Chương 5: Phân tích động lực học

Chia sẻ: Nguyenphuc Hung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong hầu hết các thiết kế kỹ thuật, phân tích động lực học thường là yêu cầu bắt buộc nhằm khảo sát chuyển động của mô hình khi kể đến ảnh hưởng của các lực tác dụng. Đồng thời xác định các lực tạo ra chuyển động cho cơ cấu và các lực tác dụng lên các chi tiết, bộ phận của cơ cấu. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu chương 5 "Phân tích động lực học" dưới đây. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 5: Phân tích động lực học

CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC 5.1. Giới thiệu Trong hầu hết các thiết kế kỹ thuật , phân tích động lực học thường là yêu cầu bắt buộc nhằm khảo sát chuyển động của mô hình khi kể đến ảnh hưởng của các lực tác dụng . Đồng thời xác định các lực tạo ra chuyển động cho cơ cấu và các lực tác dụng lên các chi tiết, bộ phận của cơ cấu . Các kết quả phân tích động lực học được dùng làm tiền đề cho việc xác định các ứng sử cơ học của mô hình . Quá trình phân tích động lực học thường phức tạp và khó khăn bởi nó yêu cần xác định đầy đủ và chính xác các lực tác dụng lên mô hình . Tuy nhiên, với công cụ Dynamic Simulation , các phần mềm CAD cho phép người dùng dễ dàng mô phỏng chuyển động và phân tích động lực học các mô hình thiết kế. Trong môi trường mô phỏng động lực học – Dynamic Simulation, quá trình mô phỏng được xây dựng dựa vào các hàm chuyển động như: vị trí, vận tốc và gia tốc theo thời gian khi kể đến ảnh hưởng của các ngọai l ực. Đồng thời với chức năng mô phỏng , hoạt động của mô hình lắp ráp , cơ cấu sẽ được mô phỏng một cách chính xác , giống với hoạt động của mô hình thực . Các kết quả phân tích bao gồm quy luật chuyển động của các bộ phận trong cơ cấu, phản lực tác dụng tại các liên kết động và các lực dẫn động của mô hình có thể hiển thị tại bất cứ thời điểm nào. Vì vậy, mô phỏng động lực học làm giảm thiểu việc chế tạo mẫu thử vốn tốn rất nhiều chi phí , đồng thời nó cũng giúp người thiết kế có thế khảo sát được các lựa chọn thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế. Để quá trình mô phỏng và phân tích động học cũng như động lực học các mô hình lắp ráp trở nên đơn giản hơn, môi trường Dynamic Simulation giả thiết rằng các khối rắn là vật rắn tuyệt đối cứng, có các đặc trưng hình học như: khối tâm, mô men quán tính và chuyển động được biểu diễn bằng sáu bậc tự do tương đối. Trong môi trường Dynamic Simulation , một mô hình mô phỏng động lực học thường được tạo ra theo trình tự sau: Bước 1 : Chuẩn bị mô hình Bước 2 : Tạo liên kết động Bước 3 : Khai báo ngoại lực Bước 4 : Mô phỏng và phân tích kết quả 5.2. Chuẩn bị mô hình Để quá trình mô phỏng nhanh chóng và đơn giản hơn , cần cập nhật các thông tin quan trọng của mô hình . Việc cập nhật nên tiến hành trước khi tạo liên kết động và khai báo các ngoại lực cho mô hình. Nội dung các thông tin cần cập nhật bao gồm: - Xác định mục đích của mô phỏng; - Xác định các chi tiết, bộ phận thật sự cần thiết tham gia vào quá trình mô phỏng; - Tối thiểu hóa số lượng chi tiết của mô hình tham gia mô phỏng ; Chỉ cần giữ lại những chi tiết, bộ phận có chuyển động tương đối với nhau và cần được mô phỏng; - Nhóm các chi tiết có liên kết cố định với nhau thành mô hình lắp ráp con; - Khai báo thuộc tính vật liệu cho các chi tiết trong nhóm cần khảo sát.
