SolidWorks Simulation là một hệ thống phân tích thiết kế đầy đủ được tích hợp trong SolidWorks. SolidWorks Simulation cung cấp một giải pháp toàn diện cho các kiểu phân tích về stress (ứng suất), frequency (tần số), buckling (mất ổn định), thermal (nhiệt), and optimization (tối ưu thiết kế). SolidWorks Simulation cho phép bạn giải quyết những vấn đề lớn một cách nhanh chóng thông qua các phép tính mạnh mẽ, linh hoạt.
Nhóm sử dụng nghiên cứu tĩnh học (Static studies) trong Solidworks Simulation tính toán các chuyển vị, biến dạng, ứng suất trên khung xe. Từ đó, chúng ta tối ưu khả năng bền của khung xe.
17
Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ 4.1. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
4.1.1. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung xe
4.1.1.1. Phương án chọn số bánh xe
Theo quy định của ban tổ chức thì xe thi đấu phải có từ 3 bánh trở lên, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án trên:
Bảng 4.1:So sánh phương án số bánh xe.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
4 bánh, 2 bánh trước và 2 bánh sau
Không gian rộng cho người lái, dễ lắp đặt các hệ thống, ổn định khi quay vòng
Cần có vi sai, khối lượng lớn hơn, cần kỹ thuật cao
3 bánh, 2 bánh trước và 1 bánh sau
Khối lượng nhẹ hơn, ít cản lăn hơn,
Khó điều khiển khi quay vòng
4.1.1.2. Phương án chọn kích cỡ bánh xe
Ở đây ta sử dụng bánh xe đạp để giảm diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường. Bảng 4.2: So sánh phương án kích cỡ bánh xe.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Bánh lớn Dễ dàng tìm kiếm Tăng trọng tâm của xe, khó lắp đặt, cần không gian lớn. Bánh nhỏ Giảm trọng tâm của xe, dễ
lắp đặt, cần không gian nhỏ.
Khó tìm kiếm kích thước phù hợp
18 + 3 bánh, 2 bánh trước và một bánh sau.
+ Bánh xe nhỏ.
4.1.1.3. Phương án đặt động cơ
Theo nghiên cứu và tham khảo các nhóm đi trước, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án đặt động cơ lên khung xe như sau:
Bảng 4.3: So sánh phương án đặt động cơ.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Động cơ đặt đứng Khối lượng nhỏ, dễ lắp đặt Phải thay đổi cấu trúc(cắt bỏ phần hộp số của động cơ) Động cơ nằm ngang Không phải thay đổi cấu
trúc động cơ
Tốn nhiều không gian, khối lượng cao
➢ Để đảm bảo xe nhỏ nhất có thể, nhóm nghiên cứu chọn phương án động cơ đặt đứng.
4.1.1.4. Phương án kết cấu khung xe
Dựa vào khả năng thi công, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án kết cấu khung xe như sau:
Bảng 4.4: So sánh phương án kết cấu khung xe.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Khung hình thang Nhẹ, dễ thi công Độ cứng xoắn thấp, khó gá lắp vỏ xe vào khung xe Khung không gian Cấu trúc chắc chắn, dễ gá
lắp vỏ xe vào khung xe
Nặng hơn
Để đảm bảo độ xe làm việc ổn định ở các chế độ khác nhau và thuận tiện cho việc gá lắp vỏ xe vào khung xe, ta chọn phương án: khung không gian.
19
4.1.1.5. Phương án vật liệu khung xe
Theo nghiên cứu và kinh nghiệm từ các nhóm đi trước thì có hai loại vật liệu thích hợp nhất như sau:
Bảng 4.5: So sánh tính chất cơ học của inox 304 và thép SS400[5]. Vật liệu Giới hạn bền kéo (Mpa) Giới hạn bền chảy (Mpa) Khối lượng riêng (g/cm3) Inox 304 515 205 8 Thép SS400 510 245 7.85
➢ Dựa vào bảng phân tích ta thấy khối lượng thép SS400 có độ bền lớn hơn và khối lượng riêng nhẹ hơn inox nên nhóm chọn phương án vật liệu là thép SS400 cho khung xe.
Ở đây nhóm chọn tiết diện của vật liệu là hình chữ nhật, Mặc dù tiết diện hình tròn có khả năng chịu uốn chịu xoắn tốt hơn nhưng nó sẽ khó gia công ở các điểm nối dẫn đến giảm độ chính xác của khung xe. Vì vậy để đảm bảo khung xe có độ chính xác cao nhất, nhóm chọn tiết diện vật liệu có hình chữ nhật.
