Để thực hiện đề tài, chúng em đã đo đạc, thu thập thông số kích thước của dầm cầu trước của một mẫu xe buýt đã quen thuộc ở Việt Nam, đó chính là mẫu xe Hyundai County, các tải trọng đượ
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Giao thông vận tải ô tô là lĩnh vực quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội không chỉ của mỗi quốc gia mà còn của toàn thế giới Xu hướng chuyển phát hàng hóa và cả con người xuất hiện liên tục Nhờ vậy mà ngành giao thông vận tải đã xuất hiện, phát triển và được nhận định là mạch máu của nền kinh tế quốc dân
Nhu cầu tăng cao của việc vận tải hành khách và hàng hóa dẫn đến sự xuất hiện thường xuyên việc quá tải trên xe gây ra nhiều hư hỏng ở xe nói chung , dầm cầu xe nói riêng Vì dầm cầu xe có chức năng đỡ toàn bộ khối lượng được treo của xe và chịu phản lực trực tiếp từ mặt đường ngoài ra dầm cầu ảnh hưởng đến nhiều đặc tính của xe Dầm cầu trước là bộ phận bắt buộc phải kiểm tra độ bền ở cục Đăng kiểm quy định trước xe được phát hành lưu thông trên đường Chính vì vậy, nhóm chúng em đã thống nhất hướng thực hiện đề tài về việc đánh giá và tìm cách tối ưu dầm cầu xe.
Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng mô hình 3D dầm cầu trước của xe bus Hyundai county bằng phần mềm Solidworks
Khảo sát và xác định độ bền dầm cầu trước xe dựa trên các trường hợp tải trọng tĩnh Tối ưu dầm cầu trước xe bằng dùng ứng dụng phần mềm trong Solidworks.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là xe bus hyundai county
Phạm vi nghiên cứu bao quanh những vấn đề chính gồm :
− Xây dựng mô hình 3D dầm cầu trước xe bus bằng phần mềm Solidworks;
− Xác định tải trọng tác động lên xe và đánh giá độ bền xe bằng Solidwoks simulation
− Tối ưu hoá thiết kế dầm cầu xe bằng Solidworks optimization.
Nội dung và bố cục của đồ án
Nội dung nghiên cứu của đồ án bao gồm các phần chính :
− Chương 2: Cơ sở lý thuyết về dầm cầu và xe Hyundai County
− Chương 3: Xây dựng mô hình của dầm cầu
− Chương 4: Tính toán và đánh giá bền của dầm cầu trước xe Hyundai County
− Chương 5: Tối ưu hoá thiết kế dầm cầu xe trước
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẦM CẦU VÀ XE HYUNDAI COUNTY
Dầm cầu
Dầm cầu có công dụng đỡ toàn bộ phần khối lượng được treo phân bố lên cầu và tiếp nhận các phản lực của mặt đường và nối các bánh dẫn hướng.Dầm cầu liền được dùng rộng rãi trên xe
Hình 2.1 Dầm cầu xe 2.1.1 Cấu tạo của dầm cầu trước
Hình 2.2 Cấu tạo của dầm cầu Dựa vào hình, ta có cấu tạo của dầm cầu loại liền có thể trình bày được trình bày như sau: Cầu trước dẫn hướng ô tô gồm có một dầm ngang nối với khung nhíp tại bệ nhíp Ở hai đầu dầm cầu ngang có hai lỗ trục Trục đứng sẽ xuyên qua các lỗ hình trụ nằm trong
4 con quay tạo nên trục quay bánh xe, trục bánh khiến cả lốp và con quay đều xoay được quanh hình trụ đứng
Dạng dầm cầu trước của xe Hyundai County mà ta đa đang khảo sát là dầm cầu loại liền có dầm ngang dạng chữ I và được bố trí với hệ thống treo nhíp lá
Thông thường dầm ngang thường sẽ có dạng chữ I nhưng đôi khi sẽ có dạng ống tròn hoặc tiết diện elip có khả năng chịu uốn và xoắn tốt hơn
2.1.2 Yêu cầu của dầm cầu:
Dầm cầu trước phải đạt được các yêu cầu, tiêu chuẩn cơ bản về độ bền, độ cứng và các yêu cầu, đặc tính khác tùy vào điều kiện, mục đích sử dụng của xe Độ cứng dầm cầu sẽ ảnh hưởng đến biến dạng của dầm cầu khi xuất hiện tác dụng của lực va chạm hay lực quán tính Độ cứngiảnh hưởngsnhiều đến khảinăng làm việc của các hệ thống trên xe như hệ thống treo, hệ thống lái và dao động dầm cầu Độ cứng uốn và xoắn có liên quan đến dao động của dầm cầu, thường được sử dụng như một trong những tiêu chuẩn để đánh giá tính năng làm việc của kết cấu dầm cầu ôtô
Hình 2.3 Đồ thị quan hệ giữa biến dạng và lực tác động Độ bền là khả năng mà là lực tác dụng lớn nhất mà dầm cầu có khả năng chịu được Dưới tác dụng của các tải trọng bên ngoài, tại dầm cầu xe xuất hiện chuyển vị và ứng suất Khi dầm cầu chịu tải trọng ở khoảng giới hạn cho phép, độ bền dầm cầu sẽ phải bảo đảm khả năng làm việc Độ bền mỏi cũng là một tiêu chí quan trọng để đánh giá dầm cầu xe, do trong thực tế khả năng làm việc của kết cấu dầm cầu bị mất không chỉ vì hiện tượng đột ngột quá tải vượt quá khoảng giới hạn cho phép mà còn do hiện tượng mõi của vật liệu khi dầm cầu xuất hiện các tải trọng ảnh hưởng thay đổi có chu kỳ
Ngoài ra, các đặc tính của dầm cầu ô tô thường được quan tâm khi thiết kế chế tạo ôtô là đặc tính dao động, đặc tính ổn rung và độc tính biến dạng Đặc tính dao động của xe liên quan đến độ cứng và sự phân bố khối lượng của dầm cầu xe Sự phân bố khối lượng của dầm cầu trong không gian sẽ khiến cho trên dầm cầu xuất hiện rất nhiều các tần số dao động riêng Do vậy dầm cầu ôtô sẽ bị biến dạng cục bộ, chính là các ứng suất tập trung được phân bố tại các phần, vị trí riêng biệt tại dầm cầu Đặc tính ổn rung ảnh hưởng đến các tiêu chí về êm dịu trên xe do sự dao động của hệ thống treo tác động lên dầm cầu ôtô khi chuyển động, đó chính là một trong các nguồn tạo ra ồn rung Đặc tính biến dạng đảm bảo rằng khu vực hành khách ít chịu ảnh hưởng từ các lực va chạm Độ bền của dầm cầu phải bảo đảm được tính an toàn cho hành khách
Khi thiết kế, kết cấu của dầm cầu sẽ thỏa mãn các yêu cầu:
− Dầm cầu phải đảm bảo đủ cứng để cố định hệ thống treo và chịu lực từ khung xe
− Có hình dáng, tiết diện và độ dày đảm bảo chịu được tác dụng của lực và momen xoắn trong thời gian làm việc
− Độ cứng của dầm đảm bảo phân bố đều nhau
− Độ cứng của dầm cầu phải đủ lớn nhưng ngược lại khối lượng phải hạn chế tăng vì khối lượng không được treo khi tăng lên sẽ làm giảm khả năng dập tắt dao động khi gặp phải đường xấu và gây khó chịu cho người trên xe
− Độ cao của dầm cầu phải đảm bảo được tính ổn định và khả năng cơ động của xe
2.2 Các chế độ tải trọng và các phương pháp đánh giá độ bền dầm cầu:
Tải trọng là lực được tác động lên một vật thể Tại dầm cầu thì tải trọng là các khối lượng con người, hàng hóa, khối lượng các bộ phần đè lên dầm cầu trước và các phản lực tác dụng từ mặt đường
Tải trọng tĩnh là tải trọng không đổi trong suốt quá trình di chuyển của xe Tải trọng tĩnh của là tải trọng hàng vận chuyển và con người trên xe Tải trọng tĩnh thay đổi chủ yếu do có sự thay đổi khối lượng của hàng hóa và con người Tải trọng cho phép được nhà sản xuất đưa ra để đảm bảo được độ bền lâu và độ an toàn của xe
Khi xe làm việc, các tải trọng và ứng suất phát sinh sẽ phụ thuộc giá trị tải trọng ở điều kiện sử dụng đó Giá trị tải trọng động có thể thay đổi do điều kiện mặt đường và trạng thái chuyển động của xe Vậy nên việc xác định giá trị tải trọng động là rất phức tạp Tải trọng động có thể gấp nhiều lần tải trọng tĩnh
Tải trọng động sẽ tính bằng các công thức được rút ra bằng thực nghiệm và tải trọng tĩnh xác định bằng giá trị mômen xoắn lớn nhất được tạo ra bởi động cơ
Tải trọng động thường được đặc trưng bằng hệ số động kđ Ta có, hệ số này chính là tỉ số của giá trị tải trọng động trên giá trị tải trọng tĩnh:
2.2.2 Phương pháp đánh giá độ bền tĩnh dầm cầu:
Theo phương pháp truyền thống thì độ bền của dầm cầu sẽ được kiểm nghiệm bằng cách tính toán giá trị ứng suất cực đại σmax ở các trường hợp, điều kiện tải sau:
− Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc hoặc phanh)
− Chuyển động trượt ngang (lực ngang cực đại)
− Chuyển động trên đường xấu với tải trọng thẳng đứng lớn nhất
Với phương pháp tính toán này, dầm cầu sẽ được xem là đủ bền khi ứng suất lớn nhất nhỏ hơn ứng suất giới hạn cho phép của vật liệu: σ max ≤ [σ]
Trong đó: Ta có [σ] chính là ứng suất lớn nhất trong giới hạn của vật liệu tạo nên dầm cầu
Tổng quan về xe buýt Hyundai County
2.3.1 Giới thiệu về hãng xe Hyundai
Hãng xe Hyundai còn được gọi với tên đầy đủ là Hyundai Motor Company, đây là công ty đa quốc gia nổi tiếng tại Hàn Quốc có trụ sở tại thủ đô Seoul chuyên sản xuất ô tô Hyundai được thành lập vào năm 1967 và đã bước lên trở thành nhà sản xuất xe đứng thứ
Hình 2.4 Logo của công ty Hyundai
Biểu tượng logo của Hyundai, chữ “H” là tượng trưng cho hình ảnh công ty và khách hàng đang bắt tay nhau Trong tiếng Hàn, tên gọi “Hyundai” có nghĩa là “hiện đại” Hyundai sử dụng câu khẩu hiệu là: "New Thinking New Possibilities" có nghĩa là “Tư duy mới Tiềm năng mới”
Các mẫu xe của hãng này nổi tiếng với chất lượng và độ bền, trung bình một năm Hyundai cho ra thị trường 1,7 triệu chiếc xe Cùng với đó là với quy mô lớn lên đến 75000 nghìn công nhân và cùng với đó có nhiều văn phòng đại diện trên thế giới Ngoài ra thì các
8 sản phẩm của thương hiệu này còn đang được bày bán tại hơn 200 quốc gia với hàng nghìn các đại lý trên toàn cầu
