Nghiên cứu thiết kế mẫu chi tiết động cơ bằng kỹ thuật thiết kế ngƣợc

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế mẫu chi tiết động cơ bằng kỹ thuật thiết kế ngƣợc

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU CHI TIẾT ĐỘNG CƠ BẰNG KỸ THUẬT THIẾT KẾ NGƢỢC [1]PGS TS. Phạm Xuân Mai, [2]KS.Huỳnh Diệp Ngọc Long Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM RESEARCH AND DESIGN ENGINE COMPONENTS BY REVERSE ENGINEERING TECHNOLOGY Associate with Professor Dr. Pham Xuan Mai, Engineer. Huynh Diep Ngoc Long University of Technical Education Ho Chi Minh City [1]pmai_2002@yahoo.com, [2]huynhdiepngoclong@yahoo.com Tóm tắt Trong thời buổi cạnh tranh khắc nghiệt trên toàn cầu hiện nay, các nhà sản xuất luôn tìm kiếm phương thức mới nhằm làm giảm thời gian phát triển sản phẩm, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng. Và hiện tại công nghệ chế tạo ngược được xem là một trong những kỹ thuật đạt hiệu quả kinh tế cao nhất trong việc rút ngắn chu kỳ thiết kế và phát triển sản phẩm. Đồng thời thông qua sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán kiểm nghiệm sức bền như: Catia,Ansys quá trình thiết kế chế tạo mẫu bằng công nghệ chế tạo ngược ngày càng đạt độ chính xác, độ an toàn và tính khả thi cao. Abstract In the time of tough competition on over the world, manufacturers seek the new process to reduce the development time of products so that can adapt the consumer requirements. Nowadays the reverse engineering technology is considered one of the highest economic technic which can decrease the design-development period of products. By the support of the calculating and analyzing stiffness software such as Catia and Ansys etc the process of design-creating specimen is gotten the high precision, safety and feasibility by the reverse engineering technology. 1. Giới thiệu Thiết kế ngược là quy trình thiết kế lại mẫu - mô hình vật lý cho trước thông qua số hóa bề mặt mẫu bằng thiết bị đo tọa độ, và xây dựng mô hình thiết kế từ dữ liệu số hóa. Ưu điểm của phương pháp thiết kế ngược là cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do (không xác định được quy luật tạo hình) [3]. Hình 1.1: Các giai đoạn của kỹ thuật thiết kế ngược Trên hình 1.1 là các giai đoạn của kỹ thuật thiết kế ngược. Quy trình được chia làm 3 giai đoạn
2. chính: - Giai đoạn quét hình : sử dụng các máy quét để tiến hành quét 3D chi tiết. Kết quả thu được là tập hợp các điểm (đám mây điểm) cấu thành nên chi tiết. Hình 1.3: Các giai đoạn quét và xử lý đầu người Hình 1.4: Quá trình phay mẫu mặt người trên Hình 1.2 : Máy quét 3D Kreon Zephyr KZ50 máy phay CNC - Giai đoạn xử lý điểm : giai đoạn này liên Để đảm bảo độ chính xác và an toàn khi sử quan đến nhập dữ liệu đám mây điểm, giảm dụng các chi tiết thiết kế phải được kiểm nghiệm nhiễu từ dữ liệu thu được và giảm số lượng độ bền trước khi đưa ra chế tạo để giảm rủi ro. Từ điểm. Đầu ra của giai đoạn xử lý điểm là kết quả của việc tính toán kỹ thuật chi tiết thiết kế một bộ dữ liệu đám mây điểm đã được trên cơ sở lýt thuyết kết hợp với mô hình chi tiết “nối” từ các lần quét và không có lỗi. đã thiết kế trên phần mềm Catia thông qua kỹ - Giai