Trong lĩnh vực cơ học kết cấu khung ô tô cũng xuất hiện nhiều phần mềm phân tích kết cấu và đa số các phần mềm này đều dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đây là một số phần mềm đang có mặt tại Việt Nam:
+ SAP (Structural Analysis Program) có khả năng phân tích tĩnh và động các kết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện các phần tử hữu hạn phong phú, ứng xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên có thể dùng phân tích khá rộng các bài toán kết cấu trong thực tế. SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính toán và biểu hiện kết quả tính toán cuối cùng rất trực quan và rõ ràng tạo nhiều thuận lợi cho người sử dụng.
+ STRAND của Úc cũng là bộ chương trình phân tích kết cấu tương tự như SAP. Phiên bản cuối có mặt ở nước ta là STRAND6, cũng có khả năng phân tích như SAP, đã được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra các thiết kế phức tạp. STRAND6 là sự phát triển cao nhất của hệ thống STRAND, nó đã trở thành phần mềm thương mại trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế xây dựng.
+ STAAD.PRO của Mỹ, là bộ chương trình phân tích và thiết kế kết cấu. Về khả năng phân tích kết cấu STAAD.PRO đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tĩnh và động, phẳng và không gian với mức độ phức tạp đáp ứng được các yêu cầu trong thiết kế các công trình thực tế hiện nay. Về khả năng thiết kế kết cấu STAAD.PRO là một chương trình khá hoàn thiện nhằm thực hiện việc thiết kế kết cấu với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Chương trình có hỗ trợ phần đồ hoạ tốt nên nó có thể cho ra hình ảnh mô hình đẹp, dễ nhìn cho người sử dụng.
+ ANSYS là chương trình phần mềm có thể giải quyểt được các bài toán về ứng suất dao động ngẫu nhiên, bài toán truyền nhiệt, bức xạ nhiệt, dòng chảy thuỷ lực…ANSYS có khả năng liên kết với các phần mềm khác như Pro/Eng, LOTRAN… để phân tích và kiểm tra các thiết kế. ANSYS đã được khai thác và sử dụng có hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, giảng dạy và trong sản xuất.
+ LUSAS là bộ chương trình phân tích kết cấu tĩnh học và động học, kết cấu phẳng và không gian trong xây dựng và chế tạo, cơ khí vận tải, đây cũng là một bộ chương trình có quy mô lớn có khả năng giải quyết rộng rãi các bài toán kết cấu, kể cả kết cấu ôtô, máy bay…
+ RDM (Resistances des Materiaux) của Pháp, đây là phần mềm phần tử hữu hạn dùng để tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán đàn hồi lực phẳng, truyền nhiệt uốn tấm…Ở đề tài này chủ yếu tập chung nghiên cứu về ứng dụng của chương trình RDM trong phân tích kết cấu khung ô tô.
RDM (Resistance des Materiaux) là phần mềm phần tử hữu hạn do giáo sư Yves DEBARD (Viện Đại học Le Mans). RDM6 là phiên bản mới có thể chạy trên Windows 95, 98, 2000, Me và XP. Cũng như các phiên bản trước, RDM6 gồm 3 môđun chính:
- Flexion: Cho phép tính kết cấu dầm thẳng.
- Ossatures: Cho phép tính kết cấu khung dàn.
- Elements finis: Cho phép tính bài toán đàn hồi phẳng và đối xứng trục; truyền nhiệt phẳng và đối xứng trục; và tấm uốn.
So với nhiều chương trình cùng cỡ, RDM6 có nhiều ưu điểm nổi bật như tính sư phạm, giao diện đẹp và dễ sử dụng.
2.5.2. Sử dụng phần mềm RDM trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô mô hình [15]
Phương pháp Ossatures trong phần mềm RDM cho phép ta nghiên cứu các bài toán tĩnh và động với kết cấu khung dàn theo phương pháp phần tử hữu hạn với các giả thiết khi nghiên cứu:
+ Các khung được tạo thành bởi các thanh thẳng. + Chuyển vị bé và vật liệu là đẳng hướng.
+ Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính. + Trọng tâm và tâm cắt tiết diện trùng nhau.
+ Lực cắt được xét đến.
Kết cấu của một khung dàn bao gồm: Điểm nối nhiều thanh, đầu mút của thanh, điểm tiết diện tại đó thanh thay đổi, điểm đặt của lực tập trung, điểm liên kết với điều kiện biên, điểm đầu hoặc cuối của tải phân bố.