Hình 2.5 Nhà máy sản xuất Hyundai tại Việt Nam
Còn tại thị trường Việt Nam, dòng xe Hyundai hiện nay đã bán các mẫu xe nội bật có tất cả các phân khúc Một số dòng xe Hyundai đang bán chạy tại nước ta có thể kể đến như Elantra, Accent, i10, Tucson, Santa Fe, Kona,
Hình 2.6 Các mẫu xe nổi bật của Hyundai
2.3.2 Giới thiệu chung về xe Hyundai County
Xe Hyundai County là dòng xe chở khách hạng sang, được Hyundai Hàn Quốc nghiên cứu, phát triển và được đưa về Việt Nam từ những năm 2000 Mẫu xe này đã khẳng định được vị thế của mình nhờ vào chất lượng vượt trội và trở thành dòng xe được ưa chuộng ở Việt Nam nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật như:
− Xe sử dụng động cơ D4DD đạt tiêu chuẩn khí thải euro 4
− Nhằm mang đến sự thoải mái cho hành khách xe được những trang bị như giảm xóc hiện đại, điều hòa mát mẻ…
− Xe được lắp ráp theo dây chuyền hiện đại, đồng bộ đảm bảo cho xe vận hành êm dịu và bền bỉ theo thời gian
− Ngoại thất hiện đại, kiểu dáng năng động phù hợp với nhiều mục đích sử dụng
Hình 2.7 Xe buýt Hyundai County
Những thông số chi tiết của xe sẽ được liệt kê ở bảng 2.1 dưới đây
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe buýt Hyundai County
Tên thông số Đơn vị Kích thước và ghi chú
Chiều dài cơ sở mm 4085
Vệt bánh xe trước/sau mm 1705/1495
Vệt bánh xe sau phía ngoài mm 1745
Chiều dài đầu xe mm 1190
Chiều dài đuôi xe mm 1805
Khoảng sáng gầm xe mm 195 Động cơ
Kiểu loại động cơ D4DD 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng có
Turbo tăng áp, phun dầu điện tử
Dung tích xy lanh cm 3 3907
Tỷ số nén 18:1 Đường kính xy lanh x hành trình piston mm 104 x 115
Công suất động cơ kW 103 kW/2800 [v/ph]
Mô men xoắn cực đại N.m 380 Nm/1600 [v/ph]
Vị trí bố trí động cơ xe Phía trước
Kiểu hộp số Hộp số MO35S5, kiểu cơ khí: 5 số tiến,1 số lùi
Tỷ số truyền số thứ 1 5,380
Tỷ số truyền số thứ 2 3,028
Tỷ số truyền số thứ 3 1,700
Tỷ số truyền số thứ 4 1,000
Tỷ số truyền số thứ 5 0,722
Tỷ số truyền số lùi 5,380
Tải trọng cho phép ở cầu trước kG 2560
Tải trọng cho phép ở cầu sau kG 4100
Tỷ số truyền truyền lực chính 5,375
Phanh công tác Loại phanh tang trống, dẫn động thuỷ lực, trợ lực chân không
Phanh tay Loại phanh tang trống, dẫn động cơ khí, tác dụng lên trục thứ cấp hộp số
Các hệ thống và trang bị khác
Hệ thống lái Trục vít - Ecu bi, trợ lực thuỷ lực
Hệ thống treo trước và sau Phụ thuộc, nhíp lá, có giảm chấn thuỷ lực
Công thức bánh xe 4 x 2, 4 bánh, 1 cầu chủ động Ắc qui 24V - 90Ah
XÂY DỤNG MÔ HÌNH CỦA DẦM CẦU
Xây dựng mô hình
3.1.1 Giới thiệu phần mền solidworks
Solidworks là phần mềm đang được dùng vô cùng phổ biến hiện nay, nó đã được ứng dụng trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau như cơ khí, điện, mô phỏng,…
Solidworks cung cấp những khả năng vô cùng hữu ích để thiết kế các chi tiết, nối và lắp những chi tiết này, Những tính năng được kể ra là một trong số những tiện ích thông dụng của Solidworks, ngoài ra còn có các tính năng khác như: Nghiên cứu bài toán tĩnh hoặc động lực học
Hình 3.1 Thiết kế từ Solidworks
3.1.1.1 Những tính năng trên phần mềm Solidworks :
− Thiết kế hoàn hảo, toàn diện mô hình 3D: Đây là ứng dụng tiêu biểu nhất của SolidWorks Thông quan việc thiết kê các các biên dạng 2D bạn sẽ dựng được các khối 3D theo yêu cầu
− Tính năng lắp ráp các chi tiết: Đó là ứng dựng thông dụng ở phần mềm CAD/CAM Các chi tiết 3D đã thiết kế có thể được lắp ghép thành một vật thể hoàn chỉnh Xây dựng được những công đoạn, bước lắp ghép
Hình 3.2 Tính năng lắp ráp trong Solidworks
− Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks:
Solidworks hỗ trợ xây dựng những hình chiếu hoặc các bản lắp theo ý người dùng Công cụ cho phép tạo kích thược tự động được quy định bởi người dùng Chức năng ghi chú thích dễ dàng chi tiết bề mặt
Hình 3.3 Xuất bản vẽ trong Solidworks
− Hỗ trợ việc gia công trên Solidworks:
Sử dụng phần mềm để điều khiển máy móc gia công tạo ra sản phẩm theo mong muốn
− Phân tích động lực học trên Solidworks: Các công cụ hỗ trợ mô phỏng giúp đánh giá, cải thiện thiết kế được cung cấp bởi SolidWorks Các đặc tính và quan hệ hình học được xác định trong quá trình thiết kế được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng Các vật thể được kiểm tra độ bền và trải qua phân tích động học đầy đủ
Hình 3.5 Tính năng phân tích động lực học trong Solidworks
3.1.2 Xây dựng mô hình 3D dầm cầu trước xe bus
Việc xây dựng mô hình chi tiết của dầm cầu trước xe bus là một việc tốn khá nhiều công sức và thời gian của người thiết kế Việc ứng dụng phần mềm thiết kế được thực hiện qua nhiều bước khác nhau, trình tự và nội dung của từng bước cũng phụ thuộc vào từng phần mềm cụ thể
Mô hình phân tích có thể là 2D, 3D và sẽ chứa đựng các phần tử là điểm, đường, bề mặt hay khối đặc.Ta có thể lựa chọn nhiều phần tử trong mô hình Việc xác định kiểu mô hình, phần tử sẽ xác định phương pháp dựng mô hình
Hình 3.4 Tính năng gia công trên Solidworks
3.1.2.1 Trình tự thiết kế 3D trong Solidworks
Mô hình 3D trong Solidworks được xây dựng qua nhiều bước, dùng nhiều công cụ Phụ thuộc vài từng kiểu sản phẩm trong thiết kế mà có trình tự và nội dung công việc phù hợp Cụ thể ta có thể khái quát các bước để tiến hành mô hình 3D của một sản phẩm cụ thể như sau:
− Tạo tên cho mô hình thiết kế :Việc đặt tên cho chi tiết nhằm hạn chế khả năng ghi đè tệp cũ và dễ dàng cho quá trình tìm kiếm sản phẩm
− Mở bản vẽ thiết kế: Trong Solidworks có 3 mô đun chính là vẽ chi tiết (Part Design), thiết kế bản vẽ lắp (Assembly), xuất bản vẽ 2D (Drawing) Giữa các phẩn rất thuận tiện trong việc chuyển giữa các mô đul và các mô dul có liên kết với nhau
Hình 3.6 Ba Module chính trong SolidWorks
− Dùng thiết kế bản vẽ chi tiết (Part Design): Bản vẽ này thường được sử dụng để thiết kế các chi tiết 3D Thường sử dụng tạo các chi tiết riêng lẻ nên trong bản vẽ chi tiết người sử dụng không thể tạo được 2 chi tiết trên nó
Hình 3.7 Các mặt phẳng để vẽ
− Chọn mặt phẳng để thiết kế mô hình: Thiết kế biên dạng 2D trên các mặt vẽ phác thảo rồi chọn (sketch) để vào môi trường vẽ và tiến hành các lệnh vẽ trên môi trường 3D nhằm xây dựng vỏ dầm cầu trước
Hình 3.8 Thanh công cụ Sketch
− Sau khi chọn mặt phẳng ,tiến hành sử dụng các lệnh trong thanh công cụ sketch để hoàn thành bản vẽ phác 2D
Hình 3.9 Công cụ dùng để đùn khối chi tiết
− Sử dụng Extruded Boss/Bass và Revolved Boss/Base để đùn khối chi tiết
Hình 3.10 Công cụ dùng để đụt lỗ khối chi tiết
− Sử dụng Extruded Cut để đụt lỗ khối chi tiết
− Sau đó kết hợp 2 công cụ lại với nhau nhằm tạo ra khối 3D hoàn chỉnh hơn
Sau quá trình thiết kế chi tiết vỏ cầu thì sản phẩm hoàn thiện trong hình
Hình 3.11 Mô hình 3D dầm cầu trước
Xây dựng mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn
3.2.1 Giới thiệu về Solidworks Simulation:
Solidworks Simulation là một ứng dụng được dùng để phân tích toàn diện các thiết kế, cung cấp các kiểu phân tích về ứng suất, nhiệt Nhờ có các tính toán cực kỳ nhanh và mạnh mẽ sẽ hỗ trợ giải quyết những bài toán phân tích nhanh chóng và chính xác Nó giúp cho người dùng giảm tiêu tốn thời gian bằng nhiều phương pháp và công cụ tối ưu và tiện lợi
Ngoài ra, Simulation cung cấp nhiều kiểu, phương pháp phân tích khác nhau để đáp ứng nhu cầu khác nhau của mỗi người, trong đó gồm có:
− Static (Stress) studies: là phương pháp tĩnh học dùng để tính toán sự phân bố các chuyển vị, biến dạng, ứng suất, phản lực và các hệ số an toàn Vật liệu sẽ bị hỏng tại những vị trí mà ứng suất vượt quá một mức nhất định Nghiên cứu về tĩnh học giúp ngăn chặn các vật thể bị hỏng do lực Các vị trí có hệ số an toàn lớn thể hiện rằng ứng suất ở vị trí vẫn thuộc khoảng an toàn và vật liệu có khả năng được giảm ở những khu vực này
Hình 3.12 Một bài toán nghiên cứu tĩnh bằng SolidWorks Simulation
− Frequency studies: Mọi vật thể luôn tự dao động tại những tần số nhất định gọi là tần số cộng hưởng Phân tích nhằm đánh giá hình dạng vật thể ở các tần số tương ứng Nó biểu diễn cho quan hệ giữa số bậc tự do với sai số hình dạng của đối tượng thông thường thì chỉ khảo sát được một số ít hình dạng của vật thể Vật thể sẽ xảy ra phản ứng quá mức trong trường hợp phải chịu một tải trọng có tần số cộng hưởng
− Buckling studies: Mất ổn định do chuyển vị đột ngột là do tải trọng gây ra Các vật thể mỏng khi có tải trọng dọc trục có thể bị hỏng do mất ổn định vị trí với tải trọng dưới giới hạn cho phép, điều này có thể dẫn đến hỏng vật liệu Các phương pháp nghiên cứu tính không ổn định sẽ giúp người sử dụng tránh được các hư hỏng về kết cấu do tính không ổn định
Hình 3.13 Một bài toán nghiên cứu sự mất ổn định bằng SolidWorks Simulation
− Thermal studies: bao gồm các nghiên cứu liên quan đến nhiệt độ, nhiệt, dòng nhiệt dựa trên điều kiện bức xạ hay sự sinh nhiệt Việc nghiên cứu này sẽ hỗ trợ người dùng tránh được những vấn đề nhiệt trong quá trình vật thể hoạt động như quá nhiệt và nóng chảy
Hình 3.14 Một bài toán nghiên cứu nhiệt bằng SolidWorks Simulation
− Drop test study: dùng để phân tích, mô phỏng các hiện tượng, tác động xảy ra khi một vật thể bất kỳ khi va chạm và rơi xuống sàn hay nền cứng
Hình 3.15 Một bài toán rơi tự do nhiệt bằng SolidWorks Simulation
− Fatigue studies (Nghiên cứu mỏi): khi tác động một tải lên vật thể hoạt động tuần hoàn theo chu kỳ sẽ khiến vật thể bị yếu dần, cả trong trường hợp ứng suất gây ra có giá trị nhỏ hơn ứng suất cho phép, đó được gọi là tính mỏi của vật thể Các nghiên cứu phi tuyến hoặc tuyến tính thông thường sẽ không nghiên cứu được hiện tượng phá hủy do ảnh hưởng của độ bền mõi mà chỉ tính toán đáp ứng của bài toán tại các điều kiện biên nhất định, nếu ứng suất ở giới hạn cho phép thì thiết kế sẽ được kết luận là an toàn và không tính đến tần số tác động lặp đi lặp lại của tải Nghiên cứu, đánh giá sử dụng trong các bài toán mõi dựa theo ứng suất von Mises, cường độ ứng suất
Hình 3.16 bài toán nghiên cứu mỏi bằng SolidWorks Simulation
− Nonlinear studies: Nghiên cứu phi tuyến có thể được sử dụng trong những trường hợp những giả định mà giải pháp tuyến tính đưa ra không còn chính xác, nghiên cứu phi tuyến nhằm để giải quyết những bài toán phi tuyến gây ra do các đặc điểm như trạng thái vật liệu, độ lớn của chuyển vị hoặc những trường hợp điều kiện tiếp xúc Trong bài toán nghiên cứu phi tuyến người dùng được hỗ trợ để thực hiện các nghiên cứu, đánh giá tĩnh học và cả động lực học
Hình 3.17 Bài toán nghiên cứu phi tuyến bằng SolidWorks Simulation
− Linear Dynamic Studies: khi không thể bỏ qua những ảnh hưởng của giảm chấn và lực quán tính thì ta không có khả năng đưa ra kết quả chính xác chỉ bằng việc nghiên cứu tĩnh học Ngoài ra, nghiên cứu động lực học tuyến tính dùng những hình dạng tại các tần số tự nhiên tương ứng của vật thể để thể hiện khả năng đáp ứng trong trường hợp tải trọng động
Hình 3.18 Bài toán nghiên cứu động lực học tuyến tính bằng SolidWorks Simulation.
3.2.2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn với SolidWork Simulation
3.2.2.1 Giả thuyết mô hình phần tử hữu hạn
Mô hình PTHH của dầm cầu trước được tạo nên bằng việc dùng phần mềm phân tích cơ cấu SolidWork Simulation nhằm để phân tích đặc điểm kết cấu của xe khi có tải trọng tác dụng lên xe
Một số giả thuyết được sử dụng cho bài toán:
− Dầm cầu được xem như gắn tuyệt đối cứng
− Xem vật liệu dầm cầu là đồng nhất, bỏ qua sự khuyết tật bên trong cấu trúc
− Không xét đến những lỗ nhỏ không ảnh hưởng tới kết cấu của dầm cầu trước nhằm tăng chất lượng của việc chia lưới
− Lực tác dụng và lực dọc của gió tác động đến thân xe và dầm cầu sẽ được bỏ qua
3.2.2.2 Xây dựng mô hình 3D Để thu được những kết quả tính toán tối ưu nhất trong việc phân tích độ bền của dầm cầu, mô hình 3D của dầm cầu được chúng em xây dựng chính xác với chi tiết thực với những thông số cấu tạo được đo ở xe có sẵn
Việc xây dựng mô hình 3D của dầm cầu đã được thực hiện và trình bày các bước thực hiện ở phần trước Chúng ta có thể dùng chi tiết đã vẽ để tiếp tục các bước xây dựng mô hình PTHH tiếp theo
Hình 3.19 Mô hình 3D của dầm cầu
Loại vật liệu sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích của bài toán Phần mềm SolidWork đã có sẵn một thư viện vật liệu lớn bao gồm những vật liệu từ kim loại đến các phi kim loại như nhựa, cao su hay thậm chí là gỗ Mỗi mục của thư viện vật liệu này đã bao gồm nhiều thông tin như độ bền kéo, mật độ, khối lượng riêng và nhiều đặt tính khác của vật liệu Nhưng bấy nhiêu đó vẫn chưa thể đáp ứng nổi vô vàng yêu cầu về vật liệu của người sử dụng Vậy nên chương trình cho phép tạo ra thư viện vật liệu riêng nhằm để đáp ứng yêu cầu từ mỗi người dùng Những bước tạo thư viện vật liệu và gán vật liệu mới đó cho chi tiết mới bao gồm:
− Đầu tiên, nhấp chuột phải vào dòng Material rồi chọn Edit Material để mở thư viện Material của phần mềm
Hình 3.20 Mở hộp thoại Material trên SolidWorks
