Đồ án HCMUTE: Mô phỏng động học các cơ cấu cơ khí với ANSYS Workbench R16

Khám phá đồ án HCMUTE mô phỏng động học cơ cấu cơ khí bằng phần mềm Ansys Workbench R16, ứng dụng trong thiết kế và phân tích kỹ thuật.

• Tác giả: Khương Mạnh Cường
• 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
• Đề tài: Mô Phỏng Động Học Các Cơ Cấu Cơ Khí Bằng Phần Mềm ANSYS Workbench R16
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ BÀI TẬP THAM KHẢO
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ANSYS Workbench R16

Phần mềm ANSYS Workbench R16 là một công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực mô phỏng động học và phân tích cơ cấu cơ khí. Nó cho phép người dùng thực hiện các phân tích phức tạp với độ chính xác cao. Mô phỏng động học là một trong những ứng dụng chính của phần mềm này, giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về hành vi của các cơ cấu trong quá trình hoạt động. Việc sử dụng ANSYS Workbench không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí trong quá trình thiết kế và thử nghiệm. Theo nghiên cứu, việc áp dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trong ANSYS đã mang lại những kết quả đáng kể trong việc tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của các cơ cấu cơ khí.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ yêu cầu các kỹ sư phải có khả năng áp dụng các công cụ hiện đại để giải quyết các bài toán phức tạp. ANSYS Workbench cung cấp một nền tảng vững chắc cho việc mô phỏng và phân tích, giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp tối ưu cho các vấn đề trong thiết kế cơ khí. Việc nghiên cứu và ứng dụng ANSYS trong mô phỏng động học không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra những bước tiến mới trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

II. Giới thiệu về phần mềm

Phần mềm ANSYS Workbench R16 được thiết kế với giao diện thân thiện, dễ sử dụng, cho phép người dùng dễ dàng tiếp cận và thực hiện các mô phỏng phức tạp. Giao diện của phần mềm bao gồm nhiều công cụ hỗ trợ cho việc nhập mô hình CAD, thiết lập điều kiện biên và thực hiện phân tích. Chuyển động cơ học trong phần mềm được mô phỏng thông qua các mô hình 2D và 3D, giúp người dùng có cái nhìn trực quan về quá trình hoạt động của cơ cấu. Việc sử dụng phân tích ứng suất và phân tích biến dạng trong ANSYS giúp kỹ sư đánh giá được độ bền và khả năng chịu tải của các cơ cấu, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết trong thiết kế.

2.1. Các chức năng chính của phần mềm

Phần mềm ANSYS Workbench R16 cung cấp nhiều chức năng hữu ích cho việc mô phỏng và phân tích. Các chức năng này bao gồm khả năng nhập mô hình CAD, thiết lập các điều kiện biên, và thực hiện các phân tích động học và tĩnh. Đặc biệt, phần mềm hỗ trợ phân tích biên dạng và phân tích ứng suất, giúp người dùng có thể đánh giá được hiệu suất của các cơ cấu trong điều kiện làm việc thực tế. Việc sử dụng ANSYS trong thiết kế cơ khí không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong các kết quả phân tích.

III. Mô hình tính toán

Mô hình tính toán trong ANSYS Workbench R16 là bước quan trọng để thực hiện các phân tích động học. Việc thiết lập mô hình chính xác sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích. Các cơ cấu như bánh răng côn, bánh răng thẳng, và cơ cấu tay quay con trượt được mô phỏng để đánh giá hiệu suất hoạt động. Tối ưu hóa thiết kế là một trong những mục tiêu chính của việc sử dụng phần mềm này. Các thông số như tải trọng, điều kiện biên và các yếu tố khác cần được thiết lập chính xác để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

3.1. Thiết lập mô hình

Thiết lập mô hình trong ANSYS Workbench bao gồm việc nhập dữ liệu từ các phần mềm CAD và thiết lập các thông số cần thiết cho mô phỏng. Các thông số này bao gồm kích thước, hình dạng và vật liệu của các thành phần trong cơ cấu. Việc sử dụng mô hình CAD giúp người dùng dễ dàng tạo ra các hình dạng phức tạp và thực hiện các phân tích cần thiết. Sau khi thiết lập mô hình, người dùng cần kiểm tra và xác nhận các thông số để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

