Chương 2 đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình 3D, đưa ra các giả thiết, so sánh phân tích phần tử hữu hạn 2D và 3D, đưa ra các chỉ tiêu đánh giá, phương pháp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, xây dựng các liên kết, từ đó xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho khung xe, là tiền đề để thực hiện các bài toán phân tích kết cấu về sau.
24
CHƯƠNG 3.BÀI TOÁN KIỂM BỀN TĨNH 3.1 Sơ lược về bộ giả Optistruct [11]
Tính toán kiểm bền được sử dụng trên bộ giải Optistruct của Altair.
Altair OptiStruct là một giải pháp phân tích kết cấu hiện đại giải quyết các bài toán tuyến tính và phi tuyến dưới tác động của tải trọng tĩnh và tải trọng động. Đây là giải pháp dẫn đầu thị trường thiết kế kết cấu và tối ưu hóa.
Trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn và động lực học nhiều vật, thông qua các thuật toán phân tích và tối ưu hóa, OptiStruct giúp các nhà thiết kế và kỹ sư nhanh chóng phát triển các thiết kế sáng tạo, gọn nhẹ và có cấu trúc vững chắc. Tiếp tục kế thừa 20 năm dẫn đầu về công nghệ tối ưu hóa, OptiStruct cho ra các giải pháp tiên tiến trong thiết kế và tối ưu hóa các cấu trúc mạng tinh thể in 3D và vật liệu tiên tiến như composite dạng lớp, theo kịp các xu hướng sản xuất mới nhất như in 3D bên cạnh việc thúc đẩy các xu hướng thiết kế.
OptiStruct được hàng ngàn công ty trên thế giới sử dụng để phân tích và tối ưu về độ cứng vững, độ bền và đặc tính về tiếng ồn, độ rung và độ xóc của kết cấu. OptiStruct xử lý chính xác các vật liệu phi tuyến, các dạng hình học, và liên quan tới các ứng dụng bao gồm mô hình bu lông và vòng đệm, động lực Rotor và phân tích truyền nhiệt.
Hình 3.1 Kiểm bền trên bộ giải Optistruct
3.2 Cơ sở lý thuyết 3.2.1Ứng suất 3.2.1Ứng suất
Ứng suất là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ,…
Phương trình ứng suất tổng quan:
𝜎 = 𝐹
𝐴 PT 3.1
Phân loại các ứng suất phổ biến:
- Ứng suất uốn là ứng suất được sinh ra từ một chi tiết có tải trọng đặt nằm ngang với trục. Những tải trọng đó momen uốn trên chi tiết và tạo ra ứng suất uốn. Đại lượng này đạt cực đại trong mặt cắt ngang của chi tiết sẽ xuất hiện ở phần xa nhất tính từ trục trung hòa của mặt cắt.
25 - Ứng suất kéo là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng hướng trục. Bất kỳ một vật liệu nào thuộc loại đàn hồi thì phần lớn chịu được ứng suất kéo trung bình, ngược lại là các vật liệu chịu đựng lực kéo kém như: gốm, hợp kim giòn. Ứng suất kéo luôn thể hiện khả năng liên kết các vi tinh thể của vật liệu. Khi vật liệu bị kéo bằng hai lực ngược chiều nhau, thì phần lớn các vật liệu sẽ bị đứt ở một giới hạn ứng suất nào đó. Tại thời điểm vật liệu bị kéo đứt, thông số ứng suất đó được ghi nhận và được xem như độ bền kéo của vật liệu đó.
- Ứng suất nén là trạng thái ứng suất khi vật liệu bị tác động ép chặt. Trường hợp đơn giản của sự ép là lực ép đơn gây ra bởi phản lực tác động, lực đẩy. Sức bền nén của vật liệu luôn cao hơn sức bền kéo của vật liệu đó, tuy nhiên hình thể lại quan trọng để phân tích khi ứng suất nén đạt đến giới hạn cong vênh.Với những vật liệu dẻo, khi chịu ứng suất nén thường biến dạng méo mó, nhưng với các vật liệu có tính dòn thì khi vượt sức chịu đựng sẽ gây vỡ vụn.
- Ứng suất cắt là kết quả khi lực tác động lên sản phẩm mà gây ra biến dạng trượt của vật liệu trên một mặt phẳng song song với hướng tác động của lực áp vào.
Dưới tác dụng của ngoại lực, mọi vật rắn đầu bị biến dạng, nghĩa là biến đổi hình dạng và kích thước, đó là ngoại lực làm thay đổi vị trí tương đối vốn có giữa các phần tử cấu tạo nên vật rắn đó. Lực liên kết vốn có giữa các phần tử để giữ cho vật rắn có hình dạng nhất định, lúc đó, sẽ thay đổi với xu hướng khôi phục lại vị trí ban đầu giữa các phần tử. Độ tăng đó của lực liên kết được gọi là lực đàn hồi hay nội lực.