đoạn ứng dụng : giai đoạn này người ta thuật chế tạo ngược ta tiến hành kiểm nghiệm sức tiến hành đa giác hóa từ dữ liệu đám mây bền của chi tiết theo phương pháp phân tích phần điểm. Từ đó tạo ra các bề mặt NURBS (mô tử hữu hạn (Finite element analysis, FEA) bằng hình toán học biểu diễn đường cong và bề phần mềm hỗ trợ Ansys. mặt trong kỹ thuật đồ họa) hoặc xuất ra file .STL cho mục đích tạo mẫu nhanh hoặc kiểm tra đối chiếu với mô hình CAD. Từ dữ liệu mô hình CAD, có thể áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để tạo mẫu sản phẩm. Cũng có thể tạo mẫu trên máy phay CNC, khi đó phải lập trình NC nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp như Catia, Unigraphic, Pro/Engineer, GibCAM để tạo ra các đường chạy dao. Hình 1.5: Phân tích cấu trúc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Ansys
3. Đây là một phần mềm được lập ra năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Tiến sỹ John Swanson. Trong phần này bài toán cơ được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc. Ansys có những tính năng nổi bật như sau : - Khả năng đồ họa rất mạnh, giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và độ chính xác cao. Có khả năng tương tác vớ i mô hình CAD của cấu trúc. - Giải được nhiều bài toán như tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, mô phỏng dao động của vật liệu và tìm ngưỡng phá hủy của vật liệu. - Thư viện phần tử lớn, có thêm phần tử tái sinh và phần tử chết (Element Birth and Death), dùng để loại bỏ phần tử hay thêm Hình 2.1: Quy trình thiết kế mẫu thân máy động phần tử hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong cơ Kubota D1703 với máy quét 3D Kreon Zephyr mô hình khi tính toán. KZ50 - Đa dạng về trọng tải: tập trung, phân bố 2.2. Kiểm nghiệm độ bền bằng phƣơng pháp nhiệt, vận tốc góc phân tích phần tử hữu hạn (FEA) - Phần xử lý kết quả cao cấp, cho phép vẽ đồ Phân tích bằng phần tử hữu hạn là phương thị, tính toán tối ưu pháp dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng Với các tính năng trên, bài toán mô phỏng tính trên một hệ vật lý và xác định ứng suất của hệ. chất cơ của linh kiện sóng âm bề mặt kèm theo Trong phương pháp này, hệ vật lý được mô hình các kết quả mong muốn như khảo sát dao động hóa bằng các phần tử rời rạc (elements). Mỗi phần của vật liệu khi không tải và khi có tải tương ứng tử có các phương trình chính xác mô tả ứng suất các mức điện áp khác nhau, giới hạn áp suất mà của nó với một tải trọng xác định. Tổng ứng suất vật liệu sẽ bị phá hỏng thì việc sử dụng phần của tất cả các phần tử trong mô hình cho ta ứng mềm Ansys là hợp lý và đem lại độ chính xác cao. suất chung của hệ vật lý. Các phần tử có số lượng ẩn hữu hạn, do chúng là các phần tử hữu hạn 2. Nội dung (Finite Elements). 