Cách chia lưới và mô phỏng mối hàn với Ansys Mechanical

Trong blog trước đây của chúng tôi, Các nguyên tắc cơ bản của chia lưới FEA cho phân tích kết cấu, chúng tôi đã đề cập đến việc chia lưới trong phân tích phần tử hữu hạn ( FEA

Finite Element Analysis (FEA) - là mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học thuộc về số được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite  Element Method). Quá trình này là cốt lõi của kỹ thuật cơ khí, cũng như nhiều ngành khác.

) là gì, các loại phương pháp chia lưới và lý do tại sao một lưới chất lượng tốt lại quan trọng đối với độ chính xác cho mô phỏng của bạn.

Hãy sử dụng lại ví dụ về khung xe máy từ blog đó. Sử dụng các chiến lược chia lưới khác nhau tại vị trí các mối hàn hoặc kết nối bắt vít trên hình học của bạn cho phép bạn tạo một lưới mịn hơn ở một số vị trí nhất định thay vì toàn bộ mô hình, điều khiến cho việc giải mất nhiều thời gian hơn. Trong blog này, chúng ta sẽ thảo luận về lưới tại mối hàn và tại sao điều quan trọng là phải có lưới chất lượng tốt để phân tích mối hàn.

Hình học của khung xe máy cho thấy các loại ghép nối hàn khác nhau

Các loại phần tử được sử dụng trong kết cấu hàn

Hàn là một quá trình chế tạo tiện lợi sử dụng nhiệt để kết nối nhiều bộ phận bằng cách làm nóng chảy vật liệu hàn trong một vùng cục bộ và nung chảy các kim loại muốn ghép nối. Mối hàn sử dụng phổ biến ở cả các bộ phận đúc dày như thân máy và các bộ phận có thành mỏng như khung trong ô tô.

Mô phỏng là một phương pháp được sử dụng rộng rãi và được xây dựng tốt để phân tích độ bền và độ vững chắc của các kết cấu hàn này. Chú ý đến việc chia lưới của các mối hàn cho phép bạn tính toán chính xác tuổi thọ sử dụng của các mối hàn và thể hiện độ cứng của kết cấu để phân tích va chạm hoặc phân tích rung, ồn và độ bền (noise, vibration, and harshness).

Để phân tích các kết cấu hàn, thường sử dụng hỗn hợp các phần tử rắn (solid), vỏ (shell) và dầm (beam). Trong khi các phần tử solid có thể được sử dụng để tạo mô hình cho các bộ phận lớn được sản xuất bằng quy trình đúc và rèn, các phần tử shell và beam rất tiện lợi để thể hiện các đối tượng hình học có thành mỏng được sản xuất bằng các hoạt động tạo hình, cán và kéo kim loại tấm.

Bằng cách liên kết sự thay đổi độ cong trong các phần tử beam và shell với các biến dạng, các phần mỏng có thể được biểu diễn một cách thuận tiện bằng các mô hình có kích thước nhỏ hơn - nhưng có độ chính xác cao.

Mối hàn được mô phỏng như phần tử vỏ (bên phải) và mối hàn được mô phỏng như phần tử dầm (bên trái)

Chia lưới và mô phỏng mối hàn

Sử dụng lưới có cấu trúc so với lưới không cấu trúc để mô phỏng mối hàn

Công nghệ chia lưới cho các hình học phức tạp, có thành mỏng đã phát triển vượt bậc và làm cho các lưới có cấu trúc trở nên khả thi - ngay cả đối với các hình học phức tạp. Trong một số ứng dụng, dạng biến dạng và sự thay đổi giá trị biến dạng có một hướng ưu tiên làm cho các mắt lưới có cấu trúc trở nên thích hợp hơn.

Lưới có cấu trúc rất tiện lợi vì bạn có được một giải pháp chính xác, độc lập với kích thước mắt lưới với các phần tử tương đối lớn khi so sánh với các mắt lưới không có cấu trúc. Điều này đặc biệt hữu ích khi bạn đánh giá tuổi thọ của từng mối hàn.

Lưới có cấu trúc (trái) so với lưới không cấu trúc (phải) được hiển thị trên hình học của mối hàn.

Tại sao mô phỏng các mối hàn là một thách thức

Một thách thức đặc biệt trong việc phân tích các kết cấu hàn là việc tạo và chia lưới các mối hàn để phân tích. Ví dụ, một cấu trúc khung ô tô điển hình có thể chứa vài nghìn mối hàn điểm riêng lẻ, trong khi cấu trúc khung gầm của một chiếc xe địa hình có thể chứa vài chục mối hàn.

Ansys Mechanical cho phép người dùng tạo và mô hình hóa các mối hàn tại điểm và đường nối một cách hiệu quả, tự động. Người dùng có thể tạo mối hàn điểm một cách nhanh chóng bằng cách đưa các vị trí của mối hàn từ hệ thống CAD.

Điều này bao gồm khả năng kiểm soát độ cứng để thể hiện chính xác từng mối hàn. Các công cụ chia lưới tiện lợi cho phép bạn tạo các mối hàn đường với các mẫu lưới thích hợp tại các vị trí gốc mối hàn và các khu vực bị ảnh hưởng nhiệt, điều này rất quan trọng để dự đoán tuổi thọ mỏi.

