TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 238
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CAD ĐỂ GIẢI VÀ MÔ PHỎNG TÍNH BỀN
CHO CÁC BÀI TOÁN SỨC BỀN VẬT LIỆU
RESEARCH ON CAD APPLICATION TO SOLVING AND SIMULATE STRENGTH
FOR MATERIAL STRENGTH PROBLEMS
Phạm Văn Linh1, Trương Quang Nhật1, Nguyễn Huy Phương1,
Nguyễn Minh Quyết1, Trương Chí Công2,*
1Lớp COKH 01 - K17 Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: truongchicong@haui.edu.vn
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu về việc sử dụng các phần mềm CAD để mô phỏng, tính toán, giải các bài toán sức bền có tính trực
quan cao vì các bài toán được mô tả qua các hình ảnh, đồ thị trực quan hơn. Từ kết quả mô phỏng ở trên, nhóm nghiên cứu
có thể đánh giá được liệu các phần mềm CAD có thể thay thế được cho các thiết bị thực hành ở phòng thí nghiệm hay
không ? Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã nhận thấy có nhiều hạn chế trong việc mô phỏng trên các phần mềm CAD.
Từ khóa: Mô phỏng, vật liệu, phần mềm CAD.
ABSTRACT
The article studies the use of CAD software to simulate, calculate, and solve highly intuitive strength problems because
the problems are described through more intuitive images and graphs. From the simulation results above, the research team
can evaluate whether CAD software can replace practical equipment in the laboratory or not? In addition, the research
team also found many limitations in simulation on CAD software.
Keywords: Simulation, materials, CAD software.
KÝ HIỆU
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
M MPa Momen Uốn
F N Lực
CHỮ VIẾT TẮT
CAD Computer-aided design
1. GIỚI THIỆU
Phần mềm CAD [1] là phần mềm hỗ trợ cho việc thiết
kế kỹ thuật, công cụ giúp người dùng thiết kế và tạo ra các
mô hình 2D và 3D chính xác và hiệu quả, dễ dàng sửa đổi,
thử nghiệm, mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế mà không cần
tạo mô hình vật lý, giúp tiết kiệm công sức tiền bạc và thời
gian trong thực hiện công việc.
Việc tính và mô phỏng các bài toán sức bền vật liệu bằng
phần mềm CAD nhằm mục đích thử nghiệm và đối sánh với
thực tế để có thể đưa việc mô phỏng tính bền thông qua ứng
dụng vào việc thí nghiệm tại xưởng cơ khí để có thể tối đa
hóa được thời gian cũng như chi phí thực hiện thí nghiệm.
Phần mềm Inventor [2] cùng với phần mềm Ansys được sử
dụng nhiều trong các lĩnh vực như thiết kế sản phầm cơ khí,
phân tích và mô phỏng, kiến trúc và xây dựng,… đều là
những phần mềm mô phỏng tính bền, chúng tương hỗ cho
nhau tạo cơ sở cho việc đối chiếu và so sánh về ứng suất
cũng như độ biến dạng của phôi trong khi thực hiện mô
phỏng trên máy tính và việc thực hành thí nghiệm thực tế.
Trong quả trình thí nghiệm tại xưởng, lực sinh ra tác
dụng lên phôi thí nghiệm rất lớn ảnh hưởng đến việc biến
dạng của phôi làm việc kiểm bền cũng như tính toán thực tế
rất khác so với việc tính toán trên lý thuyết. Việc mô phỏng
các thí nghiệm của sức bền vật liệu thông qua các ứng dụng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 239như Inventor và Ansys từ đó đối sánh với thí nghiệm trên
thực tế để đưa ra kết luận khác quan nhất về việc áp dụng
công nghệ mô phỏng thí nghiệm sức bền vào thực tế để có
thể dễ dàng đo đạt thông số tính toán một cách chính xác
nhất về việc thực nghiệm thí nghiệm của học phần sức bền
vật liệu tại Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Thí nghiệm kéo đúng tâm
- Kết cấu của phôi mô phỏng
a) Kích thức của phôi
b) mô hình 3D của phôi
Hình 1. Phôi thí nghiệm kéo đúng tâm
Vật liệu của phôi thí nghiệm là C45.
