Thiết kế tối ưu kết cấu của khung xương xe khách luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật ô tô máy kéo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI VŨ THẾ ANH THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU CỦA KHUNG XƯƠNG XE KHÁCH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI VŨ THẾ ANH THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU CỦA KHUNG XƯƠNG XE KHÁCH Ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số Chuyên sâu : 8520116 : Kỹ thuật ô tô - máy kéo LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÀNH CÔNG Hà Nội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực Các kết quả, kết luận luận văn chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Các tài liệu tham khảo sử dụng luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Bùi Vũ Thế Anh ii LỜI CẢM ƠN Với tất chân thành, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Cơng - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tận tình bảo, hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình xây dựng hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể thầy giáo Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ nói riêng thầy giáo phịng, khoa nói chung trường Đại học Giao thơng Vận tải Hà Nội giúp đỡ chuyên môn tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập trường Xin chân thành cảm ơn bạn học khoá, bạn lớp cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khố 25.1 giúp đỡ tơi q trình học tập q trình hồn thành luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn khó tránh khỏi số thiếu sót Tác giả mong nhận bảo từ phía thầy ý kiến đóng góp từ bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Bùi Vũ Thế Anh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Thực trạng sản xuất ô tô chở khách 1.1.1 Tình hình sản xuất, chế tạo ô tô chở khách giới 1.1.2 Tình hình sản xuất, chế tạo ô tô chở khách Việt Nam 1.2 Lý thuyết tối ưu phương pháp tối ưu hóa kết cấu 1.2.1 Khái niệm tối ưu tối ưu hóa 1.2.2 Bài toán tối ưu tổng quát phân loại toán tối ưu 1.2.3 Bài toán tối ưu hóa kết cấu (BTTUKC) 1.2.4 Các phương pháp giải BTTUKC 10 1.2.5 Lựa chọn phương pháp giải BTTUKC 14 1.3 Các nghiên cứu nước 16 1.3.1 Các nghiên cứu nước 16 1.3.2 Các nghiên cứu nước 17 1.4 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 18 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 18 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 18 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 18 1.4.4 Phương pháp nghiên cứu 18 1.4.5 Kết cấu luận văn 18 CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM BỀN KHUNG XƯƠNG XE KHÁCH 19 2.1 Phân tích đặc điểm kết cấu loại khung xương xe khách 19 2.1.1 Mơ hình tổng thể tơ khách 19 2.1.2 Phân tích kết cấu khung xương, satxi ô tô khách 20 2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn 25 2.2.1 Chọn vật liệu gán điều kiện biên cho mơ hình 25 2.2.2 Chia lưới mơ hình 26 2.2.3 Gán vật liệu 27 2.2.4 Khai báo kiểu phần tử 28 2.2.5 Đặt khối lượng lên mơ hình 29 2.2.6 Hệ thống đệm treo khí sử dụng q trình mơ 31 iv 2.3 Tính