Tầm quan trọng của chất lượng lưới và tuổi thọ của mối hàn

Các kết cấu hàn phải chịu nhiều điều kiện tải khác nhau, bao gồm tải trọng thay đổi tuần hoàn hoặc ngẫu nhiên, thùng chứa được điều áp và giảm áp suất, khung gầm ô tô khi tăng tốc, phanh và va đập trên đường. Khi đánh giá tuổi thọ của mối hàn dưới tải trọng mỏi như vậy, người ta phải tính đến quá trình hàn làm thay đổi tính chất cơ bản của vật liệu.

Việc làm nguội nhanh chóng vũng hàn có thể làm tăng độ cứng, tuy nhiên độ dẻo sẽ giảm đi. Các tạp chất trong quá trình hàn cũng có thể gây bất lợi cho độ bền của từng mối hàn. Để dự đoán tuổi thọ chính xác, bạn cũng cần tính đến các biến dạng trên và bất kỳ biến dạng dư nào trong vật liệu cơ bản sau quá trình hàn.

Duy trì các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt trong các mối hàn để tính toán mỏi.

Các yếu tố này có thể được xem xét trong quá trình tính toán tuổi thọ của mối hàn bằng các công cụ cho phân tích mỏi. Bởi vì dự báo tuổi thọ nhạy cảm với gradient ứng suất tại vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt của mối hàn, điều cần thiết là lưới phải có kích thước thích hợp trong vùng này. Một lưới tứ giác có cấu trúc là lý tưởng trong những tình huống này. Nó phù hợp để ghi lại ứng suất cực đại (peak stress) tại chân mối hàn và độ dốc của gradient ứng suất xung quanh khu vực. 

Trong khi mắt lưới có hình dạng đồng đều, phân cấp kích thước lưới là lý tưởng để đánh giá độ bền của mối hàn, các yêu cầu khác nhau đối với phân tích an toàn va chạm. Ở đây, lưới có kích thước đồng đều được ưu tiên hơn để tính toán hiệu quả. Kích thước mắt lưới được phân cấp kém có thể làm tăng thời gian giải của bộ giải tường minh (explicit). Đối với cả phân tích va chạm và NVH

Noise, Vibration, and Harshness (NVH) - còn được gọi là tiếng ồn và độ rung, là nghiên cứu và sửa đổi các đặc điểm tiếng ồn và độ rung của các phương tiện, đặc biệt là ô tô và xe tải. Viết tắt là NVH hay N&V.

Noise là tiếng ồn hay âm thanh không mong muốn. Tiếng ồn âm thanh là năng lượng truyền vào không khí gây ra nhiễu âm thanh. Có thể sử dụng các công cụ như lập bản đồ cường độ âm thanh và tách tiếng ồn đốt cháy/ cơ học để xác định phương pháp giảm tiếng ồn tốt nhất.

Vibration là rung động gây ra tiếng ồn và sự xáo trộn. Rung động thường được quan tâm do các tác động vật lý có thể gây ra xáo trộn cho con người, gián đoạn hệ thống điện và sự cố hoặc sự cố trong hệ thống cơ khí. Máy lắc và bộ điều khiển là các kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các vấn đề rung động.

Harshness thường được sử dụng để mô tả mức độ nghiêm trọng và khó chịu liên quan đến cả rung động và tiếng ồn. Nó là một hệ thống định tính dựa trên các đặc tính mong muốn hơn là dựa trên các phép đo có thể định lượng được, là sự đánh giá chủ quan.

 

, việc thể hiện chính xác độ cứng của mối hàn là quan trọng nhất.

Các mối hàn được mô phỏng với các phần tử hex để giữ các vị trí gốc và chân mối hàn.

Điều này là cần thiết để tính toán chính xác sự hấp thụ năng lượng của cấu trúc dưới tải trọng va chạm động hoặc dưới các tần số giao động tự nhiên trong phân tích modal và harmonic. Ansys Mechanical có một lợi thế khác biệt cho phép thiết kế tham số các kết cấu hàn. Khả năng tự động tái tạo mối hàn với những thay đổi trong thiết kế giúp cải thiện đáng kể hiệu suất.

Sự tiện lợi của việc tạo lưới với các cài đặt tối thiểu cho va chạm, độ bền và quy trình phân tích NVH

Noise, Vibration, and Harshness (NVH) - còn được gọi là tiếng ồn và độ rung, là nghiên cứu và sửa đổi các đặc điểm tiếng ồn và độ rung của các phương tiện, đặc biệt là ô tô và xe tải. Viết tắt là NVH hay N&V.

Noise là tiếng ồn hay âm thanh không mong muốn. Tiếng ồn âm thanh là năng lượng truyền vào không khí gây ra nhiễu âm thanh. Có thể sử dụng các công cụ như lập bản đồ cường độ âm thanh và tách tiếng ồn đốt cháy/ cơ học để xác định phương pháp giảm tiếng ồn tốt nhất.

Vibration là rung động gây ra tiếng ồn và sự xáo trộn. Rung động thường được quan tâm do các tác động vật lý có thể gây ra xáo trộn cho con người, gián đoạn hệ thống điện và sự cố hoặc sự cố trong hệ thống cơ khí. Máy lắc và bộ điều khiển là các kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các vấn đề rung động.

Harshness thường được sử dụng để mô tả mức độ nghiêm trọng và khó chịu liên quan đến cả rung động và tiếng ồn. Nó là một hệ thống định tính dựa trên các đặc tính mong muốn hơn là dựa trên các phép đo có thể định lượng được, là sự đánh giá chủ quan.

 

, cùng với khả năng kết nối liền mạch với Ansy nCode DesignLife cho tính toán mỏi, mang lại trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng.