Mô hình tính toán biến dạng thân máy tiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  | 46 
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG THÂN MÁY TIỆN 
Nguyễn Thế Đoàn* 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của lực xuất hiện trong quá trình cắt lên thân 
máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả này là tiền đề cho việc nâng cao tính 
hiệu quả trong tính toán thiết kế các chi tiết có hình dáng không gian phức tạp và ứng dụng 
phương pháp số vào quá trình thiết kế chi tiết, bộ phận máy. 
 ĐẶT VẤN ĐỀ 
Ngày nay, theo yêu cầu thực tế sản phẩm 
thường có kết cấu phức tạp và kỹ thuật thiết 
kế ngày càng phát triển cho phép tính toán 
thiết kế các vật thể có hình dáng hình học rất 
phức tạp thuộc các nhóm vỏ, tấm, khối, thanh 
 Tiêu chí để đánh giá trình độ thiết kế là 
Kw
Kg
N
G
, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM- 
Finite Element Method) và các phần mềm 
FEM như Catia, Cosmos, Ansys  cho phép 
sơ đồ hóa và tính toán các sản phẩm loại này. 
Bài báo này nhằm giới thiệu trình tự tính toán 
các phần tử dạng vỏ mỏng có gân gờ, hốc kín, 
chi tiết thuộc cấu trúc phức tạp như kết cấu 
thân máy tiện. 
GIỚI THIỆU BÀI TOÁN 
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite 
Element Method) là một phương pháp số, 
dùng để giải các bài toán cơ học. Nội dung 
của phương pháp này là phân chia phần tử ra 
thành một tập hợp hữu hạn các miền con liền 
nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với 
nhau trên khắp từng mặt biên của chúng. 
Trường chuyển vị, ứng suất, biến dạng được 
xác định trong từng miền con. Mỗi miền con 
được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng phần 
tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối. 
Các phần tử được kết nối với nhau thông qua 
các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến 
n (n số nút của phần tử) 
 Tel: 
Hình 1. Mô hình phần tử nút 
Là phương pháp cho độ chính xác khá cao và 
kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay với 
sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp 
này đã và đang được ứng dụng rộng rãi. 
Phương pháp này xây dựng công thức dựa 
trên cơ sở hai phương pháp: phương pháp 
Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  | 47 
biến phân (phương pháp Rayleigh–Ritz) và 
phương pháp weighted residuals (phương 
pháp Galerkin). Các phương trình cơ bản đều 
được suy ra từ các phương trình cân bằng 
tĩnh học bởi các giá trị đặc trưng của điều 
kiện biên. 
Quá trình xây dựng các phương trình cân 
bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa 
trên phương pháp Galerkin: 
 
ba ubuuau
bxaxfxuL
)()(
)()(
 (1) 
Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp 
phần tử hữu hạn. 
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ 
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
Ứng dụng phần mềm 
Khảo sát đối tượng thân máy T616 với tiết diện 
thay đổi, ảnh hưởng thành, vách, gân, gờ..) 
Hình 2. Mô hình hình học thân máy tiện 
Tính toán thiết kế thân máy ở chế độ tính toán 
với đường kính gia công 320 (mm), chiều dài 
850 (mm), thân máy đúc, Thép 45 (HB=170 , 
E = 2.10
7
 N/cm
2
,  = 7,8 Kg/dm3), với chế 
độ cắt tính toán : t* = 4,35(mm) ,S* = 
1,46(mm/vg), V* =18,52 ( m/ph) và lực cắt : 
Pz = 11688,19 (N), Py = 6299,15 (N), Px = 
4912,10 (N) 
Hình 3. Sơ đồ phân tích lực tác dụng 
Hình 4. Sơ đồ tính lực 
Ngoài các ngoại lực tác dụng lên thân máy 
xuất hiện trong quá trình gia công, trên sơ đồ 
(hình 2) còn kể đến các nội lực như trọng 
lượng hộp tốc độ G1, ụ động G2 , hộp chạy 
dao G3, chi tiết gia công G4, trọng lượng thân 
máy G5 được thống kê với máy thực: 
 Bảng 1. Thông số nội lực tác dụng 
K.hiệu G1 G2 G3 G4 G5 
Trọng 
lượng 
4000 1000 3000 427,04 5966,5 
Hình 5. Sơ đồ ngoại và nội lực tác dụng lên thân máy 
Khảo sát trạng thái chịu tác dụng của ngoại 
lực, nội lực lên thân máy tiện như hình 4 ở 
mô hình 3D và cho chạy trên phần mềm 
Ansys ta nhận được phản lực tại các nút, 
ứng suất nút, chuyển vị nút và tần số dao 
động riêng. 
300
A
A
200
270
450
400
40
300
350
10
30
50
30
90
340
240
160
70
30
1300
320
330
300
120
1850
550
A-A
B
B
B-B
G2G1 G4
G3
ZA
XA
YA
ZB
XB
YB
MYA MYB
G5
PZ
Py
Px
MXA
MZBMZA
G2
ZB
XB
YB
MYB1
G1
ZA
XA
YA
MXA1
MYA1
G4
G3
Py
Mx
PZ
Px
MXB1
G5
MZA MZB
G2=1000 N
XB=4929,365 N
YB=2571,681 N
MYB1=1574,634 Nm
ZB=5597,575 N
G1=4000 N
ZA=5597,575 N
XA=10022,763 N
YA=3727,469 N
MXA1=596,39 Nm
MYA1=2389,578 Nm
G=21081,73 N
Py=6299,15
Mx =1007,864 Nm
Px=4912,1 N
MXB1=411,469 Nm
MZA=446,46 Nm
MZB=625,426 Nm
Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  | 48 
 Hình 6. Mô hình thân máy dạng 3D 
Hình 7. Mô hình phần tử 
(gồm 16073 phần tử, 29993 nút) 
Hình 8. Mô hình dạng ứng suất 
Hình 9. Mô hình dạng chuyển vị 
Hình 10. Mô hình dạng dao động riêng 
Đánh giá kết quả 
* Kết quả dạng dữ liệu 
Ứng suất tương đương theo Von Mises 
 Smax = 1,249 (N/mm
2
) 
 Smin = 0,564E-03 (N/mm
2
) 
Chuyển vị : 
 Theo phương ox (Node 3381): 
 Ux = - 0.12438E-04 (mm) 
 Theo phương oy (Node 2865): 
 Uy = - 0.46546E-05 (mm) 
 Theo phương oz (Node 1330): 
 Uz = - 0.56923E-05 (mm) 
 Tổng (Node 3381): 
 Usum = 0.12454E-04 (mm) 
Phản lực lớn nhất: 
 Theo phương ox: 
 Fx = 259.75 (kG) 
 Theo phương oy: 
 Fy = 724.91 (kG) 
 Theo phương oz: 
 Fz = 18.130 (kG) 
Các tần số dao động riêng: 
 f1 = 0,42091 (Hz) 
 f2 = 0,64470 (Hz) 
 f3 = 0,73091 (Hz) 
 f4 = 0,79875 (Hz) 
 f5 = 1,0106 (Hz) 
* Đánh giá 
Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  | 49 
- Công cụ phần mềm dễ thiết kế, gia công, 
hoạt động của mô hình đáp ứng được những 
yêu cầu đề ra. 
- Thao tác đơn giản, không cần tính toán. 
- Độ chính xác đạt yêu cầu. 
- Việc lựa chọn phần mềm để kiểm tính toán 
sức bền dễ dàng, kinh tế. 
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 
Kết luận 
- Xây dựng mô hình tính thân máy tiện đầy đủ 
hơn tính truyền thống. 
- Sử dụng phương pháp số vào trong quá trình 
thiết kế. 
- Ứng dụng phần mềm trong thiết kế máy và 
kết quả sau khi mô phỏng tính toán chấp 
nhận được. 
- Các tần số dao động riêng của thân máy 
không trùng với tần số kích thích của máy. 
- Sử dụng kết quả của đề tài (quá trình biến 
dạng và chuyển vị của cơ hệ) làm dữ liệu để 
xây dựng thiết kế các mô hình phức tạp mà 
phương pháp truyền thống không thể đáp 
ứng được. 
- Xác định nhanh và chính xác các kết quả 
của bài toán (ứng suất, biến dạng), giúp cho 
quá trình thiết kế rút ngắn thời gian. 
- Qua đề tài này giới thiệu cho chúng ta cách 
thức giải bài toán sức bền bằng phần mềm 
ANSYS thông qua hai cách (dùng thanh công 
cụ hoặc lập trình bằng các câu lệnh). Tạo điều 
kiện cho người học làm quen với việc ứng 
dụng công nghệ thông tin trong suốt quá trình 
học và công tác sau này. 
- Các bước giải bài toán bằng phần mềm này 
ngắn gọn, đơn giản, có thể thực hiện tính toán 
một số bài toán cơ bản với việc ứng dụng tin 
học trong thiết kế, kiểm tra nhanh và chính 
xác các kết quả tính toán. 
Hướng phát triển 
- Trong báo cáo mới chỉ khảo sát một số bài 
toán cơ bản, còn các bài toán phức tạp hơn 
cần tiếp tục được nghiên cứu và làm rõ. 
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc 
tính toán bền, mô phỏng quá trính biến dạng 
của các kết cấu không gian, chi tiết máy có 
hình dáng phức tạp như các khuôn có hình 
dáng phức tạp, các chi tiết máy làm việc trong 
các môi trường đặc biệt... 
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc 
tính toán bền các chi tiết, bộ phận máy khi 
làm việc với tải trọng thay đổi. 
- Nghiên cứu để áp dụng phần mềm vào các 
ngành khác: truyền nhiệt, thuỷ lực, điện, địa 
chất... 
- Xây dựng các bước, chương trình liên kết 
giữa phần mềm ANSYS với các phần mềm 
thiết kế khác:Pro/engineer, Solikword, 
AutoCad, Mechanical Desktop, Catia, 
Inventer để thuận lợi cho quá trình dựng 
mô hình các chi tiết. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Ths Đặng Tính, Phương pháp phần tử hữu 
hạn tính toán khung và móng công trình làm việc 
đồng thời với nền - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ 
thuật Hà Nội – 1999. 
[2]. GS.TS Nguyễn Văn Phái, TS Trương Tích 
Thiện, Ths. Nguyễn Tường Long, Ths. Nguyễn 
Định Giang, Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng 
chương trình ANSYS, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 
Tp. Hồ Chí Minh, 2003. 
[3]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng 
dẫn sử dụng ANSYS, Hà Nội. 
[4].PGS. TS Nguyễn Văn Vượng (2000), Sức bền 
vật liệu, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội . 
[5] Kỷ yếu Hội thảo toàn quốc về giảng dạy 
Nguyên lý-Chi tiết máy, Đại học Kỹ thuật Công 
nghiệp Thái Nguyên, 11&12/5/2008. 
[6].The Finite Element Method For Solid and 
Structural Mechanics , Sixth Edition by O . C . 
Zienkiewicz . 
[7] .Machine Design A Cad Approach - Andrew 
D. Dimarogonas W. Palm Professor of 
Mechanical Design Washington University, St. 
Louis, Missouri, USA. 
[8]. Finite Element Method (FEM), The University 
of Auckland, New Zealand 2005. 
[9].  
Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  | 50 
SUMMARY 
CALCULATING MODEL OF DEFORMATION IN TURNING MACHINE BODY 
Nguyen The Doan 
Thai Nguyen University of Technology 
This paper presented the model, which researched the affection of force appearing in cutting process on 
turning machines body by finete elements method (FEM). Those results are basis to improve the effect in 
designing and calculating parts, which have complicated spatial shape. They also are foundation for appling 
numerical method in designing process parts and units of machines. 
Key word: calculating model of deformation, turning machine body 
 Tel: 0915 321 020, Email: nguyenthedoan.tnut@gmail.com