Va chạm mềm

Va chạm mềm là một trong những vấn đề phức tạp của kết. Nó sinh ra ứng suất trong vật thể va chạm và một chuyển vị lớn ở điển va chạm trên vật thể. Va chạm mềm thường được gọi là tương tác mềm giữa 2 hoặc nhiều vật thể với nhau. Trong ví dụ này để ứng dụng va chạm mềm, chúng ta sẽ khảo sát 2 đĩa mềm va chạm với nhau. 2 đĩa này được làm từ vật liệu dẻo, tác động vào nhau với một lực P như hình dưới đây. (bài toán này dựa vào mô tả tại website: http://courses.cit.cornell.edu/ansys/contact/index.htm, tác giả: Oswaldo Rodriguez - Cornell University)

Ban đầu đĩa thứ nhất chạm nhẹ vào đĩa thứ 2 qua một điểm. Bán kính cong ban đầu của đĩa trên là R1, bán kính cong mặt đĩa là R'1. Cũng như vậy với đĩa thứ 2 là R2 và R'2. Hướng lực tác dụng P nằm dọc trục của điểm va chạm qua tâm của 2 bán kính cong này.

Mặt cắt trong của là R1 và R2 (R'1 và R'2) nằm khác góc nhau như hình dưới đây:

Giả thiết rằng 2 vật thể không có nằm hay xoay theo chiều khác trong khi va chạm, vì vậy lực ma sát sẽ được thêm vào trong tính toán. Cả 2 đĩa được làm bằng thép với suất đàn hồi E1=E2=200GPa và hệ số Poisson: n1=n2=0.29. Bán kính cong R1=60mm và R'1=130mm, R2=80mm, R'2=200mm. Góc xoay ban đầu = 0, lực tác dụng P=4.5kN. Tìm ứng xuất lớn nhất và khoảng cách va chạm có thể của 2 đĩa dưới tác dụng của lực P. Bài toán sử dụng ANSYS để tìm ra kết quả.

- Ansys menu -> Preferences chọn Structural -> OK

- Utility Menu > Parameters > Scalar Parameters -> nhập các thông số của bài toán R1 = 60 -> Accept

Việc này tiện lợi khi điền các thông số vào. Mà chúng ta không cần phải nhớ các thông số. Chỉ cần nhớ đến ký hiệu (sẽ giải thích ở phần định nghĩa vật liệu)

R1p=130
R2=80
R2p=200
inter=1e-5
p=4500
E=2e5
nu=0.29

Chú ý rằng: mọi đơn vị tính toán trong ANSYS phải được thống nhất với nhau, kN/m hay N/mm việc này rất quan trọng vì Ansys không thể tự động quy đổi các đơn vị qua lại cho nhau được.

- Khai báo phần tử: Phần từ chính để mô hình trong bài toán này SOLID92 với 10 nodes và hỗ trợ mô hình 3 chiều.

Main Menu > Preprocessor> Element Type > Add/Edit/Delete > Add...

-> Structural Solid bên trái -> Tet 10node 92 bên bên phải. Bấm OK

Trong vấn đề này, 2 mặt bề mặt được thí nghiệm cho phép va chạm. Diện tích tiếp xúc là điểm va chạm hay diện tích cong mềm. Chúng ta sẽ định nghĩa bề mặt cong của đĩa dưới coi là bề mặt va chạm, còn phần mặt cong của đĩa trên gọi là bề mặt tiếp xúc.

