Khóa luận tốt nghiệp tính toán và tối ưu hóa vỏ cầu xe

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Đã 20 năm trôi qua phải công nhận rằng ngành ô tô tại Việt Nam đã có nhiều đột phá thay đổi tuy nhiên vẫn còn ở quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu Phần lớn các nhà máy trong nước sản xuất ô tô chỉ dừng lại ở việc lắp ráp hoàn toàn trong nước với linh kiện đa phần là nhập khẩu (CKD), việc linh kiện nội địa được sử dụng rất thấp. Bên cạnh đó, Chính phủ Việt Nam đã và đang áp dụng nhiều biện pháp, ưu đãi nhằm đẩy mạnh sự phát triển ngành ô tô nước nhà đi lên, tiêu biểu là ô tô tải cỡ nhỏ và cỡ vừa nhưng thực trạng không cải thiện bao nhiêu.

Với tình hình đã nêu, để có thể tự sản xuất tạo ra những chi tiết và cả cụm chi tiết có thể dùng cho xe ô tô, và đi xa hơn nữa là có thể làm chủ được công nghệ, máy móc, khung vỏ tạo ra ô tô mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng và giá cả phù hợp với tài chính và nhu cầu tại Việt Nam, vì vậy mà từ bây giờ việc tập trung đầu tư nhất là tập trung chuyên sâu vào lĩnh vực thiết kế chi tiết và cụm chi tiết quan trọng trên ô tô sau đó là cách thức chế tạo cũng như chất liệu phù hợp thì chúng ta mới nhanh chóng có được những sản phẩm tốt và kịp thời đáp ứng cho vấn đề cấp thiết đã được đề ra và tồn tại rất lâu. Đã có nhiều đề tài nghiên cứu đến việc thiết kế vỏ cầu nhưng chỉ dừng ở mức tập trung vào công nghệ chế tạo chứ chưa đầu tư chuyên sâu cho nghiên cứu đánh giá độ bền, chất lượng sản phẩm.

Vì những lý do trên, hướng nghiên cứu của đề tài này là đánh giá độ bền của vỏ cầu xe tải bằng phương pháp lý thuyết (phương pháp này phù hợp với điều kiện như Việt Nam, nơi các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm còn nhiều) quan trọng hơn, đề tài này sau khi hoàn thành sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết để đánh giá chất lượng sản phẩm và hoàn thiện quy trình thiết kế tổng thể.

Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu và phân tích được cách dạng tải trọng tĩnh tác dụng lên vỏ cầu sau xe tảiKIA K2700 Xây dựng mô hình 3D vỏ cầu sau của xe tải KIA K2700 bằng phần mềm Solidworks Khảo sát và xác định độ bền vỏ cầu sau xe dựa trên các trường hợp tải trọng tĩnh Tối ưu về khối lượng vỏ cầu xe bằng ứng dụng phần mềm trongSolidworks.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hình 1.1 Xe tham khảo KIA K2700 Đối tượng mà đồ án hướng đến để nghiên cứu là xe tải KIA K2700 Phạm vi nghiên cứu bao quanh những vấn đề chính gồm:

- Thiết kế và mô phỏng mô hình 3D vỏ cầu sau xe tải KIA K2700 bằng phần mềm Solidworks.

- Đo các kích thước của vỏ cầu, tính toán và đặt tải trọng tác động lên vỏ cầu và nhận xét, đánh giá độ bền vỏ cầu bằng Solidwoks simulation.

- Tính toán tối ưu khối lượng vỏ cầu xe trên phần mềm Solidworks optimization.

Nội dung và bố cục đồ án

Nội dung nghiên cứu của đồ án bao gồm các phần chính: § Chương 1: Tổng quan § Chương 2: Cơ sở lý thuyết § Chương 3: Xây dựng mô hình của vỏ cầu. § Chương 4: Tính toán và đánh giá bền của vỏ cầu sau xe KIA K2700 § Chương 5: Tối ưu hoá thiết kế vỏ cầu xe sau § Chương 6: Kết luận và kiến nghị

BÀI TOÁN TỔNG QUÁT

Vỏ cầu chủ động

2.1.1 Cấu tạo chung của vỏ cầu chủ động

Cầu chủ động gồm các bộ phận trên đường truyền công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động Cầu chủ động có ba bộ phận chính: truyền lực chính (TLC), vi sai và các bán trục lắp trong một vỏ Trong đó vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các bộ phận truyền lực nêu trên, đồng thời cũng là một dầm đỡ trọng lượng thân xe và chịu các tác động từ tải trọng từ bánh xe – đường cũng như tải trọng từ trên xuống. Cấu tạo cầu chủ động ô tô được mô tả như hình 2.1 Đối với các loại ô tô tải có động cơ đặt trước, cầu sau chủ động đều có cấu tạo tương tự như hình, trừ trường hợp cầu chủ động của ô tô con có hệ thống treo độc lập.

Hình 2.1 Cấu tạo cầu xe chủ động

2.1.2 Yêu cầu, kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ cầu chủ động

Vỏ cầu xe là bộ phận chứa bộ truyền lực chính (TLC), bộ vi sai và các bán trục của xe, ngoài việc chứa các chi tiết quan trọng, vỏ cầu còn có nhiệm vụ làm thành nột giá đỡ chịu toàn bộ tải trọng của xe và tổng các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe.

Có nhiệm vụ quan trọng nên kết cấu của vỏ cầu cần đảm bảo độ bền và đặc biệt là độ cứng, để không làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các bộ phận bên trong. Kết cấu vỏ cầu chủ động trên xe ô tô có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào vị trí lắp đặt trên xe, tuỳ thuộc vào từng loại phương tiện mà kết cấu vỏ cầu sẽ riêng biệt, chia thành nhiều nhóm khách nhau như xe ô tô cỡ nhỏ, xe du lịch chở khách, xe tải nhỏ và các loại xe tải chở hàng chuyên dụng.

Về phần kết cấu của vỏ cầu chủ động, thông thường được kết cấu bằng thép đúc liền, hoặc từ các tấm thép dày hàn cố định lại với nhau, phần giữa nơi chứa bộ vi sai được làm bằng thép đúc liền khối Tùy theo kết cấu vỏ cầu chủ động có thể phân làm ba loại cơ bản: loại liền thành một khối, loại hai nửa gắn lại với nhau và loại dầm liền có rỗng giữa.

Hình 2.2 Cấu tạo vỏ cầu dầm liền, rỗng giữa

Vỏ cầu Banjo type được sử dụng khá phổ biến, vỏ cầu kiểu này được chế tạo liền khối với vùng giữa rỗng cả hai phía (hình 2.2) Phía trước dùng để lắp các bộ phận của TLC và vi sai Các bộ phận này được lắp trên một vỏ riêng và được ghép lên vỏ cầu bằng các bu lông Mặt sau của vùng rỗng được che kín bằng một nắp làm từ thép mỏng,không chịu lực Loại vỏ cầu này được dùng nhiều trên các loại xe tải trọng nhỏ và trung bình Nó có khả năng chịu lực theo phướng thẳng từ mặt đường rất tốt, nhưng khả năng chịu các lực dọc như lực kéo từ động cơ và lực hãm phanh lại kém.

