Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16 Mục tiêu Sau khi học xong chương này, có khả năng: 1) Hiểu được tầm quan trọng của phần mềm ANSYS trong lĩnh vực kỹ thuật. 2) Hướng nghiên cứu và sử dụng phần mềm ANSYS.1 Tổng quan về ANSYS Workbench R16 Công ty ANSYS thành lập vào năm 1970 tại Cannonsburg – bang Phasylvania – Hoa Kỳ, phát triển và thương mại hóa toàn cầu các phần mềm mô phỏng kỹ thuật và công nghệ. Gói phần mềm này được các kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp. Phần mềm được tập trung phát triển các giải pháp linh hoạt cho phép tiến hành phân tích các bản thiết kế trực tiếp trên máy tính, cung cấp môi trường nền chung cho việc phát triển một cách nhanh chóng và hiệu quả với chi phí hợp lý từ giai đoạn thiết kế ý tưởng đến giai đoạn thử nghiệm cuối cùng và kiểm tra bằng thực tế Công ty và mạng lưới đối tác (Channel Partners) toàn cầu với hơn 20 điểm bán hàng chiến lược và các chi nhánh trên khoảng 40 quốc gia, có khoảng 1.600 nhân viên thực hiện việc phân phối sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo nhân lực.
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến tính, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. ANSYS là phần mềm mạnh mẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế 13 giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa 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 một bài tính trong ANSYS. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính. Trong quá trình này cần định hướng xem bài toán sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ,…), mô hình hóa 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 được các bước phân tích này trong ANSYS giúp dễ dàng hơn trong việc giải các bài toán. Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trong ANSYS. Đồng thời, ANSYS cũng cung cấp 2 cách để giao tiếp với (Graphic User Interface, GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (cũng có thể dùng kết hợp 2 cách này một cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả,…). Với các dòng sản phẩm của ANSYS, Công ty ANSYS đã thiết lập nên một chuẩn mực trong mô phỏng kỹ thuật.
Công ty ANSYS xây dựng, phát triển, cung cấp phần mềm và hỗ trợ toàn cầu cho các giải pháp mô phỏng kỹ thuật nhằm dự đoán các ứng suất của sản phẩm ở trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế. Công ty ANSYS là công ty hàng đầu trong việc phát triển cả công cụ và công nghệ CAE (Computer Aided Engineering). Các giải pháp ANSYS giúp doanh nghiệp không chỉ biết được các tính năng hoạt động của sản phẩm mà cả 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. 14 • 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, để có được tất cả các khả năng mô phỏng số (cần thiết cho các bài toán phức tạp và kết hợp nhiều trường vật lý) cần có một kịch bản rất phức tạp và thường đòi hỏi phải kết hợp nhiều phần mềm khác nhau. Phần mềm ANSYS Multiphysics cung cấp một công cụ phân tích đắc lực kết hợp các môđun: tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học, và điện từ trong một sản phẩm tích hợp duy nhất. Với gói phần mềm ANSYS Multiphysics, sẽ cảm thấy thực sự thoải mái và có được một chuỗi khả năng mô phỏng tuyệt vời của ANSYS. ANSYS Multiphysics tích hợp cả hai phương pháp trực tiếp (phương pháp ma trận) và phương pháp nối tiếp (phương pháp vectơ tải trọng) để đưa ra các kết quả mô phỏng chính xác, đáng tin cậy trong mọi lĩnh vực từ các hệ thống làm mát, sản xuất năng lượng, tới công nghệ sinh học và các hệ vi cơ điện tử (MEMS).
Phần mềm cũng có khả năng mô phỏng dễ dàng các bài toán tương tác giữa các trường vật lý khác nhau: nhiệt - cơ, dòng chảy, kết cấu hay tĩnh điện, kết cấu với nhiều thuật giải phong phú có thể lựa chọn. 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 một phần mềm tính toán kết cấu đơn thuần mà không cần đến các phân tích tương tác ANSYS Structural, với khả năng mô phỏng hoàn hảo các kết cấu phi tuyến tính cũng như tuyến tính sẽ mang lại các kết quả chính xác và đáng tin cậy. Trong ANSYS Structural có đầy đủ các loại phần tử, các mô hình vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, mô hình vật liệu không đàn hồi giúp cho phần mềm có thể mô phỏng được các kết cấu lớn và phức tạp.
Ngoài ra, phần mềm cũng phân tích được sự tiếp xúc trong các mối lắp. Sẽ hoàn toàn cảm thấy thoải mái và dễ dàng tiếp cận các mô hình vật liệu cũng như lựa chọn các tùy chọn giải tối ưu cho bài toán qua giao diện đồ họa kiểu cấu trúc cây. Các tùy chọn giải cao cấp hơn được thực hiện qua chức năng tính toán song song. Từ ANSYS Structural, cũng có khả năng nâng cấp lên thành ANSYS Mechanical khi cần thiết.
Các phân tích tương tác cao cấp hơn nữa như dòng chảy, điện từ chỉ được tính toán trong gói phần mềm ANSYS Multiphysics. ANSYS Design Space là một gói phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, giúp cho các nhà thiết kế và kỹ sư có thể thực hiện toàn bộ công việc của mình từ việc xây dựng ý tưởng, mô hình hóa, và hiện thực hóa các ý tưởng ngay trên bàn làm việc. Sử dụng công nghệ Knowledge-Based 15 Automation, phần mềm này được xây dựng dựa trên những kỹ thuật đặc biệt mạnh mẽ của ANSYS, những kỹ thuật đã được phát triển suốt 32 năm qua. Sử dụng Design Space, các nhà thiết kế có thể rút ngắn thời gian cho ra một sản phẩm và tránh được nhiều sai sót.
Với Design Space, các kỹ sư dễ dàng thực hiện các bài tính kết cấu, nhiệt, động lực học, tối ưu hóa khối lượng, tối ưu hóa chức năng, mô phỏng các dao động, tính toán các hệ số an toàn v. Mục tiêu Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R16 để mô phỏng một số cơ cấu cơ khí phổ biến hiện nay nhằm phân tích ứng suất, chuyển vị và biến dạng của cơ cấu trong quá trình làm việc có tải trọng nhất định. Tìm hiểu các kiểu cơ cấu từ đơn giản đến phức tạp để biết rõ hơn nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động giữa các chi tiết hay bộ phận với nhau từ đó lên kế hoạch mô phỏng, cài đặt liên kết, chia lưới và thiết lập điều kiện biên cho bề mặt làm việc để phân tích ứng suất, ứng lực. Từ việc nghiên cứu và sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R16 để mô phỏng, phân tích cho các cơ cấu cơ khí qua đó mong muốn phần mềm có thể sử dụng dễ dàng và nhiều hơn trong nhiều ngành kỹ thuật hoặc đưa vào giảng dạy cũng như áp dụng vào một số môn học về động học, tĩnh học như sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, nhằm giải quyết các vấn đề về ứng suất, chuyển vị, độ biến dạng một cách đơn giản và nhanh hơn.
16 Chương 2 GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG PHẦN MỀM Mục tiêu Sau khi học xong chương này, có khả năng: 1) Giải thích được các công dụng của các thành phần trong phần mềm. 2) Trình bày được tổng quan các lệnh trong phần mềm ANSYS. GIAO DIỆN PHẦN MỀM Để mở phần mềm với phiên bản ANSYS Workbench R16: Start/All programs/ANSYS Workbench R16. Gồm 3 khu vực chính: Thanh Menu: chứa các mục File, View, Tools, Units, Extensions, Help.
Thanh công cụ: chứa danh sách các công cụ mô phỏng. Vùng làm việc: chứa sơ đồ mô phỏng. Thanh menu Hộp công cụ Vùng làm việc Hình 2.1: Giao diện của phiên bản ANSYS Workbench 16 17 2. THANH ĐIỀU KHIỂN Hình 2.2: Thanh điều khiển 2.
File Được dùng làm việc với các file và các đối tượng (Project). Các lệnh thực hiện với Project : Tạo Project mới. : Mở Project sẵn có. Các lệnh thực hiện với Study : Sao lưu.
: Nhập mô hình vào môi trường phân tích. View Dùng để quản lý giao diện của phần mềm, cũng như các góc nhìn hay ẩn một số thanh để dễ dàng trong khi làm việc. Thanh View bao gồm các thanh như hình 2.4: Menu View 19 Thanh Menu View cần quan tâm Toolbox Customization để thay đổi tên công cụ mô phỏng, hay nói cách khác là thay đổi tên các thanh mô phỏng ở Analysis Systems. Và thanh Project Schematic giúp hiểu rõ hơn về từng phần mà ANSYS thực hiện như mô phỏng tĩnh học, động học,.
Từ đó, lựa chọn được công cụ mô phỏng, tính toán.
