MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG THÂN MÁY TIỆN<br />
Nguyễn Thế Đoàn*<br />
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Bài báo này trình bày mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của lực xuất hiện trong quá trình cắt lên thân<br />
máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả này là tiền đề cho việc nâng cao tính<br />
hiệu quả trong tính toán thiết kế các chi tiết có hình dáng không gian phức tạp và ứng dụng<br />
phương pháp số vào quá trình thiết kế chi tiết, bộ phận máy.<br />
<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Ngày nay, theo yêu cầu thực tế sản phẩm<br />
thường có kết cấu phức tạp và kỹ thuật thiết<br />
kế ngày càng phát triển cho phép tính toán<br />
thiết kế các vật thể có hình dáng hình học rất<br />
phức tạp thuộc các nhóm vỏ, tấm, khối, thanh<br />
… Tiêu chí để đánh giá trình độ thiết kế là<br />
<br />
Hình 1. Mô hình phần tử nút<br />
<br />
G Kg <br />
<br />
<br />
N Kw ,<br />
<br />
phương pháp phần tử hữu hạn (FEMFinite Element Method) và các phần mềm<br />
FEM như Catia, Cosmos, Ansys … cho phép<br />
sơ đồ hóa và tính toán các sản phẩm loại này.<br />
Bài báo này nhằm giới thiệu trình tự tính toán<br />
các phần tử dạng vỏ mỏng có gân gờ, hốc kín,<br />
chi tiết thuộc cấu trúc phức tạp như kết cấu<br />
thân máy tiện.<br />
GIỚI THIỆU BÀI TOÁN<br />
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite<br />
Element Method) là một phương pháp số,<br />
dùng để giải các bài toán cơ học. Nội dung<br />
của phương pháp này là phân chia phần tử ra<br />
thành một tập hợp hữu hạn các miền con liền<br />
nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với<br />
nhau trên khắp từng mặt biên của chúng.<br />
Trường chuyển vị, ứng suất, biến dạng được<br />
xác định trong từng miền con. Mỗi miền con<br />
được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng phần<br />
tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối.<br />
Các phần tử được kết nối với nhau thông qua<br />
các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến<br />
n (n số nút của phần tử)<br />
<br />
Là phương pháp cho độ chính xác khá cao và<br />
kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay với<br />
sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp<br />
này đã và đang được ứng dụng rộng rãi.<br />
<br />
<br />
<br />
Phương pháp này xây dựng công thức dựa<br />
trên cơ sở hai phương pháp: phương pháp<br />
<br />
Tel:<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
| 46<br />
<br />
Nguyễn Thế Đoàn<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
biến phân (phương pháp Rayleigh–Ritz) và<br />
phương pháp weighted residuals (phương<br />
pháp Galerkin). Các phương trình cơ bản đều<br />
được suy ra từ các phương trình cân bằng<br />
tĩnh học bởi các giá trị đặc trưng của điều<br />
kiện biên.<br />
<br />
YA<br />
<br />
YB<br />
<br />
ZA<br />
M XA<br />
<br />
M YB<br />
<br />
G1<br />
<br />
G4<br />
<br />
G5<br />
<br />
Hình 3. Sơ đồ phân tích lực tác dụng<br />
YB<br />
<br />
YA<br />
<br />
M ZB<br />
<br />
Px<br />
<br />
M XA1<br />
<br />
G1<br />
<br />
G4<br />
<br />
Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp<br />