Thông thường, để tránh làm mất hoặc thay đổi các thông tin thiết kế , trước khi tiến hành mô phỏng động lực học cần sao lưu một mô hình lắp ráp mới từ mô hình lắp ráp ban đầu . Sau đó có thể xóa bỏ các chi tiết , bộ phận k hông thực sự cần thiết để việc xây dựng mô hình mô phỏng được nhanh chóng và thuận tiện cho việc quản lý mô hình . 5.3. Tạo liên kết động 5.3.1. Khái niệm liên kết động Liên kết động hay còn gọi là khớp động là dạng liên kết có chức năng n ối hai bộ phận có chuyển động tương đối với nhau . Ngoài việc truyền chuyển động , khớp động còn có tác dụng truyền tải trọng từ bộ phận đến bộ phận kia. Khai báo liên kết động l à một quá trình quan trọng và tốn công sức nhất . Khai báo đúng dạng liên kết động sẽ đảm bảo mô phỏng chính xác chuyển động thực của cơ cấu . Chính vì vậy , cần cân nhắc , lựa chọn đúng dạng liên kết cho mối ghép giữa các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau . Để chọn đúng dạng liên kết động , cần quan tâm và hiểu rõ vai trò của hệ tọa độ khớp. Hệ toạ độ khớp dùng để xác định các khả năng chuyển động của các đối tượng được liên kết . Một hệ tọ a độ khớp (Hình 5.1) bao gồm ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz. Sáu khả năng chuyển động trong không gian tọa độ khớp bao gồm : Tịnh tiến theo trục Ox, xoay quanh trục Ox, tịnh tiến theo trục Oz và xoay quanh trục Oz . Cần chọn loại khớp động có bậc tự do phù hợp , đồng thời khai báo vị trí , hướng của khớp để đảm bảo khả năng chuyển động thực của chi tiết. Hình 5.1. Hệ tọa độ khớp 5.3.2. Tạo liên kết động Trong môi trường mô phỏng động lực học trên các phần mềm CAD , khớp động được sử dùng để xác định chuyển động tương đối giữa các bộ phận của mô hình . Mặc dù khớp động có thể được tạo ra bằng các ràng buộc lắp ráp nhưng khớp động và ràng buộc lắp ghép là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau . Trong môi trường lắp ráp , mỗi khối rắn có 06 bậc tự do tương ứng với 06 khả năng chuyển động độc lập tương đối . Các ràng buộc lắp ráp được dùng để làm giảm một số hoặc tấ t cả các bậc tự do của khối rắn nhằm tạo ra mô hình lắp ráp. Khi chuyển sang mô trường mô phỏng động lực học , một số khớp tiêu chuẩn có thể được được tạo ra từ số bậc tự do còn lại tại các mối ghép . Trong môi trường m ô phỏng động học, trước khi bậc tự do của các khối rắn được tạo ra bằng cách gán các liên kết động thì tất cả các khối rắn đều không tồn tại bất kỳ một bậc tự do nào . Trong khi Ràng buộc lắp ráp (assembly constraint) chỉ thể hiện các ràng buộc hình học thì liên kết
động (joint) lại chứa đựng các thông thông tin về vận tốc , gia tốc và lực . Để lựa chọn và khai báo chính xác các khớp động cần hiểu rõ sự khác nhau cơ bản giữa ràng buộc ráp ráp và khớp động. Các hệ thống CAD cung cấp cho người dùng hai cách để tạo ra một khớp động : Chuyển đổi từ ràng buộc lắp ráp và khai báo trực tiếp các khớp động từ thư viện khớp . Nếu mô hình lắp ráp được xây dựng chính xác , khi chuyển sang mô trường mô phỏng động lực học, rất nhiều khớp động được tạo ra một cách tự động bằng lựa chọn tự động chuyển đổi các ràng buộc lắp ráp thành các khớp tiêu chuẩn như trên hình 5.2. Hình 5.2. Tự động chuyển đổi từ ràng buộc ráp ráp thành khớp động. Khi bật lựa chọn tự động chuyển đổi ràng buộc ráp ráp , bất kỳ thay đổi nào của các ràng buộc lắp ráp sẽ được tự động cập nhật và chuyển đổi thành các khớp động tiêu chuẩn , đồng thời các khớp động này sẽ vẫn tồn tại ngay cả sau khi tắt chế độ tự động chuyển đổi này. Khi tắt lựa chọn lựa chọn tự động chuyển đổi các ràng buộc , các khớp động sẽ được tạo ra bằng cách lựa chọn các khớp động từ thư viện dữ liệu sẵn có . Để truy c ập vào thư viện khớp động , click chuột vào nút Insert Joint , hộp thoại Insert Joint sẽ hiển thị một danh sách các loại khớp động, thông thường các phần mềm CAD sẽ chia khớp động thành 05 nhóm chính. Để hiện thị các nhóm kh ớp, click chuột vào nút Display joints table một hộp thoại các loại khớp động sẽ được hiển thị như trên hình 5.3.