− Custom Material và chọn mục New Category để thêm danh mục cho nhóm vật liệu mới
Hình 3.21 Tạo mục vật liệu mới trên SolidWorks
− Sau đó ta nhấp chuột phải vào vị trí danh mục của nhóm vật liệu vừa mới tạo và chọn ô New Material để thêm vật liệu mới
− Ở thẻ Properties là nơi ta sẽ thiết lập thuộc tính của vât liệu, ta sẽ nhập từng thuộc tính của vật liệu ở ở các cột value Ta có một số thuộc tính vật liệu như:
+ Elastic modulus: modun đàn hồi
+ Poisson’s Ratio : Hệ số Poisson hay tỉ số Poisson là tỉ số giữa độ biến dạng hông tương đối và biến dạng dọc trục tương đối
+ Tensile Strength: Độ bền kéo là đặc tính chịu được lực kéo đứt vật liệu
+ Yield strength: Độ bền uốn
+ Tangent modulus: Modun tiếp tuyến
+ Thermal expansion coefficient : Độ giãn nở nhiệt
+ Mass Density : Khối lượng riêng, còn được gọi là mật độ khối lượng, là một đặc tính về mật độ khối lượng trên một đơn vị thể tích của vật chất đó
+ Hardening process : Quá trình tôi cứng
− Tiếp theo thì nhấn vào ô Save ở dưới màn hình để lưu lại các thuộc tính
TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ BỀN DẦM CẦU TRƯỚC CỦA XE BUÝT HYUNDAI COUNTY
Đánh giá độ bền tĩnh dầm cầu
Sau khi chúng ta đã phân tích tải trọng ở các trường hợp tĩnh trên, ta có thể ứng dụng phần mềm và mô hình PTHH đã xây dựng để xuất ra các giá trị và hình ảnh phân bố ứng suất, chuyển vị ở dầm cầu bằng cách nhập vào các giá trị tải đã được nêu ra ở bảng 4.1 Qua đó, ta có thể đánh giá được độ bền ở dầm cầu phía trước của xe buýt Hyundai County ở mỗi trường hợp
4.2.1 Trường hợp 1: xe chở đầy tải và đứng yên:
Trong trường hợp xe chở đầy tải và đứng yên, sau khi thực hiện đặt 2 lực Fz1, Fz2 có phương như hình dưới đây sau đó nhập giá trị cho chúng và chạy chương trình tính toán
Hình 4.6 Các điều kiện ràng buộc ở trường hợp xe đứng yên, đầy tải
Các thông số biến dạng, chuyển vị và ứng suất Von-Mises thể hiện ở bảng dưới đây:
Bảng 4.2 Bảng kết quả phân tích ứng suất, biến dạng và chuyển vị ở trường hợp 1
Thông số Chuyển vị tổng Biến dạng tổng Ứng suất Von-Mises
Giá trị 0,25 mm 0,000178 mm/mm 48,3 MPa
Phổ chuyển vị, biến dạng và ứng suất của dầm cầu được thể hiện ở các hình dưới đây:
Hình 4.7 Chuyển vị trên dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Hình 4.8 Chuyển vị ở mặt trước dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Hình 4.9 Chuyển vị ở mặt dưới dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Hình 4.10 Biến dạng tổng của dầm cầu khi xe chở đầy tải và đứng yên
Hình 4.11 Ứng suất trên dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Hình 4.12 Ứng suất ở mặt trước dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Hình 4.13 Ứng suất ở mặt dưới dầm cầu khi xe đứng yên, đầy tải
Khi xe đứng yên và chở đầy tải, dầm cầu sẽ chịu tải trọng đều nhau ở cả hai phía, do dầm cầu có tính đối xứng nên phổ chuyển vị hay ứng suất của dầm cầu cũng có tính đối xứng Dầm cầu bị uốn cong nhiều nhất tại trung tâm, nghĩa là chuyển vị lớn nhất của dầm nằm tại vị trí chính giữa hai nơi đặt nhíp Ứng suất phân bố liên tục và đều nhau ở mặt dưới của dầm Ứng suất lớn nhất ở trường hợp này có giá trị khá nhỏ là 48,3 (Mpa), so với giới hạn mà dầm cầu bị phá hủy là [σ] = 380 (MPa) thì dầm cầu đảm bảo được điều kiện bền ở trường hợp này
4.2.2 Trường hợp 2: Xe chịu lực phanh cực đại và đầy tải:
Hình 4.14 Các điều kiện ràng buộc ở trường hợp xe phanh cực đại, đầy tải
Ta có bảng giá trị chuyển vị, biến dạng và ứng suất ở trường hợp này là:
Bảng 4.3 Bảng kết quả phân tích ứng suất, biến dạng và chuyển vị ở trường hợp 2
Thông số Chuyển vị tổng Biến dạng tổng Ứng suất Von-Mises Giá trị 0,92 mm 0,000481 mm/mm 149,01 Mpa
Phổ chuyển vị, biến dạng và ứng suất của dầm cầu trong trường hợp xe phanh cực đại, đầy tải được thể hiện lần lượt:
Hình 4.15 Chuyển vị trên dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Hình 4.16 Chuyển vị ở mặt trên dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Hình 4.17 Chuyển vị ở mặt trước dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Hình 4.18 Biến dạng tổng của dầm cầu khi xe đầy tải và truyền lực phanh cực đại
Hình 4.19 Ứng suất Von-Mises trên dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Hình 4.20 Ứng suất Von-Mises ở mặt trước dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Hình 4.21 Ứng suất Von-Mises ở mặt trên dầm cầu khi xe phanh cực đại, đầy tải
