5.3.1Xác định điều kiện biên
5.3.1.1. Xác định lực
Tác dụng lực từ mặt đường lên hệ thống treo ảnh hưởng tới khung được đặt tại trọng tâm hệ thống treo và phân đều tới các vị trí nối giữa nhíp và khung tại tất cả 4 vị trí lắp nhíp. Tại đây, các lực tĩnh có giá trị F = 1 (N) được đặt và biến thiên theo các giá trị thu thập được từ trước đó
Hình 5.6 Lực từ treo tác động lên khung
Tải trọng mỏi được lấy từ việc giải bài toán Động lực học ở Chương 4 và được nhập vào phần mềm thông qua file dữ liệu excel. Các đồ thị lực tương tự như đã xuất ở trên:
53
Hình 5.7 Minh họa nhập các đồ thị lực thi được vào Hypermesh
Ngoài các tải trọng động, trong quá trình di chuyển, xe tải vẫn chịu các tải trọng tĩnh, các tải tĩnh này cũng ảnh hưởng tới độ bền của khung khi xe di chuyển. Để đánh giá chi tiết, sử dụng các giá trị tải tĩnh lớn nhất như đã xác định tại chương 3 để kiểm nghiệm độ bền mỏi. Đồng thời cũng đặt lực tĩnh với F = 1 (N) và xây dựng đường đồ thị lực F trong khoảng thời gian tương ứng với lực tại hệ thống treo.
Hình 5.8 Tổng hợp các lực tác dụng lên khung
5.3.1.2. Xác định ràng buộc
Vì chỉ kiểm tra một chi tiết Khung xe, như bài toán tĩnh tại chương 3, khung được cố định vào hệ thống treo, tại đây sẽ là vị trí ngàm, nhưng do lực từ mặt đường tác dụng lên khung cũng thông qua hệ thống treo, do đó, vị trí này không còn được cố định, không thể đặt ngàm tại đây. Khung bị tác dụng lực từ cả 2 phía, để quá trình mô phỏng có thể diễn ra đúng, ta sử dụng một khái niệm khác, thay thế cho việc đặt ngàm, đó là Bù quán tính - “Inertia Relief”.
Vì hệ không chịu liên kết nên ngoại lực tác động sẽ làm hệ chuyển động với gia tốc:
54 𝑎 = 𝐹
𝑚 PT 5.11
Nếu không có tùy chọn Inertia Relief, quá trình phân tích sẽ gặp lỗi (hệ không cân bằng lực). Khi bật tùy chọn Bù quán tính, chương trình sẽ tự động áp đặt lên hệ một lực quán tính đúng bằng ngoại lực F để đưa hệ về trạng thái cân bằng lực.
Bù quán tính thường được thực hiện trên các bộ phận, cụm lắp ráp không được cố định tại bất kỳ điểm nào trong không gian, ví dụ như: tính toán tàu thủy, hệ thống treo ô tô, ô tô đang chuyển động, tính toán trong hàng không vũ trụ, vệ tinh,…
5.3.2Nhập thông số mỏi
Việc thiết lập bài toán mỏi trên HyperMesh dựa trên 3 yếu tố: Tải trọng mỏi, thông số mỏi và vật liệu mỏi. Tải trọng mỏi được lấy từ việc giải bài toán Động lực học ở Chương 4. Thông số mỏi sử dụng tiêu chuẩn Gerber làm tiêu chuẩn để đánh giá về dải ứng suất tương đương. Vật liệu mỏi gây dựng với thông số tham khảo từ một vài nghiên cứu tổng quát có trước.
Hình 5.9 Mẫu đường mỏi dạng 1 gấp khúc được sử dụng
Thông thường các thông số của đường cong mỏi cần được thí nghiệm trực tiếp và tính toán nhưng do điều kiện hạn chế, các thông số này sẽ được lấy theo kinh nghiệm [19]:
Bảng 5.2 Ước lượng thông số đường cong mỏi
Vật liệu SRI1 B1 Nc1 b1
Thép 4,263*UTS -0,125 1E6 0,0
Hợp kim nhôm
(UTS < 336MPa) 2,759*UTS -0,062 5E8 0,0
Hợp kim nhôm
UST ≥ 336 MPa 0,131*UTS
1,526 0.379-0.175*log(UTS) 5E8 0,0
Với vật liệu đang sử dụng là A710C, các thông số nhập cho vật liệu mỏi như sau:
55
Hình 5.10 Thông số đường mỏi
Trong đó:
- UNIT là đơn vị cho ứng suất, ở đây là MPa.
- UTS (ultimate tensile strength): giới hạn bền kéo của vật liệu.
- SRI1: là hệ số chịu mỏi. Trong phần mềm, hệ số này được định nghĩa là ứng suất mà tại ứng suất đó vật liệu chỉ chịu được tải trong một chu kì. - B1: là hệ số mũ chịu mỏi, thể hiện độ dốc của đường mỏi S-N.
- NC1: là thông số xác định số chu kì giới hạn mỏi của mô hình (tuổi thọ chi tiết).
Sau khi đã có thông số của vật liệu, ta cần xác định các thông số cho tính toán mỏi, các thông số này sẽ được định nghĩa qua hình bên dưới.
Hình 5.11 Các thông số đánh giá mỏi
Trong đó:
- COMBINE: dùng để xác định loại ứng suất sẽ được sử dụng cho tính toán mỏi, ở đây ta sử dụng ứng suất tương đương Von Misses.
- CORRECT: là tiêu chuẩn sử dụng cho tính toán mỏi. Ở đây ta chọn tiêu chuẩn GERBER.
- STRESSU: đơn vị ứng suất, chọn MPa
- RTYPE: Xác định loại tải trọng đặt vào liên tục, dạng tải trọng động (Rainflow type) đây là phần xác định loại LOAD trong bài toán mỏi.
56
5.4.1Xe chạy trên đường A – B
Hình 5.12 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - AB)
Hình 5.13 Chu kì mỏi thu được trên toàn khung (A710C -AB)
Vì tải trọng đầu vào thu thập là ngẫu nhiên (cực đại và cực tiểu ngẫu nhiên), không thể thay thế bằng tải tuần hoàn tương đương, nên Optistruct đã tính toán chỉ số Tổn thương tích lũy, dựa trên lý thuyết tổn thương tích lũy tuyến tính Miner – Palmgren [20].
Lý thuyết tổn thương tích luỹ Miner – Palmgren nêu giả thuyết là sự hư hại tại điểm tính toán của chi tiết tuân theo quy luật tuyến tính, tất cả những hư hại này được cộng tích luỹ theo quy luật tuyến tính và được xác định thông qua giá trị tỉ lệ tổn thương tích luỹ D.
∑ 𝐷𝑖 = ∑ 𝑛𝑖
𝑁𝑖,𝑓 < 1 PT 5.12
Trong đó:
• 𝑁𝑖,𝑓 là tuổi thọ của vật liệu từ đường cong S-N của mức ứng suất đạt cực trị lớn nhất.
• 𝑛𝑖 là số chu kì thực tế đối với mức ứng suất kể trên • D < 1: Chi tiết an toàn
57 Để đánh giá chi tiết đạt bền cần thỏa mãn cả 2 giá trị Tổn thương tích lũy nhỏ hơn 1 và số chu kỳ mỏi nhỏ hơn 106 như đã trình bày ở trên.
Như vậy, Số chu kì nhỏ nhất đạt mức 8,270.109 và tổn thương là rất nhỏ (1,209.10-10). Với kích động là mặt đường AB, khung không bị phá hủy do mỏi.
5.4.2Xe chạy trên đường B – C
Hình 5.14 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - BC)
Hình 5.15 Chu kì mỏi thu được trên toàn khung (A710C -BC)
Biên dạng mấp mô mặt đường thay đổi lớn hơn đường AB dẫn tới lực thay đổi nhiều, số chu kì mỏi của nhiều vùng cũng vì thế mà giảm nhưng vẫn nằm trong khoảng cho phép: 9,145.106 (<106).
Tổn thương vẫn tại cùng một vị trí so với trước đó, có tăng lượng nhỏ so với tổn thương gặp phải khi đi trên đường AB nhưng nhìn chung vẫn không đáng kể.
58
5.4.3Xe chạy trên đường C – D
Hình 5.16 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - CD)
Hình 5.17 Chu kì mỏi thu được trên toàn khung (A710C -CD)
Khi chạy trên loại đường trung bình (CD), xe tải có dấu hiệu bị hỏng do mỏi. mặc dù vị trí chịu tổn thương vẫn đạt yêu cầu (bé hơn 1) nhưng chu kì mỏi thấp nhất là 4,747.105 (< 106 ) không đạt chiếm phần lớn khung xe.
Sau quãng thời gian di chuyển dài, khung dễ xuất hiện nứt gãy tại nhiều vị trí.
5.5 Một số phương án kiểm tra và nâng cao tuổi thọ khung
Để có thể sử dụng lâu dài, vận chuyển đường xa giữa các khu vực, việc đi trên đường trung bình (CD) là khó tránh khỏi. Vậy nên, khung xe cần được cải tiến để có thể tối ưu việc khai thác sử dụng.
5.5.1Thêm các chi tiết gia cố vị trí khung chính
Thêm các chi tiết chống đỡ thường sử dụng cho bài toán bền tĩnh để phân tán tải trọng, đối với bài toán bền mỏi, việc thêm chi tiết có thể làm tăng thêm vị trí tập trung ứng suất, dẫn tới các vết nứt nhanh chóng xuất hiện hơn và làm giảm số chu kỳ mỏi.
