•Qúa trình giải bài toán về đàn hồi, sức bền, kết cấu cơ khí trong kỹ thuật thường dẫn đến giải phương trình hoặc hệ phương trình vi phân,đạo hàm riêng hoặc hệ phương trình đại số.
•Đối với các bài toán phức tạp, việc tìm ra nghiệm chính xác bằng phương pháp giải tích gần như không thực hiện được mà ta chỉ lấy các giá trị gần đúng. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời về cơ bản giải quyết được những khó khăn trên.
•Ngày nay, với tiến bộ của công nghệ thông tin và máy tính điện tử, các phần mềm của phương pháp phần tử hữu hạn ra đời phát huy tác dụng tích cực. Phương pháp phần tử hữu hạn này là công cụ chính trong việc thiết kế máy cơ khí: máy cắt kim loại, hộp số cơ khí,... Trong đó các trục là chi tiết rất quan trọng, người ta chủ yếu tính độ cứng vững, độ bền theo kinh nghiệm.
4.6.2 Giới thiệu phần mềm COSMOS
Phần mềm COSMOS
•Trước đây việc tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết máy như trục máy, thân máy,... thường phải mô hình hóa trục, thân máy thành các dạng đơn giản hơn rồi đặt lực lên đó thêm một số giả thiết nhằm tính toán đơn giản hóa, sau đó tính toán theo các giả thiết trên. Việt giả thiết như vậy vừa không đưa ra kết quả xác thực,vừa không chính xác. Phần mềm COSMOS có ưu điểm tính toán rất sát thực tế,ví dụ như khi tính bền trục máy hay thân máy ta tiến hành theo các bước sau:
+Ban đầu ta đã có chi tiết 3D vẽ bằng phần mềm SolidWorks, save lại thành file. +Mở file lên, thao tác các thao tác đơn giản như:
Chọn "New Study"
Chọn bài toán Static ( tính bền) Chọn vật liệu
Đưa vào các điều kiện ràng buộc ( như connection,fixture,external load,...) Chia phần tử (mesh)
Cuối cùng là chạy chương trình (Run)
+Sau khi chạy chương trình, ta sẽ đạt được kết quả cụ thể mà không tốn thời gian cũng như công sức tính toán.
•Phần mềm COSMOS có thể tính được bài toán như: tính toán tần số riêng của một chi tiết, một cum chi tiết, có thể tính được độ bền chi tiết dưới dạng tác dụng của ngoại lực, có thể tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền. Ngoài ra,phần mềm có thể tính được các bài toán về truyền nhiệt, dẫn nhiệt,...
•Phần mềm phát triển có cấu trúc mở, chương trình đa tài liệu để tận dụng giao diện của đồ họa Window hiệu quả và trực quan. Cấu trúc mở của chương trình cho phép người dùng có thể nhúng vào các phần mềm thiết kế của một hãng thứ 3 bằng cách dùng tính năng Customization công chương trình vào hoàn chỉnh chương trình.
•COSMOS được thiết kế trên nền cơ sở Parasolid,cũng hỗ trợ chuẩn ACIS và STEP AP203. Chương trình có thể mở trực tiếp từ Solidworks và Pro/Engineer. Ngoài ra, chương trình còn có thể đọc hầu hết các file CAD hiện nay.
•Phần mềm trên còn rất nhiều tính năng nổi bật và ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau
4.6.3 Ứng dụng COSMOS giải bài toán kiểm nghiệm bền.
b) Cụ thể các bước
Ứng dụng COSMOS để giải bài toán kiểm nghiệm bền. Ta đã thiết kế khung xe Formula SAE bằng phần mềm SolidWorks. Sau đó chuyển sang COSMOS. -Chọn vật liệu cho khung xe:
Bấm chuột phải vào mục đầu tiên, đó là tên của khung xe thiết kế ở phần mèm SolidWorks.Chọn Apply Material to All Bodies,hiện ra thư viện vật liệu.Ta chọn vật liệu cần dùng.
Hình 4.14 Chọn vật liệu cho khung xe
-Đặt lực và các ràng buộc vào khung
+Chọn thư mục Fixtures, sau đó chọn Fixed Geometry để tạo ràng buộc tại vị trí cần dùng.
Hình 4.15 Tạo ràng buộc cho khung xe +Chọn thư mục External Load đặc lực lên khung xe
Sau khi đã chọn bề mặt đặt lực, ta tiến hành nhập thông số,vị trí và giá trị của các lực theo các phương khác nhau như hình bên.
Sau khi ràng buộc và đặt lực lên khung xe ta được.
