BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CHI
TIẾT MÁY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Mai Vĩnh Phúc

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Nguyễn Thanh Long (MSSV: 1110387)
Mai Quốc Việt (MSSV: 1110447)
Ngành: Cơ khí chế tạo máy – Khóa: 37

Tháng 5/2015


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

LỜI CẢM ƠN

Bốn năm học đại học đã cho chúng tôi nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu,
đóng góp quan trọng để chúng tôi thực hiện và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Ngoài sự nổ lực của bản thân, chúng tôi đã nhận được sự quan tâm, động viên và giúp
đỡ của gia đình, người thân, thầy cô và bạn bè về nhiều mặt.
Chúng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Trước hết, xin cảm ơn các
giảng viên, các cán bộ viên chức của Khoa Công Nghệ, trường Đại Học Cần Thơ nói
chung và bộ môn Kỹ Thuật Cơ Khí nói riêng đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi tận tình trong suốt

quá trình làm luận văn. Tiếp theo, chúng tôi muốn gửi đến gia đình và người thân những chỗ dựa vững chắc cho chúng tôi về vật chất, tinh thần và cả chuyên môn. Đặc
biệt, tôi xin trân trọng cảm ơn Th.s Mai Vĩnh Phúc, người đã tận tình hướng dẫn chúng
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, chúng tôi xin
cảm ơn tập thể lớp cơ khí chế tạo máy khóa 37 trường Đại Học Cần Thơ đã góp ý, giúp
đỡ và động viên tạo điều kiện cho tôi về mặt vật chất và tinh thần để hoàn thành luận
văn.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Long

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-i-

Mai Quốc Việt

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) từ lâu đã trở thành một trong những
phương pháp cơ bản và chính yếu cho việc tính toán và mô phỏng các trạng thái vật lý
xảy ra trong các hệ thống kỹ thuật. Với việc ra đời của Phương pháp phần tử hữu hạn
(PP PTHH) nhiều phần mềm tính toán (dựa trên PP PTHH) cũng đã ra đời. Trong đó
có ANSYS là một trong những phần mềm lớn và mạnh mẽ trong việc tính toán mô

phỏng.
Trên thế giới phần mềm ANSYS đã trở thành phần mềm chủ yếu và được ứng
dụng rộng rãi đễ phân tích và mô phỏng trong ngành Cơ khí chế tạo, Xây dựng, …
Phần mềm ANSYS được phổ biến ở Việt Nam hơn khoảng mười năm trở lại đây.
ANSYS có thể giải được các bài toán tuyến tính, phi tuyến trong các lĩnh vực cơ học
vật rắn, cơ học lưu chất, cơ sinh học, truyền nhiệt, … Đề tài ―Ứng dụng phần mềm
ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy‖ giới thiệu tổng quan các mô đun
sản phẩm của hãng ANSYS Technology, trình bày các bước phân tích một bài toán
trong ANSYS, ứng dụng ANSYS vào tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy.
Do đề tài còn khá mới mẽ ở Việt Nam, tài liệu nghiên cứu còn hạn chế nên chỉ
tập trung vào việc phân tích và mô phỏng ứng suất, biến dạng của các chi tiết máy quan
trọng trong hệ thống truyền động cơ khí.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-ii-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ........................................................................................................ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................... 1
1.1

Đặt vấn đề. .......................................................................................................... 1

1.1.1

Khái niệm thiết kế. ....................................................................................... 1

1.1.2

Nội dung và trình tự thiết kế máy. ............................................................... 5

1.1.2.1 Nội dung thiết kế máy. ............................................................................. 5
1.1.2.2 Trình tự thiết kế máy. ............................................................................... 5
1.1.2.3 Một số đặt điểm trong tính toán thiết kế chi tiết máy. ............................. 6
1.2

Sơ lượt về Phương pháp phần tử hữu hạn. ......................................................... 8

1.3

Tổng quan về phần mềm ANSYS. ..................................................................... 9

CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU ANSYS/ANSYS MECHANICAL ............................... 19
2.1

Giới thiệu ANSYS/ANSYS Mechanical. ......................................................... 19

2.2


Cách cài đặt ANSYS. ....................................................................................... 26

2.3

Khởi động ANSYS 15. ..................................................................................... 28

2.4

Giao diện ANSYS 15. ...................................................................................... 28

CHƢƠNG 3: TRÌNH TỰ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN TRONG ANSYS .................. 31
3.1

Bài toán tổng quát. ............................................................................................ 31

3.2

Bài toán tĩnh...................................................................................................... 33

CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CHI TIẾT MÁY .................... 48
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-iii-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

4.1

Giới thiệu. ......................................................................................................... 48

4.2

Tính toán thiết kế bánh răng trụ răng thẳng. .................................................... 49

