Tổng quan về Abaqus

Tổng quan về Abaqus CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phần I: Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử. Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,…. PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử. Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) 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. Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm. PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF, ABAQUS, ... Phần 2 :Giới thiệu về ABAQUS và cách xây dụng mô hình tính toán trong ABAQUS 2.1 Tổng quan về ABAQUS Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mền lớn dùng để mô phong công trình,kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề môn phỏng phi tuyến phúc tạp. ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,…. ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), vần có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp. ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới…. ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và sử lý kết quả. 2.2. Các bước giả lập một bài toán trong chương trình ABAQUS/CAE Giao diện ABAQUS/CAE: Hình 1: Giao diện ABAQUS/CAE Chúng ta làm việc nhiều với khối ABAQUS/ CAE vì thế mà chúng ta sẽ đi phân tích làm việc với khối này. Khối này làm việc với các modul theo thứ tự như sau: PART, PROPERTY, ASSEMBLY, STEP, INTERACTION, LOAD, MESH, JOB, VISUALYZATION, SKETCH. Hình 2: các modul làm việc của khối ABAQUS / CAE Part: Modul này là hàng loạt công cụ dùng để xây dựng mô hình với các biên dạng khác nhau từ những yếu tố đơn giản đến phức tạp. Như điểm () , đường thẳng (), đường tròn () đường cong bất kì (), hình chử nhật ()...từ những phần tử đơn giản này chúng ta có thể xây dựng nên những biên dạng phức tạp. Từ đó chúng ta có thể tạo nên những mô hình phức tạp. Ngoài ra ABAQUS còn có công cụ Import để nhập các file được xây dựng từ các phần mềm khác rất tiện lợi cho việc xây dựng mô hình. Chúng ta có thể lấy những mô hình chuẩn như bánh răng, ổ lăn, đinh vít từ các phần mềm khác như SOLIDWORKS, CATIA... để tiện cho việc đảm bảo tính tiêu chuẩn và đồng bộ. Hình 3: thao tác nhập file đã xây dựng thông qua phần mền khác Property: Đây là modul dùng để gán thuộc tính vật liệu cho từng phần trên mô hình của chúng ta. Công cụ Tool / Partition để phân chia mô hình theo các phần chúng ta mong muốn. Property / Creat Section dùng để tạo nên các mặt cắt với các đặc tính vật liệu đã được định nghĩa trong Property / Creat Material . Sau khi dùng công cụ Property / Section ta được các mặt cắt yêu cầu và gán vào các partition bằng Property/ Assige section . Từ đó hoàn thành việc xây dựng và gán vật liệu cho mô hình của chúng ta. Assembly: Modul này là modul dùng tạo hoặc sửa đổi các lắp ghép các cụm mô hình. Nó chỉ làm nhiệm vụ lắp ghép các bộ phận của mô hình được xây dựng từ phần Part. Dùng công cụ Instance part để đưa các khối Partition vào bản vẻ lắp và thực hiện các công việc lắp ghép. Nếu như chúng ta không thay đổi gì thì nó sẽ mặc định giữ nguyên cho chúng ta hình dạng và vị trí các partiton như chúng ta xây dựng ở phần trước. Chúng ta sử dụng lệnh Assembly / Instance part chúng ta sẽ có cửa sổ xuất hiện như sau: Hình 4: Thao tác trong Assembly Dependent ( mesh on part ) là lựa chọn việc lắp ghép có phụ thuộc vào lưới chia. Ngược lại thì Independent ( mesh on part ) là lựa chọn không phụ thuộc vào lưới chia. Chế độ tự động bù từ một đối tượng mới ( Auto- offset ) tùy chúng ta chọn. Ngoài ra cũng giống như các phần mềm khác khi chúng ta đưa một đối tượng vào một bản vẽ lắp nếu cần chỉnh sửa chúng hoặc sắp xếp theo một thứ tự nhất định thì ABAQUS cũng như vậy, hổ trợ các công cụ như Linear pattern , Radial pattern , Translate Instance , Rotate Instance , Edit feature , Suppess feature , Delete feature … để xắp xếp chỉnh sửa các đối tượng được