CHƯƠNG VI : CASE STUDIES
6.1 Case Study 1: Front Upper Arm trong hệ thống treo
6.1.2.1 Xét trường hợp xe và xe kéo đứng yên:
Hình 6.4 Sơ đồ chỉ xét xe Caravan. Lấy momem tại bánh xe:
𝑁2(𝑑 + 𝑒) = 𝑚2𝑔𝑒 𝑁2 = 1066 × 9.8 × 0.230
2.959 + 0.23 = 754 𝑁 ∑ 𝐹𝑧 = 𝑁1+ 𝑁2 = 𝑚2𝑔 𝑁1 = 1066 × 9.8 − 754 = 9693 𝑁
71 Hình 6.5 Sơ đồ lực chỉ xét xe hơi.
Xét lực theo phương thẳng đứng:
∑ 𝐹𝑧 = 0
𝑁3+ 𝑁4 = 𝑚1𝑔 + 𝑁2 = 1250 × 9.8 + 754 = 13004 𝑁 (1) Xét momem tại bánh xe trước:
𝑁3(𝑎 + 𝑏) = 𝑚1𝑔𝑎 + 𝑁2(𝑎 + 𝑏 + 𝑐)
𝑁3(1.318 + 1.344) = (1250 × 9.8 × 1.318) + 754(1.318 + 1.344 + 1.1)
𝑁3 = 7131 𝑁
Từ (1) => 𝑁4 = 13004 − 7131 = 5873 𝑁
6.1.2.2 Tính tốn phần Double Wishbone Suspension:
Một sơ đồ của hệ thống Double Wishbone Suspension trong đó lị xo tác động lên phần dưới cánh tay được thể hiện trong hình 6.6. Các giả định sau đây được đưa ra [8]:
Tải trọng do bản thân khối lượng bị bỏ qua trên cơ sở rằng chúng sẽ không đáng kể so với tải trọng phát sinh từ tải trọng bánh xe tĩnh, Fw.
72 Tải trọng tĩnh của bánh xe, 𝑭𝒘, thường sẽ được tính từ dữ liệu xe.
Rõ ràng đây là một vấn đề thống kê vì tất cả các thành phần ở trạng thái cân bằng và cách tiếp cận đơn giản nhất là một đồ họa. Các sơ đồ hình vẽ và sơ đồ vectơ lực liên quan được hiển thị trong hình 6.6
Lưu ý các đặt điểm sau trong việc thu được các kết quả này [8]:
Lực ở cánh tay trên upper arm phải dọc theo liên kết vì nó được nối với nhau ở cả hai đầu.
Trước tiên hãy xem xét cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục. Các hướng của 𝑭𝑾 và 𝑭𝑫 được biết để có thể tìm thấy hướng của 𝑭𝑪 (nó phải đi qua G để cân bằng).
Tiếp theo, các thành phần lực cho cánh tay địn dưới có thể được phân tích ra.
Tiếp theo, FBD cho nhánh dưới có thể được rút ra.
Hình 6.6 Sơ đồ hình vẽ của hệ thống Double Wishbone Suspension.
Dưới đây là sơ đồ phân tích lực chỉ xét bánh xe và ngỗng trục. Dựa vào đó, mới có thể phân tích các thành phần cịn lại.
73 Hình 6.7 Sơ đồ phân tích lực cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục.
Đây là sơ đồ phân tích vectơ lực khi đã xác định góc.
Hình 6.8 Sơ đồ vectơ lực của cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục. 𝑭𝒘 =𝑵𝟒 𝟐 = 𝟓𝟖𝟕𝟑 𝟐 = 𝟐𝟗𝟑𝟕 𝑵 [7] 𝑭𝒘 𝐬𝐢𝐧 𝟓𝟏= 𝑭𝑪 𝐬𝐢𝐧 𝟏𝟎𝟑 = 𝑭𝑫 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝟔
74 𝑭𝑪 = 𝟑𝟔𝟖𝟐 𝑵; 𝑭𝑫 = 𝟏𝟔𝟓𝟕 𝑵
Tiếp theo, chuyển giá trị vectơ tính được thành hai lực thành phần và chiều dương của vectơ phụ thuộc vào hệ trục tọa độ của phần mềm.