Bước tiếp theo cần phải xác định các thành phần của bề mặt va chạm và bề mặt tiếp xúc. Bề mặt tiếp xúc được xác định bằng các phần tử của SOLID92 và được mô tả là biên của đĩa trên (bề mặt tiếp xúc), bề mặt sẽ được mô tả tiến đến đĩa dưới (bề mặt va chạm). Các phần tử tiếp xúc như là lớp vỏ của bề mặt đang được xét đến. Vì vậy việc tìm kiếm một mô hình hoàn chỉnh cho vấn đề va chạm này nằm ở phần từ Contact175. Phần tử này là phần tử 3D, được dùng làm lớp vỏ để mô hình cho bề mặt tiếp xúc. Nó được sử dụng để mô tả giữa việc tiếp xúc của node và giữa 2 bề mặt của đĩa. (Bạn có thể tìm được phần tử trong Help của ANSYS.). Khi bề mặt tiếp xúc tiếp lại bề mặt va chạm để tạo nên va chạm mềm, thì bề mặt tiếp va chạm sẽ được coi như là đích đến của đĩa trên. Phần tử TARGE169 hoặc TARGE170 có thể được sử dụng trong trường hợp này. Nhưng TARGE169 hỗ trợ cho phần từ 2D và TARGE170 cho 3D. Vì vậy nên sử dụng TARGE170 trong vấn đề va chạm mềm 3 chiều.

- Main Menu > Preprocessor> Element Type > Add/Edit/Delete > Add...

> Contact bên trái và 3-D target 170 bên phải >>

> Contact >  pt-to-surf 175

Định nghĩa thành phần của phần tử:

- Main Menu > Preprocessor> Real Constants > Add/Edit/Delete > Add

 

- SOLID92: chọn OK, khi màn hình xuất hiện "The SOLID92 element type does not require real constants"

- TARGE170:

- CONTACT175:  

Với R1 và R2 định nghĩa từ mô hình của thành phần đích (bề mặt va chạm). Với vấn đề va chạm này, không nên định nghĩa nữa. Chọn Cancel. Để tự động ANSYS định nghĩa cho các thành phần này.

 

Định nghĩa vật liệu:

Main Menu > Preprocessor >Material Props > Material Models ....

> Structural, Linear, Elastic, and Isotropic

 

Ở đây cũng như các bài trước EX và PRXX cần được điền vào. Bài toán ở đây điền E và nu, do chúng ta đã định nghĩa Scalar parameter ở trên

Nếu không định nghĩa Scalar Parameter, thì EX và PRXY cần phải được cho giá trị cụ thể như hình dưới:

Mô hình bài toán:

Do 2 đĩa đối xứng nên việc mô hình bà toán cũng trở nên đơn giản hơn, bằng việc mô hình một nửa đĩa. a là góc xoay ban đầu của 2 mặt phẳn đĩa = 0. Thể tích đĩa trên và dưới như nhau theo phương từ trên xuống. Khi đó thể tích sẽ được tạo từ 2 diện tích cơ bản và xoay quanh một trục. Diện tích cơ bản cho đĩa trên được hiện thị ở dưới đây.

 

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

Keypoint 1: X=0, Y=0, Z=0, bấm Apply.

Keypoint 2: X=R2, Y=-R2, Z=0, bấm  Apply.

Keypoint 3: X=R2, Y=-R2p, Z=0, bấm  Apply.

Keypoint 4: X=0, Y=-R2p, Z=0, bấm  Apply.

Keypoint 5: X=0, Y=-inter, Z=0, bấm  Apply.

Keypoint 6: X=R1, Y=R1-inter, Z=0, bấm  Apply.

Keypoint 7: X=R1, Y=R1p-inter, Z=0, bấm Apply.

Keypoint 8: X=0, Y=R1p-inter, Z=0, bấm Apply.

Keypoint 9: X=0, Y=-R2, Z=0, bấm Apply.

Keypoint 10: X=0, Y=R1-inter, Z=0, bấm OK.

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines >In Active Coord

Tạo đường thẳng nối kp 2 and kp 3. Chọn keypoint 2 và keypoint 3. Tương tự với  3 & 4, 4 & 1, 6 & 7, 7 & 8 and 8 & 5

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Arcs > By End KPs & Rad

Tạo bán kính cong giữa kp 6 và kp 5, chọn kp 6 và kp 5, chọn bán kính cong là vị trí kp 10. Bạn cần nhập bán kính cong vào là R1.

Tương tự với kp 2 và kp1 với bán kính cong là R2, và tâm cong là kp 9.

Main Menu > Preprocessor >Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By Lines

Tạo diện tích bề mặt cong, chọn các đường 4, 5, 6 và 7 APPLY, sau đó chọn 1, 2, 3 và 8 OK.

Main Menu > Preprocessor >Modeling > Operate > Extrude > Areas > About Axis

Tạo thể tích cho mô hình.

Chọn Sweep Areas about Axis chọn menu. Điền Input window, ANSYS chỉ bạn "pick or enter areas to be swept about axis". chọn diện tích trên (1) OK. ANSYS chỉ ra "pick or enter two keypoint defining the axis". chọn keypoint 8 sau đó chọn keypoint 7, OK.

Tương tự như vậy Sweep Areas about Axis menu. Menu này cho phép bạn xác định một góc xoay trước. Rõ ràng, chúng ta muốn diện tích này xoay 90 độ để tạo ra thể tích, nhưng có 2 lựa chọn: +90 or -90. Khi chọn keypoint 8 và keypoint 7, trục sẽ xoay từ 8 tớ 7. Vậy góc xoay sẽ là +90 độ (sử dụng quy tác ngón tay cái) vì vậy xoay theo trục z là chiều âm . Điền 90 cho cung này . APPLY. 

Tương tự với mặt con lại: kp 3 sau đó kp4 xoay 90 độ. và 0 thể tích đứt quãng.

 

Tạo lưới cho mô hình:

Main Menu > Preprocessor > MeshTool

Để tạo ra vật liệu và tính chất vật liệu cần chắc chắn rằng Global được lựa chọn với Element Attribute và chọn SET.

Meshing Attributes -> PLANE92 (SOLID92) và vật liệu 1. OK

Kích thước lưới:

Chọn SmartSize để tự động tạo lưới cho các phần tử. chọn SmartSize mức 1  .

Thể tích lưới:

MeshTool, chắc chắn rằng thể tích được tạo. sử dụng phẩn tử tứ diện, chọn Tet dưới Shape . sử dụng mặc định Free meshing.

Bấm Mesh chọn thể tích tạo lưới

 

Trước khi tạo bề mặt va chạm, chúng ta cần phải chọn node cho đĩa dưới, mà bài toán cần. Diện tích nhỏ của đĩa dưới được hy vọng vấn đề va chạm xảy ra. Đầu tiên chọn phần diện tích đích đến và node được thêm vào diện tích này. y = -2, kết quả trả về là tập hợp con của node được nằm dưới mặt phẳng y=-2 tiến tới bề mặt tiếp xúc của đĩa trên.

Utility Menu > Select > Entities

chọn Areas > chắc chắn rằng By Num/Pick được chọn -> APPLY (bạn cần phải xoay khối này để chọn các phần tử) -> OK

 

Utility Menu > Plot > Areas > Select Entities > Nodes > Attached to > Areas, All > OK.

Utility Menu > Plot > Nodes > chọn các điểm dưới y=-2.

> Select Entities >, chắn chắn các node được chọn , kéo menu xuống dưới> By Location > chọn tọa độ Y > điền -2,0.5 là Min,Max. Chọn Reselect > Click OK.

 

Kiểm tra lại: Utility Menu > Plot > Nodes

Giờ chúng ta có thể tạo lưới TARGE170

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Elem Attributes

Ở Element Attributes. Chọn 2 TARGE170 cho phần từ, mặc định là 1 > OK.

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf /Contact > Surf to Surf > Mesh Free Surface > ANSYS hiện "pick or enter node for contact elements ", tất cả các nodes đã được > OK

 

Màn hình ANSYS sẽ hiện:

 

Chú ý:Trong quá trình giải bài toán va chạm mềm, những nơi bạn mong muốn chuyển vị lớn hoặc nơi bạn chưa chắc chắn vị trí nào sẽ va chạm, nó có thể xuất hiện giữa 2 vật thể. Bạn muốn nó bắt đầu chọn những node, nơi có thể sảy ra va chạm. Đồng thời lúc đó bạn lại muốn giữa những node đã chọn nhỏ nhất có thể để giảm thời gian những node đó có thể tự động sinh ra trong quá trình giải bài toán. Va chạm mềm thực chấy là phương pháp giải không tuyến tính và cần rất nhiều RAM của máy tính. Trong trường đó, RAM nên đạt hiệu suất cao nhất để có thể giải bài toán này một cách chính xác nới số lượng node trên mô hình..