Hình 2.3 Cấu tạo vỏ cầu kiểu hai nửa - Split type Ưu điểm của loại này đó là việc bố trí cum TLC tách biệt giúp quá trình bảo dưỡng và sửa chữa rất dễ dàng.

Loại vỏ cầu Split type là loại vỏ cầu được chế tạo thành hai chi tiết riêng biệt, chúng không đối xứng, một nửa được thiết kế chứa bánh tăng chủ động của TLC cùng các ổ đỡ của nó, nửa còn lại có kết cấu đơn giản hơn Hai nửa vỏ cầu được liên kết bằng một dãy bu lông tạo thành dầm cầu có kết cấu vững chắc với độ cứng vững cao.

Vỏ cầu liền khối Carrier type có đặc điểm phần giữa của nó được đúc liền khối tạo thành hộp vững chắc chứa các bộ phận của TLC và vi sai Phía sau của cụm TLC là khoảng không gian phụ vụ tháo lắp và được đậy bằng nắp thép dập mỏng.

Hình 2.4 Cấu tạo vỏ cầu kiểu liền khối - Carrier type

Tùy theo các dạng kết cấu và nhu cầu sử dụng mà vỏ cầu chủ động trên xe được chế tạo theo nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến và được sử dụng nhiều nhất là loại vật liệu gang đúc, gang cầu hoặc thép hàn Các loại vật liệu này giúp cho xe luôn trong tình trạng hoạt động hiệu quả và ổn định

Gang cầu có nhiều chủng loại khác nhau với ứng suất giới hạn nằm trong khoảng 460-920 Mpa và giới hạn chảy 310-670 Mpa.

Giới thiệu về mô hình bán trục trên vỏ cầu

Bán trục là chi tiết nằm bên trong vỏ cầu, có nhiệm vụ nhận và truyền mô men xoắn từ các bộ vi sai đến các bánh xe chủ động, ngoài ra ở một số xe bán trục còn đóng vai trò như các giá đỡ tiếp nhận các phản lực từ mặt đường Yêu cầu chung đối với các bán trục:

- Độ chính xác: Bán trục trên xe ô tô phải được gia công một cách chính xác để đảm bảo tính ổn định và an toàn của xe Đối với bán trục của cầu dẫn hướng chủ động phải đảm bảo tính đồng tâm cho các đoạn trục của bán trục.

- Độ cứng: bán trục phải được chết tạo từ vật liệu tốt, đạt độ cứng nhất định để chịu được các dạng tải trọng, mô men xoắn lớn và lực va đập khi xe di chuyển liên tục.

- Bán trục phải được chế tạo đồng bộ với hệ thống treo trên ô tô giúp tăng khả năng vận hành và ổn định của xe.

Các dạng bán trục được phân loại theo sự chịu tải của nó cụ thể như sau:

- Bán trục giảm tải 1/2: có thiết kế đầu ngoài được giữ bởi ổ bi trong vỏ cầu chủ động Nếu thiếu moay ơ, tang trống có thể được gắn trực tiếp vào mặt bích đuôi của bán trục Điều này khiến bán trục phải chịu đựng mô men uốn của lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường Bán trục này thường được sử dụng trong ô tô con, nhờ cấu trúc đơn giản.

- Bán trục giảm tải 3/4: Khác với loại trục giảm tải khác, trục này chỉ có một ổ bi Vì vậy, trục phải chịu phần mô men uốn từ các lực tác động lên bánh xe Thường thì loại trục này không được sử dụng nhiều.

Hình 2.6 Sơ đồ bán trục giảm tải 3/ 4

- Bán trục giảm tải hoàn toàn: bán trục này thường dùng tải dùng cho ô tô tải, có bánh xe gắn trên ổ bi và lắp trên vỏ cầu Loại bán trục này nhận mô men xoắn, không bị ảnh hưởng lớn bởi lực của bánh xe và mặt đường (X, Y, Z).

Hình 2.7 Sơ đồ bán trục giảm tải hoàn toàn

Việc xác định đúng mô hình bán trục để tính toán rất quan trọng, vì các loại bán trục khác nhau sẽ có các thành phần phân tích lục khác nhau, vì vậy cần xác định đúng loại bán trục tính toán để bài toán tổng quát khi tính toán ra sẽ cho kết quả chính xác hơn.

Các chế độ tải trọng và các phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu

2.3.1 Các chế độ tải trọng

Tải trọng là áp lực hoặc lực ngẫu nhiên đối với một đối tượng Với lớp vỏ cầu, tải trọng là trọng lượng của con người, hàng hóa và các bộ phận khác đặt trên vỏ cầu cũng như các lực đối lực từ bề mặt của đường.

Tải trọng tĩnh là khối lượng không thay đổi khi xe di chuyển Tải trọng bao gồm hàng hóa và con người Thay đổi tải trọng chủ yếu là do hàng hóa và con người Hãng sản xuất thiết kế giới hạn tải trọng an toàn cho độ bền và an toàn của xe.

Khi xe vận hành, tải trọng và ứng suất phát sinh phụ thuộc vào giá trị tải trọng ởđiều kiện sử dụng Giá trị tải trọng động có thể biến đổi do điều kiện đường và trạng thái xe Tính toán giá trị tải trọng động là rất khó khăn so với tải trọng tĩnh do có thể lớn hơn nhiều lần. Đối với hệ thống truyền lực của xe hơi, tải trọng tĩnh được tính từ mômen xoắn cực đại của động cơ, và tải trọng động thường được xác định theo công thức kinh nghiệm từ các thí nghiệm Thông thường tải trọng động được đặc trưng bằng hệ số động k đ Hệ số này bằng với tỉ số của giá trị tải trọng động trên giá trị tải trọng tĩnh: giá trị tải trọng ộng động k =

2.3.2 Các phương pháp xác định độ bền của cầu chủ động.

Theo phương pháp truyền thống thì độ bền của vỏ cầu sẽ được kiểm nghiệm bằng cách xác định giá trị ứng suất cực đại σ max ở ba trường hợp tải đặc trưng:

- Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc và phanh)

- Chuyển động quay vòng tới giới hạn trượt ngang (quay vòng với lực ngang cực đại)

Với phương pháp tính toán này, vỏ cầu sẽ được xem là đủ bền khi ứng suất cực đại nhỏ hơn ứng suất giới hạn cho phép của vật liệu: σ !"# ≤ [σ]

Trong đó: [σ] là ứng suất giới hạn cho phép của vật liệu tạo nên vỏ cầu Thông thường thì kết quả nhận được từ phương pháp này sẽ cho kết quả là kết cấu không hợp lý, ứng suất phân bố không đều và nhiều vị trí thừa bền.

