Ứng dụng phần mềm hyperworks tối ưu hóa khung xe buýt Thaco City B60.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ CƠNG TÍN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HĨA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60 Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 8520116 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Phan Minh Đức Phản biện 1: PGS TS Dương Việt Dũng Phản biện 2: TS Nguyễn Xuân Thiện Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ khí Động lực họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 09 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Nâng cao chất lượng vận tải hành khách tơ có sức chở lớn theo hướng tiện nghi, an toàn giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, giảm thải ô nhiễm môi trường [1] nhận quan tâm lớn doanh nghiệp sản xuất ô tô nước Hiện để đáp ứng nhu cầu vận chuyển liên tỉnh đô thị lớn, chẳng hạn thành phố Hồ Chí Minh đặt mục tiêu đáp ứng khoảng 20% nhu cầu lại xe buýt đến năm 2025 [2] THACO xác định việc phát triển xe buýt theo hướng đại có số chỗ đến 60 (Thaco City B60) quan trọng chiến lược phát triển sản phẩm Khung xe có vai trò đặc biệt, tổng thành kết cấu lớn, phức tạp; chi phí sản xuất khung xe khoảng 50% tổng chi phí sản xuất xe giữ tỷ lệ 30% chất lượng xe [3] Thiết kế khung xe buýt cần đáp ứng nhiều yêu cầu, có tối ưu mật độ phân bố vật liệu, đảm bảo độ bền Thực trạng nay, hầu hết doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô nước, việc sản xuất khung xe buýt nói chung thực theo thiết kế mua từ nước ngoài, theo thiết kế sản phẩm tương tự, có tính đến hiệu chỉnh theo đề nghị, góp ý khách hàng đề xuất cải tiến phận R&D Điều dẫn đến loạt sản phẩm chưa tối ưu, tiềm ẩn khiếm khuyết không phù hợp với điều kiện vận hành Việt Nam kéo dài thời gian phát triển sản phẩm Gần nước có số cơng trình nghiên cứu ứng dụng công cụ CAE vào cải tiến khung xe buýt [4, 5], đem lại hiệu định nhìn chung đề tài chưa cụ thể hóa quy trình tính tốn chủ yếu thực cải tiến khung xe bt có sẵn Chính tối ưu hóa khung xe bt từ thiết kế đầu cấp thiết Đề tài trình bày quy trình thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 có ứng dụng cơng cụ CAE vào cơng đoạn thiết kế định hình cơng đoạn tối ưu độ bền Ứng dụng phần mềm HyperWorks tối ưu hóa hình dáng, khối lượng phân tích bền khung xe buýt Thaco City B60 trường hợp chịu tải thơng thường Điều có ý nghĩa lớn bối cảnh công nghiệp ô tô nước dần chuyển từ sản xuất lắp ráp sang thiết kế, lắp ráp hồn thiện MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Xây dựng hồn thiện quy trình nghiên cứu phát triển sản phẩm Thaco; nâng cao lực tính tốn thiết kế đội ngũ Phòng R&D; xây dựng phương pháp tối ưu hóa khung xe buýt phần mềm HyperWorks góp phần hồn thiện sản phẩm xe bt Mục đích nghiên cứu đề tài: Tối ưu hóa thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Luận văn chọn đối tượng nghiên cứu tính tốn khung xe bt Thaco City B60 Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp vấn đề nghiên cứu nên luận văn giới hạn tập trung nghiên cứu đánh giá độ bền tác dụng tải trọng bình thường số chế độ làm việc phương án tối ưu hóa khung xe buýt lý thuyết mơ hình hóa PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa: Cơ sở lý thuyết, mơ hình tính tốn độ bền mơ hình tối ưu hóa khung xe bt Độ bền khung tơ tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn thơng qua phần mềm Hyperworks Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền đề xuất cải tiến kết cấu để giảm trọng lượng phân tán vùng tập trung ứng suất khung xe buýt Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận văn góp phần xây dựng phương pháp tính tốn độ bền khung xe buýt Thaco City B60 Xây dựng phương pháp đánh giá độ bền hướng đề xuất cải thiện kết cấu nhằm nâng cao độ bền tối ưu trọng lượng khung xe buýt Thaco City B60 Ý nghĩa thực tiễn: Luận văn tính hiệu ứng dụng phần mềm HyperWorks vào thiết kế khung xe buýt Bên cạnh luận văn giúp rút ngắn thời gian thiết kế sản phẩm từ giúp giảm chi phí cho cơng tác nghiên cứu thiết kế ban đầu Kết nghiên cứu ứng dụng để tính tốn thiết kế kiểu loại xe buýt tương tự Thaco CẤU TRÚC NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN: Bố cục luận văn phần mở đầu, kết luận hướng phát triển đề tài, nội dung trình bày chương với cấu trúc sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phần mềm HyperWorks sở lý thuyết Chương 3: Xây dựng mô hình tính tốn khung xe bt phần mềm HyperWorks Chương 4: Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 phần mềm HyperWorks Chương - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam Ngành công nghiệp tơ có vai trò đặc biệt quan trọng để thúc đẩy kinh tế phát triển Vì để nâng cao lực cạnh tranh giai đoạn hội nhập với cạnh tranh khốc liệt từ hãng tơ nước ngồi, lĩnh vực sản xuất tô buýt nhà sản xuất nước trọng đẩy mạnh phát triển Bằng việc tăng mạnh tỷ lệ nội địa hóa, tăng tính an tồn, đầu tư quy mô vào công tác nghiên cứu phát triển sản phẩm (R&D), bước đầu tạo số sản phẩm xe buýt đáp ứng tốt nhu cầu thị trường nước tiến tới xuất Để tiến tới tự sản xuất hồn chỉnh cụm hệ thống tơ, cần phải đầu tư chiều sâu, đặc biệt đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần dành cho nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo khung vỏ 1.2 Đặc điểm cấu tạo khung xe buýt 1.2.1 Phân loại kết cấu khung xe buýt 1.2.1.1 Khung xe không chịu tải Khung xe không chịu tải cấu trúc khung thơng thường, khung lắp ráp chassis giá đỡ đệm su lò xo Với kết cấu chassis chịu tồn tải trọng đặt lên nó; khung chịu phần nhỏ tải trọng uốn cong chassis, loại cấu trúc kiểu khung xe không tải yêu cầu có khung gầm chắn điều làm khung gầm có khối lượng lớn 1.2.1.2 Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng với chassis) Khung xe kiểu bán tải kết cấu khung xe liên kết liền khối với khung chassis, khung xe chịu phần tải trọng Một kiểu kết cấu mang đặc điểm chung kết cấu khung không chịu tải khung chịu toàn tải Kết cấu toàn khung chassis hàn cứng liên kết bu lơng, khung xe lúc chịu phần tải trọng uốn xoắn 1.2.1.3 Khung xe chịu toàn tải Khung xe chịu tồn tải cấu trúc khung xe khơng tách rời, khơng có chassis riêng biệt Đặc điểm lớn khung xe có cấu trúc giàn lưới bao gồm chi tiết hộp, dập tiết diện Toàn khung vỏ cấu trúc vòng kín, bao gồm sáu kết cấu liên kết cứng với Tải trọng tác động lúc toàn khung hấp thụ Kết cấu kiểu khung chịu tải có ưu điểm so với kết cấu khác sau: Trọng lượng thân giảm đáng kể; cường độ độ cứng kết cấu cải thiện; cấu trúc hợp lý tỷ lệ sử dụng vật liệu cao; trọng tâm thấp ổn định xe chạy tốc độ cao; độ an toàn nâng cao 1.2.2 Yêu cầu khung xe buýt 1.2.2.1 Độ cứng Độ cứng kết cấu khung có liên quan đến biến dạng có tác động lực lực qn tính, lực va chạm Độ cứng ảnh hưởng đến khả làm việc cụm hệ thống ô tô dao động 1.2.2.2 Độ bền Dưới tác dụng tải trọng ngoài, khung xe xuất biến dạng ứng suất, độ bền hiểu khả chịu lực tác dụng lớn khung mà ứng suất sinh nhỏ giá trị ứng suất cho phép vật liệu 1.2.2.3 Độ bền mỏi Độ bền mỏi tiêu chí quan trọng khung ô tô, thực tế việc khả làm việc kết cấu khung không tải đột ngột vượt giới hạn cho phép mà tượng mỏi vật liệu chịu tải trọng gây thay đổi có chu kỳ ứng suất phát sinh kết cấu 1.2.2.4 Yêu cầu đến vấn đề an toàn giao thơng 1.2.3 Đặc tính làm việc khung xe buýt 1.2.3.1 Đặc tính dao động Đặc tính dao động xe liên quan đến độ cứng phân bố khối lượng khung xe 1.2.3.2 Đặc tính rung ồn Mức độ ồn rung khung ô tô gây phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu công nghệ chế tạo khung vỏ tơ 1.2.3.3 Đặc tính biến dạng Đặc tính biến dạng đảm bảo cho khung xe chịu tác động lực va chạm thơng thường 1.3 Ý nghĩa việc phân tích kết cấu khung xe buýt Phân tích kết cấu khung xe buýt có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao chất lượng giảm giá thành sản phẩm xe buýt Đồng thời góp phần nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm xe buýt nước 1.4 Kết luận chương 1 - Nền công nghiệp ô tô nước đà tăng trưởng, phát triển cạnh canh gay gắt từ xe CBU Trong bối cảnh đó, để ngành công nghiệp ô tô đủ sức cạnh tranh thành ngành công nghiệp trụ cột Việt Nam, doanh nghiệp ô tô nước cần phải trọng đầu tư cho vấn đề nghiên cứu, phát triển sản phẩm để sản xuất xe có chất lượng cao với chi phí thấp - Kết cấu khung xe buýt theo đặc tính chịu tải phân thành loại là: Khung xe khơng chịu tải, khung xe bán tải, khung xe chịu hoàn toàn tải trọng Hiện Việt Nam đa phần xe buýt sử dụng loại kết cấu khung xe bán tải - Khi tiến hành thiết kế khung xe buýt phải đảm bảo yêu cầu độ cứng, độ bền vấn đề an tồn giao thơng - Các đặc tính cần quan tâm thiết kế khung xe buýt đặc tính dao động, đặc tính rung ồn đặc tính biến dạng - Trong trình sản xuất xe buýt, cách tối ưu hóa kết cấu khung vỏ, thiết kế cấu trúc khung xe với cấu trúc hợp lý hiệu suất vượt trội công việc cấp thiết xu hướng thiết kế đại (giảm khối lượng, nâng cao độ bền, chất lượng sản phẩm) Việc ứng dụng cơng nghệ số tính tốn mơ giúp giải vấn đề phức tạp thực tế mà tính tốn lý thuyết khó khăn tốn nhiều thời gian chi phí; thời gian thiết kế chi phí cho việc thiết kế đồng thời giảm thiểu đáng kể Chương PHẦN MỀM HYPERWORKS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phần mềm HyperWorks 2.1.1 Giới thiệu phần mềm HyperWorks HyperWorks phần mềm CAE (Computer Aided Engineering) tiếng ứng dụng nhiều lĩnh vực với khả phân tích xác dựa phương pháp phần tử hữu hạn 2.1.2 Các Modul phần mềm HyperWorks Phần mềm HyperWorks bao gồm Modul sau: Hypermesh; HyperView; HyperGrapth; HyperCrash; Radioss; Optistruct; MotionView; MotionSolve 2.1.3 Đặc điểm phần mềm HyperWorks HyperWorks phần mềm có tính trực quan cao, có khả phân tích, tối ưu hóa cấu trúc, lưu chất, hệ đa vật thể, điện từ,… Ứng dụng phần mềm HyperWorks vào thiết kế làm giảm chu trình thiết kế, giảm thời gian thiết kế nâng cao hiệu suất công việc 2.1.4 Các kiểu phần tử hữu hạn HyperWorks 2.1.4.1 Phần tử 1D - Định nghĩa: Là kiểu phần tử có thành phần kích thước lớn nhiều so với kích thước lại 2.1.4.2 Phần tử 2D - Định nghĩa: Là kiểu phần tử có thành phần kích thước lớn nhiều so với kích thước lại 2.1.4.3 Phần tử 3D - Định nghĩa: Là kiểu phần tử có kích thước tương đương 2.1.4.4 Các kiểu phần tử khác Ngoài phần tử 1D, 2D 3D, có số phần tử như: Phần tử khối lượng (mass); phần tử lò xo (spring); phần tử giảm chấn (damper); phần tử tiếp xúc (Gap); phần tử liên kết cứng (Rigid); phần tử hàn 2.1.5 Cấu trúc tổng thể tốn bên phần mềm HyperWorks Một tốn mơ phần mềm HyperWorks thông thường gồm bước sau: B1: Nhập liệu tính tốn; B2: Xử lý mơ hình; B3: Giải tốn; B4: Phân tích kết 2.2 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Sự phát triển phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp tính tốn số phát triển vào năm 1960 Đầu năm 1980, với phát triển mạnh phân tích phần tử hữu hạn, số chương trình phần tử hữu hạn máy tính xuất tương đối tiếng HYPERWORKS, ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, ASKA ADINA, v.v Những phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thương mại có chương trình tiền xử lý hậu xử lý mạnh mẽ, dùng kết để áp dụng vào công việc nghiên cứu 2.2.2 Ý tưởng trình tự phân tích tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2.1 Ý tưởng phương pháp phần tử hữu hạn Một tư tưởng phương pháp phần tử hữu hạn xấp xỉ hóa đại lượng cần tìm miền Do đó, cấu trúc quy trình tính tốn phân tích phần tử hữu hạn khơng phải đối tượng cấu trúc ban đầu, mà cấu trúc đối tượng rời rạc Kết phép tính phân tích khơng phải giá trị thực, mà xấp xỉ 2.2.2.2 Trình tự phân tích phần tử hữu hạn a) Phân biệt lựa chọn phần tử Cấu trúc đối tượng cần phân tích rời rạc với phần tử hữu hạn, chia thành hệ thống tương đương với nút liên kết sau chọn loại phần tử phù hợp để mơ tính chất vật lý thực tế b) Chuyển vị, biến dạng ứng suất phần tử, ma trận độ cứng phần tử vectơ tải phần tử Khi giải tốn theo mơ hình tương thích (còn gọi phương pháp chuyển vị) đại lượng cần tìm trước tiên chuyển vị Chuyển vị xấp xỉ hóa nội suy theo vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e Sau tìm ma trận hàm dạng, biểu diễn trường chuyển vị theo chuyển vị nút phần tử {q}e [9]: {u}e = [N].{q}e (2.1) Từ đó, theo phương trình liên hệ chuyển vị biến dạng (các phương trình Cauchy), biến dạng điểm phần tử là: {}e = []{u}e = [][N]{q}e = [B]{q}e (2.2) Và [B] gọi ma trận tính biến dạng (ma trận chứa đạo hàm hàm dạng) Ứng suất điểm thuộc phần tử, trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hook là: {}e = [D][B]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.3) Hay {}e = [T]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.4) Trong [T] = [D][B] (2.5) gọi ma trận tính ứng suất phần tử Phương trình (2.1), (2.2) (2.4) cho ta biểu diễn chuyển vị, biến dạng ứng suất phần tử theo vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e c) Ghép nối phần tử xây dựng phương trình cân tồn hệ Ma trận độ cứng tổng thể: m [K′] = ∑[H]Te [K′]e [H]e (2.23) e=1 Vectơ tải trọng nút tổng thể m {F ′ } = ∑[H]Te {F′ }e (2.24) e=1 d) Sử dụng điều kiện biên tốn Hệ phương trình tổng thể [K]{q}={P} viết dạng khối sau: [K]11 [ [K]21 [K]12 b [q]1 [P] ] { b} = { } [K]22 [q]2 [P] (2.25) Trong - {q}2b: vectơ chứa tất bậc tự (chuyển vị nút) biết; - {q}1: vectơ chứa bậc tự chưa biết; - {P}b1: vectơ tải gồm phần tử biết; - {P}2: vectơ tải gồm phần tử lại {P} chưa biết 2.3 Lý thuyết tối ưu hóa 2.3.1 Khái niệm tổng qt Bài tốn tối ưu đặt sau: Tìm x1, x2,…, xn cho hàm số Z = f(x1, x2,…, xn) đạt max (hay min) đồng thời thỏa mãn điều kiện [10]: θi (x1 , x2 , … , xn ) ≤ bi Φk (x1 , x2 , … , xn ) = dk } j (x1 , x2 , … , xn ) ≥ hj (2.31) Trong đó: x1, x2, xn biến bi, dk, hj số 2.3.2 Lý thuyết tối ưu hóa phần mềm HyperWorks 2.3.2.1 Khái niệm Một vấn đề tối ưu hóa trình bày mặt tốn học [11] sau: - Hàm mục tiêu: ω0 (p) => min(max) (2.34) - Điều kiện ràng buộc trình tối ưu: ωi (p) ≤ (2.35) - Biến thiết kế: pl ≤ pj ≤ pu (2.36) Trong đó: - l giới hạn u giới hạn biến thiết kế; - ω0(p) ωi(p) giá trị mục tiêu biến tối ưu hóa (mục đích cần đạt được); - pj giá trị đại diện cho biến thiết kế (p1, p2,…, pn) 2.3.2.2 Biến thiết kế Biến thiết kế (DVs - Design Variable) tham số hệ thống thay đổi để tối ưu hóa kết cấu Đối với HyperWorks, kiểu tham số dùng để xác định loại tối ưu hóa gồm có: TOPOLOGY, TOPOGRAPHY, FREE-SIZE, SHAPE, GAUSE, FREE-SHAPE, COMPOSITE SHUFFLE 2.3.2.3 Phương pháp Gradient a) Phương pháp Gradient Đây thuật tốn tối ưu hóa để tìm hàm số đạt cực tiểu gọi phương pháp Gradient Thuật tốn [11] mơ tả sau: Bắt đầu từ điểm X0 (điểm xuất phát điểm khởi tạo vòng lặp) Đánh giá hàm F (Xi) độ dốc (Gradient) hàm ∇F (Xi) điểm Xi Xác định điểm sử dụng hướng dốc có giá trị âm: Xi+1 = Xi - ϒ∇F(Xi) Lặp lại bước hàm hội tụ nhỏ b) Phân tích độ nhạy Phân tích độ nhạy phương pháp điều chỉnh kết cấu cho việc sử dụng vật liệu hiệu mà thỏa mãn yêu cầu thiết kế kỹ thuật Với phương pháp cần điều chỉnh kết cấu để đạt mục tiêu trọng lượng cực tiểu mà khơng phải tiến hành tính toán lại nhiều lần 2.3.2.4 Điều chỉnh giới hạn Giới hạn di chuyển điển hình tốn tối ưu hóa gần 20% giá trị biến thiết kế [11] Nếu sử dụng khái niệm gần nâng cao, giới hạn di chuyển lên tới 50% [11] 2.4 Cơ sơ phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe Trong trình xe chuyển động, phản lực thẳng góc tác dụng từ đường lên bánh xe thay đổi theo ngoại lực Trị số phản lực ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định tuổi thọ chi tiết cụm chi tiết xe 2.4.1 Trường hợp xe chuyển động ổn định đường nằm ngang Theo lý thuyết ô tô [12], sơ đồ lực tác dụng lên xe trường hợp chuyển động ổn định đường nằm ngang có dạng: Hình 2.8 – Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô chuyển động đường nằm ngang  Trọng lượng toàn xe (G) Trọng lượng toàn xe đặt trọng tâm Khi tính tốn, trọng lượng tồn xe thường xác định sau: G = Ga + Gload (2.46) Trong phân tích độ bền khung xe, trọng lượng yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ độ ổn định khung Vì việc xác định đúng, đủ thành phần khối lượng vị trí tọa độ so với khung xe quan trọng trước thực phân tích bền kết cấu khung  Phản lực pháp tuyến đường tác dụng lên bánh xe ô tô (Z1, Z2) Khi xe chuyển động, bánh xe chịu tác dụng phản lực pháp tuyến đường Phản lực thay đổi ngoại lực tác dụng lên xe thay đổi truyền lên khung xe thông qua hệ thống treo 10  Lực ly tâm FLAT Giá trị lực ly tâm xác định theo: FLAT G v2 G B = = g R hg (2.51) Các phản lực ngang PF, PP từ đường tác dụng lên bánh xe bên phải bên trái cầu trước cầu sau PF PP xác định sau: PF = G v2 b G B b = g R a + b hg a + b (2.52) PR = G v2 a G B a = g R a + b 2hg a + b (2.53) 2.5 Kết luận chương - Phần mềm HyperWorks cơng cụ hỗ trợ tính tốn mơ mạnh mẽ, đáp ứng hầu hết nhu cầu phân tích kết cấu, tối ưu hóa hiệu Các modul đa dạng tích hợp nhiều giải pháp thiết kế, kỹ thuật, hiển thị quản lý sở liệu - Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để phân tích loạt vấn đề cấu trúc phi cấu trúc Các vấn đề cấu trúc điển hình bao gồm phân tích ứng suất (giàn, phân tích khung), phân tích độ bền phân tích rung động; vấn đề phi cấu trúc bao gồm phân tích truyền nhiệt, phân tích dòng chất lỏng,… Do ứng dụng vào nghiên cứu phân tích số lượng lớn vấn đề nên việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phổ biến - Việc thực tính tốn phân tích kết cấu khung xe phần mềm HyperWorks phải tuân thủ theo sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn sở phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHUNG XE BUÝT TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS 3.1 Quy trình phát triển sản phẩm Thiết kế phát triển sản phẩm giai đoạn vòng đời sản phẩm Giai đoạn định thuộc tính đặc trưng sản phẩm độ bền, thẩm mỹ, khả vận hành, … 3.1.1 Quy trình phát triển sản phẩm thơng thường Với quy trình phát triển sản phẩm truyền thống, sản phẩm đạt chất lượng đời sau nhiều lần thử nghiệm Điều làm tăng đáng kể thời gian thiết kế từ làm tăng giá thành sản phẩm Khảo sát nhu cầu Kế hoạch Thiết kế Tạo mẫu Vòng lặp thiết kế - thử nghiệm – tạo mẫu Thử nghiệm Sản xuất Hình 3.1 - Sơ đồ quy trình thiết kế sản phẩm thơng thường 11 3.1.2 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE 3.1.2.1 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE cơng cụ thử nghiệm ảo 3.1.2.2 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE công cụ thiết kế đề xuất thử nghiệm ảo Số lượng chu kỳ việc tạo sản phẩm mẫu thử nghiệm giảm đáng kể CAE ứng dụng công cụ thiết kế đề xuất thử nghiệm số CAE giúp định hướng thiết kế phác thảo, giúp nâng cao chất lượng thiết kế giai đoạn đầu từ nâng cao chất lượng thiết kế giai đoạn thiết kế chi tiết Ngồi vai trò CAE lúc bù đắp lại phần kinh nghiệm làm việc người thiết kế Khảo sát nhu cầu Kế hoạch Thiết kế sơ Vòng lặp giảm nhờ ứng dụng CAE CAE Thiết kế tổng thể CAE Sản xuất Thử nghiệm Tạo mẫu Hình 3.3 – Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE cơng cụ thiết kế đề xuất thử nghiệm số 3.2 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn khung xe bt 3.2.1 Tạo mơ hình phần tử (chia lưới) 3.2.1.1 Đơn giản hóa mơ hình thực tế mơ hình phân tích 3.2.1.2 Chọn kiểu phần tử mơ 3.2.1.3 Mô liên kết 3.2.1.4 Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới 3.2.2 Các bước xây dựng mơ hình tính toán khung xe buýt phần mềm HyperWorks 3.2.2.1 Các bước tốn mơ phần mềm HyperWorks a) Tiền xử lý (Hypermesh; motionview) b) Xử lý toán (Optistruct; radios; motionsolve…) c) Xem xét kết (Hyperview) 3.2.2.2 Cấu trúc thư mục tốn mơ HyperWorks Cấu trúc thành phần tốn mơ sau: Assembly, Component, Contact surface, Group, Load collector, Load step, Material, Property, Card 12 3.3 Kết luận chương - Việc ứng dụng phần mềm máy tính thiết kế phát triển sản phẩm ngày quan tâm phát triển mạnh mẽ Trong tương lai CAE cơng cụ giúp định hướng cho thiết kế Vì quy trình thiết kế phát triển sản phẩm có xu hướng chuyển dịch từ thử nghiệm thực tế sang thử nghiệm ảo kết hợp ứng dụng CAE công cụ định hướng thiết kế, điều góp phần đáng kể vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh đồng thời giảm thiểu tối đa chi phí thời gian thiết kế phát triển sản phẩm - Trước tiến hành tạo mơ hình phần tử hữu hạn cần thực đơn giản hóa mơ hình, chọn kiểu phần tử thích hợp cho kết cấu, chọn kiểu liên kết cho vị trí liên kết kiểm tra chất lượng phần tử sau hồn thành mơ hình Việc giúp giảm thời gian tính tốn, nâng cao độ xác kết - Một tốn mơ phần mềm HyperWorks phải trải qua bước tiền xử lý, xử lý toán, xem phân tích kết - Phần mềm mơ HyperWorks quản lý thư mục theo chức riêng, gồm thư mục chính: Assembly, Component, Contact surface, Group, Load colector, Load step, Material, Property, Card Chương 4: THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG XE BUÝT B60 TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS 4.1 Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt HyperWorks 4.1.1 Thiết kế sơ tổng thể hình dạng khung xe buýt Dựa thơng số kỹ thuật kích thước tổng thể, vị trí liên kết tải trọng, vị trí chịu phản lực,… kết hợp ứng dụng phần mềm Catia V5, thực thiết kế sơ khung xe buýt Hình 4.2 – Tổng thể mặt bên khung xe 4.1.2 Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt phần mềm HyperWorks 4.1.2.1 Mục tiêu tối ưu hóa Tối ưu hóa biên dạng hình học (concept design) bước sau trình thiết kế tổng thể Mục tiêu tối ưu hóa khung xe buýt Thaco City B60 đạt độ cứng [K] tối đa dựa điều kiện ràng buộc tỷ số thể tích tổng thể biến thiết kế sau tối ưu Vvolf thể tích tổng thể biến thiết kế ban đầu Vini: 13 nvolf = Vvolf 100% > 30% Vini (4.1) 4.1.2.2 Thực tối ưu hóa phần mềm HyperWorks Phương thức tối ưu Topology (tối ưu hóa phân bố vật liệu khơng gian thiết kế định) sử dụng để thực tối ưu biên dạng hình học khung xe Thơng số “Compliance” (C: lượng biến dạng) chọn hàm mục tiêu toán Compliance thể mặt toán học [11] sau: C = uT F (4.2) Mặt khác: F = K.u Vậy biểu thức (4.2) viết lại: C= F 2T KT (4.3) Điều có nghĩa C tỷ lệ nghịch với độ cứng K, để kết mơ hội tụ theo hàm mục tiêu K => max giá trị hàm mục tiêu thiết lập tốn tối ưu hóa Topology C => 4.1.2.3 Kết tối ưu hóa hình học khung xe bt Sau q trình tối ưu hóa kết thúc, kết tối ưu hiển thị trực quan dạng đồ họa với Modul HyperView Hình 4.20 – Kết cấu tối ưu hóa mặt bên (RH) Hình 4.21 – Kết tối ưu hóa mặt bên (LH) Hình 4.22 – Kết tối ưu hóa mặt khung xe 14  Nhận xét Kết trình tối ưu hóa cho người thiết kế có nhìn tổng thể liên kết khung xe buýt, mật độ bố trí vật liệu giúp người thiết kế nhanh chóng đưa ý tưởng ban đầu thực thiết kế khung xe buýt Trong giai đoạn thiết kế ban đầu, tối ưu hóa ý tưởng thiết kế quan trọng mục đích để đánh giá kết cấu khác đến thiết kế tốt nhất, giảm thời gian, chi phí hết giúp cải thiện kinh nghiệm thiết kế 4.1.3 Thiết kế chi tiết khung xe buýt B60 4.1.3.1 Thiết kế khung xương mảng đầu Kết cấu khung xương mảng đầu gồm thép hộp 40x40x2, 30x30x1.4, 30x60x1.4 40x60x3 4.1.3.2 Khung xương mảng hơng trái Tồn kết cấu khung xương mảng hơng trái có cấu tạo chủ yếu từ thép hộp 40x40x2, 40x40x1.4 40x60x2.0 4.1.3.3 Khung xương mảng hông phải Khung xương mảng hông phải có kết cấu đối xứng giống với mảng hông trái, thông số mác thép sử dụng chung cho hai mảng hông trái phải 4.1.3.4 Khung xương mảng mui Khung xương mui chủ yếu thép hộp 40x40x2.0, 40x60x2.0, 20x40x1.4 30x60x1.4 Trong đó, kèo loại 40x40x2.0 uốn cong để tạo độ dốc định phía hai bên thành xe, hai 40x60x2 sử dụng để đỡ máy lạnh, với số ngang ngắn 20x40x1.4 để tạo liên kết kèo nhằm hình thành dầm ngang; đầu cuối mảng mui sử dụng hộp loại 30x60x1.4 để tạo bề rộng định nhằm liên kết giáp mí tốt với tơn mui đảm bảo độ kín cho xe 4.1.3.5 Khung xương mảng đuôi Kết cấu khung xương đuôi tạo nên từ mác thép chính, thép hộp 40x40x2.0 40x40x1.4 sử dụng để tạo liên kết ngang; thép hộp 30x30x1.4 uốn cong tạo thành dầm đỡ ngang để thuận lợi lắp đặt bề mặt composite đuôi; mác thép hộp lại 20x40x1.4 sử dụng để tạo bề mặt liên kết mảng đuôi với mảng hông trái phải 4.1.3.6 Khung xương mảng sàn a) Mảng sàn trước Mảng sàn trước chủ yếu sử dụng loại thép hộp 30x60x1.4, 40x40x1.4 cho kết cấu sàn cabin, hộp 30x30x1.4 sử dụng cho kết cấu xương bậc cấp b) Mảng sàn Các dầm ngang dùng thép hộp 40x40x2.0; hai dầm dọc 40x40x2.0; đỡ ván sàn có kích thước 30x60x1.4 30x30x1.4 Khung xương sàn chịu gần tồn tự trọng khung vỏ xe, chịu tải trọng tác dụng liên tục (uốn, xoắn, dọc trục, ngang) c) Mảng sàn sau Mảng sàn sau có kết cấu đơn giản, chủ yếu sử dụng loại thép hộp 40x40x2.0 30x30x1.4 để 15 tạo nên dầm chịu lực đủ để bố trí cho hành khách 4.2 Tính bền khung xe buýt B60 phần mềm HyperWorks 4.2.1 Phân tích trường hợp tải trọng nhân tố tải trọng Khung xe buýt kết cấu truyền lực chịu lực phức tạp: Nhận truyền tất lực từ mặt đường Tải trọng tác dụng lên xe chia làm loại: Tải trọng tĩnh tải trọng động Hình 4.31 – Các tải trọng tác động lên khung xe buýt Với Px, Py, Pz: Tải trọng động sinh theo phương x, y, z điều kiện hoạt động thay đổi; Mx, My, Mz: Các momen uốn xoắn sinh tải động Px, Py, Pz 4.2.2 Bài tốn tính bền khung xe buýt phần mềm HyperWorks Phương pháp bù quán tính (Inertia Relief) [13] sử dụng để phân tích bền khung xe Tổng ngoại lực tác động cân với momen quán tính theo chiều tiến xoay so với khối tâm hệ cách bù thêm đại lượng quán tính Mối quan hệ đại lượng ma trận khối lượng [M], vectơ nội lực hệ {I}, vectơ ngoại lực {P}, hàm số đáp ứng tương đối {ü} hàm số đáp ứng kết cấu {üb} mô tả sau [13]: [M] × {ü } + [M] × {ü b } + {I} = {P} (4.5) Hình 4.32 – Mơ hình tốn bù qn tính 4.2.3 Các trường hợp tính bền khung xe buýt phần mềm HyperWorks Điều kiện địa hình có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền khung xe Khi xe di chuyển loại địa hình khác xuất lực khác tác động lên hệ thống treo truyền trực tiếp lên khung xe Các lực thay đổi tùy thuộc vào cường độ thay đổi gia tốc tức thời xác định thơng qua q trình thử nghiệm thực tế, từ thiết lập tiêu chuẩn để áp dụng vào tính tốn thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 16 4.2.3.1 Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn đường phẳng Xét trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn đường phẳng, vị trí cầu trước cầu sau phải chịu lực tác dụng có giá trị 2G (các giá trị tăng thêm 1G so với ban đầu, G giá trị phản lực đặt lên cầu tương ứng với trường hợp xe đứng yên) 4.2.3.2 Trường hợp bánh xe trục trước qua mấp mô Xét trường hợp xe chuyển động với tốc độ thấp, đồng thời hai bánh trục trước qua mấp mơ, bánh xe trước phải chịu phản lực tác dụng có giá trị 2G 4.2.3.3 Trường hợp bánh xe trục sau qua mấp mô Xét trường hợp xe chuyển động với tốc độ thấp, đồng thời hai bánh trục sau qua mấp mô (bị bậc lên), bánh xe trục sau phải chịu phản lực tác dụng có giá trị 2G 4.2.3.4 Trường hợp xe chuyển động chậm đường xấu Trong trường hợp này, toàn khung xe bị xoắn phản lực tác dụng lên bánh xe cầu trước cầu sau lúc khác Khi xe chịu xoắn, tương ứng bánh xe lên bậc giá trị phản lực tác dụng tăng thêm 0,5G, nghĩa lực tác dụng lúc đạt 1,5G; ngược lại bánh xe bị xuống bậc lực tác dụng giảm 0,5G, lực tác dụng bánh xe đạt 0,5G 4.2.3.5 Trường hợp xe phanh gấp chuyển động tiến Trong trường xe phanh gấp chuyển động tiến, lúc xuất lực theo phương dọc trục Giá trị lực dọc trục lúc xác định 0,8G Các phản lực theo phương thẳng đứng trường hợp không thay đổi tương ứng 1G 4.2.3.6 Trường hợp xe phanh gấp chuyển động lùi Trường hợp xe phanh gấp chuyển động lùi, lúc tốc độ chuyển động xe thấp Khi lực dọc trục tác động lên xe có giá trị 0,5G Tương tự trường hợp xe phanh gấp chuyển động tiến, phản lực tác dụng lên bánh xe lúc có giá trị 1G 4.2.3.7 Trường hợp xe quay vòng ngoặt Khi xe quay vòng ngoặt sang trái (hoặc sang phải), xuất lực quán tính ly tâm Trong trường hợp lực ly tâm có độ lớn 0,5G 4.2.4 Phương pháp đặt tải trọng tác dụng lên khung xe buýt 4.2.4.1 Tải trọng phân bố Khối lượng nút miền phân bố (mn) xác định dựa vào khối lượng tổng thể vật thể (Mpb) tổng số nút miền phân bố khối lượng (nt): mn = Mpb nt (4.6) Trong mơ hình phân tích khung xe bt, khối lượng nút mn tính thơng qua cơng thức (4.6) đặt vào nút toàn miền phân bố khối lượng 4.2.4.1 Tải trọng tập trung a) Xác định trọng tâm vật rắn b) Đặt tải trọng tập trung vào mơ hình phần mềm HyperWorks Sử dụng phần tử RBE2 RBE3 để liên kết điểm trọng tâm vật thể với vùng chịu khối lượng khung xương 17 4.2.5 Cơ sở lý thuyết phân tích kết Khung xe buýt sử dụng vật liệu thép khác nhau, tải trọng phức tạp bao gồm uốn, kéo, xoắn Việc phân tích cường độ mơ hình khung xe bt tn theo lý thuyết thuyết bền thứ tư (Von-Mises) [15] Ứng suất Von-Mises tính theo cơng thức sau: σmax = σvon = (σ1 − σ2 )2 + (σ2 − σ3 )2 + (σ1 − σ3 )2 ≤ σc (4.15) Khi phân tích, ứng suất làm việc max sử dụng để so sánh với ứng suất chảy vật liệu để đánh giá mức độ biến dạng dẻo kết cấu 4.2.6 Kết tính tốn khung xe bt B60 phần mềm HyperWorks 4.2.6.1 Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn đường Với trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn đường giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 4,9 [mm] - Ứng suất: max = 236 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.2 Trường hợp bánh xe trục trước qua mấp mô Với trường hợp bánh xe trục trước qua mấp mơ giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 2,4 [mm] - Ứng suất: max = 166 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.3 Trường hợp bánh xe trục sau qua mấp mô Kết mô phần mềm HyperWorks sau:  Chuyển vị Hình 4.48 – Kết mô chuyển vị trường hợp bánh xe trục sau qua mấp mơ 18  Ứng suất Hình 4.49 – Kết mô ứng suất trường hợp bánh xe trục sau qua mấp mô Với trường hợp bánh xe trục sau qua mấp mơ giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 5,9 [mm] - Ứng suất: max = 239 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.4 Trường hợp xe chuyển động chậm đường xấu Với trường hợp xe chuyển động chậm đường xấu giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 3,6 [mm] - Ứng suất: max = 178 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.5 Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái Với trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 3,9 [mm] - Ứng suất: max = 197 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.6 Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải Với trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 4,9 [mm] - Ứng suất: max = 232 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.7 Trường hợp phanh gấp chuyển động tiến Với trường hợp xe phanh gấp chuyển động tiến giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 2,4 [mm] - Ứng suất: max = 221 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 19 4.2.6.8 Trường hợp xe phanh gấp chuyển động lùi Với trường hợp phanh chạy lùi 0,5G giá trị tính sau: - Chuyển vị: max = 2,7 [mm] - Ứng suất: max = 157 [MPa]  Kết tính đạt yêu cầu độ bền 4.2.6.9 Trạng thái kiểu dao động khung xe buýt a) Uốn ngang b) Dao động xoắn c) Dao động uốn dọc 4.2.6.10 Nhận xét kết tính bền khung xe bt B60 Thơng qua kết phân tích độ bền khung xe buýt B60 phần mềm HyperWorks, thấy trường hợp làm việc khác kết cấu khung xương thỏa mãn giá trị độ bền (ứng suất làm việc lớn max = 239 [MPa] không vượt ứng suất chảy cho phép vật liệu c = 345 [MPa] , giá trị chuyển vị tính nằm tiêu chuẩn cho phép) Các giá trị tính phản ánh tình trạng độ cứng khung xương, đảm bảo khung làm việc an tồn điều kiện Chính nội dung phân tích đánh giá độ bền khung xe buýt, chế độ làm việc nêu cần thiết sở để đánh giá cải thiện độ bền khung xe Kết tính tốn phần mềm HyperWorks tổng hợp bảng đây: STT Trường hợp tải trọng Ứng suất VonMises [MPa] Chuyển vị tổng thể [mm] Vị trí chuyển vị lớn Chuyển động với vận tốc lớn đường phẳng 236 4,9 Khung xương sàn gần vị trí trục sau Các bánh xe trục trước qua mấp mô 166 2,4 Khung xương sàn cabin Các bánh xe trục sau qua mấp mơ 239 5,9 Khung xương vị trí phía Chuyển động chậm đường xấu 178 3,6 Khung xương mảng hơng trái gần trục sau Quay vòng ngoặt sang trái 197 3,9 Khung xương mảng hông phải gần trục sau Quay vòng ngoặt sang phải 232 4,9 Khung xương mảng hơng trái gần vị trí trục sau Phanh gấp chuyển động tiến 221 2,4 Khung xương mảng trần Phanh gấp chuyển động lùi 157 2,7 Khung xương mảng trần Bảng 4.3 – Tổng hợp kết phân tích bền khung xe buýt phần mềm HyperWorks 20 4.3 Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 phần mềm HyperWorks Từ kết phân tích bền khung xe buýt, ta nhận thấy ứng suất sinh kết cấu khung xương tất trường hợp hoạt động thỏa mãn điều kiện bền vật liệu Tuy vậy, nhằm thiết kế khung xương có độ bền cao sở phân bố mật độ vật liệu hợp lý nhất, từ giúp giảm trọng lượng tồn khung xương, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu, sau tính tốn kết cấu cần tối ưu hóa lại mật độ phân bố vật liệu kết cấu chịu tải trọng 4.3.1 Phương pháp tối ưu hóa gauge  Tối ưu hóa gauge [16] vp : = k(x) (4.18) s t ρ(b − Ax) ≤ σ (4.19) 4.3.2 Mục tiêu tối ưu hóa Mục tiêu tốn tối ưu hóa lại mật độ phân bố vật liệu đáp ứng khối lượng tổng thể kết cấu G nhỏ điều kiện ràng buộc chuyển vị tổng thể []max độ bền []max  Mục tiêu tối ưu: Trọng lượng kết cấu: n V = ∑ γi V => (4.23) i=1  Điều kiện ràng buộc: + Độ bền: σmax,i = σvon ≤ [σ]c,i (4.24) + Độ cứng: δmax ≤ [δ]s.t (4.25) 4.3.3 Ứng dụng tối ưu phần mềm HyperWorks 4.3.3.1 Quá trình thực tối ưu hóa khung xe buýt phần mềm HyperWorks Phương thức tối ưu hóa Gause (tối ưu hóa kích thước cụ thể) sử dụng để tối ưu mật độ phân bố vật liệu chi tiết khung xe buýt Thaco City B60 Hàm mục tiêu thiết lập theo thông số “mass” với điều kiện hội tụ “mass => min” Điều kiện ràng buộc thiết lập theo thông số “displacement” giá trị thiết lập giá trị chuyển vị theo tiêu chuẩn thiết kế []s.t 4.3.3.2 Tối ưu khung xe buýt B60 Sau chạy tối ưu hóa phần mềm HyperWorks, mật độ phân bố vật liệu biến thiết kế xác định thu giá trị PRO-VALUE (Giá trị độ dày tối ưu) Dựa vào kết kết hợp giả thiết sau để chọn lại độ dày phù hợp: + Đảm bảo đồng tổng thể kết cấu vị trí thực tối ưu hóa, nghĩa giá trị độ dày, kích thước phải đảm bảo tính tương đối hài hòa tất chi tiết tạo nên kết cấu + Dựa vào điều kiện tư liệu sản xuất (mác thép tiêu chuẩn có thị trường gồm 20x40x1.2; 20x40x1.4; 30x60x1.4; 30x60x2.0; 40x40x2.0; 40x60x2.0; 40x60x3.0; 45x90x1.2; 45x90x1.5; 21 45x90x1.8; 60x120x1.8; 60x120x2.0) để chọn lại độ dày vật liệu phù hợp với kết tối ưu hóa + Đối với số chi tiết cho kết tối ưu có giá trị độ dày lớn giá trị mác thép tiêu chuẩn có (chẳng hạn chi tiết DVPR14/DVPR39 – Bảng 4.4), người thiết kế thực giải pháp tăng cứng cách tăng thêm số lượng liên kết cục vị trí Thông số độ dày vật liệu chi tiết khung xương mảng hông khung xe buýt thể Bảng 4.4 Biến thiết kế DVPR1 DVPR2 DVPR3 DVPR4 DVPR5 DVPR6 DVPR7 DVPR8 DVPR9 DVPR10 DVPR11 DVPR12 DVPR13 DVPR14 DVPR15 DVPR16 DVPR17 DVPR18 DVPR19 DVPR20 DVPR21 DVPR22 DVPR23 DVPR24 DVPR25 DVPR26 DVPR27 DVPR28 DVPR29 DVPR30 DVPR31 DVPR32 DVPR33 DVPR34 DVPR35 DVPR36 DVPR37 DVPR38 DVPR39 DVPR40 DVPR41 DVPR42 DVPR43 Kiểu phần tử PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL Hạng mục tối ưu Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày thiết kế ban đầu [mm] 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.8 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.8 1.8 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 2.0 2.0 2.0 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.8 2.0 1.8 1.8 1.8 1.8 Giá trị độ dày tối ưu [mm] 6.1E-01 5.0E-01 5.0E-01 7.5E-01 6.2E-01 8.1E-01 1.4E+00 1.3E+00 7.8E-01 9.0E-01 9.0E-01 8.0E-01 1.7E+00 3.6E+00 2.0E+00 8.3E-01 6.0E-01 5.0E-01 6.8E-01 5.0E-01 5.0E-01 5.0E-01 1.2E+00 1.2E+00 1.4E+00 7.1E-01 7.8E-01 6.5E-01 2.4E+00 1.5E+00 1.8E+00 1.2E+00 1.2E+00 1.8E+00 1.8E+00 1.3E+00 2.2E+00 9.1E-01 3.4E+00 9.5E-01 7.1E-01 9.4E-01 1.5E+00 Độ dày chọn lại [mm] 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.8 1.4 1.8 1.8 1.8 2.0 3.0 3.0 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.8 1.4 1.4 1.4 3.0 2.0 2.0 1.8 1.8 2.0 2.0 1.8 3.0 1.8 3.0 1.8 1.8 1.8 2.0 22 Biến thiết kế DVPR44 DVPR45 DVPR46 DVPR47 DVPR48 DVPR49 DVPR50 DVPR51 DVPR52 DVPR53 DVPR54 DVPR55 DVPR56 DVPR57 DVPR58 DVPR59 DVPR60 DVPR61 DVPR62 DVPR63 DVPR64 DVPR65 DVPR66 DVPR67 DVPR68 DVPR69 DVPR70 DVPR71 DVPR72 DVPR73 DVPR74 DVPR75 DVPR76 DVPR77 Kiểu phần tử PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL PSHELL Hạng mục tối ưu Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày Độ dày thiết kế ban đầu [mm] 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 Giá trị độ dày tối ưu [mm] 5.6E-01 8.5E-01 8.1E-01 5.9E-01 5.9E-01 6.9E-01 6.3E-01 6.6E-01 5.6E-01 5.1E-01 5.0E-01 5.3E-01 5.0E-01 5.2E-01 5.0E-01 9.2E-01 8.9E-01 7.6E-01 7.8E-01 6.9E-01 5.0E-01 6.4E-01 5.0E-01 5.0E-01 6.6E-01 5.1E-01 5.0E-01 7.3E-01 5.1E-01 5.0E-01 5.3E-01 5.5E-01 5.0E-01 6.7E-01 Độ dày chọn lại [mm] 1.4 1.8 1.8 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.8 1.8 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 Bảng 4.4 – Kết tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu khung xương mảng hơng Để kết tối ưu có tin cậy, sau hồn thiện q trình tối ưu lựa chọn lại độ dày vật liệu ta tiến hành phân tích bền kết cấu tồn khung xe buýt theo điều kiện tải trọng Tổng khối lượng khung xe buýt sau lựa chọn lại độ dày vật liệu phần khung xương mảng hông giảm 37,2 [kg] so với thiết kế ban đầu (khối lượng mảng hông khung xe buýt theo thiết kế ban đầu sau bước tối ưu hóa biên dạng hình học M1  272 [kg]; khối lượng mảng hông khung xe buýt sau tối ưu lựa chọn lại độ dày vật liệu M2  234,8 [kg]) Mặc khác ứng suất phân tích bền khung xe bt có tăng so với ban đầu giá trị tính đảm bảo xe hoạt động an toàn điều kiện làm việc []ban đầu = 239 [MPa] < []tối ưu = 263 [MPa] < []cho phép = 345 [MPa] Điều có ý nghĩa quan trọng mặt kinh tế; đồng kết cấu điều kiện làm việc khung xe bt Kết tính tốn so sánh thể Hình 4.64 Hình 4.65 23 Ứng suất [MPa] 300 239 250 236 183 200 249 263 247 178 166 196 197 212 232 235 221 166 157 150 100 50 Uốn - 2G Uốn trục Uốn trục trước - 2G sau - 2G Xoắn 1.5G QV trái - QV phải - Phanh Phanh 0.5G 0.5G tiến - lùi - 0.5G 0.8G GIÁ TRỊ SAU TỐI ƯU GIÁ TRỊ BAN ĐẦU Hình 4.64 – Ứng suất lớn trường hợp chịu tải trước sau tối ưu phân bố vật liệu Chuyển vị [mm] 5.9 5.2 6.4 5.2 4.9 3.9 3.6 4.2 4.9 3.9 2.7 2.4 2.4 2.4 2.7 Uốn - 2G Uốn trục Uốn trục trước - sau - 2G 2G Xoắn 1.5G GIÁ TRỊ BAN ĐẦU QV trái - QV phải - Phanh Phanh 0.5G 0.5G tiến - 0.8G lùi - 0.5G GIÁ TRỊ SAU TỐI ƯU Hình 4.65 – Chuyển vị lớn trường hợp chịu tải trước sau tối ưu phân bố vật liệu 4.4 Kết luận chương – Kết tối ưu hóa mặt hình học cho người thiết kế có nhìn tổng thể liên kết khung xe buýt, mật độ bố trí vật liệu, từ giúp người thiết kế nhanh chóng đưa ý tưởng ban đầu thực thiết kế khung xe buýt – Các giá trị mô phần mềm HyperWorks tải trọng tác động lên khung xe buýt trường hợp chịu tải thông thường cho phép đánh giá độ bền khung xe buýt Các giá trị quy luật phản hồi khung xe buýt hiển thị phần mềm HyperView phản ánh quy luật thực tế xe chạy đường – Tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu cho phép xác định phân bố lại mật độ phân bố vật liệu toàn kết cấu; điều quan trọng thiết kế góp phần nâng cao độ bền khung xe buýt đồng thời giảm tối đa vật liệu số vị trí chịu tác động tải trọng, từ giúp giảm khối lượng khung xe buýt, giảm giá thành sản phẩm – Theo kết phân tích độ bền khung xe buýt B60 phần mềm HyperWorks, thấy trường hợp làm việc khác kết cấu khung xương thỏa mãn giá trị độ bền 24 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận văn cho phép rút kết luận sau đây: – Với trình thiết kế có ứng dụng CAE giúp nâng cao độ tin cậy cho chi tiết thiết kế; giảm thời gian thiết kế ban đầu; định hướng cho q trình thiết kế chính; giúp giải vấn đề học phức tạp thực tế mà tính tốn lý thuyết khó giải quyết; đồng thời với kết mô hiển thị trực quan trung thực giúp bổ sung kinh nghiệm kiến thức cho người thực thiết kế – Phần mềm HyperWorks sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn nên kết mơ phân tích phân bố ứng suất chuyển vị khung xe buýt điều kiện làm việc khác thu kết tính tốn gần so với thực tế Q trình mơ khung xe buýt Thaco City B60 cho thấy độ xác kết phụ thuộc vào độ xác mơ hình phần tử hữu hạn ràng buộc điều kiện biên – Phương pháp tối ưu hóa hình dạng mật độ phân bố vật liệu ứng dụng để thực tối ưu hóa khung xe bt Thaco City B60 Tối ưu hóa hình dạng bước quy trình thiết kế, kết tối ưu khung xe buýt Thaco City B60 cho phép người thiết kế có nhìn tổng thể vị trí liên kết khung xe buýt, giúp định hướng cho q trình thiết kế Kết tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu khung xe buýt Thaco City B60 cho phép xác định phân bố lại mật độ vật liệu toàn kết cấu; điều quan trọng thiết kế khung xe buýt Thaco City B60, góp phần nâng cao độ bền khung xe buýt đồng thời giảm tối đa vật liệu số vị trí kết cấu chịu tác động tải trọng, từ giúp giảm khối lượng khung xe buýt, giảm giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh, mặt khác giúp giảm lượng tiêu hao nhiên liệu giảm lượng phát sinh khí thải tơ Thaco City B60 – Trong trình làm việc, khung xe buýt chịu loại tải trọng khác theo trường hợp cụ thể sau: Xe chuyển động với vận tốc lớn đường phẳng; bánh xe trục trước, trục sau qua mấp mô; xe chuyển động chậm đường xấu; xe phanh gấp chuyển động tiến lùi; xe quay vòng ngoặt Kết mô khung xe buýt Thaco City B60 trường hợp cho thấy khung xe đạt độ bền, đảm bảo chất lượng an toàn HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài phát triển theo hướng sau: – Nghiên cứu phân tích độ ồn độ rung động (NVH) khung xe buýt – Nghiên cứu phân tích độ cứng khung xe bị lật – Nghiên cứu phân tích độ cứng mặt đầu cabin khung xe va chạm ... trình thực tối ưu hóa khung xe buýt phần mềm HyperWorks Phương thức tối ưu hóa Gause (tối ưu hóa kích thước cụ thể) sử dụng để tối ưu mật độ phân bố vật liệu chi tiết khung xe buýt Thaco City B60... thực tối ưu hóa khung xe buýt Thaco City B60 Tối ưu hóa hình dạng bước quy trình thiết kế, kết tối ưu khung xe buýt Thaco City B60 cho phép người thiết kế có nhìn tổng thể vị trí liên kết khung xe. .. hợp ứng dụng phần mềm Catia V5, thực thiết kế sơ khung xe buýt Hình 4.2 – Tổng thể mặt bên khung xe 4.1.2 Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt phần mềm HyperWorks 4.1.2.1 Mục tiêu tối ưu hóa Tối