Hình 5.3 Các nhóm khớp động a) Khớp tiêu chuẩn Khớp động tiêu chuẩn là loại khớp động được sử dụng phổ biến trong thực tế như khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp trụ .... Khi sử dụng khớp động tiêu chuẩn , chúng cho phép các bộ phận được liên kết có thể thực hiện các chuyển động quay , chuyển động tịnh tiến hoặc kết hợp cả hai dạng chuyển động này . Trong hầu hết các hệ thống cơ khí , một cơ cấu, mô hình luôn có chứa ít nhất một dạng khớp động tiêu chuẩn . Vì vậy, các phần mềm CAD thường mặc định rằng phải có ít nhất một khớp động tiêu chuẩn được k hai báo cho mô hình trước khi khai báo các loại khớp động khác. Các khớp động tiêu chuẩn được có thể được tạo ra bằng cách chuyển đổi từ ràng buộc lắp ráp hoặc cũng có thể khai báo trực tiếp các khớp động từ thư viện khớp. Chúng được khai báo thông qua việc khai báo hệ trục tọa độ khớp trên hai bộ phận sẽ được liên kết , bao gồm phương , chiều trục Z ; Gốc tọa độ và phương , chiều trục X . Khi chế độ tự động chuyển đổi liên kết được bật , chỉ có duy nhất một loại khớp không gian được hiển thị trên hộp thoại joints table như trên hình 5.3. Khi tắt chế độ tự động này , một danh sách các khớp động tiêu chuẩn sẽ đượ c hiển thị như trên hình 5.4, các chức năng mô phỏng động lực học của các khớp động tiêu chuẩn trên phần mềm Inventor® thể hiện trên bảng 5.1.
Hình 5.5. Các loại khớp động tiêu chuẩn Bảng 5.1. Chức năng mô phỏng của các khớp động tiêu chuẩn
b) Khớp lăn Khớp lăn là loại khớp động liên kết hai chi tiết , bộ phận của cơ cấu và cho phép chúng thực hiện chuyển động lăn tương đối với nhau trong mặt phẳng , các loại khớp răng là ví dụ phổ biến nhất cho loại khớp này . Khác với k hớp động tiêu chuẩn , khớp lăn chỉ có thể tạo ra thông qua việc khai báo trực t iếp từ thư viện khớp sau khi đã khai báo ít nhất một khớp động tiêu chuẩn . Việc khai báo được thực hiện thông qua việc khai báo hai biên dạng hoặc hai sketch có chuyển động lăn tương đối t rên hai đối tượng được liên kết . Trong quá trình khai báo , hệ tọa độ khớp được đặt tại điểm tiếp xúc , mặt phẳng XOZ được định nghĩa là mặt phẳng chuyển động còn mặt phẳng XOY được định nghĩa là mặt phẳng tiếp xúc. Trên phần mềm Inventor® cung cấp cho người dùng 10 loại khớp lăn như trên hình 5.5.
Hình 5.5. Các loại khớp lăn c) Khớp trượt Khớp trượt là loại khớp động liên kết hai chi tiết , bộ phận của cơ cấu và cho phép chúng thực hiện chuyển động trượt tương đối với nhau trong mặt phẳng , các loại khớp Cam là ví dụ phổ biến nhất cho loại khớp này . Cũng giống như kh ớp lăn, khớp trượt chỉ có thể tạo ra bằng cách khai báo trực tiếp từ thư viện khớp sau khi đã khai báo ít nhất một khớp động tiêu chuẩn . Việc khai báo được thực hiện thông qua việc khai báo hai biên dạng hoặc hai sketch có chuyển động trượt tương đối trên hai đối tượng được liên kết . Trong quá trình khai báo , hệ tọa độ khớp được đặt tại điểm tiếp xúc , mặt phẳng XOZ được định nghĩa là mặt phẳng chuyển động còn mặt phẳng YOZ được định nghĩa là mặt phẳng tiếp xúc. Trên phần mềm Inventor® cung cấp cho người dùng 05 loại khớp trượt như trên hình 5.6.
Hình 5.6. Các loại khớp trượt d) Khớp tiếp xúc 2D Khớp tiếp xúc 2D cũng là một loại khớp đặc biệt, dùng để tạo ra tiếp xúc giữa hai biên dạng cong và cho phép chúng thực hiện một chuyển động xác định trong mặt phẳng . Cũng giống như khớp lăn và khớp trượt , khớp tiếp xúc 2D chỉ có thể tạo ra bằng cách khai báo trực tiếp từ thư viện khớp sau khi đã khai báo ít nhất một khớp động tiêu chuẩn. Việc khai báo được thực hiện thông qua việc khai báo hai biên dạng được chọn trên hai đối tượng cần ràng buộc . Biên dạng này có thể là một mặt , một đường bao hoặc một sketch. Tuy nhiên chuyển động tương đối giữa c húng phải là chuyển động trong cùng một mặt phẳng . Trên phần mềm Inventor® cung cấp 01 loại khớp tiếp xúc 2D như trên hình 5.7.
Hình 5.7. Khớp tiếp xúc 2D e) Khớp tiếp xúc 3D Khớp tiếp xúc 3D là loại khớp có tiếp xúc không liên tục giữa hai bộ phận được liên kết. Chúng thường được sử dụng để tạo ra lực tác động lên mô hình như lực sinh ra từ liên kết lò xo . Tương tự như khớp tiếp xúc 2D, khớp tiếp xúc 3D chỉ có thể tạo ra thông qua việc khai báo trực tiếp từ thư viện khớp sau khi đã khai báo ít nhất một khớp động tiêu chuẩn .Trên phần mềm Inventor® cung câp cho người dùng 02 loại khớp tiếp xúc 3D: Spring/Damper/Jack joints và 3D Contact joints. Trên phần mềm Inventor® cung cấp 02 khớp tiếp xúc 3D như trên hình 5.8.
Hình 5.8. Khớp tiếp xúc 3D 5.3.3. Các đặc tính của khớp động Để truyền chuyển động giữa các bộ phận với nhau , khớp động không chỉ chứa đựng các thông tin về chuyển động như vị trí , vận tốc và gia tốc mà chúng còn có cả các đặc tính khác như các đặc tính về ma sát và giảm chấn . Do vậy, để mô có thể mô phỏng chính xác hoạt động của mô hình , khi tạo các khớp động , cần khai báo đầy đủ các đặc tính này . Hình 5.9 thể hiện cách khai báo các đặc tính của một khớp tịnh tiến Trên phần mềm Inventor®.
Hình 5.9. Khai báo các đặc tính của khớp Trong thực tế , chuyển động thường do tác dụng ngoại lực vào bộ phận dẫn động . Tuy nhiên, trên các phần mềm CAD , các quy luật chuyển động đầu vào thường được gán trực tiếp vào khớp dẫn động thông qua lựa chọn Impose motions mà không cần quan tâm đến ngoại lực tác dụng. Hình 5.10 thể hiện cách khai báo quy luật chuyển động của một khớp tịnh tiến trên phần mềm Inventor®. Hình 5.10 Khai báo quy luật chuyển động cho khớp động 5.5. Khai báo ngoại lực Để mô phỏng hoạt động của mô hình giống với mô hình thực tế , cần khai báo đầy đủ các ngoại lực tác dụng. Các ngoại lực bao gồm: Trọng lực và các tải trọng tác dụng. Trọng lực sẽ được định nghĩa thông qua nút lệnh Gravity . Thông thường gia tốc trọng trường sẽ
được mặc định với giá trị 9810.00 mm/s2, tuy nhiên chúng ta có thể thay đổi giá trị này nếu muốn. Hình 5.11 thể hiện cách khai báo trọng lực trên phần mềm Inventor®. Hình 5.11. Khai báo ngoại lực Môi trường mô phỏng động lực học cũng cho phép người dùng dễ dàng khai báo các loại tải trọng như lực và mô men thông qua nhóm công cụ External Loads. Hình 5.12 thể hiện cách khai báo tải trọng trên phần mềm Inventor®.
Hình 5.12. Khai báo ngoại lực 5.5. Chạy mô phỏng và phân tích kết quả Sau khi các khớp động đã được thiết lập và các ngoại lực tác dụng lên mô hình đã được khai báo , bảng điều khiển Simulation Player cho phép người dùng chạy mô phỏng hoạt động của mô hình. Trên bảng điều khiển Simulation Player, thời gian mô phỏng, số khung hình mô ph ỏng trong thời gian mô phỏng và số lượng khung hình sẽ được thiết lập theo yêu cầu cụ thể của việc mô phỏng . Hình 5.13 thể hiện tính năng các nút lệnh của bảng điều khiển Simulation Player trên phần mềm Inventor® . Hình 5.13. Công cụ chạy mô phỏng động lực học Simulation Player Khi quá trình mô phỏng đã được thực hiện , dữ liệu các kết quả mô phỏng sẽ được hiển thị thông qua việc truy cập công cụ Output Grapher . Các kết quả mô phỏng động học ba o gồm: Chuyển vị, vận tốc, gia tốc, phản lực và mô men có thể được lưu ở định dạng Excel hoặc được chuyển sang môi trường phân tích ứng suất - Stress Analysis. Hình 5.14 thể hiện tính năng của công cụ Output Grapher trên phần mềm Inventor®.
