Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE: Tính Toán Mối Hàn Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

• Tác giả: Nguyễn Quốc Tuấn
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Đăng Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Tính Toán Mối Hàn Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TOÀNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tính khoa học, thực tiễn đề tài
• 1.4. Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Vấn đề ứng suất dỡ và biến dạng dỡ trong mối hàn
• 2.2. Thiết lập phần tử cơ nhiệt 2D
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC DỮ LIỆU VÀ SỐ ĐOẠ PHẦN TỬ HỮU HẠN VỚI MATLAB
• 3.1. Miền hình học
• 3.2. Cấu trúc dữ liệu của miền
• 3.3. Giải thuật phát sinh lưới
• 3.4. Giải thuật tính toán, lắp ghép trên miền
• 3.5. Giải thuật mã hóa bậc tự do của miền trong toán kết cấu
• 3.6. Giải thuật lắp ghép miền vào toán kết cấu
• 3.7. Giải thuật khai báo tải trọng tập trung trên nút và tải trọng phân bố trên cánh
• 3.8. Giải thuật áp đặt điều kiện biên trên nút và trên cánh
• 3.9. Giải thuật giải hệ phương trình đại số tuyến tính
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH MỘT SỐ MỐI HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 4.1. Mối hàn choàng
• 4.2. Mối hàn góc
• 4.3. Mối hàn giáp nối
• 4.4. Mối hàn phức tạp
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận về các kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển đề tài

I. Tổng quan

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về tình hình nghiên cứu mối hàn trong và ngoài nước, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán mối hàn. Nghiên cứu cho thấy rằng tính toán mối hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành một công cụ quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí, đặc biệt trong việc tối ưu hóa thiết kế và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc xử lý các vấn đề phức tạp liên quan đến mối hàn, trong khi đó, phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác hơn các ứng suất và biến dạng trong mối hàn. Theo nghiên cứu, việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất mà còn nâng cao độ bền và độ tin cậy của các kết cấu hàn.

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu về mối hàn đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, với nhiều phương pháp khác nhau được phát triển. Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc cải thiện chất lượng mối hàn và giảm thiểu các khuyết tật trong quá trình hàn. Các phương pháp như phân tích phần tử hữu hạn đã được áp dụng để mô phỏng và phân tích các ứng suất trong mối hàn, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết kế kết cấu. Việc sử dụng phần mềm như ANSYS và ABAQUS đã giúp các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các mô phỏng phức tạp, từ đó rút ra những kết luận quan trọng về ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, áp lực và vật liệu đến chất lượng mối hàn.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về tính toán mối hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn đang dần được chú trọng. Nhiều trường đại học và viện nghiên cứu đã bắt đầu áp dụng phương pháp này trong các đề tài nghiên cứu của mình. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ hàn trong nước. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu chi phí sản xuất. Các phần mềm như SAP2000 và ANSYS đã được sử dụng để tính toán và mô phỏng các mối hàn, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý hơn.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về mối hàn và các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng trong mối hàn. Kỹ thuật hàn là một trong những phương pháp quan trọng trong ngành chế tạo máy, và việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là rất cần thiết. Các yếu tố như nhiệt độ, áp lực và loại vật liệu đều có ảnh hưởng lớn đến quá trình hàn và chất lượng của mối hàn. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn giúp mô phỏng và phân tích các yếu tố này một cách chính xác, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết kế kết cấu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn không chỉ giúp cải thiện chất lượng mối hàn mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất.

2.1 Vấn đề ứng suất và biến dạng trong mối hàn

Ứng suất và biến dạng trong mối hàn là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của kết cấu hàn. Khi hàn, nhiệt độ cao sẽ gây ra sự giãn nở và co lại của vật liệu, dẫn đến sự xuất hiện của ứng suất bên trong mối hàn. Việc phân tích ứng suất và biến dạng là rất cần thiết để đảm bảo rằng mối hàn có thể chịu được các tải trọng trong quá trình sử dụng. Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác các ứng suất và biến dạng trong mối hàn, từ đó giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp này có thể giúp giảm thiểu các khuyết tật trong mối hàn và nâng cao độ bền của kết cấu.

2.2 Thiết lập phần tử cơ nhiệt 2D

Thiết lập phần tử cơ nhiệt 2D là một bước quan trọng trong việc mô phỏng quá trình hàn. Bằng cách sử dụng các phần tử 2D, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng chính xác các ứng suất và biến dạng trong mối hàn. Việc thiết lập này bao gồm việc xác định các thông số như nhiệt độ, áp lực và loại vật liệu. Các phần mềm như ANSYS và ABAQUS đã được sử dụng để thực hiện các mô phỏng này, cho phép các kỹ sư có thể phân tích và tối ưu hóa thiết kế mối hàn một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết lập phần tử cơ nhiệt 2D có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí chế tạo máy, mối hàn là một trong những chi tiết quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và hiệu suất của kết cấu. Theo ước tính, việc sử dụng phương pháp hàn trong công nghiệp chiếm tỷ lệ lớn trong sản xuất các sản phẩm như thân máy bay, tàu thủy, ô tô và các thiết bị công nghiệp khác. Tuy nhiên, tính toán mối hàn truyền thống dựa trên các công thức trong tài liệu chi tiết máy thường gặp khó khăn khi áp dụng cho các chi tiết phức tạp với biến dạng không đồng nhất.

Mục tiêu của luận văn là phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán mối hàn, nhằm xác định chính xác ứng suất và biến dạng trong mối hàn dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Nghiên cứu tập trung vào các loại mối hàn phổ biến như mối hàn choàng, mối hàn gia cố, mối hàn góc và mối hàn gia cố góc hai bên, với phạm vi thời gian nghiên cứu từ năm 2004 đến 2005 tại Việt Nam.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong tính toán kết cấu hàn, giảm chi phí sản xuất và tăng độ bền của sản phẩm. Việc ứng dụng phần mềm tính toán cơ học như MATLAB, SAP2000, ANSYS giúp mô phỏng và phân tích chi tiết các trạng thái ứng suất, từ đó hỗ trợ thiết kế và kiểm tra kết cấu mối hàn hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết sức bền vật liệu và lý thuyết đàn hồi tuyến tính trong cơ học kết cấu. Lý thuyết sức bền vật liệu giúp xác định ứng suất giới hạn cho phép của mối hàn dựa trên các tiêu chuẩn vật liệu thép hợp kim và thép carbon cao. Lý thuyết đàn hồi tuyến tính được sử dụng để mô hình hóa quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong trạng thái ứng suất phẳng, phù hợp với các bài toán phân tích mối hàn.

Mô hình phần tử hữu hạn 2D được áp dụng để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trong mối hàn. Các khái niệm chính bao gồm: ma trận độ cứng phần tử [K], ma trận đàn hồi [C], ma trận hình học [B], vectơ biến dạng ban đầu do nhiệt ε₀, và vectơ tải trọng tác dụng {F}. Phương trình cân bằng tổng thể được biểu diễn dưới dạng:

$$ [K^*]{u} = {F} $$

trong đó {u} là vectơ biến dạng nút, [K^*] là ma trận độ cứng tổng hợp của toàn bộ kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn vật liệu, và các kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn được thực hiện trên phần mềm MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mô hình mối hàn với kích thước và hình dạng khác nhau, ví dụ như mối hàn choàng dài 20 cm, mối hàn gia cố dày 0.5 cm, 1 cm, 2 cm, và mối hàn góc chữ K với tải trọng kéo từ 100 kN đến 200 kN.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình phần tử hữu hạn tam giác 3 nút trong không gian 2D, với giả thiết trạng thái ứng suất phẳng. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: xây dựng mô hình hình học, chia lưới phần tử, thiết lập ma trận độ cứng và tải trọng, áp đặt điều kiện biên, giải hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm biến dạng nút, từ đó tính toán ứng suất và kiểm tra độ bền mối hàn.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng một năm, từ việc thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, lập trình thuật toán, đến phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ứng suất hiệu dụng von Mises trong mối hàn choàng: Mô hình phần tử hữu hạn cho thấy ứng suất von Mises đạt giá trị khoảng 9 KN/cm² dưới tải trọng kéo 200 kN, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép 0.4 KN/cm², chứng tỏ mối hàn choàng đảm bảo độ bền.

2. Mối hàn gia cố với bề dày 0.5 cm và 1 cm: Ứng suất von Mises lần lượt là 38 KN/cm², vượt quá giới hạn cho phép 0.4 KN/cm², cho thấy mối hàn này không đảm bảo an toàn khi chịu tải 200 kN. Tương tự, mối hàn gia cố dày 2 cm cũng không đạt yêu cầu với ứng suất tương tự.

3. Mối hàn góc chữ K dưới tải 100 kN: Ứng suất von Mises đo được là 14.5 KN/cm², thấp hơn giới hạn cho phép, cho thấy mối hàn góc có khả năng chịu lực tốt hơn trong điều kiện tải trọng thấp hơn.

