Xuất biểu đồ Moment và lực cắt với ANSYS

Để thực tập được ANSYS và hiểu được cách lấy moment, lực cắt và nội lực trong ANSYS. Bạn cần phải thực tập những bài toán cơ bản sau.

Cho dầm đơn giản, sử dụng ANSYS để mô hình bài toán và đưa ra biểu đồ moment và lực cắt. Chiều dài dầm là 10in (Tôi dùng luôn đơn vị in vì bài toán này tôi làm bằng đơn vị in)

Đây là ví dụ cơ bản, các bạn sẽ hiểu được làm cách nào để nhập dữ liệu và sử lý dữ liệu của một bài toán khi được mô hình vào ansys.

Sau khi khởi động  ANSYS 10ED bạn sẽ nhìn thấy một màn hình như dưới đây:

Phần mềm ANSYS có 2 menu cơ bản. Menu ở trên cùng là menu để thao tác các chức năng như đưa ra kết quả, khung nhìn, góc nhìn, hay hiện tên từng node (keypoints)... Menu thứ 2 ở bên tay trái, chức năng chính là dùng để nhập số liệu, xử lý tính toán, mô hình bài toán,

Làm cách nào để giải bài toán trên? Để giải được bài toán trên bạn cần làm theo những bước sau (trong từng bước tôi sẽ cố gắng mô tả kỹ lưỡng những điều bạn cần hay những tip để giúp bạn có thể làm việc nhanh hơn những lần sau)

1. Thay đổi tên công việc:

Ở Menu trên cùng bạn vào FILE -> CHANGE JOBNAME, bạn thay đổi tên JOBNAME. Điều này rất quan trọng vì đó sẽ tên file của bạn khi bạn lưu nó lại.

Bài toán này tôi thay đổi tên bài toán là "Knuckle Joint pin", sau đó bạn bấm OK như hình dưới.

2. Thay đổi lại đường dẫn:

Công việc này giúp bạn tìm kiếm file nhanh hơn khi ghi lại file. Thực tế, nếu bạn không thay đổi lại đường dẫn thì chương trình sẽ tự động ghi vào một thư mục mặc định của nó, bạn sẽ rất mất công để tìm kiếm. Vì vậy tốt nhật bạn nên thay đổi nó trước khi thực hiện công việc của mình.

Sau khi chọn xong đường dẫn bạn bấm OK để kết thúc công việc này.

Tip: Bạn có thể xem qua bài LÀM QUEN VỚI ANSYS để rõ hơn về chức năng này và thực hiện công việc nhanh hơn.

3. Mô hình bài toán và chọn cách xử lý cho máy tính:

Bên tay trái bạn như đã nói ở trên là menu để nhập số liệu và mô hình bài toán. Mọi bài toán bạn cần phải sử dụng Menu này.

Chọn Preferences chức năng này khá là quan trọng trong từng bài toán của bạn, phương pháp giải hay là kết quả của bài toán. Như ở bài toán này thì được giải theo kết cấu thuần túy (Structural), còn một số bài khác bạn cần xem bài toán yêu cầu gì ví dụ như là: xử lý luồng khí, nhiệt (Thermal) hay dòng chảy (Fluid) bạn sẽ chọn những chức năng đó. Điều này có lợi hay hại? Điều này giúp cho bạn tiết kiệm được rất nhiều tài nguyên cũng như thu ngọn lại thanh Menu, đỡ bị rắc rối khi bạn để tất cả để mô hình bài toán trên.

4. Chọn tiết diện dầm và nhập số liệu:

Chọn Preprocessor ->Element Type:

Một ứng dụng là ELMENT TYPES hiện lên, để chọn kiểu phần tử bạn bấm vào ADD. Library of Element Types sẽ hiện lên cho bạn lựa chọn kiểu phần tử. Bạn sẽ thấy Structural Mass có LINK, BEAM, PIPE, SOLID, SHELL, CONSTRAINT... vậy những phần tử này có chức năng gì?

Phần tử LINK chỉ để dùng cho tính toán dàn, phần tử này được hiểu mặc định là không có Moment.

Phần tử BEAM phần từ này dùng để tính toán dầm, phần từ này đủ 3 giá trị Moment, lực cắt và nội lực

Pipe phần từ thành dạng ống

Solid và Shell phần tử dạng tấm, thường để tính toán và mô hình bài toán với sàn hoặc tường.

Constraint: Phần từ này khá là hay, khi bạn tính toán móng hay một nền đàn hồi thì phần tử khá hữu dụng cho phép bạn đặt tình huống nền đàn hồi có một độ cứng K nào đó. Khi đó bài toán sẽ sát thực tế hơn.

Trong bài toán này bạn BEAM, BEAM có 2D elastic 3 và Plastic 23, thường thì các bài toán kết cấu được tính toán cho ELASTIC, còn PLASTIC khi tính toán độ biến dạng của kết cấu có nghĩ khi kết cấu được thuyết sẽ bị gãy. TAPEREC 54, phần tử này tính cho tiết diện không đều của kết cấu. Ví dụ đầu A có độ cao h1 nhưng đầu B có độ cao h2. Còn 3D finite strain dùng mô hình dầm trong tính toán kết cấu 3 chiều.

Vậy sau khi chọn 2D ELASTIC 3, ở ELEMENT TYPE sẽ hiện lên như hình vẽ. Ở dưới cuối chọn tiếp OPTIO, mục đích để chọn tính toán kết quả của dầm này. Thông thường bỏ qua, Bước này cũng được vì ANSYS vẫn đưa ra kết là Moment và nội lực.

5. Khai báo giá trị của BEAM.

Đây là bước khá quan trọng, nếu bạn không khai báo thì tính toán có thể thất bại, dù không tính đến bạn cũng nên khai báo là 1 cho tất cả các phần tử. Chọn Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete

Ở đó đã có sẵn BEAM 3 (như lúc nãy nó đã được cho từ thư viện phần tử). Bạn chọn BEAM và bấm OK.

Real Constant window cho Beam 3 hiện lên như sau:

Bạn cần phải nhập diện tích (AREA), Moment quán tính IZZ và chiều cao của dầm (HEIGHT). Shear deflect constrant (SHEARZ) và INITIAL STRAIN và ADDMAS thì bạn không cần quan tâm vì sao, vì bài này dầm không được một lực để có chuyển vị cho trước, và không có độ kéo ban đầu của dầm, hay dầm cũng không cho trọng lượng riêng trên một độ dài cơ bản. Nên bạn có thể bỏ qua công đoạn này.

6. Khai báo vật liệu

Vật liệu của bài toán, đây là điều cũng khá quan trọng, bạn phải khai báo những vấn đề cơ bản của dầm là Mô đun đàn hồi (E) và hệ số Poisson (esp) cho bài toán.

Preprocessor > Material Props > Material Models, màn hình xuất hiện Define Material Models Behavior window sẽ đươc mở.

Bạn chọn isotropic (đẳng hướng), linearly (tuyến tính), elastic (đàn hồi), structural (kết cấu)

Ở Material Models Available: Bạn chọn > Structural > Linear > Elastic > Isotropic.

Linear Isotropic Properties for Material Number 1 sẽ xuất hiện:

Bạn cần phải nhập 30e6 cho EX (Xuất Young) và 0.3 cho PRXY (hệ số Poission). cuối cùng là bấm OK. Nếu bạn muốn kể đế trọng lượng bản thân thì bạn cần chọn DENSITY và nhập trọng lượng bản thân của vật liệu vào

Ví dụ: Bê tông: 2400kg/cm3, Thép: 7850kg/cm3 hay Gạch là: 470kg/cm3

Sau khi bấm OK bạn đã có thư viện cơ bản cho vật liệu dầm của bạn.

7. Mô hình bài toán.

Bài toán có thể giải theo Node hoặc Keypoints, vậy điểm khác nhau giữa Node và Keypoint là gì? Node chủ yếu để giải cho kết cấu khi nó đã được mô hình thành nhiều node. Dùng Keypoint khi bạn chưa biết kết cấu của bạn sẽ định sử dụng như thế nào, nên bạn có thể dùng Mesh (chia nhỏ) tạo thành mắt lưới cho kết cấu. Ở đây tôi dùng Keypoints.

Preprocessing > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

X, Y ,Z là tọa độ điểm mà bạn cần phải điền để mô tả kết cấu của mình. NPT là số thứ tự điểm (1,2,3,....)

Bạn nhập các vị trí sao đây.