4.2.1

Giới thiệu bộ truyền bánh răng. ................................................................. 49

4.2.2

Cơ sở lý thuyết tính toán bánh răng trụ răng thẳng. .................................. 51

4.2.3

Mô hình và lắp ráp bánh răng trụ răng thẳng............................................. 53

4.2.4

Lập mô hình phần tử hữu hạn. ................................................................... 58

4.2.4.1 Thiết lập thông số vật liệu. ..................................................................... 59
4.2.4.2 Xác định vùng tiếp xúc. .......................................................................... 60
4.2.4.3 Chia lưới phần tử hữu hạn. ..................................................................... 61
4.2.4.4 Đặt ràng buộc và tải trọng. ..................................................................... 62
4.2.5


Kết quả và thảo luận. ................................................................................. 63

4.2.9.1 Ứng suất uốn ở chân răng. ...................................................................... 63
4.2.9.2 Ứng suất tiếp xúc trên bề mặt răng ăn khớp........................................... 66
4.3

Tính toán thiết kế trục. ...................................................................................... 68

4.3.1

Giới thiệu. .................................................................................................. 69

4.3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế trục khi biết trước kích thước theo chiều
dọc trục. ................................................................................................................... 71
4.3.3

Mô hình trục............................................................................................... 72

4.3.4

Lập mô hình phần tử hữu hạn. ................................................................... 73

4.3.4.1 Thiết lập thông số vật liệu. ..................................................................... 73
4.3.4.2 Chia lưới phần tử hữu hạn. ..................................................................... 74
4.3.4.3 Đặt tải trọng. ........................................................................................... 75
4.3.5
4.4

Kết quả và thảo luận. ................................................................................. 75


Tính toán ứng suất tiếp xúc của ổ lăn. .............................................................. 82

4.4.1

Giới thiệu. .................................................................................................. 82

4.4.1.1 Cấu tạo ổ lăn. .......................................................................................... 82
4.4.1.2 Phân loại ................................................................................................. 83
4.4.1.3 Ưu nhược điểm của ổ lăn: ...................................................................... 84

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-iv-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
4.4.2

Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất tiếp xúc trong ổ lăn. ............................ 85

4.4.3

Mô hình ổ lăn. ............................................................................................ 86

4.4.4

Lập mô hình phần tử hữu hạn. ................................................................... 87


4.4.4.1 Thiết lập thông số vật liệu. ..................................................................... 88
4.4.4.2 Xác định vùng tiếp xúc. .......................................................................... 88
4.4.4.3 Chia lưới phần tử hữu hạn. ..................................................................... 89
4.4.4.4 Đặt ràng buộc và tải trọng. ..................................................................... 90
4.4.5

Kết quả và thảo luận. ................................................................................. 91

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................. 94
5.1

Kết luận............................................................................................................. 94

5.2

Kiến nghị. ......................................................................................................... 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 95

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-v-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1 Quá trình thiết kế ............................................................................................. 2
Hình 1. 2 Sơ đồ thiết kế ................................................................................................... 3
Hình 1. 3 Xe ô tô thể thao được kết hợp giữa thiết kế mỹ thuật và chức năng ............... 4
Hình 1. 4 Bố trí kết cấu máy phay điều khiển chương trình số phụ thuộc vào sự phối
hợp chuyển động giữa các bộ phận máy .......................................................................... 4
Hình 1. 5 Phân tích ứng suất biến dạng bằng ANSYS .................................................. 10
Hình 1. 6 Thiết kế một kết cấu trung tâm của một cần cẩu thủy lực cân bằng ............. 11
Hình 1. 7 Các đường đồng mức nhiệt độ và đường dòng từ một phân tích truyền nhiệt
liên hợp (CHT) thực hiện bằng ANSYS FLUENT và sau đó được xử lý trong CFDPost ................................................................................................................................. 12
Hình 1. 8 Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS FLUENT .................... 13
Hình 1. 9 Điện trường trong bộ lọc khoang mô phỏng bởi HFSS ................................ 14
Hình 1. 10 Mô hình bình chứa dầu và cột dây điện sử dụng các công cụ mô hình hóa
bằng phần tử dầm trong ANSYS DesignModeler.......................................................... 15
Hình 1. 11 ANSYS được tích hợp trong SolidWorks ................................................... 17
Hình 2. 1 ANSYS Mechanical cho phép khả năng tính toán các bài toán lớn như chi
tiết khung xe ô tô ............................................................................................................ 19
Hình 2. 2 Tự động chia lưới phần tử hữu hạn vật thể - vật thể, mô hình lắp ghép điện
thoại phức tạp cho phân tích thả rơi ............................................................................... 20
Hình 2. 3 Tự động nhận dạng tiếp xúc được thực hiện khi mô hình được nhập Courtesy
Pratt & Miller ................................................................................................................. 21
Hình 2. 4 Hình vẽ phân ra miền tính toán của khối động cơ......................................... 24

