Biến dạng uốn thường xảy ra trong các cấu trúc cơ học. Nó là một dạng thất bại nghiêm trọng trong các thành phần cấu trúc. Phân tích biến dạng uốn giúp kỹ sư thiết kế đưa ra những cảnh báo, giới hạn sử dụng và lường trước những mối hiểm hóa có thể xảy ra đối với cấu trúc chịu tải.
Phần mềm SOLIDWORKS Simulation cung cấp các tính năng để phân tích, đánh giá thiết kế trong môi trường mô phỏng ảo. Phân tích uốn là một nội dung quan trọng trong phân tích thiết kế.
Biến dạng uốn là gì?
Độ bền uốn
Độ bền uốn của vật liệu hay là điểm cong vênh chỉ trang thái giới hạn bị cong vênh khi vật liệu đó chịu ứng suất uốn. Trước khi đến giới hạn uốn, vật liệu sẽ bị biến dạng đàn hồi, và trạng thái đó trở lại trạng thái ban đầu khi mà tải trọng bị loại bỏ. Khi vượt qua điểm cong vênh, một vài tổ chức nhỏ xuất hiện biến dạng vĩnh viễn, không thể phục hồi trạng thái ban đầu khi tải trọng bị loại bỏ.
Sự hiểu biết về độ bền uốn giúp ta thiết kế hệ thống chịu tải trong các lĩnh vực kết cấu, như cầu, cần cẩu, cầu trục, các hệ thống chịu tải trọng trong xây dựng và thuỷ lợi… cũng như giúp ích cho việc thiết kế các thiết bị gia công biến dạng: cán (vật liệu), uốn (vật liệu). Trong lĩnh vực xây dựng, điểm cong vênh dẫn đến việc biến dạng mềm, trừ khi vật liệu hoàn toàn bị sụp đổ.
Biến dạng uốn
Biến dạng uốn (buckling) là biến dạng của vật liệu thay đổi hình dạng trước tác dụng của tải trọng.
Đối với mô phỏng cấu trúc, điều này có nghĩa là các thành phần hoặc biến dạng lắp ráp không tỷ lệ thuận với sự gia tăng tải. Nhiều nhà thiết kế nghĩ rằng để phi tuyến, tải phải cực lớn. Đây không phải là trường hợp, đối với nhiều cấu trúc mỏng, tải có thể khá vừa phải trong khi vẫn có biến dạng lớn, chẳng hạn như khi một hệ thống khóa.
Biến dạng uốn là một dạng thất bại nghiêm trọng của các thành phần cấu trúc. Nó xảy ra khi một cấu trúc mất khả năng chịu tải dưới tải trọng nén. Tải trọng uốn có thể thấp hơn đáng kể so với ứng suất cuối cùng cần thiết để gây ra với vật liệu. Đây là lý do tại sao cần phân tích sự vênh trong các cấu trúc. Khi xảy ra hiện tượng vênh, đường cân bằng chính, tức là đường dịch chuyển tải trải qua một phép chia đôi như trong Hình 1. Ngoài điểm phân nhánh là đường cân bằng thứ cấp trong đó phản ứng của cấu trúc có thể rất phi tuyến. Đây là chế độ postbuckling.
Phân tích độ uốn (buckling analysis, postbuckling) của cấu trúc
Các phân tích độ uốn tuyến tính có thể cung cấp một số thông tin cơ bản về tải buckling. Tuy nhiên, tải sập của một số cấu trúc cao hơn nhiều so với dự đoán bởi phân tích độ lệch tuyến tính (eigenvalue). Trong các trường hợp khác, một cấu trúc sẽ lấy lại một số khả năng chịu tải sau khi khóa. Trong cả hai trường hợp này, cần phải thực hiện phân tích độ bền phi tuyến bao gồm cả postbuckling.
Một biến chứng phát sinh khi thực hiện các phân tích độ lệch phi tuyến là các bộ giải tĩnh nói chung sử dụng phương pháp Newton – Raphson không cung cấp thông tin về phản ứng sau khi cắt của cấu trúc do sự không ổn định tại điểm phân nhánh. Điều này đặc biệt bất lợi cho các sự cố oằn qua trong đó một cấu trúc có thể có nhiều hơn một cấu hình mang tải ổn định. Gia tốc cao và hiệu ứng quán tính đòi hỏi phải có bộ giải động động chiếm khối lượng và quán tính của kết cấu. Ở đây, chúng tôi khám phá làm thế nào các động lực tiềm ẩn trong 3DEXPERIENCE có thể được sử dụng để mô hình hóa phản ứng vênh phi tuyến và postbuckling của một cấu trúc.
Một ví dụ về cấu trúc có thể gặp phải hiện tượng vênh là panel thân máy bay. Những tấm này bao gồm một lớp mỏng được gia cố bằng các dây theo hướng dọc để cải thiện khả năng chịu tải của chúng. Khung cũng có thể được thêm vào để cải thiện độ cứng theo hướng chu vi nhưng sẽ bị loại khỏi phân tích này vì đơn giản. Panel được xem xét được hiển thị trong Hình 2.
Panel bao gồm một lớp vỏ hình chữ nhật có độ dày 2mm, chiều dài 600mm và chiều rộng 220 mm. Lớp vỏ được gia cố bằng thanh kéo tia Z có độ dày 1,6 mm, chiều cao web 25mm và chiều rộng mặt bích 20 mm. Do độ dày của lớp vỏ và stringer rất nhỏ so với các kích thước khác của chúng, nên cấu trúc được mô hình hóa bằng các yếu tố vỏ. Nhôm (Hình ảnh = 70 GPa, Hình ảnh = 0,3) với vật liệu dẻo-đàn hồi được sử dụng cho cả hai chi tiết. Stringer được gắn chặt vào lớp vỏ bằng cách sử dụng ốc vít điểm và khớp nối động học được xác định tại một cạnh của bảng điều khiển sao cho các cạnh của lớp vỏ và stringer được ghép với một điểm tham chiếu. Các cạnh đối diện của panel được kẹp hoàn toàn. Đầu tiên, phân tích độ lệch tuyến tính được thực hiện với tải trọng nén 20kN được áp dụng tại điểm tham chiếu trên cạnh được tải. Kết quả chỉ ra rằng tải trọng tới hạn lớp vỏ ngoài (skin buckling load) là khoảng 18 kN. Hình dạng vênh của panel được hiển thị trong Hình 3.
Đối với các tấm gia cố, tải trọng tới hạn lớp vỏ ngoài thường thấp hơn nhiều so với tải sập của toàn bộ cấu trúc. Do đó, cần phải thực hiện một phân tích độ bền phi tuyến hoàn chỉnh bao gồm cả postbuckling.Trong các mô phỏng phức tạp hơn, một sự không hoàn hảo về hình học dựa trên một vài chế độ vênh đầu tiên có thể được đưa vào hình học trước khi phân tích postbuckling. Ngoài ra, một sự không hoàn hảo tải có thể được giới thiệu. Người ta biết rằng cấu trúc không hoàn hảo có tải trọng thấp hơn nhiều so với cấu trúc hoàn hảo.
Để so sánh, phân tích cũng được thực hiện bằng cách sử dụng bộ giải tĩnh với ổn định để giảm hiệu ứng quán tính. Trong phân tích tĩnh, tải nén 100kN được áp dụng cho cạnh được tải. Các hành vi chuyển tải thu được hiển thị trong Hình 4. Hình dạng vênh của panel và đường viền cường độ dịch chuyển được hiển thị trong Hình 5.
Bộ giải tĩnh không cung cấp giải pháp vượt quá độ dịch chuyển 2.0 mm. Đối với trường hợp kiểm soát tải, chúng tôi áp dụng tải nén 100kN cho điểm tham chiếu trên cạnh được tải (tương tự như phân tích tĩnh và giá trị riêng). Đối với trường hợp điều khiển chuyển vị, chúng tôi áp dụng độ dịch chuyển nén 150mm cho điểm tham chiếu.
Sử dụng động lực ngầm (implicit dynamics) chúng ta có thể thấy rằng một giải pháp postbuckling có thể dễ dàng thu được. Kết quả là, panel có thể duy trì biến dạng tốt hơn tải sập. Trường hợp tải được điều khiển đã được chấm dứt thủ công sau khi độ dịch chuyển của bảng điều khiển đạt 150 mm và trường hợp điều khiển chuyển vị đã cung cấp thành công một giải pháp lên tới 150 mm. Tuy nhiên, chúng ta có thể thấy rằng bảng điều khiển không lấy lại được bất kỳ độ cứng cấu trúc nào của nó trong chế độ postbuckling. Điều này rất quan trọng đối với các kỹ sư kết cấu, những người có thể muốn điều tra cách thức hoạt động của bảng điều khiển sau khi vênh, và là một công cụ đặc biệt hữu ích cho các vấn đề vênh kiểu snap-through, trong đó một cấu trúc có thể có độ cứng vượt quá điểm vênh. Trong trường hợp này, chúng ta có thể thấy bảng điều khiển tiếp tục biến dạng mà không tăng tải. Hình dạng khóa cuối cùng được hiển thị trong Hình 7 và các đường viền dịch chuyển được hiển thị trong Hình 8.
Nguồn: Solidworksblog
Dịch và tổng hợp: ViHoth
ViHoth Corporation – Công ty Cổ phần Thương mại và Phát triển Kỹ thuật cao ViHoth
Trụ sở: Số 17 – Lô 5, Khu đô thị Xuân Phương, Phường Xuân Phương, Quận Nam Từ Liêm, Hà Nội
Điện thoại: +84-24-3797 0256 – Hotline: 0982 018 497 – Email: Media@vihoth.com
Website: https://www.camsolutions.vn | https://www.vihoth.com | http://gstarcad.vn