2.3.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn:

Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên tùy ý Thông thường, phương trình này không thể được giải bằng phương pháp giải tích truyền thống để tìm ra nghiệm chính xác. Để xác định độ bền của vỏ cầu, chúng ta sử dụng phương pháp PTHH bằng cách xây dựng mô hình 3D của vỏ cầu và đặt các lực tác động cùng với các điều kiện ràng buộc tương ứng Sử dụng phần mềm hỗ trợ chuyên dụng và tính toán thông minh của máy tính, chúng ta có thể phân tích và đánh giá rõ về độ bền của vỏ cầu, bao gồm các vùng có độ bền thừa, ứng suất tập trung không đồng đều Từ đó, chúng ta có thể đưa ra các giải pháp để gia cố và khắc phục vấn đề.

Khi nghiên cứu phát triển, đánh giá độ bền thực nghiệm là phương pháp thường được sử dụng Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thời gian thí nghiệm lâu và chi phí cao cho thiết bị đo và mẫu vỏ cầu Nếu sử dụng phương pháp phá hủy, mỗi lần thí nghiệm sẽ phải sử dụng một mẫu mới.

Hình 2.8 Đánh giá độ bền vỏ cầu bằng phương pháp thực nghiệm

2.3.3 Các hướng đánh giá độ bền vỏ cầu chủ động

2.3.3.1 Đánh giá độ bền tĩnh Để đánh giá độ bền, ta thường dựa vào giá trị tải trọng cực đại, được tính toán từ các giá trị được chọn Phương pháp truyền thống xác định tải trọng theo ba trường hợp đã được đề cập ở mục 2.3.2 Lực dọc và ngang cực đại được xác định theo giới hạn bám, còn lực thẳng đứng tối đa được tính bằng hệ số tải trọng động. Để tính toán bền của vỏ cầu, ta sử dụng giá trị tải trọng theo phương pháp truyền thống Vỏ cầu phải chịu nhiều lực và mô-men, dẫn đến xuất hiện ứng suất trên vỏ cầu theo các phương tương ứng Để đánh giá bền, sử dụng ứng suất tổng hợp theo sức bền vật liệu Sử dụng phương pháp PTHH để tính toán độ bền 3D Các phần mềm phân tích kết cấu như ANSYS hoặc Solidworks được sử dụng phổ biến để tính toán Kết quả tính toán ứng suất có thể được xuất ra từ các phần mềm này.

Phương pháp tính bền tĩnh sử dụng tải trọng tĩnh (hoặc động quy về tĩnh) cho phép đánh giá khả năng chịu đựng của vật liệu mà không gây nên hiện tượng gẫy, vỡ trực tiếp.

2.3.3.2 Đánh giá độ bền trong điều kiện tải trọng động

Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp tính toán dựa trên tải trọng tĩnh chỉ phù hợp với các xe có khối lượng nhỏ và di chuyển ở vận tốc thấp Khi xe di chuyển với vận tốc cao, sự quán tính của các bộ phận nặng sẽ tạo ra các tải trọng động, ảnh hưởng đến độ bền của vỏ xe Các tải trọng này không đủ mạnh để gây hư hại trực tiếp cho vỏ xe, nhưng sẽ ảnh hưởng đến độ bền của vỏ xe Vì vậy, trong những trường hợp như vậy, sử dụng tải trọng động để đánh giá độ bền của vỏ xe sẽ cho kết quả chính xác hơn với điều kiện vận hành thực tế.

Công nghệ máy tính và phần mềm tính toán phân tích kết cấu đang hỗ trợ nhà nghiên cứu giải quyết các bài toán liên quan đến độ bền vỏ cầu Trong những năm gần đây, nghiên cứu sử dụng tải trọng động thay vì tải trọng tĩnh đã trở thành xu hướng tuy nhiên các đề tài hướng đến tính toán tải trọng động có khối lượng kiến thức lớn, cần nhiều thời gian và sự hỗ trợ của các đơn vị cùng chuyên ngành.

Phần mềm Solidworks

2.4.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks

Solidworks là phần mềm thiết kế 3D chuyên dụng do hãng Dassault System phát triển Được giới thiệu lần đầu năm 1998 và đã đến phiên bản 2023 với sự cải tiến không ngừng Solidworks có thư viện cơ khí và hiện nay không chỉ dành cho xí nghiệp cơ khí, mà còn được sử dụng cho các ngành khác như đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật và trở thành công cụ giảng dạy thông dụng cho giảng viên và sinh viên.

Trong SolidWorks, để tạo mô hình, người dùng thường bắt đầu từ bản phác thảo Bản phác thảo bao gồm các hình học như điểm, đường thẳng, cung tròn, hình nón và splines Bằng cách thêm kích thước vào bản phác thảo, người dùng có thể xác định kích thước và vị trí của hình học Họ cũng sử dụng các mối quan hệ hình học để xác định các thuộc tính như tiếp tuyến, song song, vuông góc và đồng tâm. Trong SolidWorks, thuộc tính tham số có nghĩa là kích thước và mối quan hệ hình học của các đối tượng được ảnh hưởng bởi các đối tượng khác Người dùng có thể kiểm soát kích thước trong phác thảo độc lập hoặc liên quan đến các tham số khác bên trong hoặc bên ngoài phác thảo.

Các tập hợp có mối quan hệ hình học tương tự như mối quan hệ phác thảo Mối quan hệ phác thảo giúp xác định các mối quan hệ tương đương cho từng bộ phận hoặc thành phần riêng lẻ, ví dụ như tiếp tuyến, độ song song, độ đồng tâm và các ràng buộc hình học khác Điều này giúp đơn giản hóa quá trình lắp ráp cấu trúc. SolidWorks có thêm các tiện ích như bánh răng và cam, giúp lắp ráp các bánh răng trong mô hình để tạo ra các vòng quay bánh răng thực tế với độ chính xác.

Bạn có thể tạo bản vẽ cuối cùng từ các bộ phận hoặc cụm lắp ráp Mô hình sẽ tạo ra lượt xem tự động Việc thêm ghi chú, kích thước và dung sai cũng rất đơn giản. Công cụ đầu ra trình chiếu cung cấp các kích thước tiêu chuẩn phổ biến nhất như ANSI, ISO, DIN, GOST, JIS, BSI và SAC.

2.4.2 Xây dựng mô hình 3D vỏ cầu

Việc tạo mô hình 3D cho chiếc vỏ cầu là một quá trình tốn thời gian và công sức Sản phẩm sẽ được thiết kế và xây dựng dựa trên thông số của nhà sản xuất và được đo đạc thực tế trước khi được mô hình hóa.

