Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Tính toán tối ưu thân xe buýt sử dụng phần mềm Hyperworks

NHIEM VU VA NOI DUNG:— Tim hiểu tình hình nghiên cứu dé tài liên quan đã thực hiện.— Tim hiểu thông tin, quy trình sản xuất xe buýt tại nhà máy SAMCO.— Đo vẽ, dựng hình khung xương xe bu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI THANH DIEN

TÍNH TOÁN TOI UU THÂN XE BUÝT SỬ DUNG PHAN

MEM HYPERWORKSChuyên nganh : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 12 năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCMCán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYEN ANH THI

Cán bộ châm nhận xét l : - 1 S11 S21 E201 153 1551151155155 1 55115111 ksk

Cán bộ châm nhận xét 2 : - 11 S1 1211131151531 1511511551511 551 5111k

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Đại Học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày thang năm 2012

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA NAM Độc lập - Tw do - Hanh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Mai Thanh Điền MSHV: 10040417

Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1986 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Khóa: 2010I TÊN DE TÀI:

TÍNH TOÁN TOI UU THAN XE BUYT SỬ DUNG PHAN MEM

HYPERWORKS

Il NHIEM VU VA NOI DUNG:— Tim hiểu tình hình nghiên cứu dé tài liên quan đã thực hiện.— Tim hiểu thông tin, quy trình sản xuất xe buýt tại nhà máy SAMCO.— Đo vẽ, dựng hình khung xương xe buýt đang sản xuất tại SAMCO.— _ Nghiên cứu thông tin dau vào cho việc phân tích tính toán, tối ưu.— Tình toán phân tích và tối ưu mô hình dựa trên điều kiện đầu vào.— Phân tích kiểm nghiệm kết quả tối ưu

Il NGÀY GIAO NHIỆM VU : ngày 02 thang 07 năm 2012IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: ngày 30 tháng 11 năm 2012V CÁN BO HUONG DAN: TS Nguyễn Anh Thi

LOI CAM ONLời dau tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Tiến sĩ Nguyễn Anh Thi

đã chia sẽ những kinh nghiệm, tài liệu quý báu, cũng như những lời tận tình hướng

dẫn trong suốt thời gian thực hiện luận văn Nếu không có sự hướng dẫn này, tôi đãkhông thể hoàn thiện luận văn

Tiếp theo, tôi gửi lời cảm ơn đến ban giám đốc trung tâm Thiết Kế Chế TạoThiết Bi Mới đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học và thực hiện luận vănnày Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Nha Máy Ô Tô Củ Chi đã cung cấp những thông tinhữu ích dé tôi thực hiện đề tai

Tôi gửi lời biết ơn đến ông Vasantha, một chuyên gia Hyperworks hoạt độngtrong lĩnh vực ô tô của hãng Altair đã hỗ trợ trong việc thiết lập phân tích kết quả.Kết quả đạt được của đề tài cũng là nhờ vào sự giúp đỡ, chia sẽ quý báu của đồng

nghiệp tại cơ quan.

Lời sau cùng, tôi xin được gửi lời biết ơn đền gia đình, người thân đã luônủng hộ, cỗ vũ tinh than giúp tôi vượt lên những lúc khó khăn trong suốt thời gianhọc tập và thực hiện luận văn dé có kết quả như ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn.

TOM TATBai báo trình bay phương pháp tối ưu thân xe khách dùng phần mềm

Hyperworks” Các đặc trưng của kết cấu thân xe như tần số dao động riêng, độ

cứng uốn, độ cứng xoắn được xác định dùng phương pháp phân tử hữu hạn Trọnglượng khung xe khách được giảm thiểu băng thay đồi chiều dày các thanh cấu thànhkhung xe trong điều kiện thỏa mãn các ràng buộc vẻ tan số dao động riêng, độ cứnguốn, độ cứng xoắn sử dụng công cụ Optistruct” của phần mềm Hyperworks” Kétquả tính toán tối ưu cho thay trong lượng xe khách có thé giảm đến 11,6% sử dungphương pháp tôi ưu khá đơn giản nay

Từ khóa: Két câu thân xe khách tôi ưu kết câu

ABSTRACTThe paper presents the mass optimization approach for coach body using thecommercial software Hyperworks” The coach body structure characteristics suchas modal frequencies, bending and torsional stiffnesses are numerically determinedusing finite element method The coach body mass is minimized by changing thethickness of the beams and plates subjected to the constraints on modal frequencies,bending and torsional stiffnesses using the Optistruct® package of Hyperworks”software A mass reduction of 11,6% has been achieved and the final coach body isshowed ensuring strength and regidity for representative loading cases.

Keywords: Coach body structure, mass optimization

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan luận van là kết quả nghiên cứu thực sự của cá nhân vàđược thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Anh Thi tại trườngđại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.

Nội dung luận văn có tham khảo va sử dụng các tài liệu, thông tin được dang

tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tai liệu tham khảo của

luận văn.

Tac gia luận văn

Mai Thanh Điền

Nhiệm vụ luận văn thạc si cecccececeeececccecccucceuscecucecaecaueceraeateeeavecavensneeaers 1LỒI CẲHM ƠI - c2 CC 001200211110 2111110111111 1111 11k 1 2 1k k kg TK Tu Tết iv

TOI tat ccccccccccccccescccescescecescseesesscsessseccssvsssscsessesseseessvsessssscsessesssssacseesevsseseseseeeees 1

Lời cam đOan - - c 11111111 1112211111 111110 51111051 E11 k1 nnnnkv cnkk KT TK kiên IVMục LUC 0 eee cece ceeccceccceeecuccecceuccesecauceneecuecereccacceseecuceeeeeaecentecuteeeeeeateesaeeatecenecs V

Danh sách bảng biỀU c1 1S 111 E1112111551211 1111111111 11110111111 HH vii

Danh sách hình ảnh G5 2 2 E515 5111111511111 1111 1811101110111 Ea viii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU - 2 S113 555355115151 555EEEEEEEEEEEEEEErrrrrrrrrree |1.1 Tổng quan - c1 11111155 EE21E11111151 11111 KE T111 HH HH ng Ha |1.2 Mục tiêu đề tài - - ch nnn HT HT HH HH na HH He Hi 5

1.3 Phương pháp nghiền cỨu c c2 12212222222 2221125 111111111 key 51.4 Cách thực hiện - - - 2Q Đ 2222111119 1S HS ST TS ST TT n HS TH xa 5

1.6 Phạm vi và giới hạn đề tài - - nành HH HH Hà Ha 6CHUONG 2 TONG QUAN XE KHÁCH BGPI 5S s2 stcererke 72.1 Đối tượng nghiên €Ứu ¿S21 E SE SE 111151 2111111118111 18t rtyk 72.2 Khung øầm - St ST S1 111111111EE 110111111111 11 2H 11111 HE HH HH ru 9

