: Đọc file .sat (bản vẽ chi tiết) được tạo bởi cỏc gúi CAD sử dụng mẫu ACIS Khụng đũi hỏi phải cú phần mềm ACIS Cõu lệnh: Utility Menu>File>Import>SAT hoặc ~satin Kết nối đến Parasolid: Đọc file .x_t hoặc .xmt_txt được tạo ra bởi cỏc gúi CAD sử dụng mẫu Parasolid. Khụng đũi hỏi phải cú phần mềm Parasolid. Cõu lệnh: Utility Menu>File>Import>PARA hoặc ~parain Kết nối đến CATIA: Đọc file .model hoặc .dvl được tạo bởi CATIA. Đũi hỏi phải cú phần mềm CATIA. Cõu lệnh: Utility Menu>File>Import>CATIA hoặc ~catiain 2.3. Dựng cỏc lệnh trong ANSYS Nhập mụ hỡnh hỡnh học thỡ thuận lợi nhưng đụi khi chỳng ta vẫn cần tạo ra nú trong ANSYS. Cú thể do một trong cỏc lý do sau: Chỳng ta cần xõy dựng một mụ hỡnh tham số - tức là một mụ hỡnh với cỏc biến để sau đú sử dụng trong thiết kế tối ưu hay nghiờn cứu độ nhạy. Khụng cú mụ hỡnh hỡnh học định dạng mà ANSYS cú thể đọc được Sản phẩm kết nối cần thiết lại khụng tương thớch với hệ điều hành đang sử dụng. Chỳng ta cú thể cần thay đổi hay bổ sung thờm vào mụ hỡnh chi tiết hay bản vẽ lắp nhập vào từ CAD. ANSYS cú một tập hợp cụng cụ phong phỳ để thiết kế. 2.3.1. Cỏc khỏi niệm Solid Modeling cú thể được định nghĩa như quỏ trỡnh tạo cỏc mụ hỡnh hỡnh học. Một số khỏi niệm: Một mụ hỡnh hỡnh học được xỏc định bởi cỏc thể tớch, diện tớch, cỏc đường và cỏc điểm. Cỏc thể tớch được giới hạn bởi cỏc diện tớch, cỏc diện tớch được giới hạn bởi cỏc đường, cỏc đường được giới hạn bởi cỏc điểm. Thứ bậc của cỏc thực thể từ thấp đến cao: điểm à đường à diện tớch à thể tớch. Chỳng ta khụng thể xúa một thực thể nếu như một thực thể bậc cao hơn được gắn với nú. Ngoài ra, một mụ hỡnh chỉ cú diện tớch và cỏc thực thể bậc thấp hơn, vớ dụ như vỏ hoặc mụ hỡnh phẳng 2D, vẫn được xem là mụ hỡnh khối trong thuật ngữ ANSYS. Cú hai phương phỏp để tạo mụ hỡnh khối: Phương phỏp Top-down. Phương phỏp Bottom-up. Phương phỏp Top-down: bắt đầu với việc định nghĩa thể tớch (hoặc diện tớch), sau đú chỳng được kết hợp lại thành một số hỡnh dạng và cuối cựng thành mụ hỡnh ta cần dựng. Phương phỏp Bottom-up: bắt đầu từ cỏc điểm, từ đú chỳng ta xõy dựng lờn cỏc đường, cỏc mặt. Chỳng ta cú thể lựa chọn tựy ý cỏch tiếp cận sao cho phự hợp nhất với mụ hỡnh và cũng cú thể kết hợp cả 2 phương phỏp. 2.3.2. Phương phỏp TOP-DOWN Phương phỏp Top-down bắt đầu với việc địng nghĩa thể tớch hoặc diện tớch sau đú kết hợp chỳng lại để tạo ra mụ hỡnh cuối cựng. Thể tớch hoặc diện tớch mà chỳng ta định nghĩa ban đầu được gọi là cỏc hỡnh khối cơ bản (primitives). Primitives được định vị và định hướng nhờ cỏc mặt phẳng làm việc (working plane). Cỏc tổ hợp dựng để tạo ra hỡnh dỏng cuối cựng được gọi là cỏc toỏn tử Boolean (Boolean operations). Primitives là cỏc hỡnh dạng hỡnh học cơ bản được định nghĩa trước vớ dụ như hỡnh trũn, đa giỏc và hỡnh cầu. Cỏc primitives 2D bao gồm cỏc hỡnh chữ nhật, đường trũn, tam giỏc và cỏc đa giỏc khỏc. Cỏc primitives 3D bao gồm cỏc khối hộp, trụ, lăng trụ, cầu, nún, xuyến. Khi chỳng ta tạo một primitives 2D, ANSYS định nghĩa một diện tớch, cỏc đường, cỏc điểm đi kốm với nú. Khi chỳng ta tạo một primitives 3, ANSYS định nghĩa một thể tớch, cỏc mặt, cỏc đường, cỏc điểm đi kốm với nú. Cõu lệnh tạo cỏc hỡnh khối cơ bản: Utilities Menu>Preprocessor>Modeling>Create>.. Trong ANSYS để định vị và định hướng cho cỏc Primitives chỳng ta sử dụng Working Plane “WP” (mặt phẳng làm việc) – là mặt phẳng tham chiếu di động. Mặc định, gốc của WP trựng với gốc tọa độ tổng thể, tuy nhiờn khi tạo cỏc mụ hỡnh thỡ chỳng ta cú thể dịch chuyển chỳng đến vị trớ thớch hợp tiện cho việc thiết kế. Bằng hiển thị lưới, chỳng ta cú thể sử dụng WP như một “bản vẽ” WP lớn vụ hạn cho dự lưới hiển thị là hữu hạn. Tất cả cỏc tham số điều khiển mặt phẳng làm việc (WP) đều nằm ở trong Utility Menu>WorkPlane. Cỏc tham số điều khiển trong menu WP setting bao gồm: Hiển thị WP - triad only (mặc định), grid only hoặc cả hai. Chế độ bắt điểm (Snap) – cho phộp chỳng ta chọn dễ dàng cỏc vị trớ trờn WP bằng cỏch bắt con trỏ tới điểm gần lưới nhất. Khoảng cỏch lưới (Grid spacing) - khoảng cỏch giữa cỏc đường lưới. Kớch thước lưới – là phần WP được hiển thị vỡ thực tế là WP vụ hạn. Chỳng ta sử dụng menu Offset và Align để di chuyển WP tới bất kỳ vị trớ nào. Di chuyển WP bởi số gia Sử dụng cỏc nỳt bấm (với số gia đặt bằng thanh trượt). Hoặc nhập vào giỏ trị của số gia. Hoặc sử dụng cỏc phương thức động (kớch chuột vào cửa sổ làm việc). Offset WP to> Đõy đơn giản chỉ là dịch chuyển WP tới vị trớ mong muốn và vẫn duy trỡ hướng hiện tại của nú (chỉ dịch chuyển vị trớ gốc tọa độ). Align WP with> Đõy là cỏch định hướng lại WP. Vớ dụ: Align WP with keypoints nhắc chỳng ta chọn 3 điểm - một điểm tại gốc, một điểm để xỏc định trục X, một để xỏc định trục Y. Để trả WP về vị trớ mặc định của nú (về gốc tổng thể) ta dựng cõu lệnh: Align WP with>Global Cartesian. Cỏc phộp toỏn Boole là cỏc phộp toỏn cho phộp kết hợp cỏc thực thể hỡnh học. Cỏc phộp toỏn Boole của ANSYS gồm cú add (hợp), subtract (trừ), intersect (giao), divide (chia), glue (dỏn) và overlap (chồng lờn). Dữ liệu đầu vào cho cỏc toỏn tử Boole là cỏc thực thể hỡnh học bất kỳ, từ cỏc primitive đơn giản tới cỏc thể tớch phức tạp được nhập vào từ CAD. Tất cả cỏc toỏn tử trờn đều cú trong GUI của ANSYS: Preprocessor>Modeling>Operate. Theo mặc định cỏc thực thể đầu vào của phộp toỏn tử Boole sẽ bị xúa đi sau khi phộp toỏn được thực hiện. Cỏc số thứ tự của thực thể đó xúa trở thành “tự do” (nghĩa là chỳng sẽ được gỏn cho thực thể mới, bắt đầu từ số nhỏ nhất). Cỏc phộp toỏn: Hợp (add): Kết hợp hai hoặc nhiều thực thể thành một. Dỏn (Glue): Dỏn hai hoặc nhiều thực thể với nhau bằng cỏch tạo ra một biờn chung giữa chỳng. Được sử dụng khi chỳng ta muốn duy trỡ sự khỏc biệt giữa cỏc thực thể (vớ dụ cỏc thực thể sau khi dỏn vẫn cú thể làm bằng cỏc vật liệu khỏc