Khái quát công việc thiết kế xây dựng mô hình 3D: Giải quyết vấn đề bằng phần mềm cần nhiều bước khác nhau Các bước và nội dung công việc thực hiện phụ thuộc vào phần mềm cụ thể Chúng tôi có thể sử dụng các mô hình phân tích 2D hoặc 3D, bao gồm điểm, đường, bề mặt, hoặc phần tử khối Bạn có thể lựa chọn từ nhiều yếu tố trong mô hình hỗn hợp để xây dựng mô hình theo ý muốn Loại mô hình và phần tử được chọn sẽ ảnh hưởng đến quá trình xây dựng mô hình.

- Mô hình phần tử đường (LINE) có thể đại diện cho các cụm hay ống 2D hoặc 3D, cũng như các mô hình đối xứng trục tương ứng Thay vì xây dựng mô hình hình học và chia lưới, việc tạo phần tử đường thường được ưa chuộng hơn Mô hình phần tử 2D solid thường dùng cho cấu trúc phẳng, nhịp phẳng hoặc cấu trúc đối xứng trục Cấu trúc có thể được tạo ra từ khối 2D hoặc mô hình hình học Các mô hình phần tử 3D shell dùng cho cấu trúc vỏ mỏng trong không gian 3 chiều, cũng có thể tạo ra từ mô hình hình học.

- Mô hình SOLID 3D được sử dụng cho các kết cấu dày trong không gian 3 chiều có mặt cắt thay đổi hoặc các trục không đối xứng Việc tạo ra mô hình này bằng các phương pháp trực tiếp thường khó khăn, thay vào đó, sử dụng các phương pháp mô hình hóa hình học là dễ dàng hơn.

Trình tự thiết kế 3D trong Solidworks: Trong Solidworks, việc giải quyết vấn đề (mô hình hóa) được thực hiện theo nhiều bước (sử dụng một số công cụ thiết kế) Trình tự công việc và nội dung công việc của từng quy trình cũng khác nhau tùy thuộc vào hình dạng của mục tiêu thiết kế Nói chung, mỗi bước có thể được tóm tắt như sau:

- Đặt tên cho mô hình thiết kế

- Mở bản vẽ để thiết kế: có nhiều loại mô đun khác nhau khi mở bản vẽSOLIDWORK để thiết kế tùy theo mục đích thiết kế mà ta sẽ sử dụng các mô đun khác nhau như:

• Bản vẽ chi tiết (Part)

• Xuất bản vẽ (Drawing) Chọn đơn vị đo cho bản vẽ Một bản vẽ vừa được tạo thường có đợn vị đo độ dài mặc định, được xác định khi cài phần mềm SOLIDWORK.

- Xác định đơn vị dài: khi chọn đơn vị đo, trong Solidworks có các hệ thống đơn vị đo sau: Millimetrs, Centimetrs, Meters, Inches, Feet và inches, kích chuột để chọn đơn vị cần thiết.

-Xác định đơn vị đo góc: Trong Solidworks gồm các hệ thống đo góc sau; Degrees, Deg/ Min/Sec, Radians.

-Nhập các thông số cho mô hình (như chiều dài, chiều dầy, bán kính cong ), chọn OK.

Sau khi hoàn thành các bước trên, hãy sử dụng các công cụ (lệnh) của SOLIDWORK để hoàn thành các bước để vẽ đúng mô hình về hình dạng, kích thước, v.v theo yêu cầu cho thiết kế của bạn.

Sau khi thực hiện từng lệnh hoặc hoàn thành công việc thiết kế (Done), thực hiện lệnh lưu bản vẽ (Save).

Kết luận chương 2

Qua chương 2 cho ta thấy được tầm quan trọng của việc hiểu được các kết cấu,cấu tạo chung, các phương pháp nghiên cứu, hướng đánh giá của của đối tượng khảo sát và phần mền để vẽ mô hình 3D Từ đó hệ thống lại các bước, đưa ra bài toán cụ thể và xây dựng lên một mô hình tính toán hoàn chỉnh.

BÀI TOÁN CỤ THỂ

Giới thiệu về hãng xe KIA và xe tải KIA K2700

3.1.1 Giới thiệu sơ lược về hãng xe KIA

KIA hoặc KIA Group là một thương hiệu phổ biến của Hàn Quốc KIA Group có trụ sở chính tại Seoul và là một trong những công ty sản xuất ô tô lớn nhất đất nước này, từ khi trở thành thành viên của tập đoàn Hyundai từ năm 2013.

Toyota và KIA là hai thương hiệu xe hơi châu Á nổi tiếng tại Việt Nam KIA có thiết kế phù hợp với nhu cầu, tài chính và cơ sở hạ tầng của đất nước này Đặc biệt, KIA cũng hiểu rõ thị hiếu của người tiêu dùng Việt và đã cho ra mắt những chiếc xe ô tô giá rẻ nhưng chất lượng vẫn được đảm bảo Thương hiệu này phù hợp với sự phát triển mạnh mẽ của Việt Nam và thị trường ô tô đang ngày càng phát triển.

Từ năm 2016 đến nay, đã bán ra thị trường Việt Nam khoảng 100.000 chiếc xe KIA, con số ấn tượng so với các thương hiệu xe du lịch khác KIA đứng thứ 2 trong danh sách các thương hiệu xe bán chạy nhất trên thị trường Việt Nam, theo báo cáo của Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) Các mẫu xe KIA đang được rất ưa chuộng tại Việt Nam bao gồm Sedona, Cerato, Rondo, Sorento và sắp tới là Optima, đều được lắp ráp tại Việt Nam KIA đã ưu tiên Việt Nam trong việc giới thiệu các mẫu xe trong khu vực châu Á Hiện nay, đã có 8 mẫu xe KIA CKD được lắp ráp tại Việt Nam bởi công ty Trường Hải, bao gồm Morning, Carens, Forte, Sorento, K3, Cerato, Sedona và Rondo Ngoài ra, KIA còn có khoảng 60 điểm bán hàng trên toàn quốc, trong đó có 32 Showroom trang bị đầy đủ tiêu chuẩn toàn cầu, cam kết mang đến chất lượng dịch vụ sửa chữa chuyên nghiệp để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng.

Hình 3.1 Hình mẫu xe hãng KIA

3.1.2 Giới thiệu về xe tải KIA K2700

Dòng xe tải K-Series là dòng xe thành công nhất của hãng, không chỉ tại Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Các mẫu xe như K250, K165, K100, K2700, K3000 đều được đánh giá cao.

Các dòng xe tải KIA vượt trội hơn so với đối thủ bởi khả năng tải cơ động, động cơ hàng đầu và phong cách khí động học năng động Tập trung ở dòng tải trọng 1 tấn, 1.4 tấn, 1.5 tấn 1.9 tấn và 2.4 tấn Ngoài ra KIA Là cái tên không hề xa lạ trong lĩnh vực sản xuất lắp ráp ô tô tải tại Việt Nam.

THACO Trường hải đã sở hữu thương hiệu xe tải này tại Việt Nam Ngoài các dòng xe du lịch, gia đình thì dòng xe tải và xe khách từ trung cấp đến cao cấp

Thương hiệu xe tải Kia này cũng đạt doanh số và thị phần về xe tải nhẹ ấn tượng, top 3 doanh số tại Việt Nam trong nhiều năm qua.

Xe tải KIA K2700 là một loại xe tải 1.25 tấn với thiết kế nhỏ gọn, hình dáng lịch sự Loại xe này thấp phù hợp để chuyên chở các loại sản phẩm và lượng hàng hóa nhỏ Đồ án tốt nghiệp của chúng em chọn mục tiêu là tính toán cho chiếc xe tải KIA K2700 thế hệ thứ 2.

Tên thông số Đơn vị Kích thước và ghi chú

Chiều dài cơ sở mm 2585

Vệt bánh xe trước/sau mm 1750/1750

Chiều cao trọng tâm mm 985

Khoảng sáng gầm xe mm 150

Chiều dài thùng/khoang hàng mm 3130

Chiều rộng thùng/khoang hàng mm 1650

Dung tích bình nhiên liệu lít 60

Bán kinh bánh xe mm 444 Động cơ

Kiểu loại động cơ Diesel 4 kỳ SOHC – 4 xilanh thẳng hàng, làm mát bằng nước

Dung tích xy lanh công cc 2665

Tỷ số nén 21.5 Đường kính xy lanh x hành trình mm 94,5 x 95,0 piston

Công suất cực đại kW 61[kW]/4150 [v/ph]

Mô men xoắn cực đại N.m 175 Nm/2400 [v/ph]

Vị trí bố trí động cơ xe Phía trước

Kiểu hộp số kiểu cơ khí: 5 số tiến,1 số lùi

Tỷ số truyền số thứ 1 4,12

Tỷ số truyền số lùi 3,96

Tỷ số truyền lực chính 5,45

Tải trọng cho phép ở cầu trước kG 1194

Tải trọng cho phép ở cầu sau kG 1791

Tải trọng toàn bộ kG 2985

Tỷ số truyền truyền lực chính 5,45

Phanh công tác Loại phanh tang trống, dẫn động thuỷ lực, trợ lực chân không Loại phanh tang trống, dẫn động

Phanh tay cơ khí, tác dụng lên trục thứ cấp hộp số

Các hệ thống và trang bị khác

Công thức bánh xe Ắc qui

6.00-14/Dual 5.00 - 12 Trục vít – con lăn, trợ lực thuỷ lực.

Phụ thuộc, cơ cấu trục cố định, giảm chấn thuỷ lực Độc lập, cơ cấu tay đòn đôi và thanh cân bằng, giảm chấn thuỷ lực

4 x 2, 4 bánh, 1 cầu chủ động 12V - 100Ah

Bảng 3.1 Bảng thông số Kỹ thuật của xe tải KIA K2700

3.2 Xây dựng mô hình 3D vỏ cầu.

Chi tiết vỏ cầu xe tải có dạng hình học khá phức tạp Thân vỏ của xe tải KIA K2700 được chọn riêng cho nghiên cứu sử dụng các biên dạng đối xứng hai bên bán trục nên việc dựng mô hình 3D của trống cầu được thực hiện bằng nửa mặt đối xứng bên phải sẽ được thực thi đối với mô hình 3D đầy đủ của vỏ Các tham số kích thước được sử dụng khi tạo mô hình là các tham số tham chiếu được nhà sản xuất áp dụng và được đo trên sản phẩm thực tế.

Tạo mô hình 3D của cây cầu là một công việc tốn nhiều thời gian và công sức Các sản phẩm được thiết kế và xây dựng lại theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất thông qua các phép đo vật lý và mô hình hóa sau đó.

Vỏ cầu của xe bán tải KIA K2700 có hình dạng phức tạp và được chia làm hai nửa được mặt đối xứng Mỗi nửa của bán trục cũng trùng nhau với nhau Việc tạo mô hình 3D thực hiện dựa trên các tham số kích thước tham chiếu từ nhà sản xuất và được đo trên sản phẩm thực tế Để thiết kế chi tiết vỏ cầu chủ động, các mô-đun bộ phận được dụng Bạn có thể khởi chạy phần mềm và bắt đầu thiết kế bằng cách nhấp vào biểu tượng SOLIDWORKS trên màn hình của bạn.

Hình 3.2 Giao diện khởi động của phần mềm Solidworks

Sau khi khởi chạy phần mềm, nhấn FILE NEW để vào module thiết kế và chọn tên module cần thiết Hoặc thường xuyên nhất là đi đến BẮT ĐẦU Để thiết kế các chi tiết của vật rắn, hãy chuyển sang mô hình con.

Hình 3.3 Chọn modun để thiết kế chi tiết

Hình 3.4 Ba mặt phẳng cơ bản của phần mềm Solidworks

Muốn thiết kế các chi tiết 3D đầu tiên ta phải thiết kế biên dạng 2D trên các mặt vẽ phác là Font Plane hoặc Top Plane hoặc Right Plane, rồi chọn (sketch) để vào môi trường vẽ phác Sau đó tiến hành các lệnh vẽ trên môi trường 3D nhằm xây dựng vỏ cầu.

Sau khi chọn mặt phẳng ,tiến hành sử dụng các công cụ trên thanh công cụ sketch để hoàn thành bản vẽ phác 2D.

Hình 3.5 Thanh công cụ SKETCH

- Sử dụng Extruded Boss/Bass và Revolved Boss/Base để đùn khối chi tiết.

- Sử dụng Extruded Cut để đụt lỗ khối chi tiết sử dụng các lệnh Loft để tạo ra các biên dạng cong phức tạp của vỏ cầu với các góc nghiêng có sẵn.

- Sau đó tiếp tục sử dụng các lệnh Loft tạo biên dạng phức tạp và các lệnh đùn khối để thiết kế ô bi.

Hình 3.6 Thanh công cụ SEATURES

- Sau đó kết hợp các công cụ lại với nhau nhằm tạo ra khối 3D hoàn chỉnh hơn.

Hình 3.7 Vỏ cầu sau khi đã vẽ hoàn chỉnh

Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

3.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH (FEM)

Phương pháp toán học này là một phép tính gần đúng bằng số để giải các bài toán được mô tả bằng các phương trình đạo hàm riêng trên một miền xác định với các ràng buộc hình học tùy ý và các điều kiện biên mà không tìm được nghiệm chính xác Cơ sở của kỹ thuật toán học này là sự rời rạc hóa bằng cách chia miền vấn đề thành nhiều miền con nhỏ Các phần tử được kết nối với nhau bằng các nút chung.