2.3 Khung XWOMG o.oo c cece eee e cece cece eee cease eee eeneeeeeee kg cha 10

2.4 Thiết bị nội va ngoại thất ccc s1 ng HH HH ưyt 13

CHƯƠNG 3 PHAN TÍCH TOI ƯU 5: SE E2 SE22E2E2EEE12521EE1 11x22 2x 143.1 Các trường hợp chịu tải của xe khách c cceceeeeeeeceeeeeeeeees 14

3.1.1 Tải trọng đứng đối xứng - 1s 1E 11111111111 111811111 go 143.1.2 Tải trong đứng không đối xứng - ¿+ E1 Sv S111 11111111 E1EE te Đ 143.2 Van đề tối ưu kết cẤu - S1 1E 1 SE 1 11 1812112211218 rai 15

3.3 Mô hình 3D - c1 SE H111 1 1n ng 21

3.3.1 Mô hình khung gâẩm - + s21 115153 E311E51EE11115111 5111115111110 E1 te6 21

3.3.2 Mô hình khung xXương -‹‹‹ cece c2 2n c2 2n vn nhe 223.3.3 Hệ trục toa đỘ cececcecccceceececeeccccueecuececesecaucceereceeauseaeeeeesenaneeaeees 23

3.4 Các đặc trưng của kết cẫu - 1 tt TT HT HH HH HH yt 233.4.1 Mô hình phần tử -. ¿5c St SE S E11 11151151111 E1 E181 1E HH HH ga 23

3.4.2 Tải lực tác động lên khung xương - -cc 2c 2c c2 S2 S222 se 30

3.4.3 Đánh giá tần số dao động riêng ¿+ 2 S1 S5E1151 1111211111 rtee 343.4.4 Đánh giá độ cứng xoăn - St SE SE 111115E1157111111111111 11 H1 Tra 373.4.5 Đánh giá độ cứng uỐn 5c c c St S1 k 1251111111 1111111111112T1 8111110111 ta 403.4.6 Tính bển k1 S1 12111211111111111111111 11101112111 H111 ri 433.5 Thuật toán tối ưu trên OptiSfFU€( - - 2 21v SE E3 tr ren 46CHƯƠNG 4 KET QUÁ VA BAN LUẬN - n1 n na 47CHUONG 5 KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIẾN 522cc sec se2 515.1 Kết luận cccccccececcsceceecececesvscececvsvsveceevececsevsceseesesatevsveseavsvevestavstereens 5]5.2 Hướng phat triỄn cccsesceceececscecececscesesescevscssesvevsviveveeeneeeeeeeees 51TÀI LIEU THAM KHẢO - 1 c2 235153531511 15151 555 18x EEEE Tre 52

PHU 009 1 ccc cscesscscssscsvesscssesssscssisesnuvsvsnsvsesvsvsvsvevevsveviveveesneees 54PHU 00 922 ccc cece cscecscecesecsvesscesesacecssisecnuvsvsnsvsvsvevsvevevevsvevevevsseeenes 61PHU LUC 3 -.- c1 1 1 12111212111101111 11111011011 1n 1n ng kg 73PHU LUC 4 2.5222 12211211211211211211 112121 ng tre 90

DANH SACH BANG BIEUBảng 2.1 Thông số kỹ thuật xe khách BGP1 c.cceccccccecsceseseetscecsseseseseetsveseseeen 7Bảng 2.2 Khối lượng thiết bị lắp đặt trên khung gầm 2-5 2x22 9

Bang 2.3 Vật liệu sử dung trên khung xương +22 ‡++++esesesesss 1]

Bảng 2.4 Khối lượng các thành phan khung xương -. 5- 5c s5 £sts£zxezszi 12Bảng 3.1 Rang buộc dùng cho tính toán tối ưu kích thước - -cscss¿ 19

Bảng 3.2 Tải lực tác động lên khung xương - c2 S2 2+2 xksesseseses 30

Bảng 3.3 Bốn tần số đầu gây ra xoăn và uốn trên khung xương 36Bảng 3.4 Giá trị chuyển vị tại 4 điểm do dọc khung xương 55s ses¿ 38Bảng 3.5 Hệ số tải trọng cho các trường hợp chuyển động có gia tốc 43Bảng 3.6 Ứng suất cho thiết kế ban đâu - 1s x23E111 131111 E111 2E Errrki 46Bảng 4.1 Kết quả phân tích tối ưu - - + SE v E2 SE EEE E111 2111111 ke 48Bảng 4.2 Bảng phân bồ khối lượng trên khung xương sau tối ưu 48Bảng 4.3 Bang phân bố khối lượng trên khung xương sau khi tối ưu cục bộ 49Bảng 4.4 Bảng kết quả tính toán ứng suẤt - -:- te Sex S321 11 SE EEESEErkreeo 50

DANH SÁCH HINH ANHHình 1.1 Quy trình tính toán tối ưu khung xương xe buýt tại An Độ |Hình 2.1 Câu trúc chính cua xe khách - + 2S SE SE BE tg 9Hình 2.2 Vi tri các thành phân trên khung gam oo ccc eccceecceecescsecesceseeeseeeseeeeeees 10Hình 2.3 Cau trúc 6 mảng chính trên khung xương 5 se sec £stsEsxersxi 10Hình 2.4 Các tam thép kết nối và bu lông M12 - - cct SE £Ezrerski 13Hình 3.1 Tải trọng đứng đối xứng - + ST v SE K1 E111 1111 111111111111 tru 14Hình 3.2 Tải trọng đứng không đối xứng - - 1t E v13 2111 E711 Etreeg 15Hình 3.3 Quy trình tính toán tối ưu ¿- SE S11 21E12151E12121E12121E111E18E 1 tk 20Hình 3.4 Khung gầm được mô hình bởi hệ khung 1D cứng tuyệt đồi 21

Hình 3.5 Kích thước bao khung Xương - c2 2222221312232 Exsese2 22

Hình 3.6 Tâm thép kết nối với khung gầm bang các bu lông M12 23

Hình 3.7 Mô hình 3D khung xương và hệ trục tọa độ -cc++cs5: 23

Hình 3.8 Thiết lập thuộc tính vật liệu trên HyperMesh - 5525 scxcs¿ 24Hình 3.9 Định nghĩa tiết diện dầm 1D cho khung gầm - 25 2z cszcxcs¿ 24Hình 3.10 Mô hình phan tử khung gam - 2-22 Sẻ k + +EEEEEE£EEEEEzErErerrees 24Hình 3.11 Phần tử 1D 1222151 1 15181 E121 11121 181 tt g ng ng Hung 25Hình 3.12 Phần tử 2D - ¿c1 E1 15181 15111 1812110121 111 H1 ng HH ng 25Hình 3.13 Phần tử 3D ¿c1 15121 15181 15121 10121 11H g ng ng Hai 25Hình 3.14 Phan tử tứ giác (Cquad4) va tam giác (Ctriađ3) c-s+sccccs¿ 27Hình 3.15 Mô hình phan tử 2D tứ giác và tam giác ¿- + cescEsrsrexereri 27Hình 3.16 Phan tử Cpenfa6 - + Sc 2x11 5E E115151111111 111 1011111118181 ty 27Hình 3.17 Mô hình phan tử mối hàn - 2E z2 EE SE SE EEEEEEEEEEEEEEEskekeerersrd 27Hình 3.18 Vị trí mỗi hàn thực tế va trên mô hình - 2: ceeeeeeeeeeee eee 28Hình 3.19 Phan tử khối lượng thay thé máy điều hòa - 25c sec cere 31Hình 3.20 Bồ trí hành khách trên xe - ¿2 SE EEEEE E1 ggri 31

Hình 3.21 Ván lót sàn trên khung xương - 22+ 222 +2 £+++stssseseses 32

Hình 3.22 Vị trí đặt khối lượng hành lý c2 Sex SE SEEEEEEEEEEskrkrerrees 32Hình 3.23 Bồ trí kính Chan gió - E2 S1E12 115111111111 E1E1 11111111111 1EEEkErrri 32

Hình 3.24.Hình 3.25.Hình 3.26.Hình 3.27.Hình 3.28.Hình 3.29.Hình 3.30.Hình 3.31.Hình 3.32.Hình 3.33.Hình 3.34.Hình 3.35.

Rang buộc dùng cho tinh toán tần số dao động riêng -: 36Rang buộc dùng cho tính toán độ cứng xoắn + cczcscsx sec: 37Vi trí 4 điểm đo xác định góc xoắn 5c tk rreye 39Biểu đô thé hiện góc xoăn dọc theo khung xương s-: 40Rang buộc dùng cho tính toán độ cứng uốn - -:-ccccczc sec: 41Chuyén vi lớn nhất khung xương theo phương x - ¿c5 s5s¿ 41Biểu đồ độ chuyền vị hông trái và hông phải - 52 2c sec: 42Điều kiện biên cho trường hợp phanh và quay vòng -s: 44Điều kiện biên cho trường hợp phanh - - 5 2E sx + £+z£zzerez 44Điều kiện biên cho trường hop tăng tỐc - 5c cccccxEczxresrred 45Điều kiện biên cho trường hợp quay Vòng - se csxcxsxcszzce2 45Rang buộc dùng cho tính bền chịu ảnh hưởng của gió 45Hình 4.1 Biểu đồ nghiệm hội tụ 5c s E111 E 1 1 K11 211 1x HH ggrưyg 47

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU1.1 Tổng quan

Ngày nay, với sự phát triển của của máy tinh, tính toán số và kỹ thuật tinhtoán tối ưu chúng ta hoàn toàn có thể tính tính tối ưu kết câu xe khách dùng kỹ thuậttính toán tối ưu trên máy tính Việc ứng dụng tính toán tối ưu vao trong giai đoạnthiết kế sẽ mang lại những lợi ích thiết thực như: giảm chỉ phí nguyên vật liệu dokhối lượng khung được giảm thiểu, thời gian cho quy trình phát triển sản phẩmđược rút ngắn hơn so với cách làm truyền thống trước đây là phải chế tạo và thửnghiệm nhiều lần trước khi đưa vào sản xuất, từ đó góp phan nâng cao khả năng

cạnh tranh của doanh nghiỆp.

1.1.1 Tình hình thé giớiTrên thế giới đã có nhiều đề tài và công trình nghiên cứu về lĩnh vực này,mỗi công trình có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với từng trường hợp cụ thể

khác nhau.

ps ' : Design

ystem level requirements Space and Sạc 6(loads analysis and pars Topology Optimization

packaging)

The Altair Bus

| Flement

Parametric Shape Vectors

Hình 1.1 Quy trình tinh todn toi wu khung xương xe buýt tại An ĐộCông ty Altair (An Độ) - Công ty chuyên về lĩnh vực tính toán mô phỏng số

đến phát triển sản phẩm hoàn chỉnh Quy trình tính toán tối ưu (Hình 1.1) được bắtđầu với các thông tin dau vào như lực, tải trọng, vùng thiết kế, vùng không thiếtkế,.v.v Toàn bộ khung xương là khối đặc, sau đó thực hiện tối ưu phân bố lại vậtliệu (Topology Optimization) trên kết câu để có thiết kế ban đầu dựa theo gợi ý củaphan mém Tiếp theo, kết câu khung xương được thiết kế lại với các loại thanh thépkhác nhau Mô hình CAD nay sẽ được rời rac băng các phan tử hữu han và tiếnhành tối ưu kích thước và hình dang (Size and Shape Optimization) dé có một thiếtkế hoàn chỉnh.

Yu Cheng Lin, Hong Chi Nian, [3] thiết kế tối ưu tiết diện mặt cắt ngangthanh dam trên khung xương xe buýt sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn Đề tàitrình bày phương pháp tôi ưu bang cách thay đổi chiều dày mặt cắt ngang các thanhvà gia cố thêm gân chịu lực tại các vùng tập trung ứng suất, vùng nguy hiểm Tínhtoán tối ưu được thực hiện trên phần mềm LS-DYNA, sau khi tối ưu mô hình đượckiểm tra lại bằng mô phỏng lật ngang trên phần mềm Hyperstudy” Mục tiêu dé tàilà xây dựng một quy trình khả thi để thiết kế xe buýt đảm bảo độ an toàn Kết quảsau khi tối ưu thì biến dang của các thanh dam trên câu trúc khung xương giảm50%, trong khi khối lượng kết cấu chỉ tăng thêm 2%

Harmeek Singh, [6] tối ưu hóa khung xương xe buýt sử dụng công cụ

Optistruct” Mục tiêu của dé tài là tối ưu hóa giảm khối lượng khung xương, sau đó

dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất để tìm ra phương án cho thiết kế hoàn chỉnh Môhình và điều kiện biên được thiết lập trên HyperMesh”, kết quả phân tích được xemxét trên Hyperview" Kết qua tối ưu cho thay một lượng lớn vật liệu được tiết kiệmkhi thay đối kết câu hiện tại băng các thanh có chiều day mặt cắt ngang nhỏ honnhưng vẫn giữ lại được độ cứng vững và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn

B.L Boada, A Gauchia, M.J.L Boada, V Diaz, [7] xây dựng thuật toán tốiưu Genetic cho khung xương xe buýt Bài báo trình bày thuật toán để tối ưu giảmkhối lượng khung xương xe buýt băng cách thay đồi chiều dày các thanh và phươngpháp phan tử hữu han dé phân tích ứng suất của kết cấu Mục tiêu của dé tài là tốiưu hoá khung xương nhằm đạt độ cứng vững và giảm trọng lượng Thuật toán tối

ưu được thực hiện trên phần mềm Matlab, phân tích và tính toán tối ưu được thựchiện trên phần mềm Ansys, kết quả sau khi phân tích được xem xét và vẽ biểu đồtrên Matlab Việc phân tích tính toán được thực hiện bao gồm các bước: xây dựngmô hình, thiết lập các thuộc tính về vật liệu như khối lượng riêng, mô dun đàn hỏi,hệ số Poision, v.v., tiến hành chia lưới, xác định điều kiện biên, tải trọng Tiếp theolà phân tích và xem xét kết quả Kết quả đạt được của đề tài là trọng lượng giảm vàứng suất cực đại đạt 225MPa nhỏ hon ứng suất đàn hồi 10%.

Santosh B Belure, Satish S.Kadam, S.B Wadkar, [9] phân tích khung xương

xe buýt sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn Dé tài thực hiện thiết kế và phattriển cau trúc khung xương xe buýt nội thành sử dụng vật liệu nhôm, sau đó tiếnhành tối ưu hoá thiết kế nhăm đảm bảo độ bên và cứng vững với các bài toán phântích tĩnh và va chạm Mô hình khung xương được thiết kế trên phần mềmUnigraphics, sau đó được xuất sang Hypermesh” dé tiền hành chia lưới và thiết lậpđiều kiện biên Sử dụng Nastran cho bài toán phân tích tĩnh, LS-DYNA cho bài toánphân tích va chạm Các kết quả đạt được của đề tài:

— Độ võng lớn nhất trên khung xương là 4,49 mm trong giới hạn cho phéplà 12 mm Giá trị ứng suất tối đa 68,8 kg/mm” tại chỗ mối han doc theochiêu dai thân xe phía bên người lái, giá trị này chỉ bằng 1/3 giới hạn cho

phép của vật liệu.

— Tân số dao động riêng nhỏ hơn tần số dao động tải trong mặt đường(5Hz) trong hai dãy tần số đầu tiên, do đó xe sẽ bị rung động khi gặp phảiđường xâu

— Phân tích trên hai mô hình khác nhau và kết quả cho thấy rang khungxương làm bằng vật liệu nhôm có khối lượng nhẹ hơn so với khungxương làm bằng vật liệu bằng thép

Nhìn chung, đã có nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về phân tích và

tính toán tối ưu giam khéi lượng khung xe buýt và được thực hiện trên các công cụ

phan mém khác nhau, các công trình nay có cùng quy trình phân tích bao gồm: tiềnxử lý, giải bài toán FEM và hậu xử lý Tính toán tối ưu giảm khối lượng khung

xương được thực hiện theo nhiều cách khác nhau: thay đổi vật liệu thép trên kết cầuhiện tại băng vật liệu nhẹ hơn như vật liệu nhôm [2].[9]: tối ưu bố trí lại kết câukhung xương [5]; tối ưu thay đồi chiều dày tiết diện mặt cắt các thanh trên khungxương [6],[7] Phân bố lại kết câu khung xương được thực hiện trên miễn vật liệuliên tục là khối đặt, sau đó thực hiện bỏ bớt vùng vật liệu không cân thiết để có mộtkết cầu tối ưu Kết quả của phương pháp này là một thiết kế ý tưởng, vì vậy cáchnày chỉ phù hop với thiết kế ban dau dé tạo ra hình dạng sơ bộ của kết câu Thay đồitiết điện mặt cat ngang trên các thanh trên khung xương được thực hiện dé dàng màkhông làm thay đổi thiết kế cũ, cách thực hiện này phù hợp với những thiết kế đangđược sản xuất Sử dụng vật liệu nhẹ hơn như vật liệu nhôm để thay thế cho vật liệu

thép hiện tại là xu hướng hiện nay, tuy nhiên do công nghệ hàn nhôm ở các doanh

nghiệp bị hạn chế và sẽ tăng chi phí cho công nghệ liên kết này nên phương phápnày bị hạn chế

1.1.2 Tình hình trong nước

Ở Việt Nam, giao thông công cộng ngày cảng được chú trọng và phát triểnmạnh trong cả nước, các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước đã đây mạnh sảnxuất cho ra nhiều loại xe vận tải hành khách khác nhau nham phục vụ cho nhu câuđi lại của người dân Tuy nhiên, hau hết xe này, chủ yếu là khung xương được thiếtkế và chế tạo theo kinh nghiệm, chưa có ứng dụng tính toán và mô phỏng số vàotrong sản xuất Điều này dẫn đến khối lượng khung xương lớn hơn yêu cau sử dụng.Ứng dụng CAE (Computer Aided Engineering) cho tính toán, tối ưu hoá sẽ gópphan giải quyết được van dé trên

Hiện trạng, trong nước đã có công trình nghiên cứu của Trần Hữu Nhân,Phan Đình Huấn, Pham Xuân Mai, [13], dé tài thực hiện tôi ưu giảm khối lượngkhung xương xe buýt băng cách thay đổi chiều dày các thanh với ràng buộc ứngsuất cực đại trên tất cả các phần tử trong các trường hợp chịu tải khác nhau Kết quảkhối lượng khung xương tối ưu giảm 4.19% so với thiết kế ban đầu Với cách ràngbuộc ứng suất thì bài toán tối ưu trở nên phức tạp và thời gian chạy phân tích lâu

Với những lý do trên, trong nghiên cứu này giảm khối lượng khung xương

được thực hiện bằng cách thay đổi tiết điện mặt cắt ngang các thanh trên khung

xương, các thanh thay thế phải có chiều day phù hop với kích thước vật liệu thépthực tế mà doanh nghiệp có Đề tài thực hiện trên khung xương đang được sản xuấtvì vậy phương pháp tối ưu này hoàn toàn phù hợp với nhu câu thực tế Ràng buộccho bài toán tối ưu được thực hiện trên các thông số toàn cục của kết câu, đó là tầnsố dao động riêng, độ cứng xoắn và cứng uốn Kết qua tính toán tối ưu cho thaytrọng lượng xe khách có thé giảm đến 11,6% khi sử dụng phương pháp tối ưu kháđơn giản này Kết quả nay sẽ được kiểm tra lại trong các trường hợp chuyên độngcó gia tốc khác nhau dé đánh giá khả năng an toàn của kết cau

1.2 Mục tiêu của đề tàiPhát triển một phương pháp tính toán tối ưu giảm trọng lượng khung xươngxe buýt sử dụng phần mém HyperWorks

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong dé tài là mô phỏng và tính toán số ảo

1.4 Cách thực hiện

Các biện pháp được sử dụng dé đạt được các mục tiêu trên

1 Bai báo, sách tham khao: Nghiên cứu các bài bao, các chuyên mục liên quan

đến dé tài Tham khảo sách viết về phan tử hữu han, tối ưu thiết kế.ii Thu thập dit liệu: Dữ liệu liên quan về khung xương được thu thập tại nhà máy

sản xuất xe buýt Samco - Củ Chi Dữ liệu bao gồm: bản vẽ gia công khungxương, bản vẽ lắp ráp thiết bị, khối lượng thiết bị, vật liệu sử dụng cho kết câukhung xương và vật liệu hàn, phương pháp liên kết Thông tin về điều kiệnhoạt động, thông tin về hành khách, loại phương tiện và những thông tin khácđược cung cấp bởi quá trình sản xuất thực tế tại nhà máy Những dữ liệu kháctrong luận văn được lây từ sách, bài báo khoa hoc và số tay thiết kế

i M6 hình và phán tích: Mô hình hình học 3D được xây dựng từ bản vẽ 2D va

thực tế sản xuất Mô hình phần tử hữu hạn, thiết lập lực cho các trường hợp

chịu tải tĩnh, biến thiết kế, vật liệu, ràng buộc, liên kết được thực hiện trênphần mềm HyperWorks 11.0.

iv Kết luận và dé xuất.1.5 Bồ cục luận văn

Cau trúc luận văn được chia thành năm chương Chương dau bàn luận tổngquan về các phương pháp thực hiện và một số dé tài liên quan trong va ngoai nước,mục tiêu, phạm vi và giới hạn của dé tài Chương hai trình bày tổng quan về xekhách BGPI do Samco sản xuất Chương ba trình bày phương pháp tối ưu giảmkhối lượng khung xương Chương bốn trình bày kết quả đạt được và những bảnluận từ kết quả phân tích tối ưu Chương cuối sẽ đưa ra những kết luận dựa trên kếtquả nghiên cứu và hướng phát triển trong tương lai của đề tải

1.6 Phạm vi và giới hạn đề tài— Để tài tính toán, phân tích trong giới hạn bài toán tuyến tính tĩnh.— Kính chăn gió và tâm phủ bên ngoài được liên kết có định trên khung xương,

độ cứng các thành phan này có ảnh hưởng nhất định tới độ cứng vững củakhung xương Đề tài chưa xem xét đến ảnh hưởng này

CHƯƠNG 2

TỎNG QUAN XE KHÁCH BGPI2.1 Đối tượng nghiên cứu

Xe khách 24 chỗ BGP1 do Samco sản xuất từ năm 2009, đây là loại xe dùngvận chuyên hành khách trên những quãng đường dài Có sự khác biệt giữa tên đốitượng nghiên cứu là xe khách và tên đối tượng được dé cập trong tên dé tài là xebuýt Tuy nhiên đối tượng nghiên cứu được đề cập đến vẫn là xe khách BGPI vớicác thông số kỹ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất theo Bảng 2.1

Kích thước tổng thé (D x Rx C) 7520 x 2120 x 2910

(mm x mm x mm)Kích ¬

Chiêu dài cơ sở 3845 (mm)thước „

Vét bánh xe trước / sau 1680 /1525 (mm)

Khoảng sáng gam xe 200 (mm)Khối | Khối lượng không tải 4970 (kg)

lượng | Khôi lượng đây tải 6890 (kg)Thùng

¬ Dung tích 100 (lit)nhiên liệu

Chốngôi | Số ché ngôi kế cả người lái 24 (chỗ)

Isuzu 4JJ1 E2N 4 ky, 4 xy lanh thang hanh,Loại `

làm mát băng nước DOHC,Động cơ đạt chuẩn Euro II

Dung tích xy lanh 2.999 cc

Tỷ số nén 17.5:1Công suất cực đại/số vòng quay | 96 (kw) / 2800 (vòng/phút)

, , 330 (N.m)/16 - 2600Hệ thông | Moment xoăn cực đại

: (vòng/phút)

truyên lực

Dẫn động Thủy lực

Loại hộp số 6 tiễn, 1 lùi

Công thức bánh xe 4x2R

Độ dốc lớn nhất xe vượt được | 38%Vận tốc lớn nhật 105 (km/h)

Kiêu treo và giảm chân

Treo phụ thuộc, nhíp lá, giảm

chấn băng ông nhún thủy lực

khung xương và nội ngoại thất Hệ thống khung gam và toàn bộ thiết bi được mua

về đề lắp ráp, chỉ phần khung xương được sản xuất tại nhà máy

Câu trúc xe khách| =

Khung gam va

động cơ

Phần nội vàngoại thất

Khung xương

2.2 Khung gầm

Khung gam là bộ phận quan trọng, quyết định độ an toàn và cứng vững củaxe Xe khách BGP1 sử dụng khung gầm của ISUZU Nhật Bản Tổng khối lượngphan khung gam là 1940kg, bao gồm các thành phan như sau:

Stt | Tên chỉ tiết/cụm Khối lượng (kg)

| Động cơ 319

2 Hộp số 703 Hệ thông lái 704 Hệ thông treo trước 605 Hệ thống treo sau 906 Hệ thông phanh 70

7 Bánh trước 49 x28 Banh sau 49 x49 Thung nhién liéu 95

10 | Câu trước 100II | Câu sau 125

12 Khung xương 647

Tổng cộng 1940Bảng 2.2 Khối lượng thiết bị lắp đặt trên khung gâm

Luan van thac si

Vi trí các thành phan trên khung gầm duoc thể hiện theo Hình 2.2

0.

Ongco} Hop số Thung nhiên liệu :

°

4/4Hệ thống lal

Luan van thac si

Các mang này được chế tao từ thép hộp và thép định hình Toàn bộ khungxương được lap ghép bang mối ghép han từ hon 567 chỉ tiết riêng lẽ Vật liệu thépsử dụng cho khung xương bao gồm: Thép SPCC có giới hạn đàn hồi 225 MPa dùngcho các thanh thép hộp; thép CT3 có giới hạn đàn hỏi 240 MPa dùng cho các thanhthép định hình V và U; Thép C45 có giới hạn đàn hỏi 360 MPa dùng cho các tamthép Tổng khôi lượng của khung xương là 811,4 kg, khối lượng từng mảng riêng lẻđược thể hiện trong Bảng 2.4

St | Vậtliệu | Mat cắt Kích thước Chiều Vị trí sử dụng

80 x 35 (chân) | 4 Khung xương sàn5 | Mác thép | Thép tam 3 Ke gia cường, tam

Luận văn thạc sĩ

Stt | Thành phan Khối lượng (kg)

I | Mặt trước 78.722 Mặt sau 54.343 | Hong trái 135.84 | Hong phải 151.65 | Khung mui 105.36 | Sàn chính 149.57 San trước 44.458 Bậc cửa 15.059 Hộp dung cụ 10.8210 | San sau 43.3

I1 |Mốihàn 4.212 | Tâm kết nỗi 40.40Tổng khối lượng 811.4

Bang 2.4 Khối lượng các thành phân khung xươngCác mảng được liên kết với nhau bằng mối hàn đường, kích thước mối hànđược đo theo thực tế sản xuất Hầu hết các mối hàn cách nhau 100mm, chiều dai là30mm, chiều cao là 3mm Khung xương kết nối với khung gâm thông qua các tamthép dày 10mm, các tâm thép này được hàn cố định trên khung xương và liên kếtvới khung gầm băng 66 bu lông M12 (Hình 2.3) Vi trí liên kết giữa khung xươngvà khung gầm thể hiện trong Phụ Lục 2 — Hình 7.10

Mật độ khung xương, K, là hệ số quan trong dé đánh giá mức độ sử dụng vậtliệu trên khung xương, K = W/L, trong đó, W là khối lượng khung xương (kg) vaL là chiều đài cơ sở (m), K =211 kg/m Thông thường, mật độ khung xương, K, đốivới xe vận chuyển hành khách nằm trong khoảng 110 - 170 kg/m [11] Như vậy,khối lượng của khung xương hiện tại là thừa, do đó cân thực hiện tối ưu giảm khốilượng khung xương này xuống Hơn nữa, khi phân tích đánh giá các đặc trưng vềtan số đao động riêng và độ cứng (được trình bày trong phan sau) thì các giá trị này

đêu lớn hơn yêu câu đôi với xe cùng kích cỡ Theo thông kê, giới hạn độ cứng xoăn

Luan van thac si

giữa các trục của xe vận chuyển hành khách loại trung bình tốt hon là nam trongkhoảng 18 - 40 x 10° N.m/deg [11] Tan số dao động riêng đâu tiên tối thiểu đối với

xe nên lớn nhỏ hơn 5Hz [9].

Tắt cả thiết bị lắp trên khung xương được xem xét như là tải lực tác động lênkhung xương, các tải lực này bao gồm: ghế, máy điều hòa, kính chắn gió, gỗ lót vàcác phụ kiện, v.v Chỉ tiết tải lực này được trình bày trong chương tiếp theo

Như vậy, theo kết quả tính toán mật độ khung xương (K) và các kết quảphân tích đặc trưng của kết cấu (được trình bày trong phan sau) thì kết cấu khungxương hiện tại có khối lượng lớn hơn yêu cau sử dung, các đặc trưng của kết cấu vềtần số va độ cứng ( độ cứng xoắn, độ cứng uốn) lớn hơn yêu cau thông thường đốiVỚI Xe vận chuyển hành khách cùng kích cỡ Do đó, can thực hiện tính toán, t6i ưugiảm khối lượng này xuống nhưng vẫn thỏa mãn các yêu câu ràng buộc về tần số và

độ cứng.

Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 3

PHAN TÍCH TOI UU

3.1 Cac trường hop chịu tải của xe khách

Trong suốt quá trình chuyền động xe sẽ chiu tác động bởi các ngoại lực, cácngoại lực này gây ra xoắn và uốn trên xe Hai trường hợp xoắn và uốn trên xe đượcgây ra bởi tải trọng đứng đối xứng và không đối xứng qua trục dọc thân xe

Luan van thac si

Trong đó, m,n,hé số của lực quán tính không đối xứng, G, (kg) là tong khốilượng của xe, G,, (kg) là khối lượng của hệ thống treo

3.2 Van dé tối ưu kết cau

Đề tài thực hiện tối ưu giảm khối lượng băng cách thay đồi kích thước chiềudày tiết điện mặt cắt ngang các thanh thép trên khung xương Đây là cách tối ưu phùhợp cho kết cau đang được sản xuất Bài toán tối ưu được thiết lập như sau:

Biến thiết kế t = {t} (với j = 1,2 ,n), là chiều day các thanh thép định hìnhvà thép tâm trên kết câu khung xương Giá trị biến thiết kế (t) sẽ thay đồi theo nhómtrên từng mảng để thuận lợi cho sản xuất, các thanh thép cùng biên dạng và kíchthước sẽ được nhóm thành 1 nhóm Số lượng biến trên mỗi mảng khác nhau do mỗimang có kết cau khác nhau Số biến tổng cộng của bài toán là tổng số biến trên các

mảng, khi đó n = 43.

Luan van thac si

Pspcc (kg/m”): khối lượng riêng của vật liệu SPCC

— L¡(m), S¡ (m”là tong chiều dài và tổng diện tích các thanh thép hộp vuông

(40x40) trên 1 mảng, thanh thép hộp vuông (40x40) nam trên 9 mảng vì vậy

1= 1,2, ,9

S; = m,(402 — (40 — 2t) ?)

Với mj; là số thanh thép vuông (40x40) trên 1 mảng, m; có giá trị thay đổi

theo từng mảng.— L¡ (m) S¡ (m”’1a tổng chiều dai và tổng diện tích các thanh thép hộp chữ nhật

(80x40) trên 1 mảng, thanh thép hộp chữ nhật (80x40) nằm trên 5 mảng vì

Chiều đài t đối với các thanh thép làm từ vật liệu SPCC thay đổi trong

khoảng 1,2mm tới 2mm, bước nhảy 0,2mm.

vậy1= 1,2.

S; = m,(80.35 — (80 — 2t)(35 — £))

Với m; là số thanh thép U (80x35) trên Imảng, m; có giá trị thay đồi theo

từng mảng.

L¡ (m), S¡ (m') là tổng chiều dài và tổng diện tích các thanh thép định hình U

(50x32) trên 1 mảng, thanh thép định hình U (50x32) chỉ có trên 1 mang.

S, = m(50.32 — (50 — 2£) (32 — t))

Với m là số thanh thép U (50x32) trên mảng

L; (m), Sz (m’) là tổng chiều dài và tổng diện tích các thanh thép định hình V(20x30) trên 1 mảng, thanh thép định hình V (30x30) chỉ có trên 1 mang.

S, = m(30? — (30 — £)2)

Với m là số thanh thép V (30x30) trên mảngL¡ (m), S¡ (m') là tổng chiều dài và tổng diện tích các thanh thép định hình V(40x40) trên 1 mảng, thanh thép định hình V (40x40) nam trên 7 mảng vi

vay j = 1.2 ,7.

$ = m,(40? — (40 — £)?)

Với m, là số thanh thép V (30x30) trên Imảng, m, có giá tri thay đồi theo

từng mảng.

Chiều dai t (mm) đối với các thanh thép làm từ vật liệu CT3 thay đối trong

khoảng 2mm tới 6mm, bước nhảy Imm.

Khối lượng thép làm từ vật liệu C45(dùng cho thanh thép tam)

Luan van thac si

Luan van thac si

— L4(m), S4 (m') là tổng chiều dai va tông diện tích các thanh thép định hình L

(60x40) trên 1 mảng, thanh thép này chi có trên | mảng.

S, = m(60.40 — (60 — t)(40 — £))

Với m là số thanh thép định hình L (60x40) trên mảngChiều dài t (mm) đối với các thanh thép làm từ vật liệu C45 thay đổi trong

khoảng 2mm tới 6mm, bước nhảy Imm.

Mục tiêu tối ưu là tìm giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu, do đó

M(f —› min ‹©> t-—min

Khối lượng khung xương, M(t) được giảm thiểu với ràng buộc về tần số daođộng riêng, độ cứng xoăn và cung uốn Giá trị các ràng buộc được thực hiện căn cứtheo kết quả phân tích đánh giá các đặc trưng của thiết kế (được trình bày bên dưới)so với giá trị thống kê đối với khung xe cùng kích cỡ Thông thường, giới hạn độcứng xoăn của khung xương của xe vận chuyển hành khách loại trung bình nămtrong khoảng 18 - 40 x 10° N.m/deg [11] Từ kết quả tính toán FEM (FiniteElement Method), độ cứng xoăn của khung xương hiện tại là 68 x 10° N.m/deg, do

đó, ràng buộc cho tính toán tối ưu cho độ cứng xoắn là nhỏ hơn 40 x 10° N.m/deg

Độ cứng xoắn giảm dẫn tới độ cứng uốn giảm theo, để giữ cho đặc trưng của thiếttối ưu không thay đổi nhiêu so với thiết kế ban dau thì ràng buộc độ cứng uốn đượcthực hiện không nhỏ hơn 3846 x 10” N/m Trong khi giảm độ cứng, đặc trưng về tầnsố cũng sẽ thay đổi, vi vậy ràng buộc thiết kế được áp đặt lên tần số xoăn (10.91Hz) và tần số uốn (19.22 Hz) không nhỏ hơn 11 Hz và 19 Hz Ràng buộc kết câucho tính toán tối ưu được tổng hợp trong Bang 3.1

Đặt trưng kết cầu | Quan hệ | Mục tiêuĐộ cứng xoăn < 40 x103 N.m/degĐộ cứng uôn > 3846 x 10° N/mTân sô xoăn > 11 Hz

Tân số uốn > 19 HzBang 3.1 Rang buộc dùng cho tinh toán toi wu kích thước

Luận văn thạc sĩ

Quy trình tính toán tối ưu kết cấu khung xe được trình bày trên Hình 3.3.Quy trình nay được bat đầu với việc xây dựng mô hình 3D khung xương xe và sửdụng FEA (Finite Element Analysis) để xác định các đặc trưng của kết cau Tiếptheo, biến thiết kế, hàm mục tiêu, ràng buộc được thiết lập và chạy phân tích tối ưutrên công cụ OptiStruct” Mô hình khung xương ưu sau tối ưu sẽ được thiết kế lạidựa trên kết quả tối ưu và kích thước các thanh thép thương phẩm hiện có tạiSamco Mô hình sau khi thiết kế lại sẽ được phân tích ứng suất cho các cho cáctrường hợp chuyển động có gia tốc và được hiệu chỉnh tăng kích thước cục bộ tạivùng tập trung ứng suất cao Hiệu chỉnh kích thước cục bộ nay được thực hiện

nhiêu lân đê có giá trị chiêu dày mặt cắt ngang các thanh tôi ưu.

Mô hình 3D

ỲXác định đặc trưng kết cầu

dùng FEMỲ

Biến thiết kế(Tham số chiêu day)

MThuật toán tối ưu

Giá trị chiều dày mặt cắt ngang

các thanh tôi ưuHình 3.3 Quy trình tính toán tôi wu

Luan van thac si

3.3 Mô hình 3D

3.3.1 Mô hình khung gầm

Do khung gam duoc mua về nên toàn bộ đữ liệu chi tiết về độ cứng, giảm

chan trên toàn bộ khung gam là không xác định Vì vậy khung xương gam, hệ thốngtreo và các bánh xe được mô hình hóa đơn giản trên phần mềm HyperWorks bằnghệ khung bao gồm các phân tử 1D cứng tuyệt đối

Hình 3.4 Khung gâm được mô hình bởi hệ khung 1D cứng tuyệt đốiĐường kính bánh xe, chiều cao khung gam, chiều dai cơ sở, vết bánh xetrước/sau, vị trí lắp ghép với khung xương được thé hiện theo đúng kích thước thực.Khung gầm được xem xét như là bộ phận trung gian để truyền các phản lực từ mặtđường lên khung xương Vì vậy, các bộ phận và thiết bị lắp trên đó được bỏ qua,khối lượng khung gầm được gán với khối lượng rất nhỏ và tiết điện mặt cắt ngang

Luận văn thạc sĩ

các thanh 1D là đủ lớn để toàn bộ hệ khung 1D này là cứng tuyệt đối Khi đó cácphản lực gây ra từ mặt đường sẽ tác động lên khung xương thông qua khung gam làlớn hơn thực tế khi tính đến khối lượng khung gầm, giảm chấn của hệ thống treo vàlốp xe

3.3.2 Mô hình khung xương

Toàn bộ kết câu 3D khung xương xe khách BGP1 được dựng hình lại trênphan mềm Catia V5R20, dữ liệu thiết kế dựa theo bản vẽ 2D do Samco cung cấp(Phụ Lục 2) va do đạt thực tế sản xuất tại nhà máy Kích thước các thanh dam, thép

định hình được tra theo đúng kích thước thực.

Kích thước bao khung xương sau khi thiết kế hoàn chỉnh: chiều dài x chiềurộng x chiều cao = 7454 x 2069 x 2519 (mm x mm x mm)

Hình 3.5 Kích thước bao khung Xương

Mô hình khung xương liên kết với khung gầm băng 66 bu lông M12 thôngquá các tắm thép dày 10mm Liên kết bu lông được thể hiện bằng liên kết cứng, vịtrí lắp phép giữa khung xương và khung gam được thể hiện theo bản vẽ (Phụ Lục 2-

Hình 7 10).

Luận văn thạc sĩ

Hình 3.6 Tấm thép kết nỗi với khung gâm bằng các bu lông M12

3.3.3 Hệ trục tọa độ

Hệ trục toạ sử dụng được xác định như sau:

— Trục z đọc theo chiều dai thân xe, hướng từ trước ra sau

— Truc y theo phương ngang, hướng từ phải qua trai

— Trục x theo phương thang đứng, hướng từ mặt sàn lên trên

Hình 3.7 Mô hình 3D khung xương và hệ trục tọa độ

3.4 Các đặc trưng của kết cau3.4.1 Mô hình phần tử

Mô hình phần tử khung gầm

Hệ khung 1D cứng tuyệt đối được mô hình bởi phan tử CBAR, đây là phan

tử chiu lực dọc trục và mô men uôn, xoăn Khôi lượng riêng gan cho hệ này là rat

Hình 3.8 Thiết lập thuộc tính vat liệu trên Hyper MeshTiết diện các thanh 1D là tiết diện tròn có bán kính lớn R = 200mm so vớikết cầu khung gầm thực tế.

s4 t2 lŠ f i6 % i8

Entities ID=IÍ% auto1.1

Config

2T citcle_section.1.12 Circle

Parameter DefinitionValue |Radius [r]| 200.0000

Hình 3.9 Dinh nghĩa tiết diện dâm 1D cho khung gamVới cách mô hình như trên thì phần khung gầm có khối lượng 6kg Tải trọngđặc trên khung xương sẽ làm biến dạng khung xương và khung gầm nhưng dokhung gầm có kích thước lớn nên sẽ bị biến dạng rất ít (gần như băng không) nhưvậy khung gầm được xem như là cứng tuyệt đối

x

Le

Luận văn thạc sĩ

Mô hình phần tử khung xương

Mô hình CAD 3D của khung xương với định dạng đữ liệu s/ sẽ được nhậpvào HyperMesh để chuẩn bị cho việc rời rạc mô hình CAD thành các phần tử hửu

hạn Mặt trung hoà của các thanh và tâm trên kết câu được tạo ra, tất cả các chỉ tiếtnày lần lượt được hiệu chỉnh hình học (loại bỏ lỗi hành học khi chuyển đổi giữa cácphần mém, loại bỏ vùng nhỏ không ảnh hưởng đến kết cấu, chia cắt các bémat,.v.v.) dé đạt được kết quả chia lưới tốt hơn Vật liệu và thuộc tinh được chỉ địnhtrên từng chỉ tiết Lựa chọn loại phân tử, kiểu phân tử và bậc phần tử sẽ ảnh hưởngđến kết qua phân tích Phan tử bậc cao thì kết quả phân tích sẽ tốt hơn

Các loại phan tử:Phân tử 1D: đó là các thanh dam, đường Ống

e—

Hình 3.11 Phân tử 1DPhân tử 2D: thích hợp cho kết cầu dạng tắm, chi tiết thành mỏng

Hình 3.12 Phần tử 2DPhan tử 3D: ứng dụng cho kết cau dạng khối, lưu chất lỏng khi tính toán ứng

suât và chuyên vỊ.