tốn kiểm nghiệm bền khung xương xe khách 33 2.3.1 Quá trình uốn 33 2.3.2 Quá trình xoắn 35 2.3.3 Quá trình phanh 36 2.3.4 Quá trình quay vòng 37 2.3.5 Phân tích đánh giá kết đạt 38 CHƯƠNG III TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU KHUNG XƯƠNG XE KHÁCH 39 3.1 Xác định hàm mục tiêu tham số thiết kế 39 3.1.1 Xác định hàm mục tiêu 39 3.1.2 Các tham số thiết kế 39 3.2 Dùng SPSS lập phương trình hồi quy tuyến tính 42 3.2.1 Phương trình hồi quy ứng suất phần khung xương 45 3.2.2 Phương trình hồi quy ứng suất phần chassis 46 3.2.3 Phương trình hồi quy ứng suất phần khối lượng tơ khách 49 3.3 Tối ưu hóa kết cấu khung xương ô tô khách 51 3.3.1 Quá trình uốn 55 3.3.2 Quá trình quay vịng 56 3.3.3 Quá trình phanh 56 3.3.4 Quá trình xoắn 56 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tối ưu cấu trúc tối ưu tiết diện 10 Hình 1.2 Sơ đồ GA 14 Hình 2.1 Mơ hình tổng thể tơ khách 19 Hình 2.2 Bố trí dầm sàn tơ khách 20 Hình 2.3 Bố trí khung đầu tơ khách 21 Hình 2.4 Bố trí khung tơ khách 22 Hình 2.5 Bố trí khung xương hơng bên trái 22 Hình 2.6 Khung xương hơng phải 23 Hình 2.7 Bố trí khung trần tơ khách 23 Hình 2.8 Tổng thể chassi sử dụng thép Q345 24 Hình 2.9 Quy trình thực 25 Hình 2.10 Chia lưới mơ hình 26 Hình 2.11 Tạo vật liệu 27 Hình 2.12 Thiết lập vật liệu 27 Hình 2.13 Khai báo kiểu phần tử 28 Hình 2.14 Giá trị bề dày phần tử 28 Hình 2.15 Thiết lập giá trị bề dày phần tử 29 Hình 2.16 Đặt khối lượng lên mơ hình 29 Hình 2.17 Đặt khối lượng lên mơ hình 30 Hình 2.18 Hệ thống đệm treo khí sử dụng mơ hình 31 Hình 2.19a Mơ hình phần tử hữu hạn 32 Hình 2.19b Mơ hình phần tử hữu hạn 32 Hình 2.20 Ràng buộc trình uốn 33 Hình 2.21 Ứng suất biến dạng khung xương satxi ô tô khách trình chịu uốn 34 Hình 2.22 Ứng suất biến dạng satxi ô tô khách trình chịu uốn 34 Hình 2.23 Ứng suất biến dạng khung ô tô khách trình chịu uốn 35 Hình 2.24 Ràng buộc trình xoắn 35 Hình 2.25 Ứng suất biến dạng khung xương xe khách trình chịu uốn 35 Hình 2.26 Ràng buộc trình phanh 36 Hình 2.27 Ứng suất biến dạng khung xương tơ khách q trình phanh 36 Hình 2.28 Ràng buộc q trình quay vịng 37 Hình 2.29 Kết mơ q trình quay vịng……………………………… 37 Hình 2.30 Biểu đổ thể ứng suất trình 38 vi Hình 3.1 Các biến chia theo mảng cấu tạo khung xương xe khách 39 Hình 3.2 Các tương ứng với biến x1 mô hình (Các màu đỏ) 40 Hình 3.3 Biến 𝒙𝟐 mơ hình (tương ứng với màu đỏ) 40 Hình 3.4 Biến 𝒙𝟑 mơ hình (tương ứng với màu đỏ) 40 Hình 3.5 Biến 𝒙𝟒 mơ hình khung xương 41 Hình 3.6 Biến 𝒙𝟓 mơ hình (tương ứng với màu đỏ) 41 Hình 3.7 Biến 𝒙𝟔 mơ hình (tương ứng với màu đỏ) 41 Hình 3.8 Biến 𝒙𝟕 mơ hình (tương ứng với màu đỏ) 42 Hình 3.9 Giao diện khởi động SPSS 43 Hình 3.10 Nhập liệu Data View 44 Hình 3.11 Hộp thoại định biến phụ biến độc lập 44 Hình 3.12 Thiết lập thêm tham số tùy chọn 44 Hình 3.13 Đồ thị hồi quy biến phương trình ứng suất khung xương 46 Hình 3.14 Đồ thị biễu diễn hồi quy biến phương trình ứng suất chassis 49 Hình 3.15 Đồ thị biễu diễn hồi quy biến phương trình ứng suất khối lượng 51 Hình 3.16 Thuật toán MATLAB 52 Hình 3.17 Kết hiển thị Matlab 53 Hình 3.18 So sánh kết mơ hình trước sau tối ưu 54 Hình 3.19 Mơ hình khung xương tơ khách q trình uốn sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 230,7 Mpa 55 Hình 3.20 Mơ hình khung xương tơ khách q trình uốn sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 290 Mpa 55 Hình 3.21 Mơ hình khung xương chasis tơ khách q trình uốn sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 322 MPa 55 Hình 3.22 Mơ hình khung xương chasisi tơ khách q trình quay vịng sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 202 MPa 56 Hình 3.23 Mơ hình khung xương chassis tơ khách q trình phanh sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 233 MPa 56 Hình 3.24 Mơ hình khung xương chassis tơ khách q trình quay vịng sau tối ưu hóa với ứng suất lớn 219 MPa 56 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số phương pháp quy hoạch toán học 11 Bảng 2.1 Thuộc tính vật liệu 25 Bảng 2.1 Bảng kết mô bền khung xương ô tơ khách qua q trình uốn, xoắn, phanh quay vòng 38 Bảng 3.1 Các cấp độ biến 42 Bảng 3.2 Bảng số hồi quy phương trình ứng suất phần khung xương 45 Bảng 3.3 Bảng ANOVA phương trình ứng suất phần khung xương ANOVA a 45 Bảng 3.4 Bảng số hồi quy phương trình ứng suất phần Chassis 47 Bảng 3.5 Bảng ANOVA phương trình ứng suất phần chassis 47 Bảng 3.6 Bảng hệ số phương trình hồi quy phần khung xương 48 Bảng 3.7 Bảng số hồi quy phương trình ứng suất phần khối lượng tơ khách 50 Bảng 3.9 Bảng ANOVA phương trình ứng suất phần khối lượng tơ khách 50 Bảng 3.10 Bảng hệ số phương trình hồi quy phần khối lượng tơ khách 50 Bảng 3.11 Cấp độ biến 52 Bảng 3.12 Giá trị biến thiết kế tối ưu 53 Bảng 3.13 Các biến thiết kế tối ưu chọn 53 Bảng 3.14 Bảng so sánh kết Matlab 54 Bảng 3.15 Kết mơ q trình 57 Bảng 3.16 Bảng so sánh kết ứng suất trước sau tối ưu hóa kết cấu 57 MỞ ĐẦU Ô tô phương tiện giao thông giữ vai trị quan trọng mạng lưới Giao thơng Vận tải đường Cùng với phát triển kinh tế, thị trường tơ nói chung tơ khách nói riêng năm qua có phát triển mạnh mẽ số lượng chủng loại phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải hành khách ngày tăng Với xu hướng hội nhập quốc tế u cầu ngành cơng nghiệp sản xuất lắp láp tơ Việt Nam phải có chuyển biến chất lượng như: nâng cao tỷ lệ nội địa hóa, nâng cao tính khai thác suất vận chuyển, hạ giá thành sản phẩm Đối với tơ khách nói chung, kết cấu khung xương, bao gồm khung chassi khung xương khoang hành khách, kết cấu chịu lực chính, trọng lượng lớn chiếm tỷ lệ lớn giá thành sản phẩm Vì vậy, việc tính tốn thiết kế khung xương tô khách nhằm giảm trọng lượng giảm giá thành sản phẩm vấn đề quan tâm đơn vị sản xuất lắp ráp ô tô Xuất phát từ thực tế, đề tài “Thiết kế tối ưu kết cấu khung xương xe khách” nhằm đưa phương pháp đánh giá độ an toàn khung xương xe khách thông qua việc xác định ứng suất, biến dạng trạng thái chịu tải trọng tĩnh đảm bảo an toàn cho khung xương, đồng thời đảm bảo khung xương có trọng lượng nhỏ, góp phần nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm 46 Giá trị Sig bảng Coefficients cho biết tham số hồi qui có ý nghĩa hay khơng (với độ tin cậy 95% Sig