Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu khung sơ mi rơ mooc z751 asean s403 d1 luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI HỒNG VĂN HÀO NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC Z751-ASEAN S403-D1 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI -2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HOÀNG VĂN HÀO N NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC Z751-ASEAN S403-D1 Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 60.52.0116 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS VŨ TUẤN ĐẠT HÀ NỘI -2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Những nội dung luận văn tơi thực với hƣớng dẫn khoa học thầy TS VŨ TUẤN ĐẠT, q thầy giáo Bộ mơn khí tơ trƣờng Đại học Giao thông vận tải giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đƣợc đăng ký phê duyệt Hiệu trƣởng Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Các số liệu, kết luận văn trung thực Tác giả luận văn Hoàng Văn Hào LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn TS VŨ TUẤN ĐẠT tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi suất q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy Bộ mơn khí tơ Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải có ý kiến đóng góp quý báu q trình thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp lớp Kỹ thuật ô tô – máy kéo K21.1, tạo điều kiện, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Hoàng Văn Hào MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IV DANH MỤC CÁC BẢNG V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN VI PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sự cần thiết đề tài 1.2 Hiện trạng nghiên cứu tính tốn kết cấu khung tơ 1.2.1 Đặc điểm kết cấu khung ô tô 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu : 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu : CHƢƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO KHUNG 2.1 Lý thuyết tối ƣu phƣơng pháp tối ƣu hóa kết cấu 2.1.1 Khái niệm tối ƣu tối ƣu hóa 2.1.2 Bài toán tối ƣu tổng quát phân loại toán tối ƣu 2.1.3 Bài tốn tối ƣu hóa kết cấu 10 2.1.4 Các phƣơng pháp giải toán tối ƣu kết cấu 12 2.1.5 Lựa chọn phƣơng pháp giải toán tối ƣu kết cấu 17 2.2 Kết cấu khung Sơ mi rơ mooc Z751-ASEAN S403-D1 18 2.3 Giới thiệu phƣơng pháp phần tử hữu hạn 21 2.3.1 Tƣ tƣởng phƣơng pháp 21 2.3.2 Cơ sở phƣơng pháp 23 2.3.3 Nội dung phƣơng pháp 24 2.3.4 Thuật toán tổng quát phƣơng pháp 26 2.4 Tải trọng tác dụng lên khung sơ mi rơ mooc 27 2.5 Giới thiệu phần mềm Ansys 28 2.5.1 Tổng quan 28 2.5.2 Các chức Ansys 30 2.5.3 Mơ hình số phần tử Ansys 32 2.5.4 Phƣơng pháp giải số toán Ansys 35 2.6 Tham số hóa thiết lập mơ hình FEA cho kết cấu khung 39 CHƢƠNG TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU KHUNG SƠ MI RƠ MOOC Z751-ASEAN S403-D1 41 3.1 Lựa chọn chế độ tải trọng tính tốn 41 3.2 Phân tích kết tính toán chế độ tải trọng 42 3.2.1 Tính bền kết cấu khung trạng thái tĩnh 42 3.3 Thiết lập mơ hình tốn tối ƣu hóa kết cấu khung 56 3.3.1 Lựa chọn kết cấu cần tối ƣu 56 3.3.2 Tối ƣu hóa kết cấu khung sơ mi rơ mooc 62 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 71 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Tối ƣu cấu trúc tối ƣu tiết diện 12 Hình 2.2 Sơ đồ GA 17 Hình 2.3 Kết cấu tổng thể khung sơ mi rơ mooc .19 Hình 2.4 Giao diện phần mềm ANSYS 16.0 29 Hình 2.5 Các trình đơn chức 31 Hình 2.6 Mơ hình phần tử SHELL 63 34 Hình 2.7 Thuật toán Newton - Raphson 38 Hình 2.8 Mơ hình 3D thực thể kết cấu khung 40 Hình 3.1 Đặt điều kiện biên tính tĩnh 44 Hình 3.2 Đặt tải trọng tác dụng tính tĩnh 45 Hình 3.3 Chuyển vị theo phƣớng đứng tính tĩnh .46 Hình 3.4 Ứng suất Von Mises tính tĩnh 47 Hình 3.5 Đặt điều kiện biên phanh gấp 48 Hình 3.6 Tải trọng tác dụng phanh gấp 49 Hình 3.7 Chuyển vị theo phƣơng dọc trục phanh gấp 50 Hình 3.8 Ứng suất Von - Mises phanh gấp 51 Hình 3.9 Đặt điều kiện biên quay vịng 52 Hình 3.10 Tải trọng tác dụng quay vòng 53 Hình 3.11 Chuyển vị tổng hợp quay vịng 54 Hình 3.12 Ứng suất Von Mises quay vòng 55 Hình 3.13 Sơ đồ ký hiệu biến thiết kế vị trí khung satxi 57 Hình 3.14 Các bƣớc giải tốn tối ƣu hóa kết cấu 61 Hình 3.15 Khối lƣợng khung satxi thay đổi theo vịng lặp 64 Hình 3.16 Ứng suất tƣơng đƣơng Max thay đổi theo vòng lặp 65 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Một số phƣơng pháp quy hoạch toán học 13 Bảng 2.2 Đặc trƣng phần tử MASS21 32 Bảng 2.3 Đặc trƣng phần tử SHELL63 34 Bảng 2.4 Phƣơng pháp giải toán tĩnh tuyến tính 36 Bảng 3.1 Khối lƣợng cụm tổng thành, hệ thống phân bố 43 Bảng 3.2 Mô tả biến thiết kế 57 Bảng 3.3 Kết tính tốn tối ƣu 63 Bảng 3.4 Lựa chọn hợp lý tham số kết cấu khung satxi 66 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN u chuyển vị phần tử t thời gian n - số điểm nút thuộc phần tử Ni - hàm nội suy - q e tham số - B ma trận ứng biến - L toán tử vi phân - D ma trận đàn hồi - P lực tập trung - T lực bề mặt - f lực khối - R m - R e q - e lực quán tính lực cản lăn - K véc tơ chuyển vị điểm nút hệ tọa độ suy rộng e ma trận độ cứng C ma trận ngoại lực - e tác dụng điểm nút hệ tọa độ suy rộng F - e làm biến trạng thái hàm mục tiêu Bước 2: Thiết lập tham biến sở liệu ANSYS để tiện việc sử dụng tệp liệu phân tích; Bước 3: Vào tối ƣu hóa rõ tệp liệu cần tối ƣu; Bước 4: Khai báo biến cần tối ƣu hoá; Bước 5: Chọn phƣơng pháp tối ƣu hố; Bước 6: Chỉ rõ cách điều khiển vịng lặp tối ƣu hố; Bước 7: Tiến hành phân tích tối ƣu hoá; Bước 8: Hiển thị kết tập liệu thiết kế khai thác kết 3.3.2 Tối ƣu hóa kết cấu khung Các giá trị biến trạng thái ban đầu hàm mục tiêu nhƣ sau: - STRESS = 284.61 (giá trị ứng suất tƣơng đƣơng lớn trạng thái ban đầu) - TVOLU (tổng thể tích kết cấu) = 92E+6 - WG 0.72 Kết tính tốn tối ƣu hóa kết cấu khung satxi cho bảng 3.3 Phƣơng án tối ƣu hội tụ vòng lặp thứ 19 (Itegration_SET 19), với trọng lƣợng khung satxi ấ tƣơng đƣơng lớn 𝑆𝑇 𝐸𝑆𝑆 𝐵𝐸𝑈𝑌 𝑎 65 𝑀𝑃𝑎 Giá trị ứng suất Trang 61 Bảng 3.3 Kết tính tốn tối ưu Ký hiệu It_Set Set Set Set Set SMAX 284.61 250.31 182.70 201.03 162.77 T1 8.0000 5.8472 5.8478 5.6951 5.6317 T2 14.000 10.914 10.007 10.140 10.302 H1 223.00 169.40 173.45 167.36 188.60 H2 320.00 269.24 232.03 211.24 255.46 H3 460.00 376.88 389.64 376.49 373.88 W1 155.00 130.90 129.11 149.47 140.21 WG 0.7200 0.5916 0.5918 0.5741 0.5573 Ký hiệu Set Set Set Set Set 10 SMAX 193.53 220.15 172.63 161.11 170.21 T1 5.8364 5.3678 5.7752 5.9675 5.9675 T2 10.236 10.044 11.415 10.228 10.228 H1 187.95 172.66 154.84 155.02 155.02 H2 271.36 284.29 257.93 293.58 293.58 H3 379.54 365.90 369.18 355.59 355.59 W1 103.17 130.71 102.98 144.90 144.90 WG 0.5119 0.4764 0.4517 0.3679 0.3735 Ký hiệu Set 11 Set 12 Set 13 Set 14 Set 15 SMAX 260.14 175.00 277.12 180.81 175.71 T1 5.8364 5.3678 5.7752 5.9675 5.9675 T2 10.236 10.044 11.415 10.228 10.228 H1 187.95 172.66 154.84 155.02 155.02 H2 271.36 284.29 257.93 293.58 293.58 Trang 62 H3 379.54 365.90 369.18 355.59 355.59 W1 103.17 130.71 102.98 144.90 144.90 WG 0.3564 0.3707 0.3561 0.3553 0.3478 Ký hiệu Set 16 Set 17 Set 18 *Set 19* SMAX 182.73 169.20 166.12 165.72 T1 5.8364 5.3678 5.7752 5.9675 T2 10.236 10.044 11.415 10.228 H1 187.95 172.66 154.84 155.02 H2 271.36 284.29 257.93 293.58 H3 379.54 365.90 369.18 355.59 W1 103.17 130.71 102.98 144.90 WG 0.3355 0.3405 0.3309 0.3255 Satructure weight (kg) 800 700 600 500 400 300 200 100 10 15 20 Itegration Hình 3.15 Khối lượng khung satxi (WG - hàm mục tiêu) thay đổi theo vòng l p Trang 63 300 250 Stress max (Mpa) 200 150 100 50 0 10 15 20 Itegration Hình 3.16 Ứng suất tương đương max (STRESS–biến trạng thái) thay đổi theo vòng l p Lựa chọn hợp lý tham số kết cấu khung satxi Từ kết tính tốn tối ƣu hóa kết cấu khung satxi trƣờng hợp BEUY cần lựa chọn hợp lý tham số kết cấu (biến thiết kế) cho phù hợp với phôi công nghệ chế tạo Việc lựa chọn theo nguyên tắc: - Làm tròn tăng để đảm bảo điều kiện bền - Khối lƣợng khung satxi sau lựa chọn hợp lý tham số kết cấu WG 503 kg Nhƣ so với kết cấu khung chƣa tối ƣu, khối lƣợng khung giảm 217 kg tƣơng đƣơng giảm 30,13 % Kết lựa chọn bảng 3.4 Trang 64 Bảng 3.4 Lựa chọn hợp lý tham số kết cấu khung satxi Tên biến Kết tối ƣu Lựa chọn (mm) (mm) T1 5.9675 6.0 T2 10.228 12.0 H1 155.02 160.0 H2 293.58 300 H3 355.59 380 W1 144.90 145 Trang 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận Trên sở phƣơng pháp PTHH ứng dụng phần mềm ANSYS, đề tài xây dựng mơ hình PTHH cho kết cấu khung sơ mi rơ mooc Z751-ASEAN S403-D1 Công ty Cổ phần Kỹ thuật Cơ khí ASEAN thiết kế Cơng ty TNHH Một thành viên 751 sản xuất lắp ráp Nhờ vào hiển thị trực quan kết tính tốn giúp xác định đƣợc vị trí trọng yếu kết cấu, để từ đề xuất phƣơng án thiết kế cải tiến nhằm nâng cao khả ứng xử kết cấu chịu tải trƣờng hợp khác Với mơ hình PTHH kết cấu khung, đề tài thực nội dung nghiên cứu: tính bền chế độ tải trọng tĩnh; tính tối ƣu dầm trạng thái tĩnh chịu uốn (khơng tính đến ngang liên kết gia cƣờng) Kết tối ƣu đạt đƣợc giảm 217 kg tƣơng đƣơng 30,13 % so với khối lƣợng kết cấu ban đầu  Hƣớng phát triển - Khảo sát, tính tốn tối ƣu hố tồn kết cấu khung dầm, mối ghép kết cấu - Tính tốn khả chịu mỏi, đặc biệt mối ghép hàn - Tính tốn dao động kết cấu tải trọng tác dụng liên tục thay đổi - Tính tốn biến dạng lớn kết cấu, xảy trƣờng hợp va chạm - Mô khả ứng xử kết cấu tải trọng tác dụng thay đổi theo thời gian Trong trình thực đề tài, điều kiện thời gian có hạn, đề tài cịn có thiếu sót định Kính mong nhà khoa học bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Trang 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Petersen W Application of Finite Element Method to Predict Static Response of Automotive Body Structures SAE paper 710263, 1971 [2] Kirioka K, Ohkubo Y, Hotta Y Structures SAE paper 710157,1971 [3] Alaniz C L., Brookes L E., Seel T N Investigation of Body Panel Stiffness as Predicted by Finite Element Analysis SAE paper 900716, 1990 [4] Takamatsu M, Fujita H and et al Development Of Lighter-Weight, Higher Stiffness Body For New RX-7 SAE paper 920244, 1992 [5] KimT Study On The Stiffness Improvement Of Bus Structure SAE paper 931995, 1993 [6] Detwiler D Computer Aided Structural Optimization Of Automotive Body Structure SAE paper 960523, 1996 [7] Kim M.H, Suh M.Wand BaeD.H Development Of An Optimum Design Technique For The Bus Window Pillar Proc Instn Mech Engrs, Part D: J Automotive Engineering, 2001, Vol 215(D1), p:11– 20 [8] Lan F, Chen J, Lin J Comparative Analysis for Bus Side Structures and Light Weight Optimization Journal of Automotive Engineering, 2004, Vol 218 (10), p: 1067-1075 [9] Ngô Thành Bắc (1985) Sổ tay thiết kế ôtô khách Nhà xuất Giao thông Vận tải [10] Nguyễn Phúc Hiểu (1996) Nghiên cứu ảnh hƣởng dao động lên khung xƣơng ôtô xe chuyển động đƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật [11] Nguyễn Huy Sơn (1999) Tính tốn kết cấu khung vỏ ơtơ phƣơng pháp phần tử hữu hạn Học viện Kỹ thuật Quân sự, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật [12] Trần Minh Sơn (2002) Nghiên cứu khả chịu tải vỏ ô tô dƣới tác dụng tải trọng mặt đƣờng ngẫu nhiên Việt Nam Học viện Kỹ thuật Quân sự, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật [13] Nguyen Trong Hoan, Tran Van Nghia, Trinh Minh Hoang Analysing the Characteristics of Frame Structure of the Buses Using in Vietnam ICAT 2005 [14] Nguyen Trong Hoan, Tran Van Nghia, Trinh Minh Hoang To Design An Analysis of Body Trang 67 Software Calculating The Strength of Frame Buses ICAT 2005 [15] Nguyễn Hữu Huân Xác định ứng suất biến dạng khung vỏ xe va chạm phần mềm ANSYS Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2006 [16] Nguyễn Hữu Hn Nghiên cứu tính bền kết cấu khung xƣơng tô chở khách theo tiêu chuẩn E/ECE/TRANS/505/66 phầm mền ANSYS Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 05/2005 [17] Võ Nhƣ Cầu Tính kết cấu theo phƣơng pháp tối ƣu Nhà xuất Xây dựng, 2003 [18] Lê Xuân Huỳnh Tính tốn kết cấu theo lý thuyết tối ƣu Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [19] Vũ Tuấn Đạt Đề xuất dạng kết cấu khung ô tô tải cỡ trung sản xuất Việt Nam Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 5, 2003 [20] Trần Hữu Nhân, Phan Đình Huấn, Phạm Xuân Mai.Nghiên cứu tính tốn tối ƣu hố kết cấu thân xe bt Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh: Báo cáo khoa học, 2005 [21] Nguyễn Đình Thế Tính tốn kết cấu khung xƣơng ôtô khách sản xuất Việt Nam Trƣờng ĐH GTVT, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, 2015 [22] Wang X Ch, Shao M (1997) The Basic Theory and Numerical Method of Finite Element Method Beijing: Tsinghua University [23] Nguyễn Thị Bạch Kim Các phƣơng pháp tối ƣu – Lý thuyết thuật toán Nhà xuất Bách khoa – Hà Nội, 2008 [24] ANSYS, Inc Structural Analysis Guide – ANSYS Release 16 ANSYS, Inc Published in USA, 2014 [25] ANSYS, Inc Theory Reference for The Machanical APDL and Mechanical Applications - ANSYS Release 16 ANSYS, Inc Published in USA, 2014 [26] Vũ Đình Tuấn Tính tốn kết cấu khung xe tải tự đổ CL-KC9650D2 phƣơng pháp phần tử hữu hạn Đại học GTVT Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, 2014 [27] ANSYS, Inc Elemant Reference - ANSYS Release 12.1 ANSYS, Inc Published in USA, 2009 [28] Liu J Weight Lighting of the City Bus Body by FEM Analysis China: Wuhan University of Science and Technology, Thesis of Master Degree, 2010 [29] Li Ch B Finite Element Modeling and Analysis of Static and Dynamic Characteistics for Coach-Body Frame China: Hefei Trang 68 University of Technology, Thesis of Master Degree, 2010 [30] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vƣợng Sức bền vật liệu – Tập I & II Nhà xuất Giáo dục, 2004 [31] More J J and Wright S J Opmization Software Guide SIAM – Philadelphia, 1993, p: 13 [32] QCVN 09: 2011/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng an toàn kỹ thuật bảo vệ môt trƣờng ô tô Bộ Giao thông vận tải, 2011 [33] QCVN 11: 2011/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng an toàn kỹ thuật bảo vệ môt trƣờng sơ mi rơ mooc Bộ Giao thông vận tải, 2011 [34] Thông tƣ 30/2011/TT-BGTVT Quy định kiểm tra chất lƣợng an tồn kỹ thuật bảo vệ mơi trƣờng sản xuất, lắp ráp xe giới Trang 69 PHỤ LỤC THƠNG SỐ KỸ THUẬT SƠ MI RƠ MC Z751ASEAN S403-D1 I BỐ TRÍ CHUNG 11986 5853 2260 5853 (280) 600 2400 180 200 15° 7200 1360 12135 1360 1670 2260 1500 Trang 70 Trang 71 Trang 72 II CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN STT Thông số Đơn vị Giá trị Thơng số chung 1.1 Kích thƣớc bao Mm 12260x2500x1500 1.2 Chiều dài sở Mm 7200x1360x1360 1.3 Chiều dài đuôi xe Mm 1670 1.4 Vết bánh xe Mm 1840 1.5 Vết bánh xe phía ngồi Mm 2160 1.6 Khoảng sáng gầm xe Mm 420 1.7 Khối lƣợng thân Kg 5260 Phân bố lên trục (chốt kéo) Kg 850 Phân bố lên trục Kg 1470 Phân bố lên trục Kg 1470 Phân bố lên trục Kg 1470 Khối lƣợng hàng hóa chuyên Kg 34740 Kg 40000 Phân bố lên trục (chốt kéo) Kg 16000 Phân bố lên trục Kg 8000 1.8 chở cho phép tham gia giao thơng 1.9 Khối lƣợng hàng hóa chuyên chở theo thiết kế lớn nhà sản xuất Trang 73 2.1 Phân bố lên trục Kg 8000 Phân bố lên trục Kg 8000 Hệ thống phanh Cơ cấu phanh tang Hệ thống phanh trống, dẫn động khí nén, dịng tác động lên bánh xe trục 2,3,4 2.2 Cơ cấu phanh tang Phanh dừng trống, dẫn động khí nén + lị xo tích bầu phanh trục 2,3,4 Hệ thống treo: GERMANY LDSC – 305B 3.1 Trục Phụ thuộc, nhíp 3.2 Trục Phụ thuộc 3.3 Trục Phụ thuộc 3.4 Số lƣợng nhíp Lá 3.5 Tiết diện ngang nhíp Mm 75 x 13 Kg 16000 kg/bộ 10 (rộng x dày) 3.6 4.1 Tải trọng cho phép Trục xe: GERMANY LDAF-038A Trục 2, trục 3, trục Trục bị động, dầm Trang 74 cầu hình hộp, tải trọng cho phép 13000 kg/trục 4.2 Cỡ lốp trục 2, trục 3, 11.00R20 trục 4.3 Khối lƣợng cho phép lốp Kg 3250 Kpa 930 kép 4.4 Áp suất lốp kép 4.5 Cỡ vành 8.00V-20 4.6 Chỉ số khả chịu tải 152/149 lốp 4.7 Cấp tốc độ lốp K Chân chống: GERMANY Kiểu LD28T Dẫn động đồng tay quay thời, bố trí bên phải theo chiều tiến xe, tải trọng cho phép 28000 kg Chốt kéo Chốt hãm container D-value: 162 kN Chiếc 08 Trang 75