phần tử hữu hạn.<br />
<br />
A-A<br />
300<br />
<br />
1300<br />
270<br />
<br />
200<br />
<br />
120<br />
10<br />
<br />
550<br />
<br />
G2<br />
<br />
Ngoài các ngoại lực tác dụng lên thân máy<br />
xuất hiện trong quá trình gia công, trên sơ đồ<br />
(hình 2) còn kể đến các nội lực như trọng<br />
lượng hộp tốc độ G1, ụ động G2 , hộp chạy<br />
dao G3, chi tiết gia công G4, trọng lượng thân<br />
máy G5 được thống kê với máy thực:<br />
Bảng 1. Thông số nội lực tác dụng<br />
<br />
240<br />
<br />
1850<br />
<br />
PZ<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ tính lực<br />
<br />
160<br />
<br />
300<br />
<br />
M XB1<br />
<br />
Mx<br />
Py<br />
<br />
G5<br />
<br />
350<br />
<br />
450<br />
<br />
K.hiệu<br />
<br />
G1<br />
<br />
G2<br />
<br />
G3<br />
<br />
G4<br />
<br />
G5<br />
<br />
Trọng<br />
lượng<br />
<br />
4000<br />
<br />
1000<br />
<br />
3000<br />
<br />
427,04<br />
<br />
5966,5<br />
<br />
340<br />
<br />
A<br />
<br />
XA=10022,763 N<br />
YA=3727,469 N<br />
<br />
B-B<br />
<br />
YB=2571,681 N<br />
ZB=5597,575 N<br />
<br />
M YA1=2389,578 Nm<br />
<br />
50<br />
B<br />
<br />
300<br />
B<br />
<br />
400<br />
<br />
XB<br />
<br />
M YB1<br />
<br />
G3<br />
<br />
30<br />
<br />
70<br />
<br />
ZB<br />
<br />
ZA<br />
<br />
M YA1<br />
<br />
Khảo sát đối tượng thân máy T616 với tiết diện<br />
thay đổi, ảnh hưởng thành, vách, gân, gờ..)<br />
<br />
G2<br />
<br />
Py<br />
<br />
G3<br />
PZ<br />
<br />
(1)<br />
<br />
Ứng dụng phần mềm<br />
<br />
XB<br />
<br />
Px<br />
<br />
M YA<br />
<br />
M ZA<br />
XA<br />
<br />
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ<br />
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ<br />
<br />
ZB<br />
M ZB<br />
<br />
M ZA<br />
XA<br />
<br />
Quá trình xây dựng các phương trình cân<br />
bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa<br />
trên phương pháp Galerkin:<br />
<br />
Lu ( x) f ( x) a x b<br />
<br />
u (a) u a u (b) ub<br />
<br />
74(12): 46 - 50<br />
<br />
M ZB=625,426 Nm<br />
<br />
ZA= 5597,575 N<br />
30<br />
<br />
90<br />
<br />
M XA1=596,39 Nm<br />
<br />
40<br />
<br />
A<br />
<br />
330<br />
<br />
XB=4929,365 N<br />
<br />
M x =1007,864 Nm<br />
<br />
30<br />
<br />
320<br />
<br />
M YB1=1574,634 Nm<br />
<br />
P x=4912,1 N<br />
<br />
M XB1=411,469 Nm<br />
<br />
P y=6299,15<br />
<br />
M ZA=446,46 Nm<br />
<br />
Hình 2. Mô hình hình học thân máy tiện<br />
G=21081,73 N<br />
<br />
Tính toán thiết kế thân máy ở chế độ tính toán<br />
với đường kính gia công 320 (mm), chiều dài<br />
850 (mm), thân máy đúc, Thép 45 (HB=170 ,<br />
<br />
<br />
<br />
E = 2.107 N/cm2,<br />
= 7,8 Kg/dm3), với chế<br />
độ cắt tính toán : t* = 4,35(mm) ,S* =<br />
1,46(mm/vg), V* =18,52 ( m/ph) và lực cắt :<br />
Pz = 11688,19 (N), Py = 6299,15 (N), Px =<br />
4912,10 (N)<br />
<br />
G 1 =4000 N<br />
<br />
G 2=1000 N<br />
<br />
Hình 5. Sơ đồ ngoại và nội lực tác dụng lên thân máy<br />
<br />
Khảo sát trạng thái chịu tác dụng của ngoại<br />
lực, nội lực lên thân máy tiện như hình 4 ở<br />
mô hình 3D và cho chạy trên phần mềm<br />