Phần tử: Một phần tử được giới hạn bởi 2 nút (điểm đầu và điểm cuối). Liên kết: Có 2 nhóm liên kết trong RDM được quy định là:
- Liên kết nội (Releases): Liên kết hàn, liên kết khớp,…
- Liên kết ngoại (Supports): Liên kết giữa kết cấu với bên ngoài như: Ngàm, gối tựa, khớp xoay, liên kết với bộ phận đàn hồi,….
Hệ tọa độ: Hệ tọa độ OXYZ đặt trên thanh thẳng được xác định - OE là trọng tâm của các tiết diện ở 2 đầu thanh.
- Trục X nằm trên trục thanh và đi từ O đến E, với điểm O là góc của thanh và E là điểm ngọn.
- Trục Y và Z là các trục quán tính chính trung tâm của tiết diện qua điểm góc và hệ tọa độ OXYZ tạo thành tam diện thuận.
Các loại khung: Có 3 hình thức khung đó là: Khung phẳng (Plane Frame), không gian (Space Frame), và khung nền (Floor Frame).
Có thể tóm tắt quá trình tính toán RDM được mô tả theo sơ đồ thuật toán sau:
-Gán vật liệu cho các phần tử. - Đặt lực và mô men. Bắt đầu Chọn đơn vị tính (N, Mpa,..) -Gán nội liên kết. -Gán điều kiện biên. -Gán tiết diện cho các phần tử.
Xử lí giải bài toán Khai báo các điều kiện làm việc ban đầu
KẾT QUẢ XUẤT CÁC KẾT QUẢ (Biểu đồ lực, mômen,…) Không thỏa mãn Thỏa mãn -Khai báo nút -Tọa độ các nút -Định kết cấu.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ KHUNG, VỎ VÀ CÁC HỆ THỐNG CỦA Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH
3.1. Mục đích, yêu cầu và các bộ phận, hệ thống xe mô hình cần tính toán, thiết kế
Đề tài tập trung tính toán, thiết kế một số bộ phận, hệ thống chủ yếu sau: - Khung ô tô.
- Hệ thống phanh. - Hệ thống truyền lực.
- Bộ phận điều khiển tốc độ động cơ điện.
Ngoài ra, các bộ phận, hệ thống khác chủ yếu là phân tích phương án để chọn mua trên thị trường lắp ráp; Kiểu dáng vỏ thì phân tích để lựa chọn.
Yêu cầu: Các bộ phận, hệ thống, tổng thành được thiết kế phải đảm bảo tính
năng sử dụng của ô tô, các qui định của nhà nước về an toàn giao thông, chi phí sản xuất thấp, đủ bền, làm việc tin cậy, an toàn, mang tính thẩm mỹ cao phục vụ du lịch.
Mục đích: Tính toán, thiết kế các bộ phận, hệ thống, tổng thành ô tô mô hình
đáp ứng các yêu cầu đặt ra, hướng đến chế tạo thành công mô hình ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời.
3.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung ô tô và các hệ thống
Để chọn đúng phương án thiết kế phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam, giảm giá thành ô tô chế tạo, nâng cao tính ổn định và an toàn cho ô tô, phần này sẽ đưa ra và trình bày những ưu nhược điểm của 3 phương án trong thiết kế chế tạo ô tô mô hình sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng điện, công thức bánh ô tô 4x2:
- Phương án 1: Thiết kế mới toàn bộ.
- Phương án 2: Chế tạo sử dụng các linh kiện tương đương có sẵn.
- Phương án 3: Chế tạo mới một số hệ thống và chọn các linh phụ kiện có sẵn. Phương án 1 có các ưu điểm: Chi tiết, bộ phận đồng bộ, thời gian sử dụng lâu, ít sửa chữa, đảm bảo được an toàn, ổn định trong khai thác ô tô, nhiều phương án bố trí hệ thống, tiện nghi trên ô tô. Tính năng kỹ thuật của ô tô sẽ cao, sẽ có nhiều hướng phát triển. Tuy nhiên, sẽ gây ra nhiều khó khăn về tài chính, nước ta không có công nghệ hiện đại lẫn dây chuyền sản xuất tiên tiến, điều kiện kinh tế, kỹ thuật ở nước ta còn hạn chế không tận dụng được các linh kiện có sẵn trên thị trường.
