Phần mềm ansys và khả năng áp dụng trong mô phỏng kết cấu công trình

1. Giới thiệu chung

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán học 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, cơ học đất,cơ học kết cấu xây dựng, các bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán tương tác đa trường vật lý.ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng được các nhu cầu nói trên của cơ học.

ANSYS được lập ra từ những năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson. Hệ thống tính toán Swanson tại Mỹ là một gói phần mềm là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý , cơ học chuyển các phương trình vi phân , phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau.

2. Ứng dụng và công năng của ANSYS

Trong xây dựng, ANSYS giải quyết rất tốt các bài toán liên quan đến cơ học đất, đàn nhớt, kết cấu xây dựng, hiện tượng nứt do sinh nhiệt trong bê tông, khảo sát các vật liệu mới trong xây dựng cũng như các loại kết cấu liên hợp mới.

Hình 1. Minh họa mô phỏng kết cấu công trình bằng ANSYS

Trong cơ khí, 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, nhiệt, 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 ra được thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều loại vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, các vật liệu siêu đàn hồi,...

Hình 2. Ứng dụng của ANSYS trong cơ khí

Trong hàng không, tàu thủy; ANSYS có khả năng tính toán được dòng chảy tác động lên vật thể từ đó chúng ta có thể dễ dàng thiết kế hình dáng cho tối ưu nhất và còn rất nhiều ứng dụng khác.

Hình 3. Ứng dụng của ANSYS trong hàng không, tàu thủy

Trong lĩnh vực dầu khí, ANSYS hỗ trợ đắc lực cho chúng ta trong việc thiết kế chế tạo kết cấu giàn khoan, tính toán áp suất tác động vào thành ống dầu khí, độ xâm thực của nước biển đối với vật liệu giàn khoan.

Hình 4. Ứng dụng của ANSYS trong lĩnh vực dầu khí

3. Các công việc cần chuẩn bị khi mô phỏng ANSYS

- Trước hết cần phải chọn được kiểu phần tử phù hợp với bài toán cần giải ANSYS cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau.

- Tiếp theo mỗi bài toán cần đưa vào mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu cần nhập đầy đủ các thông số vật lý.

- ANSYS là phần mềm giải bằng các phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực. ANSYS cho phép xây dựng các mô hình 2D và 3D,với các kích thước thực, hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật, vì thế nên chúng ta phải xây dựng mô hình gần như thật. Hai mô hình sẽ được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán.

- ANSYS cho phép chia lưới phần tử do người dùng chọn hoặc tự động chia lưới, số lượng nút và phần tử quyết định đến sự chính xác của bài toán

- Trong bài toán kết cấu ( structural ),ANSYS nói chung để xác định trường chuyển vị , biến dạng , ứng suất và các phản lực.Như vậy tác dụng của ANSYS là để tính toán kiểm tra độ bền , ứng suất , biến dạng, dao động, tối ưu hóa kết cấu… 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.

+ Nếu đã có kết cấu có thể sử dụng ANSYS để kiểm tra xem kết cấu có đủ độ bền hay không nếu chưa đủ bền thì tìm ra nguyên nhân là ở đâu và từ đó tìm ra cách khắc phục kịp thời , hoặc nếu có sai hỏng thì cũng biết được lý do tại sao.

+ Nếu chưa có kết cấu thì có thể dùng ANSYS để nghiên cứu và tìm ra phương pháp tối ưu cho kết cấu tránh được những sai sót gây ra thiệt hại.

- ANSYS có những tính năng nổi bật như sau :

· Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác cũng như truyền dẫn những mô hình CAD

· Thư viện phần tử lớn có thể thêm phần tử , loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình tính toán.

· Đa dạng về tải trọng : tập trung , phân bố , nhiệt

· Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị , tính toán tối ưu

· Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như : trường ứng suất , trường nhiệt độ, ảnh hưởng của điện từ

· Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm

· Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn

· Hệ thống MENU có tính trực giác giúp người dùng có thể định hướng sử dụng trong suốt quá trình ANSYS.

4. Cấu trúc cơ bản

Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor).

Hình 5. Cấu trúc cơ bản của một bài toán trong ANSYS

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 tính. Trong quá trình này ta cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ…), mô hình hoá như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ …), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell,Plate,link…).

Ø Có thể xác định ứng suất tại một điểm của vật chịu tải bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS khi thực hiện đầy đủ các bước sau :

- Chọn kiểu phần tử: có thể chọn phần tử phẳng, phần tử khối, phần tử bậc thấp, phần tử bậc cao sao cho phù hợp với hình dạng, kích thước và kiểu chịu tải của vật thể cần tìm ứng suất. Sau khi chọn kiểu phần tử, cần phải khai báo các hằng số thực phù hợp với phần tử đã chọn. Các hằng số thực có thể là chiều dày, chiều cao, diện tích mặt cắt, mô men quán tính của mặt cắt, ...

- Khai báo vật liệu: cần khai báo các tính chất của vật liệu chế tạo vật thể, như mô đun đàn hồi, hệ số Poátxông, trọng lượng riêng, ...

- Xây dựng mô hình: vẽ vật thể cần khảo sát, bằng cách cho tọa độ từng điểm trong một hệ trục tọa độ đã được chọn trước. Hệ trục tọa độ thường dùng là hệ tọa độ vuông góc, hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu, hệ tọa độ xuyến. Có thể vẽ vật thể bằng chương trình đồ họa CAD có trong ANSYS, hoặc vẽ trên phần mềm AUTOCAD, sau đó chuyển về phần mềm ANSYS.

- Chia phần tử: chọn các nút, hoặc khai báo số lượng phần tử, chương trình sẽ tự động chia vật thể thành một số hữu hạn các phần tử.

- Đặt các điều kiện biên: lựa chọn ràng buộc bậc tự do của những nút đặc biệt trong mối liên kết giữa các phần tử với nhau, các phần tử với giá. Đặt tải trọng tác dụng lên vật thể khảo sát. Tải trọng có thể là lực tập trung, lực phân bố, mô men, áp suất.

- Chọn các yêu cầu khi giải bài toán: chọn các điều kiện khi giải bài toán, như cách xuất kết quả vào file dữ liệu, ....

- Khai thác kết quả: kết quả tính toán sau khi chạy chương trình có thể xuất ra dưới dạng các giá trị, các đồ thị, các bảng, file dữ liệu. Ứng suất và biến dạng của vật thể có thể xuất ra dưới dạng ảnh đồ phân bố trường, cho phép quan sát và nhận biết được trường phân bố của các giá trị ứng suất.

5. Các kiểu phân tích

Trong Ansys Structural có đầy đủ các loại phần tử, các mô hình vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, mô hình vật liệu không đàn hồi giúp cho phần mềm có thể mô phỏng được các kết cấu lớn và phức tạp. Ansys Structural với khả năng mô phỏng hoàn hảo các kết cấu phi tuyến cũng như tuyến tính sẽ mang lại các kết quả chính xác và đáng tin cậy

- Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis).
+ Tính toán dạng dao động (Modal Analysis).
+ Phân tích phổ (Spectrum Analysis).
+Tính toán bất ổn định (Buckling Analysis).
+ Tính toán cấu trúc phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis).
+ Đặc biệt là tính toán các bài toán về cơ học rạn nứt (Fracture Mechanics), cơ học vật liệu Composite (Composites), tính toán mỏi (Futigue)