Ansys ta nhận được phản lực tại các nút,<br />
ứng suất nút, chuyển vị nút và tần số dao<br />
động riêng.<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
| 47<br />
<br />
Nguyễn Thế Đoàn<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
74(12): 46 - 50<br />
<br />
Hình 9. Mô hình dạng chuyển vị<br />
<br />
Hình 6. Mô hình thân máy dạng 3D<br />
<br />
Hình 10. Mô hình dạng dao động riêng<br />
<br />
Hình 7. Mô hình phần tử<br />
(gồm 16073 phần tử, 29993 nút)<br />
<br />
Đánh giá kết quả<br />
* Kết quả dạng dữ liệu<br />
Ứng suất tương đương theo Von Mises<br />
Smax = 1,249<br />
(N/mm2)<br />
Smin = 0,564E-03 (N/mm2)<br />
Chuyển vị :<br />
Theo phương ox (Node 3381):<br />
Ux = - 0.12438E-04 (mm)<br />
Theo phương oy (Node 2865):<br />
Uy = - 0.46546E-05 (mm)<br />
Theo phương oz (Node 1330):<br />
Uz = - 0.56923E-05 (mm)<br />
Tổng (Node 3381):<br />
Usum = 0.12454E-04 (mm)<br />
<br />
Phản lực lớn nhất:<br />
<br />
Hình 8. Mô hình dạng ứng suất<br />
<br />
Theo phương ox:<br />
Fx = 259.75 (kG)<br />
Theo phương oy:<br />
Fy = 724.91 (kG)<br />
Theo phương oz:<br />
Fz = 18.130 (kG)<br />
Các tần số dao động riêng:<br />
f1 = 0,42091 (Hz)<br />
f2 = 0,64470 (Hz)<br />
f3 = 0,73091 (Hz)<br />
f4 = 0,79875 (Hz)<br />
f5 = 1,0106 (Hz)<br />
* Đánh giá<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
| 48<br />
<br />
Nguyễn Thế Đoàn<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
- Công cụ phần mềm dễ thiết kế, gia công,<br />
hoạt động của mô hình đáp ứng được những<br />
yêu cầu đề ra.<br />
- Thao tác đơn giản, không cần tính toán.<br />
- Độ chính xác đạt yêu cầu.<br />
- Việc lựa chọn phần mềm để kiểm tính toán<br />
sức bền dễ dàng, kinh tế.<br />
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN<br />
Kết luận<br />
- Xây dựng mô hình tính thân máy tiện đầy đủ<br />
hơn tính truyền thống.<br />
- Sử dụng phương pháp số vào trong quá trình<br />
thiết kế.<br />
- Ứng dụng phần mềm trong thiết kế máy và<br />
kết quả sau khi mô phỏng tính toán chấp<br />
nhận được.<br />
- Các tần số dao động riêng của thân máy<br />
không trùng với tần số kích thích của máy.<br />
- Sử dụng kết quả của đề tài (quá trình biến<br />
dạng và chuyển vị của cơ hệ) làm dữ liệu để<br />
xây dựng thiết kế các mô hình phức tạp mà<br />
phương pháp truyền thống không thể đáp<br />
ứng được.<br />
- Xác định nhanh và chính xác các kết quả<br />
của bài toán (ứng suất, biến dạng), giúp cho<br />
quá trình thiết kế rút ngắn thời gian.<br />
- Qua đề tài này giới thiệu cho chúng ta cách<br />
thức giải bài toán sức bền bằng phần mềm<br />
ANSYS thông qua hai cách (dùng thanh công<br />
cụ hoặc lập trình bằng các câu lệnh). Tạo điều<br />
kiện cho người học làm quen với việc ứng<br />
dụng công nghệ thông tin trong suốt quá trình<br />
học và công tác sau này.<br />
- Các bước giải bài toán bằng phần mềm này<br />
ngắn gọn, đơn giản, có thể thực hiện tính toán<br />
một số bài toán cơ bản với việc ứng dụng tin<br />
học trong thiết kế, kiểm tra nhanh và chính<br />
xác các kết quả tính toán.<br />
Hướng phát triển<br />
- Trong báo cáo mới chỉ khảo sát một số bài<br />
toán cơ bản, còn các bài toán phức tạp hơn<br />
