HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài:
Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán kết cấu vỏ trụ thoải
chịu tác dụng của sóng xung kích
Mã số đề tài: 01/CK/2016

Lĩnh vực đăng ký thực hiện: Cơ khí

Hà Nội, 4 - 2016


HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tên đề tài:
Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán kết cấu vỏ trụ thoải
chịu tác dụng của sóng xung kích
Mã số đề tài: 01/CK/2016
Lĩnh vực đăng ký thực hiện: Cơ khí

Học viên tham gia thực hiện: 03
1. Học viên Chủ trì:
Trần Đức Trọng


1.3.1. Các bước thực hiện giải bài toán bằng phần mềm ANSYS .................... 7
1.3.2. Sử dụng menu cơ bản .............................................................................. 7
1.3.3. Lập trình giải bài toán phân tích kết cấu trong Ansys .......................... 17
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 21
CHƯƠNG 2..................................................................................................... 22
MỘT SỐ PHẦN TỬ THÔNG DỤNG VÀ QUY TRÌNH TÍNH TOÁN KẾT
CẤU VỎ TRÊN NỀN PHẦN MỀM ANSYS
2.1. Một số phần tử thông dụng ...................................................................... 22
2.1.1. Các kiểu phần tử thường dùnng trong ANSYS .................................... 22
2.1.2. Phần tử BEAM4 .................................................................................... 23
2.1.3. Phần tử SHELL63 ................................................................................. 26
2.2. Quy trình tính toán kết cấu vỏ chịu tác dụng của tải trọng tĩnh............... 27

i


2.2.1. Xác định các thông số hình học của kết cấu vỏ ( Trụ panel) ................ 27
2.2.2. Xây dựng mô hình vỏ và chia lưới phần tử. ......................................... 28
2.2.4. Đặt tải vả giải ........................................................................................ 32
2.3. Quy trình tính toán kết cấu vỏ chịu tác dụng của tải trọng động ............. 33
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 34
CHƯƠNG 3..................................................................................................... 35
TÍNH TOÁN KẾT CẤU VỎ TRỤ THOẢI CHỊU TÁC DỤNG CỦA SÓNG
XUNG KÍCH
3.1. Bài toán cơ bản ......................................................................................... 35
3.2. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến đáp ứng động của kết cấu khi chịu
tải trọng sóng xung kích tác dụng ................................................................... 42
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày vỏ w............................................... 42
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc mở θ ........................................................ 44
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ tải trọng............................................. 45

Hình 1.8. Chon thông số hình học 1 cho đoạn trục 1...................................... 12
Hình 1.9. Mô hình đoạn trục thứ nhất ............................................................. 13
Hình 1.10. Lựa chọn thông số hình học cho đoạn trục thứ hai ....................... 13
Hình 1.11. Áp đặt điều kiện biên tại nút 1 ...................................................... 14
Hình 1.12. Đặt lực tại nút 3 ............................................................................. 14
Hình 1.13. Biến dạng chuyển vị UX ............................................................... 15
Hình 1.14. Xuất kết quả .................................................................................. 16
Hình 1.15. Kết quả biến dạng chuyển vị UX .................................................. 16
Hình 1.16. Kết quả ứng suất SX ..................................................................... 17
Hình 1.17. Nhập chương trình tính ................................................................. 18
Hình 1.18. Kết quả bài toán của chương trình ................................................ 20
Hình 2.1. Mô hình, địa điểm nút, phối hợp hệ thống cho phần tử BEAM4 ... 24
Hình 2.2. Mô hình, địa điểm nút, phối hợp hệ thống cho phần tử SHELL63 26
Hình 2.3. Mô hình vỏ trụ trơn ......................................................................... 28
Hình 2.4. Mô hình chia lưới của vỏ trụ trơn ................................................... 28
Hình 2.5. Mô hình khối cơ bản vỏ gân gia cường .......................................... 29
Hình 2.6. Mô hình khối cơ bản vỏ gân gia cường .......................................... 29
Hình 2.7. Vỏ trụ có 2 cạnh ngàm .................................................................... 30
Hình 2.8. Vỏ trụ có 4 cạnh ngàm .................................................................... 30
Hình 2.9 . Tải trọng tĩnh đặt tại một điểm....................................................... 32

iv


Hình 2.10. Vỏ trụ chịu tải trọng phân bố đều ................................................. 32
Hình 3.1. Mô hình bài toán ............................................................................. 35
Hình 3.2. Quy luật biến thiên tải trọng sóng xung kích .................................. 35
Hình 3.3. Mô hình phần tử hữu hạn vỏ ........................................................... 36
Hình 3.4. Trường chuyển vị theo phương z khi lực tập trung tác dụng.......... 37
Hình 3.5. Trường ứng suất pháp theo phương x khi lực tập trung tác dụng... 37



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kết cấu dạng tấm, vỏ là dạng kết cấu khá phổ biến, thường gặp trong các
lĩnh vực như: giao thông, hàng không vũ trụ, khai thác khoáng sản, xây dựng,
quốc phòng chẳng hạn khung máy bay, nắp hầm trú ẩn, hầm đường bộ, vỏ kết
cấu của trang bị trong công binh, .v. v. Trong lĩnh vực quốc phòng, các kết
cấu này thường yêu cầu phải chịu được tải trọng sóng xung kích. Nghiên cứu
tính toán, lựa chọn thông số hợp lý kết cấu vỏ trụ thoải chịu tác dụng của sóng
xung kích nhằm nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng, đảm bảo an toàn, kéo
dài tuổi thọ, phục vụ tốt hơn cho nền kinh tế và an ninh quốc phòng là điều
cấp thiết hiện nay. Do đó đề tài “Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán kết
cấu vỏ trụ thoải chịu tác dụng của sóng xung kích” mà nhóm nghiên cứu
lựa chọn thực hiện có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài
- Xây dựng thuật toán PTHH và chương trình máy tính ứng dụng phần
mềm ANSYS phân tích đáp ứng động lực học kết cấu vỏ trụ thoải có gân và
không có gân chịu tác dụng của các mô hình tải trọng tĩnh và động.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến đáp ứng động của vỏ trụ
thoải chịu tác dụng của sóng xung kích.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-Về kết cấu: Vỏ trụ thoải không có gân và có gân gia cường với các điều
kiện liên kết khác nhau.
-Về tải trọng:Tải trọng tĩnh mô phỏng các lực tác dụng một điểm, áp
suất tĩnh tác dụng lên bề mặt ngoài vỏ trụ.
Tải trọng động mô phỏng sóng xung kích do bom đạn gây ra.
4. Mục tiêu giải quyết của đề tài
Xác định đáp ứng động của vỏ trụ để làm cơ sở lựa chọn thông số hình
học kết cấu vỏ khi tính toán thiết kế.

1.1. Sơ lược về phương pháp phần tử hữu hạn FEM
1.1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
Như đã biết, tất cả các bài toán cơ học vật rắn đều có thể biểu diễn ở
dạng các phương trình toán học mà điển hình là các phương trình vi phân liên
kết với các điều kiện biên. Đối với những bài toán đơn giản thì có thể tìm
được lời giải chính xác. Tuy nhiên, hầu hết các bài toán có phương trình mô tả
và biên khảo sát rất phức tạp, do đó việc tìm lời giải chính xác cho bài toán
gặp rất nhiều khó khăn, mà đôi lúc không thể giải được. Để khắc phục những
khó khăn này, nhiều phương pháp đã được ra đời. Trong những số phương
pháp đó, nổi bật và thường dùng nhất là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite
element method). Ý tưởng của phương pháp phần tử hữu hạn là chia vật thể ra
thành một tập hợp hữu hạn các miền con (gọi là phần tử) liền nhau, liên kết
với nhau thông qua các nút, đường hoặc bề mặt phần tử. Trường chuyển vị,
biến dạng, ứng suất được xác định trên từng phần tử. Dạng phần tử có thể là
thanh, dầm, giàn, tấm, vỏ, khối.
1.1.2. Các bước giải bài toán FEM
1. Rời rạc hóa miền khảo sát (tạo lưới cho phần tử): chia vật ra thành
nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phần tử không thay đổi. Nếu
vật có biên dạng phức tạp thì chia các phần tử ở gần biên sao cho thật nhuyễn.
2. Xây dựng các phương trình phần tử.
3. Lắp ghép các phương trình phần tử và tìm ra ma trận độ cứng.
4. Khử các điều kiện biên.
5. Giải hệ phương trình toàn cục.
6. Tính toán các kết quả.
Ví dụ:
Cho một trục bậc chịu tác dụng của lực P = 10 N. Biết tiết diện các đoạn
A1=2. 10-5 m2; A2 = 10-5m2; chiều dài các đoạn l1  l2  l  0,1m ; và môđun

3


Véctơ lực nút chung F:

F  (0 0 10)T

4. Hệ phương trình phần tử hữu hạn:

4
0   Q1   R 
 4
 

104. 4 4  2 2   Q 2    0 
0
2
0   Q3  10 

5. Áp đặt điều kiện biên:
Do Q1 = 0 (liên kết tại ngàm A), do đó ta loại dòng 1 và cột 1 trong hệ
phương trình trên. Cuối cùng ta thu được hệ phương trình:
 6 2   Q2   0 
104.
    
 2 2   Q3  10 

4


6. Xác định chuyển vị, biến dạng, ứng suất
Giải hệ phương trình trên ta được:



5


- Các tính năng nổi bật của Ansys:
+ Khả năng đồ họa mạnh (AUTO CAD), giúp cho việc mô hình hóa
nhanh, chính xác. Có khả năng kết nối với các phần mềm như CAD,
MATLAB. . .
+ Giải được nhiều loại bài toán: Cơ khí, công trình, điện, điện tử, điện từ,
nhiệt, lưu chất, trường cặp đôi.
+ Thư viện phần tử lớn, có khả năng phát sinh phần tử thông minh
(Element birth and death) thuận lợi trong việc giải các bài toán thay đổi cấu
trúc kết cấu.
+ Có khả năng giải các bài toán với nhiều dạng tải trọng: tĩnh, động, tiền
định, ngẫu nhiên, . . .
+ Xử lý kết quả nhanh, thuận lợi và tối ưu.
+ Ngôn ngữ lập trình thuận lợi: có thể lập trình trực tiếp trong cửa sổ
Ansys hoặc trong màn hình Word, cũng có thể kết hợp lập trình bằng câu lệnh
và dùng menu.
+ Là công cụ thử nghiệm số tối ưu.
+ Hệ thống menu trực quan, giúp người sử dụng dễ theo dõi, thao tác.
+ Có thư viện các hàm và tài liệu tham khảo lớn, giúp cho người sử dụng
nghiên cứu nâng cao.
1.2.2. Các modules của Ansys/Structural
1) Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis).
2) Tính toán dạng dao động (Modal Analysis).
3) Tính toán đáp ứng điều hòa (Harmonic Response Analysis).
4) Tính toán động lực học (Transient Dynamic Analysis).
5) Phân tích phổ (Spectrum Analysis).
6) Tính toán ổn định (Buckling Analysis).

phương pháp lập trình, và kết hợp cả phương pháp sử dụng menu và lập trình.
1.3.2. Sử dụng menu cơ bản
a, Ưu nhược điểm của phương pháp tính toán sử dụng menu
Ứng dụng Ansys để giải quyết bài toán cơ học, phương pháp phổ biến
hiện nay là sử dụng menu để tiến hành các bước giải theo như đã trình bày ở

7


mục Ưu điểm của phương pháp này là trực quan, dễ nhận biết các thông số
khi thực hiện công việc khai báo. Các phần mềm thiết kế, hay phần mềm
phân tích kết cấu khác hiện nay đa phần đều sử dụng menu để khai báo và
nhập các thông số cần thiết, do vậy khi làm việc với Ansys, việc sử dụng
menu trở nên thiện và thường được người dùng nghĩ đến; đặc biệt, có nhiều
tài liệu hướng dẫn đã được xuất bản nên việc tìm hiểu phần mềm theo hướng
này cũng thuận lợi hơn.

Hình 1.2. Giao diện màn hình chính của Ansys
Tuy nhiên, trong quá trình ứng dụng phần mềm Ansys với việc sử dụng
menu, nhóm tác giả nhận thấy phương pháp này có một số yếu điểm nhất định:
- Sự linh hoạt khi sử dụng menu không cao, thể hiện ở chỗ: khi ta giải
một bài toán cụ thể với các thông số xác định, tường minh, việc thao tác trên
menu được thực hiện bình thường; thực tế khi tính toán, đặc biệt với bài toán
thiết kế, các thông số của bài toán có thể thay đổi: thay đổi về thông số hình
học, cấu trúc mô hình, thông số vật liệu, tải trọng tác dụng lên kết cấu, … Khi
đó, sử dụng menu để tiến hành các bước giải sẽ làm chúng ta khó thay đổi các
yếu tố trên, gây khó khăn trong việc quản lý chương trình.

8


Nhấn Preview để xem các đặc trưng hình học của trục

Hình 1.4. Nhập thông số hình học cho đoạn trục thứ nhất
Sau đó tại ID chọn 2 để nhập thông số cho đoạn dầm thứ 2
Kết thúc nhấn OK

10


Hình 1.5. Nhập thông số hình học cho đoạn trục thứ hai
3. Khai báo các thông số vật liệu: Material Properties: EX: 2e11 N/m2 và
PRXY: 0. 3
Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear >
Elastic > Isotropic >
Nhập 2e11 cho EX và 0. 3 cho PRXX

Hình 1.6. Khai báo các thông số vật liệu

11


5. Tạo nút phần tử:
Preprocessing > Modeling > Create > Nodes > In Active CS

Hình 1.7. Nhập vị trí các nút phần tử
NODE # 1: X=0, Y=0, Z=0
NODE # 2: X=0. 1, Y=0, Z=0
NODE # 3: X=0. 2, Y=0, Z=0
Nhập từng dòng một sau đó bấm APPLY, kết thúc chọn OK
6. Tạo phần tử



DISPLACEMENT VALUE : giá trị chuyển vị ban đầu, mặc định bằng 0
-Đặt lực :Solutions > Define Loads > Apply > Structural >
Force/Moment > On Nodes> Chọn nút 3
Tại hộp thoại Apply F/M on Nodes
Lab : Chiều tác dụng lực. Chọn FX (lực kéo dọc trục)
VALUE: Giá trị lực . Nhập 10
Kết thúc đặt lực nhấn OK
8. Giải bài toán:
Main Menu > Solution > Solve > Current LS
9. Xem biến dạng và ứng suất.
Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot> Nodal
Solution
Select DOF solution> UX

Hình 1. 13. Biến dạng chuyển vị UX
Chọn Deformed+Undeformed -> OK
- Để hiện thị trục bậc dưới dạng 3D hình dạng thật
Trên thanh công cụ Menu chọn:Plot>Elements>PlotCtrls>Style>Size
and Shape

15


Tại hộp thoại Size and Shape
Display of element: kích on để bật chế độ hiển thị
Xuất kết quả dưới dạng ảnh : File>Report Generator>Append>OK

Hình 1.14. Xuất kết quả