Luận văn: Mô phỏng hệ chịu lực thiết bị kéo nén vạn năng cấp tải 300kN

Luận văn thạc sĩ mô phỏng hệ chịu lực máy thí nghiệm kéo nén vạn năng 300kN. Phân tích chi tiết biến dạng, ứng suất và so sánh kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Trần Đức Trọng
• Người hướng dẫn: TS. Lương Hồng Sâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Mô Phỏng Hệ Chịu Lực Của Thiết Bị Thí Nghiệm Kéo Nén Vạn Năng Cấp Tải 300kN
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Máy Kéo Nén Vạn Năng 300kN

Máy kéo nén vạn năng 300kN là thiết bị thí nghiệm hiện đại được sử dụng để xác định tính chất cơ học vật liệu kim loại và các vật liệu khác. Thiết bị này có khả năng thực hiện các phép thử kéo, nén, uốn với lực tối đa 300 kilonewton. Mô phỏng hệ chịu lực của máy kéo nén vạn năng giúp hiểu rõ hơn về cách thiết bị hoạt động và đảm bảo độ an toàn trong quá trình sử dụng. Công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) cho phép các kỹ sư phân tích chi tiết các ứng suất, chuyển vị và biến dạng xảy ra trên các thành phần của máy. Việc nghiên cứu này rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị.

1.1. Tính Chất Cơ Học Vật Liệu

Tính chất cơ học vật liệu bao gồm các thông số như giới hạn chảy, giới hạn bền, độ dãn dài tỉ đối và mô đun đàn hồi. Những thông số này được xác định thông qua các phép thử kéo nén tiêu chuẩn. Các dữ liệu này cung cấp thông tin thiết yếu cho quá trình thiết kế và mô phỏng các kết cấu máy móc, đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong vận hành.

1.2. Động Lực cho Nghiên Cứu

Nhu cầu hiểu sâu về hệ chịu lực của thiết bị thí nghiệm là động lực chính thúc đẩy nghiên cứu này. Mô phỏng kỹ thuật số giúp dự đoán chính xác hành vi của máy dưới các điều kiện tải khác nhau. Việc xác minh kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy của phương pháp tính toán thiết kế trong tương lai.

II. Kết Cấu Khung Chịu Lực Máy Kéo Nén

Khung chịu lực máy kéo nén vạn năng được thiết kế theo kiểu bàn nâng với hệ thống tạo lực bằng trục vít đai ốc. Kết cấu này có ưu điểm tạo ra lực kéo nén ổn định và chính xác. Hệ thống khung gia tải được thiết kế để phân tán lực đều trên diện tích tiếp xúc, giảm tập trung ứng suất. Các thành phần chính bao gồm khung chính, bàn nâng, hệ thống trục vít và các thanh chịu lực. Phương pháp tính toán thiết kế hiện đại kết hợp với phân tích phần tử hữu hạn cho phép tối ưu hóa từng chi tiết, đảm bảo khung máy có độ cứng đủ lớn để chịu được tải trọng 300kN mà không bị hư hỏng.

2.1. Hệ Khung Tạo Lực bằng Trục Vít

Hệ thống trục vít đai ốc là cơ chế chính để tạo ra lực kéo nén trong máy. Khi trục vít quay, nó sẽ đẩy hoặc kéo các thành phần, tạo ra lực tác dụng lên mẫu thí nghiệm. Thiết kế này cho phép điều chỉnh lực một cách chính xác và an toàn, phù hợp với các tiêu chuẩn thí nghiệm quốc tế.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động và Tối Ưu Hóa

Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên chuyển động của trục vít để tạo chuyển vị và lực. Bàn nâng di chuyển lên xuống để điều chỉnh khoảng cách giữa hai đầu kẹp. Việc mô phỏng hệ chịu lực giúp kiểm tra độ an toàn của khung khi hoạt động ở lực tối đa, đảm bảo không xảy ra biến dạng vĩnh viễn hoặc hỏng hóc.

III. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn trong Mô Phỏng

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) là kỹ thuật mô phỏng số hiện đại được sử dụng rộng rãi trong phân tích kết cấu và thiết kế máy móc. Phương pháp này chia nhỏ bộ phận máy thành hàng triệu phần tử nhỏ, sau đó giải các phương trình toán học để tính toán ứng suất, chuyển vị và biến dạng. Phần mềm ANSYS Workbench là công cụ phổ biến được dùng để thực hiện mô phỏng hệ chịu lực máy kéo nén. Quy trình phân tích bao gồm các bước: xây dựng mô hình hình học, chia lưới phần tử, thiết lập điều kiện biên, tải trọng, và cuối cùng là giải quyết các phương trình để thu được kết quả mô phỏng chi tiết.

3.1. Các Bước Phân Tích bằng Phương Pháp PTHH

Quy trình phân tích PTHH bao gồm: tạo mô hình CAD, chia lưới phần tử thích hợp, định nghĩa thuộc tính vật liệu, áp dụng điều kiện biên và tải trọng. Sử dụng hàm xấp xỉ và phép nội suy, phần mềm giải các phương trình để tính toán các đại lượng vật lý. Các kết quả thu được bao gồm phân bố ứng suất von Mises, chuyển vị tổng thể, và hệ số an toàn tại các vị trí khác nhau trên khung máy.

3.2. Phần Tử Quy Chiếu và Phần Tử Thực

Phần tử quy chiếu là phần tử chuẩn được xây dựng trên hệ tọa độ tự nhiên, còn phần tử thực là phần tử được biến đổi để khớp với hình dạng thực tế của chi tiết. Việc sử dụng phần tử tứ giác hoặc phần tử tam giác tùy thuộc vào hình dạng và độ phức tạp của bộ phận cần phân tích. Sơ đồ tính toán được lập trình trong phần mềm để tự động hóa quá trình này.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá

Mô phỏng hệ chịu lực của máy kéo nén vạn năng 300kN cho phép xác định biến dạng tổng thể của khung máy khi chịu lực kéo hoặc nén cực đại. Các kết quả bao gồm chuyển vị tay đòn, chuyển vị thanh trụ và chuyển vị hệ thống khung. Bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm, các kỹ sư có thể xác nhận độ chính xác của mô hình. Hệ thống khung chịu lực được đánh giá dựa trên hệ số an toàn, đảm bảo không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu. Quá trình chế tạo và kiểm nghiệm thực tế giúp xác minh hiệu quả của phương pháp mô phỏng và cung cấp dữ liệu quý báu cho các thiết kế tương lai.

4.1. Biến Dạng và Ứng Suất

Phân bố ứng suất trên khung chịu lực được xác định bằng mô phỏng phần tử hữu hạn. Các vùng có ứng suất cao thường tập trung ở các góc, nơi tiếp xúc giữa các chi tiết, và tại điểm áp dụng tải trọng. Biến dạng tổng thể được theo dõi ở tay đòn, thanh trụ và toàn bộ khung máy, cung cấp thông tin về độ cứng và khả năng chịu tải của thiết bị.

4.2. Xác Minh Bằng Thực Nghiệm

Đánh giá kết quả được thực hiện bằng cách đo lường chuyển vị trực tiếp trên máy thực tế sử dụng các thiết bị đo chính xác. So sánh dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng giúp cải thiện độ chính xác của mô hình và xác nhận tính hợp lệ của phương pháp phân tích phần tử hữu hạn cho các thiết kế máy kéo nén vạn năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu 1.1 Tính chất cơ học vật liệu Các thiết bị máy móc hay kết cấu công trình xây dựng đều được thiết kế dựa trên các yêu cầu riêng biệt, thỏa mãn các tiêu chuẩn công nghiệp. Để đạt được sụ tối ưu trong thiết kế, chế tạo và quá trình khai thác, vật liệu thiết kế phải được thử nghiệm xác định các tính chất cơ học, vật lý chính xác. Đối với vật liệu kim loại, từ các thí nghiệm kéo, nén, uốn, cắt có thể cung cấp rất nhiều thông số quan trọng cho quá trình mô phỏng thiết kế. Các thông số điển hình bao gồm: giới hạn chảy, giới hạn bền, độ dãn dài tỉ đối, độ dãn dài tương đối, mô đun đàn hồi, ứng suất cắt tới hạn, khả năng xuất hiện vết nứt khi cắt.Thí nghiệm xác định các thông số trên vô cùng cần thiết cho các mẫu vật liệu từ kim loại, chất dẻo cho đến các loại bu lông, đinh tán, liên kết hàn.

Quá trình kéo nén để xác định cơ tính của vật liệu bao gồm hệ thống máy thí nghiệm, mẫu thử và quá trình xử lý số liệu thí nghiệm. Mẫu dùng cho thí nghiệm được chế tạo theo hình dáng và kích thước nhất định phụ thuộc vào vật liệu và theo tiêu chuẩn của từng quốc gia như: tiêu chuẩn TCVN [6], ASTM [7] hay ISO.1: Mẫu thí nghiệm kéo nén d0 : đường kính thanh, L0 : chiều dài thí nghiệm, F0 : diện tích đoạn thanh. Thí nghiệm xác định cơ tính vật liệu Chuẩn bị mẫu thử : - Kiểm tra mẫu trước khi thử, bao gồm: kiểm tra kích thước, độ cong vênh, vết rạn nứt. - Đo kích thước mẫu L(cm).

- Cân khối lượng mẫu Q(g) - Tính toán đường kính thực tế dtt - Khắc vạch trên mẫu để xác định độ giãn dài tương đối. Tiến hành thử : - Lắp mẫu vào máy (chọn bộ má kẹp phù hợp với đường kính của mẫu thép) - Khởi động máy. - Tăng lực với tốc 5 - 30N/mm2 .s - Quan sát để đọc giá trị lực chảy Pc (kN); là thời điểm kim trên đồng hồ lực dao động, lúc này mẫu thép bắt đầu chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo. - Sau khoảng 10 - 30s tiếp tục tăng lực cho đến khi mẫu đứt, lực ứng với lúc mẫu đứt chính là lực bền Pb (kN) - Xả dầu thủy lực, ngắt điện, tháo mẫu.

- Đo mẫu sau khi thí nghiệm bằng cách chuyển vị trí thắt về giữa khoảng lo sau đó đo trực tiếp khoảng có vết thắt để xác định l1 (mm) 2 Thông qua hệ thống đo (ghi) kết quả của máy, ta có biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và biến dạng dài tuyệt đối ∆L được ghi lại bằng đồ thị gọi là biểu đồ kéo vật liệu [8], [9] (hình 1. P E M F C D B A Pb Ptl Pđh Pch O ΔL Hình 1.2: Biểu đồ kéo vật liệu Quá trình chịu lực của vật liệu có thể chia làm các giai đoạn: Trên biểu đồ đoạn OA quan hệ giữa lực tác dụng P và biến dạng dài ∆L là quan hệ bậc nhất. Kí hiệu Ptl là giá trị lực tương ứng với điểm A trên biểu đồ. Ứng suất tương ứng với giai đoạn tỉ lệ là giới hạn tỉ lệ σtl .1) Fo Điểm B tương ứng với giá trị lực lớn nhất mà khi thôi lực tác dụng biến dạng dư không tồn tại, kí hiệu lực đó là Pdh.

Ứng suất tương ứng với Pdh gọi là giới hạn đàn hồi kí hiệu σdh .2) Fo Tại điểm C, lực không tăng nhưng biến dạng tăng. Đoạn CD được gọi là thềm chảy. Lực tương ứng với giai đoạn này là Pch. Tương ứng với giai đoạn này là sự tồn tại biến dạng dẻo.

