Công nghệ Ansys SMART cho mô phỏng vết nứt (Crack) và đứt gãy (Fracture)
Theo một báo cáo năm 1983 của Battelle và Cục Tiêu chuẩn Quốc gia, kinh tế hao tổn do đứt gãy (fracture) chỉ riêng ở Hoa Kỳ là 119 tỷ đô la mỗi năm. Nếu một nghiên cứu tương tự được thực hiện ngày hôm nay, con số đó chắc chắn sẽ tăng lên do sự tăng trưởng lớn trong các sản phẩm tiêu dùng, ô tô và thiết bị công nghiệp trong những năm qua.
Bất kỳ công nghệ nào có thể làm giảm chi phí đứt gãy cho người tiêu dùng và doanh nghiệp đều có thể có tác động lớn đến nền kinh tế cũng như sự hài lòng của khách hàng.
Phương pháp thử nghiệm đứt gãy truyền thống để xây dựng nguyên mẫu là một quá trình tốn kém thời gian và chi phí. Mô phỏng kỹ thuật sự đứt gãy trong giai đoạn thiết kế để dự đoán độ bền của sản phẩm đã là một phương pháp thay thế có sẵn kể từ đầu những năm 1980. Tuy nhiên, mô phỏng đứt gãy cho đến nay vẫn chưa được dễ dàng thiết lập và thực hiện.
Theo truyền thống, công đoạn chia lưới tiêu tốn rất nhiều thời gian (lên đến vài ngày) vì các kỹ sư phải chia lưới thủ công gồm các phần tử lưới lục diện (Hex) và hình nêm (wedge) để nắm bắt mặt trước của vết nứt (crack front) - lưới lý tưởng chỉ sử dụng các phần tử lục diện (Hex) thường là không thể.
Điều này khiến các kỹ sư phải đơn giản hóa hình dạng của vết nứt để phù hợp với mô hình lưới chỉ có hình lục diện, dẫn đến mất độ trung thực trong phân tích vết nứt.
Giờ đây, với Phương pháp lưới không cấu trúc (Unstructured Mesh Method - UMM) mới trong Ansys Mechanical, các kỹ sư có thể giảm thời gian tiền xử lý bằng cách sử dụng lưới tứ diện (Tet) được tạo tự động của UMM cho mặt trước vết nứt, đồng thời đạt được kết quả có độ trung thực cao giống như chạy mô phỏng với cấu hình lưới Hex lý tưởng. Thời gian chia lưới đã giảm từ vài ngày xuống còn vài phút.
Sử dụng UMM, Ansys cũng đưa vào công nghệ mô phỏng sự phát triển vết nứt Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology (SMART) cho Ansys Mechanical để cho phép tự động chia lại lưới (remeshing) trong quá trình mô phỏng. Mô phỏng SMART có thể được thiết lập với vài lần nhấp chuột, loại bỏ các phiên tiền xử lý kéo dài.
Các thông số và phương pháp phân tích đứt gãy
Rất khó để sản xuất một vật liệu hoàn hảo bằng phương pháp sản xuất truyền thống hoặc sản xuất bồi đắp. Sự không hoàn hảo do tạp chất, ranh giới hạt không khớp, sự giãn nở nhiệt chênh lệch, sự nhiễm bẩn của chất tan chảy hoặc nhiều cơ chế khác có thể dẫn đến sự không hoàn hảo.
Những điểm không hoàn hảo này có thể là điểm khởi đầu cho các vết nứt. Tùy thuộc vào kích thước và hình dạng của vết nứt và điều kiện sử dụng, vết nứt có thể ổn định và không gây ra vấn đề gì hoặc không ổn định, trong trường hợp đó, vết nứt sẽ phát triển với tốc độ phụ thuộc vào lực tác động lên và độ bền chống gãy (fracture toughness) của vật liệu.