Khi xe truyền lực phanh cực đại, ta có thể thấy rằng chuyển vị dầm cầu bị uốn cong lệch về phía trước, khiến cho ứng suất phân bố dọc theo rìa phía trước và sau của dầm khá liên tục Ứng suất lớn nhất xuất hiện ở trường hợp này là 149 (Mpa), đã tăng lên rất nhiều so với trường hợp trước và là trường hợp có ứng suất lớn nhất trong 4 trường hợp ta nghiên cứu Tuy nhiên, con số này vẫn tương đối nhỏ so với giới hạn mà dầm cầu bị phá hủy là [σ] = 380 (MPa), cho nên dầm cầu vẫn đảm bảo điều kiện bền ở trường hợp này
4.2.3 Trường hợp 3: Xe chịu quay vòng và đầy tải:
Hình 4.22 Các điều kiện ràng buộc ở trường hợp xe quay vòng cực đại, đầy tải
Khi xe chịu lực ngang cực đại, thì ta có giá trị chuyển vị, biến dạng và ứng suất được thể hiện ở bảng dưới đây:
Bảng 4.4 Bảng kết quả phân tích ứng suất, biến dạng và chuyển vị ở trường hợp 3
Thông số Chuyển vị tổng Biến dạng tổng Ứng suất Von-Mises Giá trị 0,29 mm 0,000418 mm/mm 122,77 MPa
Phổ chuyển vị, biến dạng và ứng suất của dầm cầu trong trường hợp xe chịu lực ngang cực đại, đầy tải được thể hiện ở các hình dưới đây:
Hình 4.23 Phổ chuyển vị của dầm cầu trong trường hợp xe quay vòng, đầy tải
Hình 4.24 Phổ chuyển vị ở mặt trước của dầm cầu khi xe quay vòng, đầy tải
Hình 4.25 Phổ chuyển vị ở mặt dưới của dầm cầu khi xe quay vòng, đầy tải
Hình 4.26 Biến dạng tổng của dầm cầu khi xe quay vòng và chở đầy tải
Hình 4.27 Ứng suất Von-Mises trên dầm cầu khi xe quay vòng, đầy tải
Hình 4.28 Ứng suất Von-Mises ở mặt trước dầm cầu khi xe quay vòng, đầy tải
Hình 4.29 Ứng suất Von-Mises ở mặt dưới dầm cầu khi xe quay vòng, đầy tải
Với trường hợp xe chở đầy tải với lực ngang cực đại, ta thấy rằng dầm cầu bị uốn nhiều hơn ở một bên, không giống với những trường hơp còn lại do có lực quán tính ly tâm đã được sinh ra khi xe quay vòng Chuyển vị lớn nhất và phổ ứng suất sẽ nằm lệch về phía một mặt bích của dầm cầu và giá trị ứng suất lớn nhất là 122,77 Mpa tại khớp chuyển hướng, nhưng vẫn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn phá hủy Vậy nên dầm cầu vẫn đủ bền ở trường hợp này
4.2.4 Trường hợp 4: Xe chuyển động trên đường xấu và đầy tải:
Hình 4.30 Các điều kiện ràng buộc ở trường hợp xe đi trên đường xấu, đầy tải
Ta có bảng giá trị chuyển vị, biến dạng và ứng suất ở trường hợp này:
Bảng 4.5 Bảng kết quả phân tích ứng suất, biến dạng và chuyển vị ở trường hợp 3
Thông số Chuyển vị tổng Biến dạng tổng Ứng suất Von-Mises
Giá trị 0,51 mm 0,00356 mm/mm 96,61 Mpa
Trong trường hợp xe đi trên đường xấu, chở đầy tải thì phổ chuyển vị, biến dạng và ứng suất của dầm cầu được thể hiện ở các hình dưới đây:
Hình 4.31 Phổ chuyển vị trên dầm cầu khi xe đi trên đường xấu, đầy tải
Hình 4.32 Phổ chuyển vị ở mặt trước dầm cầu khi xe đi trên đường xấu, đầy tải
Hình 4.33 Phổ chuyển vị ở mặt dưới dầm cầu khi xe đi trên đường xấu, đầy tải
Hình 4.34 Biến dạng tổng của dầm cầu khi xe chở đi trên đường xấu và đầy tải
Hình 4.35 Ứng suất của dầm cầu khi xe chở đi trên đường xấu và đầy tải
Hình 4.36 Ứng suất ở mặt trước của dầm cầu khi xe chở đi trên đường xấu và đầy tải
Hình 4.37 Ứng suất Von-Mises ở mặt dưới của dầm cầu khi xe đầy tải, trên đường xấu
Tương tự như trường hợp khi xe đứng yên và chở đầy tải, dầm cầu cũng chịu tải trọng bằng nhau ở hai bên nên phổ chuyển vị hay ứng suất ở 2 bên dầm cầu cũng có tính đối xứng với nhau Dầm cầu bị uốn cong nhiều nhất tại trung tâm, nghĩa là chuyển vị lớn nhất của dầm nằm tại vị trí chính giữa hai nơi đặt nhíp ứng suất phân bố liên tục và đều nhau ở mặt dưới của dầm Tuy nhiên do tải trọng đã tăng lên gấp hai lần tải trọng ở trường hợp đầu nên ứng suất lớn nhất ở trường hợp này cũng đã tăng lên là gấp 2 lần là 96,61 (MPa) tuy vậy nó vẫn chưa đạt được giá trị giới hạn mà dầm cầu bị phá hủy là [σ] = 380 (MPa) vậy nên dầm cầu đảm bảo được điều kiện bền
Kết luận: Dựa vào những kết quả thu được từ các chế độ tải trọng tĩnh, ta có thể thấy rằng dầm cầu của xe Hyundai County đã đạt đảm bảo được điều kiện bền ở tất cả 4 trường hợp mà ta khảo sát: Xe đứng yên và chở đầy tải, xe chịu lực phanh cực đại và đầy tải, xe chịu lực ngang cực đại và đầy tải và xe chở đầy tải và di chuyển trên đường xấu Giới hạn bền lớn hơn nhiều so với ứng suất lớn nhất ở 4 trường hợp Tuy nhiên, ta có thể thấy rằng ứng suất của dầm cầu xe vẫn phân bố không đều và thừa bền ở nhiều vị trí Dựa vào đó, ta có thể đưa ra phương pháp để tối ưu lại thiết kế, kết cấu của dầm để giảm đi khối lượng mà vẫn đảm bảo được độ bền