Hình 3.13 Phần tử 3DKhung xương chủ yếu được thiết kế từ các thép hộp có tiết diện vuông vàchữ nhật, các tâm kết nối và tam gia cường là thép tam Mang sàn có kết cau đặtbiệt hơn là được làm từ thép chữ U Cho nên mô hình thích hợp chia lưới dạng phầntử shell 2D Việc lựa chọn kích thước phan tử sẽ ảnh hưởng lớn đến dung lượng va

Luận văn thạc sĩ

thời gian tính toán Thông thường ở bước ban đầu kích thước phân tử tương đối lớnnham giảm thời gian tính toán Hơn nữa, lưới mịn chỉ thật sự cần thiết tại nhữngvùng tập trung ứng suất cao, do phan tử càng nhỏ thì độ chính xác càng cao, đồngnghĩa với lượng phương trình sẽ tăng lên, tốn nhiều thời gian để xử lý Giá trị kíchthước phan tử chỉ nên nhỏ tới một giá trị nhất định vì đến một giá trị giới hạn nàođó việc giảm kích thước phan tử sẽ không còn hoặc ảnh hưởng không nhiều đến kết

quả phân tích.

Quá trình phân tích được thực hiện lặp lại nhiều lần nhăm để tìm một giá trịnghiệm hội tụ Đánh giá đúng kết quả phân tích còn tùy thuộc vảo nhiều yếu tố, đólà kinh nghiệm từ các chuyên gia, kết quả từ các dự án tương tự đã thực hiện trướcđây và thực nghiệm Sau mỗi kết quả phân tích, mô hình phân tử lưới sẽ được địnhnghĩa lại, trong ứng một kết quả nghiệm khác sẽ được tim Các trường hợp định

nghĩa lại lưới:

— h-refinement: giảm kích thước phân tử.— p- reñnement: tăng bậc của phan tử.— r-refinement: sắp xếp lại điểm nút trên lưới.— hp - refinement: kết hợp h và p

Mô hình khung xương được chia lưới với các kiểu phần tử tứ giác[CQUAD4] và tam giác [CTRIA3], kích thước phan tử trung bình 10mm Tần sốdao động riêng và chuyên vị trên khung xương tăng it hon 6% khi kích thước phantử giảm còn 5mm, trong khi đó thời gian tính toán sẽ tăng gấp 1.5 lần và dung lượngbộ nhớ can thiết cho chạy tính toán là rất lớn khoảng 300GB (chi tiết kết qua phân

tích thể hiện trong Hình 3.27, Hình 3.28 và Phụ lục 3) Vì vậy kích thước phần tử

10mm sẽ được dùng xuyên suốt trong nghiên cứu này, giá trị này cũng phù hợp vớigiá trị mà các công trình nghiên cứu trước đã thực hiện [6], [8] Phan tử tam giácCTRIA3 được hạn chế sử dụng vì đây là phần tử cứng, ảnh hưởng đến độ chính xáccủa kết quả phân tích [15] Do đó phần tử CTRIA3 chỉ được sử dụng tại những nơikhông thé chia lưới băng phan tử CQUAD4

Luận văn thạc sĩ

Hình 3.15 Mô hình phần tử 2D tử giác và tam giácPhan tử CPENTAó [Pentahedron] & RBE3 dùng cho liên kết mối han, vị trívà kích thước được tính dựa trên thực tế

Hình 3.16 Phân tử Cpenta6

Luận văn thạc sĩ

Khung xương liên kết với khung gầm băng các bu lông, các liên kết nayđược xem là liên kết cứng và khi được mô hình băng phần tử thì các liên kết nàyđược thé hiện bang phan tử RBE2

Kiểm tra chất lượng phần tửMô hình phân tử sau khi được chia lưới sẽ được kiểm tra đánh giá chất lượngphan tử, vì chất lượng phan tử sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích Một mô hìnhvới số lượng phân tử đáp ứng trong giới hạn sai số cho phép thì kết quả phân tích sẽđảm bảo kết quả chính xác hơn, thời gian tính toán sẽ nhanh hơn Chỉ tiêu để đánhgiá chất lượng phân tử này có sự khác biệt trên các phần mêm khác nhau, dựa theo

đánh giá của các chuyên gia hang Altair cho mô hình khung xương xe khách này thì

các gia tri tiêu chuẩn được xem xét như sau:

— Aspect Ratio: là tỉ số giữa cạnh dai nhất và cạnh ngắn nhất của một phantử hay là khoảng cách ngắn nhất từ một điểm nút đến cạnh đối diện vớinút đó Tỉ số này không nên vượt quá tỉ lệ 5:1

— Quad Min Angle: giá trị góc nhỏ nhất trên phan tử tứ giác là 40°.— Quad Max Angle: giá trị góc lớn nhất trên phan tử tứ giác là 135”

Luận văn thạc sĩ

Jacobian: là độ lệch cua phần tử so voi một phan tử hoàn hao, vi du như

độ lệch cua một tam giác so với một tam giác đều, giá tri của Jacobian

trong khoảng từ 0 + 1, giá tri này thường phải lớn hơn 0.5.

Warpage: chỉ áp dụng cho phan tử tứ giác, kiểm tra độ cong vênh củaphan tử so với mặt phăng là 10°

Tria Min Angle: giá trị góc nhỏ nhất trên phan tử tam giác là 20”.Tria Max Angle: giá trị góc lớn nhất trên phần tử tam giác là 120”

Skew angle: Góc lệch của phan tử tam giác Skew = 90° - aa = góc nhỏ nhất được tạo bởi sự giao nhau giữa đường trung tuyến và

đường trung bình.

Thống kê mô hìnhTổng số lượng phân tử: 564815Tổng số điểm nút: 566158Tỉ lệ phần trăm phân tử tam giác: 0.1%Tổng số phân tử mối hàn: 3392

Độ cong vênh của phan tử so với mặt phang: 8.52”

Tỉ số cạnh dài nhất và cạnh ngăn nhất: 3.89