Nhưng để đánh giá cụ thể, kiểm tra số chu kỳ mỏi, ta vẫn xét tới trường hợp này.
59
a, Thêm 1 thanh b, thêm 2 thanh
Hình 5.18 Gia cố thêm cho phần khung
Kết quả:
Hình 5.19 Kết quả trường hợp thêm một thanh
Hình 5.20 Kết quả trường hợp thêm hai thanh
Trường hợp thêm 1 thanh có số chu kỳ 3,975.105 nhỏ hơn thêm 2 thanh là 4,034.105 nhưng vẫn không đạt số chu kỳ yêu cầu (106) và cả 2 trường hợp đều nhỏ hơn số chu kỳ ban đầu: 4,747.105.
Từ các kết quả trên, thấy được rằng thêm các thanh ở vị trí trên là không hợp lý, dẫn tới khả năng chịu mỏi trở nên kém hơn.
5.5.2Thay thế vật liệu
Từ những nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết nói chung, áp dụng cho khung xe tải, ta có thể thấy, để tăng độ bền mỏi cho khung xe, có thể sử dụng
60 biện pháp thay thế bằng vật liệu khác. Ở đây, ta lựa chọn loại vật liệu thép AISI4140 để thay thế.
Bảng 5.3 Thông số đặc tính vật liệu thép AISI 4140
Thông số Chỉ số
Modul đàn hồi E (MPa) 210000
Hệ số poisson 0,3
Khối lượng riêng (g/mm3) 7,85.10-9 Giới hạn bền kéo UTS (MPa) 550
Giới hạn đàn hồi (YS) 415
SRI1 2792,265
B1 -0,125
NC1 1000000
Kết quả:
Hình 5.21 Chu kì mỏi thu được trên toàn khung (AISI 4140 – AB)
61
Hình 5.23 Chu kì mỏi thu được trên toàn khung (AISI 4140 – CD)
Sau khi thay thế vật liệu, khả năng chịu mỏi của khung đã được cải thiện, khung xe không bị phá hủy do hiện tượng mỏi gây ra khi di chuyển trên đường CD với chu kỳ mỏi thấp nhất tính ra được là 1,433.106.
Sự thay đổi chu kỳ mỏi theo xu hướng tăng lên phù hợp với lý thuyết khi loại vật liệu AISI 4140 có hàm lượng Cacbon khoảng 0,38 – 0,45 % nhiều hơn A710C với hàm lượng Cacbon < 0,18 % (hàm lượng Cacbon nhiều hơn sẽ chịu bền mỏi tốt hơn).
Sự thay đổi này cũng đúng khi AISI 4140 là loại vật liệu có các thông số và giới hạn ứng suất lớn hơn vật liệu A710C.
5.5.3Cải tiến chi tiết trên xe
Dựa vào giá trị tổn thương lớn nhất, ta xác định được vị trí có chu kỳ mỏi thấp nhất. Kiểm tra lại độ dày chi tiết thấy được rằng kích thước là 2mm, nhỏ hơn so với các vị trí đỡ hệ thống treo khác (4mm), tại đây sẽ trở nên yếu hơn các vị trí khác.
Vậy nên sẽ tiến hành tăng thêm độ dày cho tấm đỡ này và kiểm tra lại chu kỳ mỏi. Tấm đỡ được tăng độ dày lên 3mm.
Kết quả thu được:
Hình 5.24 Cải tiến chi tiết trên xe
Khung đã đủ khả năng chịu mỏi với số chu kỳ mỏi tối thiểu là 9.75.108. Chi tiết trở nên thừa bền.
62
5.6 Kết luận chương 5
Chương 5 đã xây dựng bài toán kiểm bền mỏi cho khung xe tải, đánh giá khả năng chịu tải trọng động của khung khi xe di chuyển trên các loại đường khác nhau theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Đồng thời kiểm tra, đánh giá cải tiến thêm chi tiết, thay đổi độ dày khung, thay thế vật liệu khung để xe có thể hoạt động trên khu vực rộng hơn.
Số chu kỳ chịu mỏi giảm dần khi độ xấu của đường tăng, đồng thời tăng khi khung được sử dụng vật liệu tốt hơn cũng như chi tiết dày hơn.
63
KẾT LUẬN
Luận văn đã xây dựng được phương pháp kiểm tra và đánh giá độ bền tĩnh và bền mỏi của khung xe dựa trên phần mềm phân tích mô phỏng Hyperworks. Tải trọng động được nhập vào phần mềm Hyperworks được xác định từ phần mềm mô phỏng động lực học Amesim.
Luận văn đã đưa ra quy trình xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, phân tích và xây dựng các liên kết cho mô hình. Sau đó xây dựng bài toán kiểm tra bền tĩnh, bài toán được thực hiện trong trường hợp xe đạt tải trọng tối đa, khung xe đủ bền, ứng suất thu được là nhỏ hơn nhiều so với ứng suất giới hạn.
Luận văn đã xây dựng sơ đồ động lực học trên phần mềm Amesim, có thể kiểm tra và đánh giá tải trọng động tác dụng lên hệ thống treo liên tục trên các loại đường khác nhau, các vận tốc khác nhau.
Luận văn khảo sát độ bền mỏi khung xe trong trường hợp đi trên các loại đường theo tiêu chuẩn ISO, các loại đường được nhập vào phần mềm Amesim và tính toán ra tải trọng động. Qua kiểm tra và đánh giá, thấy được rằng xe chạy trên đường CD là không đủ độ bền khi chịu tác dụng của tải trọng động vậy nên, dựa vào lý thuyết bền mỏi, vật liệu tốt hơn đã được sử dụng để thay thế và đánh giá lại kết quả. Dựa và tổn thương lớn nhất, kiểm tra được vị trí kết cấu yếu trong việc chịu tải và thay thế. Kết quả trả về là khung xe đã tăng tuổi thọ và đạt điều kiện đủ bền trong trường hợp tải trọng động.
Trong mỗi lần xây dựng bài toán và thử nghiệm các trường hợp, các đánh giá được đưa ra, kết luận rằng các trường hợp đều đúng đắn về mặt lý thuyết. Phương pháp nghiên cứu, xây dựng và kiểm tra độ bền có thể tin tưởng, xây dựng tương tự cho các bộ phận khác.
Một số hạn chế và các hướng nghiên cứu tiếp theo:
• Luận văn chưa kiểm tra bền khung khi xét tới các trường hợp xe chuyển động thẳng đều có lực kéo cực đại, khi xe phanh với lực phanh cực đại,… có thể sẽ là các hướng nghiên cứu tiếp theo.
• Kết quả chưa có thực nghiệm để kiểm tra tính chính xác của kết quả. • Khung xe đủ bền sau khi thay thế vật liệu, từ đó có thể tiến hành việc cải
tiến theo phương hướng tối ưu hóa bằng cách sử dụng các phần mềm hỗ trợ.
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://hyundai-thientruong.vn/tong-quan-nganh-xe-thuong-mai-viet- nam-truck-bus/
[2] https://vastmedia.vn/thi-truong-xe-tai-tang-truong-manh-me-sau-dich- covid-19/
[3] https://news.oto-hui.com/suc-hap-dan-tu-thi-truong-xe-tai-viet-nam/ [4] Nguyễn Tiến Dũng, Võ Văn Hường, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng
Phúc, Xe chuyên dụng, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.
[5] https://tadatruck.vn/3-cach-phan-loai-xe-cho-hang-pho-bien-hien-nay/ [6] Nguyễn Mạnh cường, Trần Ích Thịnh, Phương pháp phần tử hữu hạn,
NXB Giáo dục, 2011.
[7] Altair University, Student guide, 2015.
[8] Altair University, Pracical Aspect of Finite Element Simulation, 2015. [9] https://www.sestructures.com/foundations_rbe2_vs_rbe3.php [10] HyperWork 2020 Manuals Source: file:///C:/Program%20Files/Altair/2020/help/hwsolvers/os/topics/solve rs/os/analysis_seamweld_fatigue_c.htm?zoom_highlightsub=Seam+W eld [11] https://advancecad.edu.vn/tong-quan-ve-altair-optistruct/ [12] http://visi.com.vn/simcenter-amesim-giai-phap-mo-phong-he-thong- 1d.html. [13] ISO 8608:1995.
[14] Nguyễn Trọng Hoan, Tính toán thiết kế ô tô, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2019
[15] Trương Đặng Việt Thắng, Trịnh Minh Hoàng, Nguyễn Trọng Hoan,
Nghiên cứu xác định tải trọng động tác dụng lên khung sơ mi - rơ moóc,
2018
[16] Jones, Michael F Ashby & David RH, Engineering Materials, Elsevier Ltd., 2012.
[17] ROBERT C. JUVINALL, KURT M. MARSHEK, Fundamentals of Machine Component Design, John Wiley & Sons, Inc, 2012.
[18] https://www.chetaomay24h.com/2019/01/nhung-nhan-to-anh-huong- en-suc-ben-moi.html.
[19] Yung-Li Lee, Jwo. Pan, Richard B. Hathaway and Mark E. Barekey,
Fatigue testing and analysis: Theory and practice, Elsevier, 2005. [20] Altair University, Learn Fatigue Analysis with Altair OptiStruct, 2018.