Tính bền khung xe ô tô bằng ANSYS Workbench 9.0

Tài liệu tham khảo Tính bền khung xe ô tô bằng ANSYS Workbench 9.0

Chơng 3 tính bền khung xe ô tô bằng ANSYS Workbench 9.0

3.1.Bài toán tính bền khung xe.

Tính toán độ bền khung vỏ xe có nhiều phơng pháp và phụ thuộc nhiều vào

đặc điểm kết cấu của khung vỏ, chế độ tải trọng, vật liệu và phơng pháp chế tạo Phụ thuộc vào tải trọng có các bài toán tính bền cho khung xe tải tơng ứng vớicác tải trọng tĩnh và động gồm có bài toán tĩnh và bài toán động

Khi tính khung vỏ xe tải cần chú ý đến bài toán động do các tải trọng quántính của xe khi tăng tốc, phanh xe hoặc khi quay vòng

Do các đặc điểm bố trí động cơ và hệ thống truyền lực xe tải đòi hỏi phải tính

đến các tải trọng rung động do động cơ, hệ thống truyền lực , bánh xe và do cácdao động riêng của khung vỏ xe

Khi đánh giá độ cứng và độ bền của khung vỏ xe phụ thuộc vào giá trị vàchiều tác dụng của các phản lực thẳng đứng từ mặt đờng, có hai chế độ tải trọngtính toán là chế độ tính uốn tĩnh và chế độ tính xoắn tĩnh

 Tải trọng khi tính theo uốn :

(3.2)Trong đó:

Pi- Khối lợng phần đợc treo phân bố lên cầu i, N

mtr- Khối lợng phần đợc treo của xe, N

g - Gia tốc trọng trờng, m/s2

ai- Khoảng cách từ trọng tâm phần đợc treo của xe đến cầu i, mm

L- Chiều dài cơ sở xe, mm

 Tải trọng khi tính theo xoắn:(xét trờng hợp xe có tải trọng phân lên cầu

m- Khối lợng toàn bộ của xe, N

Việc giải các bài toán tính bền khung vỏ xe là nhằm xác định biến dạng vàứng suất trên kết cấu ứng với các tải trọng khác nhau Do kết cấu khung vỏ xe rấtphức tạp, luận văn sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu dựa trên cơ sở của ph-

ơng pháp PTHH để xác định biến dạng và ứng suất tại các điểm bất kỳ trên kếtcấu Phần này trình bày phơng trình cơ bản khi giải các bài toán tĩnh và động bằngANSYS

3.1.1 Bài toán tĩnh

Phân tích tĩnh kết cấu là giải hệ phơng trình tuyến tính:

KU = R (3.5)Trong đó :

K – Ma trận độ cứng

U – Véc tơ các kết quả chuyển vị

R – Véc tơ các lựcKết cấu có thể đợc tính cho nhiều trờng hợp tải trọng Tải trọng tĩnh trên nút

có thể là mô men tập trung Tải trọng trên phần tử có thể là các loại : Trọng lực;Tải trọng phân bố đều trên nhịp; Tải trọng tập trung trên nhịp; Tải trọng phân bốbậc thang trên nhịp; Tải trọng nhiệt; Tải trọng áp lực mặt; Tải trọng thế

Khi chạy cho bài toán tĩnh có thể kết hợp với : Phân tích theo giá trị riêng, véctơ riêng, phân tích theo phổ phản ứng, hàm thời gian trong cùng một lần tính toán

3.1.2 Bài toán động

Bài toán động bao gồm các dạng phân tích theo trạng thái dao động điều hoà, theotrị riêng, theo phản ứng động hàm thời gian hoặc phổ gia tốc

- Phân tích theo trạng thái dao động điều hoà

Dạng tải trọng thông dụng cho bài toán này là: R = Fsinωt

Trong đó:

R - Biến thiên theo thời gian

F - Biên độ không biến đổi theo thời gian

ω - Tần số vòng của lực kích thích

Trong trờng hợp lực cản bằng không thì phơng trình cân bằng của hệ kết cấu

có dạng :

KU + MW = R = Fsinωt (3.6)

độ ) thay đổi theo sinωt Các lực thành phần đợc đa ra là các giá trị biên độ thay