Ứng suất tương ứng trong giai đoạn này là giới hạn chảy σch .3) Fo Giai đoạn củng cố tương ứng với đoan DE. Giai đoạn này vật liệu trở lại khả năng chống lại sự biến dạng. Lực lớn nhất trong giai đoạn này ứng với điểm E kí hiệu Pb. Giá trị ứng suất tương ứng với giai đoạn này gọi là giới hạn bền của vật liệu σb .4) Fo Tiếp tục kéo mẫu sẽ xuất hiện chỗ thắt trên mẫu.

Lực giảm nhưng biến dạng vẫn tăng cho đến khi mẫu đứt ứng với điểm F. Các giá trị σtl , σch , σb là những đặc trưng cơ học quan trọng của vật liệu cần được biết để tính toán sức bền cho các chi tiết máy.2 Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng Hình 1.3: Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng [1] 4 Máy thí nghiệm vạn năng (hình 1.3) là thiết bị rất cần thiết của các phòng thí nghiệm cơ học, nhà trường, các viện nghiên cứu cũng như các nhà máy chế tạo và sản xuất, nó cho phép thực hiện các loại thí nghiệm kéo, nén, uốn cắt (hình 1.4) để xác định các thông số tính chất cơ học của vật liệu hay cấu kiện cần thí nghiệm. Trong lĩnh vực xây dựng và cơ khí chế tạo các loại vật liệu thường được yêu cầu xác định chỉ tiêu cơ học của thép, cáp, bê tông, gỗ, chất dẻo. (a) Kéo (b) Nén (c) Uốn (d) Đâm thủng Hình 1.4: Một số ứng dụng của máy kéo nén [2] Hiện nay ở các nước phát triển, thiết bị thí nghiệm vạn năng đã được chế tạo từ lâu và đã đạt mức trình độ rất cao, điển hình là sản phẩm của các hãng như Instron, Tinius Olsen, MTS (Mỹ), Zick (Đức), Shimadzu (Nhật), Sans, Hua long (Trung Quốc).

dựa trên các kết quả thu thập được ta có thể chia hình thức kết cấu khung chịu lực ra làm hai nhóm: gia tải bằng trục vít và gia tải bằng thủy lực. Với hệ thống gia tải được dùng chung để tạo lực kéo và nén, tức là cùng một cơ chế tạo lực duy nhất mà hệ thống khung có thể tạo ra được lực kéo hay nén tác dụng lên mẫu thí nghiệm.5) 5 Ngàm kẹp Tay đòn cố định Khoảng Trục trơn Mẫu Trục vít không đôi me thử Tay đòn Tay đòn di động Bàn gia Trục vít tải Xy-lanh Động cơ (a) Hệ thống gia tải bằng trục vít (b) Hệ thống gia tải thủy lực Hình 1.5: Cơ cấu gia tải của hệ thống máy kéo nén vạn năng Hình 1.5(a) trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống máy kéo nén được gia tải bằng trục vít. Với hệ thống khung được thiết kế bao gồm: một hoặc hai trục vít me, tay đòn và động cơ. (a) Hai trục (b) Một trục Hình 1.6: Cơ cấu gia tải bằng trục vit 6 Trong đó trục vít me được điều khiển bằng động cơ với mục địch nhằm tăng giảm khoảng cách thí nghiệm, là bộ phận gia tải, đồng thời cũng là hệ thống chịu lực chính của loại máy này.6 minh họa tiêu biểu cho các dòng máy sử dụng hệ thống này.5(b) miêu tả hệ thống gia tải bằng thủy lực, vẫn dựa trên nguyên lý tạo lực kép mà hệ thống này cho kết cấu bao gồm: hai trục vít me, hai trục trơn, tay đòn, động cơ và xy-lanh thủy lực.

