Giáo Trình Ansys – Phân Tích Ứng Suất Và Biến Dạng – Đọc Sách Online Miễn Phí Ebooks PDF

Giới thiệu bạn đọc giáo trình Giáo Trình Ansys – Phân Tích Ứng Suất Và Biến Dạng của tác giả TS. Đỗ Thành Trung

1.2. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN CƠ HỌC

Cơ học cổ điển là cơ sở cho sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ như: chế tạo máy, xây dựng… Cơ học cổ điển chia ra thành ba phần lớn: tĩnh học, động học và động lực học, từ đó cũng có được các bài toán tĩnh học, bài toán động học và bài toán động lực học.

+ Tĩnh học:

Tĩnh học là một phân nhánh của vật lý liên quan đến việc phân tích các tải (lực, moment lực) trên một hệ vật ở trạng thái cân bằng tĩnh có nghĩa là trong trạng thái mà vị trí tương đối giữa các thành phần trong hệ là không thay đổi theo thời gian, hoặc khi các thành phần và cấu trúc đang ở trạng thái đứng yên. Khi ở trong trạng thái cân bằng tĩnh, hệ có thể đang đứng yên hoặc khối tâm của nó đang di chuyển với vận tốc đều.

Theo định luật II Newton trạng thái này có nghĩa là tổng ngoại lực và moment lực trên mỗi vật trong hệ bằng không, có nghĩa là với bất kỳ một lực nào tác động lên vật phải có một lực bằng về độ lớn và ngược chiều tác động lên vật. Từ ràng buộc này những đại lượng như nén hay áp lực có thể được suy ra. Tổng ngoại lực bằng không được biết với tên điều kiện cân bằng thứ nhất, và tổng moment lực bằng không được biết với tên điều kiện cân bằng thứ hai.

Tĩnh học được dùng nhiều trong việc phân tích các cấu trúc như trong kỹ thuật kiến trúc và cấu trúc. Sức bền vật liệu là một lĩnh vực liên quan trong cơ học dựa chủ yếu trên việc ứng dụng cân bằng tĩnh.

Thủy tĩnh học còn được biết đến với tên tĩnh học chất lỏng, là một ngành nghiên cứu chất lỏng ở trạng thái đứng yên. Ngành này phân tích các hệ ở trạng thài cân bằng tĩnh trong đó có các lực sinh ra do chất lỏng cơ học. Đặc tính của bất kỳ chất lỏng nào ở trạng thái đứng yên là lực tác động lên bất kỳ phần nào của chất lỏng cũng bằng nhau theo mọi hướng. Nếu lực là không bằng nhau chất lỏng sẽ chảy theo hướng của tổng lực.

+ Động học:

Nghiên cứu mô tả những hệ vật chất đang trong quá trình chuyển động, nghiên cứu các quy luật chuyển động của vật thể đơn thuần về hình học, không đề cập đến khối lượng và lực. Những kết quả khảo sát trong động học sẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu toàn diện các quy luật chuyển động của vật thể trong phần động lực học. Trong động học, vật thể được đưa ra dưới hai mô hình: động điểm và vật rắn. Động điểm là điểm hình học chuyển động trong không gian, còn vật rắn là tập hợp nhiều động điểm mà khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ trong nó luôn luôn không đổi. Khi khảo sát các vật thực có kích thước không đáng kể, có thể coi như mô hình động điểm.

Chuyển động là sự thay đổi vị trí của vật trong không gian theo thời gian. Đơn vị đo độ dài là mét và ký hiệu m, đơn vị đo thời gian là giây và ký hiệu là s.

Tính chất của chuyển động phụ thuộc vào vật chọn làm mốc để so sánh gọi là hệ quy chiếu. Trong động học, hệ quy chiếu được lựa chọn tùy ý sao cho việc khảo sát chuyển động của vật được thuận tiện. Để có thể tính toán người ta còn phải chọn hệ tọa độ gắn với hệ quy chiếu. Để đơn giản, thông thường dùng ngay hệ tọa độ làm hệ quy chiều. Tính thời gian thông thường phải so sánh với mốc thời điểm to chọn trước.

Về nội dung, động học phải tìm cách xác định vị trí của vật và mô tả chuyển động của vật theo thời gian so với hệ quy chiếu đã chọn. Thông số xác định vị trí của vật so với hệ quy chiếu đã chọn là thông số đơn vị. Thông số đơn vị có thể là véc tơ, tọa độ, góc… Quy luật chuyển động được biểu diễn qua các biểu thức liên hệ giữa các thông số định vị với thời gian và được gọi là phương trình chuyển động. Trong phương trình chuyển động, thời gian được coi là đối số độc lập. Khi khử đối số thời gian trong phương trình chuyển động được biểu thức liên hệ giữa các thông số định vị gọi là phương trình quỹ đạo.

Để biểu thị tính chất của chuyển động chúng ta đưa ra các đại lượng vận tốc và gia tốc. Vận tốc là đại lượng biểu thị hướng và tốc độ chuyển động của điểm hay vật. Gia tốc là đại lượng biểu thị sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Gia tốc cho biết tính chất chuyển động đều hay biến đổi. Vận tốc và gia tốc là các đại lượng phụ thuộc vào thời gian.

Căn cứ vào nội dung chúng ta chia động học thành hai phần: động học điểm và động học vật rắn. Khi khảo sát động học vật rắn bao giờ cũng gồm hai phần: động học của cả vật và động học của điểm thuộc vật.

+ Động lực học:

Động lực học là một ngành trong cơ học chuyên nghiên cứu chuyển động của các vật thể và mối liên hệ giữa chúng với tương tác giữa các vật. Động lực học quan tâm đến nguyên nhân sinh ra chuyển động của các vật, đó là lực. Động lực học thiết lập các định luật liên hệ giữa lực tác dụng với những đặc trưng động học và áp dụng các định luật đó có thể giải các bài toán kỹ thuật. Cơ sở của động lực học trong thế giới vĩ mô (kích thước lớn hơn cỡ milimet) là các định luật Newton và nguyên lý Galileo, theo cơ học cổ điển hay tiên đề của thuyết tương đối. Cơ sở của động lực học trong thế giới vi mô (kích thước nhỏ hơn cỡ micromet) chính là thuyết lượng tử.

Vật thể trong động lực học được xét dưới dạng mô hình: chất điểm, cơ hệ, vật rắn. Chất điểm là một điểm hình học có mang khối lượng. Chất điểm là mô hình đơn giản nhất và cơ bản nhất của vật thể trong động lực học.

Khác với tĩnh học, lực trong động lực học có thể là không đổi, có thể biến đổi cả về độ lớn lẫn phương chiều.

Trong động lực học, lực có thể là lực phụ thuộc vào thời gian như lực kéo đầu máy, phụ thuộc vào vị trí của vật như lực hấp dẫn, phụ thuộc vào vận tốc như lực cản của không khí. Một cách tổng quát trong động lực học lực là một hàm của thời gian, vị trí và vận tốc. Trong động lực học, các lực được phân chia thành nội lực, ngoại lực hay phản lực liên kết. Ngoại lực là các lực do chất điểm hay vật thể ngoài hệ tác dụng vào hệ. Phản lực liên kết là lực tác dụng do các vật gây liên kết lên cơ hệ khảo sát.

Để khảo sát chuyển động của vật bao giờ cũng chọn trước một hệ quy chiếu. Hệ quy chiếu không phụ thuộc vào thời gian gọi là hệ quy chiếu quán tính, ngược lại hệ quy chiếu phụ thuộc vào thời gian gọi là hệ quy chiếu không quán tính.