Phương án 2 có những ưu điểm: Chi phí sản xuất thấp, thời gian để sản phẩm có mặt trên thị trường sẽ ngắn lại, giá thành thấp, điều kiện kỹ thuật trong nước đảm bảo, dễ thực hiện, việc tìm kiếm lắp ráp linh kiện dễ dàng, vấn đề bảo dưỡng sữa chữa cũng dễ dàng. Nhưng có nhược điểm là: Các hệ thống và linh kiện là chọn nên không đồng bộ, không tối ưu hóa được các chức năng của ô tô, không có nhiều lựa chọn bố trí kỹ thuật trên ô tô, cũng như sự tiện nghi, thời gian sử dụng thấp do các chi tiết không đồng bộ, phụ thuộc vào các nhà sản xuất nước ngoài, chưa thể hiện được tính sáng tạo về mặt thiết kế. Mặt khác việc thiết kế, sản xuất mới toàn bộ các hệ thống, khung gầm, động cơ trong nước rất khó thực hiện, khi ngành công nghiệp ô tô trong nước chưa thực sự phát triển.
Với phương án 3, tiến hành chế tạo mới một số hệ thống và chọn các linh phụ kiện có sẵn, ta sẽ thiết kế lại hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời, khung vỏ ô tô, hệ thống dẫn động, và các hệ thống khác như lái, treo, phanh theo các quy định an toàn khi lưu thông trên đường. Chọn các linh phụ kiện có sẵn theo các thông số tính toán, kiểm nghiệm lại sau đó lắp ráp trong nước. Các hệ thống dẫn động, khung gầm, lái, treo, phanh dù mua các linh kiện đã qua sử dụng với nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và ta tiến hành chỉnh sửa theo kích thước yêu cầu của ô tô thiết kế. Phương án này phù hợp với điều kiện kỹ thuật ở nước ta.
Kết luận: Dựa vào những phân tích ở trên, thấy rằng phương án 3 thể hiện tính
hợp lý và khả thi cao. Vậy phương án 3 được chọn để tính toán, thiết kế, ô tô mô hình.
3.3. Tính toán, thiết kế khung ô tô 3.3.1. Phương pháp chung
Trong đề tài này sử dụng phương pháp: Chọn vật liệu và dựa trên một số mẫu khung để tính kiểm tra bền làm cơ sở cho thiết kế.
Các thông số đầu vào:
- Công thức bánh xe: 4x2.
- Sử dụng điện 1 chiều từ ắc quy và pin năng lượng mặt trời. - Vận tốc ô tô khoảng: 30 km/h.
- Tải trọng: Chở được 4 người (kể cả tài xế, tương đương 260kg). - Khả năng vượt dốc: 10%.
Các thông số đầu ra: Số liệu khoa học phục vụ thiết kế kỹ thuật các hệ thống,
Các thông số tính toán:
Với vật liệu thép đã chọn, sử dụng phần mềm RDM, để tính lực và mô men, kiểm tra bền cho khung ở các trường hợp chịu tải đặc biệt (quay vòng, phanh gấp).
Dự kiến một số thông số cơ bản của ô tô mô hình:
Kích thước: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Kích thước tổng thể L x W x H: 2712 x 1420 x 1650 (mm). - Chiều dài cơ sở: 1500 (mm).
- Chiều rộng cơ sở: 1320 (mm). - Khoảng sáng gầm: 240 (mm).
Khối lượng:
- Khối lượng toàn bộ của ô tô: 578 (kg). - Khối lượng bản thân: 318 (kg).
- Khối lượng phân bố lên cầu trước: 289 (kg). - Khối lượng phân bố lên cầu sau: 289 (kg).
3.3.2. Tính toán, thiết kế khung ô tô mô hình 3.3.2.1. Các loại khung thông dụng 3.3.2.1. Các loại khung thông dụng
1) Khung gầm hình chiếc thang
Đặc điểm của loại khung gầm này là: Hai thanh dọc là thành phần chịu lực chính, chúng có khả năng chịu tải và các lực tác động theo chiều dọc xuất hiện khi tăng tốc hoặc phanh. Mặt khác, các
thanh giằng chéo và hai bên có tác dụng chống đỡ các lực tác dụng bên đồng thời tăng độ cứng xoắn.
Khung gầm hình chiếc thang không sở hữu nhiều ưu điểm ngoài giá thành rẻ và dễ lắp ráp bằng tay. Tuy
nhiên, vì có cấu trúc 2 chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn hẳn so với các loại khung gầm khác, đặc biệt khi chịu tác động của trọng tải đứng hoặc xóc nảy lên.
2) Khung gầm hình ống rỗng
Loại khung này sử dụng nhiều ống cắt hình tròn (hoặc hình vuông để dễ nối với các tấm pa-nô ốp thân). Các ống được đặt theo nhiều hướng khácnhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các lực tác động
từ khắp mọi nơi. Chúng được hàn lại với nhau và tạo thành một cấu trúc rất phức tạp. Có một số loại ô tô sử dụng khung gầm hình ống rỗng để có thể tăng tỷ số độ cứng/trọng lượng. Tuy nhiên, cũng có loại sử dụng khung
gầm rỗng cho cấu trúc trước và sau đồng thời tách cabin ra khỏi khối thân ô tô để giảm chi phí.
Ưu điểm của khung gầm dạng này là rắn chắc từ mọi phía, nhưng lại rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo. Không thể sản xuất bằng dây chuyền tự động. Bên cạnh đó, loại khung gầm này chiếm rất nhiều không gian, tăng chiều cao của ngưỡng cửa và gây khó khăn cho người sử dụng khi ra vào ô tô.
3) Khung gầm liền khối thông thường
Đặc điểm của khung gầm liền khối là cấu trúc một mảnh tạo hình cho kiểu dáng tổng thể của ô tô và nối liền với thân ô tô thành một khối. Trên thực tế, khung gầm liền khối là sự kết hợp của nhiều miếng
thép hàn với nhau. Miếng có kích thước lớn nhất là sàn ô tô, các miếng khác được nén chặt bằng máy đầm. Chúng được hàn điểm với nhau. Sau đó, một số phụ kiện khác như cửa, ca-pô, nắp thùng ô
tô, pa-nô bên và trần được ghép thêm vào.
Ngày nay, có đến 99% mẫu ô tô sản xuất trên thế giới được trang bị khung gầm thép liền khối nhờ ưu điểm là có thể sản xuất hàng loạt rẻ, khả năng bảo vệ khi xảy ra va chạm tốt và tiết kiệm không gian. Toàn bộ cấu trúc thực chỉ là một lớp vỏ bên ngoài nên không cần đến sự có mặt của ống truyền động lớn, ngưỡng cửa cao hay thanh uốn to bản. Phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Nhược điểm của loại khung này là không thích
Hình 3.2: Khung hình ống rỗng
hợp cho các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ, chi phí lắp đặt công cụ như máy đập và khuôn rất cao, tỷ số độ cứng/trọng lượng của khung gầm liền khối thuộc hạng thấp nhất so với các loại tương đương khác trừ khung gầm hình chiếc thang.
4) Khung gầm liền khối ULSAB
Về cơ bản, loại khung gầm mới có cấu trúc tương tự khung gầm liền khối thông thường. Điểm khác biệt duy nhất là khung gầm liền khối ULSAB sử dụng các phụ kiện hydroform, thép đa lớp và hàn lazer. Hydroform là một công nghệ tạo mới dùng để tạo hình kim loại theo ý muốn thay cho đập. Thay vì sử dụng kim loại lá, công nghệ Hydroform tạo ra các ống kim loại mỏng, được xếp thành một khối tạo hình theo ý muốn. Sau đó, một dung dịch áp suất cao
sẽ được bơm vào ống và lấp kín bên trong khối. Do áp suất của dung dịch là đồng nhất nên độ dày của kim loại cũng giống hệt nhau. Nhờ đó, các nhà thiết kế có thể sử dụng thép có độ dày tối thiểu để giảm trọng lượng.
Thép đa lớp chính là sự kết hợp giữa
lõi nhựa dẻo nóng (polypropylen) với hai lớp thép cực mỏng kẹp xung quanh giúp giảm 50% trọng lượng so với một miếng thép đồng nhất mà không ảnh hưởng đến tính năng. Loại thép này rất cứng nên thường được sử dụng ở những khu vực cần độ cứng uốn cong lớn. Tuy nhiên, không phải chỗ nào cũng dùng được thép đa lớp bởi vì nó phải đi kèm với các khớp nối chắc chắn hoặc tán đinh thay cho hàn. Tuy nhiên, độ rắn chắc và trọng lượng chưa thích hợp cho các loại ô tô thể thao hạng sang.
5) Khung gầm hình xương sống
Khung gầm hình xương sống rất đơn giản: Một xương sống hình ống rắn chắc (thường cắt hình chữ nhật). Bên trong loại khung gầm này có một khoảng trống dành (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});