Rời rạc hóa trục thành các phần tử
Bấm vào Mesh trên cây thư mục chọn Creat Mesh để tạo lưới cho chi tiết
Chạy chương trình tính toán
Hình 4.19 Chạy chương trình tính toán
Xem kết quả (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Stress: Ứng suất tổng hợp
-Displacement: chuyển vị của khung
4.7 Kết quả kiểm nghiệm bền khung
Thứ tự Kiểm nghiệm Điều kiện biên Lực và mô men
1 Độ bền uốn tĩnh Cố định điểm đặt hệ thống treo trước và sau
Đặt tải trọng phân bố ở giữa khung Đặt lực tác dụng lên thành bên của khung
2 Độ bền xoắn tĩnh Cố định điểm đặt hệ thống treo sau
Đặt mô men tác dụng lên khoang trước của khung
4.7.1 Độ bền uốn
Trong đánh giá độ bền cắt tĩnh, giả thiết rằng khung giống như một thanh dầm, một đầu được cố định và một đầu chịu lực dọc như trên hình. Sơ đồ đặt lực lên khung xe.
Đặt các trọng lực có giá trị đã chọn
Đặt lực bên tác dụng lên khung xe có giá trị là: = = = 5560.3 (N)
Trong đó:
M-khối lượng của xe M = 238 (kg)
h – chiều cao từ trọng tâm của xe tới mặt đường h = 162 (mm)
Mũi tên màu đỏ được mô tả cho thấy lực tác dụng hướng ra ngoài
Hình 4.21 Sơ đồ đặt lực lên khung
Đặt lực với vị trí như trên hình,ta chạy chương trình COSMOS.Kết quả kiểm nghiệm độ bền uốn khung xe Formula Sae
Hình 4.22 Ứng suất lớn nhất khi chịu uốn là 5*N/
Kết quả cho thấy ứng suất lớn nhất là 5*N/. Các vùng màu đỏ cho thấy các vùng có ứng suất lớn.
Hình 4.23 Chuyển vị lớn nhất khi chịu uốn là 4.64 mm
Hình 4.24 Hệ số an toàn nhỏ nhất khi chịu uốn là 7.2
4.7.2 Kiểm nghiệm độ bền xoắn
Kiểm tra độ cứng xoắn là một trong những thử nghiệm quan trọng nhất đối với một cấu trúc khung. Trong trường hợp này,khung xe được coi như một dầm với một đầu cố định và đầu còn lại tự do chịu mô men xoắn.
Hình 4.25 Sơ đồ đặt lực khi kiểm nghiệm bền xoắn •Lực xoắn lớn nhất tác dụng lên cầu trước của xe bằng:
= *1.31 = 607.85 ( N.m)
Trong đó: – Lực tác dụng lên cầu trước
Tf - Chiều rộng cơ sở của cầu trước tf = 1.31 m
Đặc lực ràng buộc rồi chạy chương trình. Cho ta kết quả:
•Lực xoắn lớn nhất tác dụng lên cầu sau của xe bằng: = *1.464 = 778.88 ( N.m) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó: – Lực tác dụng lên cầu trước
Rr = 0.56*M*9.81 = 0.56*238*9.81 = 1181.12 (N) Tr – Chiều rộng cơ sở cầu sau tr = 1.464 m
Mô men xoắn tác dụng lên trục chính của khung
Kết quả cho thấy ứng suất lớn nhất là 5. (N/). Các vùng màu đỏ cho thấy đó là các vùng có ứng suất lớn.
Hình 4.28 Hệ số an toàn nhỏ nhất khi chịu xoắn là 8.8
4.8 Kết luận
STT Kiểm nghiệm Ứng suất Von Misses lớn nhất( N/
1 Độ bền uốn 5
2 Độ bền xoắn 4
Mà ta có ứng suất giới hạn của cho phép C25 là [ƈ ] = 37.3*( N/
Vậy qua kiểm nghiệm bằng Modul COSMOSWorks của phần mềm Solidworks ta thấy sử dụng vật liệu thép C20 đảm bảo độ bền cho chế tạo khung xe.
Phương pháp thiết kế và kiểm nghiệm bền khung xe Formula Sae bằng phần mềm Solidworks rất nhanh chóng và đưa ra kết quả chính xác và trực quan,đẩy nhanh quá trình từ thiết kế vào sản xuất.
-Kiểm nghiệm bền khung bằng phần mềm COSMOS cho phép: +Qúa trình tính toán nhanh
+Cụ thể
+Đạt độ chính xác cao
+Dễ quan sát chuyển vị và ứng suất
Chương 5
TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ KHUNG XE THAM DỰ CUỘC THI FORMULA SAE
5.1.1 Sơ đồ hóa các bước thực hiện giải bài toán tối ưu
Chúng ta cần tìm cách giảm thiểu khối lượng của khung xe với các điều kiện sau đây:
-Ứng suất tổng hợp von Mises không vượt quá các giá trị nhất định -Chuyển vị lớn nhất không vượt quá các giá trị nhất định
-Các tần số cơ bản cần ở trong phạm vi 0 Hz đến 400 Hz để tránh cộng hưởng với các tần số gây ra bởi máy móc thiết bị gắn kèm.
Chính vì vậy,chúng ta cần thực hiện các bước sau:
1.Tạo một Study tối ưu hóa
2.Xác định mục tiêu, các biến thiết kế, và các ràng buộc 3.Xem các kết quả của quá trình tối ưu hóa
5.1.2 Các thông số chính của bài toán tối ưu•Mục tiêu của bài toán: •Mục tiêu của bài toán:
-Giảm tối đa khối lượng mà vẫn đảm bảo các điều kiện về độ bền, và an toàn
•Các biến của bài toán tối ưu khung xe Formula SAE:
-Đường kính ngoài của các ống -Độ dày của các ống
•Các điều kiện của bài toán: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Điều kiện về ứng suất ( Stress)
-Điều kiện về chuyển vị ( Displacement) -Điều kiện về tần số dao động ( Frequency)
5.1.3 Các bước cụ thể
Hình 5.1 Gọi lại Study tính bền tĩnh
Hình 5.2 Lập một Study tính tần số dao động riêng
Khi tần số là một điều kiện ràng buộc, ta lập một tudy initial frequency (tần số ban đầu)
Lập một study với tên gọi là InitialFrequency với lưới khối.
Copy thư mục Solids từ study InitialStatic tới study InitialFrequency Copy thư mục Solids từ study InitialStatic tới study InitialFrequency Copy mesh (lưới) từ study InitialStatic đến study InitialFrequency. Chạy study InitialFrequency .
Nhấn chuột vào COSMOSWorks, List Results, Modes để liệt kê các tần số riêng của mô hình.
Hình 5.3 Hình ảnh kết quả tính tần số riêng của khung xe
B3.Tạo một study tối ưu hóa B3.1 Tạo một study tối ưu
Nhấn vào Evaluate.Góc trái màn hình có tool Design Study,nhấp chuột vào Design Study
Nhấn OK
Hình 5.4 Tạo một Study tối ưu hóa
Để định nghĩa các biến thiết kế:
Nhấn chuột vào Parameters trên thanh công cụ COSMOSWorks Optimization
Hình 5.5 Định nghĩa các biến thiết kế
Trong vùng đồ họa, chọn kích thước của biến
Trong bảng Parameters chọn Category: Model Dimension Value ( giá trị ban đầu của biến) tự nhảy
Units: chọn mm Nhấn OK .
Kích thước được lựa chọn xuất hiện trong thư mục Parameters
Lặp lại các bước từ 1-3 để thêm kích thước của các biên khác vào danh mục biến thiết kế.
Hình 5.6 Gán biến tối ưu trong tab Optimization
Sau đó Nhập số liệu cho giới hạn dưới và cho giới hạn trên. Chọn bước nhảy cho từng biến
Bảng Variables View liệt kê 4 biến thiết kế
Ứng suất tổng hợp von Mises cực đại không được vượt quá 1.8x N/m2 Để định nghĩa ràng buộc ứng suất von Mises
Nhấn Constraint trên thanh công cụ COSMOSWorks Optimization Trong PropertyManager, dưới Response chọn:
Static trong Analysis type Nodal Stress trong Result type .
VON: von Mises stress trong Component . . Dưới Bounds
Chọn N/m2 cho Units (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ðánh số 0 cho Lower Bound . Ðánh số 3e8 cho Upper Bound . Nhấn OK .
Ràng buộc ứng suất von Mises xuất hiện trong thư mục Constraint
Hình 5.7 Định nghĩa rang buộc,chuyển vị,tần số
Kết quả chuyển vị lớn nhất không được vượt quá 5 mm Để định nghĩa ràng buộc chuyển vị:
Nhấn chuột phải vào thu mục Constraint và chọn Add. Trong PropertyManager, dưới Response, chọn:
Static trong Analysis type.
Displacement trong Result type .
URES: Resultant displacement trong Component . Dưới Bounds: :
Chọn mm trong Units
Ðánh số 0 cho Lower Bound . Đánh số 5 cho Upper Bound. Nhấn OK .
Ràng buộc chuyển vị xuất hiên trong thư mục Constraints
B3.5 Định nghĩa ràng buộc tần số
Tần số cơ bản phải ở trong phạm vi 0 Hz đến 400 Hz. Để định nghĩa ràng buộc tần số:
Nhấn phải chuột vào thư mục Constraint và chọn Add Trong PropertyManager, dưới Response, chọn:
Dưới Bounds
Chọn Hz trong Units
Ðánh số 0 cho Lower Bound . Ðánh số 400 cho Upper Bound . Nhấn OK .
Bây giờ có 3 ràng buộc tần số trong Constraints
B3.6 Chạy study tối ưu hóa
Để chạy study tối ưu hóa:
Trong cây thư mục COSMOSWorks Manager,Goals nhấn chuột trái vào chọn Mass,cột bên cạnh chọn Minimize và chọn Run
Tính toán phân tích bắt đầu. Sau khi hoàn thành vòng tính đầu tiên, chương trình thay đổi các kích thước và chạy lại. Sau vài vòng tính, thông báo “Optimization succeeded” (tối ưu thành công) xuất hiện. Nhấn OK để đóng thông báo này
B3.7 Xem thiết kế cuối cùng
Gọi lại thiết kế ban đầu. Gọi lại thiết kế ban đầu.
Trong cây thư mục COSMOSWorks Manager, nhấn vào kí hiệu thư mục Result Nhấn đúp chuột vào Optimization
Để xác định số lần lặp mà COSMOSWorks cần để có được lời giải tối ưu, xem trong Rusult, kéo bảng kết quả sang bên phải. Số lần lặp là 81 lần
B3.8 Xem thiết kế tại vòng lặp thứ i
Lấy ví dụ: Để xem thiết kế tại vòng lặp thứ 1 và 79 :
Nhấn Result trên thanh công cụ COSMOSWorks Optimization.. Hộp thoại Result xuất hiện.
Nhấn vào Iteration 1 hoặc 79 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thiết kế tại vòng lặp thứ 1 hoặc 79 sẽ hiển thị.
B3.9 Lập biểu đồ quá trình tối ưu hóa
Để vẽ đồ thị lịch sử của các biến thiết kế:
Nhấn Design History Graph trên thanh công cụ COSMOSWorks Optimization. Hộp thoại Design History Graph xuất hiện.
Đặt Graph parameters là Design variables. Chọn Normalized to initial value.
Nhấn .
Tất cả các biến thiết kế được liệt kê trong hộp Available data được di chuyển tới hộp danh mục Plot data.
Nhấn OK
Đồ thị của 4 biến thiết kế được hiển thị. Nhấn để đóng cửa sổ đồ thị
Hình 5.8 Biểu đồ quá trình tối ưu hóa
Để lập đồ thị đối tượng đối với một biến thiết kế:
Nhấn chuột vào “Design Local Trend Graph” trên thanh công cụ COSMOSWorks Optimization
Hộp thoại Local Trend Graph xuất hiện.
Dưới X-Axis , đặt Design variable bằng DV2 tương ứng với D12@Sketch1. Dưới Y-Axis, nhấn chuột vào Objective và xác nhận Volume xuất hiện trong danh mục
Chọn Normalize to initial value . Nhấn OK.
Hình 5.9 Biểu đồ quá trình tối ưu với tưng biến
B3.11 Làm tròn các kích thước cuối cùng
Để phục vụ cho chế tạo, các giá trị thiết kế cần được làm tròn đến giá trị gần nhất có thể đo được nằm trong độ chính xác của quá trình chế tạo.
Làm tròn kích thước thiết kế, xây dựng lại mô hình, chia lưới và chạy lại study tính bền để có bản vẽ cuối cùng
5.3 Đánh giá và nhận xét về công việc Tối ưu hóa
Tối ưu hóa là một quá trình quan trọng trong việc thiết kế và đưa khung xe đã thiết kế vào trong sản xuất. Và việc sử dụng phần mềm COSMOSWORKS lại là một quyết định quan trọng trong việc tối ưu. Những lợi ích vô cùng to lớn của việc tối ưu bằng COSMOSWORKS như:
-Bổ sung vào các điều luật quy định kích thước tối thiểu của các ống thép => nâng cao tính thực tế của cuộc thi:
Bộ phận Đường kính ngoài * Độ dày (tối thiểu)
Khung chính và khung trước người lái Thanh chắn hai bên vai
Ống tròn 19 mm * 1.2 mm)
Kết cấu chống va chạm bên, buồng trước. Thanh giằng phía sau khung chính
Bảo vệ khoang người lái
Ống tròn 19mm * 2 mm
hoặc Ống vuông 25.0 mm x 25.0 mm x 1.25 mm
hoặc Ống vuông 26.0 mm x 26.0 mm x 1.2 mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vách ngăn bảo vệ phía trước, giằng hỗ trợ
Ống tròn 19.2 mm* 2mm
-Tiết kiệm được vật liệu,giảm giá thành sản xuất. Khối lượng trước tối ưu của khung xe là 75 kg, nhưng sau tối ưu chỉ còn 47 kg
-Tiết kiệm được thời gian để tìm ra một phương án tối ưu: