vật.
a. Đặt vấn đề.
Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và sự hoàn thiện của phương pháp số, cho phép giải được các hệ lớn các phương trình vi phân đại số của các bài toán cơ học nói chung và chuyên ngành nói riêng, nhất là trong lĩnh vực động lực học ô tô. Vì vậy ta có thể xây dựng một phương pháp tiếp cận mới với mục đích tính toán dao động ô tô bao gồm nhiều vật (mô hình lốp, mô hình hệ thống treo, mô hình hệ thống lái…) với độ phức tạp của mô hình cao hơn và sát với thực tế hơn. Các mô hình được xây dựng gần với xe thực tối thiểu phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- Phản ánh mối quan hệ động học phi tuyến của hệ thống treo, bánh xe và thân xe;
- Phản ánh tính chất phi tuyến của các bộ phận cũng như miêu tả động lực học của các lực tác dụng;
- Mô tả đầy đủ các lực tác dụng của lốp.
Xu hướng hiện nay trong việc tính toán thiết kế ô tô, trong đó có tính toán dao động ô tô là giải quyết vấn đề sát với thực tế bằng việc xây dựng mô hình ô tô gồm hàng chục (nếu không muốn nói là hàng trăm) vật liên kết với nhau. Mô hình dao động ô tô thường gồm các vật rắn, các liên kết vật lý và các liên kết động học. Tính phức tạp của các phương trình mô tả chuyển động của hệ dao động ô tô không chỉ phụ thuộc vào động học mà còn phụ thuộc vào việc miêu tả các yếu tố lực. Đặc biệt là vai trò của lốp xe, cũng như các đặc tính phi tuyến của hệ thống treo, có ảnh hưởng quyết định đến hệ dao động ô tô. Do đó sẽ có một số lượng lớn các phương trình liên kết giữa các vật thể. Những đòi hỏi của việc tính toán trong thời gian thực dẫn tới việc thiết lập các phương trình mô tả dao động của hệ đủ chính xác và giải nhanh là quan trọng. Mặc khác, việc nghiên cứu dao động ô tô theo quan điểm cơ học hệ nhiều vật còn là điều mới và chưa được quan tâm nhiều, đây là điều kiện tốt để khai thác những ứng dụng của cơ học hệ nhiều vật vào việc giải các bài toán chuyên ngành.
b. Ứng dụng phương pháp hệ nhiều vật trên máy tính.
Nhờ các máy tính số hiện đại, có thể giải được hệ rất lớn các phương trình vi phân phi tuyến cấp cao của các bài toán vật lý và cơ học mà những năm gần đây nghiên cứu về động lực học hệ nhiều vật phát triển mạnh mẽ.
Trong quá trình xây dựng mô hình trong MBS, mô hình ô tô cũng được xem xét các yếu tố đơn giản hóa nhằm giảm khối lượng tính toán và thuận lợi cho tích phân số. Thông thường các biến dạng được xem là bé khi xét bài toán dao động và thân xe, cầu xe, các cụm, cơ cấu trên ô tô coi là vật rắn. Ô tô khi
đó là hệ nhiều vật rắn liên kết với nhau và các môi trường xung quanh qua các liên kết vật lý và các liên kết động học. Do mỗi vật rắn đều biến dạng khi chịu tải nên khi coi ô tô là hệ các vật rắn tuyệt đối thì ta đã đơn giản hóa mô hình, việc này làm cho lời giải đạt độ chính xác chưa cao. Đây là hạn chế của việc xây dựng mô hình khi coi ô tô là hệ các vật rắn không biến dạng. Song nếu thay hệ treo và lốp gồm các vật biến dạng (đàn hồi) bằng các liên kết vật lý thì mô hình khảo sát lại mang lại độ chính xác cao vì kết cấu của các hệ này ảnh hưởng quyết định đến hệ dao động ô tô.
Tất nhiên các biến dạng đàn hồi có thể xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Methode). Nhưng trong FEM yêu cầu số lượng tính toán rất lớn, bởi vì khi mô hình hóa theo FEM ô tô được mô tả rất chi tiết bao gồm nhiều nút tính. Do đó việc cung cấp đủ dữ liệu cho mô hình phức tạp là vấn đề khó khăn mà kết quả mô phỏng chưa hẳn đã tốt.
Mặt khác, nếu chỉ xét tính tiện nghi và an toàn chuyển động của ô tô thường chỉ liên quan đến dao động với tần số nhỏ hơn 30 Hz. Trong dải tần số này ít nhất có thể xem thân xe hoặc các bộ phận của thân xe như là vật rắn tuyệt đối. Nếu chỉ giới hạn trọng phạm vi mô phỏng dao động, trước hết là xem xét các tính chất động lực học của ô tô theo phương dọc, phương ngang, phương thẳng đứng thì việc xem xét thân xe là vật rắn sẽ cho kết quả mô phỏng tốt. Trong trường hợp này, sử dụng phương pháp hệ nhiều vật để nghiên cứu động học, động lực học hệ dao động bằng cách mô hình hóa cơ hệ dưới dạng các phần tử rắn và các dạng liên kết giữa chúng là thuận tiện và mang lại kết quả cao.
* Các gói phần mềm xây dựng trên cở sở phương pháp MBS
Khi giải quyết các bài toán chuyên ngành ô tô, cơ khí,…việc nghiên cứu bản chất và phương pháp giải của MBS chỉ nhằm mục đính sử dụng các công cụ MBS hiệu quả hơn. Dưới đây là một số phần mềm chuyên dùng cho phân tích và mô phỏng các hệ MBS trong một số lĩnh vực cụ thể.
ALASKA của trường đại học kỹ thuật Chemnitz, Germany
AUTOLEV của công ty OnLine Dynamics Inc., United States
AutoSim của công ty Mechanical Simulation Corp., United States
CAMeL-View của công ty IXtronics GmbH, Germany
COMPAMM của công ty CEIT, Spain
Dynawiz của công ty Concurrent Dynamics International
DynaFlexPro của công ty MotionPro Inc, Canada
Hyperview and Motionview của công ty Altair Engineering, United States
LMS Virtual.Lab Motion của công ty LMS, Belgium
MECANO của công ty Samtech, Belgium
MBDyn của công ty Politecnico di Milano, Italy
MBSoft của công ty Universite Catholique de Louvain, Belgium
NEWEUL của đại học Stuttgart, Germany
Robotran của công ty Universite Catholique de Louvain, Belgium
SAM của công ty Artas Engineering Software, The Netherlands
SD/FAST của công ty PTC, United States (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SimCreator của công ty Realtime Technologies Inc., United States
SimMechanics của công ty The Mathworks, United States
SIMPACK của công ty INTEC GmbH, Germany
Universal Mechanism của công ty Bryansk State Technical University, Russia
Working Model của công ty Knowledge Revolution, United States
ADAMS của MSC Software, United States
Những chương trình đa tính năng như ADAMS được phát triển không chỉ nhằm đạt được giá trị thương mại mà còn là công cụ hữu ích nhất để giải quyết các vấn đề trên một phạm vi rộng của các ngành công nghiệp kỹ thuật. Ngoài ngành công nghiệp ô tô, phần mềm ADAMS còn là công cụ ứng dụng
trong ngành vũ trụ, ngành xây dựng, cơ điện và các ngành công nghiệp cơ khí nói chung. Những ứng dụng đầu tiên của chương trình ADAMS được cung cấp bởi Ryan (1990) [8], mặc dù kể từ khi công bố sự phát triển của phần mềm cho đến nay đã có sự thay đổi đáng kể, đặc biệt trong lĩnh vực trước và sau xử lý đồ họa.
Chương trình ADAMS là điển hình của chương trình mô phỏng phân tích hệ nhiều vật được lập trình theo hướng đối tượng (OOP-Object Oriented Programming), ở đây người dùng chỉ quan tâm đến việc lắp ráp mô tả vật lý của đối tượng hơn là viết phương trình chuyển động của cả hệ cũng như các các hệ con. Chính vì thế luận văn chọn chương trình ADAMS làm công cụ nghiên cứu dao động ô tô với mục đích làm rõ các yếu tố đã phân tích ở trên. 1.3. Các công trình nghiên cứu liên quan
Theo bản “Quy hoạch và phát triển nghành công nghiệp ôtô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn 2020” thì Việt Nam phải phấn đấu đến năm 2020 đạt tỷ lệ nội địa hoá trên 50% đối với hầu hết các chủng loại, sản phẩm ô tô và phấn đấu xuất khẩu ô tô, phụ tùng đạt mức 5-10% giá trị tổng sản lượng của nghành. Tuy nhiên để đạt được mục tiêu đó thì trước mắt có quá nhiều việc để làm, một trong những việc đó là nghiên cứu sâu hơn về hệ thống dao động của ô tô, độ êm dịu cũng như chất lượng động học và động lực học của ô tô nhằm thu được thuộc tính tối ưu.
Từ những thực tế đó, cũng đã có một số đề tài thuộc chuyên nghành ô tô đề cập đến vấn đề dao động của ô tô như: luận văn tiến sỹ của tác giả Lưu Văn Tuấn đã đề ra mục tiêu nâng cao độ êm dịu cho ô tô khách Ba Đình đóng trên cơ sở IFA; trong luận văn này tác giả đã chú ý mô tả thuộc tính đàn hồi giữa khung và vỏ là kết cấu đặc trưng của ô tô ca: ô tô ca có kết cấu khung - vỏ chịu lực.
Luận văn tiến sỹ của tác giả Võ Văn Hường “Lập mô hình nghiên cứu dao động cho ô tô tải”. Tác giả đã nghiên cứu sâu về lập mô hình dao động không gian cho ô tô tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, thanh
ổn định, có hệ thống treo có đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp. Mô hình có thể nghiên cứu các dao động ở vùng cận biên như tách bánh ô tô, quá trình va chạm vấu hạn chế treo, trượt và lật.
Luận văn của tác giả Nguyễn Phúc Hiểu "Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi chuyển động trên đường". Tác giả chú trọng nghiên cứu ảnh hưởng của đường và xác định các hàm ngoại lực cho bài toán tính khung - xương.
Tác giả Nguyễn Thanh Hải trong luận văn cao học của mình đã đưa ra mô hình phẳng cho ô tô ba cầu và 4 cầu đồng thời tính toán cụ thể cho ô tô Tatra -815 và BTR -60PB. Hàm kích động là sin và tính toán bằng phần mềm Mathcad. Sau này tác giả Nguyễn Quang Huy trong luận văn cao học cũng đã mô phỏng dao động ô tô nhiều cầu, thông số là của ô tô BTR -60PB. Ô tô này có đặc thù là vỏ chịu lực, treo độc lập. Tác giả đã sử dụng phần mềm MatLab Simulink 6.0 để mô tả một hệ khá phức tạp và đã mô tả đúng đắn dao động của ô tô nhiều cầu; trong đó đã khái quát và giải được các yếu tố phi tuyến mà các tác giả trước chưa đề cập.
Tác giả Trịnh Minh Hoàng trong luận văn cao học đã trình bày một mô hình không gian dao động ô tô tải hai cầu và mô phỏng bằng MatLab Simulink 6.0. Phần mô hình và tính toán khá hoàn chỉnh, đã trình bày một phần dao động ngẫu nhiên.
Nhìn chung các đề tài trên đã tập trung vào việc khảo sát dao động ô tô theo quan điểm độ êm dịu và an toàn chuyển động, thực hiện bài toán tính toán kiểm nghiệm. Các tác giả cùng tập trung vào nghiên cứu, đánh giá, khảo sát chủ yếu là các dạng dao động tịnh tiến thẳng đứng của các khối lượng treo và không treo, các lực động tác dụng lên ô tô và đường khi chuyển động trên đường mấp mô. Các công trình này vẫn dựa trên mô hình dao động tương đương với rất nhiều giả thiết nhằm đảm bảo khối lượng tính toán đủ nhỏ và thời gian đủ nhanh, thỏa mãn khả năng của máy tính và nhu cầu về qui trình thiết kế. Song cũng chính thế làm cho các mô hình này có các bậc tự do nhỏ
(nhỏ hơn 12) mặc dù thảo mãn được yêu cầu tính toán dao động của ô tô nhưng chưa xét một cách đầy đủ các nguồn ngây dao động cũng như bị hạn chế các bậc tự do trong hệ nhiều khối lượng của ô tô dẫn tới độ chính xác về bài toàn dao động chưa cao.
Tóm lại, việc nghiên cứu dao động ô tô cho đến nay vẫn chưa có sự đột phá nào về mặt xây dựng mô hình, các mô hình được nghiên cứu theo cùng một phương pháp. Chưa có một mô hình đầy đủ cho phép khảo sát tác dụng qua lại giữa các cơ cấu, giữa các hệ thống với môi trường cũng như các yếu tố phi tuyến hình học và phí tuyến vật lý của hệ thống treo trên ô tô nhằm đưa ra mô hình khảo sát gần với mô hình thật hơn.
Gần đây, trong luận văn cao học tác giả Nguyễn Văn Việt đã nghiên cứu dao động lắc ngang của ô tô với việc sử dụng một phần mềm gói mạnh là ADAMS. Tuy nhiên hạn chế của luận văn này là chưa trình bày rõ cơ sở lý luận của việc ứng dụng phương pháp hệ nhiều vật để xây dựng mô hình nghiên cứu dao động ô tô trong phần mềm này.
Phương pháp hệ nhiều vật (MBS - MultiBody System ) là phương pháp để nghiên cứu động học, động lực học các cơ hệ bằng cách mô hình hóa các cơ hệ dưới dạng các phần tử rắn hoặc đàn hồi và các dạng liên kết giữa chúng. Các phần tử của hệ nhiều vật được mô tả bằng các phương trình Newton- Euler hoặc thiết lập các liên hệ bằng phương trình Lagrange và giải bằng phương pháp số.
Việc nghiên cứu hệ dao động ô tô theo cơ học hệ nhiều vật với các mô phỏng 3D bằng các phần mềm mạnh hứa hẹn sẽ mang đến cách tiếp cận mới đầy đủ hơn trong cách giải bài toán dao động ô tô.
1.4. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tàia. Mục đích của đề tài a. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là mô hình hóa hệ dao động ôtô có tính đến động học hệ thống treo đối với ô tô có hệ thống treo độc lập theo phương pháp
MBS. Ứng dụng phần mềm ADAMS mô phỏng, khảo sát dao động của ô tô trong không gian, qua đó xác định một số thông số đánh giá dao động của ôtô.
b. Nội dung nghiên cứu của đề tài:
Với mục đích của đề tài đặt ra trong nội dung luận văn này, tôi chọn phương pháp “Mô hình hóa mô phỏng” để nghiên cứu dao động ô tô. Sử dụng phần mềm ADAMS với các mô đun có sẵn gồm ADAMS/Car, ADAMS/Ride …để mô phỏng hệ thống treo và hệ dao động ô tô nhằm nghiên cứu, khảo sát xác định các thông số đánh giá dao động ô tô có hệ thống treo độc lập.
Để nghiên cứu dao động ô tô một cách đầy đủ đòi hỏi phải xây dựng mô hình khảo sát dao động có kể đến động học của hệ thống treo và các yếu tố phi tuyến của hệ thống cùng với các chế độ chuyển động của ô tô.
Trong chương 2 luận văn đi sâu trình bày cơ sở lý thuyết của đề tài bao gồm những nội dung sau:
+ Hệ thống lại các khái niệm cơ bản của phương pháp MBS; + Cơ sở mô hình hóa hệ dao động ô tô theo MBS; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Giới thiệu phương pháp Jacoba và phương trình Newton-Euler phân tích động học, động lực học hệ nhiều vật được sử dụng trong phần mềm ADAMS.
Với mục đích khai thác và sử dụng phần mềm ADAMS để nghiên cứu hệ thống treo ô tô nói riêng, hệ dao động ô tô nói chung trong chương 3 của luận văn sẽ tập trung vào các nội dung sau:
+ Các khái niệm cơ bản của mô hình MBS trong ADAMS nói chung và ADAMS/Car nói riêng;
+ Trình tự và cơ sở thiết lập mô hình dao động ô tô trong ADAMS/Car; + Sử dụng một mô hình xây dựng trên cơ sở các mẫu có trong thư viện ADAMS/Car để khảo sát xác định một số thông số dao dộng ô tô với các kích thích mặt đường khác nhau.
Phần khảo sát dao động ô tô sẽ tiến hành xây dựng mô hình 3D của ô tô dựa trên các mẫu sẵn có trong thư viện của mô dun ADAMS/Car và tiến hành
mô phỏng dao động không gian của ô tô hai cầu với hệ thống treo độc lập trong môi trường của phần mềm này.
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP HỆ NHIỀU VẬT VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ DAO ĐỘNG Ô TÔ
2.1. Phương pháp hệ nhiều vật 2.1.1. Khái quát chung 2.1.1. Khái quát chung
Hệ nhiều vật (MBS- Multi Body System) là một cơ hệ gồm nhiều vật rắn (vật rắn tuyệt đối và vật rắn biến dạng) có liên kết với nhau bằng khớp chuyển động có quy luật. Các phần tử lò xo, giảm chấn, ô tô, máy bay, tàu thủy, các máy móc, …đều là những hệ nhiều vật. Vật rắn trong hệ nhiều vật gọi là hệ con (hoặc các phần tử) có thể có hình dạng cấu trúc tùy ý để đơn giản trong cách gọi tên trong tài liệu gọi là vật. [1].