ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀO KIỂM TRA BỀN KHUNG XE TỰ CHẾ.

Cuộc thi lái xe xanh do công ty Honda tổ chức luôn hướng tới tiết kiệm nhiên liệu nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu đưa ra trong cuộc thi rất phong phú đa dạng bao gồm những cải tiến về hệ thống nhiên liệu, cải tiến bôi trơn giảm thiểu ma sát. Giải pháp quan trọng là giảm khối lượng kết cấu của phần khung xe. Vì vậy cần đưa ra một kết cấu đặc biệt cho hệ thống khung xe, làm đơn giản các hệ thống cơ bản, giảm trọng lượng của khung xe để giảm trọng lượng của xe, qua đó giảm áp suất tác dụng lên ổ, giảm công suất tổn hao ma sát. Sẽ làm tiết kiệm tối đa mức năng lượng tiêu hao trong quá trình chạy xe.

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG VIỆC KIỂM TRA BỀN KẾT CẤU KHUNG XE TỰ CHẾ THAM GIA CUỘC THI LÁI XE XANH

( USING SOFTWARE ANSYS TO TESTING STRUCTURAL STRENGTH HOMEMADE

ATTENDING THE COMPETITION DRIVING THE GREEN )

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Nhằm mục đính có một cơ sở tính toán khoa học để ứng dụng vào thiết kế kết cấu khung xe tham gia cuộc thi lái xe xanh, đồng thời nâng cao các kiến thức về chuyên môn và các phần mềm trong tính toán, thiết kế trong cơ khí Chúng em đã lựa chọn đề tài: “Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế tham gia cuộc thi lái xe xanh.”

Giải pháp về tính toán, thiết kế, tối ưu hóa trong việc chế tạo thân xe cần tập chung giải quyết vấn đề sau:

- Phân tích kết cấu thân khung xe

- Phân tích các trường hợp chịu tải tĩnh và động của khung

- Tính toán tối ưu kết cấu

2 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu của đề tài:

Mục tiêu: Xây dựng được cơ sở tính toán và mô hình hóa được phương pháp tính

toán để đánh giá được độ bền của khung

Mục đích nghiên cứu: Giải các bài toán về độ bền của khung xe, kết hợp phân tích kết cấu, tính toán đánh giá độ bền khung xe Tính toán chọn lựa vật liệu thiết kế khung phải nhẹ nhưng phải đảm bảo đủ bền

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Đề tài tập chung nghiên cứu về độ bền của khung xe trong điều kiện đường đua xe

Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các phương án tối ưu cho khung xe Phân tích đánh giá độ bền của các kết cấu đó có xét tới ảnh hưởng của một số thông số kết cấu

và tải trọng phân bố lên khung xe

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm

- Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench tính các giá trị ứng suất trong thanh

và khoảng chuyển vị của khung xe trong quá trình chạy

5 Giới thiệu tổng quan về phần mềm ANSYS Workbench:

ANSYS( Anaslysis System ) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hoàn chỉnh dung để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, điện tử, tương tác giữa môi trường và các

hệ vật lý

ANSYS có rất nhiều Mô đun: Mô đun phân tích kỹ thuật theo các bài toán như tính toán độ bền chi tiết và kết cấu Mechanical, tính toán bài toán nhiệt, tính toán bài toán dòng chảy thủy khí CFX… Tùy theo yêu cầu tính toán mô phỏng mà chọn các mô đun thích hợp Trong đó Mô đun Ansys workbench cho phép dựng mô hình (Modelling) 3D, mạnh như các phần mềm dựng hình 3D khác như Inventor, SolidWorks, Catia… Dùng Ansys workbench để mô hình hóa 3D, thì khi mô phỏng sẽ không bị lỗi như sử dụng phần mềm khác để dựng hình 3D

Môi trường ANSYS Workbench hoàn toàn gắn kết các tiến trình mô phỏng thành một, người dùng tương tác với các quá trình phân tích như là toàn bộ sử dụng trang nền tảng dự án, thực thi các ứng dụng khác nhau và tìm kiếm các tệp kết quả được chứa trong những tiến trình được tạo ra trong suốt các quá trình phân tích Sự liên kết chặt chẽ giữa các ứng dụng thành phần chưa từng có từ trước đến nay đã dễ dàng được cài đặt và thậm chí giải quyết được những bài toán mô phỏng vật lý phức tạp.