Hình 5.15. Hộp thoại hiển thị kết quả Output Grapher 5.6. Xuất dữ liệu để phân tích phần tử hữu hạn-FEA Thông qua việc sử dụng công cụ Output Grapher để hiển thị các kết quả mô phỏng , có thể xác định được các giá trị lực lớn nhất tại các vị trí cần phân tích . Sau đó , môi trường Dynamic Simulation còn cho phép xuất các dữ liệu này sang môi trường Stress Analysis để phân tích ứng suất . Giá trị ứng xuất lớn nhất thường là giá trị được quan tâm và được xuất ra sau khi mô phỏng. Tuy nhiên, các giá trị lực, ứng suất cũng có thể xuất ra ở bất kỳ thời điể m nào của quá trình mô phỏng , điều này thật sự cần thiết cho việc khảo sát các ứng sử cơ học của hệ thống trong toàn bộ quá trình hoạt động . Trên phần mềm Inventor®, giá trị lực lớn nhất có thể được truy xuất theo trình tự sau: 1. Lựa chọn Lực cần truy xuất trên công cụ Output Grapher; 2. Tìm giá trị lực lớn nhất thông qua lệnh Search Max; 3. Xác định thời gian tương ứng với giá trị lực lớn nhất; 5. Chọn công cụ Export To FEA để xuất dữ liệu sang môi trường FEA; 5. Chọn chi tiết, bộ phận sẽ được phân tích; 6. Chọn bề mặt chịu tác dụng trên đối tượng đã chọn. Hình 5.15 thể hiện cách xuất giá trị lực từ kết quả mô phỏng động lực học sang môi trường FEA.
Hình 5.15. Xuất kết quả mô phỏng sang môi trường FEA 5.6. Ví dụ mô phỏng động học trên phần mềm Autodesk Inventor® Mục đích của ví dụ này nhằm mô phỏng hoạt động của một cơ cấu cam cần đẩy như trên hình 5.16, với mô hình lắp ráp đã được xây dựng trên file CamValve.iam. Xác định mô men cần thiết để dẫn động cơ cấu dưới tác dụng của lực nén lò xo , so sánh kết quả mô phỏng trong hai trường hợp : kể đến ma sát và bỏ qua ma sát tại khớp tiếp xúc của cam và cần. Hình 5.16. Cơ cấu cam từ file CamValve.iam Quá trình mô phỏng cơ cấu Cam từ file láp ráp CamValve.iam được thực hiện theo các bước sau: 1. Mở file lắp ráp CamValve.iam từ thư mục inventor_2012_tutorial_files1
2. Click vào tab Environments, chọn Dynamic Simulation. Đây là môi trường để mô phỏng động lực học 3. Nếu xuất hiện hộp thoại về việc sử dụng file tutorial , click No để đóng 5. Quan sát cây thư mục Dynamic Simulation Browser để nhận biết chi tiết nào đang được chọn làm giá trong nhóm Grounded . 5. Xoay mô hình về vị trí thuận tiện cho việc quan sát như hình bên dưới .
6. Click Insert Joint để bắt đầu quá trình tạo khớp động. 7. Chọn khớp Revolution để tạo khớp quay . Khớp này sẽ liên kết hai đối tượng và cho phép chúng thực hiện 01 chuyển động quay tương đối quanh trục Z . 8. Chọn trục Z cho hệ trục tọa độ khớp trên đối tượng 1- Component 1 Z Axis, Kích chọn bề mặt trụ tren chi tiết Support như hình bên dưới.
9. Chọn gốc tọa độ cho hệ trục tọa độ - Component 1 Origin, kích chọn vào bề mặt sau của giá như hình bên dưới . Lúc này, một hệ trục tọa độ khớp trên chi tiết Support đã được xác lập . 10. Chọn Component 2 Z Axis, chọn vòng tròn ngoài trên chi tiết Cam để xác định trục Z như hình bên dưới . 11. Chú ý hai hệ trục tọa độ vừa định nghĩa trên hai đối tượng khác nhau về hướng của trục Z.
12. Kích vào nút Component 2 Flip Z Axis để thay đổi hướng cho trục Z trên chi tiết Cam. 13. Khi hai hệ trục đã được hiệu chỉnh để các trục ở vị trí tương ứng với như như hình vẽ. Click OK để hoàn thành quá trình tạo khớp Revolution.
15. Khớp động vừa được tạo ra sẽ đưa hai đối tượng về vị trí như hình vẽ. 15. Xoay mô hình về vị trí thuận tiện cho việc quan sát như hình bên dưới .