nhau). Chồng chộo (Overlap): Giống như Glue, chỉ khỏc là cỏc thực thể chồng lờn nhau. Trừ (Subtract): Loại bỏ phần chồng nhau của một hoặc nhiều thực thể từ tập cỏc thực thể ban đầu. Dựng để tạo cỏc hố hoặc cắt bỏ cỏc phần của một thực thể. Chia (divide): Chia một thực thể thành hai hoặc nhiều thực thể liờn hệ với nhau bằng cỏc đường biờn chung. “Cụng cụ cắt” cú thể là mặt phẳng làm việc, một diện tớch, một đường hoặc thậm chớ là một thể tớch. Dựng để cắt và chia một thể tớch phức tạp thành cỏc thể tớch đơn giản hơn để tiện chia lưới. Giao (Intersect): Chỉ giữ lại phần chồng nhau của hai hay nhiều thực thể. Nếu cú hơn hai thực thể đưa vào, thỡ chỳng ta cú hai cỏch lựa chọn: Giao chung (common intersection) và giao từng cặp (pairwise intersection) Giao chung là tỡm miền chồng nhau chung giữa tất cả cỏc thực thể đưa vào. Giao từng cặp là tỡm miền chồng nhau cho mỗi cặp thực thể và cú thể tạo ra hai hoặc nhiều thực thể. Phõn chia (Partition): Cắt hai hoặc nhiều thực thể giao nhau thành nhiều phần liờn hệ với nhau bằng cỏc biờn chung. Phộp toỏn này rất cú ớch, vớ dụ, để tỡm đường giao nhau của hai mặt phẳng và vẫn giữ lại tất cả bốn mặt, như chỉ ra ở dưới đõy.(Một phộp toỏn giao sẽ trả về đường giao và xúa cả hai mặt phẳng). 2.3.4. Phương phỏp BOTTOM-UP Phương phỏp bottom-up bắt đầu với sự định nghĩa của cỏc điểm, từ đú xõy dựng lờn cỏc thực thể khỏc. Để định nghĩa cỏc điểm, chỳng ta dựng cõu lệnh: Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints Dữ liệu cần thiết để tạo một điểm là số thứ tự điểm và vị trớ tọa độ điểm. Số thứ tự mặc định là số cú hiệu lực tiếp theo. Vị trớ tọa độ cú thể được cung cấp bằng cỏch chọn cỏc vị trớ trờn mặt phẳng làm việc hoặc bằng cỏch nhập cỏc giỏ trị X,Y,Z (trong hệ tọa độ mặt phẳng làm việc hoặc trong hệ tọa độ tổng thể). Hệ trục tọa độ làm việc (Active Coordinate System): Mặc định với hệ trục đề cỏc tổng thể. Sử dụng lệnh CSYS (hoặc Utility menu>WorkPlane>Change Active CS to) để đổi nú thành: Hệ trục tọa độ Cartesian tổng thể [csys,0] Hệ tọa độ trụ tổng thể [csys,1] Hệ tọa độ cầu tổng thể [csys,2] Mặt phẳng làm việc [csys,4] Hoặc một hệ tọa độ địa phương do người dựng định nghĩa [csys,n] Mỗi hệ tọa độ này sẽ được giải thớch ở bước tiếp theo. Hệ tọa độ tổng thể: Hệ tọa độ tham chiếu tổng thể đối với mụ hỡnh. Cú thể là hệ tọa độ đề-cỏc, trụ, hoặc cầu. Hệ tọa độ địa phương: Một hệ tọa độ người dựng định nghĩa tại vị trớ mong muốn, với chỉ số 11 hoặc lớn hơn. Dựng cõu lệnh: Local Coordinate Systems>Create Local CS>. Hệ tọa độ mặt phẳng làm việc: Tỏc động tới mặt phẳng đang làm việc. Thường dựng để định vị và định hướng cỏc mụ hỡnh khối gốc. Chỳng ta cũng cú thể sử dụng mặt phẳng làm việc để định nghĩa cỏc điểm bằng cỏch chọn chuột. Chỳng ta cú thể định nghĩa số hệ tọa độ bất kỳ, nhưng chỉ một hệ tọa độ là bị tỏc động ở một thời điểm nào đú. Cỏc phộp toỏn Boolean cú hiệu lực đối với cỏc thực