Nghiệm được chọn, gọi là hàm xấp xỉ, là hàm xác định bởi các giá trị chưa biết tại các nút của phần tử và thỏa mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập hợp tất cả các phần tử có xét đến tính liên tục của biến dạng và chuyển vị tại các nút nối các phần tử Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số là các giá trị của hàm xấp xỉ bởi các nút.

Giải hệ phương trình này ta xác định được giá trị của hàm xấp xỉ tại mỗi nút phần tử, từ đó xác định hoàn toàn hàm xấp xỉ cho từng phần tử.

Phương pháp tính toán vỏ cầu chủ động theo PTHH cần tạo mô hình 3D với các thông số thiết kế ban đầu, lực và điều kiện tác động rõ ràng Bằng phần mềm tính toán đặc biệt, ta có bản đồ ứng suất, chuyển vị và biến dạng cho thân cầu Kết quả này giúp người thiết kế chỉnh sửa và tùy chỉnh thiết kế, gia cố những khu vực chịu lực cao Phương pháp này giúp sản phẩm hợp lý hơn, phân bố tải trọng đều hơn, giảm trọng lượng vỏ và tiêu thụ ít năng lượng hơn Bên cạnh đó, nó còn giúp kiểm tra độ bền sản phẩm trước khi sử dụng Chúng tôi cung cấp giải pháp kết cấu để hoàn thiện sản phẩm và rút ngắn giai đoạn thử nghiệm.

Sử dụng phần mềm công nghệ cao và phần mềm tính toán đặc biệt, quy trình thiết kế sản phẩm thường bao gồm các bước sau:

Bước 1: Thu thập và xử lý thông tin.

Thu thập các thông tin liên quan đến điều kiện thiết kế sản phẩm rồi xử lý, sàng lọc các thông tin, điều kiện ràng buộc liên quan đến sản phẩm thiết kế để tìm ra hướng giải pháp và mục tiêu thiết kế Bước 2: Đưa ra ý tưởng thiết kế. Đưa ra ý tưởng gần với cấu tạo của sản phẩm nhất Thời điểm này người thiết kế chỉ cần vẽ khái quát ý tưởng trên giấy.

Bước 3: Chỉnh ý tưởng thiết kế.

Lập bảng phân tích và cho điểm về các yếu tố cấu thành sản phẩm thiết kế, trong các ý tưởng thiết kế như tính năng, phẩm chất, giá thành, tính công nghệ trong kết cấu.

Bước 4: Dùng CAD (phần mềm thiết kế 3D để thiết kế sản phẩm theo ý tưởng). Bước 5: Sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng để phần tích kế cấu độ bền của chi tiết, sau đó hiểu chỉnh để dư ra chi tiết hợp lý nhất.

Có hai phương pháp chia lưới chính: chia tự do và có qui tắc.

Người dùng có thể chọn hai kiểu chia lưới khác nhau tùy vào từng bài toán và đặc điểm riêng Kiểu lưới tự do thường dùng trong bài toán kết cấu, còn kiểu chia lưới có qui tắc thường được dùng trong bài toán phân tích biến dạng lớn.

FEA có nguyên tắc cơ bản rằng khi số lượng phần tử tăng thì giải pháp càng gần đến chính xác hơn Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu thời gian và tài nguyên tính toán cao hơn Ví dụ, việc có lưới mịn giúp giá trị ứng suất chính xác và nhấn mạnh tại điểm yếu trên kết cấu hơn Nếu chỉ quan tâm đến chuyển vị hoặc ứng suất danh nghĩa, lưới tương đối thô cũng đủ và có thể bỏ qua chi tiết nhỏ.

3.2.2 Xây dựng mô hình PTHH a Giả thiết mô hình phần tử hữu hạn

-Coi vật liệu là đồng nhất, đẳng hướng và không có khuyết tật trong cấu trúc.

-Tải trọng đặt lên vỏ cầu coi như phân bố trên bề mặt.

-Bỏ qua momen xoắn trên theo phương x, z trên vỏ cầu.

-Kết cấu vỏ cầu coi như đối xứng qua bề mặt dọc trục của khung. b Xây dựng mô hình xác định độ bền của vỏ cầu chủ động

Sơ đồ thuật toán xác định độ bền vỏ cầu:

Trong nghiên cứu này, ta sử dụng mô hình 3D của vỏ cầu chủ động đã được xây dựng bằng phần mềm Solidworks.

Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán xác định độ bền vỏ cầu

Với vỏ cầu chủ động ô tô tải, vật liệu được sử dụng là thép 40x với các thông số sau:

Hình 3.9 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động

Thông số Đơn vị Giá trị

Mô đun đàn hồi Mpa 1,9.1

Bảng 3.2 Giá trị thông số vật liệu

.Hệ số Possion là tỉ số giữa độ biến dạng hông (độ co, biến dạng co) tương đối và biến dạng dọc trục tương đối (theo phương tác dụng lực).

Hình 3.10 Gán giá trị vật liệu cho vỏ cầu

Chất lượng lưới rất quan trọng đối với độ chính xác và tốc độ trong mô hình ảnh hưởng Nghiên cứu sử dụng chia lưới tự động để dự đoán vị trí khả nghi ở nồng độ ứng suất tiềm ẩn, nhằm tối ưu mật độ phần tử Tăng số lượng phần tử giúp tăng độ chi tiết và độ chính xác Tuy nhiên, vị trí không ảnh hưởng đến chất lượng và tài nguyên máy tính Đánh giá chất lượng các phần tử để nâng cao sự chính xác của mô hình Sử dụng các tiêu chuẩn khuyến cáo để đánh giá kết quả.

Hình 3.11 Mô hình chia lưới vỏ cầu

Cầu sau chủ động của xe tải là loại cầu giảm tải hoàn toàn.

Với kết cấu bán trục giảm tải hoàn toàn, vỏ cầu được gắn chặt với nhíp Do đó, vị trí ngàm tại 2 vị trí bắt nhíp được chọn.

Hình 3.12 Sơ đồ và bố trí kết cấu bán trục giảm tải hoàn toàn

Hình 3.13 Ngàm tại 2 vị trí bắt nhíp

Ngoại lực tác động lên ổ bi quay về vị trí bắt nhíp và tùy vào từng trường hợp tải trọng khác nhau sẽ có momen tác dụng ở vị trí khác nhau Do đó, trong trường hợp tổng quát, 6 thành phần lực tác dụng lên từng điểm nối giữa vỏ cầu và hệ thống treo (trái và phải) Tức là ba thành phần lực dọc, lực ngang, lực dọc và ba thành phần mô men x, y và hướng z Tùy trường hợp đo tĩnh và đo động mà các lực và momen này sẽ thay đổi tùy theo phép đo.

