Creo Simulate là giải pháp phân tích cấu trúc, nhiệt và rung động với một bộ các phép phân tích các phần tử hữu hạn (FEA) cho phép bạn phân tích và xác nhận hiệu năng của nguyên mẫu ảo 3D trước khi bạn thực hiện sản xuất thử lần đâu tiền.
1. Vai trò của mô phỏng
Quá trình sản xuất cơ khí mà không có công tác mô phỏng diễn ra như sau: ý tưởng -> thiết kế -> chế tạo -> lắp ráp -> kiểm định. Đây là một quá trình có các đặc điểm:
• Hiểu biết không đầy đủ về tất cả các đáp ứng của sản phẩm vì các thông số đo đạc trong quá trình thử nghiệm bị hạn chế ở cả thiết bị lẫn phương pháp đo.
• Không thể so sánh lựa chọn những phương án thiết kế với nhau.
• Vòng thiết kế dài và tốn kém vì phải trải qua tất cả các quá trình sản xuất nêu trên.
• Giá thành của mẫu thử rất đắt đỏ.
• Tốn thời gian khá dài để đi đến quyết định sản phẩm đó có đáp ứng được điều kiện vận hành hay không để đi vào sản xuất.
• Kết quả cuối cùng là sự chấp nhận các mặt hạn chế của vấn đề.
Quá trình sản xuất cơ khí có công tác mô phỏng diễn ra như sau: ý tưởng -> thiết kế -> mô phỏng -> chế tạo -> lắp ráp -> kiểm định. Quá trình này có các đặt trưng:
• Mô phỏng được sử dụng để kiểm tra thiết kế.
• Mô phỏng không tích hợp trong quá trình phát triển sản phẩm.
• Giới hạn nhận thức về bản chất vấn đề.
• Không kiểm tra được các phương án tương tự trong quá trình thiết kế.
• Kết quả cuối cùng vẫn là thỏa hiệp về các vấn đề thiết kế.
Quá trình sản xuất cơ khí tích hợp với mô phỏng diễn ra như sau: ý tưởng -> thiết kế-> chế tạo -> lắp ráp -> kiểm định kèm theo công tác mô phỏng ở mỗi giai đoạn trong quá trình trên cho đến khi có được phương án đưa vào quá trình chế tạo. Các đặc trưng:
• Dễ dàng nhìn ra bản chất của sản phẩm.
• Khả năng so sánh nhiều lựa chọn thiết kế thay thế.
• Vòng thiết kế ngắn và chi phí thấp.
• Hạn chế dùng các nguyên mẫu vật lý để thử nghiệm.
• Đáp ứng nhanh các yêu cầu vận hành của sản phẩm.
• Khái niệm thiết kế được tối ưu hóa dựa trên cái nhìn sâu sắc về sản phẩm.
Quá trình mô phỏng có khả năng thực hiện được cho các mô hình hoặc quá trình từ đơn giản đến đến rất phức tạp để phân tích và lựa chọn phương án, tối ưu hóa thiết kế, xác định các thông số ảnh hưởng, giải quyết vấn đề và ra quyết định.
2. Phân tích phi tuyến với Creo:
Ví dụ: Phân tích nắp đậy hố ga
2.1. Phân tích tuyến tính:
• Phân tích ¼ mô hình do tính đối xứng.
• Vật liệu thép: E = 210 Gpa, hệ số poison: 0,27.
• Giới hạn chuyển vị ở thành nắp.
• ¼ tải: F = ¼ * 15 = 3,75 kN.
Kết quả phân tích: Ứng suất Von Mises lớn nhất: 1324 Mpa. Chuyển vị lớn nhất: 18,3 mm.
2.2. Phi tuyến hình học: Chuyển vị lớn
Đặc điểm:
• Độ cứng khi chịu tải là phi tuyến tính (tức độ cứng thay đổi theo hình dạng).
• Phân tích được thực hiện với các bước tải và tại mỗi bước tải các ma trận độ cứng sẽ được tính toán lại.
• Hướng của tải trọng có thể thay đổi.
Sử dụng phân tích chuyển vị lớn khi:
• Biến dạng lớn hơn độ dày tấm.
• Biến dạng nhìn thấy được bằng mắt thường.
• Biến dạng lớn hơn 1/20 kích thước lớn nhất của chi tiết
Kết quả: Ứng suất Von Mises lớn nhất: 668 Mpa. Chuyển vị lớn nhất: 8,95 mm.
So sánh kết quả:
2.3. Phi tuyến vật liệu: Vật liệu đàn hồi dẻo
Đặc điểm:
• Cho đến giới hạn đàn hồi, vật liệu có tính chất tuyến tính.
• Sau giới hạn đàn hồi, đường cong ứng suất biến dạng thay đổi.
Sử dụng trường hợp vật liệu đàn hồi dẻo để tính toán biến dạng thực tế (đàn hồi hoặc không đàn hồi) khi đường cong ứng suất - biến dạng vượt quá giới hạn đàn hồi.
Kết quả: Ứng suất Von Mises lớn nhất: 477 Mpa. Chuyển vị lớn nhất: 119 mm.
2.4. Điều kiện liên kết phi tuyến
Đặc điểm:
• Tiếp xúc hạn chế theo một hướng.
• Số bước tải phụ thuộc vào quá trình phân tích
• Tại mỗi bước tải trạng thái liên kết sẽ được đánh giá lại
Sử dụng trường hợp này khi:
• Khi các vấn đề về liên kết có thể không đảm bảo trong mô hình phân tích.
• Khi giá trị tiếp xúc là cần thiết (ví dụ lực liên kết, diện tích tiếp xúc, áp lực liên kết, ...).
Kết quả: Ứng suất Von Mises lớn nhất: 948 Mpa. Chuyển vị lớn nhất: 27,8 mm.
Tổng hợp tất cả các phân tích trên, ta có đồ thị sau:
Tuy nhiên trong các phân tích nêu trên, các quá trình phi tuyến chỉ xảy ra riêng lẻ, nhưng theo các nghiên cứu thì các quá trình trên xảy ra cùng lúc. Từ đó, ta hãy xét một phân tích có đồng thời các quá trình trên sẽ cho ra kết dễ chấp nhận hơn.
2.5. Phân tích phi tuyến kết hợp
Kết quả: : Ứng suất Von Mises lớn nhất: 245,2 Mpa. Chuyển vị lớn nhất: 12,5 mm.
Với phân tích này, ta thấy được các điểm vượt qua giới hạn chảy và biến dạng dư của tấm sau khi chịu tải. Sau khi không tác dụng tải nữa, vùng tâm của tấm bị võng xuống một đoạn 1,5mm. Vùng diện tích tại bốn góc nơi tiếp xúc với thành hố và các phần tử phía dưới tấm tại vùng tâm đã vượt qua giới hạn chảy. Đây là dữ liệu quan trọng tối ưu và thiết kế hiệu quả hơn.
2.6. Thảo luận
Từ kết quả so sánh, ta nhận thấy rằng các phân tích có kết quả sai lệch với nhau, việc sử dụng loại phân tích nào cần dựa vào đặc điểm và công dụng của chúng. Bên cạnh đó, việc tham khảo với các kết quả đã thực nghiệm liên quan cũng như áp dụng kinh nghiệm của người làm việc cũng góp phần quan trọng cho ra kết quả tin cậy.