điền NPT là 1, X = 0. Y= 0, Z=0  thì tại vị trí 0,0,0 điểm keypoint 1. Bấn APPLY và nhập lần lượt với các Keypoint khác.

KP # 1: X=0, Y=0, Z=0
KP # 2: X=2, Y=0, Z=0
KP # 3: X=4, Y=0, Z=0
KP # 4: X=6, Y=0, Z=0
KP # 5: X=10, Y=0, Z=0

Trong bài toán này do BEAM 3 là 2D ELASTIC nên không thể giải được trong không gian, do vậy Z = 0. Nếu bạn muốn giải trong 3D thì bạn cần phải chọn 3D ELASTIC.

tip: Nên nhập từng dòng một sau đó bấm APPLY, nếu bạn bấn OK, bạn sẽ phải chọn lại

Trong trường hợp bạn bị lỗi bạn có thể xóa Keypoint bằng cách. Preprocessing > Modeling > Delete > Keypoints

Chọn những Keypoint bị lỗi và bấm OK, bạn đã xóa được keypoint lỗi rồi.

Sau khi kết thúc bạn bấm OK màn hình sẽ cho bạn giá trị như sau:

Trong trường hợp số thứ tự keypoint mà không hiện lên như hình vẽ, từ Menu ở trên cùng bạn chọn

PlotCtrls > Numbering > put a checkmark next to keypoint numbers > OK

Tip: Với NODE và ELEMENT bạn muốn hiện số hay các chỉ thị màu khác nhau thì chọn tương tự.

Hoặc để hiện kết quả vị trí tọa độ của các điểm keypoint bọn chọn như sau: List > Keypoint > Coordinates Only (như hình trên)

Bước tiếp theo chúng ta cần phải nối các điểm Keypoint lại để tạo thành một dầm thẳng. Bằng cách

Preprocessing > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Lines

Lần lượt chọn điểm 1 và điểm 2 sau đó bấm APPLY (cũn như tip trước, không nên OK khi chưa kết thúc nhập) lần lượt như vậy cho đến khi keypoint 4 và keypoint 5 được chọn thì bạn bấm OK để kết thúc mô hình bài toán. Nếu một lỗi xảy ra trong quá trình mô hình bạn có thể xóa nó đi bằng cách: Preprocessing > Modeling > Delete > Lines Only, rồi chọn lại Line vừa vẽ để xóa nó.

Sau khi kết thúc bạn sẽ có được mô hình như sau:

Nào bây giờ điều quan trọng ở đây là, nếu bạn có 5 điểm như trên thì khả năng vẽ biểu đồ Moment sẽ không được chính xác vì bạn có quá ít điểm. Nếu biểu đồ moment được vẽ lên thì chưa chắc nó đã đi theo như ý muốn mà nó sẽ hiện ra toàn đường thẳng ( Bạn có thể thử lại sau khi làm xong ví dụ này. Bạn sẽ hiểu tại sao)

Keypoint giúp bạn tạo mắt lưới dễ dàng hơn so với Node.  Như ở đây nếu Node thì bạn cần khoảng trên 10 nodes để mô hình và vẽ biểu đồ moment cho đẹp thì Keypoint bạn chỉ cần ít hơn số đó sau đó bạn dùng công cụ Mesh để thực hiện nó.

Preprocessing > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Lines > All Lines 

Bạn cần phải điền vào Element edge length là 0.1 tức là mắt lưới của bạn được chia nhỏ đến 0.1 (10/0.1) khoảng 100 điểm. Chú ý ở đây là tùy thuộc vào phần ANSYS sẽ hỗi trợ bạn bao nhiêu điểm chia ANSYS 10ED hỗi trợ khoảng 1000 điểm chia. Bạn bấm OK để kết thúc công việc này.

Bây giờ bạn bắt đầu tạo mặt lưới cho dầm của mình: Preprocessing > Meshing > Mesh > Lines từ màn hình Mesh Lines bạn cần phải chọn Pick ALL, thì chức năng Mesh sẽ tự động tạo mắt lưới cho dầm của bạn. Sau khi toàn thành bạn sẽ thu được như sau.

Nhìn qua chẳng thấy điểm keypoint nào nữa, vì dầm của bạn đã được chia nhỏ thành các mắt lưới rồi.

