Mô hình tính toán biến dạng thân máy tiện

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG THÂN MÁY TIỆN Nguyễn Thế Đoàn* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này trình bày mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của lực xuất hiện trong quá trình cắt lên thân máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả này là tiền đề cho việc nâng cao tính hiệu quả trong tính toán thiết kế các chi tiết có hình dáng không gian phức tạp và ứng dụng phương pháp số vào quá trình thiết kế chi tiết, bộ phận máy.  ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, theo yêu cầu thực tế sản phẩm thường có kết cấu phức tạp và kỹ thuật thiết kế ngày càng phát triển cho phép tính toán thiết kế các vật thể có hình dáng hình học rất phức tạp thuộc các nhóm vỏ, tấm, khối, thanh Tiêu chí để đánh giá trình độ thiết kế là Hình 1. Mô hình phần tử nút G  Kg    N  Kw  , phương pháp phần tử hữu hạn (FEM- Finite Element Method) và các phần mềm FEM như Catia, Cosmos, Ansys cho phép sơ đồ hóa và tính toán các sản phẩm loại này. Bài báo này nhằm giới thiệu trình tự tính toán các phần tử dạng vỏ mỏng có gân gờ, hốc kín, chi tiết thuộc cấu trúc phức tạp như kết cấu thân máy tiện. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học. Nội dung của phương pháp này là phân chia phần tử ra thành một tập hợp hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng. Trường chuyển vị, ứng suất, biến dạng được xác định trong từng miền con. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng phần tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối. Là phương pháp cho độ chính xác khá cao và Các phần tử được kết nối với nhau thông qua kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay với các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp n (n số nút của phần tử) này đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này xây dựng công thức dựa trên cơ sở hai phương pháp: phương pháp  Tel: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 46 Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 YA YB biến phân (phương pháp Rayleigh–Ritz) và ZA ZB MZB phương pháp weighted residuals (phương MZA XA MXA XB Px MYB pháp Galerkin). Các phương trình cơ bản đều MYA được suy ra từ các phương trình cân bằng G1 G4 G2 Py tĩnh học bởi các giá trị đặc trưng của điều G3 kiện biên. PZ Quá trình xây dựng các phương trình cân G5 bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa Hình 3. Sơ đồ phân tích lực tác dụng YA YB trên phương pháp Galerkin: ZA ZB MZB MZA Px Lu(x) f (x) a  x  b XA MXA1 MYB1 XB  MYA1 Mx MXB1 u(a)  ua u(b)  ub  (1) Py PZ G1 G4 G2 Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. G3 G5 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ Hình 4. Sơ đồ tính lực ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Ngoài các ngoại lực tác dụng lên thân máy Ứng dụng phần mềm xuất hiện trong quá trình gia công, trên sơ đồ Khảo sát đối tượng thân máy T616 với tiết diện (hình 2) còn kể đến các nội lực như trọng thay đổi, ảnh hưởng thành, vách, gân, gờ..) lượng hộp tốc độ G1, ụ động G2 , hộp chạy A-A dao G3, chi tiết gia công G4, trọng lượng thân 1300 300 270 máy G5 được thống kê với máy thực: 200 120 10 70 30 Bảng 1. Thông số nội lực tác dụng 350 K.hiệu G1 G2 G3 G4 G5 160 Trọng 550 300 4000 1000 3000 427,04 5966,5 450 240 lượng 1850 340 A XA=10022,763 N B-B YA=3727,469 N YB=2571,681 N 50 MYA1=2389,578 Nm ZB=5597,575 N B ZA=5597,575 N MZB=625,426 Nm 300 30 90 B MYB1=1574,634 Nm 400 Px=4912,1 N XB=4929,365 N 40 MXA1=596,39 Nm A Mx =1007,864 Nm MXB1=411,469 Nm 330 30 320 MZA=446,46 Nm Py=6299,15 Hình 2. Mô hình hình học thân máy tiện G=21081,73 N G2=1000 N Tính toán thiết kế thân máy ở chế độ tính toán G1=4000 N với đường kính gia công 320 (mm), chiều dài Hình 5. Sơ đồ ngoại và nội lực tác dụng lên thân máy 850 (mm), thân máy đúc, Thép 45 (HB=170 , Khảo sát trạng thái chịu tác dụng của ngoại E = 2.107 N/cm2,  = 7,8 Kg/dm3), với chế lực, nội lực lên thân máy tiện như hình 4 ở độ cắt tính toán : t* = 4,35(mm) ,S* = mô hình 3D và cho chạy trên phần mềm 1,46(mm/vg), V* =18,52 ( m/ph) và lực cắt : Ansys ta nhận được phản lực tại các nút, Pz = 11688,19 (N), Py = 6299,15 (N), Px = ứng suất nút, chuyển vị nút và tần số dao 4912,10 (N) động riêng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 47 Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 Hình 9. Mô hình dạng chuyển vị Hình 6. Mô hình thân máy dạng 3D Hình 10. Mô hình dạng dao động riêng Đánh giá kết quả * Kết quả dạng dữ liệu Ứng suất tương đương theo Von Mises 2 Smax = 1,249 (N/mm ) 2 Smin = 0,564E-03 (N/mm ) Chuyển vị : Theo phương ox (Node 3381): Hình 7. Mô hình phần tử Ux = - 0.12438E-04 (mm) (gồm 16073 phần tử, 29993 nút) Theo phương oy (Node 2865): Uy = - 0.46546E-05 (mm) Theo phương oz (Node 1330): Uz = - 0.56923E-05 (mm) Tổng (Node 3381): Usum = 0.12454E-04 (mm) Phản lực lớn nhất: Theo phương ox: Fx = 259.75 (kG) Theo phương oy: Hình 8. Mô hình dạng ứng suất Fy = 724.91 (kG) Theo phương oz: Fz = 18.130 (kG) Các tần số dao động riêng: f1 = 0,42091 (Hz) f2 = 0,64470 (Hz) f3 = 0,73091 (Hz) f4 = 0,79875 (Hz) f5 = 1,0106 (Hz) * Đánh giá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 48 Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 - Công cụ phần mềm dễ thiết kế, gia công, - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc hoạt động của mô hình đáp ứng được những tính toán bền, mô phỏng quá trính biến dạng yêu cầu đề ra. của các kết cấu không gian, chi tiết máy có - Thao tác đơn giản, không cần tính toán. hình dáng phức tạp như các khuôn có hình - Độ chính xác đạt yêu cầu. dáng phức tạp, các chi tiết máy làm việc trong - Việc lựa chọn phần mềm để kiểm tính toán các môi trường đặc biệt... sức bền dễ dàng, kinh tế. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN tính toán bền các chi tiết, bộ phận máy khi Kết luận làm việc với tải trọng thay đổi. - Xây dựng mô hình tính thân máy tiện đầy đủ - Nghiên cứu để áp dụng phần mềm vào các hơn tính truyền thống. ngành khác: truyền nhiệt, thuỷ lực, điện, địa chất... - Sử dụng phương pháp số vào trong quá trình thiết kế. - Xây dựng các bước, chương trình liên kết giữa phần mềm ANSYS với các phần mềm - Ứng dụng phần mềm trong thiết kế máy và thiết kế khác:Pro/engineer, Solikword, kết quả sau khi mô phỏng tính toán chấp AutoCad, Mechanical Desktop, Catia, nhận được. Inventer để thuận lợi cho quá trình dựng - Các tần số dao động riêng của thân máy mô hình các chi tiết. không trùng với tần số kích thích của máy. - Sử dụng kết quả của đề tài (quá trình biến TÀI LIỆU THAM KHẢO dạng và chuyển vị của cơ hệ) làm dữ liệu để [1]. Ths Đặng Tính, Phương pháp phần tử hữu xây dựng thiết kế các mô hình phức tạp mà hạn tính toán khung và móng công trình làm việc phương pháp truyền thống không thể đáp đồng thời với nền - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ ứng được. thuật Hà Nội – 1999. - Xác định nhanh và chính xác các kết quả [2]. GS.TS Nguyễn Văn Phái, TS Trương Tích Thiện, Ths. Nguyễn Tường Long, Ths. Nguyễn của bài toán (ứng suất, biến dạng), giúp cho Định Giang, Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng quá trình thiết kế rút ngắn thời gian. chương trình ANSYS, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, - Qua đề tài này giới thiệu cho chúng ta cách Tp. Hồ Chí Minh, 2003. thức giải bài toán sức bền bằng phần mềm [3]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng ANSYS thông qua hai cách (dùng thanh công dẫn sử dụng ANSYS, Hà Nội. cụ hoặc lập trình bằng các câu lệnh). Tạo điều [4].PGS. TS Nguyễn Văn Vượng (2000), Sức bền vật liệu, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội . kiện cho người học làm quen với việc ứng [5] Kỷ yếu Hội thảo toàn quốc về giảng dạy dụng công nghệ thông tin trong suốt quá trình Nguyên lý-Chi tiết máy, Đại học Kỹ thuật Công học và công tác sau này. nghiệp Thái Nguyên, 11&12/5/2008. - Các bước giải bài toán bằng phần mềm này [6].The Finite Element Method For Solid and ngắn gọn, đơn giản, có thể thực hiện tính toán Structural Mechanics , Sixth Edition by O . C . một số bài toán cơ bản với việc ứng dụng tin Zienkiewicz . học trong thiết kế, kiểm tra nhanh và chính [7] .Machine Design A Cad Approach - Andrew D. Dimarogonas W. Palm Professor of xác các kết quả tính toán. Mechanical Design Washington University, St. Hướng phát triển Louis, Missouri, USA. - Trong báo cáo mới chỉ khảo sát một số bài [8]. Finite Element Method (FEM), The University of Auckland, New Zealand 2005. toán cơ bản, còn các bài toán phức tạp hơn cần tiếp tục được nghiên cứu và làm rõ. [9]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 49 Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 SUMMARY CALCULATING MODEL OF DEFORMATION IN TURNING MACHINE BODY Nguyen The Doan Thai Nguyen University of Technology This paper presented the model, which researched the affection of force appearing in cutting process on turning machines body by finete elements method (FEM). Those results are basis to improve the effect in designing and calculating parts, which have complicated spatial shape. They also are foundation for appling numerical method in designing process parts and units of machines. Key word: calculating model of deformation, turning machine body  Tel: 0915 321 020, Email: nguyenthedoan.tnut@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 50