đưa vào. Ngoài ra các thao tác và lệnh còn được hỗ trợ ở thanh Menu bar chúng ta có thể nghiên cứu và thực hiện để đạt được mục đích yêu cầu. Sau khi chúng ta hoàn thành modul này thì chúng ta có một mô hình với đầy đủ các bộ phận và lắp ghép giữa chúng với nhau. Step: Các bước tính toán và điều kiện biên cho bài toán sẽ được phần mềm đưa ra nhờ vào modul Step chỉ cần dùng lệnh Creat step chúng ta đã tạo được các bước tính toán cho bài toán chúng ta yêu cầu. Việc thiết lập các và lựa chọn các output sẽ cho ta các kết quả đầu ra mong muốn. Interaction: Bạn có thể sử dụng modul này để xác định và quản lí các đối tượng sau đây: Cơ khí và nhiệt tương tác giữa các vùng của một mô hình hoặc giữa một khu vực của một mô hình và môi trường xung quanh nó. Các khu vực giao diện và các khớp nối. Phân tích những hạn chế giữa các vùng của một mô hình. Quán tính ( khối lượng, quán tính quay, và nhiệt, điện dung) trên các vùng của mô hình. Vết nứt trên các vùng của mô hình. Lò xo và giảm chấn giữa hai điểm của một mô hình hoặc giữa một điểm của mô hình và mặt đất. Thiết lập các điều kiện tiếp xúc, đối với bài toán của chúng ta có liên quan đến ứng suất, độ bền tiếp xúc và hệ số ma sát v.v.. ta có một số thông số thiết lập như trên hình. Hình 5: Thiết lập bước tính toán Load:Sử dụng modul này để có thể xác định và quản lí các yếu tố sau: Đặt tải trọng: Dùng lệnh Load / Create load để đặt tải trọng cho bài toán. Chúng ta có thể lựa chọn các loại tải trọng khác nhau mà ABAQUS đưa ra, trên hình vẽ là ba loại tải trọng cơ bản thường dùng trong thực tế. Hình 6: Đặt tải trọng tác dụng Điều kiện biên: Sử dụng lệnh Load / Create Boundary condition để đặt các điều kiện biên cho mô hình. Chúng ta có thể hạn chế hết 6 bậc tự hoặc chỉ hạn chế những bậc tự do cần thiết. Trong bảng Edit Boundary Condition: Hình 7: Đặt điều kiện biên Xác đinh trước các điều kiện như độ cứng,vận tốc.. Sử dụng lệnh Load / Creat Predefined field để đặt các điều kiện ban đầu cho một yếu tố, vùng nào đó trên mô hình. Hay đặt các trường hợp tải cụ thể với công cụ Load / Creat load case : Có nghĩa là mỗi trường hợp tải là một tập hợp các tải và điều kiện biên được sử dụng để xác định một điều kiện tải cụ thể. Có thể sử dụng một hoặc nhiều trường hợp tải để nghiên cứu các phản ứng tuyến tính của một cấu trúc chịu tải. Ví dụ như một loạt các tải khác nhau như: Tĩnh nhiễu loạn, tải động, tĩnh tải… Trong các công cụ trên thì chúng ta sử dụng các công cụ như Load / create Load và Load / Create boundary condition bởi nó khá cơ bản và dễ dùng và thích hợp với các bài toán. Hai công cụ còn lại chỉ dùng trong các trường hợp phức tạp hơn, với các yêu cầu đặc biệt hơn. Mesh: Modul Mesh chứa các công cụ cho phép tạo ra các mắt lưới trên các bộ phận và lắp ráp tạo ra trong ABAQUS / CAE. Ngoài ra, các modul này chứa các chức năng xác minh một lưới hiện có. Chia lưới với kích thước càng nhỏ thì bài toán có kết quả càng chính xác. Chúng ta có thể chia lưới tự động hoặc chia theo từng đối tượng. tùy theo mức độ yêu cầu của bài toán. Job: Là modul thực hiện các bước giải sau khi chúng ta hoàn thành các yêu cầu của bài toán. Hoàn thành modul này là lúc bài toán được giải quyết. Modul này cho phép chúng ta xuất ra các file *.INP, *.ODB, *.DAT…đưa ra được kết quả bài toán. Visualization: Là modul chứa các công cụ để thể hiện các kết quả bằng hình ảnh chuyển vị kèm theo các thông số như ứng suất, chuyển vị… Phân tích kết quả thu được Khi hoàn tất quá trình mô phỏng, toàn bộ kết quả của bài toán sẽ được ghi vào file *.ODB, tại đây chúng ta có thể quan sát trạng thái ứng suất, biến dạng của phần tử thong qua chuyển vị cũng như màu sắc của phần tử. Bên cạnh đó, ABAQUS còn cho phép ta suất kết quả dưới dạng số, với tọa độ và thứ tự của từng phần tử, từng nút. Trong bài toán của chúng ta, kết quả chủ yếu được quan tâm là ứng suất, cụ thể là ứng suất Von-Mises.