cần tiếp tục được nghiên cứu và làm rõ.<br />
<br />
74(12): 46 - 50<br />
<br />
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc<br />
tính toán bền, mô phỏng quá trính biến dạng<br />
của các kết cấu không gian, chi tiết máy có<br />
hình dáng phức tạp như các khuôn có hình<br />
dáng phức tạp, các chi tiết máy làm việc trong<br />
các môi trường đặc biệt...<br />
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc<br />
tính toán bền các chi tiết, bộ phận máy khi<br />
làm việc với tải trọng thay đổi.<br />
- Nghiên cứu để áp dụng phần mềm vào các<br />
ngành khác: truyền nhiệt, thuỷ lực, điện, địa<br />
chất...<br />
- Xây dựng các bước, chương trình liên kết<br />
giữa phần mềm ANSYS với các phần mềm<br />
thiết kế khác:Pro/engineer, Solikword,<br />
AutoCad, Mechanical Desktop, Catia,<br />
Inventer… để thuận lợi cho quá trình dựng<br />
mô hình các chi tiết.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Ths Đặng Tính, Phương pháp phần tử hữu<br />
hạn tính toán khung và móng công trình làm việc<br />
đồng thời với nền - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ<br />
thuật Hà Nội – 1999.<br />
[2]. GS.TS Nguyễn Văn Phái, TS Trương Tích<br />
Thiện, Ths. Nguyễn Tường Long, Ths. Nguyễn<br />
Định Giang, Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng<br />
chương trình ANSYS, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,<br />
Tp. Hồ Chí Minh, 2003.<br />
[3]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng<br />
dẫn sử dụng ANSYS, Hà Nội.<br />
[4].PGS. TS Nguyễn Văn Vượng (2000), Sức bền<br />
vật liệu, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội .<br />
[5] Kỷ yếu Hội thảo toàn quốc về giảng dạy<br />
Nguyên lý-Chi tiết máy, Đại học Kỹ thuật Công<br />
nghiệp Thái Nguyên, 11&12/5/2008.<br />
[6].The Finite Element Method For Solid and<br />
Structural Mechanics , Sixth Edition by O . C .<br />
Zienkiewicz .<br />
[7] .Machine Design A Cad Approach - Andrew<br />
D. Dimarogonas<br />
W. Palm<br />
Professor of<br />
Mechanical Design Washington University, St.<br />
Louis, Missouri, USA.<br />
[8]. Finite Element Method (FEM), The University<br />
of Auckland, New Zealand 2005.<br />
[9]. http://www.//ANSYS.com<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
| 49<br />
<br />
Nguyễn Thế Đoàn<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
74(12): 46 - 50<br />
<br />
SUMMARY<br />
CALCULATING MODEL OF DEFORMATION IN TURNING MACHINE BODY<br />
Nguyen The Doan<br />
Thai Nguyen University of Technology<br />
<br />
This paper presented the model, which researched the affection of force appearing in cutting process on<br />
turning machines body by finete elements method (FEM). Those results are basis to improve the effect in<br />
designing and calculating parts, which have complicated spatial shape. They also are foundation for appling<br />
numerical method in designing process parts and units of machines.<br />
Key word: calculating model of deformation, turning machine body<br />
<br />
<br />
<br />
Tel: 0915 321 020, Email: nguyenthedoan.tnut@gmail.com<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
| 50<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