Vật rắn được gọi là đàn hồi nếu có khả năng phục hồi hoàn toàn hình dạng và kích thước vốn có sau khi không còn ngoại lực tác dụng nữa, biến dạng được khôi phục hoàn toàn sau khi hết tác dụng ngoài được gọi là biến dạng đàn hồi. Đối với nhiều vật rắn, khi tác dụng ngoài chưa vượt quá một giới hạn nhất định thì biến dạng của nó là biến dạng đàn hồi, nhưng khi vượt quá giới hạn đó thì vật chỉ khôi phục được một phần biến dạng. Phần biến dạng không khôi phục được ấy, gọi là biến dạng dẻo, hay biến dạng dư.
Khi tác dụng ngoài chưa vượt quá giới hạn thì: 𝜎 = 𝐸. 𝜀 với E là modul đàn hồi và 𝜀 là độ biến dạng.
3.2.2Bài toán tuyến tính tĩnh
➢ Tuyến tính: biểu thị phần đàn hồi tuyến tính của vật liệu (phần đường thẳng trên đồ thị). Phương trình 𝜎 = 𝐸. 𝜀 là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
𝐸 =𝜎
𝜀 = 𝑡𝑎𝑛𝛼 là độ dốc của đường. E càng lớn thì biến dạng càng nhỏ.
Sau khi qua điểm giới hạn, phần lớn vật liệu sẽ biến dạng theo đường cong nhưng bộ giải của phần mềm vẫn sẽ coi là đường thẳng và tính toán.
Người phân tích phải kết luận là vật liệu đủ bền hay không, thông qua việc sử dụng ứng suất cực đại tính toán ra được, so sánh với ứng suất giới hạn của vật liệu. Nếu trong điều kiện tải đã cho, ứng suất trả về nhỏ hơn ứng suất giới hạn thì bài toán là chạy đúng và có thể phân tích.
26
Hình 3.2 Đồ thị ứng suất- biến dạng của vật liệu dẻo
Đồ thị ứng suất – biến dạng gồm 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn tỉ lệ là đoạn OA trên đồ thị. Khi đó vật liệu làm việc đàn hồi tuân thủ định luật Hooke với biến dạng bé. 𝜎𝑡𝑙 là ứng suất giới hạn tỉ lệ ứng với điểm A. Đoạn AB rất ngắn và trên điểm A vật liệu vẫn đàn hồi
- Giai đoạn chảy là đoạn nằm ngang BC trên đồ thị. Khi đó ứng suất không thay đổi nhưng mẫu vẫn biến dạng. 𝜎𝑐ℎ là ứng suất giới hạn chảy ứng với điểm B. Độ dài đoạn BC tùy thuộc vào vật liệu.
- Giai đoạn tái bền là đoạn CD. Trong giai đoạn này ứng suất tăng làm biến dạng tăng. Đoạn này được gọi là tái bền vì khi ta cất tải, đường cong không quay về gốc O mà giảm theo tỉ lệ đến điểm có biến dạng dư. Sau đó lại chất tải tiếp thì đường cong ứng suất biến dạng sẽ có giới hạn tỉ lệ cao hơn. Chính vì tính chất này đoạn CD được gọi là đoạn tái bền. Đến điểm D mẫu thử đã hình thành điểm thắt, ứng suất ứng với điểm D được gọi là ứng suất giới hạn bền 𝜎𝑏. Nếu tiếp tục tác dụng lực, tại điểm thắt tiết diện sẽ giảm và ứng suất mà vật liệu có thể chịu sẽ giảm nhanh chóng, dẫn tới đứt gãy chi tiết.
➢ Tĩnh: có 2 điều kiện để bài toán trở thành phân tích tĩnh. Một là lực tĩnh, không thay đổi theo thời gian.
Hai, điều kiện cân bằng tác dụng lên vật phải bằng 0 (tổng lực bằng 0 và tổng mô men bằng 0)
Bài toán phân tích tuyến tính tĩnh được áp dụng thực tế một cách phổ biến trong đa dạng ngành nghề: hàng không, ô tô, vũ trụ,…
Bài toán đánh giá độ bền trong phầm mềm mô phỏng sẽ sử dụng ứng suất Von – Mises. Ứng suất Von-Mises là một đại lượng vô hướng, rất thuận lợi cho việc đánh giá độ bền, không phải quan tâm tới hướng cũng như độ lớn của các ứng suất chính, đồng thời là đại lượng tổng hợp khi chi tiết phải chịu kéo nén nhiều phương (nếu chi tiết chỉ chịu kéo hoặc nén theo một phương thì ứng suất Von – Mises bằng đúng ứng suất kéo hoặc nén đó).