2.1. Thiết kế mẫu chi tiết động cơ bằng kỹ thuật thiết kế ngƣợc Mô hình phần tử hữu hạn có số ẩn hữu hạn nên chỉ mô phỏng gần đúng ứng suất của hệ vật lý. Do Để thiết kế được kết cấu của các chi tiết động đó, quá trình mô phỏng chắc chắn sẽ có sai số. cơ đầu tiên ta tiến hành thu thập thông số kích Tính chính xác của nghiệm bài toán phụ thuộc thước của động cơ thông qua tài liệu kỹ thuật của vào công cụ được sử dụng để mô phỏng. động cơ đó và công nghệ thiết kế ngược quét 3D. Sau khi đã có được các thông số kỹ thuật của Đối với bài toán cơ, khi có ngoại lực tác dụng động cơ thông qua máy quét 3D với độ chính xác vào vật thể thì vật thể sẽ bị biến dạng và sinh ra lên tới 0,062mm ta tiến hành lên thiết kế 3D bằng nội lực chống lại ngoại lực, khi đã ở trạng thái cân phần mềm thiết kế Catia. bằng thì nội lực cân bằng với ngoại lực. Các ẩn số của bài toán được hình thành từ đây. Các bài toán trong cơ học thường có dạng phương trình vi
4. phân và phải thỏa mãn ba điều kiện ràng buộc : - Điều kiện vật liệu - Tính tương thích - Cân bằng lực Mô hình Tiền xử lý, Tiến hành cấu trúc các chia lưới, phân tích Khi phân tích bài toán kết cấu theo FEA, chúng chi tiết từ thiết lập Statics. Xử dữ liệu quét phân tích. lý kết quả. ta cần thực hiện theo trình tự các bước sau đây 3D. [1]: Hình 2.2 : Quy trình phân tích bài toán tiến hành Bƣớc 1: Rời rạc hóa kết cấu theo ba giai đoạn chính + Phân chia hệ kết cấu thành các phần tử GIAI ĐOẠN I: có dạng hình học đơn giản, nối với nhau bởi các điểm nút. Mô hình hình học của các chi tiết sử dụng + Tiến hành đánh số theo hệ thống chỉ số phần mềm CATIA. Hệ đơn vị sử dụng là hệ SI. phần tử và hệ thống chỉ số tổng thể. Do mô hình hình học sau khi thiết kế sẽ chuyển Bƣớc 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp sang phần mềm Hypermesh để tiến hành tiền xử + Tùy theo loại phần tử mà chọn hàm xấp lý cho nên quá trình thiết kế cần phải thực hiện xỉ thích hợp chính xác. Trong đề tài này, quá trình thiết kế sử + Nội suy hàm xấp xỉ theo vectơ các bậc dụng mô-đun thiết kế biên dạng bề mặt (General tự do của phần tử {q}e Shape Design), từ đó tạo mô hình khối dựa trên + Tìm ma trận hàm dạng [N] , ma trận dữ liệu quét 3D từ cấu trúc thực tế. biến dạng [B] , ma trận ứng suất [S] GIAI ĐOẠN II: Bƣớc 3: Thiết lập ma trận cứng phần tử Tiến hành nhập (import) mô hình CAD [K]e và vectơ tải phần tử {P}e vào môi trường Hypermesh và tạo mô hình phần + Xác định [K]e và {P}e Bƣớc 4: Ghép nối các phần tử tử hữu hạn bao gồm các phần tử lục diện + Tiến hành ghép nối ma trận cứng tổng (hexagol) và tứ diện (tetrahedral). Tiến hành chia thể [K] và vectơ tải tổng thể {P} theo hệ thống lưới, áp đặt các điều kiện phân tích trong môi ma trận chỉ số [b] , cuối cùng đi đến hệ phương trường HyperMesh. trình: [K] {q} ={P}. Do đây là bài toán phân tích bền cấu trúc + Áp đặt điều kiện biên của bài toán, kết tĩnh, tuy nhiên do biên dạng cấu trúc phức tạp và quả nhận được hệ phương trình: chịu áp lực lớn nên chất lượng phần tử cũng cần [K*] {q *} ={P*}. Đây chính là hệ thống được quan tâm. Có ba tiêu chí quan trong nhất là: phương trình để giải. Skewness. (Từ 0 đến 0.6) Bƣớc 5: Giải hệ phương trình đại số [K*] Aspect. (Tiến về 1) {q *} ={P*} Jacobian. (Từ 0 đến 0.7) + Kết quả nhận được là vectơ chuyển vị nút tổng thể {q*} Bƣớc 6: Tìm ứng suất, chuyển vị và biến dạng của tất cả các phần tử. 2.3. Xử lý và xem kết quả 2.3.1. Quy trình phân tích và mô phỏng Quy trình phân tích bền cấu trúc của các chi tiết Hình 2.3 : Công cụ quản lý chất lượng phần được trình bày như trên Hình 2.2 [2]. tử trong Hyper Mesh.
5. Với chất lượng lưới thỏa mãn các tiêu chí hưởng của lực quán tính. trên đây thì nghiệm bài toán sẽ cho ra giá trị xấp 2.3.2. Kết quả xỉ tốt nhất. Kế đến, ta tiến hành lựa chọn phần tử Thông qua việc tính toán nhiệt, động học và thích hợp cho quá trình phân tích. động lực học động cơ ta xác định được: Phần tử được lựa chọn là solid185 trình bày như Hình 2.4, solid185 là phần tử được sử - Tổng lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston là P 0,06185 MN [4] dụng để phân tích bài toán cấu trúc trong không z gian (ba chiều). Phần tử được định nghĩa bởi tối - Lực quán tính do thanh truyền và trục đa tám nút và có ba bậc tự do tại mỗi nút: Chuyển khuỷu gây ra trong quá trình hoạt động 2 vị theo ba phương x, y, z (UX, UY, UZ). Phần tử Pd R.  .F[m(1 p 1  ) m 2 m n )] 0,0273 MN [ 4] có hỗ trợ tính toán quá trình chảy dẻo, độ võng Với R : là bán kính quay của trục khuỷu. lớn và biến dạng lớn.  : vận tốc góc. Fp : diện tích đỉnh piston m1: khối lượng quy dẫn về đầu nhỏ thanh truyền m2: khối lượng quy dẫn về đầu to thanh truyền mn: khối lượng nắp thanh truyền - Piston có đường kính D = 87mm. Hình 2.4 : Cấu trúc hình học phần tử Solid185 Kết quả kiểm bền cho thấy như Hình 2.6, Hình Sau khi có mô hình phần tử hữu hạn từ 2.7, Hình 2.8 và Hình 2.9. HYPERMESH, tiến hành import vào môi trường ANSYS và bắt đầu quá trình phân tích. Hình 2.5 biểu diễn dữ liệu phần tử hữu hạn của piston sau khi import vào ANSYS [5]. Hình 2.6 : Chuyển vị tổng của Piston khi chịu lực khí thể. Hình 2.5 : Mô hình Piston sau khi chia lưới và import vào ANSYS Tiến hành phân tích bền của piston trong hai trường hợp. Thứ nhất, piston chịu tác dụng của lực khí thể lớn nhất và thứ hai piston chịu ảnh
6. Hình 2.7 : Ứng suất Von Misses khi chịu lực khí Hình 2.9 : Ứng suất Von Misses khi chịu lực thể. quán tính. Trong trường hợp này, đầu piston có ứng suất Trường hợp piston chịu kéo dưới tác dụng lực phân bố ở khoảng 12.8 MN/m2 nhỏ hơn ứng suất quán tính, đầu piston chịu ứng suất tương đối nhỏ giới hạn [σ]=25 MN/m2. Điều này phù hợp với 2 2 khoảng 0.31 – 0.62 MN/m thỏa điều kiện bền hết quả tính toán n= 19.297 MN/m . Tuy nhiên, []=10 MN/m2. Bên cạnh đó, bệ chốt piston xuất trong trường hợp này, ứng suất nén tập trung lớn hiện ứng suất tập trung khoảng 2.82 MN/m2, tuy nhất ở bệ chốt piston gây nguy hiểm cho bệ chốt nhiên ứng suất này vẫn nhỏ hơn ứng suất giới hạn piston trong quá trình làm việc. nên bệ chốt piston vẫn đảm bảo điều kiện bền kéo. Qua quá trình phân tích sức bền theo phương pháp phấn tích phần tử hữu hạn ta thấy được ứng suất chỉ tập trung ở phần đỉnh của piston và phần bệ chốt piston là lớn nhất, nhưng ứng suất đó vẫn còn nằm trong giới hạn cho phép nên vẫn đảm bảo được độ an toàn cho chi tiết khi được thiết kế bằng kỹ thuật thiết kế ngược. 3. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo 3.1. Kết luận Hình 2.8 : Chuyển vị tổng của Piston khi chịu lực Sau thời gian nghiên cứu thiết kế mẫu động cơ quán tính. thông qua kỹ thuật thiết kế ngược. Đề tài đã đạt được kết quả: - Thiết kế được 5 chi tiết chính của động cơ mẫu : piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy. - Kiểm nghiệm sức bền của 5 chi tiết chính : piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy. Kết luận: đề tài đã đạt được mục tiêu và nhiệm vụ ban đầu.
7. 3.2. Đề xuất - Nếu thời gian được kéo dài và điều kiện XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN kinh phí được tăng cường, tác giả sẽ tiếp tục đưa vào chế tạo các chi tiết đã được thiết kế thông qua kỹ thuật chế tạo ngược. - Đề tài có thể được thực nghiệm thực tế sau khi các chi tiết của động cơ được chế tạo thực tế thông qua kỹ thuật chế tạo ngược. PGS.TS Phạm Xuân Mai TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang (2003), Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội. [2] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng dẫn sử dụng Ansys, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội Tiếng nƣớc ngoài [3] Reverse Engineering:An Industrial Perspective, Vinesh Raja and Kiran J. Fernandes, Springer 2008. [4]: A.Kolchin and V.Demidov , Design of automotive engines, 1984 . [5] Jian Meng,Yongqi Liu, Ruixiang Liu, Finite Element Analysis of 4-Cylinder Diesel Crankshaft, 2011 [6] Mr. H. B. Ramani, 2 Mr. Neeraj Kumar, 3 Mr. P. M. Kasundra , Analysis of Connecting Rod under Different Loading Condition Using Ansys Software, 2012
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.