I. Giới thiệu Ansys

ANSYS là một gói phần mềm phần tử hữu hạn có mục đích chung để giải quyết nhiều vấn đề cơ học về mặt số học. Những vấn đề này bao gồm: phân tích cấu trúc tĩnh / động (cả tuyến tính và phi tuyến tính), vấn đề truyền nhiệt và chất lỏng, cũng như vấn đề âm học và điện từ.

  Nói chung, một giải pháp phần tử hữu hạn có thể được chia thành ba giai đoạn sau. Đây là hướng dẫn chung có thể được sử dụng để thiết lập bất kỳ phân tích phần tử hữu hạn nào.

• Tiền xử lý: xác định vấn đề; các bước chính trong tiền xử lý được đưa ra dưới đây:
• Xác định các key point / đường thẳng / khu vực / khối lượng
• Xác định loại phần tử và vật liệu / thuộc tính hình học
• Đường lưới / diện tích / khối lượng theo yêu cầu
• Độ chi tiết sẽ phụ thuộc vào kích thước của phân tích (tức là 1D, 2D, axi-đối xứng, 3D).
• Xử lí: gán tải, ràng buộc và giải bài toán; ở đây chúng tôi xác định các tải (điểm hoặc áp suất), các ràng buộc (tịnh tiến và quay) và cuối cùng là giải hệ phương trình kết quả.
• Hậu xử lí: xử lý thêm và xem kết quả; trong giai đoạn này, người ta có thể muốn thấy:
• Danh sách các chuyển vị nút
• Ứng suất trong phần tử và mô men
• Đồ thị biến dạng
• Biểu đồ ứng suất

  II.Môi trường Ansys:

Môi trường ANSYS cho ANSYS 7.0 có 2 cửa sổ: Cửa sổ chính và Cửa sổ đầu ra. Lưu ý rằng điều này hơi khác so với phiên bản ANSYS trước đó sử dụng 6 cửa sổ khác nhau.

1. Cửa số chính (Main Window):

Trong Cửa sổ chính có 5 phần:

a.Utility Menu:

  Menu Tiện ích (Utility Menu) chứa các chức năng có sẵn trong suốt các phiên bản của ANSYS, chẳng hạn như điều khiển tệp, lựa chọn, điều khiển đồ họa và tham số.

b.Input Line:

  Dòng Nhập (Input line) hiển thị các thông báo nhắc nhở của chương trình và cho phép bạn nhập lệnh trực tiếp.

c.Tool bar:

  Thanh công cụ (Tool bar) chứa các nút nhấn thực thi các lệnh ANSYS thường được sử dụng. Có thể thêm nhiều nút nhấn nếu muốn.

d.Main Menu:

  Menu Chính (Main Menu) chứa các chức năng chính của ANSYS, được tổ chức bởi bộ tiền xử lý, xử lí, bộ hậu xử lí chung, bộ tối ưu hóa thiết kế. Chính từ menu này mà phần lớn các lệnh mô hình hóa được đưa ra. Đây là nơi bạn sẽ nhận thấy sự thay đổi lớn nhất giữa các phiên bản trước của ANSYS và phiên bản 7.0. Tuy nhiên, các phiên bản khác nhau thì cấu trúc menu không thay đổi.

e.Graphic Window:

  Cửa sổ Đồ họa là nơi đồ họa được hiển thị. Tại đây, bạn sẽ xem mô hình bằng đồ thị trong các giai đoạn xây dựng khác nhau và các kết quả tiếp theo từ phân tích.

2.Cửa sổ đầu ra (Output Window):

  Cửa sổ Đầu ra hiển thị đầu ra văn bản từ chương trình, chẳng hạn như danh sách dữ liệu, v.v. Nó thường được đặt phía sau cửa sổ chính và có thể được đặt ở phía trước nếu cần.

III.Ví dụ về hệ dàn thanh:

Hướng dẫn này được tạo bằng ANSYS 7.0 để giải một bài toán giàn thanh 2D đơn giản.
Mô tả vấn đề: Xác định độ biến dạng của nút, phản lực và ứng suất cho hệ giàn như hình dưới đây (E = 200GPa, A = 3250mm2).

3.Tiền xử lý: Xác định vấn đề

Đặt tiêu đề đơn giản (chẳng hạn như ‘Hướng dẫn giàn thanh’).

Trong  Utility menu bar chọn File > Change Title:

Cửa sổ sau sẽ xuất hiện:        

Nhập tiêu đề và nhấp vào ‘OK’. Tiêu đề này sẽ xuất hiện ở góc dưới cùng bên trái của Cửa sổ ‘Đồ họa’ khi bạn bắt đầu. Lưu ý: để tiêu đề xuất hiện ngay lập tức, hãy chọn Utility Menu > Plot > Replot

b.Nhập keypoints:

Hình học tổng thể được xác định trong ANSYS bằng cách sử dụng các điểm chính xác định các tọa độ chính khác nhau để xác định phần thân. Đối với ví dụ này, các điểm chính này là điểm cuối của mỗi giàn.

Chúng ta sẽ xác định 7 điểm chính cho cấu trúc đơn giản như được đưa ra trong bảng sau

(các điểm chính này được mô tả bằng các con số trong hình trên)

Từ “ANSYS Main Menu” chọn:
Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

Cửa sổ sau sẽ xuất hiện sau đó:

• Để xác định điểm quan trọng đầu tiên có tọa độ x = 0 và y = 0:

Nhập số điểm chính 1 vào ô thích hợp và nhập tọa độ x, y: 0, 0 vào ô thích hợp (như hình trên).

Nhấp vào ‘Apply ‘ để chấp nhận những gì bạn đã nhập.

• Nhập các điểm chính còn lại bằng phương pháp tương tự.

Lưu ý: Khi nhập điểm dữ liệu cuối cùng, hãy nhấp vào ‘OK’ để cho biết rằng bạn đã nhập xong các điểm chính. Nếu bạn lần đầu tiên nhấn ‘Apply’ và sau đó ‘OK’ cho điểm chính cuối cùng, bạn sẽ xác định nó hai lần!

Nếu bạn đã nhấn ‘Apply ‘ cho điểm cuối cùng, chỉ cần nhấn ‘Cancel’ để đóng hộp thoại này.

Đơn vị:

Lưu ý rằng đơn vị đo (tức là mm) không được chỉ định. Người dùng có trách nhiệm đảm bảo rằng một tập hợp các đơn vị nhất quán được sử dụng cho vấn đề; do đó thực hiện bất kỳ chuyển đổi nào nếu cần thiết.

Sửa lỗi: Khi xác định các keypoint, đường, vùng, khối lượng, phần tử, ràng buộc và tải, bạn nhất định sẽ mắc sai lầm. May mắn thay, những điều này được sửa chữa dễ dàng, do đó bạn không cần phải bắt đầu lại từ đầu mỗi khi có lỗi! Mỗi menu ‘ ‘Create ‘ để tạo các thực thể khác nhau này cũng có menu ‘Delete’ tương ứng để sửa chữa mọi thứ.

c.Tạo đường:

Các điểm chính bây giờ phải được kết nối

Chúng ta sẽ sử dụng chuột để chọn các điểm chính để tạo thành các đường.

Trong menu chính, hãy chọn: Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord. Menu sau sẽ xuất hiện:

• Sử dụng chuột để chọn keypoint # 1 (tức là nhấp vào nó). Bây giờ nó sẽ được đánh dấu bằng một hộp nhỏ màu vàng.
• Bây giờ di chuyển chuột về phía keypoint # 2. Một dòng sẽ hiển thị trên màn hình nối hai điểm này. Nhấp chuột trái và một đường cố định sẽ xuất hiện.
• Kết nối các điểm chính còn lại bằng phương pháp tương tự.
• Khi bạn hoàn tất, hãy nhấp vào ‘OK’ trong cửa sổ ‘Lines in Active Coord’, thu nhỏ menu “Lines” và menu “Create”. Cửa sổ ANSYS Graphics của bạn sẽ trông giống như hình sau.

Các dòng biến mất

Xin lưu ý rằng bất kỳ dòng nào bạn đã tạo có thể ‘biến mất’ trong suốt quá trình phân tích. Tuy nhiên, chúng rất có thể KHÔNG bị xóa. Nếu điều này xảy ra bất kỳ lúc nào từ Menu Tiện ích, hãy chọn: Plot > Lines

d.Chọn loại phần tử:

Bây giờ nó là cần thiết để tạo các phần tử. Đây được gọi là ‘chia lưới’. ANSYS trước tiên cần biết loại phần tử nào sẽ sử dụng cho vấn đề của chúng ta

Từ menu tiền xử lý, chọn: Element Type > Add/Edit/Delete. Cửa sổ sau sẽ xuất hiện sau đó:

Nhấp vào nút ‘Add…’. Cửa sổ sau sẽ xuất hiện:

Đối với ví dụ này, chúng tôi sẽ sử dụng phần tử spar 2D như được chọn trong hình trên. Chọn phần tử được hiển thị và nhấp vào ‘OK’. Bạn sẽ thấy “Type 1 LINK” trong cửa sổ ‘Element Types’

e.Xác định các thuộc tính hình học

Bây giờ chúng ta cần chỉ định các thuộc tính hình học cho các phần tử của chúng ta:

Trong Preprocessor menu, chọn Real Constants > Add/Edit/Delete

Nhấp vào Add… và chọn ‘Type 1 LINK1’ (thực tế là nó đã được chọn). Nhấp vào ‘OK’. Cửa sổ sau sẽ xuất hiện

Như được hiển thị trong cửa sổ ở trên, hãy nhập diện tích mặt cắt ngang (3250mm):

Nhấp vào ‘OK’.

‘Set 1’ bây giờ đã xuất hiện trong hộp thoại. Nhấp vào ‘Close’ ‘ trong cửa sổ ‘Real Constants’.

f.Xác định vật liệu:

Trong ‘Preprocessor’ menu chọn Material Props > Material Models

Click đúp vào Structural > Linear > Elastic > Isotropic

Chúng tôi sẽ đưa ra các thuộc tính của thép.

  EX 200000

Đặt các thuộc tính này và nhấp vào ‘OK’. Lưu ý: Bạn có thể nhận được ghi chú ‘PRXY sẽ được đặt thành 0,0’. Đây là tỷ lệ poisson và không bắt buộc đối với loại phần tử này. Nhấp vào ‘OK’ trên cửa sổ để tiếp tục. Đóng “Define Material Model Behavior”  bằng cách nhấp vào hộp ‘X’ ở góc trên bên phải.

g.Kích cỡ lưới:

Bước cuối cùng trước khi chia lưới là cho ANSYS biết kích thước của các phần tử. Có nhiều cách để thực hiện việc này nhưng hiện tại chúng ta sẽ chỉ giải quyết một phương pháp.

• Trong Preprocessor menu chọn Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines

Trong trường kích thước ‘NDIV’, hãy nhập số lượng đoạn thẳng muốn chia mong muốn trên mỗi đường. Đối với ví dụ này, chúng tôi chỉ muốn có 1 đoạn trên mỗi đường, do đó, hãy nhập ‘1’ và sau đó nhấp vào ‘OK’. Lưu ý rằng chúng tôi chưa chia lưới hình học, chúng tôi chỉ xác định kích thước phần tử.

h.Chia lưới:

Trong menu ‘Preprocessor’, chọn Meshing > Mesh > Lines Meshing > Mesh > Lines và nhấp vào ‘Pick All’ trong cửa sổ ‘Mesh Lines’. Mô hình của bạn bây giờ sẽ xuất hiện như được hiển thị trong cửa sổ sau

Lưu công việc

Lưu mô hình tại thời điểm này, để đề phòng nếu bạn mắc một số sai lầm sau này, ít nhất bạn sẽ có thể quay lại. Để thực hiện việc này, trên Menu Tiện ích, chọn File > Save as…. Chọn tên và vị trí bạn muốn lưu tệp của mình.

Bạn nên lưu công việc của mình vào những thời điểm khác nhau trong suốt quá trình xây dựng và phân tích mô hình để đề phòng sự cố.

4.Xử lí : Thêm các lực và giải bài toán.

  Bây giờ bạn đã xác định mô hình của mình. Bây giờ là lúc thêm (các) tải trọng, (các) điều kiện biên và giải hệ phương trình kết quả.

Mở menu ‘Solution’:

a.Xác định kiểu phân tích:

Trước tiên, bạn phải cho ANSYS biết bạn muốn nó giải quyết vấn đề này như thế nào:

• Chọn Analysis Type > New Analysis

Đảm bảo rằng ‘Static’ được chọn; tức là bạn sẽ thực hiện phân tích tĩnh trên giàn thay vì phân tích động.

Click “OK”

b.Thêm các ràng buộc

Chúng ta phải xác định các ràng buộc (điều kiện biên) để phần mềm có thể giải được bài toán. Trong kết cấu cơ khí, các ràng buộc này thường sẽ là các kết nối (khớp). Như hình trên, đầu bên trái của giàn được ngàm và đầu còn lại là con lăn.

Từ Menu Solution, Chọn Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoints

 Chọn đầu bên trái của cây cầu (Keypoint 1) bằng cách nhấp vào nó trong Cửa sổ đồ họa và nhấp vào ‘OK’ trong cửa sổ ‘Apply U,ROT on KPs’.

Vị trí này được cố định có nghĩa là tất cả các bậc tự do tịnh tiến và quay (DOF) bị hạn chế. Do đó, hãy chọn ‘All DOF’ bằng cách nhấp vào nó và nhập ‘0’ vào trường Giá trị và nhấp vào ‘OK’.

Bạn sẽ thấy một số hình tam giác màu xanh lam trong cửa sổ đồ họa cho biết sự hạn chế dịch chuyển.

Sử dụng phương pháp tương tự, áp dụng kết nối con lăn vào đầu bên phải (ràng buộc UY). Lưu ý rằng có thể chọn nhiều ràng buộc DOF tại một thời điểm trong cửa sổ “Apply U,ROT on KPs”. Do đó, bạn có thể cần phải ‘bỏ chọn’ tùy chọn ‘All DOF’ để chỉ chọn tùy chọn ‘UY’.

c.Thêm lực

Như trong sơ đồ, có bốn tải trọng hướng xuống là 280kN, 210kN, 280kN và 360kN tại các điểm chính 1, 3, 5 và 7 tương ứng.

     Chọn Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > on Keypoints.

Chọn Keypoint đầu tiên (đầu bên trái của giàn) và nhấp vào ‘OK’ trong cửa ‘Apply F/M on KPs’

Chọn FY trong ‘Direction of force/mom’. Điều này cho thấy rằng chúng tôi sẽ áp dụng tải theo hướng ‘y’

Nhập giá trị -280000 vào hộp ‘Force/moment value’ và nhấp vào ‘OK’. Lưu ý rằng chúng tôi đang sử dụng đơn vị của N ở đây, điều này phù hợp với các giá trị đầu vào trước đó.

Lực lượng sẽ xuất hiện trong cửa sổ đồ họa dưới dạng một mũi tên màu đỏ.

Thêm các tải còn lại theo cách tương tự.

d.Giải bài toán

Bây giờ chúng ta sẽ giải bài toán.
Trong Solution menu chọn Solve > Current LS.

Các cửa sổ trên sẽ xuất hiện. Đảm bảo rằng các tùy chọn giải của bạn giống như được hiển thị ở trên và nhấp vào ‘OK’.

Sau khi giải xong, cửa sổ sau sẽ bật lên. Nhấp vào ‘Close’ và đóng close the /STATUS Command Window.

• Hậu xử lí: Kiểm tra kết quả:

Chúng ta sẽ tính tay ra một số kết quả và so với kết quả của ansys:

Hiển thị kết quả trong Ansys:

• Trong Main menu chọn  General Postproc > List Results > Reaction Solu.

Chọn ‘All struc forc F’ như hình trên và nhấp vào ‘OK’

Các giá trị này giống với các phản lực được tính toán bằng tay ở trên.