Hình 3.14 Lực theo phương X và phương Z

Về vấn đề xác định độ bền kéo đứt của vỏ cầu Các thành phần lực đưa vào mô hình tính toán là các giá trị không đổi và được nhập trực tiếp vào mô hình tính toán Đối với các bài toán thời gian thực động, dữ liệu đến trực tiếp từ các tệp dữ liệu và các giá trị được xác định tại các bước thời gian theo một mô hình tính toán.

• Xuất kết quả và đánh giá.

Sau khi thực hiện xong quá trình tính toán bằng phần mềm sẽ thu về ứng suất, chuyển vị và biến dạng được thể hiện dưới dạng phổ màu Ngoài các kết quả phân tích trong bài toán tĩnh còn có thêm các kết quả phân tích theo thời gian.

Ngoài ra ứng suất có thể xác định tại 1 điểm bất kỳ, một đường bất trì trong cả bài toán tĩnh và bài toán động nhằm khảo sát sự thay đổi của kết quả.

Các chế độ tải trọng tính toán cho vỏ cầu

Sơ đồ lực và momen tác dụng lên vỏ cầu trong các trường hợp:

Hình 3.15 Sơ đồ lực tác dụng lên vỏ cầu

3.3.1 Xe đầy tải chuyển động thẳng, có lực kéo cực đại

Các lực tác dụng lên vỏ cầu xe tính toán:

Mô men M y = F Xmax r 3# = 4465,3 0, 444 = 1982,6 ( N.m ) m ' k : hệ số phân bố tải trọng lên cầu khi kéo Chọn m ' k = 1,1

3.3.2 Khi lực phanh Z pmax đạt giá trị cực đại

Các lực tác dụng lên vỏ cầu

- m ' p: hệ số phân bố tải trọng lên cầu khi phanh Chọn m ' p = 0,9 F y1 = F y2 =0

3.3.3 Lực ngang (Ymax ) đạt giá trị cực đại (khi xe quay vòng bị trượt ngang)

TH1:Xe chuyển TH2: Xe quay vòng động chuyển động

TT Tải trọng ĐV với lực thẳng với lực thẳng với ngang cực kéo cực đại phanh cực đại đại

Bảng 3.3 Giá trị tải trọng tĩnh

Chương 3 trình bày nền tảng lý thuyết của nghiên cứu về phương pháp đo độ bền vỏ cầu chủ động xe tải Nghiên cứu nhằm tìm hiểu cách tạo mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải thông qua việc sử dụng phần mềm SolidWork để vẽ Kế tiếp, sử dụng phần mềm phân tích tiên tiến để đo độ bền của vỏ cầu chủ động xe tải Nghiên cứu bao gồm phân tích và đánh giá các chế độ tải trọng tĩnh tác động lên vỏ cầu.Chế độ tải tĩnh được sử dụng để đánh giá độ bền đứt gãy của vỏ cầu và đóng vai trò như một hướng dẫn cho các bài toán hoàn thiện kết cấu Phương pháp đánh giá dựa trên một mô hình nghiên cứu độ bền vỏ cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Solidworks.

ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA VỎ CẦU SAU XE KIA K2700

Xe chuyển động trên đường thẳng với lực kéo cực đại

Các lực đặt lên mô hình vỏ cầu gồm có:

- Mô men xoắn quanh trục y: M y1 = M y2 = 1982,6 (N.m);

Giá trị lực đặt trên vỏ cầu chủ động trong trường hợp 1 được mô tả trong hình 4.1:

Hình 4.1 Sơ đồ đặt lực trường hợp lực kéo cực đại

Sau khi khảo sát, ta thu được thông số chuyển vị tổng, biến dạng và ứng suất Von- Mises tại bảng 4.1:

Thông số Chuyển vị tổng Biến dạng tổng Ứng suất Von- Mises

Bảng 4 1: Giá trị chuyển vị tổng, biến dạng và ứng suất trường hợp lực kéo cực đại

Phổ chuyển vị tổng, ứng suất của vỏ cầu chủ động trong trường hợp này:

Hình 4.2 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.3 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.4 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.5 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.6 Ứng suất Von- Mises ở mặt trước trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.7 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.8 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.9 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 4.10 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Trong trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính đối xứng Vỏ cầu bị uốn cong nhiều nhất ở vị trí trung tâm nên chuyển vị lớn nhất nằm ở vị trí giữa hai nơi đặt nhíp Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 234.825 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là [σ] = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

Xe chuyển động trên đường thẳng với lực phanh cực đại

Trong trường hợp này, các lực tác dụng lên vỏ cầu bao gồm:

- Mô men xoắn quanh trục y: M y1 = M y2 = 2504,9 (Nm);

Sơ đồ đặt lực trên vỏ cầu trong hình 4.11:

Bảng giá trị chuyển vị, biến dạng, ứng suất trong trường hợp này:

Hình 4.11 Sơ đồ đặt lực khi xe chuyển động thẳng với lực phanh cực đại

Bảng 4.2: Bảng giá trị chuyển vị tổng, biến dạng, ứng suất Von- Mises trường hợp lực phanh cực đại.

Phổ chuyển vị tổng, biến dạng tổng và ứng suất trên vỏ cầu chủ động:

Hình 4.12 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.13 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.14 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.15 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.16 Ứng suất Von- Mises ở mặt trước

Hình 4.17 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.18 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.19 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 4.20 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Trong trường hợp xe chuyển động thẳng với lực phanh cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính đối xứng.

Vỏ cầu bị uốn cong nhiều nhất ở vị trí gắn với mặt bích nên vỏ cầu có giá trị chuyển vị lớn nhất và ứng suất lớn nhất nằm ở vị trí gắn với mặt bích Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 372.656 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là

[ = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

Xe quay vòng với lực ngang cực đại

Các lực tác động lên vỏ cầu bao gồm:

Hình 4.21 Sơ đồ đặt lực khi xe quay vòng với lực ngang cực đại

Bảng 4.3 Giá trị chuyển vị, biến dạng, ứng suất khi xe quay vòng với lực ngang cực đại

Hình 4.22 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.23 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.24 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.25 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.26 Ứng suất Von- Mises ở mặt trước trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.27 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trường hợp xe quay vòng

Hình 4.28 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.29 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp xe quay vòng

Hình 4.30 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp xe quay vòng

Trong trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng không đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính tập trung ở 1 bên vỏ cầu Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 61.32 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là [σ] = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

Bảng tổng hợp kết quả ứng suất, chuyển vị, biến dạng của vỏ cầu xe:

Thông số Ứng suất Biến dạng tổng Chuyển vị tổng

Trường hợp 1: Lực kéo cực đại 234.825 0,011 0.813

Trường hợp 2: Lực phanh cực đại 372.656 0,008 1.694

Trường hợp 3: Lực ngang cực đại 61.32 0,002 0.949

Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả ứng suất, chuyển vị và biến dạng của vỏ cầu xe

Việc phân tích trường hợp mô hình bài toán tĩnh cho thấy rằng ứng suất không phân bố đều trên mặt cầu Tuy nhiên, tải trọng không quá lớn và giá trị tải trọng lớn nhất là khi xe đi thẳng với lực phanh cực đại, đạt giá trị cực đại là 372.656 MPa Vì giá trị ứng suất vẫn nhỏ hơn ứng suất cho phép 785 MPa đối với thép 40X, nên vỏ cầu không bị phá hủy Kết quả này cũng phù hợp với các tính toán thông thường để xác định cường độ vỏ cầu Tuy nhiên, kết quả từ phần mềm cho thấy các điểm tập trung ứng suất và biến dạng chính trực quan hơn, trong khi các vị trí khác của vỏ cầu rất ổn định Điều này khuyến khích cải tiến kết cấu vỏ cầu chủ động nhằm giảm trọng lượng bằng cách thay đổi chiều dày vỏ cầu tại những điểm dư sức bền mà ứng suất quá mức không tập trung.

TỐI ƯU HÓA VỎ CẦU SAU

Giới thiệu về phần mềm tối ưu hóa

Sản phẩm có thể được tối ưu hóa kích thước, hình học và số liệu hiệu suất một cách dễ dàng và nhanh chóng SolidWorks cung cấp nhiều ứng dụng giúp tối ưu sản phẩm, bao gồm tối ưu kích thước và trọng lượng, tối ưu hình học để sử dụng tài nguyên vật liệu một cách khoa học và hiệu quả Kết hợp với SolidWorks Simulation, thời gian được tiết kiệm và chức năng sản phẩm được tối ưu. SolidWorks Optimization hỗ trợ nhiều phương pháp tối ưu hóa phù hợp cho từng loại thiết kế khác nhau như:

Phương pháp Pareto giúp người sử dụng xem điểm Pareto tối ưu thông qua biểu đồ và dữ liệu để phân tích mối quan hệ giữa các chỉ số hiệu suất Công nghệ tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho phép người sử dụng tối ưu hóa hình dạng và phân phối vật liệu SolidWorks Optimization cũng hỗ trợ các phương pháp tối ưu hóa truyền thống như phương pháp dựa trên lịch sử và heuristic.

SolidWorks Optimization là công cụ tối ưu hóa thiết kế và sản xuất sản phẩm,giúp tối ưu hóa hiệu suất để tiết kiệm chi phí và mang lại sản phẩm hoàn hảo.

Thực hiện bài toán tối ưu hóa

Các bước tối ưu hóa:

- Vào phần Evaluate trong phần mềm Solidworks

Hình 5.2 Giao diện màn hình phần mềm tối ưu hoá

-Tạo các biến (Variables): Ta chọn những kích thước có trong vỏ cầu có thể thay đổi để phù hợp với mục tiêu ta đặt ra.

Hình 5.3 Giao diện chọn mục tiêu kích thước thay đổi

-Tạo các mục tiêu tính toán hay chính là kết quả mong muốn của bài toán tối ưu hóa Với mục tiêu của bài toán thiết kế vỏ cầu thì ta sẽ chọn là ứng suất lớn nhất

375 MPa và giảm khối lượng của vỏ cầu.

Hình 5.4 Chọn mục tiêu tính toán để tối ưu hoá

Sơ đồ thuật toán quá trình tối ưu hóa:

Hình 5.5 Sơ đồ thuật toán quá trình tối ưu hóa

Đánh giá kết quả sau khi tối ưu hóa

Hình 5.6 Thông số kích thước vỏ cầu sau khi đã tối ưu hoá

Hình 5.7 Thông số khối lượng vỏ cầu sau khi đa tối ưu hoá

5.3.1 Xe chuyển động trên đường thẳng với lực kéo cực đại

Bảng 5.1 Giá trị chuyển vị tổng, biến dạng và ứng suất trường hợp lực kéo cực đại

Phổ chuyển vị tổng, ứng suất của vỏ cầu chủ động trong hình các dưới đây:

Hình 5.8 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.9 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.10 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.11 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.12 Ứng suất Von- Mises ở mặt trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.13 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.14 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.15 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp lực kéo cực đại

Hình 5.16 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực kéo cực đại

Trong trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính đối xứng.

Vỏ cầu bị uốn cong nhiều nhất ở vị trí trung tâm nên chuyển vị lớn nhất nằm ở vị trí giữa hai nơi đặt nhíp Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 100.807 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là [σ] = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

5.3.2 Xe chuyển động trên đường thẳng với lực phanh cực đại

Bảng 5.2 Bảng giá trị chuyển vị tổng, biến dạng, ứng suất Von- Mises trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.17 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.18 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.19 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.20 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.21 Ứng suất Von- Mises ở mặt trước trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.22 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.23 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.24 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp lực phanh cực đại

Hình 5.25 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực phanh cực đại

Trong trường hợp xe chuyển động thẳng với lực phanh cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính đối xứng.

Vỏ cầu bị uốn cong nhiều nhất ở vị trí gắn với mặt bích nên vỏ cầu có giá trị chuyển vị lớn nhất và ứng suất lớn nhất nằm ở vị trí gắn với mặt bích Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 205.207 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là

[ = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

5.3.3 Xe quay vòng với lực ngang cực đại

Thông số Chuyển vị tổng

Biến dạng tổng Ứng suất Von- Mises

Bảng 5.3: Giá trị chuyển vị, biến dạng, ứng suất khi xe quay vòng với lực ngang cực đại

Hình 5.26 Phổ biến dạng tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.27 Phổ biến dạng tổng ở mặt trước trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.28 Phổ biến dạng tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.29 Ứng suất Von- Mises trên vỏ cầu trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.30 Ứng suất Von- Mises ở mặt trước trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.31 Ứng suất Von- Mises ở mặt dưới trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.32 Phổ chuyển vị tổng trên vỏ cầu trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.33 Phổ chuyển vị tổng ở mặt trước trong trường hợp lực ngang cực đại

Hình 5.34 Phổ chuyển vị tổng ở mặt dưới trong trường hợp lực ngang cực đại

Trong trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại do vỏ cầu chịu lực tác dụng không đều ở hai bên nên phổ chuyển vị và ứng suất của vỏ cầu cũng có tính tập trung ở 1 bên vỏ cầu Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này là 165.079 Mpa so với ứng suất giới hạn mà vỏ cầu bị phá hủy là [σ] = 785 (MPa) nên vỏ cầu vẫn đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này.

Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị tổng, biến dạng tổng trước và sau khi đã tối ưu hóa: