Luận văn Mô phỏng hệ chịu lực của thiết bị thí nghiệm kéo nén vạn năng cấp tải 300KN (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô phỏng hệ chịu lực của thiết bị thí nghiệm kéo nén vạn năng cấp tải 300KN (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC TRỌNG MÔ PHỎNG HỆ CHỊU LỰC CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KÉO NÉN VẠN NĂNG CẤP TẢI 300KN S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 5201030 S KC 0 0 4 2 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN ĐỨC TRỌNG MÔ PHỎNG HỆ CHỊU LỰC CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KÉO NÉN VẠN NĂNG CẤP TẢI 300kN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 5201030 Hướng dẫn khoa học: TS. LƯƠNG HỒNG SÂM TS. BÙI ĐỨC VINH Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 11-2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ và tên: Trần Đức Trọng. Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02-09-1982 Nơi sinh: Hà Nam Quê quán: Tiến Thắng - Lý Nhân - Hà Nam. Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 73 Yên Đỗ, F1, Bình Thạnh, Tp.HCM Điện thoại: 0909 478 858 E-mail: tdtrong29@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 03/2006 đến 10/2010. Nơi học:Trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM. Ngành học: Kỹ thuật cơ khí. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp. Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 10-2010 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010 - nay Trường Đại Học Trần Đại Nghĩa Giáo viên i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp.Hồ Chí Minh, ngày . . . tháng . . . năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Đức Trọng ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: - Tiến sĩ Lương Hồng Sâm, một người đáng kính trong công việc cũng như trong cuộc sống. Đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. - Tiến sĩ Bùi Đức Vinh, người đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu, chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm quý báu, cách thức viết bài, cách soạn thảo văn bản, cách trình bài văn bản khoa học, để hoàn thành tốt luận văn. - Quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã nhiệt tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức có ích cho luận văn và công việc sau này. - Ban giám hiệu, cùng các thầy trong Khoa: Kỹ Thuật Cơ Sở, Trường Đại Học Trần Đại Nghĩa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thiện luận văn. - Xin chân thành cảm ơn bố mẹ anh chị em và người vợ yêu quý luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập, làm việc và hoàn thành luận văn iii
6. TÓM TẮT Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng là thiết bị rất cần thiết cho quá trình thí nghiệm cũng như nghiệm thu, kiểm định, đánh giá chất lượng công trình. Ở Việt Nam nhu cầu sử dụng máy rất cao đặc biệt ở các phòng thí nghiệm các trường đại học, các trung tâm kiểm định Để có được máy thí nghiệm kéo nén vạn năng chất lượng cao thì người sử dụng trong nước phải nhập khẩu từ nước ngoài, do đó tiêu tốn nguồn ngoại tệ không nhỏ. Xuất phát từ thực tiễn, nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế, chế tạo hoàn thiện hệ thống máy kéo nén vạn năng cấp tải 300kN có độ chính xác cao theo đơn đặt hàng của Sở KHCN Tp.HCM. Với máy thí nghiệm kéo nén vạn năng tải trọng cao thì hệ khung chịu lực là rất quan trọng. Các chi tiết của bộ khung này có ứng suất, biến dạng phức tạp ảnh hưởng đến độ chính xác trong việc thí nghiệm xác định cơ tính vật liệu. Ở đề tài này tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phần mềm Ansys Workbench đã tiến hành mô phỏng ứng suất, biến dạng của hệ thống khung và các chi tiết chịu lực chính của máy thí nghiệm kéo nén vạn năng cấp tải 300 kN. Trên cơ sở đó, tiến hành chế tạo và lắp ráp toàn bộ hệ thống khung cơ khí của máy kéo nén, từ đó tiến hành đo kiểm nghiệm chuyển vị một số chi tiết quan trọng và toàn bộ hệ thống khung. Kết quả cho thấy các giá trị chuyển vị tính được giữa mô phỏng và thực tế có sai số nhỏ, do đó kết quả mô phỏng là chính xác. Kết quả này là rất quan trọng, làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo hoàn thiện hệ thống khung của máy thí nghiệm kéo nén vạn năng chịu tải 300kN có độ chính xác cao iv
7. ABSTRACT Universal testing machine (UTM) for tension, compression is essential for the testing process as well as acceptance, expertise, quality evaluation. In Vietnam, the demand of using UTM is very high, especialy in laboratories of universi- ties and centers of expertise To get high quality UTMs, domestic users must import them from abroad, thus consuming a significant amount of foreign cur- rency. Derived from the practice, the research team has carried out the design and completely manufactured a high precision UTM with 300kN load, ordered by HCMC DOST. With high-loading UTMs, the bearing frame system is very important. The parts of this frame work under complex stress, deformation con- ditions which affect to the accuracy of the experiments for determination of material properties. In this project, authors has used the finite element method combined with Ansys Workbench software to simulate stress, deformation of the frame system and main bearing details of the UTM with load up to 300 kN. On that basis, we conducted of fabrication and assembly for entire mechanical frame system of UTM, measured the displacement of some important details and the entire frame system. The results showed that there is a small error of displace- ment values calculated by simulation in compare with reality, so the simulation results were accurate. This conclusion is very important, as the fundamentals for the design and final manufacture of frame system of high precision 300kN UTM. Keywords: Universal testing machine , UTM, bearing frame system and main bearing , finite element method, ANSYS Workbench. v
8. Mục lục Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Trang Danh sách hình vẽ viii Danh sách bảng x 1 Giới thiệu 1 1.1 Tính chất cơ học vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2 Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.3 Động lực cho nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.4 Phạm vi và giới hạn của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2 Tổng quan về khung chịu lực máy kéo nén vạn năng 10 2.1 Kết cấu khung chịu lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.1 Hệ khung tạo lực bằng trục vít đai ốc . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Kết cấu khung chịu lực kiểu bàn nâng . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Phương pháp tính toán thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 Phương pháp phần tử hữu hạn 16 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.2 Các bước phân tích bài toán theo phương pháp PTHH . . . . . 17 3.1.3 Hàm xấp xỉ - Phép nội suy - Đa thức xấp xỉ . . . . . . . . . . . 19 3.1.3.1 Hàm xấp xỉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.3.2 Phép nội suy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.3.3 Đa thức xấp xỉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.4 Phần tử quy chiếu, phần tử thực . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.1.5 Một số dạng phần tử qui chiếu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 vi
9. 3.1.6 Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.7 Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần . . . . . . . . . . . 26 3.1.8 Phần tử tứ giác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.9 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn . . . . . . 36 3.2 Phần mềm ANSYS Workbench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4 Mô phỏng hệ khung chịu lực 41 4.1 Thiết kế cơ bản của thiết bị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Nguyên lý hoạt động: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3 Hệ chịu lực: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.4 Biến dạng tổng thể của khung máy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.4.1 Mô phỏng hệ thống máy khi kéo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.4.2 Mô phỏng hệ thống máy khi nén: . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.5 Hệ thống khung gia tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5.1 Thanh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5.2 Bàn gia tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5.3 Tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.6 Hệ thống khung chịu lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.1 Trục vít me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.2 Mặt đế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 Chế tạo và đánh giá kết quả 66 5.1 Chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 Thực hành đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.1 Xác định chuyển vị tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.2.2 Xác định chuyển vị thanh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2.3 Xác định chuyển vị hệ thống khung . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2.3.1 Chuẩn bị thiết bị đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2.3.2 Mô tả quá trình đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6 Kết luận 74 6.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.2 Kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Tài liệu tham khảo 76 vii
10. Danh sách hình vẽ 1.1 Mẫu thí nghiệm kéo nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1.2 Biểu đồ kéo vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.3 Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.4 Một số ứng dụng của máy kéo nén [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.5 Cơ cấu gia tải của hệ thống máy kéo nén vạn năng . . . . . . . . . . .6 1.6 Cơ cấu gia tải bằng trục vit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.7 Cơ cấu gia tải bằng xy-lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2.1 Kết cấu khung chịu lực máy kéo nén vạn năng [2] . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Máy kéo nén Instron (Mỹ) 3369 cấp tải 50kN [3] . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Máy kéo nén XIYI (Trung Quốc) WE-300B. [3] . . . . . . . . . . . . . 12 2.4 Nguyên lý hoạt động [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5 Cấu tạo ngàm kẹp (a) và hệ thống thủy lực (b) [4] . . . . . . . . . . . . 14 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1 Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác . . . . . . . . . . . . . 22 3.2 Phần tử tứ giác 4 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 Sơ đồ khối của chương trình phần tử hữu hạn [5] . . . . . . . . . . . . 38 4.1 Cấu tạo của máy thí nghiệm kéo nén vạn năng . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Cấu tạo (a) và nguyên lý hoạt động (b) của máy . . . . . . . . . . . . . 42 4.3 Cấu tạo hệ thống khung máy kéo nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4 Mô hình PTHH mô phỏng hệ thống máy khi kéo . . . . . . . . . . . . . 45 4.5 Ràng buộc (a) và lực tác dụng lên mô hình (b) . . . . . . . . . . . . . 45 4.6 Biến dạng (a) và ứng suất (b) của hệ thống khi thực hiện kéo . . . . . 46 4.7 Mô hình PTHH mô phỏng hệ thống máy khi nén . . . . . . . . . . . . 48 4.8 Chuyển vi (a) và ứng suất (b) của hệ thống khi thực hiện nén . . . . . 48 4.9 Hệ thống khung gia tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.10 Mô hình chịu lực của thanh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.11 Biến dạng và ứng suất của thanh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.12 Bàn gia tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.13 Mô hình chịu lực của bàn gia tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.14 Mô hình bàn gia tải trong môi trường Ansys . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.15 Biến dạng của chi tiết khi cấp tải 300kN . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.16 Ứng suất của chi tiết khi cấp tải 300kN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.17 Biểu đồ chuyển vị (a) và ứng suất (b) khi tăng tải . . . . . . . . . . . . 56 viii
