Vẽ đồ thị lực và momen, kiểm bền thanh dầm bằng solidwork

1. Giới thiệu về solidwork

 Xin chào các bạn, trở lại hôm nay admin sẽ giới thiệu đến các bạn loạt bài hướng dẫn kiểm bền thanh dầm bằng solidwork. Mình sẽ giúp các bạn học cách kiểm bền solidwork cơ bản nhất. Nào hãy bắt đầu luôn!

Phần mềm solidwork

Trước hết các bạn cần hiểu solidwork là gì?

Solidwork là phần mềm cơ khí hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và tính toán các chi tiết, các cụm chi tiết cơ khí từ lúc dựng vật thể 3D tới lúc lắp ghép và xuất bản vẽ. Nói như vậy đây là phần mềm chỉ dành riêng cho chuyên ngành cơ khí, trong các nhà máy và trung tâm nghiên cứu phát triển sản phẩm. Các bạn hầu hết đều đã từng làm việc hoặc nghe qua phần mềm vẽ 2D thông dụng nhất Autocad, solidwork chính là phần mềm chuyển giao từ 2D sang 3D.
Nếu là sinh viên chuyên ngành cơ khí hay cơ khí động lực thì các bạn cũng đã nghe qua các phần mềm chuyên dụng nữa như Catia, NX, Inventor. Chúng là các phần mềm rất mạnh hỗ trợ tối đa cho các nhà thiết kế cơ khí.

Các phần mềm thiết kế 3D cơ khí chuyên dụng

Đứng giữa sự lựa chọn của các phần mềm tuyệt vời trên, admin đã từng làm việc với tất cả chúng và các phần mềm đều mang những ưu điểm của chúng.

- Solidwork: thiết kế nhanh, đơn giản, dễ sử dụng, đáp ứng được hầu hết công việc thiết kế cơ khí.

- Inventor: là anh em sinh đôi với solidwork vì giao diện cũng như cách sử dụng cũng tương tự solidwork.

- NX đây là phần mềm bậc cao do hãng nổi tiếng Siemen phát hành, tích hợp đầy đủ các module thiết kế, mô phỏng, xuất bản vẽ, tạo code gia công; quy trình khép kín ngay trong một phần mềm.

- Catia hỗ trợ mạnh mẽ các kĩ sư oto, tàu thủy hay máy bay với khả năng tạo surface vượt trội.

Như vậy, các bạn hãy chọn riêng cho mình một phần mềm để làm việc. Trong seri này, mình sẽ chỉ hướng dẫn các bạn kiểm bền thanh bằng solidwork vì mình đã gắn bó với nó được 5 năm rồi. 

2. Kiểm bền thanh dầm bằng solidwork

Bài toán 1.

Bài toán vẽ đồ thị bằng tay và kiểm tra bằng solidwork

Admin sẽ hướng dẫn các bạn tính toán nội lực , vẽ đồ thị lực và monen sau đó dùng phần mềm solidwork kiểm tra đồ thị. Cùng bắt tay thôi nào.

Trước tiên đây là dầm. Các bạn lưu ý giúp mình là thanh mà chỉ chịu momen uốn Mx, hay My mà không chịu momen xoắn Mz thì được gọi là dầm. Nhìn vào hình vẽ ta thấy thanh chịu tác dụng của ngoại lực P = 5 kN được đặt trên một gối tựa cố định, một gối tựa di động. Để giải được bài toán, trước tiên ta cần thay thế hai gối tựa bằng các lực tương ứng.

Thay thế các gối tựa và chuẩn bị mặt cắt

Như các bạn đã biết thì một gối tựa cố định A sẽ được thay thế bằng 2 lực Xa và Ya theo phương x và y. Nhưng vì theo phương x không có ngoại lực nên sẽ không tồn tại lực theo phương x. Gối tựa di động được phân tích thành một lực duy nhất là YB. 

Đầu tiên chúng ta sẽ đi tính các lực Ya và YB. Viết hai phương trình cân bằng lực và momen cho thanh ta có:

Ya+ YB - P = 0

Phương trình momen đối với điểm A:

P.1-YB.3 = 0

Thay P= 5 kN rồi giải hệ ta có được kết quả sau đây:

Ya= 10/3 kN

YB= 5/3 kN

Trong bài này mình vẫn sẽ sử dụng phương pháp đơn giản nhất là mặt cắt để giải. Giữa hai lực mình sẽ cắt bằng một mặt phẳng và trong bài này, chúng là hai mặt phẳng 1-2 và 2-2.