4.1.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế vỏ xe
4.1.2.1. Phương án kiểu vỏ xe
Theo nghiên cứu và kinh nghiệm từ các nhóm đi trước, có 2 loại kiểu vỏ xe thường gặp như sau:
20 Bảng 4.6: So sánh phương án kiểu vỏ xe.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
Vỏ xe bao kín hoàn toàn Tính khí động học tốt hơn, tính thẩm mỹ cao
Công tác chế tạo đòi hỏi công nghệ cao, khó liên kết với khung xe,chi phí chế tạo lớn.
Vỏ xe bao kín một phần Gia công đơn giản, dễ liên kết với khung xe, chi phí chế tạo tương đối nhỏ.
Tính khí động học không tối ưu.
➢ Yêu cầu thiết kế là dễ dang chế tạo, và dễ dàng gắn lên khung xe nên ta chọn phương án vỏ xe bao kín một phần.
4.1.2.2. Phương án biên dạng vỏ xe
➢ Từ hình 3.2, ta thấy hình giọt nước có hệ số cản thấp nhất, vì thế ta chọn biên dạng của vỏ xe giống tựa như hình giọt nước là tối ưu nhất.
4.1.2.3. Phương án vật liệu vỏ xe
Bảng 4.7: So sánh phương án vật liệu vỏ xe.
Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm
Composite gia cường sợi thủy tinh
Nhẹ, chắc chắn, dễ tạo hình Phải tạo khuôn chính xác với biên dạng cần tạo hình. Giá thành cao. Nhiều công đoạn và thời gian lâu và độc hại khi thi công.
21 Composite gia cường sợi
carbon
Rất nhẹ, chắc chắn, dễ tạo hình
Phải tạo khuôn chính xác với biên dạng cần tạo hình. Giá thành rất cao. Nhiều công đoạn và thời gian lâu và độc hại khi thi công.
➢ Theo yêu cầu thiết kế, vỏ xe phải nhẹ nhưng đảm bảo khả năng gia công và chi phí chế tạo phù hợp nên ta chọn phương án vật liệu vỏ xe là : composite gia cường sợi thủy tinh.
4.1.2.4. Phương vật liệu kính chắn gió
Trên thị trường có hai loại nhựa trong suốt như sau: Bảng 4.8: So sánh phương án vật liệu kính chắn gió.
Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm
Nhựa PET Rất nhẹ, chi phí thấp, có độ trong suốt cao dễ quan sát
Khó tạo hình với các hình dạng 3D
Nhựa Mica Nhẹ, chi phí thấp, có độ trong suốt cao dễ quan sát
Khó tạo hình với các hình dạng 3D
➢ Từ phân tích ta thấy, cả hai loại vật liệu khá là giống nhau nhưng nhựa PET có khối lượng nhẹ hơn nên ta chọn nhựa PET.
22
4.2. Thiết kế biên dạng hình học của khung xe và vỏ xe 4.2.1. Thiết kế biên dạng hình học của khung xe 4.2.1. Thiết kế biên dạng hình học của khung xe
4.2.1.1. Kích thước các bộ phận chính trên xe
❖ Kích thước cơ bản của con người
23
❖ Kích thước của người lái
Bảng 4.9: Kích thước cơ thể người lái.
A 1620 B 850 C 230 D 300 E 680 F 350 G 435 H 850 I 225 K 140 L 300 M 80 N 125 O 50 P 180 R 100 Chiều rộng vai 370 Chiều rộng hông 275
24
❖ Kích thước động cơ
Động cơ theo yêu cầu của ban tổ chức: động cơ honda 110cc.
Hình 4.3: Kích thước động cơ.
❖ Kích thước bánh xe
25
4.2.1.2. Tư thế ngồi của người lái
Hình 4.5: Tư thế ngồi của người lái. 4.2.1.3. Bố trí các bộ phận trên xe
❖ Hình chiếu đứng
26
❖ Hình chiếu bằng
Hình 4.7: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu cạnh.
❖ Hình chiếu cạnh
27
4.2.1.4. Xây dựng biên dạng 2D cho khung xe
Dựa vào bố trí các bộ phận trên xe ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho khung xe.
❖ Hình chiếu đứng
Hình 4.9: Hình chiếu đứng biên dạng khung xe.
❖ Hình chiếu bằng
28
❖ Hình chiếu cạnh
Hình 4.11: Hình chiếu cạnh biên dạng khung xe.
4.2.1.5. Xây dựng bản vẽ khung xe 3D
Dựa vào biên dạng 2D đã thiết kế ta tiến hành xây dựng biên dạng 3D.
29 + Dùng thép vuông 25x25mm dày 1.2mm để làm dầm cho vị trí chịu tải chính trên xe. + Dùng thép chữ nhật 20x10mm dày 1mm làm dầm cho mũi xe và phần thân xe chịu tải vừa.
+ Dùng thép tròn 10mm dày 0.8mm để làm phần tựa đầu cũng như ngăn cách buồng người lái xe và động cơ để đảm bảo an toàn.
❖ Kích thước chi tiết của khung xe:
30
❖ Khối lượng khung xe tính toán bằng Solidworks
Hình 4.14: Khối lượng của khung xe.
Theo hình trên, ta thấy khối lượng tính toán bằng Solidworks của khung xe là: m=7184 (g)
4.2.2. Thiết kế bản vẽ vỏ xe
4.2.2.1. Xây dựng bản vẽ vỏ xe 2D
Dựa trên các phương án vỏ xe đã chọn và biên dạng hình học của khung xe, chúng ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho vỏ xe.
❖ Hình chiếu đứng
31
❖ Hình chiếu bằng
Hình 4.16: Hình chiếu bằng biên dạng của vỏ xe.
❖ Hình chiếu cạnh
Hình 4.17: Hình chiếu cạnh biên dạng vỏ xe. 4.2.2.2. Xây dựng bản vẽ vỏ xe 3D
32
Hình 4.18: Biên dạng 3D của vỏ xe.
4.3. Mô phỏng và đánh giá
4.3.1. Mô phỏng và đánh giá khung xe
❖ Tổng khối lượng của xe Bảng 4.10: Tổng khối lượng của xe.
Các phần chính Khối lượng ( kg) Người lái 54 Khung xe 7,2 Động cơ 14 Vỏ xe 6 Tổng cộng 81,2
❖ Thực nghiệm tải trọng người tác dụng khung xe
Nhóm đã sử dụng cân để biết được tải trọng tác dụng lên khung xe tại các điểm tiếp xúc người với khung xe như thế nào, từ đó mô phỏng trên Solidworks để ra kết quả chính xác hơn.
33
Hình 4.19: Minh hoạ thực nghiệm đo tải trọng phân bố của người tác dụng lên khung xe.
Như vậy ta có:
+ Lực bàn chân tác dụng lên khung: 𝑃1 = 𝑚1. 𝑔 = 2.10 = 20 𝑁
+ Lực thân tác dụng lên khung: 𝑃2 = 𝑚2. 𝑔 = 30.10 = 300 𝑁
+ Lực lưng, vai tác dụng lên khung: 𝑃3 = 𝑚3. 𝑔 = 22.10 = 220 𝑁
34 Bảng 4.11: Giá trị các lực phân bố tác dụng lên khung xe.
Kí hiệu P1 P2 P3 P4
Lực tác dụng từ chân lên khung
Lực tác dụng từ thân người lên
khung
Lực tác dụng từ lưng và vai lên
khung Lực tác dụng từ động cơ lên khung Giá trị (N) 20 300 220 140
❖ Quy trình thực hiện mô phỏng
Quy trình thực hiện mô phỏng kiểm tra bền khung xe thực hiện bằng phần mềm Solidworks được thể hiện trong sơ đồ :
❖ Các thông số đầu vào Chọn hệ số an toàn k = 1,75. Nhập mô hình và gán vật liệu Chọn phần tử Tạo liên kết Đặt ràng buộc Đặt tải Chia lưới Chạy mô phỏng
35 Vật liệu : Thép SS400 có độ bền kéo giới hạn (tensile strength) [𝜎𝑏] = 510 (𝑀𝑃𝑎) và ứng suất chảy (yield strength) [𝜎𝑐] = 245 (𝑀𝑃𝑎) với khối lượng riêng d = 7850 (kg/m3) .
Ứng suất cho phép [𝜎] = 245
1,75 = 140 𝑀𝑃𝑎.
❖ Chọn vật liệu mô phỏng
36
4.3.1.1. Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng
Hình 4.22: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
Với G là trọng lượng toàn bộ xe ( bao gồm trọng lượng: khung xe, người lái, động cơ).
⇒ G= 810 ( N)
Phương trình cân bằng lực và lấy mômen tại O2 ta được:
{𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝑍1𝐿 − 𝐺b = 0 ⇒{ 𝑍1+ 𝑍2− 810 = 0 𝑍1. 1450 − 810.1085 = 0 ⇒{𝑍2 = 204 (𝑁) 𝑍1 = 606 (𝑁)
37
❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
Hình 4.23: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
❖ Đặt lực
Hình 4.24. Đặt các lực tác dụng lên khung trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
38
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng
Hình 4.25: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
Hình 4.26: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
39
4.3.1.2. Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng
Khi tăng tốc xe sẽ sinh ra lực quán tính và lực này tác động vào khung xe cần xem xét.
Hình 4.27: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
Bảng 4.12: Hệ số cản lăn của mặt đường.
Loại đường Hệ số cản lăn
Đường nhựa bê tông 0,012-0,015
Đường rải đá 0,023-0,03
Đường đất khô 0,025-0,035
Đường đất sau khi trời mưa 0,05-0,15
Đường cát 0,1-0,3
Vì đường thi đấu là đường nhựa bê tông nên ta chọn hệ số cản lăn 𝑓 = 0.012.
Ở đây xem hệ số cản lăn của bánh sau và bánh trước là như nhau. Lúc này ta có: + Lực cản lăn: 𝐹𝑓 = 𝐹𝑓1+ 𝐹𝑓2 = 𝐺𝑓 = 810.0,012 = 9,7 (𝑁).
+ Mô men cản lăn: 𝑀𝑓 = 𝑀𝑓1+ 𝑀𝑓2 = 𝐺𝑓𝑟𝑏 = 810.0,012.0,25 = 2,4 (𝑁𝑚).
Theo kinh nghiệm, việc tăng tốc từ 15 km/h đến 35km được thực hiên trong vòng 4s.
⇒ gia tốc j = 35−15
4 = 5 m/s2
40 Phương trình cân bằng lực và lấy momem ở O2 ta có:
{ 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑘 − 𝐹𝑗 − 𝐹𝑓1− 𝐹𝑓2 = 0 𝑍1𝐿 + 𝐹𝑗ℎ − 𝐺𝑏 − 𝑀𝑓1− 𝑀𝑓2 = 0 ⇔ { 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑘 − 𝐹𝑗 − 9,7 = 0 𝑍1𝐿 + 𝐹𝑗ℎ − 𝐺𝑏 − 2,4 = 0 ⇒ 𝑍1 =𝐺𝑏−𝐹𝑗ℎ−2,4 𝐿 = 810.1085−405.200−2,4 1450 = 550 (N) 𝑍2 = 260 (N) 𝐹𝑘 = 414,7 (N) 𝐹𝑗 = 405 (N) ❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
41
❖ Đặt lực
Hình 4.29: Đặt lực lên khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng.
42
Hình 4.31: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng
Theo kết quả cho thấy, ứng suất lớn nhất σ = 133,4 (MPa) <[σ] = 140 (MPa).
4.3.1.3. Khi xe phanh trên đường bằng phẳng
Để đảm bảo có thành tích tốt nhất khi thi đấu, ta sẽ không sử dụng phanh trong quá trình thi đấu. Nhưng có những trường hợp cần phải phanh gấp để đảm bảo an toàn. Vì thế ở đây ta vẫn đề cập đến trường hợp phanh xe trên đường bằng phẳng.
Khi phanh xe sẽ sinh ra lực quán tính và lực này tác động vào khung xe cần xem xét.
43 Vì đường thi đấu là đường nhựa, bê tông xi măng mới, khô. Nên ta chọn hệ số bám 𝜑 = 0,7.
Hình 4.33: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng.
Phương trình cân bằng lực và lấy momen tại O2 ta có:
{ 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑝 − 𝐹𝑗𝑝 = 0 𝑍1𝐿 − 𝐺𝑏 − 𝐹𝑗𝑝ℎ = 0 (4.1) ⇒𝑍1= 𝐺𝑏+𝐹𝑗𝑝ℎ 𝐿 𝑍2= 𝐺 −𝐺𝑏+𝐹𝑗𝑝ℎ 𝐿 = 𝐺 −𝐺𝑏+𝑚.𝑗𝑝.ℎ 𝐿 Với𝐹𝑗𝑝 = 𝑚.jp
Vì đây là trường hợp phanh gấp nên lực phanh ở đây là lực phanh lớn nhất. Lúc này, 𝐹𝑝 =
𝑍2. 𝜑 Từ (4.1) ta có 𝐹𝑝= 𝐹𝑗𝑝⟺𝑍2. 𝜑 = 𝑚.jp⟺(𝐺 −𝐺𝑏+𝑚.𝑗𝑝.ℎ 𝐿 ). 𝜑 = 𝑚.jp ⇒jp = 𝑔𝐿𝜑−𝑔𝑏𝜑 ℎ𝜑+𝐿 =10.1450.0,7−10.1085.0,7 200.0,7+1450 =1,61 (m/s2) ⇒ 𝐹𝑗𝑝 =𝑚.jp = 81,2.1,61 = 130,4 (N) 𝑍1= 624 (N) 𝑍2= 186 (N)
44
❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
Hình 4.34: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
❖ Đặt lực
Hình 4.35: Đặt các lực tác dụng lên khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
45
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng
Hình 4.36: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
Hình 4.37: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.