27 𝜎𝑉𝑀 = √1
2[(𝜎1− 𝜎2)2+ (𝜎2− 𝜎3)2+ (𝜎3− 𝜎1)2] PT 3.2
Với: 𝜎1, 𝜎2, 𝜎3 là các ứng suất chính
3.3 Thiết lập bài toán
Vật liệu:
Loại vật liệu được sử dụng là loại thép A710C có thông số như bảng bên dưới.
Bảng 3.1 Thông số vật liệu A710C đưa vào bài toán
Thông số Chỉ số
Modul đàn hồi E (MPa) 207000
Hệ số poisson 0,3
Khối lượng riêng (g/mm3) 7,8.10-9 Ứng suất lớn nhất (MPa) 550
Tải trọng:
Lực tác dụng lên khung được xác định tại 3 vị trí: phần thùng xe chứa hàng, phần động cơ xe và phần cabin. Và lực sẽ được đặt tại trọng tâm của các phần đó thông qua các phần tử RBE3.
Thông số lực được tính toán như sau:
- Phần thùng xe : F1 = F thùng + Fhàng = 220 + 500 = 720 kg = 7200N - Phần động cơ: Fđ.cơ = 138 kg = 1380 N
- Phần cabin: Fcabin = Fcabin + Fngười = 90 + 2.70 = 230 kg = 2300 N
Hình 3.3 Vị trí đặt lực
Ngàm:
Vị trí ngàm là các vị trí khung được bắt nối với hệ thống treo của xe, tại đây được ngàm cả 6 bậc tự do.
28
Hình 3.4 Vị trí đặt ngàm
Hình 3.5 Chi tiết đặt ngàm
3.4 Kết quả
Hình 3.6 Chuyển vị khi đầy tải
29
Hình 3.8 Vị trí chuyển vị cực đại
Hình 3.9 Vị trí ứng suất cực đại thứ 1
Hình 3.10 Vị trí ứng suất cực đại thứ 2
Từ các kết quả trên, ta tổng hợp được bảng kết quả:
Bảng 3.2 Bảng tổng hợp hết quả khi có mối hàn
Giá trị max Vị trí max
Chuyển vị 0,6738 mm Giá đỡ động cơ
Ứng suất 68,60 MPa Tấm đỡ vị trí lắp treo trước và vị trí đỡ cabin phía sau
Nhận xét:
- Ứng suất không tập trung trên mối hàn.
- Ứng suất tập trung lớn nhất là 68,60 MPa nhỏ hơn ứng suất giới hạn của vật liệu (550 MPa)
30 - Chuyển vị là rất bé (<1mm)
- Ta cũng có thể đưa ra một số đánh giá sơ bộ trước khi chạy mô phỏng: • Vì kết cấu phức tạp và đặt nhiều lực lên khung nên vị trí ứng suất cực đại
là khó để dự đoán.
• Về mặt chuyển vị, vị trí giá đỡ động cơ, ngoài chuyển vị do cụm động cơ gây lên, vị trí này còn chịu chuyển vị cộng dồn từ một phần lực của cụm thùng hàng và cụm cabin, đây cũng là vị trí khá xa so với vị trí ngàm nên có thể dự đoán đây là vị trí chuyển vị nhiều từ trước khi mô phỏng. Kết luận:
- Khung đủ bền khi đầy tải.
- Hệ số an toàn: 8. Với hệ số an toàn này, việc thay đổi một lượng nhất định tải lên xe thì việc vượt quá ứng suất cho phép là khó có thể xảy ra.
3.5 Kết luận chương 3
Chương 3 đã đưa ra các lý thuyết về ứng suất và bền tĩnh, xây dựng bài toán kiểm bền tĩnh trong trường hợp tải trọng tối đa, vị trí tập trung ứng suất tại vị trí đỡ hệ thống treo, và vị trí chịu lực khi đỡ cabin. Đưa ra các kết quả rằng khung đủ bền, và chuyển vị của khung xe là rất bé.
31
CHƯƠNG 4.BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 4.1 Giới thiệu phần mềm
Amesim là một giải pháp mô phỏng hệ thống, sử dụng đượng trong nhiều lĩnh vực, từ cơ điện tử cho tới, điện, mô phỏng động cơ, thủy khí, ô tô,… Simcenter Amesim bao gồm các thư viện toàn diện cho mô hình đa luồng cho dòng chảy, nhiệt động lực học, điện, cơ điện, xử lý tín hiệu, cũng như thư viện ứng dụng cho hệ thống làm mát, điều hòa không khí, động cơ đốt, hàng không vũ trụ và các hệ thống khác.