đổi theo sinωt Phân tích theo trạng thái dao động điều hoà có các hạn chế sau:Lực cản của kết cấu đợc giả thiết bằng không, khi tính toán, kết cấu có thể chịumột số lực kích thích nhng tần số của tất cả lực kích thích trong mỗi lần tính lấybằng nhau Nếu tần số của lực kích thích tơng ứng với tần số riêng của kết cấu, hệ

sẽ bị cộng hởng và kết quả là vô hạn

- Phân tích theo giá trị riêng

Khi tính toán kết cấu chịu tải trọng động theo phổ phản ứng hoặc hàm thờigian dùng phơng pháp chồng mode, cần phải xác định các dạng dao động tự do cólực cản và tần số dao động của hệ Điều này đi đến giải nghiệm của bài toán giá trịriêng sau:

- Phân tích theo phản ứng động hàm thời gian

Nói chung tải trọng tác dụng lên kết cấu là một hàm tuỳ ý theo không gian vàthời gian Trong dạng ma trận có thể đợc viết nh R( s; t ) Với tất cả các loại tảitrọng R( s; t ) có thể đợc viết trong không gian Fi (s) và các hàm thời gian Ti (t)hoặc biểu diễn dới dạng ma trận :

R(s;t) = ∑F i * Ti (t) (3.8)

3.2.Giải bài toán tính bền tĩnh khung xe bằng ANSYS Workbench 9.0

Trong hai bài toán tính bền khung xe là bài toán tĩnh và bài toán động, đồ

án tập trung giải quyết bài toán tĩnh khung xe

3.2.1 Các giả thiết về tải trọng và ràng buộc

a Các giả thiết về tải trọng

Tải trọng tác dụng lên khung xe đợc đa vào mô hình dới dạng các tải trọngtập trung và phân bố theo chiều dài khung bằng các tuỳ chọn gán tải trọng trongANSYS Workbench 9.0

Các tải trọng tập trung là tải trọng của các cụm, tổng thành Các tải trọng tậptrung này đợc coi là các tải trọng tại các nút tong ứng với trọng tâm của các cụm,sau đó đợc qui dẫn lên các điểm liên kết của giá đỡ cụm với khung xe Với giảthiết các giá treo, đỡ các tải trọng này là tuyệt đối cứng, trong mô hình có thể sửdụng các ràng buộc Fixed Support hoặc Given Diplacement của ANSYS Mô hình

đợc thiết lập bởi các ràng buộc tải trọng trong ANSYS nh Remote Force, Force,Pressure, Moment để thực hiện việc chuyển đổi các tải trọng tơng ứng Các tảitrọng phân bố là tải trọng hành lý, tải trọng khung vỏ xe

b Các ràng buộc

Khi tính uốn, giả thiết khung xe đợc gối lên các mõ nhíp, do vậy tại các

điểm này sử dụng các tuỳ chọn gối cố định Trong mô hình có thể sử dụng phơng

án khung xe gối trên 4 gối tựa hoặc 8 gối tựa

Khi tính xoắn, giả thiết khung xe đợc gối lên các mõ nhíp của nhíp trớc bênphải và nhíp sau bên trái, do vậy tại các điểm này sử dụng các tuỳ chọn gối cố

định Lúc này trong mô hình khung xe đợc gối trên 4 gối tựa

Sử dụng mô hình hình học đã có với các thay đổi về ràng buộc ta có thểkhảo sát các bài toán tính nội lực và ứng suất trên kết cấu tơng ứng với các bài toántính uốn và xoắn đã biết Trong đề tài đã tính toán với 4 phơng án khảo sát:

Phơng án 1 – sử dụng 8 gối (tệp mohinh-01)

Phơng án 2 - sử dụng 4 gối (tệp mohinh-02u – 4goi)

Phơng án 3 - sử dụng 4 gối (tệp mohinh-02x-4goi-s)

Ph¬ng ¸n 4 - sö dông 4 gèi (tÖp mohinh-02x-4goi-ts)

Các thành phần nội lực này là các lực và mô men nội lực đợc xác định từtích phân các thành phần ứng suất của các điểm nằm trên mặt trung bình giữa củaphần tử bao gồm :

Hình 3.1- Thành phần ứng suất theo các phơng chính

Trong đó σ1 > σ2 > σ3 σ1 – ứng suất chính lớn nhất (Maximum)

σ2 – ứng suất chính ở giữa (Middle)

σ3 – ứng suất chính nhỏ nhất (Minimum)

Thành phần ứng suất tơng đơng (Equivalent stress)

(3.9)Thành phần biến dạng tơng đơng (Equivalent strain)

(3.10)Trong đó υ’ là hệ số Poisson

Hình 3.2- Đồ thị vòng tròn Mohr ứng suất

Thành phần ứng suất kéo lớn nhất (Maximum Shear)

(3.11)Thành phần biến dạng kéo lớn nhất (Maximum sheer elastic strain)

Cờng độ ứng suất (Stress intensity) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của 3 hiệu (σ1 - σ2, σ2 - σ3 và σ3 - σ1)

(3.13)Cờng độ ứng suất có liên hệ với thành phần ứng suất kéo lớn nhất

Cờng độ biến dạng (Elastic Strain intensity) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của 3 hiệu (ε1 - ε2, ε2 - ε3, và ε3 - ε1)

(3.15)

3.2.3 Mô hình tính

Mô hình tính của một kết cấu là sự mô tả kết cấu đó với các giả thiết xác

định nhằm đánh giá kết cấu về một khía cạnh nhất định Các mô hình tính thờng

đ-ợc sử dụng để đơn giản hoá quá trình khảo sát nhng vẫn phản ánh đđ-ợc các đặc trngcơ bản của kết cấu

Mô hình phần tử hữu hạn là sự mô tả hình dáng hình học và đặc điểm kết

cấu cũng nh các đặc trng của vật liệu, tải trọng ngoài và các ràng buộc

Các bớc cơ bản để xây dựng mô hình tính và giải bài toán tính bền khung xe

Bớc 1 Mở SOLIDWORKS

Bớc 2 Tạo tệp dữ liệu mới

Bíc 3 X©y dùng m« h×nh khung xe

Bớc 4 Chuyển sang ANSYS để tính bền

Bớc 5 Định nghĩa phần tử

Bớc 6 Chia lới

Bíc 7 G¸n t¶i träng vµ rµng buéc

Bớc 8 Giải bài toán

Bớc 9 Xuất kết quả

3.2.4 Kết quả tính bền tĩnh khung xe URAL-375.

Đợc trình bày trong Phụ lục 3 bao gồm:

− Các biểu đồ nội lực, ứng suất của kết cấu

− Các biểu đồ biến dạng tĩnh của kết cấu.

Một số kết quả theo phơng án 2

Hình 3.3- Mô hình chia lới khung xe URAL-375

Hình 3.4- Mô hình đặt lực khung xe URAL-375

Hình 3.5- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp

Hình 3.6- Biểu đồ phân bố ứng suất max

Hình 3.7- Biểu đồ phân bố ứng suất min

Hình 3.8- Biểu đồ phân bố chuyển vị của hệ khung theo phơng Y

Bảng 3.4- Bảng giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của

số khác không thay đổi So sánh kết quả đầu ra để tìm ra từ đó để đánh giá gần

đúng giá trị thực của kết quả tính

3.3.1 Khi thay đổi sự phù hợp khi chia lới(Relevance)

Đối tợng khảo sát là phơng án 2 trờng hợp khung 4 gối chịu uốn

khi thay đổi số nút và phần tử

Hình 3.9- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp theo phơng án a

Hình 3.10- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp theo phơng án b

Hình 3.11- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp theo phơng án c

Hình 3.12- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp theo phơng án d

Trên hình ta thấy khi thay đổi số nút và phần tử giá trị và vị trí ứng suất đạtgiá trị lớn nhất, nhỏ nhất cũng thay đổi Đặc biệt giá trị phản lực tại các gối cũngthay đổi Do đó khi giải bài toán tính bền nói chung và kết cấu khung xe nói riêngtuỳ theo kết cấu của chi tiết để tiến hành chia lới một cách hợp lý, điều đó đảm bảocho bài toán có kết quả với sai số nhỏ và có thể chấp nhận đợc

3.3.2 Khi thay đổi độ mịn của lới (Refinement Depth)

Base Mesh: No Refinement Refinement Depth = 0

Refinement Depth = 1 Refinement Depth = 2

Hình 3.13-Biểu biến dạng khi thay đổi Refinement Depth