Bây giờ mô hình tương tự với bề mặt tiếp xúc của đĩa trên. Nhưng với y = 1.5 chúng ta cũn chọn diện tích ảnh hưởng như trên.

 

Để chính xác nó bạn chắc chắn rằng các node đó nằm trong khoảng -0.5,1.5. Nhớ mesh các điểm này là CONTA175

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Elem Attributes.

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf /Contact > Node to Surf

Chọn tất cả Pick All.

 

Định nghĩa điều kiện biên:

Một điều khá là quan trọng là đưa lực tác dụng vào đĩa dưới. Khi đó chúng ta cần phải ngăn chuyển vị của bề mặt của đĩa dưới theo phương y. Có nghĩ rằng bề mặt được coi là một miếng cứng trong mô hình.

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > Symmetry B.C. > On Areas

Chọn 4 mặt đối xứng nhau như hình vẽ > OK

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Areas

chọn U,Rot on Areas trên mặt phằng x-z > OK

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > On Keypoints

Chọn F/M on KPs > chọn kp 8 > OK > F/M và keypoint menu. chọn FY cho phương chiều, điều -p/4 cho lực và mô ment. > OK

Bạn biết đấy P=4500N cho 4 mặt của thể tích này.

Sau đó chúng ta cần Couple DOF khu vực xuất hiện va chạm mềm.

Utility Menu > Select > Entities

Chọn diện tích sau đó kéo menu xuống > By Num/Pick > Apply.

Giữa chuột trái cho tới mặt 6 được chọn. Mặt thứ ở trên mặt phẳng x-z  của đĩa trên > OK.

Tiếp theo bạn cần phải chọn vùng > Select Entities menu > chọn Nodes từ việc kéo menu xuống  và Attached > OK.

Để xác định đúng những node cần được chọn  Utility Menu > Plot > Nodes

Bây giờ chúng ta có thể sử dung couple DOF cho điều kiện biên.

Main Menu > Preprocessor > Coupling/Ceqn > Couple DOFs

Define Coupled DOFs  xuất hiện >  cửa sổ Input > ANSYS chỉ ra rằng "Pick or enter nodes to be coupled" > Pick All.

Define Coupled DOFs > điền 1 cho Set reference > chọn UY chon Degree-of-freedom > chắc chắn rằng bước này tất cả các node của mặt phẳng tiếp xúc của đĩa trên được  chọn > OK.

 

Giải bài toàn:

Kiểm tra đầu vào: trên cửa số Input bạn gõ cncheck

Main Menu > Solution > Analysis Type > Sol'n Controls: chọn Large Displacement Static với Time Control là 100, ime at end of loadstep chọn OFF ở Automatic time stepping > OK

Main Menu > Solution > Solve > Current LS

Màn hình xuất hiện:

Xem kết quả:

Chúng ta cần phải đưa ra mô hình và lý thuyết ứng xuất của Von Mises ở đây.

Main Menu > General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solu

Contour Nodal Solution Data > Stress > von Mises SEQV > OK

Kết quả thu được khi 2 vật thể va chạm vào nhau.

Đưa ra giá trị nén lớn nhất của vùng ném.

Main Menu > General Postproc > List Results > Nodal Solution > List Nodal Solution > Stress > Principals SPRIN > OK

Chuyển vị lớn nhất:

Main Menu > General Postproc > List Results > Nodal Solution > List Nodal Solution> DOF solution > Translation UY > OK

 

Nếu kết quả tính toán bằng tay của bạn khác so với ansys bạn có thể tạo lưới nhỏ hơn để khả năng bài toán sẽ càng chính xác hơn.

Bài sau chúng ta sẽ đề cập đến 2 dầm va chạm với nhau ở một khoảng cách cho trước.