11. 4.18 Tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.19 Sơ đồ chịu lực của tay đòn (a), và hốc ngàm kẹp (b) khi gia tải . . . . 58 4.20 Hốc ngàm kẹp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.21 Mô hình tay đòn trong môi trường Ansys . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.22 Chuyển vị của tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.23 Ứng suất của tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.24 Chuyển vị (a) và ứng suất (b) tại hốc ngàm kẹp . . . . . . . . . . . . . 60 4.25 Khung chịu lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.26 Nguyên lý hoạt động (a) và cấu tạo (b) trục vít me-đai ốc . . . . . . . 62 4.27 Trục vít me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.28 Chuyển vị (a) và ứng suất (b) của trục vít . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.29 Mô hình chịu lực của mặt đế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.30 Chuyển vị của mặt đế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.31 Ứng suất của mặt đế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1 Một số hình ảnh của máy sau khi lắp ráp . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2 Mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3 Một số cảm biến đo chuyển vị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.4 Bộ phận cảm biến được gắn trên máy thí nghiệm . . . . . . . . . . . . 71 ix
12. Danh sách bảng 4.1 Ứng suất và biến dạng của hệ thống khi kéo ở các cấp tải khác nhau: . 47 4.2 Ứng suất và biến dạng của hệ thống khi nén ở các cấp tải khác nhau: . 49 4.3 Ứng suất và chuyển vị của bàn ở các cấp tải khác nhau: . . . . . . . . . 55 4.4 Hệ số an toàn ở các cấp tải khác nhau: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.1 Kết quả đo chuyển vị trên tay đòn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Kết quả đo chuyển vị trên thanh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3 Kết quả đo trên hệ thống khung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 x
13. Chương 1 Giới thiệu 1.1 Tính chất cơ học vật liệu Các thiết bị máy móc hay kết cấu công trình xây dựng đều được thiết kế dựa trên các yêu cầu riêng biệt, thỏa mãn các tiêu chuẩn công nghiệp. Để đạt được sụ tối ưu trong thiết kế, chế tạo và quá trình khai thác, vật liệu thiết kế phải được thử nghiệm xác định các tính chất cơ học, vật lý chính xác. Đối với vật liệu kim loại, từ các thí nghiệm kéo, nén, uốn, cắt có thể cung cấp rất nhiều thông số quan trọng cho quá trình mô phỏng thiết kế. Các thông số điển hình bao gồm: giới hạn chảy, giới hạn bền, độ dãn dài tỉ đối, độ dãn dài tương đối, mô đun đàn hồi, ứng suất cắt tới hạn, khả năng xuất hiện vết nứt khi cắt Thí nghiệm xác định các thông số trên vô cùng cần thiết cho các mẫu vật liệu từ kim loại, chất dẻo cho đến các loại bu lông, đinh tán, liên kết hàn. Quá trình kéo nén để xác định cơ tính của vật liệu bao gồm hệ thống máy thí nghiệm, mẫu thử và quá trình xử lý số liệu thí nghiệm. Mẫu dùng cho thí nghiệm được chế tạo theo hình dáng và kích thước nhất định phụ thuộc vào vật liệu và theo tiêu chuẩn của từng quốc gia như: tiêu chuẩn TCVN [6], ASTM [7] hay ISO 1
14. (a) TCVN (b) ASTM Hình 1.1: Mẫu thí nghiệm kéo nén d0: đường kính thanh, L0: chiều dài thí nghiệm, F0: diện tích đoạn thanh. Thí nghiệm xác định cơ tính vật liệu Chuẩn bị mẫu thử : - Kiểm tra mẫu trước khi thử, bao gồm: kiểm tra kích thước, độ cong vênh, vết rạn nứt. - Đo kích thước mẫu L(cm). - Cân khối lượng mẫu Q(g) - Tính toán đường kính thực tế dtt - Khắc vạch trên mẫu để xác định độ giãn dài tương đối. Tiến hành thử : - Lắp mẫu vào máy (chọn bộ má kẹp phù hợp với đường kính của mẫu thép) - Khởi động máy. - Tăng lực với tốc 5 - 30N/mm2.s - Quan sát để đọc giá trị lực chảy Pc(kN); là thời điểm kim trên đồng hồ lực dao động, lúc này mẫu thép bắt đầu chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo. - Sau khoảng 10 - 30s tiếp tục tăng lực cho đến khi mẫu đứt, lực ứng với lúc mẫu đứt chính là lực bền Pb(kN) - Xả dầu thủy lực, ngắt điện, tháo mẫu. - Đo mẫu sau khi thí nghiệm bằng cách chuyển vị trí thắt về giữa khoảng lo sau đó đo trực tiếp khoảng có vết thắt để xác định l1(mm) 2
15. Thông qua hệ thống đo (ghi) kết quả của máy, ta có biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và biến dạng dài tuyệt đối ∆L được ghi lại bằng đồ thị gọi là biểu đồ kéo vật liệu [8], [9] (hình 1.2). đ Δ Hình 1.2: Biểu đồ kéo vật liệu Quá trình chịu lực của vật liệu có thể chia làm các giai đoạn: Trên biểu đồ đoạn OA quan hệ giữa lực tác dụng P và biến dạng dài ∆L là quan hệ bậc nhất. Kí hiệu Ptl là giá trị lực tương ứng với điểm A trên biểu đồ. Ứng suất tương ứng với giai đoạn tỉ lệ là giới hạn tỉ lệ σtl. Ptl σtl = (1.1) Fo Điểm B tương ứng với giá trị lực lớn nhất mà khi thôi lực tác dụng biến dạng dư không tồn tại, kí hiệu lực đó là Pdh. Ứng suất tương ứng với Pdh gọi là giới hạn đàn hồi kí hiệu σdh. Pdh σdh = (1.2) Fo Tại điểm C, lực không tăng nhưng biến dạng tăng. Đoạn CD được gọi là thềm chảy. Lực tương ứng với giai đoạn này là Pch. Tương ứng với giai đoạn này là sự tồn tại biến dạng dẻo. Ứng suất tương ứng trong giai đoạn này là giới hạn chảy σch. 3
16. Pch σch = (1.3) Fo Giai đoạn củng cố tương ứng với đoan DE. Giai đoạn này vật liệu trở lại khả năng chống lại sự biến dạng. Lực lớn nhất trong giai đoạn này ứng với điểm E kí hiệu Pb. Giá trị ứng suất tương ứng với giai đoạn này gọi là giới hạn bền của vật liệu σb. Pb σb = (1.4) Fo Tiếp tục kéo mẫu sẽ xuất hiện chỗ thắt trên mẫu. Lực giảm nhưng biến dạng vẫn tăng cho đến khi mẫu đứt ứng với điểm F. Các giá trị σtl, σch, σb là những đặc trưng cơ học quan trọng của vật liệu cần được biết để tính toán sức bền cho các chi tiết máy. 1.2 Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng Hình 1.3: Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng [1] 4
17. Máy thí nghiệm vạn năng (hình 1.3) là thiết bị rất cần thiết của các phòng thí nghiệm cơ học, nhà trường, các viện nghiên cứu cũng như các nhà máy chế tạo và sản xuất, nó cho phép thực hiện các loại thí nghiệm kéo, nén, uốn cắt (hình 1.4) để xác định các thông số tính chất cơ học của vật liệu hay cấu kiện cần thí nghiệm. Trong lĩnh vực xây dựng và cơ khí chế tạo các loại vật liệu thường được yêu cầu xác định chỉ tiêu cơ học của thép, cáp, bê tông, gỗ, chất dẻo. . . (a) Kéo (b) Nén (c) Uốn (d) Đâm thủng Hình 1.4: Một số ứng dụng của máy kéo nén [2] Hiện nay ở các nước phát triển, thiết bị thí nghiệm vạn năng đã được chế tạo từ lâu và đã đạt mức trình độ rất cao, điển hình là sản phẩm của các hãng như Instron, Tinius Olsen, MTS (Mỹ), Zick (Đức), Shimadzu (Nhật), Sans, Hua long (Trung Quốc). . . dựa trên các kết quả thu thập được ta có thể chia hình thức kết cấu khung chịu lực ra làm hai nhóm: gia tải bằng trục vít và gia tải bằng thủy lực. Với hệ thống gia tải được dùng chung để tạo lực kéo và nén, tức là cùng một cơ chế tạo lực duy nhất mà hệ thống khung có thể tạo ra được lực kéo hay nén tác dụng lên mẫu thí nghiệm. (hình 1.5) 5
18. ẹ đ ốđị ả ụơ ẫ ụ đ ử đ đ độ ụ ả Độơ (a) Hệ thống gia tải bằng trục vít (b) Hệ thống gia tải thủy lực Hình 1.5: Cơ cấu gia tải của hệ thống máy kéo nén vạn năng Hình 1.5(a) trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống máy kéo nén được gia tải bằng trục vít. Với hệ thống khung được thiết kế bao gồm: một hoặc hai trục vít me, tay đòn và động cơ. (a) Hai trục (b) Một trục Hình 1.6: Cơ cấu gia tải bằng trục vit 6
19. Trong đó trục vít me được điều khiển bằng động cơ với mục địch nhằm tăng giảm khoảng cách thí nghiệm, là bộ phận gia tải, đồng thời cũng là hệ thống chịu lực chính của loại máy này. Hình 1.6 minh họa tiêu biểu cho các dòng máy sử dụng hệ thống này. Hình 1.5(b) miêu tả hệ thống gia tải bằng thủy lực, vẫn dựa trên nguyên lý tạo lực kép mà hệ thống này cho kết cấu bao gồm: hai trục vít me, hai trục trơn, tay đòn, động cơ và xy-lanh thủy lực. (a) Xy-lanh thủy lực bố trí ở dưới (b) Xy-lanh thủy lực bố trí ở trên Hình 1.7: Cơ cấu gia tải bằng xy-lanh thủy lực Với hệ thống này trục vít me và động cơ chỉ còn các chức năng chính là chịu lực cho toàn bộ hệ thống khung và tăng giảm khoảng cách thí nghiệm. Khi đó với hai cột trụ và hệ thống thủy lực còn lại có chức năng thực hiện quá trình gia tải. Hình 1.7 miêu tả các dòng máy thuộc hệ thống này, với hệ thống xy-lanh thủy lực thường được bố trí ở trên cao hoặc ở dưới chân đế máy. Tại Việt Nam phần lớn các máy thí nghiệm đều được nhập khẩu từ nước ngoài, một số rất nhỏ được chế tạo trong nước. Việc tìm hiểu và chế tạo thiết bị thí nghiệm vạn năng đã đuợc các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong nước quan tâm 7
20. trong khoảng 10 năm trở lại đây. Tuy nhiên các công bố về nghiên cứu chế tạo loại thiết bị này vẫn còn rất ít [10], [11]. Ở mức cấp tải cao 300 kN, bộ phận gia tải điều khiển bằng cơ khí không còn thích hợp do giá thành quá cao, khó đảm bảo được độ chính xác. Vì vậy phần gia tải cần được thay thế bằng điều khiển servo thủy lực. Tuy nhiên điều khiển servo thủy lực với tải trọng cao ứng dụng cho máy thí nghiệm kéo nén vạn năng hiện nay vẫn còn là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật mà ở Việt nam vẫn chưa giải quyết được. Một hướng nghiên cứu khác thuộc lĩnh vực này đó là khảo sát, cải tiến thay thế một phần các máy thí nghiệm kéo nén đã có để nâng cao độ chính xác thí nghiệm. Hướng nghiên cứu này chủ yếu là điện tử hóa quá trình thu nhận và xử lý số liệu thí nghiệm. Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này là Viện công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng đã cải tiến máy kéo nén vật liệu ZD40 bằng việc số hóa, ghép nối với máy tính, xây dựng phần mềm xử lý số liệu và vẽ đồ thị biểu diễn quá trình kéo nén vật liệu [12]. Việc cải tiến này đã làm tăng khả năng của máy ZD40 như việc tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu trước khi cải tiến được thực hiện thủ công thì nay đã được tự động hóa bằng phần mềm điều khiển và xử lý số liệu thực nghiệm. Một hướng nghiên cứu nữa theo hướng này của Nguyễn Đức Luân [13] với việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống tự động xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén của trung tâm tiêu chuẩn đo lường chất lường chất lượng 3-Bộ quốc phòng. Việc cải tiến này nhằm vào việc tự động hóa quá trình xử lý số liệu thí nghiệm với việc lắp đặt thêm hệ thống đo lường các số liệu và xử lý số liệu thí nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm. Tác giả đã sử dụng cảm biến dịch chuyển PY2 C25 và cảm biến lực CBES 2000. Kết quả nghiên cứu đã được trung tâm kiểm định chất lượng 2 (QUATEST2/Bộ KH&CN) đánh giá đạt cấp chính xác 2. Theo hướng nghiên cứu này còn phải kể đến nghiên cứu của tác giả Đỗ Thiều Quang, Lê Ngọc Anh [14] với việc tự động hóa công tác thử nghiệm vật liệu trên máy thí nghiệm vạn năng P50. Cũng như trên, nghiên cứu này cũng chỉ cải tiến một phần của máy thí nghiệm vạn năng bằng việc tự dộng hóa quá trình thử nghiệm vật liệu . 8
21. 1.3 Động lực cho nghiên cứu - Có thể thấy rằng việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm vạn năng kéo nén vật liệu ở Việt Nam mới chỉ ở giai đoạn bắt đầu. Do đó các kinh nghiệm tích luỹ được liên quan đến toàn bộ các vấn đề thiết kế, chế tạo, tính toán mô phỏng chưa thực sự nhiều. - Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [15] kết hợp với phần mềm Ansys Workbench [16] để xác định ứng suất và biến dạng của hệ thống cho ta kết quả được chính xác, nhanh chóng và thuận lợi. Từ đó so sánh với các cấu trúc trong thực tế nhằm đưa ra phương pháp chế tạo một cách phù hợp nhất. 1.4 Phạm vi và giới hạn của đề tài - Xác định được sự biến dạng và ứng suất của hệ thống khung chịu lực máy kéo nén bao gồm: khung chịu lực và khung gia tải và các chi tiết chịu lực chính như trục vít, bàn gia tải, tay đòn Kết quả nghiên cứu này làm cơ sở để tính toán hoàn thiện hệ thống nhằm giảm chi phí thử, thiết kế và rút ngắn thời gian chế tạo hệ thống máy thí nghiệm kéo nén vạn năng điều khiển servo cấp tải 300kN, thoả mãn các tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) cũng như quốc tế (ISO, DIN, ASTM) về thiết bị và khả năng thí nghiệm, đáp ứng đúng theo đơn đặt hàng của Sở KHCN Tp,HCM [17]. - Trong nghiên cứu này, đề tài sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để mô tả hoạt động, xác định ứng suất và biến dạng của hệ thống khung và các chi tiết chịu lực chính của máy kéo nén vạn năng trong quá trình gia tải. 9