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-vi-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt



Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
Hình 2. 5 Biểu đồ đường viền trên vật thể .................................................................... 25
Hình 2. 6 Các kết quả có thể được hiển thị trên bất cứ bộ phận nào của vật thể .......... 25
Hình 3. 1 Trình tự để giải một bài toán trong ANSYS ................................................. 32
Hình 4. 1 Bộ truyền bánh răng côn thẳng...................................................................... 48
Hình 4. 2 Các dạng bộ truyền bánh răng đầu tiên ......................................................... 50
Hình 4. 3 Ứng suất tiếp xúc trên bề mặt răng................................................................ 52
Hình 4. 4 Nhập thông số hình học bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn ........................ 54
Hình 4. 5 Bánh răng dẫn ................................................................................................ 55
Hình 4. 6 Bánh răng bị dẫn ............................................................................................ 56
Hình 4. 7 Bánh răng dẫn với một răng .......................................................................... 57
Hình 4. 8 Bánh răng trụ răng thẳng đã được lắp ráp ..................................................... 58
Hình 4. 9 Thông số vật liệu thép C40............................................................................ 59
Hình 4. 10 Xác định tiếp xúc ......................................................................................... 60
Hình 4. 11 Chia lưới phần tử hữu hạn mô hình 3D ....................................................... 61
Hình 4. 12 Chia lưới phần tử hữu hạn mô hình 2D ....................................................... 62
Hình 4. 13 Ràng buộc và tải trọng ................................................................................. 63
Hình 4. 14 Ứng suất uốn mô hình 3D ........................................................................... 64
Hình 4. 15 Ứng suất uốn mô hình 2D ........................................................................... 65
Hình 4. 16 Ứng suất tiếp xúc mô hình 3D..................................................................... 67
Hình 4. 17 Ứng suất tiếp xúc mô hình 2D..................................................................... 67
Hình 4. 18 Trục truyền .................................................................................................. 69
Hình 4. 19 Trục tâm....................................................................................................... 69
Hình 4. 20 Trục khuỷu................................................................................................... 70
Hình 4. 21 Trục mềm..................................................................................................... 70
Hình 4. 22 Trục tâm....................................................................................................... 70
Hình 4. 23 Trục trơn ...................................................................................................... 70


CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-vii-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
Hình 4. 24 Trục bậc ....................................................................................................... 70
Hình 4. 25 Mô hình trục ................................................................................................ 73
Hình 4. 26 Thông số thép C45....................................................................................... 74
Hình 4. 27 Chia lưới phần tử hữu hạn ........................................................................... 74
Hình 4. 28 Ràng buộc và tải trọng ................................................................................. 75
Hình 4. 29 Biểu đồ Mô men uốn và xoắn ..................................................................... 77
Hình 4. 30 Biến dạng trục.............................................................................................. 79
Hình 4. 31 Ứng suất tương đương ................................................................................. 79
Hình 4. 32 Ứng suất theo phương z............................................................................... 80
Hình 4. 33 Ứng suất xoắn .............................................................................................. 80
Hình 4. 34 Hệ số an toàn ............................................................................................... 81
Hình 4. 35 Cấu tạo ổ lăn ................................................................................................ 83
Hình 4. 36 Lực tác dụng lên ổ ....................................................................................... 85
Hình 4. 37 Ổ bi đỡ chặn 46307 ..................................................................................... 86
Hình 4. 38 Mô hình ổ bi đỡ chặn sau khi cắt ................................................................ 87
Hình 4. 39 Thông số vật liệu thép Crom SUJ2 ............................................................. 88
Hình 4. 40 Xác định vùng tiếp xúc ................................................................................ 89
Hình 4. 41 Chia lưới phần tử hữu hạn ........................................................................... 90
Hình 4. 42 Ràng buộc và tải trọng ................................................................................. 90
Hình 4. 43 Bán kính cong của con lăn và vòng trong ................................................... 92
Hình 4. 44 Ứng suất tiếp xúc ......................................................................................... 93


CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-viii-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4. 1 Thông số thép C40 tôi cải thiện .................................................................... 50
Bảng 4. 2 Thông số hình học bánh dẫn ......................................................................... 53
Bảng 4. 3 Thông số hình học bánh bị dẫn ..................................................................... 53
Bảng 4. 4 Thông số bánh dẫn ........................................................................................ 58
Bảng 4. 5 So sánh ứng suất uốn lớn nhất thu được từ công thức Hertz và ANSYS 15 65
Bảng 4. 6 So sánh ứng suất tiếp xúc lớn nhất thu được từ công thức Hertz và
ANSYS15 ....................................................................................................................... 68
Bảng 4. 7 Thông số thép C45 ........................................................................................ 71
Bảng 4. 8 So sánh các giá trị ứng suất giữa ANSYS và Sức bền vật liệu. .................... 81
Bảng 4. 9 Thông số thép Crom SUJ2. ........................................................................... 82
Bảng 4. 10 So sánh ứng suất tiếp xúc lớn nhất thu được từ công thức Hertz và
ANSYS15 ....................................................................................................................... 93

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-ix-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề.
1.1.1

Khái niệm thiết kế.
Thiết kế là một quá trình của các ý tưởng sáng tạo và truyền đạt những ý nghĩa

này cho người khác bằng một hình thức dễ hiểu. Công cụ truyền đạt được sử dụng phổ
biến nhất là đồ họa, có thể bao gồm: hình ảnh, mô hình, bản vẽ…
Trong ngành cơ khí thì ta có thể định nghĩa thiết kế là quá trình biến đổi các
khái niệm và ý tưởng thành máy móc hữu ích. Vị trí thiết kế máy và thiết kế cơ khí
được thể hiện trong hình 1.1

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-1-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt



Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

Hình 1. 1 Quá trình thiết kế
Tổ chức giải quyết các vấn đề là lĩnh vực có thứ bậc, bao gồm các vòng tròn
nằm trong như hình 1.1. Giải quyết vấn đề không phải là bài toán thiết kế bởi vì nó
không phải là quá trình phát triển sản phẩm hoặc quá trình. Ví dụ như khi giải quyết
vấn đề về luật pháp thì nó không giống như vấn đề thiết kế.
Trong cấu trúc như hình 1.1 ta thấy được nhiều dạng thiết kế không liên quan
đến cơ sở kỹ thuật. Ví dụ, thiết kế nội thất, thiên về nghệ thuật nhiều hơn là dựa trên
các kiến thức về khoa học và kỹ thuật. Nhưng trong lĩnh vực thiết kế kỹ thuật lại thiên
về các vấn đề có liên quan đến nhiều môn học của các ngành kỹ thuật khác nhau như:
cơ khí, điện, xây dựng, môi trường, hóa học… Hai vùng nhỏ nhất trên hình 1.1 là thiết
kế cơ khí và thiết kế máy.
Phạm vi thiết kế trong hình 1.1 có thể khai triển như sơ đồ hình 1.2. Khi đó,
thiết kế được sử dụng với hai mục đích chính: diễn đạt xúc cảm cá nhân và phát triển
sản phẩm hoặc quá trình, có thể biểu diễn theo sơ đồ bên dưới.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-2-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

Hình 1. 2 Sơ đồ thiết kế
Ngành thiết kế liên quan cảm xúc cá nhân là hội họa, điêu khắc, thời trang, một
phần thiết kế kiến trúc… từ cái đẹp đến sở thích.

Thiết kế mỹ thuật liên quan đến quan sát và cảm xúc đối với sản phẩm: mẫu mã,
hình dạng bên ngoài, màu sắc… là đối tượng của ngành Mỹ thuật công nghiệp.
Thiết kế chức năng liên quan đến chức năng của sản phẩm hoặc quá trình. Công
việc của người kỹ sư liên quan đến thiết kế chức năng.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-3-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

Hình 1. 3 Xe ô tô thể thao được kết hợp giữa thiết kế mỹ thuật và chức năng
Lĩnh vực thiết kế máy là một tập hợp con của thiết kế cơ khí, và tập trung vào
kết cấu và chuyển động máy (H.1.4).

Hình 1. 4 Bố trí kết cấu máy phay điều khiển chương trình số phụ thuộc vào sự phối
hợp chuyển động giữa các bộ phận máy

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-4-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt



Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
1.1.2

Nội dung và trình tự thiết kế máy.
Máy được thiết kế ra phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật mà trước hết là năng

suất, độ tin cậy và tuổi thọ, giá thành và khối lượng (trọng lượng) máy. Ngoài ra tùy
từng trường hợp cụ thể, còn có thể có các yêu cầu như: khuôn khổ kích thước nhỏ gọn,
chuyển động ổn định, thao tác sử dụng dễ dàng, hình thức đẹp v.v…

1.1.2.1

Nội dung thiết kế máy.
Thiết kế máy nhằm thỏa mãn các yêu cầu trên là một công việc phức tạp, mà nội

dung chủ yếu bao gồm các vấn đề:


Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của máy được thiết kế.



Lập sơ đồ chung toàn máy và các bộ phận máy, thỏa mãn các yêu cầu cho trước.