𝑭𝑫 = 𝟏657 𝑁 𝐹𝐷𝑥 sin 76= 𝐹𝐷 sin 90; 𝐹𝐷𝑌 sin 64 = 𝐹𝐷 sin 90 𝐹𝐷𝑥 = 1608 𝑁; 𝐹𝐷𝑌 = 400 𝑁 6.1.3 Các bước thực hiện:
6.1.3.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator
Mở file Front Lower Arm.ipt và nhấn thanh công cụ 3D Model > Explore, bấm vào click Shape Generator.
6.1.3.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints Thêm Material Thêm Material
Trên thanh công cụ Analysis Material panel, chọn Assign .
Trong hộp thoại Assign Materials, cột Override Material, nhấn mở danh sách và chọn Steel.
75 Hình 6.9 Hộp thoại Assign Materials.
Thêm Constraints:
Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Structural Constraints: Chọn Pin , nhấn chọn vào như hình 6.10 và chọn OK:
76 Hình 6.10 Chọn ràng buộc Pin thứ nhất.
Chọn Pin , nhấn chọn vào như hình 3. Nhưng chỉ nhấn chọn Fix Tangential Direction và click OK:
77 Hình 6.11 Chọn ràng buộc Frictionless thứ hai.
6.1.3.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region Thêm Loads: Thêm Loads:
Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Force:
78 Hình 6.12 Tải trọng Force.
Thêm Preserve Region:
Trên thanh cơng cụ của Analysis, click vào Preserve Region:
79 Hình 6.13 Preserve Region thứ nhất.
80 Hình 6.14 Preserve Region thứ hai.
Tương tự như vậy, chọn mặt như hình 7.19, chỉnh Radius = 4.76 mm và Length = 12.2 và nhấn OK.
81 Hình 6.15 Preserve Region thứ ba.
6.1.3.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape Shape Generator Settings Shape Generator Settings
Để truy cập, thanh công cụ Analysis Goals and Criteria panel, nhấp vào Shape Generator Settings.
82 Hình 6.16 Hộp thoại Shape Generator Settings.
Sau đó, nhấn thanh cơng cụ Analysis Generate Shape. Promote Shape:
83 6.1.3.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết
Sau khi có file mesh của chi tiết được tối ưu hóa, hãy thiết kế lại dựa vào file mesh đó. Chi tiết được thiết kế khơng cần thiết phải giống hồn tồn với file mesh được ra. Nhưng mà người thiết kế phải làm sao cho hình dạng kết cấu được tối ưu.
Để cho thuận tiện cho việc thiết kế, nhấn View Visual Style Wireframe with Hidden Edges .
Cuối cùng, đã hồn thành xong thì sẽ có kết quả tương tự như vậy.
Hình 6.18 Front Upper Arm đã tối ưu. 6.1.3.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa Thiết kế ban đầu:
Công cụ Stress Analysis được sử dụng để phân tích. Ngoải ra, các thơng số của lưới bao gồm Average Element Size: 0.01; Minimum Element Size: 0.010, Grading Factor: 1.000và Maximum Turn Angle: 45 deg. Số lượng Nodes là 399410 và số lượng elements là 279012. Điều kiện biên của chi tiết là lực mũi tên màu vàng 𝐹𝐷𝑥 = 1608 𝑁; 𝐹𝐷𝑌 = 400 𝑁 như hình 18. Bên cạnh đó, hai lỗ dưới của chi tiết được ràng
84 buộc bởi Pin Constraints hạn chế Radial Direction và Axial Direction. Tiếp theo, mặt đầu chi tiết thì được ràng buộc bởi Pin Constraints chỉ hạn chế Tangential Direction như hình 6.19.