Một số ứng dụng trên ô tô và phương tiện đường bộ [12]:
Tích hợp xe và cân bằng đa thuộc tính:
Simcenter Amesim khắc phục vấn đề tích hợp công nghệ xanh vào quá trình phát triển hiện tại của người dùng trong khi vẫn tiếp tục cải thiện khả năng lái và hiệu suất của xe. Các giải pháp này thêm vào quá trình phát triển xe hiện tại và kết hợp các kỹ thuật cơ khí, nhiệt, điện và điều khiển trong một môi trường phần mềm.
Giải pháp truyền tải ô tô:
• Cấp quyền truy cập vào các mô hình và các thành phần truyền động, động cơ và truyền động
• Tập trung vào sự thoải mái; hiệu suất và tổn hao; tiếng ồn, rung và xóc (NVH); và các vấn đề truyền tải lai
• Giúp người dùng nghiên cứu hành vi của toàn bộ kiến trúc bộ truyền động từ tần số thấp đến cao (nghĩa là từ <20 Hz)
• Tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các khái niệm mới (như kiến trúc lai). Giúp giải quyết các vấn đề truyền tải bằng hệ thống truyền động (chẳng hạn như chất lượng dịch chuyển số cao và độ rung động của hệ thống lái) • Cho phép đánh giá các chiến lược điều khiển ảo trong các giai đoạn thiết kế
ban đầu
Mô phỏng động cơ đốt trong:
Đánh giá, thiết kế và tối ưu hóa toàn diện hệ thống động cơ từ quản lý không khí, quá trình đốt cháy đến bơm nhiên liệu và điều khiển động cơ.
Các giải pháp mô phỏng động cơ đốt trong Simcenter Amesim Internal Combustion Engine giúp người dùng đánh giá, thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống động cơ toàn diện – từ quản lý không khí, đốt cháy và xử lý khí thải sau khi đốt cho đến phun nhiên liệu và kiểm soát động cơ bằng cách cung cấp các mô hình động cơ và các thành phần chính xác.
Người dùng có thể nghiên cứu tích hợp với các hệ thống con phun nhiên liệu, quản lý nhiệt xe, hệ thống động lực và các thành phần khác cũng như thích ứng với các định nghĩa mô hình cho một loạt các trường hợp khác nhau. Giải pháp động cơ này cho phép người dùng phân tích tác động của các lựa chọn công nghệ tiên tiến và cung cấp cho người dùng một công cụ mạnh mẽ để xem xét các kiến trúc động cơ thay thế khác.
32 Xác định, thiết kế và đánh giá toàn xe và các hệ thống con khung gầm với mô phỏng động lực xe.
Bộ giải pháp mô phỏng động lực hệ thống xe Simcenter Amesim Vehicle System Dynamics cung cấp môi trường định hướng theo ứng dụng và các khả năng chuyên dụng để xác định, thiết kế và kiểm tra toàn bộ xe cũng như các thành phần hệ thống con khung gầm xe (phanh, treo, hệ thống lái và hệ thống chống trượt). Các giải pháp cho phép tích hợp dễ dàng và liền mạch trong một hệ thống đơn.
Giải pháp Động lực Hệ thống Xe giới thiệu một nền tảng tích hợp mở độc đáo để mô hình hoá và mô phỏng xe con và xe tải nhẹ với bộ truyền động của họ trong một quá trình hội nhập liên tục và đơn giản – từ mô hình hoá theo vòng lặp và phần mềm theo vòng lặp cho đến phần cứng theo vòng lặp. Các giải pháp mô phỏng động lực xe bao gồm ứng dụng động lực xe thông dụng, các thư viện mô hình hóa vật lý (như thuỷ lực, khí nén, điện và cơ khí), các mẫu khả dụng, các thuyết minh giải pháp và các giao diện với các bộ mô phỏng như LMS Virtual.Lab Motion, MSC ® Adams ™ và Simulink®.
Mô phỏng quản lý nhiệt xe ô tô:
Mô hình hoá, định cỡ và phân tích các thành phần, hệ thống con của xe và tương tác của hệ thống con để quản lý hệ thống nhiệt xe ô tô
Các giải pháp mô phỏng Simcenter Amesim Thermal Management cung cấp các công cụ chuyên dụng để xây dựng và phân tích các mô hình quản lý nhiệt hoàn chỉnh trong một môi trường đơn lẻ. Các giải pháp cho phép người dùng mô hình