Mô phỏng động học các cơ cấu cơ khí bằng phần mềm ansys workbench r16

Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan về Ansys Workbench R16

Công ty ANSYS, được thành lập vào năm 1970 tại Cannonsburg, Pennsylvania, Hoa Kỳ, chuyên phát triển và thương mại hóa phần mềm mô phỏng kỹ thuật và công nghệ trên toàn cầu Các sản phẩm phần mềm của ANSYS được sử dụng rộng rãi bởi các kỹ sư và nhà thiết kế trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Phần mềm được phát triển với các giải pháp linh hoạt, cho phép phân tích thiết kế trực tiếp trên máy tính, tạo ra môi trường chung cho quá trình phát triển nhanh chóng và hiệu quả với chi phí hợp lý Từ giai đoạn thiết kế ý tưởng đến thử nghiệm thực tế, công ty có mạng lưới đối tác toàn cầu với hơn 20 điểm bán hàng chiến lược và khoảng 40 quốc gia, cùng với 1600 nhân viên chuyên trách phân phối sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo nhân lực.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công cụ toán học và máy tính điện tử đã dẫn đến việc hoàn thiện các phần mềm công nghiệp để giải quyết các bài toán trong cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, động học, và các bài toán tuyến tính cũng như phi tuyến ANSYS nổi bật là phần mềm mạnh mẽ, được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của lĩnh vực cơ học.

ANSYS (Analysis Systems) là phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) toàn diện, được sử dụng để mô phỏng và tính toán thiết kế công nghiệp Phần mềm này đã và đang được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật như kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ và tương tác giữa các môi trường cũng như các hệ vật lý.

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS bao gồm ba phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor) Ngoài ba bước này, quá trình phân tích còn cần đến bước chuẩn bị (preferences), giúp định hướng bài tính Trong bước này, cần xác định loại phân tích sẽ thực hiện, chẳng hạn như phân tích kết cấu, nhiệt hay điện từ, cũng như quá trình mô hình hóa.

25 như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ …), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell Plate…)

Hiểu rõ các bước phân tích trong ANSYS giúp giải quyết bài toán dễ dàng hơn Để thể hiện ý tưởng trong ANSYS, người dùng có thể sử dụng hai phương pháp giao tiếp: giao diện đồ họa (GUI) với các thao tác nhấp chuột hoặc viết mã lệnh trong file văn bản và đọc vào từ File/Read input from Ngoài ra, có thể kết hợp linh hoạt giữa hai cách này, chẳng hạn như sử dụng lệnh để tạo cấu trúc và sau đó dùng menu để khai thác kết quả.

Công ty Ansys đã thiết lập chuẩn mực trong mô phỏng kỹ thuật với các dòng sản phẩm tiên tiến Ansys phát triển và cung cấp phần mềm cùng hỗ trợ toàn cầu cho giải pháp mô phỏng kỹ thuật, giúp dự đoán hành vi sản phẩm trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế Là công ty hàng đầu trong lĩnh vực công cụ và công nghệ CAE (Kỹ thuật hỗ trợ máy tính), các giải pháp của Ansys không chỉ cho phép doanh nghiệp hiểu rõ tính năng hoạt động của sản phẩm mà còn đảm bảo chất lượng thiết kế của nó.

Ansys được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp:

 Các sản phẩm và quy trình công nghệ chất lượng cao và luôn được đổi mới

 Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm

 Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới

 Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm

 Chiến lược mô phỏng đón đầu tạo ra một phương pháp hiệu quả để đưa sản phẩm vào thị trường với giá thành thấp hơn

Trước đây, việc thực hiện các mô phỏng số phức tạp thường yêu cầu nhiều phần mềm và kịch bản phức tạp Tuy nhiên, phần mềm ANSYS Multiphysics đã mang đến một giải pháp tích hợp, kết hợp các mô đun như tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học và điện từ trong một sản phẩm duy nhất Với ANSYS Multiphysics, người dùng sẽ trải nghiệm sự thuận tiện và khả năng mô phỏng đa dạng, giúp tối ưu hóa quy trình phân tích.

ANSYS Multiphysics kết hợp hai phương pháp chính là phương pháp ma trận và phương pháp vectơ tải trọng, giúp cung cấp kết quả mô phỏng chính xác và đáng tin cậy Công cụ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả hệ thống làm mát và sản xuất.

Phần mềm hiện đại hỗ trợ mô phỏng các bài toán tương tác giữa nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau như nhiệt – cơ, dòng chảy – kết cấu và tĩnh điện – kết cấu Nó cung cấp nhiều thuật giải phong phú, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và phân tích trong các ứng dụng năng lượng, công nghệ sinh học và hệ vi cơ điện tử (MEMS).

Ví dụ về phân tích bài toán trao đổi nhiệt bằng phóng xạ giữa một trụ lăn trên một tấm phẳng bằng thuật toán Đa trường (Multi-field)

Ansys Structural là phần mềm lý tưởng cho việc tính toán kết cấu đơn giản mà không cần phân tích tương tác, cung cấp khả năng mô phỏng chính xác các kết cấu phi tuyến và tuyến tính Với đầy đủ các loại phần tử và mô hình vật liệu, Ansys Structural có thể xử lý các kết cấu lớn và phức tạp, đồng thời phân tích sự tiếp xúc trong các mối lắp Giao diện đồ họa kiểu cấu trúc cây giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các mô hình vật liệu và lựa chọn tùy chọn giải tối ưu Ngoài ra, phần mềm hỗ trợ tính toán song song cho các tùy chọn giải cao cấp Khi cần thiết, người dùng có thể nâng cấp lên Ansys Mechanical, trong khi các phân tích tương tác phức tạp hơn như dòng chảy và điện từ được thực hiện trong Ansys Multiphysics.

Ansys DesignSpace là một phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, hỗ trợ các nhà thiết kế và kỹ sư trong việc xây dựng, mô hình hóa và hiện thực hóa ý tưởng ngay tại bàn làm việc Với công nghệ Tự động hóa Dựa trên Kiến thức, Ansys DesignSpace được phát triển từ những kỹ thuật tiên tiến của Ansys, đã được hoàn thiện qua 32 năm nghiên cứu và phát triển.

Sử dụng DesignSpace giúp các nhà thiết kế rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm và giảm thiểu sai sót Với công cụ này, kỹ sư có thể thực hiện các tính toán về kết cấu, nhiệt, động lực học, tối ưu hóa khối lượng và chức năng, cũng như mô phỏng dao động và tính toán hệ số an toàn một cách dễ dàng.

Sử dụng phần mềm Ansys Workbench R16, chúng tôi tiến hành mô phỏng các cơ cấu cơ khí phổ biến nhằm phân tích ứng suất, chuyển vị và biến dạng của chúng trong quá trình làm việc dưới tải trọng nhất định.

Tìm hiểu các cơ cấu từ đơn giản đến phức tạp giúp bạn hiểu rõ nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các chi tiết trong hệ thống Điều này hỗ trợ trong việc lập kế hoạch mô phỏng, cài đặt liên kết, chia lưới và thiết lập điều kiện biên cho bề mặt làm việc, từ đó phân tích ứng suất và ứng lực hiệu quả.

Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là cơ khí, việc phân tích và xác định các thành phần như ứng suất, chuyển vị và độ biến dạng đang trở nên phức tạp, yêu cầu kỹ sư phải ghi nhớ nhiều công thức và tốn nhiều thời gian tính toán Do đó, nghiên cứu và sử dụng phần mềm Ansys WorkBench R16 là cần thiết để giải quyết những vấn đề phức tạp này và nâng cao hiệu suất công việc.

Trong thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS tích hợp với các công cụ thiết kế mô hình 2D và 3D để phân tích ứng suất, biến dạng, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy, từ đó xác định độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết Việc này giúp tìm ra các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS cũng hỗ trợ giải quyết các bài toán cơ học với nhiều loại mô hình vật liệu khác nhau như đàn hồi tuyến tính, phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, và các chất lỏng, khí.

Phương pháp nghiên cứu

 Quá trình tiền xử lý: Mô hình hình học, tiếp xúc, chia lưới, hệ tọa độ

 Phân tích kết cấu: + Thiết lập phần từ phân tích

+ Áp đặt tải và điều kiện biên

+ Xử lý và khai thác kết quả

THANH ĐIỀU KHIỂN

2.15 Các vùng trong phần làm việc 34

2.20 Lựa chọn cách hiển thị giá trị 36

2.26 Thanh công cụ hỗ trợ trong Geometry 38

2.31 Các thanh công cụ thường dùng trong Connections 39

2.34 Bảng nhập giá trị bước và thời gian 40

2.36 Các dạng biến đổi xảy 40

3.1 Thông số tính toán bánh răng côn 42

3.2 Thông số tính toán bánh răng thẳng 44

3.3 Tính toán cơ cấu tay quay con trượt 46

3.4 Tính toán cơ cấu cam phẳng 47

3.5 Thông số hình học cơ bản của cam 47

3.6 Góc áp lực đầu cần 48

3.7 Phân tích động học góc quay của cam 48

3.8 Thành phần cơ cấu bánh răng hành tinh 49

3.9 Thông số tính toán bánh răng 49

3.10 Tính toán cơ cấu bánh vít trục vít 51

3.11 Các thông số trục vít 51

3.12 Các thông số bánh vít 52

3.13 Chuyển động cơ cấu cam thùng 53

3.14 Tải trọng lên cơ cấu cam thùng 54

3.15 Cơ cấu thanh truyền và nửa bánh răng 54

3.16 Các kích thước cơ bản tay quay thanh trượt 55

3.18 Thông số bánh răng trụ thẳng 56

4.1 Cơ cấu tay quay con trượt 59

4.2 Liên kết tay quay với con trượt 60

4.8 Xét Reference trên tay quay 62

4.9 Xét Mobile trên con trượt 63

4.11 Apply bề mặt bánh răng Contact 64

4.12 Apply bề mặt bánh răng Target 64

4.13 Kết quả sau khi xét 65

4.14 Nhập hệ số ma sát 65

4.15 Chọn chế độ chia Mesh 66

4.16 Chọn cơ cấu càn chia Mesh 66

4.19 Bảng nhập giá trị bước và thời gian 67

4.23 Khung chia độ cho các bước 69

4.25 Chọn bề mặt đặt Moment 70

4.26 Cài đặt giá trị Moment 70

4.27 Kết quả sau khi cài đặt giá trị Moment 70

4.28 Chọn giá tri Moment cho từng bước 70

5.1 Giao diện chính của Ansys Workbench R16 73

5.2 Giao diện chính của mục mô hình (Geometry) 74

5.3 Sau khi khởi tạo (Generate) được hình dạng bánh răng côn 74 5.4 Cách nhập mô hình bánh răng côn bằng cây thư mục (Browse) 75

5.5 Model để thiết lập các đặc tính cho cơ cấu 75

5.7 Thiết lập lại liên kết cho bánh răn 76

5.8 Hộp thoại Details cài đặt bánh răng thứ 1 77

5.9 Hộp thoại Details cài đặt bánh răng thứ 2 78

5.10 Scoping Method cho cơ cấu (Contact và Target) 79

5.11 Cửa sổ kiểu lien kết (Type) 79

5.12 Cửa sổ Details khi đã cài đặt hoàn chỉnh cho cơ cấu 80

5.13 Thiết lập điều kiện Joints cho bánh răng 1 81

5.14 Cửa số hiệu chỉnh tọa độ (Reference Coordinate System) 82

5.15 Thiết lập Joint cho bánh răng thứ 2 83

5.16 Chia lưới Mesh cho cơ cấu 83

5.17 Thiết lập các bước và thời gian chạy cho cơ cấu 84 5.18 Thiết lập các bước và thời gian chạy cho cơ cấu 85

5.22 Các dạng mô phỏng cho cơ cấu 87

5.24 Hình ảnh và đồ thị sự biến dạng xảy ra 88

5.25 Hình ảnh và đồ thị ứng suất sinh ra 88

5.26 Hình ảnh và đồ thị độ giãn cơ cấu 89

5.28 Giao diện chính của mục Geometry 92

5.29 Generate để xuất cơ cấu Trục Cam 92

5.30 Vào mục Model để thiết lập các đặc tính cho cơ cấu 93

5.31 Thiết lập trạng thái độ cứng Rigid 93

5.32 Thiết lập liên kết mặc định sẵn trong phần mềm 94

5.33 Thiết lập liên kết ghép nối 94

5.34 Chỉnh sửa chi tiết chuẩn và chi tiết gắn liền 95

5.35 Suppress liên kết giữa Body và Valve 95

5.36 Chọn liên kết không có ma sát 96

5.37 Thiết lập công thức MPC 97

5.38 Chọn Trục quay cho Cam 98

5.39 Sau khi chọn Revolute được như hình trên 98

5.40 Chọn chuyển động quay cho thanh ngang Rocker 99

5.43 Chọn cố định cho chi tiết Thân 100

5.44 Chỉnh sửa số mắt lưới trên từng bề mặt 101

5.45 Chia lưới cho chi tiết Thanh ngang 101

5.46 Chia lưới cho chi tiết bề mặt Cam 102

5.47 Ẩn 4 chi tiết ngoài trừ Thanh ngang (Rocker) 102

5.48 Chia lưới cho bề mặt tiếp xúc dưới của Thanh ngang 103

5.49 Chia lưới cho toàn bộ quá trình đã thiết lập 103

5.50 Thiết lập số vòng quay và thời gian quay 104

5.51 Thiết lập các bước và thời gian chạy cho cơ cấu 105

5.52 Chèn tải vào cơ cấu 105

5.53 Đặt lực quay vào trục Cam 106

5.54 Thiết lập các thông số của tải cho cơ cấu 106

5.56 Chọn Contact và bỏ check như hình 107

5.57 Chọn Solve để bắt đầu mô phỏng 107

5.62 Đưa file có chứa mô hình vào 111

5.63 Đưa mô hình vào chương trình làm việc 111

5.65 Xóa các liên kết có sẵn 112

5.67 Chọn bề mặt trục quay 113

5.69 Xét bề mặt cố định rãnh trượt ngang 114

5.71 Xét Reference trên tay quay 115

5.72 Xét Mobile trên con trượt 115

5.74 Xét Reference trên con trượt 116

5.75 Xét Mobile trên rãnh trượt 116

5.77 Xét Reference trên con trượt ngang 117

5.78 Xét Mobile trên rãnh trượt ngang 117

5.80 Apply chi tiết đã chọn chia Mesh 118

5.81 Cài đặt các giá trị Step 119

5.82 Chọn thời than cho tất cả các bước 119

5.83 Cài đặt giá trị thời gian cho tất cả các bước 119

5.87 Khung chia độ cho các bước 120

5.97 Thiết lập điều kiện liên kết 129

5.98 Gọi liên kết ma sát 129

5.100 Kết quả sau quá trình chọn bề mặt chịu ma sát cho bánh răng contact 130

5.102 Kết quả sau quá trình chọn bề mặt chịu ma sát cho bánh răng Target 131

5.103 Kết quả của xét bề mặt ma sát 131

5.145 Chọn trục quay cho bánh răng 1 149

5.146 Chon trục quay cho bánh răng thứ 2 150

5.147 Chon trục quay cho các bánh răng 150

5.152 Chọn bánh răng đặt lực 152

5.158 Giá trị ứng lực thay đổi 155

5.160 Giao diện chính của mục mô hình (Geometry) 157

5.161 Sau khi khởi tạo (Generate) được hình dạng bánh vít trục vít 158 5.162 Cách nhập mô hình bánh vít trục vít bằng cây thư mục (Browse) 158

5.163 Model để thiết lập các đặc tính cho cơ cấu 159

5.165 Thiết lập lại liên kết cho bánh vít trục vít 160

5.166 Hộp thoại Details cài đặt bánh vít 160

5.167 Hộp thoại Details cài đặt bánh trục vít 161

5.168 Scoping Method cho cơ cấu (Contact và Target) 162

5.169 Cửa sổ kiểu liên kết (Type) 162

5.170 Cửa sổ Details khi đã cài đặt hoàn chỉnh cho cơ cấu 163

5.171 Thiết lập điều kiện Joints cho bánh vít 164

5.172 Cửa số hiệu chỉnh tọa độ (Reference Coordinate System) 164

5.173 Thiết lập Joint cho trục vít 165

5.174 Chia lưới Mesh cho cơ cấu 165

5.175 Thiết lập các bước và thời gian chạy cho cơ cấu 166 5.176 Thiết lập các bước và thời gian chạy cho cơ cấu 167

5.178 Cài đặt tải quay và dữ liệu cho trục vít 168

5.179 Cài đặt dữ liệu bảng theo góc quay 168

5.180 Biểu đồ thể hiện sự biến thiên về bước thời gian, số bước và góc quay 169

5.181 Cài đặt moment cho cơ cấu 169

5.182 Cài đặt thông số moment cho từng bước 170

5.188 Chọn Model để bắt đầu mô phỏng cơ cấu thanh trượt và bán bánh răng 174

5.189 Xóa tất cả liên kết con 175

5.190 Chọn liên kết ma sát (Frictional) 176

5.191 Ẩn 3 chi tiết để lại chi tiết Tay quay bánh răng bị động 176

5.192 Chọn hết bề mặt tiếp xúc rồi Apply 177

5.193 Apply để thiếp lập phần Contact 177

5.194 Chọn trục quay cho chi tiết 178

5.195 Thiết lập chuyển động tịnh tiến cho chi tiết 179

5.196 Thiết lập chuyển động quay cho chi tiết 179

5.197 Thiết lập điều kiện quay cho tay quay bánh răng chủ động 180

5.199 Thiết lập phần di động 181

5.200 Thiết lập chi tiết làm chuẩn 182

5.201 Thiết lập chi tiết bị động 182

5.202 Thiết lập chi tiết làm chuẩn 183

5.203 Thiết lập phần di động 183

5.205 Apply cho cả 4 chi tiết 184

5.206 Chọn 29 vị trí tiếp xúc 185

5.207 Chọn tất cả 4 chi tiết 185

5.208 Bắt đầu chia lưới lại cho toàn bộ cơ cấu 186

5.212 Chọn Solve để bắt đầu mô phỏng 189

5.215 Hình ảnh và đồ thị ứng lực sinh ra 190

5.218 Chọn Model để bắt đầu mô phỏng cơ cấu Cam thùng 193

5.219 Thiết lập trạng thái độ cứng Rigid 194

Chọn liên kết không có ma sát giữa thanh dẫn và trục quay để tối ưu hóa hiệu suất Ngoài ra, việc lựa chọn liên kết không có ma sát cho liên kết thứ hai giữa ống dẫn và thanh dẫn cũng rất quan trọng trong thiết kế hệ thống.

5.222 Chọn chuyển động quay cho chi tiết Trục cam 195

5.223 Ẩn thanh ống dẫn ngang 196

Thiết lập chuyển động tịnh tiến cho thanh dẫn ngang bao gồm việc định nghĩa phần chuẩn và phần di động Đầu tiên, cần thiết lập phần chuẩn (Reference) cho chi tiết thanh dẫn, đảm bảo tính chính xác trong quá trình hoạt động Tiếp theo, thiết lập phần di động (Mobile) cho chi tiết thanh dẫn ngang, giúp tối ưu hóa khả năng chuyển động và hiệu suất làm việc của hệ thống.

5.227 Thiết lập điều kiện cố định cho Ống ngang 198

5.228 Chỉnh sửa số mắt lưới trên bề mặt tiếp xúc 199

5.229 Trong phần patch indipendent options chọn yes 200

5.230 Thiết lập chia lưới cho bề mặt 200

5.231 Chọn 2 chỗ tiếp xúc rồi apply 200

5.232 Thiết lập số vòng quay và thời gian quay 201

5.234 Đặt lực quay vào trục cam 203

5.236 Thiết lập các góc quay từ bước 1 -> 9 204

5.257 Chọn trục quay cho bánh răng 1 214

5.258 Chon trục quay cho bánh răng thứ 2 215

5.260 Apply chi tiết đã chọn chia Mesh 215

5.261 Kết quả sau khi chia 216

5.266 Chọn bề mặt đặt Moment 218

5.267 Cài đặt giá trị Moment 218

5.268 Kết quả sau khi cài đặt giá trị Moment 218

5.270 Chọn giá tri Moment cho từng bước 219

5.271 Đồ thị thể hiện sựu thay đổi Moment 220

5.273 Chọn bánh răng đặt lực 220

5.277 Hình ảnh và đồ thị ứng suất cơ cấu 222

TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16

1.1 Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan về Ansys Workbench R16

Công ty ANSYS, được thành lập vào năm 1970 tại Cannonsburg, Pennsylvania, Hoa Kỳ, chuyên phát triển và thương mại hóa phần mềm mô phỏng kỹ thuật toàn cầu Phần mềm của ANSYS được các kỹ sư và nhà thiết kế trong ngành công nghiệp sử dụng phổ biến để tối ưu hóa quy trình thiết kế và phân tích kỹ thuật.

Phần mềm được phát triển với các giải pháp linh hoạt, cho phép phân tích bản thiết kế trực tiếp trên máy tính, tạo ra môi trường chung cho việc phát triển nhanh chóng và hiệu quả với chi phí hợp lý Công ty có mạng lưới đối tác toàn cầu với hơn 20 điểm bán hàng chiến lược và khoảng 40 quốc gia, cùng với 1600 nhân viên thực hiện phân phối sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo nhân lực.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công cụ toán học và máy tính điện tử đã dẫn đến việc hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, giúp giải quyết nhiều bài toán trong cơ học như cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, bài toán động, cũng như các bài toán tuyến tính và phi tuyến ANSYS, một phần mềm mạnh mẽ, được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu trong lĩnh vực cơ học và các bài toán liên quan đến trường điện từ và tương tác đa trường vật lý.

ANSYS (Analysis Systems) là phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) toàn diện, được sử dụng để mô phỏng và tính toán thiết kế công nghiệp Phần mềm này đã và đang được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, bao gồm kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, cũng như tương tác giữa các môi trường và hệ vật lý khác nhau.

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS bao gồm ba phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor) Ngoài ba bước này, quá trình phân tích còn cần chú ý đến giai đoạn chuẩn bị (preferences), nơi định hướng cho bài tính Trong giai đoạn này, cần xác định kiểu phân tích phù hợp cho bài toán, chẳng hạn như phân tích kết cấu, nhiệt hoặc điện từ, cũng như thực hiện mô hình hóa chính xác.

25 như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ …), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell Plate…)

Hiểu các bước phân tích trong ANSYS giúp giải quyết bài toán dễ dàng hơn Để thể hiện ý tưởng trong ANSYS, người dùng có thể giao tiếp qua hai cách: sử dụng giao diện đồ họa (GUI) với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong file văn bản và đọc vào từ File/Read input from Ngoài ra, có thể kết hợp linh hoạt giữa hai phương pháp này, như sử dụng lệnh tạo cấu trúc và sau đó khai thác kết quả qua menu.

Công ty Ansys đã thiết lập tiêu chuẩn trong lĩnh vực mô phỏng kỹ thuật, cung cấp phần mềm và hỗ trợ toàn cầu cho các giải pháp dự đoán hành vi sản phẩm trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế Là một trong những công ty hàng đầu trong phát triển công cụ và công nghệ CAE (Kỹ thuật hỗ trợ bằng máy tính), Ansys mang đến cho doanh nghiệp khả năng hiểu rõ không chỉ tính năng hoạt động mà còn cả chất lượng thiết kế của sản phẩm.

Ansys được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp:

 Các sản phẩm và quy trình công nghệ chất lượng cao và luôn được đổi mới

 Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm

 Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới

 Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm

 Chiến lược mô phỏng đón đầu tạo ra một phương pháp hiệu quả để đưa sản phẩm vào thị trường với giá thành thấp hơn

Trước đây, việc thực hiện các mô phỏng số phức tạp yêu cầu nhiều phần mềm và kịch bản phức tạp Tuy nhiên, phần mềm ANSYS Multiphysics đã cung cấp một giải pháp tích hợp hiệu quả, kết hợp các mô đun như tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học và điện từ trong một sản phẩm duy nhất Với ANSYS Multiphysics, người dùng sẽ trải nghiệm sự tiện lợi và khả năng mô phỏng đa dạng, giúp tối ưu hóa quy trình phân tích.

ANSYS Multiphysics kết hợp hiệu quả giữa phương pháp ma trận và phương pháp vectơ tải trọng, mang đến kết quả mô phỏng chính xác và đáng tin cậy Công cụ này ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hệ thống làm mát và các sản phẩm công nghiệp khác.

Phần mềm này hỗ trợ mô phỏng hiệu quả các bài toán tương tác giữa các lĩnh vực vật lý khác nhau như nhiệt – cơ, dòng chảy – kết cấu và tĩnh điện – kết cấu Nó cung cấp nhiều thuật giải phong phú, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn phương pháp phù hợp cho các ứng dụng trong năng lượng, công nghệ sinh học và hệ vi cơ điện tử (MEMS).

Ví dụ về phân tích bài toán trao đổi nhiệt bằng phóng xạ giữa một trụ lăn trên một tấm phẳng bằng thuật toán Đa trường (Multi-field)

Ansys Structural là phần mềm tính toán kết cấu đơn giản, cho phép mô phỏng chính xác các kết cấu phi tuyến và tuyến tính mà không cần phân tích tương tác Với đầy đủ các loại phần tử và mô hình vật liệu, bao gồm cả mô hình không đàn hồi, phần mềm này hỗ trợ mô phỏng các cấu trúc lớn và phức tạp Ansys Structural cũng có khả năng phân tích sự tiếp xúc trong các mối lắp, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và lựa chọn các tùy chọn giải tối ưu qua giao diện đồ họa thân thiện Các tính năng tính toán song song cho phép thực hiện các phân tích cao cấp hơn Ngoài ra, người dùng có thể nâng cấp lên Ansys Mechanical khi cần thiết, trong khi các phân tích tương tác phức tạp hơn như dòng chảy và điện từ được thực hiện trong gói phần mềm Ansys Multiphysics.

Ansys DesignSpace là một phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, hỗ trợ các nhà thiết kế và kỹ sư trong việc xây dựng, mô hình hóa và hiện thực hóa ý tưởng ngay tại bàn làm việc Với công nghệ Knowledge-Based Automation, phần mềm này được phát triển dựa trên những kỹ thuật tiên tiến của Ansys, đã được hoàn thiện qua 32 năm nghiên cứu và phát triển.

Sử dụng DesignSpace giúp các nhà thiết kế tiết kiệm thời gian trong quá trình phát triển sản phẩm và giảm thiểu sai sót Với công cụ này, các kỹ sư có thể thực hiện các bài tính kết cấu, nhiệt, động lực học, tối ưu hóa khối lượng và chức năng, cũng như mô phỏng dao động và tính toán hệ số an toàn một cách dễ dàng.

Giao diện làm việc trong Transient Structural

2.3.1 Các thanh công cụ trong Transient Structural

Với mục đích chính là phân tích và mô phỏng động học cho các cơ cấu cơ khí nên chọn thanh Transient Structural trên thanh Analysis Systems

Sau khi chọn Transient Structural thì trên màn hình xuất hiện bảng như hình 2.11

Hình 2.11: Bảng Transient Structural có thể hiểu ý nghĩa từng thanh ở bảng Transient Structural như sau:

 Thanh Geometry giúp sử dụng đưa mô hình cần tính toán vào phần mềm

Ansys cho phép người dùng tạo ra các mô hình đơn giản và kiểm tra cơ cấu trước khi tiến hành tính toán và mô phỏng Việc này giúp giảm thiểu rủi ro và tránh các lỗi có thể xảy ra trong quá trình thiết kế.

 Thanh Model giúp thiết lập và phân tích đưa mô hình và đây được coi như là thanh công cụ làm việc chính

 Thanh Setup giúp biết được các hiển thị các cài đặt, thiết lập các mục như lực, moment… phục vụ cho quá trính mô phỏng và phân tích

 Thanh Solution giúp biết những yêu cầu cần nghiên cứu, phân tích như Total

Thanh Results cung cấp thông tin về kết quả của quá trình tính toán, cho phép người dùng nhận được kết quả dựa trên phân tích đã chọn Từ những kết quả về chuyển vị và ứng suất, người dùng có thể đưa ra những kết luận chính xác.

Sau khi thực hiện các thao tác theo hình 2.13, hãy chọn thư mục chứa file mô hình như được chỉ ra Lưu ý rằng phần mềm Ansys chỉ chấp nhận các file có định dạng stp, igs và x_t để đưa mô hình vào.

2.3.3 Môi trường làm việc chính

Chọn thanh Model ở khung Transient Structural để bắt đầu vào môi trường làm việc như hình 2.15

Sau khi bắt đầu công việc, cần kiểm tra cấu trúc bằng cách giữ chuột giữa để xoay và quan sát Một phương pháp khác là chọn Geometry và nhấp vào từng chi tiết để kiểm tra Việc này giúp giảm thiểu rủi ro và hư hỏng trong quá trình mô phỏng và tính toán.

Hình 2.14: Thành phần cơ cấu

Hình 2.15: Các vùng trong phần làm việc Model

 Menu File: đối với thanh này thì có 4 thanh công cụ như sau:

 Refresh All Data: giúp thực hiện lại việc tính toán dữ liệu khi có lỗi xảy ra hoặc không theo ý muốn

 Export: dùng để xuất cơ cấu

 Close Mechanical: đóng chương trình

 View: dùng quản lý giao diện của phần mềm với góc nhìn của chi tiết

Phần mềm sẽ tự động đánh dấu vào các mục mặc định, và cũng có thể thay đổi tùy theo mục đích sử dụng

Thanh Toolbars: các thanh công cụ được đánh dấu trước tiên sẽ xuất hiện

Thanh Units cho phép người dùng chọn và thay đổi đơn vị đo lường như kg, m, s, K, A, N, V, tùy thuộc vào yêu cầu của bài toán Bên cạnh đó, nó còn hỗ trợ chế độ hiển thị giá trị nhập liệu, cho phép hiển thị kết quả dưới dạng giá trị gốc hoặc giá trị đã được cài đặt.

Hình 2.20: Lựa chọn cách hiển thị giá trị

 Menu Tools: Thanh Tools chứa một số thanh nhưng chú ý quan tâm đến thanh Solve Process Setting

Nhấp đúp chuột vào thanh "Cài đặt quy trình giải" để hiển thị bảng như hình 2.23 Mục đích của thao tác này là để thêm vị trí đang xem xét và có khả năng di chuyển vị trí mới trên máy tính của bạn.

Hình 2.23: Thanh Solve Process Settings

 Mechanical Help: Giải thích hướng dẫn sử dụng phần mềm

2.3.3.2 Các thanh công cụ hỗ trợ thường dùng

 : Thanh công cụ chứa các công cụ hỗ trợ trong việc chọn hướng nhìn theo từng trục hay tiêu chuẩn cách thể hiện chi tiết

 : Chọn đối tượng theo kiểu điểm, đường, mặt, toàn bộ, thêm bề mặt chọn

Các lệnh như phóng to, thu nhỏ, xoay hướng nhìn và di chuyển là những công cụ quan trọng giúp cải thiện khả năng kiểm soát hướng nhìn trong phần mềm Những thanh công cụ này hỗ trợ người dùng tối ưu hóa trải nghiệm sử dụng và thao tác hiệu quả hơn.

2.3.3.3 Khu vực làm việc Model

Khu vực Model là khu vực rất quan trọng cho việc thiết lập các điều kiện biên cho cơ cấu

Geometry là khu vực hiển thị mô hình, nơi thể hiện số lượng chi tiết của mô hình Khi nhấp chuột phải vào mỗi chi tiết, người dùng sẽ thấy danh sách các công cụ hỗ trợ, giúp việc lựa chọn bề mặt chi tiết trở nên thuận tiện hơn.

Hình 2.26: Thanh công cụ hỗ trợ trong Geometry

Các công cụ thường được dùng trong thanh công cụ hỗ trợ này là:

 Coordinate Systems: giúp điều chỉnh tọa độ cơ cấu theo hướng nhìn

 Connections: nơi thiết lập các liên kết, kiểu truyền chuyển động, các ràng buộc cho cơ cấu

Và thường đi với các thanh công cụ như:

 Body-Ground: kiểu liên kết nền

 Body-Body: kiểu liên kết giữa các vật thể

 Contact: các kiểu liên kết

 Connection Group: liên kết nhóm

Hình 2.31: Các thanh công cụ thường dùng trong Connections

 Mesh: khu vực lưới chia để tính toán

Hình 2.32: Các kiểu chia Mesh

 Method: chia theo kiểu lần lượt, toàn bộ

 Face Meshing: chia theo mặt chọn

 Match Control: chia theo bài toán nén

 Transient: khu vực cài đặt các điều kiện tạm thời cho cơ cấu

 Analysis Setting: cài đặt thời gian, số bước cho quá trình chuyển động của cơ cấu theo yêu cầu

- Click chọn Analysis Settings thì vùng hiển thị giá trị cài đặt xuất hiện bảng nhập giá trị vào (như hình 3.34 )

- Tùy vào cơ cấu, mục đích mà thiết lập giá trị riêng và có thể thay đổi nếu không đáp ứng đủ yêu cầu đề ra

Hình 2.34 : Bảng nhập giá trị bước và thời gian

 Solution: khu vực chọn các giải pháp phân tích

Các giải pháp phân tích:

Hình 2.36: Các dạng biến đổi xảy

 Linearized stress: lực căng tuyến tính

Khi đã chọn được kiểu cần phân tích tính toán, Right Click tại Solution/Solve để chạy quá trình tính toán, mô phỏng

Hình 2.37: Chọn kiểu phân tích

Tính toán cơ cấu bánh răng côn

Để xác định chuyển vị, ứng suất và độ biến dạng lớn và bé nhất cho cơ cấu bánh răng côn với các thông số 𝑑 𝑒1 = 𝑑 𝑒2 = 100 mm, Z1 = Z2 = 25, m = 2, δ1 = 26,5°, δ2 = 63,5° và b = 10 mm, trong điều kiện liên kết ma sát với hệ số 0.1 (lý tưởng), cần thực hiện các tính toán chi tiết theo các phương pháp cơ học và phân tích ứng suất Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống bánh răng trong quá trình hoạt động.

3.1.1 Cơ sở tính toán Để tính toán thiết kế một cơ cấu bánh răng côn cần thực hiện theo các trình tự, các thông số như điều kiện làm việc công suất, số vòng quay, tỉ số truyền

Hình 3.1: Thông số tính toán bánh răng côn

Khi chọn ứng suất tiếp xúc cho phép cho bộ truyền bánh răng côn, cần dựa vào giá trị nhỏ nhất của cặp bánh răng Đặc biệt, nếu độ rắn của một bánh răng lớn hơn 350HB và chênh lệch độ rắn giữa hai bánh răng đạt từ 100 trở lên, cùng với vận tốc vòng không vượt quá 20 m/s, thì ứng suất cho phép sẽ được tính theo công thức cụ thể.

 Chọn hệ số chiều rộng vành răng ψ 𝑏𝑒 = 0,285 Chọn sơ bộ hệ số tải trọng tính

 Tính toán đường kính 𝑑 𝑒𝑙 theo công thức:

Tùy độ rắn bề mặt chọn 𝑧 1 theo công thức

𝐻 1 , 𝐻 2 > 350𝐻𝐵: 𝑧 1 = 𝑧 1𝑝 Sau khi chọn được 𝑧 1 , 𝑧 2 tìm được giá trị 𝑚 𝑒 từ công thức 𝑑 𝑒1 = 𝑚 𝑒 𝑧 1 ; 𝑑 𝑒2 𝑚 𝑒 𝑧 2 và chọn 𝑚 𝑒 theo giá trị tiêu chuẩn

 Xác định các góc mặt côn chia 𝛿 1 , 𝛿 2 theo công thức

 Bảng 3.2: Tính các kích thước chủ yếu khác của bộ truyền bánh răng côn

Thông số hình học Công thức Đường kính vòng chia ngoài

Bánh bị dẫn 𝑑 𝑒2 = 𝑚 𝑒 𝑧 2 Đường kính vòng chia trung bình

Bánh bị dẫn 𝑑 𝑚2 = 𝑑 𝑒2 (1 − 0,5ψ 𝑏𝑒 ) Chiều dài côn ngoài 𝑅 𝑒

𝑅 𝑒 = 𝑑 𝑒1 2𝑠𝑖𝑛𝛿 1 = 0,5𝑚 𝑒 √𝑧 1 2 + 𝑧 2 2 Chiều dài côn trung bình 𝑅 𝑚

 Xác định module vòng trung bình 𝑚 𝑚 theo công thức:

 Đường kính vòng chia ngoài: de1=de2= 100mm

 Đường kính vòng chia trung bình: dm1 = dm2 = 42,875mm (ψbe = 0,285)

 Chiều dài côn ngoài: Re = 35,35 mm

 Chiều rộng vành răng: b = 10 mm.

Tính toán cơ cấu bánh răng thẳng

Đặt vấn đề: Cho cơ cấu bánh răng côn có 𝑑 𝑒1 = 𝑑 𝑒2 = 100 mm, Z1 = Z2 = 25, m

= 2, δ1 = 26,5 o , δ2 = 63,5 o , b = 10 mm Với kiểu liên kết ma sát có hệ số là 0.1 (lý tưởng) Hãy xác định chuyển vị, ứng suất và độ biến dạng lớn và bé nhất.

Cũng giống như bánh răng côn, các thông số đầu vào như điều kiện làm việc, công suất, số vòng quay và tỷ số truyền có thể được lựa chọn một cách linh hoạt để phù hợp với thực tế.

Hình 3.2: Thông số tính toán bánh răng thẳng

 Ứng suất tiếp xúc cho phép sơ bộ có thể được xác định theo công thức:

𝑠 𝐻 𝐾 𝐻𝐿 Với bánh răng trụ răng thẳng chọn:

Chọn ứng suất tiếp xúc cho phép [𝜎 𝐻 ] theo bánh dẫn, là bánh răng có độ bền thấp hơn

 Tính toán khoảng cách trục 𝑎 𝑤 của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, trong có ψ 𝑏𝑎 có thể chọn với giá trị phù hợp:

 Module m: m = (0,01÷0,02) 𝑎 𝑤 (ứng với 𝐻 1 , 𝐻 2 ≤ 350𝐻𝐵) m = (0,0125÷0,025) 𝑎 𝑤 (ứng với 𝐻 1 > 45 𝐻𝑅𝐶, 𝐻 2 ≤ 350𝐻𝐵) m = (0,016÷0,0315) 𝑎 𝑤 (ứng với 𝐻 1 , 𝐻 2 > 45𝐻𝑅𝐶)

Khi kích thước module giảm, số lượng răng tăng lên, giúp cải thiện khả năng chống dính và tăng hệ số trùng khớp ngang Điều này cũng dẫn đến việc giảm tiếng ồn, khối lượng lao động cắt răng và hao phí vật liệu do giảm đường kính đỉnh Tuy nhiên, cần lưu ý rằng độ bền uốn sẽ giảm theo.

 Xác định tổng số răng theo công thức

𝑚 sau đó xác định số răng 𝑧 1 , 𝑧 2

 Bảng 3.3: Xác định các thông số hình học của bộ truyền

Thông số hình học Công thức Đường kính vòng chia Bánh dẫn 𝑑 1 = 𝑚𝑧 1 /𝑐𝑜𝑠𝛽

Bánh bị dẫn 𝑑 2 = 𝑚𝑧 2 /𝑐𝑜𝑠𝛽 Đường kính vòng đỉnh Bánh dẫn 𝑑 𝑎1 = 𝑑 1 + 2𝑚

Bánh bị dẫn 𝑑 𝑎2 = 𝑑 2 + 2𝑚 Đường kính vòng đáy Bánh dẫn 𝑑 𝑓1 = 𝑑 1 − 2,5𝑚

Bánh bị dẫn 𝑑 𝑓2 = 𝑑 2 − 2,5𝑚 Chiều rộng vành răng Bánh dẫn 𝑏 1 = 𝑏 2 + 6

Cơ cấu tay quay con trượt

Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích cơ cấu tay quay con trượt với các thông số cụ thể: chiều dài tay quay là 140mm, chiều dài thanh trượt đứng L1 là 320mm, chiều dài thanh trượt ngang L2 là 220mm, và hành trình con trượt S là 0mm Dưới điều kiện áp suất P bằng 1000Pa tác động lên con trượt thanh ngang, chúng ta sẽ tiến hành tính toán chuyển vị, ứng suất và biến dạng của cơ cấu này.

Cơ cấu tay quay con trượt hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi giữa chuyển động xoay tròn và tịnh tiến Cụ thể, tay quay xoay tròn sẽ tạo ra chuyển động tịnh tiến cho con trượt, di chuyển trên thanh trượt theo chiều đứng và ngang.

Hình 3.3: Tính toán cơ cấu tay quay con trượt

 Gọi D là đường kính quỹ đạo tay quay chuyển động với tâm tại trục tay quay

L1 là độ dài thanh trượt đứng

L2 là độ dài thanh trượt ngang Để cơ cấu hoạt động được cần thỏa điều kiện: D ≤ L1*L2 (tâm tay quay tại trung điểm thanh trượt)

 Chiều dài tay quay: 140mm

 Chiều dài thanh trượt đứng: L1= 320mm

 Chiều dài thanh trượt ngang: L220mm

 Hành trình con trượt: S(0mm.

Cơ cấu cam phẳng

Để tính toán ứng suất, chuyển vị và biến dạng của cơ cấu cam với thông số số răng z1 = z2 = z3 = 10, z4 = 20, z5 = 40, và Module m = 2, ta có đường kính vòng chia d1 = m.z1 = 20mm, d2 = d1 = 20mm, d3 = d1 = 20mm, d4 = z4.m = 40mm, d5 = z5.m = 80mm Việc tính toán này sẽ giúp xác định các yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành của cơ cấu cam.

Cơ cấu cam là một hệ thống khớp cao cấp, cho phép thực hiện các chuyển động chu kỳ phức tạp với độ chính xác cao Trong đó, cam phẳng di chuyển trong cùng một mặt phẳng hoặc các mặt phẳng song song, với khâu dẫn được gọi là cam và khâu bị dẫn gọi là cần.

Hình 3.4: Tính toán cơ cấu cam phẳng

Thông số hình học cơ bản của cam với các góc công nghệ được xác định trên biên dạng millimeter ứng với các cung làm việc khác nhau

 Góc công nghệ đi xa 𝛾 đ : ứng với giai đoạn cần đi xa tâm cam

 Góc công nghệ đứng xa 𝛾 𝑥 : ứng với giai đoạn cần đứng yên ở vị trí xa tâm cam nhất

 Góc công nghệ về gần 𝛾 𝑣 : ứng với giai đoạn cần về gần tâm cam

Góc công nghệ 𝛾 𝑔 là vị trí cần thiết để giữ yên trong giai đoạn gần tâm của cam Để cần có thể chuyển động qua lại, biên dạng cam phải có ít nhất hai góc 𝛾 đ và 𝛾 𝑣.

Hình 3.5: Thông số hình học cơ bản của cam

Góc áp lực đầu cần:

𝑁 = 𝑃 𝑉 𝐵2 cos (𝛼 + 𝜑) ( : Góc áp lực đầu cần, 𝜑: Góc ma sát giữa cam và cần)

Hình 3.6: Góc áp lực đầu cần

Hình 3.7: Phân tích động học góc quay của cam

Tổng hợp cơ cấu cam là thiết kế cơ cấu cam thỏa mãn các điều kiện:

 Đảm bảo quy luật chuyển động cho trước của cần và không gây quá tải lên cam

 Kích thước của cam nhỏ gọn nhất có thể.

Cơ cấu bánh răng hành tinh

Đặt vấn đề: Cho cơ cấu bánh răng hành tinh với thông số

Số răng: z 1 = z 2 = z 3 = 10, z 4 = 20, z 5 = 40, Module: m=2, đường kính vòng chia: d 1 = m z 1 = 20mm, d 2 = d 1 = d 3 = 20mm, d 4 = z 4 m = 40mm, d 5 = z 5 m 80mm, tỷ số truyền: 𝑖 = 𝑧 5

𝑧 4 = 2 Hãy tính toán ứng suất, chuyển vị và biến dạng của cơ cấu cam

Bộ truyền bánh răng hành tinh là hệ thống cơ khí quan trọng, giúp điều khiển giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc Nó bao gồm các thành phần chính như bánh răng bao, bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời và cần dẫn Nghiên cứu về chuyển động của các bánh răng trong bộ truyền này chủ yếu tập trung vào việc phân tích biến dạng, ứng suất và ứng lực, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Hình 3.8: Thành phần cơ cấu bánh răng hành tinh

Cơ bản nếu tách theo từng cặp thì việc tính toán bánh răng hành tinh cũng giống như cơ cấu bánh răng trụ thẳng

Hình 3.9: Thông số tính toán bánh răng

 Đường kính vòng chia: 𝑑 = 𝑚 𝑧 (z là số răng)

 Khoảng hở đỉnh răng: 𝑐 = (0,1 ÷ 0,1)𝑚 (thông dụng 𝑐 = 0,167𝑚, 𝑐 0,2𝑚)

 Đường kính vòng chia d 1 = m z 1 = 20mm d 2 = d 1 = d 3 = 20mm d 4 = z 4 m = 40mm d 5 = z 5 m = 80mm

Cơ cấu bánh vít trục vít

Để phân tích cơ cấu bánh vít trục vít với kiểu liên kết ma sát có hệ số 0.1, chúng ta cần xác định các thông số quan trọng như chuyển vị, ứng suất và độ biến dạng lớn nhất cũng như nhỏ nhất Việc này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng chịu tải của hệ thống, từ đó đưa ra những cải tiến cần thiết trong thiết kế và ứng dụng.

Việc tính toán bộ truyền bánh vít trục vít bao gồm việc lựa chọn các thông số đầu vào như công suất, vật liệu, số vòng quay và độ bền để đảm bảo phù hợp với thực tế Quan trọng là phải tập trung vào việc tính toán kích thước trục vít, bánh răng, module và số răng để đạt hiệu quả tối ưu trong thiết kế.

Hình 3.10: Tính toán cơ cấu bánh vít trục vít

 Xác định tỷ số truyền: 𝑢 = 𝑛 1

 Chọn số mối ren 𝑧 1 theo tỷ số truyền u Khi 𝑧 1 = 4 thì 𝑢 = 8 ÷ 15, khi 𝑧 1

 Tính khoảng cách trục 𝑎 𝑤 theo độ bền tiếp xúc

Sau khi tính toán lại khoảng cách trục, nếu khoảng cách không đạt tiêu chuẩn hoặc không phải là số nguyên, cần tiến hành điều chỉnh bánh vít Đối với bộ truyền quay tay, cần tính toán module dựa trên độ bền uốn.

Hình 3.11: Các thông số trục vít

 Bảng 3.4: Xác định các kích thước chính bộ truyền trục vít

Thông số hình học Công thức Đường kính vòng chia 𝑑 1 = 𝑚𝑞 Đường kính vòng lăn 𝑑 𝑤1 = 𝑚(𝑞 + 2𝑥) Đường kính vòng đỉnh 𝑑 𝑎1 = 𝑑 1 + 2𝑚 Đường kính vòng đáy 𝑑 𝑓1 = 𝑑 1 − 2,4𝑚

𝑞 Chiều dài phần cắt ren trục vít 𝑏 𝑡𝑣 ≥ (11 + 0,06𝑧 𝑏𝑣 )𝑚

Hình 3.12: Các thông số bánh vít Bảng 3.5: Xác định kích thước chính bộ truyền bánh vít

Thông số hình học Công thức Đường kính vòng chia 𝑑 2 = 𝑚𝑧 2 Đường kính vòng đỉnh 𝑑 𝑎2 = 𝑚(𝑧 2 + 2 + 2𝑥) Đường kính vòng đáy 𝑑 𝑓2 = 𝑚(𝑧 2 − 2,4 + 2𝑥)

Khoảng cách trục 𝑎 𝑤 = 0,5𝑚(𝑞 + 𝑧 2 + 2𝑥) Đường kính lớn nhất bánh vít

- Đường kính vòng đỉnh: 𝑑 𝑎1 `mm

- Chiều dài phần cắt ren trục vít: 𝑏 𝑡𝑣 w,3mm

- Đường kính vòng đỉnh: 𝑑 𝑎2 2mm

Cơ cấu cam không gian (cam thùng)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích cơ cấu cam thùng với kiểu liên kết ma sát có hệ số 0.1 (lý tưởng) Mục tiêu là xác định chuyển vị, ứng suất và độ biến dạng lớn và bé nhất của hệ thống Việc này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và tính ổn định của cơ cấu trong các ứng dụng thực tiễn.

Tính toán cam thùng tương tự như cam đĩa, với bề mặt làm việc là bề mặt xoắn trụ, được coi là biên dạng của cam đĩa.

Hình 3.13: Chuyển động cơ cấu cam thùng

Khi trục cam quay tại vị trí tiếp xúc giữa cần và biên dạng cam, nó tạo ra các lực liên kết tương tự như liên kết của cam đĩa Đồng thời, cần trượt trên mặt xoắn được xem như vật trượt trên mặt phẳng nghiêng Dựa vào đó, có thể tính toán lực liên kết một cách chính xác.

Hình 3.14: Tải trọng lên cơ cấu cam thùng

Lực 𝑁⃗⃗ phát sinh từ sự quay của trục cam, có thể được phân tích thành hai thành phần là lực 𝐹 và lực 𝑄⃗ Trong đó, lực 𝑄⃗ đóng vai trò quan trọng, giúp cần chuyển động đi lên.

Lực 𝐹 là lực cản trở chuyển động của cần, trong khi lực 𝑃⃗⃗⃗ 𝑣 là lực vòng tạo ra moment quay trục cam với công thức 𝑀 = 𝑃 𝑣 𝑟, trong đó r là bán kính trục cam tại điểm tiếp xúc cần Từ mối liên hệ này, ta có thể tính toán ảnh hưởng của ma sát trên mặt phẳng nghiêng.

Mômen cần thiết để nâng cần được xác định bởi công thức \( P_v = Q \cdot tg(\alpha + \beta) \) Trong đó, \( \alpha \) là góc nâng của mặt nghiêng, đồng thời cũng là góc áp lực của cơ cấu cam.

𝜑 góc của nón ma sát, còn lực có ích 𝑄⃗ sẽ cân bằng với ngoại lực tác động lên biên dạng cam và các lực ma sát 𝐹⃗⃗⃗⃗ 𝐹 1 , ⃗⃗⃗ 2 trên thanh trượt.

Cơ cấu thanh trượt và bán bánh răng

Cơ cấu này kết hợp chuyển động xoay của tay quay để truyền động cho thanh truyền, có sự ăn khớp với một nửa bánh răng, giúp thanh trượt tịnh tiến Đồng thời, cần lắc hoạt động qua lại theo chu kỳ, tạo ra chuyển động hiệu quả.

Hình 3.15: Cơ cấu thanh truyền và nửa bánh răng

 Thông số tính toán tay quay con trượt chủ yếu xử lý các số liệu

Hình 3.16: Các kích thước cơ bản tay quay thanh trượt

 Kích thước cơ cấu vòng tròn bán kính ABP mm

Chọn tỷ lệ xích độ dài:

 Xác định chiều dài kích thước của thanh truyền:

Hình 3.17: Sơ đồ chuyển vị

Điểm 𝐶 𝑖 được xác định là các giao điểm giữa các cung tròn có tâm 𝐵 𝑖 và bán kính BC với đường thẳng xx Trên các đoạn Bi Ci, chúng ta chọn các điểm Si để tiếp tục phân tích.

𝐵 𝑖 𝐶 𝑖 = 0,35𝐵𝐶 = 0,25.287,97 = 100,79𝑚𝑚 Nối các điểm 𝑆 𝑖 bằng đường cong trơn được quỹ đạo của trọng tâm thanh truyền S (hình elip) gọi là đường cong thanh truyền

 Bán bánh răng ăn khớp tính thông số bánh răng theo bánh răng trụ thẳng:

Hình 3.18: Thông số bánh răng trụ thẳng

 Đường kính vòng chia: 𝑑 = 𝑚 𝑧 (z là số răng)

58

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THANH CÔNG CỤ CONNECTION

4.1.1.1 Hướng dẫn chọn kiểu Joint

Cần phân tích chuyển động của cơ cấu để lựa chọn kiểu liên kết cho hợp lí

Liên kết cố định gốc, hay còn gọi là liên kết cố định chi tiết với nền, được áp dụng cho các chi tiết không di chuyển khỏi vị trí gốc Đây là lựa chọn tối ưu cho những cấu trúc như cơ cấu tay quay con trượt, nơi các thành phần giữ vững vị trí và không có sự dịch chuyển.

Hình 4.1: Cơ cấu tay quay con trượt

Khi chuyển động, tay quay sẽ quay quanh trục, rãnh trượt ngang không di chuyển nên chọn kiểu Body – Ground

Liên kết trong cơ khí được sử dụng khi hai hoặc nhiều chi tiết liên kết với nhau thông qua khớp nối hoặc bề mặt, cho phép chúng chuyển động tương đối với nhau Khi một chi tiết di chuyển, nó sẽ kéo theo chi tiết còn lại thay đổi vị trí Ví dụ, trong cơ cấu tay quay con trượt, liên kết giữa tay quay và con trượt dọc là kiểu liên kết không cố định, cho phép chúng chuyển động tương đối Khi tay quay hoạt động, liên kết giữa hai chi tiết này sẽ tạo ra lực ma sát và quay.

Hình 4.2: Liên kết tay quay với con trượt

 Spring: Liên kết có sự đàn hồi Sử dụng liên kết này với các chi tiết hoạt động bằng sự đàn hồi (vd: lò xò)

Để đưa Body – Ground vào môi trường làm việc Connection, thực hiện các bước sau: trước tiên, nhấp vào thanh Connection/Joint/Body – Ground/Revolute để thiết lập liên kết cho tay quay.

Sau khi chọn liên kết là Revolute thì xét kiểu chuyển động cho tay quay như sau:

Hình 4.4: Chọn kiểu chuyển động

Khi lựa chọn chuyển động trên thanh Body – Ground, phần mềm sẽ tự động hiểu cài đặt này, nhưng cần kiểm tra lại để tránh sai sót Đây là liên kết giữa cơ cấu và nền, vì vậy ít nhất một điểm sẽ không di chuyển trong suốt quá trình Đối với tay quay, chỉ cần xem xét phần Mobile (di động) và chọn trục xoay cho tay quay một cách chính xác.

Trong trường hợp phương trục không đúng yêu cầu, bạn có thể điều chỉnh bằng cách chọn thanh Reference, sau đó chọn thanh Coordinate và điều chỉnh lại trục theo đúng yêu cầu.

Hình 4.6 minh họa cách điều chỉnh phương trục trong cơ cấu liên kết Body – Ground Bên cạnh dạng Revolute, còn nhiều dạng Joint khác thường được sử dụng trong thiết kế cơ cấu.

 Fixed: liên kết cố định

 Body – Body: Thực hiện thao tác để đưa Body – Body ra môi trường làm việc Connection Liên kết của tay quay với con trượt được thiết lập như sau:

Click tại thanh Connection/Joint/Body-Body/Revolute

Sau khi thiết lập chuyển động Revolute, hãy chọn bề mặt chịu tác động là bề mặt trên của tay quay tiếp xúc với mặt trên của con trượt Liên kết Body – Body sẽ tạo ra hai hệ thống.

Bề mặt của tay quay được gọi là Reference, trong khi bề mặt của con trượt được xác định là Mobile Reference và Mobile tương ứng với các bề mặt khác nhau, với Reference nằm trên tay quay và Mobile nằm trên con trượt.

 Cài đặt Reference với thao tác sau:

Chọn bề mặt trong của tay quay (nơi liên kết với con trượt) rồi Apply như hình 4.8

Hình 4.8: Set Reference trên tay quay

 Cài đặt Mobile như sau :

Chọn bề mặt trên con trượt rồi nhấn Apply như hình 4.9

Để thiết lập kiểu liên kết Body – Body cho một cặp, việc xét Mobile trên con trượt là phương pháp cơ bản Tương tự như kiểu Body – Ground, liên kết Body – Body không chỉ có Revolute mà còn bao gồm nhiều kiểu phổ biến khác như Fixed, Cylindrical, Translational và Slot.

4.1.2.1 Hướng dẫn chọn các loại Contact

Cần xác định xem tại vị trí tiếp xúc đó thì cơ cấu chịu loại tác dụng gì ?

Những bề mặt nào sẽ chịu tác động chính khi cơ cấu làm việc ?

Và khắc phục đó bằng phương pháp nào ?

Sau khi giải đáp các câu hỏi cần thiết, bạn có thể lựa chọn loại contact phù hợp Các dạng contact thường được sử dụng bao gồm:

 Sponded: Riêng biệt, không liên kết

 No Seperation: Cố định, khối

Khi hai bánh răng ăn khớp với nhau, bề mặt răng của chúng sẽ chịu lực ma sát trong quá trình chuyển động Vì vậy, mối quan hệ giữa hai bánh răng này được xác định là ma sát (Frictional).

4.1.2.2 Hướng dẫn thiết lập các loại Contact

Để thực hiện thao tác đặt điều kiện cho bánh răng thẳng, đầu tiên, bạn cần đưa thanh Frictional vào môi trường làm việc tại Connection Sau đó, thực hiện các bước chọn Connection/Contact/Frictional để hoàn tất quá trình.

Để thiết lập ma sát cho cặp bánh răng, trước tiên hãy chọn bề mặt bánh răng chịu ma sát, được xác định là bề mặt màu đỏ Tiến hành thao tác chọn bằng cách nhìn xuống vùng thiết lập, sau đó nhấp chuột trái vào mục No Selection tại Contact, chọn bề mặt bánh răng chịu ma sát và nhấn Apply để hoàn tất.

Hình 4.11: Apply bề mặt bánh răng ở phần Contact

Thực hiện với bánh răng ở phần Target phần mềm tự định dạng là màu xanh dương

Hình 4.12: Apply bề mặt bánh răng ở phần Target

Hình 4.13: Kết quả sau khi cài đặt

Để thiết lập hệ số ma sát cho cặp bánh răng, cần dựa vào điều kiện làm việc và yêu cầu của từng cơ cấu Việc chọn hệ số ma sát phù hợp là rất quan trọng Để gán giá trị hệ số ma sát cho bánh răng, bạn chỉ cần nhấp chuột trái vào ô "Hệ số ma sát".

Hình 4.14: Nhập hệ số ma sát

Khu vực Mesh có chức năng chia lưới để phân tích sự biến đổi bề mặt

Thực hiện chia lưới cho cặp bánh răng thẳng Thực hiện thao tác chọn

Hình 4.15: Chọn chế độ chia Mesh

Chia lưới cho cả hai bánh răng chọn cả hai bánh răng thực hiện như hình sau:

Hình 4.16: Chọn cơ cấu cần chia Mesh

- Sau khi Apply nhận được kết quả như sau:

Hình 4.17: Kết quả chi Mesh

TRANSIENT

Analysis Setting: cài đặt thời gian, số bước cho quá trình chuyển động của cơ cấu theo yêu cầu

Khi nhấp vào "Cài đặt phân tích", khu vực hiển thị giá trị cài đặt sẽ hiện ra bảng giá trị Tùy thuộc vào cấu trúc và mục đích, bạn có thể thiết lập giá trị riêng, và giá trị này có thể được điều chỉnh nếu không đáp ứng được yêu cầu đề ra.

Hình 4.19: Bảng nhập giá trị bước và thời gian

4.2.2 Joint (gắn lực) Đưa thanh cài đặt lực ra màn hình làm việc bằng cách thực hiện thao tác sau: Nhấp chuột phải vào Transient rồi chọn Insert và chọn Joint Load Ý nghĩa của việc Joint Load là đặt lực tải vào cơ cấu giúp cơ cấu chuyển động

 Đặt lực vào cơ cấu tay quay con trượt thực hiện như sau:

Chọn Joint và chọn liên kết giữa tay quay với nền theo dạng Body – Ground

Hình 4.21 Chọn trục đặt lực

Tiếp theo chọn kiểu chuyển động Rotation (quay) của tay quay

 Thiết lập bước chuyển động của tay quay: Ở thanh Tubular Data thiết lập góc quay của tay quay

Hình 4.23: Khung chia độ cho các bước

Cơ cấu chuyển động quay cần thiết phải cài đặt giá trị Moment để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của Moment đối với chuyển động của cơ cấu.

Nhấp chuột phải tại Transient chọn Insert chọn thanh Moment

 Đặt Moment cho cơ cấu bánh răng thực hiện như sau:

Chọn bề mặt sẽ gắn Moment rồi Apply như hình 4.25

Hình 4.25: Chọn bề mặt đặt Moment

Sau khi xác định bề mặt để đặt Moment, bước tiếp theo là chọn giá trị Moment phù hợp với bề mặt đó (như hình 4.26) Giá trị Moment cần được lựa chọn dựa trên các điều kiện cụ thể của từng trường hợp.

Hình 4.26: cài đặt giá trị Moment

Sau khi lựa chọn giá trị, màn hình sẽ hiển thị như hình 4.27 Đây là một ví dụ ngẫu nhiên, và phương quay của nó đã đúng theo yêu cầu, vì vậy không cần thực hiện chỉnh sửa nào.

Hình 4.27: Kết quả sau khi cài đặt giá trị Moment

 Phân bố Moment trong suốt quá trính bánh răng hoạt động

Nhấp vào từng ô trong Tabular Data để nhập giá trị Moment cho từng bước Bạn có thể điều chỉnh giá trị Moment cho mỗi bước khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích nghiên cứu của mình.

Hình 4.28: Chọn giá tri Moment cho từng bước

SOLUTION

Solution: chọn các loại mà muốn tìm hiểu phân tích

Giải pháp cung cấp kết quả tính toán cuối cùng sau khi thiết lập điều kiện biên Dựa vào kết quả này, ta có thể đánh giá xem cơ cấu hoạt động đã đáp ứng yêu cầu thực tế hay chưa Nếu chưa đạt yêu cầu, có thể lựa chọn các phương án điều chỉnh như thiết kế, vật liệu chế tạo hoặc điều kiện làm việc.

Nếu đạt được kết quả, chúng ta có thể áp dụng mô phỏng vào thực tế hoặc thử nghiệm cơ cấu làm việc trong các điều kiện khác để đánh giá khả năng đáp ứng Điều này sẽ giúp tối ưu hóa công nghệ sản xuất.

Tiêu đề	Mô Phỏng Động Học Các Cơ Cấu Cơ Khí Bằng Phần Mềm Ansys Workbench R16
Tác giả	Khương Mạnh Cường, Huỳnh Nguyễn Vũ Hoàng, Phan Tiến Dũng, Nghiêm Sỹ Kiên, Hoàng Đình Hưng
Người hướng dẫn	ThS. Dương Thị Vân Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Chuyên ngành	Công Nghệ Chế Tạo Máy
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	228
Dung lượng	10,32 MB