Tải tuần hoàn/chu kỳ (cycling) có thể tạo ra một vết nứt trong một khu vực kết cấu yếu của sản phẩm; vết nứt sau đó có thể phát triển do mỏi (fatigue). Sự phát triển của một vết nứt trong toàn bộ thể tích của sản phẩm có thể dẫn đến đứt gãy thảm họa.
Kích thước của một vết rạn nứt trong bất kỳ vật liệu nào cũng là một biến số quan trọng trong phân tích đứt gãy cũng như ứng suất trên vết rạn (stress on the flaw) và độ bền chống gãy (fracture toughness) của vật liệu, thay thế độ bền vật liệu trong tính toán đứt gãy.
Hệ số cường độ ứng suất (Stress Intensity Factor - SIF) xác định độ bền chống gãy của vật liệu chịu cơ học đứt gãy đàn hồi tuyến tính (linear-elastic fracture mechanics - LEFM); biến SIF được biểu diễn là KIC.
Đối với cơ học đứt gãy dẻo đàn hồi (elastic-plastic fracture mechanics - EPFM), độ bền chống gãy được xác định bằng năng lượng cần thiết để một vết nứt phát triển, được biểu diễn bởi JIC, còn được gọi là tham số tích phân J (J-integral). Sự phát triển vết nứt do mỏi đã được mô hình hóa bằng cách sử dụng định luật Paris:
Trong đó A và B là các hằng số phụ thuộc vật liệu.
Nhiều thông số khác đã được định nghĩa trong nhiều năm để mô tả sự phát triển của vết nứt trong các điều kiện hoặc loại vật liệu khác nhau.
Ansys gần đây đã thêm tham số Lực Vật liệu (Material Force) vào danh sách này. Lực vật liệu là một tham số tổng quát hỗ trợ nhiều vật liệu tuyến tính và phi tuyến. Nó cho phép các kỹ sư sử dụng một tham số duy nhất để mô tả đặc điểm các mô hình vật liệu khác nhau.
Trong khi Lực vật liệu sẽ trở thành một tham số ngày càng có giá trị trong phân tích đứt gãy trong những năm tới, Ansys Mechanical sẽ tiếp tục cũng hỗ trợ phân tích SIF và J-Integral.
Một xem xét khác là phương thức đứt gãy (mode of fracture). Mode-I hay mode căng (tensile mode) trong đó ứng suất trực giao với mặt phẳng cục bộ của bề mặt vết nứt, Mode-II cho cắt (shearing) khi đó ứng suất song song với bề mặt vết nứt nhưng vuông góc với mặt trước vết nứt và Mode-III xé ngoài mặt phẳng khi đó ứng xuất song song bề mặt và mặt trước vết nứt.
Phương pháp mô phỏng vết nứt
Mô phỏng đứt gãy dựa trên hai mô hình: mô hình vùng dính liền truyền thống (cohesive zone modeling - CZM) và gần đây phương pháp phần tử hữu hạn eXtended (X).
CZM chủ yếu được sử dụng để mô phỏng sự kết dính giữa hai bề mặt được gắn kết bằng chất kết dính. Sự tách lớp xảy ra khi một tải trọng được tác động, nhưng vết nứt tách lớp không thể phát triển ra ngoài bề mặt phân cách của hai bề mặt. CZM có giá trị trong việc mô phỏng vật liệu tổng hợp, nhưng nói chung nó không thích hợp để mô phỏng vết nứt phát triển trên phần lớn vật liệu.
X tốt hơn cho các tính toán vết nứt bên trong. Được giới thiệu vào bộ công cụ Ansys cách đây vài năm, X loại bỏ việc chia lưới lại các vùng đầu vết nứt. Thay vào đó, nó xác định một vùng làm giàu (enrichment area) phần tử hữu hạn mở rộng xung quanh đầu vết nứt và ở những khu vực có thể cho rằng vết nứt có thể phát triển.