8. Sử lý và đưa ra kết quả.

Sau khi hoàn thành công việc nhập kết quả như trên bạn cần phải giải bài toán này để có kết quả. Từ Menu bạn chọn:

Solution > Analysis Type > New Analysis

Ở đây có nhiều loại để khảo sát bài toán.

Statics khảo sát kiểu tĩnh định, tức là với các kết cấu thuần túy giải để đưa ra kết quả nội lực và moment.

Kiểu Modal, khảo sát bài toàn dưới dạng động lượng tức là khi bị ảnh hưởng bởi động đất hay va chạm.

Harmonic giải bài toán theo điều hóa hay tuần hoàn (thường cho khí và nhiệt độ)

Khảo sát kiểu Eigen Buckling để đưa vật thể bị bẻ cong hoặc hư hỏng.

Transient: Va chạm tức thời, có thể sử dụng trong tính toán kết cấu có ảnh hưởng tới động đất

Spectrum: Khảo sát bài toán dưới dạng quang phổ, hay dải tầm âm.

Trong bài toán này chúng ta sẽ chọn Statics để tính toán vấn đề cơ bản của kết cấu.

Thêm ngoại lực và đặt ngối tự cho dầm.  Hiện tại dầm của đang bị bao phủ hoàn toàn bằng mắt lưới để hiện rõ những thành phần bạn cần :

Plot > Multiplots  và Plot > Keypoints > Keypoints (Hiện keypoint)

Bây giờ chúng ta mới thể thêm ngoại lực vào được, như lúc nãy thì rất khó để chọn LINE nào để thêm ngoại lực.

Solutions > Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > On Keypoints

Bạn cần phải chọn từ KEYPOINT để có thể mô hình bài toán như đầu bài đã đưa.

Vị trí ngoại lực tác dụng:

KP1 FY 400
KP1 MZ 400
KP2 FY -400
KP2 MZ -400
KP3 FY 200
KP4 FY -200
KP5 FY 400

Bây giờ chúng ta cần phải nhập lực phân bố cho bài toán.

Solutions > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Beams. APPLY PRES on BEAMS sẽ hiện nên bạn cần phải chọn BEAM có lực tác dụng lên, ở đây chính là lực phân bố). Bạn chọn LINE giữa keypoint 2 và 3, và điền giá trị 100 vào Pressure at Node I, Nếu ngoại lực phân bố là hình tam giác thì bạn cần phải điền vào Node J, còn không thì bỏ qua. Mặc định của phần mềm Load Key là 1, còn nếu bạn muốn tìm hiểu hơn về Load Key (bạn đọc lại bài Làm quen với ANSYS

Tương tự với các LINE còn lại.

KP3 và KP4:   -100.  KP4 và KP5: 100

Cuối cùng màn hình sẽ đưa ra như sau: (Nhìn có vẻ phức tạp phải không, nhưng nó là mô hình lại của bài toán)

Nếu bạn muốn xem dưới dạng 3D của dầm bạn có thể làm như sau để xem hình ảnh 3D đơn giản của bài toán.

Plot Controls > Style > Size and Shape

Màn hình Size and Shape sẽ xuất hiện, Bạn cần phải bật chức năng Display of Element để xem hình ảnh 3D của dầm này. Như hình dưới đây.

Chọn OK để kết thúc, sử dụng thanh công bên tay phải để xem hình ảnh không gian 3 chiều của dầm.

Bước tiếp theo để giải bài toán này bạn chọn Solution > Solve > Current LS. Màn hình sẽ hiên lên thông báo về Solve Current Load Step, chọn OK. Nếu màn hình hỏi bạn một lỗi là Verify để thông báo rằng có lỗi gì đó hay báo động nhưng không phải lỗi nghiêm trọng bạn có thể bấm OK để chạy tiếp. Nếu là lỗi nghiêm trọng màn hình sẽ đưa ra thông báo lỗi với hình chữ X màu đỏ, và bạn không thể giải được bài toán. Sau khi máy tính chạy xong một thông báo hoàn thành công việc (SOLUTION IS DONE). Ở đây bạn chỉ bấm DONE hay CLOSE (tùy thuộc vào phiên bản) để bắt đầu một nhiệm vụ mới là khai thác kết quả của bài toán.

