6. Cấu trúc đồ án
4.2 Mô phỏng tính khí động học trong thiết kế của vỏ xe
Dựa vào các ý tưởng về thiết kế ở chương 4, trước khi tiến hành gia công chế tạo phương tiện xe ba bánh sử dụng ĐC Honda 110 CC, tôi tiến hành mô phỏng khung xe và vỏ xe trên nền tảng phần mềm ANSYS Workbench để đánh giá hiệu quả của các thiết kế đã được nêu ra.
Đối với phần VX, tôi mô phỏng tính khí động của xe ba bánh. Đối với bất kỳ một phương tiện nào, khi di chuyển dù chậm hay nhanh đều ít nhiều bị ảnh hưởng bởi sức cản không khí, hay nói một cách khác đó là khi xe chạy với tốc độ càng lớn thì sức cản của không khí gây ra trên bề mặt xe cũng sẽ càng cao. Vì vậy, lớp vỏ bao bọc bên ngoài xe đóng nhiệm vụ quan trọng trong việc làm giảm sức cản của không khí lên bề mặt của phương tiện.
Ngoài ra, khi nói đến tính khí động của một phương tiện ta cũng quan tâm đến các yếu tố khác như:
Down force (lực ghì): Lực ghì có tác dụng ép xe xuống sát mặt đường khi di chuyển với vận tốc lớn, ở đây ta muốn thiết kế của VX sao cho dưới áp lực của không khí lực ghì sinh ra là đủ lớn, để xe có thể bám đường khi di chuyển với tốc độ cao;
Drag force (lực kéo): Lực kéo của không khí tác dụng lên xe khi di chuyển với tốc độ cao;
Lift force (lực nâng): Lực nâng của không khí có tác dụng nâng phương tiện lên cao khi di chuyển với tốc độ cao, lực này rất quan trọng với các phương tiện di chuyển trên không, nhưng đối với các phương tiện lưu thông đường bộ ta muốn tối thiểu tác dụng của lực này lên xe.
Hình 4.14: Sơ đồ mô phỏng tính toán bằng FEM
Sơ đồ khối trong hình 4.14 là quy trình các bước cần thực hiện khi chúng ta đưa ra một thiết kế cho một kết cấu vật lý bất kỳ. Đầu tiên ở bước Physical Problem, ta đưa ra một hình mẫu vật lý hoặc một thiết kế cần được tính toán. Sau đó, ta thiết lập mô hình phần từ hữu hạn của mẫu vật đó. Dựa vào mô hình phần tử hữu hạn thu được, ta tiến hành giải quyết các bài toán đề ra. Cuối cùng, đánh giá kết quả thu được, nếu kết quả đáp ứng được các yêu cầu đề ra ban đầu thì ta có thể kết
thúc công việc tại đây, nhưng nếu chưa đáp ứng được thì sẽ thay đổi lại mô hình phần tử hữu hạn để có được kết quả tốt nhất.
Mô phỏng và đánh giá tính khí động của vỏ xe
Tôi đã xây dựng mô hình VX và triển khai mô phỏng và đánh giá tính khí động học của VX trên nền tảng mô phỏng ANSYS CFX của bộ phần mềm ANSYS Workbench R3 Student version. Hình 31 là sơ đồ khối diễn tả tuần tự các bước tiến hành của ANSYS CFX.
Hình 4.15: Sơ đồ khối của phần mềm ANSYS Fluent (CFX)
Space Claim – Ở bước đầu tiên, tôi mô phỏng mô hình VX với các thông số về kích thước được đưa ra ở chương IV bằng phần mềm đồ hoạ Space Claim tích hợp trong ANSYS CFX;
Tạo lưới – Bước tiếp theo, tôi tiến hành chia lưới vật mẫu thành các FEM, ở đây cần lưu ý đối với những vị trí có hình dạng vật lý đặt biệt cần được chia nhỏ hơn so với các vị trí khác để thu được kết quả chính xác với thực tế nhất;
CFX_Pre – Thiết lập các điều kiện đầu và điều kiện biên của bài toán;
CFX_Solver – Hệ thống máy tính sẽ thực hiện các phép tính với nhiều vòng lặp và xét tính hội tụ của kết quả sau mỗi vòng lặp để đưa ra kết quả gần đúng nhất;
CFX_Post – Với kết quả thu được, tôi tiến hành phân tích dữ liệu và đánh giá kết quả.
4.2.1 Mô hình hóa 3D vỏ xe trên nền tảng Space Claim
Bước đầu tiên, mô hình 3D của VX được dựng lên trên nền tảng phần mềm Space Claim của ANSYS CFX. Mô hình được dựng lên dựa vào kích thước đã đưa ra trong thiết kế trong chương IV.
Để đánh giá được tính khí động của mô hình VX, mô hình VX được đặt trong một khối hộp chữ nhật như trong hình 4.16. Khối không khí đi vào hình hộp này sẽ di chuyển trên bề mặt VX và gây ra tác động lên bề mặt khi xe di chuyển với tốc độ cao. Dựa vào đó để đánh giá được tính khí động học của thiết kế đã đưa ra.
Hình 4.16: Mô hình 3D của vỏ xe
4.2.2 Chia nhỏ vật mẫu thành thành các phần tử - Mesh
Bước tiếp theo, từ mô hình 3D thu được ở bước 1, tôi tiến hành phân chia để phần tử hoá mẫu vật. Việc sử dụng vật mẫu dưới dạng khung lưới cho phép ta hình dung được kết cấu bên trong của một mô hình ba chiều. Khi ta chia lưới càng mịn (chia thành nhiều phần tử), thì theo như lý thuyết sẽ đưa ra kết quả có độ chính xác càng cao. Hình 4.17 thể hiện mô hình VX và khối không khí sau khi được phần tử hoá.
Hình 4.17: Phần tử hóa vật mẫu ban đầu
Ta có thống kê về số lượng phần tử và các nút liên kết ở bên trong vật mẫu được thể hiện trong bảng 4.4.
Số lượng nút 164665 Số lượng phần tử 913563
Bảng 4.4: Thống kê số lượng nút và phần tử của vỏ xe
4.2.3 Thiết lập điều kiện đầu và điều kiện biên
Bước tiếp theo, tôi thiết lập điều kiện đầu và điều kiện biên của bài toán trong môi trường không khí ở nhiệt độ 25C. Khi xe di chuyển với tốc độ cao, sẽ bắt đầu chịu ảnh hưởng của sức cản không khí, cần có các thiết lập phù hợp với thực tế để đánh giá tính khí động của phương tiện.
Ta giả sử rằng xe đang di chuyển với một tốc độ nhất định (khoảng tốc độ 40 – 100 km/h), trong phần mềm mô phỏng nên tôi giải quyết bài toán này bằng cách cho gió đi vào khối hộp bao quanh xe, vì xe đứng yên và không khí thổi vào nên có thể xem xe đang di chuyển so với không khí. Như vậy nếu xét vận tốc tương đối giữa xe so với không khí thì xe đang di chuyển với vận tốc (40 km/h – 100 km/h).
Điều kiện biên của bài toán (boundary condition), tôi đặt giả thiết gió sẽ đi vào từ mặt trước – Inlet và đi ra ở mặt sau của khối hộp – Outlet. Mặt đáy của khối hộp tôi chọn chế độ tường cứng – Wall, tức là xem như mặt đường, còn các mặt còn lại thì sẽ được để hở để không khí tự do di chuyển qua các bề mặt này – Opening.
Hình 4.18: Thiết lập đường đi của không khí trong CFX-Pre
Đối với điều kiện ban đầu của bài toán (first condition) tại thời điểm t0=0, với điều kiện ta xét ở đây là điều kiện không khí lý tưởng ở nhiệt độ 25C. Tôi chọn tốc độ gió đi vào khối hộp lần lượt là 40 km/h và 100 km/h. Các thông số về điều kiện đầu được thể hiện qua bảng 2.
Nhiệt độ không khí 25C Áp suất không khí 1 atm Tốc độ gió 40 - 100 km/h
Bảng 4.5: Các điều kiện ban đầu của bài toán
Ở bước tiếp theo phần mềm sẽ dựa vào các điều kiện ta đặt ra, hệ thống tiến hành tính toán và giải các phương trình vi phân với số lượng vòng lặp tôi đặt ra là 500 vòng để đảm bảo độ chính xác cao và tính hội tụ của kết quả. Kết quả của bài toán được nêu ra ở phần tiếp theo.
4.2.4 Kết quả mô phỏng
Trong phạm vi của nghiên cứu này, tôi tập trung phân tích sức cản của không khí lên bề mặt vỏ xe mà không tập trung vào nhiệt độ gây ra do ma sát giữa VX và không khí. Tôi đánh giá tính khí động học hai trường hợp, xe di chuyển với tốc độ 40 km/h và xe di chuyển với tốc độ 100 km/h.
Trước tiên, sẽ đánh giá áp suất không khí gây ra trên bề mặt vỏ xe dưới tác dụng của gió khi tiếp xúc với bề mặt xe ở vận tốc cao. Sau đó, tôi đánh giá sự thay đổi của tốc độ gió xung quanh vỏ xe sau khi xảy ra tiếp xúc để đánh giá sức cản của không khí lên bề mặt của xe. Cuối cùng là kết quả của lực ghì (down force) và lực kéo (drag force) mà không khí gây ra trên bề mặt xe, từ đó đánh giá chung về tính khí động học của thiết kế đã đưa ra.
a. Trường hợp 1: Tốc độ không khí 40 km/h
Trường hợp 1, ta xét tốc độ di chuyển của xe là 40 km/h, tốc độ tối đa di chuyển trong phố của các phương tiện xe gắn máy. Đầu tiên, ta xét áp suất không khí gây ta trên bề mặt vỏ xe ở tốc độ 40 km/h. Hình 35 là áp suất không khí gây ra trên bề mặt của vỏ xe. Dựa vào thang màu chỉ thị giá trị áp suất, ta nhận thấy thấy rằng áp suất tại phần mũi xe đạt giá trị cực đại (màu cam đỏ) với giá trị 1.015e+05 Pa, còn tại các vị trí khác trên xe sắc màu xanh lá chiếm chủ đạo với giá trị áp suất vào khoảng 1.013e+05 Pa, ngoài ra còn một số vị trí có màu xanh dương với giá trí 1.011e+05 Pa.
Hình 4.19: Áp suất bề mặt vỏ xe tại vận tốc 40 km/h
Các phân tích trên cho ta thấy rằng tại vị trí đầu xe, áp suất sẽ cao hơn so với các vị trí còn lại, có thể giải thích đơn giản rằng, ở đầu xe sẽ là vị trí đầu tiên tiếp xúc với không khí, khi di chuyển với tốc độ cao mũi xe sẽ là phần tiếp xúc với không khí trước tiên và nhiều nhất, nơi đây sẽ là nơi có áp suất cao hơn so với các vị trí còn lại của xe.
Sau đó, ta sử dụng các đường Stream Line để đánh giá áp suất của không khí xung quanh VX. Ta nhận thấy rằng các khối không khí khi di chuyển trên bề mặt xe có dải màu vàng xanh, biểu thị khoảng giá trị áp suất từ 1.010e+05 Pa đến 1.013e+05 Pa, riêng vùng tiếp xúc với đầu vỏ xe ta nhận thấy các vệt màu đỏ cam với áp suất1.015e+05 Pa, giải thích cho hiện tượng này cũng tương tự như diễn giải hình 4.20, ở các vị trí bắt đầu tiếp xúc với xe, áp suất không khí tăng dần lên, đến khi đi qua khỏi vị trí này thì giá trị bắt đầu giảm dần về giá trị áp suất khí quyển ban đầu (1 atm tương đương 1.0e+05 Pa).
Hình 4.20: Streamline áp suất không khí trên bề mặt vỏ xe tại tốc độ 40 km/h
Tiếp theo là kết quả và đánh giá về sự biến thiên của vận tốc không khí ở xung quanh vỏ xe, Hình 4.21 là hai mặt cắt dọc và ngang của khối không khí xung quanh xe, bản màu thể hiện sự thay đổi tốc độ của các lớp không khí này. Tại nơi không khí có tốc độ cao hơn sẽ gây ra sức cản lớn hơn lên VX.
Hình 4.21: Tốc độ không khí xung quanh xe khi di chuyển với tốc độ 40 km/h
Dựa vào thang màu ta nhận thấy rằng những vị trí có màu cam đỏ trên nóc xe và ở phần tiếp xúc với mặt đất của bánh xe với tốc độ gió vào khoảng 1.535e+01 m/s(tức 55.26 km/h), tốc độ gió thấp nhất nằm ở đuôi xe đạt giá trị 0 km/h. Dựa vào đây ta có thể thấy được tác động của gió lên vỏ xe, những nơi hiển thị màu đỏ cam là nơi chịu sức cản không khí lớn nhất, còn các vị trí có màu vàng thì ít chịu lực cản hơn và vùng màu xanh dương hầu như không bị chịu sức cản của không khí. Hình 4.22 thể hiện rõ hơn sức cản của không khí lên bề mặt vỏ xe bằng hình ảnh các đường Streamline chạy dọc bề mặt của vỏ xe.
Hình 4.22: Streamline của không khí khi xe di chuyển với vận tốc 40 km/h
b. Trường hợp 2: Tốc độ không khí 100 km/h
Trường hợp 2, ta giả sử cho xe di chuyển với tốc độ 100 km/h, trên thực tế động cơ Honda 100 CC dù có tốc độ lớn nhất mà nhà sản xuất đưa ra là 140 km/h nhưng việc sử dụng phương tiện gắn máy ở vận tốc 100 km/h cũng là điều hiếm gặp ở những người lái xe thông thường, nhưng vì mục đích mô phỏng nên tôi giả sử xe đang di chuyển với tốc độ này để đánh giá tác động của không khí lên bề mặt xe trong điều kiện làm việc gắt gao nhất.
Trong trường hợp 2, ta xét áp suất không khí gây ta trên bề mặt vỏ xe ở tốc độ 100 km/h. Hình 4.23 là áp suất không khí gây ra trên bề mặt của vỏ xe. Dựa vào thang màu chỉ thị giá trị áp suất, tương tự như ở trường hợp 1 ta nhận thấy rằng áp suất tại phần mũi xe đạt giá trị cực đại (màu cam đỏ) với giá trị 1.025e+05 Pa cao hơn so với trường hợp 1 với giá trị 1.015e+05 Pa, còn tại các vị trí khác trên xe sắc màu xanh lá chiếm chủ đạo với giá trị áp suất vào khoảng 1.011e+05 Pa (cao hơn so với trường hợp 1), ngoài ra còn một số vị trí có màu xanh dương đạt giá trị 9.964e+05 Pa.
Hình 4.23: Áp suất bề vỏ xe ở tốc độ 100km/h
Các phân tích trên cho ta thấy rằng tại vị trí đầu xe, áp suất sẽ cao hơn so với các vị trí còn lại, có thể giải thích đơn giản rằng, ở đầu xe sẽ là vị trí đầu tiên tiếp xúc với không khí, khi di chuyển với tốc độ cao mũi xe sẽ là phần tiếp xúc với không khí trước tiên và nhiều nhất, nơi đây sẽ là nơi có áp suất cao hơn so với các vị trí còn lại của xe.
Sau đó, ta sử dụng các đường Stream Line để đánh giá áp suất của không khí xung quanh VX. Ta nhận thấy rằng các khối không khí khi di chuyển trên bề mặt xe có dải màu vàng xanh, biểu thị giá trị áp suất vào khoảng 9.964e+04 Pa đến 1.025e+05 Pa riêng vùng tiếp xúc với đầu vỏ xe ta nhận thấy các vệt màu đỏ cam, giải thích cho hiện tượng này cũng tương tự như Hình 4.24, ở các vị trí bắt đầu tiếp xúc với xe, áp suất không khí tăng dần lên, đến khi không khí đi qua khỏi vị trí này thì giá trị bắt đầu giảm lần về lại áp suất khí quyển ban đầu (1 atm tương đương 1.0e+05 Pa).
Hình 4.24: Streamline áp suất không khí trên bề mặt vỏ xe tại tốc độ 100 km/h
Mặt khác, ở trường hợp 2, nhìn chung mặt bằng giá trị áp suất cao hơn so với trường hợp 1, lý giải là do trong trường hợp này xe di chuyển với tốc độ 100km/h cao hơn so với trường hợp trước.
Tiếp theo sẽ là đánh giá của tôi về vận tốc không khí ở xung quanh vỏ xe, Hình 4.25 là hai mặt cắt dọc và ngang của khối không khí xung quanh xe, bảng màu thể hiện sự thay đổi tốc độ của các lớp không khí này. Những nơi có giá trị vận tốc không khí cao hơn sẽ gây ra sức cản lớn hơn lên chuyển động của xe.
Hình 4.25: Tốc độ không khí quanh xe khi di chuyển với tốc độ 100 km/h
Dựa vào thang màu ta nhận thấy rằng những vị trí có màu cam đỏ trên nóc xe và ở phần tiếp xúc với mặt đất của bánh xe với tốc độ gió vào khoảng 3.858e+01 m/s (tức 138.9 km/h), tốc độ gió thấp nhất nằm ở đuôi xe đạt giá trị 0 km/h. Dựa
vào đây ta có thể thấy được tác động của gió lên vỏ xe, những nơi hiển thị màu đỏ cam là nơi chịu sức cản không khí lớn nhất, còn các vị trí có màu vàng thì ít chịu lực cản hơn và vùng màu xanh hầu như không bị chịu sức cản của không khí.
Mặt khác, ở trường hợp 2, nhìn chung mặt bằng giá trị vận tốc không khí cao hơn so với trường hợp 1, lý giải là do trong trường hợp này xe di chuyển với tốc độ 100km/h cao hơn so với trường hợp trước. Hình 4.26 thể hiện rõ hơn sức cản của