Việc xây dựng và tương tác với những hộp thoại là rất cởi mở, dễ hiểu Hộp thoại bao gồm những lựa chọn cho hệ thống ở dạng khối Để thực hiện một mô phỏng cơ bản, ví dụ như là phân tích kết cấu tĩnh, người dùng chỉ vào hệ thống phân tích phù hợp trong hộp thoại và dùng cách kéo và thả dưới dạng biểu đồ Các hệ thống cá thể

đó bao gồm nhiều ô, mỗi ô thể hiện một giai đoạn hoặc một bước riêng biệt trong quá trình phân tích Làm việc xuyên suốt hệ thống từ cao tới thấp, người dùng có thể hoàn thành phân tích của mình, bắt đầu với tham biến kết nối mô hình CAD ban đầu và tiếp tục thông qua quá trình xử lý kết quả của mô phỏng Khi mỗi bước được hoàn thành, tiến trình được thể hiện một cách rõ ràng ở cấp dự án gốc

Chuyển file và dữ liệu từ một ứng dụng tới ứng dụng tiếp theo được quản lý toàn

bộ trong khung hệ thống, và dữ liệu và trạng thái độc lập được trực tiếp mô tả trong khung đó Các phân tích phức tạp hơn có thể được xây dựng bằng cách kết nối nhiều

hệ thống với nhau Người dùng đơn giản chỉ kéo một hệ thống mới từ hộp thoại vào hệ thống hiện thời trong biểu đồ Sự kết nối được tạo ra một cách hoàn toàn tự đọng và dữ liệu được truyền ngay sau đó, các hệ thống đa môi trường được xây dựng bằng cách kéo thả bằng một cách rất đơn giản

Môi trường ANSYS Workbench theo dõi sự phụ thuộc giữa các kiểu dữ liệu khác nhau trong dự án Nếu có điều gì thay đổi ở ô trên, biểu đồ hệ thống sẽ thể hiện ở ô dưới cũng cần phải được cập nhật để phản ánh những thay đổi này Cấp dự án cập nhật

cơ học cho phép những thay đổi này được truyền theo một cách phụ thuộc lẫn nhau trong suốt hệ thống ở chế độ khối lệnh, giảm nhanh chóng những yêu cầu cố gắng lập lại những việc này ở các phân tích trước đó

Tham biến được quản lý ở cấp độ dự án, nó có thể thay đổi mô hình hình học CAD

trường hợp nhiều tham biến có thể được định nghĩa một cách cao cấp và được quảng

lý như là những điểm thiết kế, tổng và ở dạng bảng trong trang dự án của ANSYS Workbench Các hệ thống thiết kế có thể được kết nối với những tham biến ở cùng cấp

độ dự án này để tự động hóa thiết kế, nhưng là thiết kế theo kinh nghiệm, tối ưu hóa mục tiêu của thiết kế sáu sigma

ANSYS Workbench thể hiện một bước tiến lớn trong quá trình mô phỏng phần mềm Bên trong hệ thống khung phần mềm đầy sáng tạo này, các nhà phân tích có thể thực hiện được hàng loạt các công nghệ mô phỏng khác nhau, bao gồm các gói công

cụ chung cho việc tích hợp CAD, chỉnh sửa hình học và chia lưới Một dạng biểu đồ

dự án mới lạ hướng dẫn người dùng từng bước một trong các phân tích phức tạp, đưa

ra các quan hệ dữ liệu với nhau và nắm bắt một cách tự động các quá trình phân tích Trong lúc đó, tham biến và môi trường mô hình liên tục trong sự kết nối chặt chẽ phục

vụ cho việc tối ưu hóa và nghiên cứu thông kê của các kỹ sư nhằm đạt được thiết kế tốt và nhanh nhất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ BỐ TRÍ KHUNG XE

1 Lựa chọn kết cấu khung

Yêu cầu của cuộc thi cần thiết kế luôn hướng tới vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và bảo

vệ môi trường Giải pháp đưa ra cần một kết cấu hợp lý cho khung xe tự chế, giảm

trọng lượng của khung xe, khung xe phải nhẹ nhưng phải đủ bền

Muốn giảm được công suất sử dụng trên xe cần đơn giản hóa hệ thống truyền lực,

cầu trục chủ động, tránh các bộ truyền có kế cấu phức tạp, hiệu suất bộ truyền không cao Tải trọng xe phân bố đều tới các cầu trục

Theo mục I, điều 1 quy định về thân xe của nhóm xe tự chế: ”Các phương tiện

tham gia cuộc thi phải có từ 3 bánh xe trở lên, và có kết cấu vững chãi dù đang chuyển động hay đứng yên Tất cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi các phương tiện đứng trên bề mặt phẳng ” Chính vì vậy về kết cấu bố trí chung của xe phải có số cầu

tối thiểu là 2, số bánh tối thiểu là 3

ð Từ những vấn đề nêu trên ta thấy kết cấu của khung phụ thuộc vào: hệ thống

truyền lực, hệ thống lái, số cầu trục và số bánh xe, tải trọng phân bố Để giải quyết các vấn đề trên, tìm ra một kết cấu khung tối ưu nhất chúng ta có thể so sánh một số kiểu sơ đồ phân bố hệ thống

· Một số kết cấu khung xe được đưa ra:

Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 4 bánh: 2 bánh

chủ động, 2 bánh dẫn hướng Độ ổn định trên mặt tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi đứng yên và khi chuyển động tốt Tuy nhiên kết cấu bộ truyền lực phức tạp, phải sử dụng bộ vi sai dẫn tới trọng lượng xe tăng, phát sinh công suất tiêu hao trên xe tăng vì sử dụng cho bộ vi sai

Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3 bánh: 1 bánh

dẫn hướng, 2 bánh chủ động Độ ổn định trên mặt tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi đứng yên và khi chuyển động tốt Tuy nhiên giống với dạng 2 cầu 4 bánh ở trên Kết cấu bộ truyền lực phức tạp, phải sử dụng bộ vi sai dẫn tới trọng lượng xe tăng, phát sinh công suất tiêu hao trên xe tăng vì sử dụng cho bộ vi sai

Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3 bánh: 1 bánh

chủ động, 2 bánh dẫn hướng kết cấu của xe đơn gản, giảm được cụm vi sai => đơn giản được hệ thống truyền lực Độ ổn định trên mặt tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi đứng yên và khi chuyển động tốt

Kết cấu khung xe dạng mô tô thuyền: 3 cầu

3 bánh 1 bánh chủ động, 1 bánh dẫn hướng,

1 bánh độc lập Kết cấu xe, khung xe đơn giản vì có một bánh dẫn và một bánh lái Nhưng trọng tâm phân bố lệch vì kết cấu khung không đối xứng Dẫn tới phân bố lực

và tải trọng không đều Nhược điểm của bánh

tự do tạo ra là để xe di chuyển thẳng bánh dẫn hướng phải nghiêng một góc nhất định dẫn tới có sự trượt gây tổn hao năng lượng

Kết cấu khung xe dạng 3 cầu 4 bánh: 1

bánh dẫn động, 1 bánh dẫn hướng, 2 bánh độc lập kết cấu khung phức tạp với hệ thống treo nhờ kết cấu của phần tử đàn hồi và giảm chấn trong hệ thống phức tạp để đảm bảo hai bánh tự do luôn bám mặt đường thực khi chuyển động cũng như khi rẽ cua, và số bánh nhiều nên ma sát với mặt đường tăng=> công suất vô ích của động cơ tiêu hao cho việc đó nhiều hơn