Hình 2. Kết quả “Maximum Shear” sau khi mô phỏng
Thực hiện mô phỏng thí nghiệm cần phải cố định một
đầu của phôi, sau đó điều chỉnh một lực bằng với lực đã
dùng với thi nghiệm thực tế với phương trùng với phương
dọc trục và có chiều hướng ra ngoài của phôi.
Sau khi đưa vào mô phỏng chúng ta có thể thấy được
phần mềm sẽ đưa ra cho chúng ta kết quả như hình trên.
Phôi có hiện tượng bị kéo biến dạng về một phía của phôi,
có thế thấy được đường kính của trục nhỏ không có thay đổi
gì đáng kế so với ban đầu. Với ứng suất cao nhất
M = 505,3MPa.
2.2. Thí nghiệm nén đúng tâm.
- Kết cấu của phôi mô phỏng
Hình 3. Thông số hình học và mô hình 3D được dựng lên để thí
nghiệm
Vật liệu của phôi thí nghiệm là Steel-4340.
Hình 4. Kết quả của “Maximum Shear Stress” của Steel-4340
Thực hiện mô phỏng thí nghiệm, cần cố định phần trụ
dưới của phôi, sau đó sẽ chọn lực giống vứi thí nghiệm thực
tế tại xưởng, với phương trùng với phương dọc trục của
phôi và có chiều hướng vào phôii thí nghiệm.
Sau khi thực hiện thí nghiệm mô phỏng, chúng ta có thế
thấy được phần mềm đưa cho chúng ta về ứng suất cắt như
hình trên. Phôi có hiện tượng bị nén làm biến dạng phần đáy
của phôi làm cho đường kính của đáy phôi có sự thay đổi
về kích thước nhưng không thế thấy sự thay đổi quá rõ trong
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 240mô phỏng. Ứng suất cắt lớn nhất xuất hiện tại đáy cố định
của phôi với lực lên đến M = 106,82MPa.
2.3. Thí nghiệm uốn ba điểm
- Kết cấu của phôi mô phỏng
Hình 5. Thông số mẫu thí nghiệm
Hình 6. Mô hình 3D của phôi thí nghiệm.
Vật liệu dùng trong mô phỏng thí nghiệm Stainless steel.
Hình 7. Kết quả thu được từ vật liệu Stainless steel
Để tiến hành mô phỏng thí nghiệm, ta cần phải gán 2
mặt phẳng ở đáy của 2 gối đỡ phôi với mặt phẳng cố định,
sau đó chon điển đặt lực ở chính giữa phôi thí nghiệm với
độ lớn lực giống với thí nghiệm thực tế F = 49000N, với
phương vuông góc với mặt phẳng phôi và chiều hướng vào
mặt phằng cố định chứa 2 gối đỡ mà ta chọn ở đầu.
Sau khi thực hiện mô phỏng, phần mềm cho chúng ta
kết quả như hình trên, ứng suất cắt xuất hiện tại điểm giao
nhau giữa 2 gối là phôi cũng như ở mặt dưới của phôi nơi
có lực tác dụng là lớn nhất với M = 503,1MPa.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Các bài toán sức bền vật liệu đã được tính toán và mô
phỏng trong ứng dụng Inventor và Ansys để đưa ra bảng số
liệu đối ứng, so sánh với kết quả thực tế thu được khi tiến
hành các thí nghiệm thực tế trên xưởng thực hành.Các kết
quả thu được đều có kết quả rất khả quan so với kết quả
thực tế, tuy rằng vẫn có những sai số nhất định nhưng đều
trong khoảng chấp nhận được. Do những hạn chế của phần
mềm nên chỉ mô phỏng được 85 - 90% so với thực tế, ngoài
ra việc sử dụng những bản vẽ vật liệu có thể sẽ khác so vật
liệu thực tế. Các vật liệu trên phần mềm mô phỏng cũng
không có nhiều sự lựa chọn nên cũng có rất nhiều khó
khăn.Thời gian mô phỏng trên phần mềm khá lâu, ngoài ra
phần mềm cũng yêu cầu phần cứng mạnh để có thể sử dụng
được, cũng là một vấn đề nếu muốn hướng tới các người
dùng phổ thông hơn.Quá trình làm quen phần mềm còn khó
khăn, đặc biệt là đối với phần mềm Ansys, thao tác phức
tạp rất khó làm quen.
Chúng ta có thể dùng kết hợp ứng dụng Inventor cùng
Ansys với nhau để có thế đạt được kết quả tối ưu nhất như
là việc ứng dụng Ansys còn hạn chế trong việc dựng bản
thiết kế 2D cùng với việc xây dựng mô phỏng 3D còn hạn
chế, khó thao tác. Ta có thể dựng hình và thiết kế 3D bên
ứng dụng Inventor sau đó tích hợp sang bên ứng dụng
Ansys để có thế đạt được kết quả tốt hơn như nhóm đã nêu
bên trên.Có thể lựa chọn phần mềm phù hợp, Cần cân nhắc
giữa độ phức tạp của bài toán, yêu cầu về độ chính xác, kinh
phí và thời gian để lựa chọn phần mềm phù hợp. Đơn giản
hóa mô hình đơn giản hóa mô hình một cách hợp lý để giảm
thời gian tính toán và đảm bảo tính ổn định.Cùng với việc
tìn được các phần mềm tốt hơn để có thể tối ưu hóa việc mô
phỏng thì song song đó ta cần một máy tính có cấu hình cao,
bộ nhớ đủ để có thể thực hiện điều hành mô phỏng tốt hơn
cùng với bộ xử lý cao để đưa ra kết quả tốt nhất có thể.
4. KẾT LUẬN
Nội dung bài báo đã nghiên cứu về khả năng tính toán
và mô phỏng trong phần mềm Inventor và Ansys để giải và
mô phỏng tính bền cho các bài toán sức bền vật liệu. Trong
nghiên cứu này nhóm đã thu được một số kết quả sau: Tìm
hiểu và tham khảo được những thành quả trong nước và
ngoài nước trong cùng lĩnh vực mà nhóm nghiên cứu; làm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 241quen được với các phần mềm mô phỏng, biết được có rất
nhiều phần mềm hỗ trợ trong việc hỗ trợ vẽ 2D cùng với
việc xây dựng mô hình 3D và việc mô phỏng các mô hình
đó trong thực tế; tìm hiểu, học hỏi được cách để tiến hành
mô phỏng; tìm hiểu và nghiên cứu, tìm tòi các lợi ích mà
ứng dụng Inventor cùng với Ansys mang lại trong lĩnh vực
mô phỏng tính bền, đưa ra được các kết quả so sánh với các
thí nghiệm thực hành tại xưởng, đối chiếu so sánh các kết
quả đó rồi được ra kết luận áp dụng thay thế các thí nghiệm
thực hành tại xưởng để giảm tải kinh phí cũng như thời gian.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Ngọc Cường, Bùi Mạnh Tuấn, Huỳnh Chí Trung, 2018. Ứng dụng hệ thống CAD/CAE phân tích tính toán
kết cấu khung.
[2]. Đỗ Hữu Quyết, 2008. Sử dụng ANSYN trong môi trường inventor để tính toán thiết kế chi tiết máy.
[3] Nguyễn Thị Thu Hường, 2017. Giáo trình sức bền vật liệu - Đại học Công nghiệp Hà Nội.
[4]. Phạm Đình Sùng, 2016. Giáo trình vật liệu cơ khí, NXB Xây dựng
[5]. Lê Công Dưỡng, 2000. Vật liệu học, NXB Khoa học và Kỹ thuật
[6]. Thái Thế Hùng, 2009. Sức bền vật liệu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[7]. Nhữ Phương Mai, 2009. Lý thuyết và bài tập Sức bền vật liệu, Nhà xuất bản Giáo dục.