Xét tại mặt cắt 1-1:( Quy ước chiều dương hướng xuống)

Mặt cắt 1-1

Sau khi cắt thanh, chúng ta sẽ phải thay phần bị cắt đi bằng 2 nội lực như hình vẽ. Như mình đã giới thiệu trong bài Hướng dẫn vẽ đồ thị sức bền vật liệu( lực và momen) thì khi cắt thanh bằng mặt phẳng mà mặt cắt nằm bên phải thanh, lực cắt Qy sẽ mang giá trị dương nếu hướng xuống cùng với chiều dương của Oy. Momen uốn Mx sẽ mang dấu dương khi làm căng thớ dọc của thanh dầm về phía chiều dương của oy.

Viết phương trình cho lực cắt:

-Ya + Qy1= 0

Chuyển vế ta sẽ tính được nội lực tại mặt cắt 1-1 Qy1= Ya= 10/3 kN.

Viết phương trình cho momen, trong sức bền người ta quy ước ngược chiều kim đồng hồ thì momen sẽ có giá trị dương. Như vậy:

Mx1- Ya.z1= 0

Trong đó, miền giới hạn của mặt cắt 1-1 là  0<= z <= 1.

Thay Ya = 10/3 và miền giá trị của z ta được 0 <= Mx1 <= 10/3 kN.m

Ta đã tính được lực cắt mà momen với mặt cắt 1-1. Mặt cắt này chỉ có ảnh hưởng từ gối tựa cố định A tới điểm đặt của lực P vì bắt đầu từ điểm P, nội lực sẽ phải chịu thêm lực tác động từ ngoại lực. Chính vì vậy ta mới cần phải dùng thêm tới mặt cắt 2-2.

Tiếp theo ta sẽ khảo sát mặt cắt 2-2:

Mặt cắt 2-2

Tương tự như mặt cắt 1-1, ta cũng sẽ thay thế phần cắt đi bằng các nội lực Qy2 và Mx2, Chiều thì vẫn theo quy ước của sức bền vật liệu.

Viết phương trình cân bằng lực ta được:

Ya - P -Qy2 = 0

Từ đây ta tính được Qy2 = -5/3 kN.

Viết phương trình cân bằng momen ta có:

Mx2 - Ya.z2 +P.(z2-1)= 0 

Ta có miền giá trị của Z2 là: 1<= z2 <= 3

Thay các giá trị vào ta có 10/3< =Mx2<= 0 kN.m

Lưu ý khoảng giá trị kia về mặt toán đại số thì vô lí nhưng mình chỉ muốn biểu thị giá trị của Mx2 chạy trong khoảng theo z mà thôi, nên các bạn đừng vội thắc mắc nhé. Phần tiếp theo vẽ đồ thị các bạn sẽ thấy trực quan hơn nhiều.

Bắt đầu vẽ biểu đồ lực trước, thì theo quy ước trong sức bền vật liệu vẽ biểu đồ lực cắt Qy mang dấu dương nằm bên trên đồ thị.

Mặt cắt 1-1, Qy1= 10/3 từ đầu trái thanh tới P và do trong đoạn này, thanh không có chịu thêm ngoại lực nào nên đồ thị sẽ không biến thiên gì cả, ta có hình sau:

Đồ thị lực cắt Qy mặt cắt 1-1

Tiếp theo là mặt cắt 2-2, Qy2 = -5/3 kN chạy khắp phần thanh còn lại và cũng do thanh không phải chịu thêm ngoại lực nào nên đồ thị sẽ không bị biến đổi.

Đồ thị lực cắt

Đồ thị lực cắt bài này là xong. Tiếp đến chúng ta sẽ vẽ biểu đồ momen.

Với mặt cắt 1-1, giá trị của momen: 0<= Mx1 <= 10/3 tăng dần theo chiều dài thanh. Theo quy ước trong sức bền vật liệu thì giá trị momen dương sẽ nằm bên dưới trục đồ thị.

Biểu đồ momen mặt cắt 1-1

Mặt cắt 2-2, 10/3 <= Mx2<= 0:

Biểu đồ momen mặt cắt 1-1 và 2-2

Xong rồi đấy, và hãy cùng tổng kết lại các bước vẽ đồ thị bằng hình vẽ dưới đây

Biểu đồ lực cắt và momen uốn

Như vậy là việc giải bài toán vẽ đồ thị đã xong. Trong phần tiếp theo, admin sẽ hướng dẫn cho các bạn tính toán và vẽ đồ thị bằng phần mềm solidwork rất thú vị và tiện lợi. Các bạn nhớ ôn bài nhé. See you later!