Hình 6.19 File lưới và điều kiện biên của chi tiết. Bảng 6.2: Thông số vật liệu Stainless steel.
Vật liệu Stainless Steel
Young’s Modulus 192984 MPa
Poisson’s ratio 0.3
Density 8 g/cm3
Yield strength 350 MPa
Tensile strength 540 MPa
Von Mises Stress:
Sau đó, chi tiết được phân tích để đưa ra kết quả Von Mises Stress:
Kết quả cho thấy được, ứng suất tập trung ở các góc của chi tiết bởi vì góc bo cung cịn nhỏ. Thậm chí ứng suất tối đa đạt đến 305.2 MPa. Ở các hai vị trí lỗ thì có tập trung xuất khoảng 122.1 MPa tới 189.2 MPa.
85 Hình 6.20 Von Mises Stress của chi tiết ban đầu
Displacement:
Ở phần này, chi tiết có chuyển vị tối đa 0.007453 mm, con số rất nhỏ nên không đáng kể. Độ chuyển vị của chi tiết tập trung ở phía trước và trải dài ra đằng sau. Nhưng không hề xuất hiện gì ở hai bên.
Hình 6.21 Displacement của chi tiết ban đầu Thiết kế tối ưu:
Để chứng minh cho kết cấu này vẫn đủ độ bền thì ta phân tích phần tử hữu hạn của chi tiết sau khi tối ưu. Chi tiết được chia lưới với thông số như sau: Nodes là 343682 và Elements là 238280.
86 Hình 6.22 File lưới chi tiết đã tối ưu.
Von Mises Stress:
Sau khi đã tối ưu xong, ứng suất cao nhất của chi tiết cao nhất là 321.7 MPa và vẫn tập trung tại các góc dưới của chi tiết. Chỗ này có thể xuất hiện vết nứt tế vi nếu có ứng suất cao hơn.
Hình 6.23 Von Mises Stress của chi tiết ban đầu Displacement:
87 Ở phần này, chuyển vị cao nhất là 0.01097 mm nhưng khơng đáng kể. Có thể thế được ở phần đầu của chi tiết có chuyển vị nhiều nhất nhưng giảm dần về phía bên trái.
Hình 6.24 Displacement của chi tiết tối ưu. 6.1.3.7 Kết luận và Phân tích:
Có thể nói rằng, Front Upper Arm được phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ứng suất và chuyển vị của chi tiết. Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất là 305.2 MPa và sự chuyển vị tối đa là 0.007453 mm. Còn ở thiết kế được tối ưu, ứng suất lớn nhất là 321.7 MPa nhỏ hơn Yield strength của vật liệu, 350 MPa. Kết luận kết cấu vẫn hoạt động bình thường. Ngồi ra, chuyển vị của thiết kế được tối ưu là 0.01097 mm.
88 Hình 6.25 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế.
Hình 6.26 Biểu đồ so sánh Displacement của hai thiết kế. 305.2 321.7 295 300 305 310 315 320 325 Mpa
VON MISES STRESS
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
0.007453 0.01097 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 mm DISPLACEMENT
89 Bảng 6.3: So sảng khối lượng của hai thiết kế.
Front Upper Arm ban đầu 26.960 g Front Upper Arm tối ưu 22.420 g Phần trăm khối lượng giảm (%) 16.84%
Không chỉ thế, Front Upper Arm đã giảm đến 16.84% vật liệu nhưng đủ độ bền cho chi tiết.