9. Vẽ biểu đồ Moment và Lực Cắt.

Trong trường hợp có rất nhiều cách để xem chi tiết biểu đồ lực cắt và moment. Các đơn giản bạn có thể xem qua menu LIST ở góc trên màn hình, cách này đưa cho bạn một bảng các con số và bạn phải biết xem điểm đầu điểm cuối. Nhưng các dưới đây đưa ra như các phần mền khác là hiển thị ngay trên màn hình đồ họa của phần mềm. Menu GENERAL POSTPROC rất quan trong khi cần xem kết quả của bài toán.

Việc đầu tiên chúng ta cần phải định nghĩa một bảng dữ liệu cho dầm, từ đó máy tính mới có thể vẽ được biểu đồ Moment cho bạn.

General Postproc > Element Table > Define Table, Hội thoại Element Table Data sẽ hiên lên, việc làm của bạn là bấm ADD.

Màn hinh Define Addtional Element Table Items, bảng định nghĩa cho BEAM 3. Ghi nhớ ở đây là, User Label for ITEM sẽ được dùng lại. Ở đây bạn cần phải nhở lại một chút. Một thanh thẳng sẽ có 6 thành phần chuyển vị cho 3 phương ở một đầu (3 thành phần lực, 3 thành phần chuyển vị xoay). Thế nên một thanh có 2 đầu, 1 là I và đầu kia là J.

Tip: Bạn nên đặt tên cho USER LABLE FOR ITEM là I moment và J Moment để đỡ bị nhầm lẫn giữa 2 đầu của thanh. Do tính năng xuất ra theo từng thanh một, và sau này vẽ từ trái sang phải của màn hình sẽ là chiều +.

Giờ để lấy Moment cho đầu thứ nhất: USER LABLE for ITEM bạn đặt là I moment, chọn By Sequence num bên kia chọn SMISC, và gõ số 6 chính là moment theo phương Z của dầm. Với J moment , bạn gõ vào là 12, (tổng 1 thanh sẽ có 12 thành phần chuyển vị). Bạn xem hình dưới đây. Nhớ sau khi nhập I MOMENT xong bấm APPLY, đừng bấm OK, nếu không bạn sẽ mất thời gian quay lại công việc.

Sau khi xong việc bạn bấm OK để kết thúc với  Moment. Tương tự với lực cắt. SMISC, 2 và SIMSC, 8 (Đây là lực cắt theo phương OY, còn nội lực OX, thì khi đó SIMSC là 1 và 7. Lực cắt theo OZ, 3, và 9. Moment theo OX là 4 và 10, OY là 5 và 11).

Sau khi kết thúc bạn sẽ thu được bảng kết quả như sau:

Đóng bảng ELement Table Data bằng cách bấm Close. Bây giờ việc làm duy nhất là vẽ biểu đồ moment và lực cắt cho bài toán.

General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line Elem Res

Plot Line, cho Node I và Node J (mặc dù chúng ta đã mô hình bài toán bằng Keypoint nhưng điều đó không ảnh hưởng vì 1 thanh vẫn có điểm đầu và điểm cuối) tại NODE I chọn I FORCE, và node J chọn J FORCE như hình vẽ dưới.

Def Shape Only: Chỉ hiện chuyển vị, Def + Undeformed: hiện chuyển vị và hình ban đầu của dầm. ( Def viết tắt của chữ Deflection). Bấm OK bạn sẽ thu được biểu đồ lực cắt như sau:

 

Tương tự với biểu đồ moment bạn cũng có:

 

 

Tip: Trong trường hợp bạn muốn xuất kết quả này ra WINWORD (WORD) bạn có thể làm như sau để bỏ nền đen của màn hình đi mà không cần chỉnh sửa. Từ menu chính PlotCtrls -> Write Metafile -> Invert Black/White. Giờ thì bạn đã có bản rất đẹp.

10. Kiểm định kết quả bằng tính toán tay.

Như đã nói ở trên, kết quả tính tay cho thấy sự ngược dấu khi đem so sánh 2 kết quả lại với nhau. Do máy tính tính toán kể đến độ cứng của dầm và hệ số Poisson nên khi tính toán, kết quả sẽ giảm đi do ảnh hưởng bởi độ cứng.

Lý do gây ra sự ngược chiều giữa 2 kết quả là, sự quy ước.