4. Phân bố ứng suất và biến dạng: Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất tập trung chủ yếu tại vùng tiếp giáp mối hàn, với biến dạng lớn nhất xuất hiện tại các nút gần tải trọng tác dụng. Biểu đồ phân bố ứng suất và biến dạng được thể hiện rõ qua các bản đồ màu sắc trên mô hình phần tử hữu hạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân ứng suất vượt giới hạn trong mối hàn gia cố có thể do bề dày mối hàn không đủ để phân bố tải trọng đều, dẫn đến tập trung ứng suất cao. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp kết quả chính xác hơn so với các công thức truyền thống, đặc biệt trong các chi tiết phức tạp.

Việc sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng giúp kiểm soát tốt các tham số mô hình, từ đó tối ưu hóa thiết kế mối hàn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế và kiểm tra mối hàn trong công nghiệp chế tạo máy, góp phần giảm chi phí và nâng cao độ an toàn kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng bề dày mối hàn gia cố: Đề xuất tăng bề dày mối hàn từ 0.5 cm lên ít nhất 1.6 cm để giảm ứng suất tập trung, đảm bảo an toàn chịu lực. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do bộ phận thiết kế và sản xuất chịu trách nhiệm.

2. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn trong thiết kế: Khuyến nghị các nhà thiết kế sử dụng phần mềm MATLAB, ANSYS để mô phỏng và tính toán ứng suất mối hàn trước khi sản xuất. Triển khai ngay trong các dự án mới.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp phần tử hữu hạn và sử dụng phần mềm tính toán cho cán bộ kỹ thuật trong vòng 3 tháng nhằm nâng cao năng lực chuyên môn.

4. Kiểm tra và bảo trì định kỳ mối hàn: Thiết lập quy trình kiểm tra ứng suất và biến dạng mối hàn định kỳ, sử dụng các thiết bị đo hiện đại để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng. Thực hiện hàng năm tại các nhà máy sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu hàn: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán chính xác, giúp thiết kế mối hàn an toàn và tối ưu chi phí.

2. Nhà quản lý sản xuất công nghiệp: Hiểu rõ về hiệu quả và giới hạn của các loại mối hàn, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về ứng dụng phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu.

4. Chuyên gia kiểm định và bảo trì kết cấu: Hỗ trợ trong việc đánh giá tình trạng mối hàn và đề xuất các biện pháp bảo trì phù hợp dựa trên phân tích ứng suất và biến dạng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì so với công thức truyền thống?
   Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết biến dạng và ứng suất phức tạp trong mối hàn, đặc biệt với các hình dạng không đồng nhất, trong khi công thức truyền thống chỉ áp dụng cho các trường hợp đơn giản.

2. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại vật liệu khác không?
   Có thể, nhưng cần điều chỉnh các tham số vật liệu như mô đun đàn hồi và hệ số Poisson phù hợp với từng loại vật liệu để đảm bảo tính chính xác.

3. Phần mềm MATLAB được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   MATLAB được dùng để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, chia lưới, tính toán ma trận độ cứng, áp đặt điều kiện biên và giải hệ phương trình để tìm biến dạng và ứng suất.

4. Tại sao mối hàn gia cố có ứng suất cao hơn mối hàn choàng?
   Do bề dày mối hàn gia cố nhỏ hơn và khả năng phân bố tải trọng kém hơn, dẫn đến tập trung ứng suất cao tại các điểm nối.

5. Làm thế nào để kiểm tra độ bền mối hàn trong thực tế?
   Có thể sử dụng các phương pháp đo ứng suất thực nghiệm như đo biến dạng bằng cảm biến strain gauge hoặc kiểm tra không phá hủy để đánh giá tình trạng mối hàn.

Kết luận

• Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả để tính toán ứng suất và biến dạng trong mối hàn phức tạp.
• Mối hàn choàng đáp ứng tốt yêu cầu chịu lực với ứng suất von Mises thấp hơn giới hạn cho phép.
• Mối hàn gia cố với bề dày nhỏ không đảm bảo an toàn chịu lực, cần điều chỉnh thiết kế.
• Kết quả nghiên cứu hỗ trợ thiết kế, kiểm tra và bảo trì mối hàn trong công nghiệp chế tạo máy.
• Đề xuất triển khai ứng dụng phần mềm tính toán và đào tạo kỹ thuật viên để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng phương pháp này vào các dự án thực tế, đồng thời phát triển thêm các mô hình 3D và phân tích động để mở rộng phạm vi ứng dụng. Hãy bắt đầu áp dụng ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất mối hàn trong ngành cơ khí chế tạo máy.