X tách các phần tử thể tích đặc biệt trong vùng làm giàu từ tâm của phần tử. Bằng cách này, nó tạo ra một lưới mịn hơn bằng cách chia nhỏ các lưới hiện có thay vì chia lưới lại.
Nhưng các vùng làm giàu trong X rất tốn kém về mặt tính toán. Khi khu vực làm giàu tăng lên, mô phỏng sẽ chậm lại. Vì vậy X không dễ mở rộng quy mô lên các dự án lớn. Kết quả X cũng có thể bị ảnh hưởng bởi lưới bên dưới.
Phát triển vết nứt Ansys SMART với UMM
Sáng tạo mới nhất của Ansys là Công nghệ chia lưới lại thích nghi và chia tách biến đổi dần dần (Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology - SMART), dựa trên quy trình UMM được giới thiệu ở trên.
UMM linh hoạt và dễ sử dụng hơn bất kỳ công nghệ mô phỏng đứt gãy nào trước đây. Các kỹ sư có thể đặt một vết nứt có hình dạng bất kỳ tại bất kỳ vị trí nào trong hình dạng hình học của bộ phận được mô phỏng, bao gồm cả bề mặt hoặc trong khối lớn và sử dụng mô phỏng để xác định tốc độ phát triển vết nứt (nếu có) và số chu kỳ sai hỏng trong trường hợp các điều kiện mỏi.
Việc chia lưới lại với các phần tử tứ diện tet được thực hiện tự động tại khu vực quan trọng xung quanh đỉnh vết nứt ở mỗi lần lặp của quá trình mô phỏng. Tự động chia lại tinh chỉnh các phép tính ở những vùng cần thiết nhất mà không cần sự can thiệp của kỹ sư. Tất cả điều này được thực hiện mà không thỏa hiệp hoặc ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Trong một ví dụ, các kỹ sư đã mô phỏng một cánh tuabin có vết nứt hình bán elip gần moay-ơ (hub). Khi tắt UMM, hệ số cường độ ứng suất SIF dao động rất lớn - đôi khi vượt quá mức độ chính xác cần thiết. Với UMM được bật, mô phỏng tương tự khớp với kết quả của một mô phỏng được thực hiện bằng lưới lục giác lý tưởng.
Trước UMM, các kỹ sư phải xác định vị trí mặt trước vết nứt cùng với các trục chính và phụ của nó, ngay cả đối với vết nứt hình bán elip lý tưởng. Giờ đây, UMM có thể xử lý các vết nứt tùy ý thường thấy trong các ứng dụng thực tế.
Các kỹ sư thậm chí có thể thực hiện quét siêu âm của sản phẩm để tìm hình dạng thực sự của vết nứt trong một mẫu, trích xuất hình dạng đó và đưa nó vào mô hình để xem vết nứt hoạt động như thế nào.
SMART cập nhật lưới từ các thay đổi hình học vết nứt do sự phát triển vết nứt tự động ở mỗi bước giải thay vì sử dụng khu vực làm giàu (chia tách) của X.
Không giống như X, SMART có thể được mở rộng cho các dự án lớn hơn vì chia lại lưới bị giới hạn ở khu vực nhỏ xung quanh đầu vết nứt ở mỗi lần lặp lại.
Một lợi thế lớn của SMART là bạn có thể sử dụng các phần tử tiêu chuẩn đã có trong Mechanical, không cần phát triển các phần tử mới.
Các kỹ sư cũng có thể nhập luật phát triển vết nứt bất kỳ nào vào phần mềm, có thể là một luật được đề xuất trong một bài báo về vật liệu đang được sử dụng.
Thiết lập và chạy mô phỏng Ansys SMART
Việc thiết lập mô phỏng SMART có thể được thực hiện chỉ với một vài cú nhấp chuột. Sau khi nhập hình học, một phương pháp chia lưới cần được thêm vào và thiết lập 'Tetrahedrons (Tứ diện)'; theo mặc định, thuật toán Patch Conforming sẽ được chọn:
Bước tiếp theo là xác định vết nứt ban đầu. Crack Faces Nodes cần được đặt thành 'On' cho phát triển vết nứt SMART.