(a) Xy-lanh thủy lực bố trí ở dưới (b) Xy-lanh thủy lực bố trí ở trên Hình 1.7: Cơ cấu gia tải bằng xy-lanh thủy lực Với hệ thống này trục vít me và động cơ chỉ còn các chức năng chính là chịu lực cho toàn bộ hệ thống khung và tăng giảm khoảng cách thí nghiệm. Khi đó với hai cột trụ và hệ thống thủy lực còn lại có chức năng thực hiện quá trình gia tải.7 miêu tả các dòng máy thuộc hệ thống này, với hệ thống xy-lanh thủy lực thường được bố trí ở trên cao hoặc ở dưới chân đế máy. Tại Việt Nam phần lớn các máy thí nghiệm đều được nhập khẩu từ nước ngoài, một số rất nhỏ được chế tạo trong nước. Việc tìm hiểu và chế tạo thiết bị thí nghiệm vạn năng đã đuợc các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong nước quan tâm 7 trong khoảng 10 năm trở lại đây.

Tuy nhiên các công bố về nghiên cứu chế tạo loại thiết bị này vẫn còn rất ít [10], [11]. Ở mức cấp tải cao 300 kN, bộ phận gia tải điều khiển bằng cơ khí không còn thích hợp do giá thành quá cao, khó đảm bảo được độ chính xác. Vì vậy phần gia tải cần được thay thế bằng điều khiển servo thủy lực. Tuy nhiên điều khiển servo thủy lực với tải trọng cao ứng dụng cho máy thí nghiệm kéo nén vạn năng hiện nay vẫn còn là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật mà ở Việt nam vẫn chưa giải quyết được.

Một hướng nghiên cứu khác thuộc lĩnh vực này đó là khảo sát, cải tiến thay thế một phần các máy thí nghiệm kéo nén đã có để nâng cao độ chính xác thí nghiệm. Hướng nghiên cứu này chủ yếu là điện tử hóa quá trình thu nhận và xử lý số liệu thí nghiệm. Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này là Viện công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng đã cải tiến máy kéo nén vật liệu ZD40 bằng việc số hóa, ghép nối với máy tính, xây dựng phần mềm xử lý số liệu và vẽ đồ thị biểu diễn quá trình kéo nén vật liệu [12]. Việc cải tiến này đã làm tăng khả năng của máy ZD40 như việc tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu trước khi cải tiến được thực hiện thủ công thì nay đã được tự động hóa bằng phần mềm điều khiển và xử lý số liệu thực nghiệm.

Một hướng nghiên cứu nữa theo hướng này của Nguyễn Đức Luân [13] với việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống tự động xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén của trung tâm tiêu chuẩn đo lường chất lường chất lượng 3-Bộ quốc phòng. Việc cải tiến này nhằm vào việc tự động hóa quá trình xử lý số liệu thí nghiệm với việc lắp đặt thêm hệ thống đo lường các số liệu và xử lý số liệu thí nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm. Tác giả đã sử dụng cảm biến dịch chuyển PY2 C25 và cảm biến lực CBES 2000. Kết quả nghiên cứu đã được trung tâm kiểm định chất lượng 2 (QUATEST2/Bộ KH&CN) đánh giá đạt cấp chính xác 2.

Theo hướng nghiên cứu này còn phải kể đến nghiên cứu của tác giả Đỗ Thiều Quang, Lê Ngọc Anh [14] với việc tự động hóa công tác thử nghiệm vật liệu trên máy thí nghiệm vạn năng P50. Cũng như trên, nghiên cứu này cũng chỉ cải tiến một phần của máy thí nghiệm vạn năng bằng việc tự dộng hóa quá trình thử nghiệm vật liệu .3 Động lực cho nghiên cứu - Có thể thấy rằng việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm vạn năng kéo nén vật liệu ở Việt Nam mới chỉ ở giai đoạn bắt đầu. Do đó các kinh nghiệm tích luỹ được liên quan đến toàn bộ các vấn đề thiết kế, chế tạo, tính toán mô phỏng chưa thực sự nhiều.