Phần 10 Các loại phân tích kết cấu và dữ liệu vật liệu cần thiết

Nội dung

1. Phân tích cấu trúc là gì?

2. Các loại phân tích cấu trúc (phân tích cấu trúc tuyến tính, phân tích cấu trúc phi tuyến tính)

3. Phân tích kết cấu ứng dụng (phân tích động, phân tích ứng suất nhiệt)

4. Tóm tắt

Phân tích cấu trúc là gì?

Phân tích kết cấu CAE (phân tích ứng suất) là một phân tích được thực hiện để xác nhận tác động của tải trọng lên kết cấu và các thành phần của chúng (hành vi biến dạng, trạng thái biến dạng bên trong của các bộ phận, độ an toàn). Phân tích này phân tích xem các thông số kỹ thuật thiết kế để đạt được mục đích và chức năng của sản phẩm có vấn đề gì về mặt cơ học kết cấu hay không. Cụ thể, phân tích này xác minh xem kết cấu có được thiết kế để duy trì đủ độ bền và độ chắc chắn hay không bằng cách trực quan hóa hành vi biến dạng và phân phối ứng suất bằng cách sử dụng phân tích kết cấu.
Nó cũng được sử dụng để điều tra nguyên nhân gây ra hư hỏng cho sản phẩm khi sản phẩm bị hư hỏng trong quá trình thử nghiệm hoặc tai nạn. Đây là công nghệ thiết yếu trong sản xuất.

Loại phân tích kết cấu cơ bản nhất là phân tích kết cấu tuyến tính. Phân tích kết cấu tuyến tính là một phân tích tính toán hành vi biến dạng tĩnh giả định các đặc tính đàn hồi. Trong thiết kế, biến dạng và ứng suất cho tải trọng trong điều kiện thiết kế phải nằm trong phạm vi biến dạng đàn hồi, và các hình dạng kết cấu được thiết kế và vật liệu được lựa chọn để đạt được điều này.

Các phương pháp khác bao gồm phân tích cấu trúc phi tuyến tính, xem xét biến dạng dẻo của vật liệu do biến dạng lớn, phân tích động, xem xét tải trọng tức thời (tải trọng va đập) và phân tích biến dạng, đánh giá hiệu ứng biến dạng do tải trọng kéo dài.
Trong các sản phẩm thực tế, tải trọng tác động lên chúng thay đổi theo thời gian, hiện tượng biến dạng xảy ra khi sử dụng lâu dài và hiện tượng động xảy ra do tải trọng tức thời. Tuy nhiên, trong phạm vi ngắn hạn, khi phản ứng với tải trọng không đáng kể hoặc ở trạng thái ổn định, nó được coi là hiện tượng tĩnh. Điều này cho phép phân tích cấu trúc hiệu quả hơn vì các điều kiện biên ít phức tạp hơn và tải tính toán thấp hơn so với hiện tượng động.

Phần tiếp theo mô tả các loại phân tích cấu trúc thường được sử dụng.

Các loại phân tích cấu trúc

Một trong những mục đầu vào quan trọng nhất cho phân tích kết cấu là đường cong ứng suất-biến dạng (đường cong SS). Đường cong ứng suất-biến dạng là biểu diễn đồ họa về mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất khi vật liệu bị biến dạng và hình dạng của nó khác nhau tùy thuộc vào vật liệu. Ví dụ, Hình 1 cho thấy đường cong ứng suất-biến dạng của thép không gỉ.
Các tính chất vật liệu thu được từ đường cong ứng suất-biến dạng khi vật liệu biến dạng là thông tin cần thiết trong phân tích cấu trúc.

■ Phân tích cấu trúc tuyến tính

1. Tổng quan

Phân tích cấu trúc tuyến tính là một phương pháp phân tích giả định rằng biến dạng và ứng suất trong một cấu trúc đủ nhỏ để không xảy ra hỏng hóc. Như thể hiện trong Hình 1, có một mối quan hệ tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng trong một phạm vi biến dạng nhỏ (biến dạng), và vùng này được gọi là vùng đàn hồi. Phân tích cấu trúc tuyến tính là một phương pháp phân tích giả định các đặc tính của vùng đàn hồi này. Phương pháp phân tích này được sử dụng trong nhiều tình huống vì nó đòi hỏi ít điều kiện đầu vào hơn và ít thời gian phân tích hơn.

2. Dữ liệu bắt buộc

Dữ liệu CAD, mô đun Young, hệ số Poisson, điều kiện biên tải

3. Kết quả

Hành vi biến dạng, chuyển dịch, phân bố ứng suất, biến dạng, v.v.

4. Những điểm cần lưu ý

Phân tích này dựa trên giả định rằng tải trọng, điều kiện hạn chế, v.v. không thay đổi theo thời gian. Vì phân tích được thực hiện trong phạm vi biến dạng nhỏ nên không thể phân tích trạng thái gãy, v.v.

 

■ Phân tích cấu trúc phi tuyến tính

1. Tổng quan

Phân tích cấu trúc phi tuyến tính là một phương pháp phân tích xem xét biến dạng lớn và hành vi quay của các cấu trúc (= phi tuyến tính hình học) và giả định rằng vật liệu biến dạng trong phạm vi dẻo của chúng (= phi tuyến tính vật liệu). Trong nhiều trường hợp, phân tích các hiện tượng thực tế sẽ là phi tuyến tính, vì vậy những phi tuyến tính này phải được tính đến để tính toán các hiện tượng thực tế hơn trong quá trình phân tích.

• Vật liệu phi tuyến tính
  Vùng mà mối quan hệ ứng suất-biến dạng (đường cong SS) không còn tỷ lệ thuận sau điểm giới hạn chảy của vật liệu được gọi là vùng dẻo. Xem xét đường cong SS, bao gồm vùng dẻo này, như một tính chất vật lý được gọi là phi tuyến tính của vật liệu.
• Phi tuyến tính hình học
  Phương pháp này được sử dụng để tính đến các trường hợp mà biến dạng lớn hoặc hành vi quay khiến hướng tải thay đổi từ trước sang sau biến dạng (xem hình bên dưới). Phương pháp này được sử dụng khi có những thay đổi lớn xảy ra ở các thành phần, chẳng hạn như biến dạng lớn có thể xác nhận bằng mắt thường.

2. Dữ liệu bắt buộc

Mô đun Young, tỷ số Poisson, đường cong SS (ứng suất-biến dạng thực)

3. Kết quả

Phân bố ứng suất, lượng biến dạng, chế độ biến dạng

4. Những điểm cần lưu ý

Khi tạo đường cong SS từ thử nghiệm kéo, biến dạng thu được bằng cách chia độ dịch chuyển thu được cho chiều dài ban đầu được gọi là "biến dạng danh nghĩa" và ứng suất thu được bằng cách chia tải thu được cho diện tích mặt cắt ngang trước khi biến dạng được gọi là "ứng suất danh nghĩa". Khi thực hiện phân tích cấu trúc có xét đến biến dạng dẻo, giả định biến dạng lớn, đường cong SS được tạo ra với ứng suất danh nghĩa và biến dạng danh nghĩa không thể biểu diễn chính xác hành vi biến dạng. Biến dạng danh nghĩa phải được chuyển đổi thành biến dạng thực và ứng suất danh nghĩa thành ứng suất thực để sử dụng trong phân tích cấu trúc.

Phân tích cấu trúc ứng dụng

■ Phân tích động (phân tích tác động)

1. Tổng quan

Phân tích này được sử dụng khi tải được áp dụng ngay lập tức và đột ngột, chẳng hạn như trong trường hợp va chạm. Phân tích này được sử dụng khi tình huống như vậy được giả định trong thông số kỹ thuật sản phẩm hoặc để điều tra nguyên nhân hỏng hóc.

2. Dữ liệu bắt buộc

Dữ liệu CAD, mô đun Young, tỷ số Poisson, mật độ, điều kiện biên tải (có thể là điều kiện vận tốc và gia tốc ban đầu)

3. Kết quả

Hành vi biến dạng, phân bố chuyển vị, phân bố vận tốc, phân bố gia tốc, ứng suất, biến dạng

4. Những điểm cần lưu ý

Nhựa có đặc tính là các đặc tính vật liệu thay đổi tùy thuộc vào tốc độ biến dạng (phụ thuộc vào tốc độ biến dạng). Do đó, nếu tốc độ biến dạng tại điểm đo cao, các đường cong SS thu được từ thử nghiệm kéo ở tốc độ thấp có thể không chính xác để phân tích. Độ chính xác của phân tích có thể được cải thiện bằng cách sử dụng máy thử kéo tốc độ cao để thu được các đường cong SS ở tốc độ biến dạng cao và kết hợp chúng vào thông tin đầu vào để phân tích cấu trúc.

 

■ Phân tích ứng suất nhiệt

1. Tổng quan

Như thể hiện trong hình bên dưới, vật liệu nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội đi. Phân tích cấu trúc này tính đến sự nở ra và co lại do thay đổi nhiệt độ.

2. Dữ liệu bắt buộc

Dữ liệu CAD, mô đun Young, tỷ số Poisson, hệ số giãn nở tuyến tính, nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ cuối cùng

3. Kết quả

Hành vi biến dạng, phân bố ứng suất, phân bố biến dạng, phân bố dịch chuyển, phân bố nhiệt độ

4. Những điểm cần lưu ý

Nếu một vật thể ở trạng thái tự do không bị hạn chế, nó sẽ giãn nở mà không có lực cản và ứng suất nhiệt không xảy ra. Tuy nhiên, ứng suất nhiệt có thể xảy ra nếu vật thể bị hạn chế, nếu sự phân bố nhiệt độ bên trong vật thể không đồng đều hoặc nếu vật thể là một cấu trúc được tạo thành từ các vật liệu khác nhau. Do đó, nếu một vật thể được dự kiến sẽ được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao, thường cần phải thực hiện phân tích ứng suất nhiệt có tính đến các tác động của sự giãn nở nhiệt.​

Bản tóm tắt

Nhiều phương pháp phân tích cấu trúc và thông tin cần thiết/thu được cho từng phương pháp đã được giới thiệu. Trong bất kỳ phân tích cấu trúc nào, dữ liệu CAD, đặc tính vật lý (mô đun Young, tỷ lệ Poisson) và điều kiện biên tải là thông tin tối thiểu cần thiết, vì vậy hãy đảm bảo chuẩn bị chúng trước.
Phân tích cấu trúc ứng dụng, chẳng hạn như phân tích phi tuyến tính và phân tích động, có tiềm năng cung cấp hành vi gần hơn với hiện tượng thực tế, nhưng thông tin phải được chuẩn bị trước thường là rào cản lớn đối với mô hình hóa. Thường có thể nghiên cứu suôn sẻ bằng cách đầu tiên tiến hành phân tích bằng cách sử dụng phân tích cấu trúc tuyến tính đơn giản hóa và sau đó tăng dần độ phức tạp của mô hình bằng cách làm theo các bước.​

 

Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ thảo luận về phân tích độ biến dạng và độ mỏi của nhựa, mà chúng tôi không thể giới thiệu đầy đủ trong số này. Hãy đón chờ nhé!