6.2 Case study 2: Dầm chữ I 6.2.1 Giới thiệu 6.2.1 Giới thiệu
Thép hình là loại thép được ứng dụng vào nhiều mảng trong cuộc sống con người như: kết cấu xây dựng, kết cấu kỹ thuật, đòn cân, xây dựng cầu đường, ngành cơng nghiệp đóng tàu, tháp truyền thanh, nâng vận chuyển máy móc, khung container, kệ kho chứa hàng hóa, cầu, tháp truyền, nâng và vận chuyển máy móc, lị hơi cơng nghiệp, xây dựng nhà xưởng, kết cấu nhà tiền chế, nâng và vận chuyển máy, làm cọc cho nền nóng nhà xưởng.….Tuy nhiên đáng kể nhất chính là ứng dụng trong ngành xây dựng.
Ngày nay, có rất nhiều loại thép hình dáng khác nhau với những đặc điểm chuyên biệt khác nhau nhằm đáp ứng những nhu cầu khác nhau của các cơng trình hiện đại và tiêu biểu là các loại thép hình chữ H, thép hình chữ I và thép V. Thép hình có đặc tính là cứng, bền bỉ, cường độ chịu lực cao và chịu được những rung động mạnh. Khi chịu điều kiện khắc nghiệt do tác động của hóa chất, nhiệt độ nên phù hợp cho các ngành cơng nghiệp và xây dựng.
6.2.2 Mục đích nghiên cứu:
Nhằm tối ưu hóa thiết kế của dầm chữ I, mơ hình CAD được vẽ trên Inventor Professional 2019 và sử dụng mơ đun Shape Generator để tìm ra thiết kế tốt nhất. Ngồi ra, những mơ hình này cịn được phân tích phần tử hữu hạn để chứng minh các thiết kế được tạo ra có đảm bảo an tồn hay khơng? Khơng chỉ thế, nghiên cứu này nhằm để phát triển các kết cấu truyền thống được sử dụng từ rất lâu.
6.2.3 Phân tích phần tử hữu hạn và Tối ưu hóa:
90 Bảng 6.4: Bảng vật liệu Steel
Vật liệu Steel
Young’s Modulus 210014 MPa
Poisson’s ratio 0.3
Density 7.850 g/cm^3
Yield strength 207 MPa
Tensile strength 345 MPa
Các thông số về Mesh của dầm ban đầu như sau: số lượng nodes là 621697, số lượng elements là 386176.
Hình 6.27 File Mesh ban đầu của dầm chữ I. Dầm chữ I sẽ được phân tích trong 2 trường hợp:
Dầm sẽ bị tải ở bên phải và được cố định ở bên trái.
Dầm sẽ bị tải phân bố đều ở mặt trên và được cố định ở bên trái. 6.2.3.1 Trường hợp thứ nhất: Dầm bị tải bên phải
Thiết kế ban đầu:
Đầu tiên, điều kiện bên của dầm được phân tích như sau: bên trái của dầm được chọn Fix constraints, mũi tên màu vàng ở bên trái chỉ tải trọng có độ lớn 1000N và hướng xuống, còn lại là mũi tên màu xanh lá ở giữa chỉ hướng gia tốc trọng trường và hướng xuống.
91 Hình 6.28 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 1.
Sau đó, dầm được phân tích dưới mơ đun Static Analysis cho ra kết quả Von Mises Stress:
Ở bên trái của dầm, chịu ứng suất ở mức trung bình, khoảng 37.81 MPa. Cịn ở bên phải ở dầm là chịu ứng suất cao nhất từ 66.43 MPa đến 83.1MPa.
Hình 6.29 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu. Cuối cùng, sự chuyển vị của dầm sau khi chịu tải trọng: Displacement.
Ở bên phải có sự chuyển vị nhiều nhất là 0.5459 mm, cịn bên trái, dường như khơng có sự thay đổi nào.
Hình 6.30 Displacement của dầm chữ I ban đầu. Thiết kế được tối ưu:
92 Mô đun Shape Generator giúp người kỹ sư tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho điều kiện biên và những dữ liệu đầu vào. Để giải quyết như vậy, những dữ liệu như là Mass Target, Preserve Region, Symmetry Plane phải được đưa vào để phần mềm phân tích. Hình dưới đây là hình dạng của thiết kế được tối ưu sau khi chạy phân tích nhưng đây chỉ dữ liệu Mesh. Nếu muốn có được hình dạng như vậy thì phải tự vẽ lại trên phần mềm.
Hình 6.31 Hình dạng thiết kế được tối ưu trong Shape Generator.
Sau khi hoàn chỉnh phần CAD của dầm bằng cách Sizing Optimization được hình dạng như thế này.
Hình 6.32 Hình dạng CAD thiết kế được tối ưu.
Tiếp theo, mơ hình CAD được chia lưới với các thơng số như sau: số lượng nodes là 580416 và số lượng elements là 357844.
Hình 6.33 File lưới của dầm được tối ưu.
Sau đó, các phần tử Mesh của chi tiết được phân tích trong mơ đun Static Analysis và cho ra kết quả Von Mises Stress:
Kết quả cho thấy rằng, ứng suất cao nhất đều nằm bên phải của dầm với giá trị từ 65.15 MPa đến 81.43 MPa. Ngồi ra, ứng suất trung bình nằm ở vùng bên trái và tại các rãnh cũng xuất hiện ứng suất, khoảng 32.9 MPa đến 49.35 MPa.
93 Hình 6.34 Von Mises Stress của dầm chữ I được tối ưu.
Tiếp theo, sự chuyển vị của chi tiết được thể hiện qua Displacement trong phần mềm: Ở kết quả bên dưới, sự chuyển vị tối đa nằm bên phải khoảng 0.6017 mm và dần dần giảm đi khi về sang bên trái của dầm.
Hình 6.35 Displacement của dầm chữ I được tối ưu. Kết luận và Phân tích:
Có thể nói rằng, dầm chữ I được phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ứng suất và chuyển vị của chi tiết. Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất là 83.1 MPa và sự chuyển vị tối đa là 0.5459 mm. Còn ở thiết kế được tối ưu, ứng suất lớn nhất là 81.43 MPa và 0.6067 mm. Ứng suất tối đa của chi tiết được giảm 1.67 MPa đi nhưng sự chuyển vị thì là tăng lên 0.0608 mm nhưng khơng đáng kể.
94 Hình 6.36 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế.
Hình 6.37 Biểu đồ so sánh Displacement của hai thiết kế. 83.1 81.43 80.5 81 81.5 82 82.5 83 83.5 Mpa
VON MISES STRESS
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
0.5459 0.6067 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62 mm DISPLACEMENT
95 Bảng 6.5: So sánh khối lượng của hai dầm chữ I.
Dầm ban đầu 10.928 kg
Dầm tối ưu 9.580 kg
Phần trăm khối lượng (%) 12.34%
Ngồi ra, dầm cịn được giảm 1.348 k, tương đương với 12.34%. Điều này có thể tiết kiệm một khoảng tiền vật liệu, nếu chế tạo một số lượng lớn.
6.2.3.1 Trường hợp thứ hai: Dầm bị tải phân bố đều Thiết kế ban đầu: Thiết kế ban đầu:
Đầu tiên, điều kiện bên của dầm được phân tích như sau: bên trái của dầm được chọn Fix constraints, mũi tên màu đỏ ở giữa có độ lớn 500 N và hướng xuống, còn lại là mũi tên màu vàng nhỏ hơn ở giữa chỉ hướng gia tốc trọng trường và hướng xuống.
Hình 6.38 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 2.
Sau đó, dầm được phân tích dưới mô đun Static Analysis cho ra kết quả Von Mises Stress:
Ở bên trái của dầm, chịu ứng suất ở cao nhất, khoảng 9.62 MPa đến 12.02 MPa. Còn ở bên phải ở dầm là chịu ứng suất thấp nhất.
96 Hình 6.39 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu.
Cuối cùng, sự chuyển vị của dầm sau khi chịu tải trọng: Displacement.