Từ các sơ đồ kết cấu của hệ thống trên mỗi phương án đều có một ưu nhược điểm nhất định Nhưng căn cứ vào thực nghiệm chế tạo, yêu cầu của cuộc thi, các nhân tố ảnh hưởng tới kết cấu khung Để có một kết cấu khung hợp lý sử dụng cho cuộc thi lái

xe sinh thái tiết kiện nhiên liệu này ta thấy phương án: Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3

bánh là tối ưu nhất

Với kết cấu này 1 bánh xe chủ động trên cầu chủ động ta loại bỏ được bộ vi sai, bán trục, vỏ cầu có kết cấu phức tạp Và với 2 bánh dẫn hướng tạo ra hai điểm tiếp xúc bên của xe với mặt đường giúp xe có độ ổn định cao ngay cả khi xe chuyển động cũng

như đứng yên Kết cấu của xe đơn gản, kết cấu của khung có dạng đối xứng nên các lực, tải trọng phân bố đều lên các bánh xe, cầu trục

có tính đàn hồi như: thép CT3, thép hợp kim, thép ít cacbon… Vật liệu làm khung phải đảm bảo các yêu cầu: giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng suất

Các dầm ngang làm nhiệm vụ tăng cứng cho dầm dọc tại các vị trí chịu lực đồng thời nó được sử dụng để đỡ động cơ nên nó thường làm theo dạng thích hợp để thuận lợi cho việc bố trí và lắp đặt động cơ Để tăng độ cứng cho khung có thể dùng các thanh tăng cứng tại các vị trí có tải trọng lớn

· Khung xe cần đạt một số yêu cầu sau:

Độ cứng: Độ cứng của kết cấu khung có liên quan đến biến dạng của khung khi có

tác dụng của lực tác dụng như lực quán tính, lực va chạm điều này chỉ đúng khi kết cấu khung trong giai đoạn đàn hồi và biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng

Độ bền: Độ bền của khung bảo đảm không có phần nào của kết cấu mất khả năng

làm việc khi chịu tác động của các loại tải trọng trong giới hạn cho phép Dưới tác dụng của các tải trọng ngoài trên khung xe xuất hiện các biến dạng và ứng suất, độ bền

có thể hiểu một cách khác là lực tác dụng lớn nhất mà kết cấu khung có thể chịu được

mà ứng suất phát sinh không lớn hơn giá trị cho phép của vật liệu

Đặc tính dao động: Đặc tính dao động của xe liên quan đến độ cứng và sự phân bố

khối lượng của khung xe tự chế Độ cứng uốn và xoắn có ảnh hưởng đến dao động của kết cấu khung xe, thường được sử dụng như các tiêu chuẩn đánh giá khả năng làm việc của kết cấu khung xe

Đặc tính biến dạng : Đặc tính biến dạng liên quan đến việc nâng cao tính an toàn

cho người lái, chịu được tác động của các lực va chạm thông thường

Các đặc tính trên chính là cơ sở giúp chúng ta thiết kế được kết cấu cho khung xe hợp lý nhất Khung xe phải nhẹ để giảm trọng lượng của xe nhưng phải đảm bảo đủ bền, thiết kế phải an toàn cho người lái Nếu khung to sẽ dẫn đến thừa bền gây lãng phí vật liệu và tăng trọng lượng của khung

Để thiết kế ra khung xe đảm bảo đầy đủ tính chất trên yêu cầu đòi hỏi cần phần mềm tính toán, ANSYS Workbench là phần mềm tính toán dùng để giải các bài toán trường ứng suất – biến dạng rất hữu ích cho việc tính toán thiết kế khung xe

3 Các thông số tính toán

Dựa vào mục I, điều 1 quy định về phương tiện tham gia cuộc thi lái xe xanh xe

phải có 3 bánh trở lên, và có kết cấu vững trắc dù đang chuyển động hay đứng yên Tất

cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi phương tiện đứng trên bề mặt phẳng Yêu cầu kích thước khung xe như sau:

· Chiều cao tổng thể: tối đa 1,8m

· Khoảng cách giữa trục trước và trục sau: tối thiểu 1m

· Chiều dài tổng thể: tối đa 3,5m

· Khoảng cách giữa 2 bánh xe: tối thiểu 0.5m

· Chiều rộng tổng thể: tối đa 1,7m

Và dựa vào kích thước và trọng lượng của người, động cơ, bánh xe ta xác định kết cấu khung xe như sau

Số liệu kích thước khung :

Chọn khung thép hộp HCN khung lớn 20x30 (mm), khung nhỏ 14x20 (mm)

Hình 2: Hình chiếu kết cấu của khung xe

Hình 3 Tiết diện của các thanh dầm

4 Tải trọng tác dụng lên khung xe

Các tải trọng tác dụng lên khung gồm nhiều loại, có thể phân thành 2 loại tải trọng chính là tải trọng tĩnh và tải trọng khi xe vào khúc cua

· Tải trọng tĩnh

- Tải trọng tĩnh tác dụng lên khung xe bao gồm: Trọng lượng của người lái, vỏ

xe, động cơ và các cụm hệ thống khác trên xe

- Trọng lượng bản thân khung xe

- Các phản lực từ mặt đường

Xác định tải trọng tĩnh

Hình 4: Sơ đồ xác định tải trọng tĩnh

Tổng trọng lượng của xe là: W = mg = (55 + 15+ 20) x 9.81= 883 N

· Tải trọng khi xe vào khúc cua

Tải trọng tác dụng lên xe khi xe vào khúc cua bao gồm:

- Các thành phần lực quán tính, lực ly tâm của xe khi vào cua, rung động do động

cơ và các hệ thống truyền lực trên xe

Hình 5 Hình ảnh đoạn đường với khúc cua

Hình 6: Sơ đồ xác định tải trọng khi xe vào khúc cua

Chuyển động của xe vào tâm cua ta thấy có các lực tác dụng trên xe Đó là trọng lực W hướng thẳng xuống dưới xuyên qua khối tâm của xe, lực thứ 2 là phản lực N hướng lên phía trên theo chiều như hình vẽ Khi đó sẽ xuất hiện lực hướng tâm, là tổng hợp lực có được bằng cách cộng vector phản lực N và trọng lực W với nhau

Tổng trọng lượng của xe là: W = mg = (55 + 15+ 20) x 9.81= 883 N

Lực hướng tâm xuất hiện khi xe cua với bán kính 4m, vận tốc v =6 m/s là

F= v /R = (90x6 )/4 = 810 N

5 Xác định trọng tâm của xe

- Trọng tâm của xe bao gồm: trọng tâm của chính bản thân xe, trọng tâm của

người và trọng tâm của động cơ

Hình 7: Mô hình xác định vị trí trọng tâm của xe

Trọng lượng của xe theo tải trọng tĩnh chính là trọng lượng của người lái xe, động

cơ, bản thân khung xe và vỏ xe Chọn sơ bộ khối lượng của người lái xe là 55 kg, khối

lượng của động cơ là 15 kg, khối lượng của bản thân khung xe và vỏ xe là 20 kg

Sử dụng các phương trình cân bằng xác định được trọng tâm khung xe

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN, KIỂM TRA

ĐỘ BỀN KHUNG

1 Các bước tính toán trong ANSYS Workbench

· Gán dữ liệu ban đầu: vật liệu, đơn vị…

Trong thư viện ANSYS Workbench có hỗ trợ các loại vật liệu khá đa dạng và phổ biến như các loại: thép, sắt, đồng, nhôm, nhựa tổng hợp, bê tông,… và các chỉ dẫn về thông số các thành phần rất cụ thể Ngoài ra chúng ta có thể tự định nghĩa vật liệu cho

mô hình mà thư viện không có hoặc không đáp ứng theo tiêu chuẩn

· Xây dựng mô hình 3D

Gán dữ liệu ban đầu: vật liệu, đơn vị…

Đặt các tải trọng và các rằng buộc cho mô