đặt vấn đề. Kiến thức khoa học biểu thị qua kết quả toán học. Phần cứng thi hành các tính toán do phần mềm viết ra. Người dùng kiểm tra rồi phân tích các kết quả của chúng.
Công nghệ CFD được áp dụng để nghiên cứu lĩnh vực thủy-khí động lực học rất sớm, và tên gọi CFD cũng bắt nguồn từ đây. Lĩnh vực thuộc ngành thủy khí động lực học sử dụng các phương pháp CFD được phát triển sớm, nhanh, rộng rãi, ngày càng nhanh và đạt nhiều thành tự vô cùng to lớn — Cơ học chất lưu và thủy-khí động lựchọc tính toán SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 9 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH (CFD – Computational Fluid Dynamics), hay thường gọi ngắn gọn là khí động lực học tính toán hoặc đơn giản hơn là tính toán khí động. Một số thành tựu mà phương pháp CFD mang lại : Công nhiệp hàng không vũ trụ Công nghiệp chế tạo ô tô (Ferrari dùng Ansys để tối ưu hóa tiện nghi về nhiệt) Tuy vậy độ tin cậy của CFD không đạt 100 %, do điều kiện biên áp đặt, sự khác biệt với thực tế và những sai sót chủ quan của người sử dụng. Phương pháp CFD dựa trên nền tảng của rất nhiều các phương pháp khác: Phương pháp rời rạc, Phương pháp khối lượng hữu hạn, Phương pháp phần tử hữu hạn, ….Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn.
Phần mềm ANSYS nói riêng và rất nhiều phần mềm kỹ thuật khác như SAP 2000, SAMCEF, STAAD III, MEANS, FEAP …. Đều được viết dựa trên các khái niệm và cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn là 1 phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp trong các bài toán kỹ thuật. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu cơ khí, các chi tiết ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng, dầm cầu ,… đến những bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, điện- từ trường…Với sự trợ giúp của ngành công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số dùng để giải các bài toán cơ học, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó. Tuy nhiên phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từng miền con 𝑽𝒆 (phần tử) thuộc miền xác định V. Do đó phương pháp này rất thích hợp với hàng loạt bài toán vật lý và kỹ thuật trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp gồm những miền nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau. Phương pháp ra đời từ trực quan phân tích kết cấu, rồi được phát biểu một cách chặt chẽ và tổng quát như một phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng số nhưng được xấp xỉ trên mỗi phần tử.
SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 10 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tư tưởng của phương pháp phần tử hữu hạn là rời rạc hóa cấu trúc. một số những điểm hữu hạn (nút phần tử) được đinh nghĩa trong cấu trúc. Cấu trúc được xem như là sự kết nối từ những cấu trúc con (những phần tử) trên các đường biên của chúng. Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử, các phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm định trước trên biên phần tử liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng, gọi là nút.
Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất 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. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìm được lấy xấp xỉ trong dạng một hàm đơn được gọi là hàm xấp xỉ (approximation function).
Và các hàm xấp xỉ này dược biểu diễn qua các giá trị của hàm (và có khi cả giá trị đạo hàm của hàm đó) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử. Tùy theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân tích bài toán theo 3 loại mô hình sau : Mô hình tương thích Mô hình cân bằng Mô hình hỗn hợp 2. Giới thiệu sơ lược về 2 phần mềm dụng để tính toán.
Giới thiệu sơ lược phần mềm chia lưới Gambit. GAMBIT là phần mềm CAD có khả năng chia lưới rất mạnh bằng nhiều cách: lưới tam giác Delauney, lưới tứ diện, lục giác, lưới không cấu trúc…bằng công cụ TGrid. Ngoài ra, sau khi chia lưới, việc làm sạch lưới với giải thuật Laplace, Equipotential cũng được áp dụng. Có 2 loại lưới: lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc.
Lưới có cấu trúc dùng dạng: quad/hex Lưới không có cấu trúc: dùng các dạng còn lại. Giới thiệu sơ lược phần mềm tính toán Ansys. Những năm gần đây,nhờ sự phát triển của công nghệ tính 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 thủy khí, các bài toán động, bài toán phi tuyến và tuyến tính, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. ANSYS SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 11 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học.
Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau như: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, độ dẻo, độ nhớt, dẻo nhớt, chảy dẻo,vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí … ANSYS ( Analysis System) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis ,FEA) hoàn chỉnh dủng để mô phỏng, tính toán, thiết kế công nghiệp và đang được sử dụng trên thế 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 toán trong ANSYS gốm 3 phần chính: Tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution), 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 toán tính. trong quá trình này ta cần định hướng xem bài toán sắp giải cần kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt độ, 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 , Shelll. Hiểu được các bước phân tính này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc tính toán.Vấn đề đặt ra là làm thế nào để thể hiện ý tưởng trong ANSYS.
Một vài hình ảnh khác minh họa về khả năng tính toán của ANSYS FLUENT : Tác động gió lên máy bay Tác động gió lên nhà cao tầng SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 12 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tác động của gió lên cầu Dòng nước chảy qua cột Tác động không khí lên tàu vũ trụ Xem xét ứng sử của nhiệt độ 3. Quá trình thực hiện trong phần mềm. Khi cầu không có thanh điều khiển. Thao tác thực hiện trong phần mềm Gambit.
Trường hợp góc nghiêng mặt cắt ngang của cầu là 0 ̊. Các kích thước mặt cắt ngang của cầu treo khi không có tấm phẳng điều khiển. Tạo mô hình mặt cắt ngang cầu cáp treo với kích thước như trên và một miền không gian bao quanh bên ngoài. SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 13 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tạo các tọa độ điểm tỉ lệ mặt cắt ngang cầu treo trong gambit : Khởi động phần mềm GAMBIT, trong Operation → Geometry→Vertex →Apply.Tại đây ta sẽ tạo được những tọa độ điểm mà khi nối lại sẽ hình thành bề mặt cắt ngang của cầu và bề mặt bao quanh.17 0 M 42 42 0 N -42 42 0 P -42 -42 0 Q 42 -42 0 Những điểm sau khi tạo được: Kết hợp những tọa độ điểm để tạo mô hình : Operation →Geometry →Edge.
Trong Vertices chọn AB, trong Label chọn AB, sau đó Apply. SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 14 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tiếp tục làm như vậy cho CD, EF, FA, MN, NP, PQ và QM. Ta sẽ tạo được hình mặt cắt ngang của cầu và bề mặt bao quanh. Tạo bề mặt.
Operation →Geometry →Face. Chọn AB, BC, CD, EF, FA.Trong Label đặt tên là airfoil. Chọn MN, NP, PQ, QM đặt tên là Rect. Sau khi tạo mặt thành công những đường viền sẽ có màu xanh.
SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 15 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Nhắp chuột phải vào Face chọn Subtract để có thể trừ mặt biên dạng cầu bên trong (vì ta cần chia lưới trên bề mặt cầu).Trong Face chọn Rect và Subtract Faces chọn airfoil. Tiến hành chia nút trên các cạnh : Operation → Mesh → Edges.Trong Spacing chọn Interval count (chia khoảng các nút bằng nhau). Chọn MN và đánh 15 vào ô Spacing (nghĩa là chia đoạn MN thành 14 đoạn bằng nhau). Cạnh Interval count MN 15 NP 15 PQ 15 QM 15 AB 15 BC 2 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 16 Luan van ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tương tự như vậy ta sẽ có bảng CD 3 hiển thị số lượng nút trên các cạnh.