Ta có được bảng tổng hợp kết quả thu được ở các trường hợp sau khi thực hiện bài toán như sau:
Bảng 4.6 Bảng tổng hợp kết quả ứng suất, chuyển vị và biến dạng của dầm cầu xe
Thông số Trường hợp Ứng suất (MPa)
Biến dạng tổng (mm/mm)
Trường hợp 1: Xe đứng yên và chở đầy tải 48,3 0,000178 0,25
Trường hợp 2: Xe chịu lực phanh cực đại và đầy tải 149,01 0,000481 0,92
Trường hợp 3: Xe chịu lực ngang cực đại và đầy tải
Trường hợp 4: Xe chở đầy tải và di chuyển trên đường xấu
TỐI ƯU HÓA DẦM CẦU TRƯỚC XE HYUNDAI COUNTY
Phần mềm tối ưu hóa SolidWorks Optimization
Tối ưu hóa là tính toán trọng lượng, ứng suất, chi phí, độ lệch, tần số tự nhiên và các yếu tố nhiệt độ.phụ thuộc vào các biến như kích thước, tải trọng và hạn chế, vật liệu và yêu cầu sản xuất Việc áp dụng rộng rãi các công cụ như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đã rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển sản phẩm Tích hợp FEA vào nền tảng phần mềm CAD cho phép thiết kế và phân tích đồng thời
Hình 5.1 Phần mềm Solidworks optimization
Trong giai đoạn thiết kế, các kỹ sư có thể ứng dụng FEA để đánh giá các phương án khác nhau và lặp việc dùng phương pháp thử và sai để cải thiện thiết kế Vấn đề với phương pháp cổ điện này thì các thông số kích thước khác sẽ vô tình bị ảnh hưởng ngoài những thông số do người dùng đặt
Phân tích vấn đề của các phần mềm khác đôi khi sẽ không cho bạn biết cách tối ưu hóa sản phẩm của mình Tuy nhiên Simulation sẽ hỗ trợ cho người dùng những thông tin cực kỳ quan trọng để phân tích thiết kế như biến dạng, hệ số an toàn hay chuyển vị,… Solidworks optimization là một công cụ tối ưu hoá thiết kế tiện dụng Phần mềm SOLIDWORKS Optimization Analysis tạo nên một loạt những cải tiến về việc điều chỉnh kích cỡ mô hình nhằm đạt mục tiêu thiết kế chi tiết với trong lượng nhỏ nhất mà độ ổn định và độ chắc bền của sản phẩm luôn được bảo đảm tuyệt đối.
Thực hiện bài toán tối ưu hoá cầu trước của xe
52 Để thực hiện bài toán tối ưu hoá bằng Solidworks, chúng ta có 3 bước thực hiện một bài toán tối ưu hoá:
Hình 5.2 Môi trường tối ưu trong Solidworks
− Bước 1: Tạo các biến (Variables): Ta chọn những kích thước có trong dầm cầu trước có thể thay đổi để phù hợp với mục tiêu ta đặt ra
Hình 5.3 Chọn các biến kích thước chi tiết của dầm cầu
− Bước 2: Tạo tham số, tham số là các khoảng hoặc giá trị mà ta muốn được tạo ra sau tối ưu mô hình Ở đây ta chọn ứng suất làm tham số đầu ra
− Bước 3: Xác định mục tiêu tính toán là kết quả tối ưu đầu ra của nghiên cứu Với mục tiêu của bài toán thiết kế dầm cầu thì ta sẽ chọn là giảm khối lượng của dầm cầu.
Quy trình xử lý tối ưu của phần mềm Solidworks optimization
53 Để tối ưu hóa thiết kế của dầm cầu xe Hyundai County thì ta sẽ thực hiện các bước:
− Đầu tiên là nhập các biến: chọn những giá trị kích thước khác nhau của chi tiết nhưng vẫn không ảnh hưởng đến ứng suất, điều kiện bền Lần lượt là độ dày của dầm cầu là B, chiều sâu phần vát của dầm là b/2, chiều cao của dầm cầu là H và cuối cùng là chiều cao phần vát của dầm là h như hình vẽ bên dưới Khai báo phạm vi thay đổi giá trị kích thước và phần mềm Solidworks sẽ thay và tính toán lần lượt hết kết quả với các giá trị trong phạm vi mà ta đã chọn
Hình 5.4 Sơ đồ tiết diện dầm cầu
Sau khi thiết lập xong thông số đầu vào cho bài toán tối ưu thì chương trình sẽ tự xử lí và đưa ra kết quả, Trình tự xử lí sẽ được mô ta ở sơ đồ dưới đây:
Hình 5.5 Sơ đồ mô tả quy trình hoạt động của phần mềm tối ưu
Giải thích quy trình xử lý tối ưu của phần mềm Solidworks optimization :
Sau khi các biến kích thước của chi tiết được thì phần mềm sẽ tạo ra số lượng trường hợp giữa phạm vi ta lựa chọn Tham số được thực hiện qua phương pháp giải bài toán nếu đáp ứng điều kiện như là ứng suất nhỏ hơn 170Mpa Nếu điều kiện không thỏa thì chuyển qua tổ hợp biến kích thước khác tiếp tục giải bài toán Nếu đủ điều kiện thì phần mềm sẽ tính toán khối lượng sau đó sẽ ghi nhận giá trị khối lượng của chi tiết và so sánh với khối lượng ở các tổ hợp khác rồi chọn ra kích thước tối ưu nhất về khối lượng của chi tiết.