IV. Thiết lập điều kiện biên

Thiết lập điều kiện biên là một bước quan trọng trong quá trình mô phỏng. Điều kiện biên xác định cách mà các lực và tải trọng tác động lên cơ cấu trong quá trình hoạt động. Trong ANSYS Workbench, người dùng có thể dễ dàng thiết lập các điều kiện biên cho từng phần của mô hình. Việc này không chỉ giúp mô phỏng chính xác hơn mà còn giúp đánh giá được khả năng chịu tải của các cơ cấu. Các loại điều kiện biên như kiểm tra độ bền và độ an toàn cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

4.1. Các loại điều kiện biên

Trong ANSYS Workbench, có nhiều loại điều kiện biên khác nhau mà người dùng có thể áp dụng. Các điều kiện này bao gồm điều kiện cố định, điều kiện tự do và điều kiện tải trọng. Việc lựa chọn loại điều kiện biên phù hợp sẽ ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Người dùng cần phải hiểu rõ về cách mà các điều kiện này tác động đến mô hình để có thể đưa ra các quyết định thiết kế chính xác.

V. Các quá trình phân tích và bài tập tham khảo

Các quá trình phân tích trong ANSYS Workbench bao gồm phân tích động học, phân tích tĩnh và phân tích ứng suất. Mỗi loại phân tích đều có những yêu cầu và phương pháp riêng. Việc thực hiện các bài tập tham khảo giúp người dùng nắm vững các kỹ thuật và phương pháp phân tích. Các bài tập này không chỉ giúp củng cố kiến thức mà còn giúp người dùng làm quen với giao diện và các chức năng của phần mềm. Việc áp dụng các bài tập thực tế vào quá trình học tập sẽ giúp nâng cao kỹ năng và khả năng giải quyết vấn đề trong thiết kế cơ khí.

5.1. Phân tích động học

Phân tích động học là một trong những ứng dụng chính của ANSYS Workbench. Phân tích này giúp người dùng hiểu rõ hơn về chuyển động của các cơ cấu trong quá trình hoạt động. Việc mô phỏng chuyển động giúp đánh giá được hiệu suất và khả năng hoạt động của các cơ cấu. Các thông số như tốc độ, gia tốc và lực tác động cần được xác định chính xác để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Việc sử dụng ANSYS Workbench R16 trong mô phỏng động học các cơ cấu cơ khí đã chứng minh được giá trị và tính ứng dụng thực tiễn. Phần mềm không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong thiết kế. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tích hợp thêm các công nghệ mới và cải tiến giao diện người dùng để nâng cao trải nghiệm sử dụng. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới trong ANSYS sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các kỹ sư trong ngành cơ khí.

6.1. Đề xuất hướng phát triển

Để nâng cao hiệu quả sử dụng ANSYS Workbench, cần có các chương trình đào tạo chuyên sâu cho người dùng. Việc tổ chức các khóa học và hội thảo sẽ giúp người dùng nắm vững các kỹ thuật và phương pháp phân tích. Ngoài ra, việc phát triển các module mới trong phần mềm cũng cần được xem xét để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16. Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM. Chương 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN. Chương 4: THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN.

Chương 5: CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ BÀI TẬP THAM KHẢO. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 2 do an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .11 DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ .24 TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16. Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.

Tổng quan về Ansys Workbench R16. Mục tiêu nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu. Tính cấp thiết của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu .28 GIỚI THIỆU VỀ GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG PHẦN MỀM. GIAO DIỆN PHẦN MỀM. THANH ĐIỀU KHIỂN. File: được dùng làm việc với các file và các đối tượng (project).

Các lệnh thực hiện với Project:. Các lệnh thực hiện với Study:. Giao diện làm việc trong Transient Structural. Các thanh công cụ trong Transient Structural.

Nhập mô hình CAD 3D. Môi trường làm việc chính. Các thanh công cụ hỗ trợ thường dùng. Khu vực làm việc Model .41 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN.

Tính toán cơ cấu bánh răng côn. Cơ sở tính toán. Kết quả tính toán. Tính toán cơ cấu bánh răng thẳng.

Cơ sở tính toán. Kết quả tính toán. Cơ cấu tay quay con trượt. Cơ sở tính toán.

Kết quả tính toán. Cơ cấu cam phẳng. Cơ sở tính toán. Cơ cấu bánh răng hành tinh.

Cơ sở tính toán. Kết quả tính toán. Cơ cấu bánh vít trục vít. Cơ sở tính toán.

Kết quả tính toán. Cơ cấu cam không gian (cam thùng). Cơ sở tính toán. Cơ cấu thanh trượt và bán bánh răng.

Cơ sở tính toán .58 THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THANH CÔNG CỤ CONNECTION. Hướng dẫn chọn kiểu Joint. Cài đặt kiểu Joint.

Hướng dẫn chọn các loại Contact. Hướng dẫn thiết lập các loại Contact .71 CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ BÀI TẬP THAM KHẢO .1 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN. MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG .2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau .2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN (BEVEL GEAR). Khởi tạo mô hình bánh răng côn cần phân tích.

Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu. Cài đặt tải cho cơ cấu .80 Đầu tiên, cần phải xác định cơ cấu sẽ hoạt động như thế nào (vd: quay, trượt, tịnh tiến…) để có thể cài đặt khớp nối chính xác nhất. Thiết lập phần phân tích các bước thời gian và lực cho cơ cấu .82 Tại mục Transient Structral chọn Analysis Settings (phân tích cài đặt).82 Number of Steps (Số bước thời gian): 8. Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong.

KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC CAM (CAMSHAFT). MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau.

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TRỤC CAM. Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học. Khởi tạo mô hình Trục cam (Camshaft). Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu để mô phỏng.

Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu. Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu. Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong. KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU.

QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT. MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG.

Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học .2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích. Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu .5 Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu. Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu. Xử lý dữ liệu .4 QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU BÁNH RĂNG HÀNH TINH.

MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học .2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích.

Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu. Cài đặt Joint cho cơ cấu.4 Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu .6 Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu .6 Xử lý dữ liệu .3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .5 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC VÍT BÁNH VÍT (WORM GEAR). MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG .2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau .2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TRỤC VÍT BÁNH VÍT .1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học .2 Khởi tạo mô hình bánh vít trục vít cần phân tích .3 Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu .4 Cài đặt khớp nối (Joint) cho cơ cấu .6 Thiết lập phần phân tích các bước thời gian và lực cho cơ cấu .7 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong .3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU .6 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU THANH TRƯỢT VÀ BÁN BÁNH RĂNG (SLIDING AND SELF GEAR). MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG .2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau .2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG THANH TRƯỢT VÀ BÁN BÁNH RĂNG .1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học.

Xuất mô hình thanh trượt và bán bánh răng. Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu để mô phỏng. Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu. Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu .7 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong .3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU.MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CAM THÙNG.

MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG .2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau .2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU CAM THÙNG. Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học .2 Xuất mô hình Cam thùng. Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu để mô phỏng.5 Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu. Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu.

Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong .3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU. QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU BÁNH RĂNG THẲNG. MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng.

HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học .2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích. Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu. Cài đặt Joint cho cơ cấu.

Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu. Cài đặt Moment. Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu. Xử lý dữ liệu .3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .225 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

Đề xuất hướng phát triển .225 TÀI LIỆU THAM KHẢO .226 9 do an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANSYS: Analysis System. CAE: Computer-Aided Engineering. ADS: Ansys DesignSpace. DOF: Degree of Freedom.

MPC: Mutil-Point Constraint. 10 do an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung Trang 3.1 Chọn số răng z1p 42 3.2 Tính các kích thước chủ yếu khác của bộ truyền bánh răng côn.3 Xác định các thông số hình học của bộ truyền.4 Xác định các kích thước chính bộ truyền trục vít.5 Xác định kích thước chính bộ truyền bánh vít. 52 11 do an DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình Nội dung Trang 2.1 Giao diện của phiên bản Ansys workbench 16 28 2.2 Thanh điều khiển 28 2.5 Thanh Project Schematic 30 2.10 Chọn Transient Structural 32 2.11 Bảng Transient Structural 32 2.14 Thành phần cơ cấu 34 2.15 Các vùng trong phần làm việc 34 2.20 Lựa chọn cách hiển thị giá trị 36 2.23 Thanh Solve Process Setting 37 2.26 Thanh công cụ hỗ trợ trong Geometry 38 2.31 Các thanh công cụ thường dùng trong Connections 39 12 do an 2.32 Các kiểu chia Mesh 39 2.34 Bảng nhập giá trị bước và thời gian 40 2.36 Các dạng biến đổi xảy 40 2.37 Chọn kiểu phân tích 41 2.1 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 4.4 Chọn kiểu chuyển động 61 4.5 Xét trục quay 61 4.6 Điều chỉnh phương trục 61 4.8 Xét Reference trên tay quay 62 13 do an 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 4.17 Kết quả chi Mesh 67 4.19 Bảng nhập giá trị bước và thời gian 67 4.20 Chọn Joint Load 68 4.21 Chọn trục đặt lực 68 4.