thể được tạo ra bằng cả hai phương phỏp mụ hỡnh top-down và bottom-up. Tuy nhiờn, để xõy dựng mụ hỡnh theo phương phỏp bottom-up ta thường dựng cỏc toỏn tử sau: Extrude: kộo dón. Scale: tỉ lệ Move: di chuyển. Copy: sao chộp. Reflect: phản xạ Merge: nối, hợp. Fillet: lượn gúc. Extrude: Để tạo nhanh cỏc thể tớch từ cỏc diện tớch tồn tại (hoặc cỏc diện tớch từ cỏc đường và cỏc đường từ cỏc điểm). Nếu diện tớch được chia lưới, chỳng ta cú thể extrude cỏc phần tử cựng với cỏc diện tớch. Cú bốn cỏch để extrude cỏc diện tớch: Along normal - tạo thể tớch bằng cỏch kộo dón cỏc diện tớch theo phương phỏp tuyến. By XYZ offset - tạo thể tớch bằng cỏch dịch chuyển toàn bộ theo x-y-z. About axis - tạo thể tớch bằng cỏch quay trũn cỏc diện tớch xung quanh một trục. Along lines - tạo thể tớch bằng cỏch kộo cỏc diện tớch theo một đường hoặc một tập hợp cỏc đường liờn tục. Scaling: Scaling là một kiểu cần thiết khi chỳng ta muốn chuyển đổi hỡnh tới một tập hợp đơn vị khỏc, như từ inch thành cm. Để scale một mụ hỡnh trong ANSYS sử dụng: Đầu tiờn lưu trữ cơ sở dữ liệu – Toolbar>SAVE_DB Sau đú vào Main menu>Preprocessor>Operate>Scale>Volumes Move: Để di chuyển hoặc quay một thực thể bằng cỏch chỉ ra cỏc đại lượng chuyển dịch DX,DY,DZ hoặc để di chuyển cỏc hệ tọa độ tới tọa độ khỏc. Copy: Để tạo ra nhiều bản sao của thực thể. Chỉ ra số bản sao và cỏc khoảng cỏch dịch chuyển DX,DY,DZ cho mỗi phộp sao chộp. Reflect: Để phản xạ cỏc thực thể qua một mặt phẳng Chỉ rừ hướng của sự phản xạ: X để phản xạ đối với mặt YZ Y đối với mặt phẳng XZ Z là đối với mặt phẳng XY Merge: Để kết hợp hai thực thể bằng cỏch hợp nhất cỏc điểm trựng nhau. Thường thường đũi hỏi sau khi reflect, copy hoặc cỏc phộp toỏn khỏc mà cú cỏc thực thể trựng nhau. Fillet: Fillet thường yờu cầu hai đường ban đầu phải giao nhau tại một điểm. III. Tạo mụ hỡnh phần tử hữu hạn 3.1. Tổng quan Mục đớch của chương này là xem xột về cỏc thuộc tớnh của lưới phần tử, những cỏch thức khỏc nhau để tạo một lưới trong ANSYS, và cuối cựng là làm thể nào để nhập một mụ hỡnh phần tử hữu hạn vào trong ANSYS một cỏch trực tiếp. 3.2. Cỏc thuộc tớnh cơ bản của phần tử Cú ba bước để tạo lưới: Định nghĩa cỏc thuộc tớnh phần tử Xỏc định cỏc thụng số điều khiển việc chia lưới. Tạo lưới. Thuộc tớnh phần tử là những đặc trưng của mụ hỡnh phần tử hữu hạn mà người dựng phải thiết lập trước khi chia lưới. Chỳng bao gồm: Cỏc kiểu phần tử Cỏc hằng số đặc trưng Cỏc tớnh chất của vật liệu Kiểu phần tử: Chọn kiểu phần tử là một bước quan trọng, nú xỏc định những đặc trưng dưới đõy của phần tử: Bậc tự do (Degree of Freedom DOF) Vớ dụ: một kiểu phần tử nhiệt chỉ cú một bậc tự do là TEMP trong khi kiểu phần tử kết cấu cú thể cú tới sỏu bậc tự do: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ. Dạng phần tử: hỡnh lục diện, hỡnh tứ diện, hỡnh tứ giỏc, hỡnh tam giỏc. Khụng gian: 2D hoặc 3D Dạng giả thiết của trường chuyển