Xác định lực, Mô men tác dụng lên các bộ phận máy và đặt tính thay đổi của tải

trọng theo thời gian.



Chọn vật liệu chế tạo các chi tiết máy.



Tiến hành tính toán về động học, động lực học, về khả năng làm việc, tính toán

kinh tế v.v…, định hình dạng, kích thước tất cả các bộ phận và chi tiết máy.


Quy định về công nghệ chế tạo các chi tiết máy và lắp ráp các bộ phận máy.



Lập thuyết minh và các chỉ dẫn về sử dụng và sửa chữa máy.
Trong quá trình thiết kế, việc lựa chọn kết cấu phải dựa trên cơ sở đảm bảo tính

hợp lí về các mặt kỹ thuật và kinh tế. Thông thường muốn đạt được một kết cấu hợp lí,
cần phải nghiên cứu, phân tích một số phương án, đánh giá và so sánh để tìm ra
phương án tốt nhất, đáp ứng đầy đủ nhất các yêu cầu đã được đặt ra.

1.1.2.2

Trình tự thiết kế máy.
Thiết kế chi tiết máy là một phần công việc trong quá trình thiết kế máy, thường

được tiến hành theo trình tự như sau:
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-5-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy


Lập sơ đồ tính toán , trong đó kết cấu đã được đơn giản hóa, các lực tác dụng

được coi như tập trung hoặc phân bố theo một quy luật nào đó


Xác định tải trọng tác dụng lên chi tiết máy.



Chọn vật liệu thích hợp với điều kiện làm việc của chi tiết máy, khả năng gia

công và có xét đến các yếu tố kinh tế (giá thành, vấn đề cung ứng vật liệu, tuổi thọ cần
thiết, v.v…).


Tính toán các kích thước chính của chi tiết máy theo các chỉ tiêu chủ yếu về khả

năng làm việc. Các tính toán này thường là tính toán sơ bộ, bởi vì chỉ dựa trên các sơ
đồ đã được đơn giản hóa, các nhân tố về tải trọng và ứng suất chưa được đánh giá
chính xác v.v…



Dựa theo tính toán và các điều kiện chế tạo, lắp ghép v.v… vẽ kết cấu cụ thể với

chi tiết máy với đầy đủ kích thước, dung sai, độ nhám bề mặt, các yêu cầu đặc biệt về
công nghệ (nhiệt luyện, mạ, ép tăng bền v.v…).


Tiến hành tính toán kiểm nghiệm theo các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc

cụ thể là xác định hệ số an toàn tại các tiết diện nguy hiểm, xác định biến dạng, nhiệt
độ của bộ phận máy, v.v… và so sánh với các trị số cho phép. Nếu thấy không thỏa
mãn các chỉ tiêu quy định, phải sữa đổi lại kích thước, kết cấu và kiểm nghiệm lại.
1.1.2.3


Một số đặt điểm trong tính toán thiết kế chi tiết máy.
Điều kiện làm việc của chi tiết máy thường rất phức tạp, do đó không phải bao

giờ cũng có thể phân tích được tường tận và quy về được các công thức chính xác. Để
giải quyết những khó khăn trong tính toán (thí dụ như sự phức tạp về hình dạng chi tiết
máy và về các hiện tượng xảy ra khi các chi tiết máy tác dụng tương hỗ nhau, các yếu
tố tải trọng rất khó xác định chính xác, v.v…) người ta thường dùng các giả thiết nhằm
đơn giản hóa vấn đề và đưa ra những phương pháp tính toán và có tính chất quy ước,
những công thức gần đúng hoặc những công thức kinh nghiệm. Vì vậy, bên cạnh
những công thức chính xác, trong tính toán chi tiết máy thường dùng các công thức gần
đúng hoặc công thức kinh nghiệm.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-6-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy


Cũng bởi vì lúc suy diễn công thức gần đúng ta dựa vào một số giả thiết, còn

công thức kinh nghiệm thì được thiết lập trên cơ sở thực nghiệm, cho nên chúng không
có tính chất tổng quát. Khi sử dụng các công thức gần đúng hoặc kinh nghiệm cần chú
ý điểm nảy và không được áp dụng chúng một cách tùy tiện.


Sai số trong trính toán theo công thức gần đúng và công thức kinh nghiệm được

bù lại bằng cách chọn hợp lí ứng suất cho phép hoặc hệ số an toàn.


Thiết kế chi tiết máy nhiều khi phải tiến hành tính toán sơ bộ và sau đó kiểm

nghiệm lại.


Trường hợp dễ xác định ứng suất, có thể sau một lần tính toán là quyết định kích

thước của chi tiết máy. Nhưng thường rất khó xác định chính xác lực tác dụng. Do đó
phải dùng bước tính sơ bộ để định kích thước một cách gần đúng, rồi vẽ kết cấu chi tiết
máy, tính chính xác trị số ứng suất và tiến hành kiểm nghiệm. Nếu tính toán kiểm
nghiệm cho thấy ứng suất sinh ra trong chi tiết máy hoặc gần bằng ứng suất cho phép,

việc thiết kế được coi là hoàn thành. Nếu ứng suất tính ra nhỏ hơn hoặc lớn hơn ứng
suất cho phép khá nhiều, cần phải thay đổi kết cấu và kích thước rồi kiểm nghiệm cho
tới khi nào phù hợp. Thường thì người ta kiểm nghiệm theo hệ số an toàn, xem hệ số
an toàn của chi tiết máy được thiết kế có gần với hệ số an toàn cho phép hay không.


Những kích thước chủ yếu tại các tiết diện nguy hiểm (chịu ứng suất lớn) được

xác định bằng tính toán. Các kích thước còn lại được định theo các điều kiện về kết
cấu, công nghệ, lắp ghép, v.v… dựa vào kinh nghiệm hoặc hướng dẫn trong tài liệu và
sổ tay thiết kế.


Có nhiều phương án thiết kế máy hoặc chi tiết máy. Để đánh giá đúng phương

án nào là tốt nhất, phải xét đến tất cả các vấn đề: các chỉ tiêu về khả năng làm việc,
chọn vật liệu, yêu cầu về tính công nghệ, tiêu chuẩn hóa, giá thành.


Chọn được phương án tốt nhất, xác định được kết cấu có lợi nhất là công việc

phức tạp, đòi hỏi người thiết kế phải biết vận dụng một cách linh hoạt, sáng tạo nhựng
kiến thức lí thuyết kết hợp với những kinh nghiệm rút ra từ thực tiễn sản xuất.
Vậy vấn đề đặt ra cho các kỹ sư thiết kế là phải làm như thế nào để công việc
thiết kế trở nên trở nên chính xác và chi phí là thấp nhất. Hay sau khi thiết kế, phải

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-7-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
kiểm tra, thử nghiệm và chế tạo như thế nào để mang lại hiệu quả kinh tế cao và thỏa
mãn những điều kiện kỹ thuật. Tất cả những vấn đề đó đã dẫn con người đến việc
nghiên cứu và tạo ra một công cụ để giải quyết hữu hiệu bài toán mà thiết kế và kiểm
nghiệm đặt ra.
1.2 Sơ lƣợt về Phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một trong những phương pháp số
đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định
V của nó. Tuy nhiên PP PTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền
V mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định V. Do đó phương
pháp này 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 nhiều vùng nhỏ có đặt 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 triển một cách chặc chẽ và tổng quát như một phương pháp
biến phân hay phương pháp dư có trọng số nhưng được xấp xỉ trên mổi phần tử.
Trong PP PTHH miền V được chia thành môt số hữu hạn các miền con, gọi là
phần tử. Các phần tử này được nối kết với nhau tại các điểm định trước trên bên phần
tử gọi là nút. Trong phạm vi phần tử đại lượng cần tìm được lấy xấp xỉ trong dạng một
hàm dơn giản được gọi là các hàm xấp xỉ (approximatiopn function). Và các hàm xấp
xỉ được biểu diển qua các giá trị của hàm (và có khi cả các giá trị của đạo hàm của nó)
tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và
được xem là ẩn số cần tìm của bài toán.
Với bài toán cơ vật rắn biến dạng và cơ cấu tùy ý thep nghĩa vật lý của hàm xấp
xỉ, người ta có thể phân tích bải toán theo ba loại mô hình sau:



Trong mô hình tương thích: Người ta xem chuyển vị là đại lượng cần tìm trước

và hàm xấp xỉ biểu diển gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử. Các ẩn số
được xác định từ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý thế năng toàn phần dừng
hay nguyên lý biến phân Larange.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-8-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy


Theo mô hình cân bằng: Hàm xấp xỉ biểu diển gần đúng dạng phân bố của ứng

suất hay nội lực trong phần tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập
trên cơ sở nguyên lý năng lượng hệ toàn phần dừng hay nguyên lý biến phân về ứng
suất (nguyên lý Castigliano)


Theo mô hình hỗn hợp: Coi các đại lượng chuyển vị ứng suất là hai yếu tố độc

lập. Các hàm xấp xỉ biểu diển gần đúng dạng phân bố của chuyển vị lẫn ứng suất trong
phần tử. Các ẩn số được xác định từ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến
phân reisner.
Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải một hệ phương trình đại số vừa nhận

được thì cũng có nghĩa ta tìm được các xấp xỉ biểu diễn đại lượng cần tìm trong tất cả
các phần tử. Và từ đó cũng tìm được các đại lượng còn lại.
Trong ba mô hình trên, mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi nhất.

1.3 Tổng quan về phần mềm ANSYS.
Dựa trên thuật toán của phương pháp phần tử hữu hạn, nhiều phần mềm mô
phỏng đã ra đời, cho phép giải quyết hầu hết các bài toán thường gặp trong các nghành
kỹ thuật. ANSYS, sản phẩm của hãng ANSYS Technology được thành lập năm 1970,
do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson
Analysis System) tại Mỹ là một ví dụ điển hình về những phần mềm như vậy. Các bài
toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không
tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến,các bài toán về trường điện từ, bài
toán tương tác đa trường vật lý. ANSYS là phần mềm mạnh và được ứng dụng rộng rãi
trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. ANSYS có thể 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: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo,
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-9-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất
khí …


Hình 1. 5 Phân tích ứng suất biến dạng bằng ANSYS
ANSYS Technology cung cấp khá nhiều sản phẩm khác nhau phục vụ cho nhiều
lĩnh vực khác nhau:
Structural Mechanics: Giải pháp Structural Mechanics từ ANSYS cung cấp
khả năng mô phỏng cho tất cả các khía cạnh kết cấu của sản phẩm, bao gồm phân tích
tuyến tính tĩnh cho phép khai thác ứng suất hoặc biến dạng, phân tích dao động điều
hòa xác định các đặt tính dao động, cho tới các hiện tượng phi tuyến tức thời nâng cao
liên quan tới các ảnh hưởng động học và các ứng xử phức tạp.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-10-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy

Hình 1. 6 Thiết kế một kết cấu trung tâm của một cần cẩu thủy lực cân bằng
Tất cả người dùng từ các nhà thiết kế tới các chuyên gia đều có thể có nhiều lợi
ích từ việc sử dụng giải pháp ANSYS Structural Mechanic. Độ chính xác của kết quả
đạt được thông qua thư viện mô hình vật liệu có sẵn rộng rãi, số lượng của thư viện các
phần tử, các giải thuật mạnh mẽ và khả năng mô hình hóa cho tất cả các sản phẩm – từ
các bộ phận riêng rẽ cho tới các bản lắp ghép phức tạp với hàng nghìn bộ phận tương
tác với nhau thông qua các tiếp xúc hoặc các quan hệ chuyển động.
Giải pháp ANSYS Structural Mechanic cũng cung cấp một công cụ dễ sử dụng
để giúp các nhà phát triển sản phẩm tập trung vào phần quan trọng nhất của quá trình
mô phỏng là thấu hiểu các kết quả và tác động của biến đổi thiết kế trên mô hình.
Multiphysics: Giải pháp phân tích đa môi trường của ANSYS Multiphysics cho

phép các kỹ sư và các nhà thiết kế tạo ra các mẫu thử ảo cho các thiết kế của họ hoạt
động dưới điều kiện đa môi trường vật lý giống như môi trường làm việc thực của sản
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-11-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
phẩm. Khi nhu cầu về mô phỏng mở rộng, các doanh nghiệp phải có khả năng dự đoán
chính xác các sản phẩm của họ sẽ có ứng xử như thế nào trong môi trường thực tế nơi
mà sản phẩm chịu tương tác đồng thời của nhiều trường vật lý. Phần mềm công nghiệp
hàng đầu ANSYS cho phép các kỹ sư, các nhà khoa học mô phỏng sự tương tác giữa
cơ học kết cấu, truyền nhiệt, dòng chảy chất lỏng và điện từ học trong cùng một môi
trường mô phỏng kỹ thuật duy nhất.

Hình 1. 7 Các đường đồng mức nhiệt độ và đường dòng từ một phân tích truyền nhiệt
liên hợp (CHT) thực hiện bằng ANSYS FLUENT và sau đó được xử lý trong CFD-Post
Fluid Dynamics: Các giải pháp động lực học chất lỏng ANSYS là một bộ sản
phẩm toàn diện cho việc mô hình hóa dòng chất lỏng và các hiện tượng vật lý liên quan
khác. Phần mềm này đưa ra các khả năng phân tích dòng chất lỏng chưa từng có, cung
cấp tất cả các công cụ cần thiết để thiết kế và tối ưu thiết bị mới và sửa chữa các hệ
thống đã được lắp đặt. Bộ động lực học ANSYS chứa đồng thời phần mềm tính toán

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-12-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
động lực học chất lỏng với mục đích chung và các sản phẩm đặc biệt bổ sung cho các
ứng dụng công nghiệp đặt thù.

Hình 1. 8 Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS FLUENT
Các công cụ phân tích chất lỏng mục đích chung đã nổi tiếng là các sản phẩm
ANSYS CFX và ANSYS FLUENT, bây giờ cũng sẵn có trong gói ANSYS CFD.
ANSYS CFD cung cấp sự truy cập tới một mảng chưa từng thấy của các mô hình vật
lý dòng chất lỏng, cho phép phân tích thiết bị với sự tin tưởng tuyệt đối. Công nghệ
ANSYS CFD có khả năng mở rộng cao, cung cấp hiệu quả tính toán song song trên
hàng nghìn nhân xử lý. ANSYS CFD cũng bao gồm công cụ xử lý kết quả dòng chất
lỏng ANSYS CFD – Post đầy đủ các tính năng. Công cụ này có thể được dùng cho
phân tích định lượng cao cấp và hiển thị chất lượng cao. Khi ANSYS CFD được dùng
kết hợp với phần mềm ANSYS Mechanical các bài toán tương tác chất lỏng – kết cấu
phức tạp có thể được giải quyết.
Các sản phẩm động lực học chất lỏng ANSYS có độ tương thích cao, và được
thiết kế để ăn khớp hiệu quả trong các quá trình Mô Phỏng Định Hướng Phát Triển Sản
Phẩm bất kỳ.
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-13-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt



Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy
Electromagnetics: ANSYS đã tăng cường giải pháp giải bài toán trường điện từ
một cách sâu và rộng khi ANSYS đã hợp nhất các phương pháp giải quyết bài toán
trường điện từ hàng đầu trong công nghiệp của hãng Ansoft vào trong ANSYS. Những
sản phẩm này bao gồm đầy đủ việc phân tích và thiết kế trường điện từ. Các giải pháp
trường điện từ của ANSYS cho phép người dùng tận dụng tốt nhất việc sử dụng công
nghệ phần mềm, để dự đoán đặt tuyến của các thiết bị điện và cơ điện tử, loại bỏ việc
lặp đi lặp lại các mẫu thử nghiệm, và đưa các sản phẩm ra thị trường nhanh hơn.

Hình 1. 9 Điện trường trong bộ lọc khoang mô phỏng bởi HFSS
Giải pháp trường điện từ của ANSYS giải quyết nhu cầu phân tích trong ba lĩnh
vực ứng dụng riêng biệt:


Cơ điện tử: động cơ điện và máy phát điện, máy biến áp, thanh góp, rơ le, ống

nam châm điện, điện tử công suất, MEMS và thiết kế nam châm.


Thành phần điện tử tốc độ cao: Các gói IC, kết nối PCB, thiết bị thụ động gắn

trong chip.


Thiết bị tần số cao: anten, thiết bị RF/ cao tần, EMI/EMC, thiết bị y sinh.

CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-14-


SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt


Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán thiết kế kết cấu chi tiết máy


Giải pháp trường điện từ của ANSYS đưa ra các công cụ để hiểu :



Các đặt tính hiệu năng với nguồn kích thích.



Hình ảnh mô phỏng cho trường điện từ trong và xung quanh thiết bị.



Hiệu ứng nhiệt Joule, nhiệt độ tạo ra.



Lực phân bố và kết quả biến dạng.



Các tham số quan trọng trong thiết kế: mô-men xoắn, lực, điện trở, điện cảm,

điện dung, trở kháng, tham số ma trận tán xạ [S] và trường bức/phát xạ.

ANSYS Workbench Platform: ANSYS Workbench Platform là chương trình
nền trên đó tích hợp các bộ công nghệ mô phỏng kỹ thuật tiên tiến, sâu sắc và phổ biến
nhất của công nghiệp.. Một quy trình thực hiện dự án sáng tạo liên kết toàn bộ các quá
trình mô phỏng với nhau, hướng dẫn người dùng thậm chí phân tích đa hệ vật lý phức
tạp chỉ với việc kéo-và-thả đơn giản. Với kết nối CAD hai chiều mạnh mẽ, sự tự động
chia lưới phần tử hữu hạn cao, cơ cấu cập nhật theo từng bước của dự án, quản lý tham
số toàn diện và các công cụ tối ưu hóa được tích hợp, ANSYS Workbench Platform
đem lại năng suất lao động chưa từng có, cho phép ―Mô phỏng Định hướng Sự phát
triển của Sản phẩm‖.

Hình 1. 10 Mô hình bình chứa dầu và cột dây điện sử dụng các công cụ mô hình hóa
bằng phần tử dầm trong ANSYS DesignModeler
CBHD: Th.s Mai Vĩnh Phúc

-15-

SVTH: Nguyễn Thanh Long
Mai Quốc Việt