Thiết lập và giải:
Mô phỏng phát triển vết nứt và kết quả đứt gãy
Ở đây chúng tôi mô phỏng một vết nứt bề mặt bên trong vỏ máy bơm. Vỏ máy bơm chịu tải 4.000 psi ở bề mặt trên và nó được cố định ở bề mặt dưới.
Trên bề mặt bên trong của vỏ máy bơm này, người ta phát hiện ra rằng có các vết nứt bề mặt hình elip / hình bán nguyệt còn sót lại từ quá trình gia công hoặc từ dịch vụ hiện trường. Mục tiêu của kỹ sư là xác định kích thước vết nứt sẽ lan truyền và trong điều kiện tải trọng nào để kỹ sư có thể thông báo cho nhân viên hiện trường để loại bỏ và thay thế các bộ phận bảo dưỡng có kích thước vết nứt nhất định.
Để có thể đưa ra một mô phỏng kỹ thuật và báo cáo như thế này, trước đây phải mất nhiều tuần. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng Ansys Workbench, cùng một báo cáo có thể được tổng hợp lại trong vài giờ với khả năng cơ học đứt gãy Ansys hiện tại.
Các bước có thể được tóm tắt như sau:
- Thêm “Fracture” trong ứng dụng Mechanical.
- Thêm hệ tọa độ cục bộ trên bề mặt có vết nứt
- Xác định hình học vết nứt trong góc trái phía dưới
- Chia lưới vết nứt mới
- Chạy mô phỏng
- Trong phần “Solution, thêm “Fracture Tool”.
- Hậu xử lý (trích xuất) “SIFS (KI): KI, “Mode I Stress Intensity Factor” là rất quan trọng để xác định vết nứt là “đứt gãy tức thời” hay sẽ “lan truyền”. Nếu K1 nhỏ hơn KIC, là đặc tính vật liệu, hệ số cường độ ứng suất tới hạn, thì không có đứt gãy trung gian. Bước tiếp theo so sánh K1 với ngưỡng hệ số cường độ ứng suất “Threshold Stress Intensity Factor Kth”. Trong hầu hết các trường hợp, Kth là xấp xỉ 2 ksi•in5. Trong trường hợp này, K1 là 1.7 ksi•in0.5, vì vậy vết nứt này sẽ không lan truyền dưới tải trọng này và ở vị trí này; một vết nứt hình bán nguyệt 0,05 inch có thể được chấp nhận và vẫn được duy trì phục vụ trong trường hợp này.
Bước tiếp theo kỹ sư thay đổi:
- Vị trí của vết nứt
- Kích thước vết nứt
- Tăng tải (áp lực) lên
- Các điều kiện biên dịch chuyển
Tổng kết
Mô phỏng SMART là phương pháp mới nhất trong một chuỗi dài sáng tạo của Ansys được thiết kế để giải quyết vấn đề quan trọng về sự hình thành vết nứt, phát triển và đứt gãy trong thiết kế sản phẩm.
Chia lại lưới (remeshing) xung quanh đầu vết nứt sau mỗi lần lặp tập trung sức mạnh tính toán ở nơi cần thiết nhất, giúp mô phỏng SMART nhanh hơn và dễ dàng mở rộng quy mô cho các dự án lớn hơn.
Sử dụng UMM để chia lưới giúp loại bỏ thời gian tiền xử lý tốn kém và tạo ra một lưới tứ diện chính xác như một lưới lục diện tốn thời gian. Các sáng tạo của Ansys tiếp tục giúp bạn tiết kiệm thời gian và tiền bạc trong khi giúp bạn đưa các sản phẩm đáng tin cậy của mình ra thị trường nhanh hơn.
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này