Báo cáo Phần tính biến dạng và ứng suất vỏ xe

BCN VSAE CATD Bộ Công nghiệp Hội Kỹ s− ô tô Việt Nam Trung tâm phát triển công nghệ ô tô =====o0o===== Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật Dự án Hoàn thiện thiết kế, công nghệ chế tạo và lắp ráp dòng xe mini buýt thông dụng 6 ữ 8 chỗ ngồi mang nh∙n hiệu Việt Nam Mã số: KC.05.DA.13 ______________________________ Phần tính biến dạng và ứng suất vỏ xe PGS.TS. D− Quốc Thịnh 6091-3 07/9/2006 Hà Nội, 06-2006 Mục lục 1. Giải bài toán tính biến dạng của vỏ xe bằng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH)...........1 1.1. Một số khái niệm của ph−ơng pháp PTHH ........................................................................1 1.2. Ch−ơng trình phân tích kết cấu ANSYS ............................................................................3 1.2.1. Tổng quan về ANSYS ...........................................................................................3 1.2.2. Kết cấu phần mềm ANSYS ....................................................................................4 1.2.3. Cấu trúc tệp dữ liệu vào và dạng dữ liệu ra của ANSYS. ........................................9 1.3. Cơ sở thiết lập mô hình PTHH của vỏ xe. ...............................................................10 1.3.1. Đặc điểm, phân loại và tải trọng tác dụng lên khung vỏ xe...................................10 1.3.2. Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc ô tô..........................................................................12 1.3.3. Cơ sở và ph−ơng pháp xác định l−ới nút và PTHH. ..............................................13 1.4. Xây dựng mô hình PTHH của vỏ xe mini buýt 8 chỗ ngồi sử dụng cho ch−ơng trình ANSYS. ......................................................................................................13 1.4.1 Giả thiết và các b−ớc xây dựng mô hình.................................................................13 1.4.2. Xác định hệ toạ độ chung. .....................................................................................14 1.4.3. Phân mảnh cấu trúc vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi .....................................................15 1.4.4. Xác định các nút, l−ới, và gán các phần tử trên từng mảnh ..................................19 1.4.5. Mô hình tính của bài toán xác định biến dạng và ứng suất của vỏ xe MEFFA. ....21 2. Tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi. ........................................22 2.1. Xác định tải trọng động cho bài toán động sử dụng hàm thời gian. .................................22 2.2. Một số kết quả tính toán ứng suất và biến dạng vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi .....................23 2.2.1. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =15km/h, ph−ơng va chạm 900 24 2.2.2. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =20km/h, ph−ơng va chạm 900, còn xe bị va chạm có vận tốc bằng 0. Các kết quả đ−ợc trình bày trên hình(14) .25 2.2.3. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =48km/h, ph−ơng va chạm 430, còn xe bị va chạm có vận tốc bằng 0. Các kết quả đ−ợc trình bày trên hình(15) .26 - 1 - tính biến dạng và ứng suất vỏ xe minibus 6-8 chỗ ngồi 1. Giải bài toán tính biến dạng của vỏ xe bằng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH). 1.1. Một số khái niệm của ph−ơng pháp PTHH Ph−ơng pháp PTHH là ph−ơng pháp giải các bài toán kết cấu kế thừa t− t−ởng của ph−ơng pháp xấp xỉ hàm và ph−ơng pháp sai phân hữu hạn. Trong ph−ơng pháp PTHH, vật thể liên tục đ−ợc thay thế bằng một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, nối với nhau ở một số điểm đ−ợc qui định gọi là nút. Các phần tử này giữ nguyên tính chất liên tục trong phạm vi của mỗi phần tử, nh−ng do có hình dạng đơn giản và kích th−ớc bé nên cho phép nghiên cứu nó dễ dàng hơn trên cơ sở các qui luật về phân bố chuyển vị và nội lực. Biến dạng và ứng suất bên trong phần tử cũng đ−ợc biểu diễn theo chuyển vị nút. Vì vậy có thể dùng nguyên lý chuyển vị khả dĩ hoặc nguyên lý cực tiểu thế năng để đ−a ra ph−ơng trình cân bằng cho phần tử với các chuyển vị nút là ẩn số. Các đặc tr−ng cơ bản của mỗi phần tử đ−ợc xác định và mô tả d−ới dạng các ma trận độ cứng của các phần tử. Các ma trận này đ−ợc sử dụng để ghép các phần tử thành một mô hình rời rạc hoá của kết cấu thực cũng d−ới dạng một ma trận độ cứng của cả kết cấu. Các tác động ngoài gây ra nội lực và chuyển vị của kết cấu đ−ợc qui đổi về các ứng lực tại nút và đ−ợc mô tả trong ma trận tải trọng nút t−ơng đ−ơng. Các ẩn số cần tìm là các chuyển vị nút (hoặc nội lực tại các nút) đ−ợc xác định trong ma trận chuyển vị nút hoặc ma trận nội lực nút. Các ma trận độ cứng, ma trận chuyển vị nút, ma trận tải trọng đ−ợc gọi là các ma trận cơ bản quan hệ với nhau trong ph−ơng trình cân bằng theo qui luật tuyến tính hay phi tuyến tuỳ thuộc vào ứng xử thật của kết cấu. Thuật toán của ph−ơng pháp PTHH đ−ợc xây dựng dựa trên việc xác lập các ma trận cơ bản và qui luật liên hệ giữa các ma trận này để có thể phản ánh gần đúng cách ứng xử thật của kết cấu và các tác động lên kết cấu. Mô hình toán của ph−ơng pháp PTHH là hệ các ph−ơng trình đại số tuyến tính hoặc phi tuyến. Điều kiện tồn tại nghiệm của hệ ph−ơng trình này đ−ợc mô tả qua các điều kiện liên kết của kết cấu th−ờng gọi là các điều kiện biên của bài toán. - 2 - Thông th−ờng các phần mềm phân tích kết cấu hiện nay đều có thể tính toán cho các trạng thái tĩnh và động. Phân tích kết cấu trong bài toán tĩnh là giải hệ ph−ơng trình tuyến tính. [ ] RuK ρρ =. (1) Trong đó : [ ]K - ma trận độ cứng, u ρ - véc tơ các kết quả chuyển vị, R ρ - véc tơ các lực. Phân tích kết cấu trong bài toán động có nhiều dạng: Phân tích theo trạng thái dao động điều hoà, phân tích theo trị riêng và các véc tơ riêng, phân tích phổ phản ứng hay hàm thời gian. Khi tính toán kết cấu chịu tải trọng động theo phổ phản ứng hoặc khi phân theo hàm thời gian dùng ph−ơng pháp xếp chồng, cần phải xác định các dạng dao động tự do có lực cản và tần số dao động của hệ. Điều này đi đến giải nghiệm của bài toán trị riêng sau: [ ][ ] [ ][ ][ ]2... ΩΦ= MuK (2) Trong đó : [ ]K : ma trận độ cứng, [ ]M : ma trận chéo khối l−ợng, [ ]2Ω : ma trận chéo của các trị riêng, [ ]Φ : ma trận của các véc tơ riêng t−ơng ứng. Ph−ơng trình cân bằng động kết hợp với phản ứng của kết cấu với phổ gia tốc nền có thể viết: [ ] [ ] [ ] gWMuMuCuK ρ&ρ&ρρ =++ ... (3) Trong đó : [ ]K : ma trận độ cứng, [ ]C : ma trận cản [ ]M : ma trận chéo khối l−ợng, gW ρ : gia tốc nền uuu &ρ&ρρ ,, : các véc tơ chuyển vị, vận tốc, gia tốc của nút. - 3 - Sau khi giải hệ ph−ơng trình trên xác định đ−ợc các ẩn số là các chuyển vị nút, có thể tiếp tục xác định tr−ờng ứng suất, biến dạng của kết cấu theo qui luật đã biết của cơ học. Thuật toán tổng quát của ph−ơng pháp PTHH bao gồm các b−ớc sau: B−ớc 1). Rời rạc hoá các kết cấu thực thành một l−ới các phần tử chọn tr−ớc mô tả dạng hình học của kết cấu và phù hợp với yêu cầu chính xác của bài toán. B−ớc 2). Xác định các ma trận cơ bản cho từng phần tử. B−ớc 3). Ghép các ma trận cơ bản cùng loại thành ma trận kết cấu theo trục toạ độ chung của cả kết cấu. B−ớc 4). Đ−a điều kiện biên vào ma trận độ cứng của kết cấu để khử dạng suy biến của nó. B−ớc 5). Giải hệ ph−ơng trình để xác định ma trận chuyển vị nút của cả kết cấu. B−ớc 6). Từ chuyển vị nút xác định nội lực cho từng phần tử. B−ớc 7). Vẽ biểu đồ nội lực của kết cấu. Trong phần này tập trung nghiên cứu khả năng tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe bằng các phần mềm phân tích kết cấu trên cơ sở của ph−ơng pháp PTHH. Các phần mềm tính toán biến dạng và ứng suất theo PTHH hiện nay có khá nhiều, trong đó phần mềm ANSYS hiện đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Để có thể phân tích kết cấu vỏ xe bằng phần mềm này cần xây dựng mô hình PTHH của vỏ xe và xác định điều kiện biên cũng nh− điều kiện tải trọng tác dụng lên chúng. Để nắm đ−ợc trình tự và xây dựng bài toán tính biến dạng và ứng suất vỏ xe trong ANSYS, tr−ớc hết cần giới thiệu sơ l−ợc về ANSYS và khả năng ứng dụng của nó. 1.2. Ch−ơng trình phân tích kết cấu ANSYS 1.2.1. Tổng quan về ANSYS ANSYS là một gói phần mềm FEA (Finite Element Analysis) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán, thiết kế trong công nghiệp, ANSYS đã và đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật nh−: Kết cấu; nhiệt; dòng chảy; điện, tĩnh điện; điện từ và t−ơng tác giữa các môi tr−ờng, các hệ vật lý. • ANSYS/ Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật. • Có ba sản phẩm thành phần chính dẫn xuất từ ANSYS/ Multiphysics là: - ANSYS/ Mechanical: tính toán kết cấu và nhiệt. - 4 - - ANSYS/ Emag: tính toán điện từ. - ANSYS/ Flotran: tính toán dòng chảy (Computational Fluid Dynamics CFD) Sơ đồ cấu trúc của nó đ−ợc thể hiện trên hình (1) • Ngoài ra còn có các sản phẩm khác: - ANSYS/LS-DYNA: Giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao ( nh− bài toán động lực học biến dạng lớn trong cơ học...) - DesignSpace: là một công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích và thiết kế nhanh trong môi tr−ờng CAD khác nhau (ví dụ: SolidWorks, Autodesk products, SolidEdge, Unigraphics...). - ANSYS/ ProFEA: cho phép phân tích và tối −u thiết kế trong môi tr−ờng CAD pro/ ENGINER Hình 1 Sơ đồ cấu trúc phần mềm ANSYS/Multiphysics 1.2.2. Kết cấu phần mềm ANSYS Về mặt cấu trúc, phần mềm ANSYS chia thành 3 mô đun lớn: - Modul Tiền xử lí (Preprocessing) - Modul Giải (Solution) - Modul Hậu xử lí (Postprocessing) (1) Modul Tiền xử lí (Preprocesing) Modul này cho phép ng−ời dùng có thể chuẩn bị những thao tác để cho quá trình giải bao gồm xây dựng mô hình hình học, định kiểu phần tử, lựa chọn mô hình vật liệu, chia l−ới phần tử hữu hạn, đặt tải... - 5 - • Xây dựng mô hình hình học. Dựng mô hình hình học trong ANSYS có thể theo 2 khả năng: Xây dựng trực tiếp và xây dựng gián tiếp. Ph−ơng pháp thứ nhất là có thể dựng trực tiếp mô hình hình học trên giao diện đồ hoạ của ANSYS thông qua các lệnh mô hình. Có thể dựng trực tiếp mô hình bằng các khối cơ sở rồi sử dụng các phép toán lôgic để có thể tạo đ−ợc những mô hình phức tạp hơn. Nếu mô hình phức tạp thì thao tác bắt đầu từ các điểm, rồi từ đó dựng thành đ−ờng, miền và khối thông qua các lệnh xử lý về đồ hoạ trong ANSYS. Ph−ơng pháp này có −u điểm là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán đ−ợc đ−a vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu. Ph−ơng pháp thứ hai là xây dựng mô hình từ những phần mềm thiết kế mạnh nh− Pro/ Engineer, Catia, SolidWork rồi liên kết với Ansys để đ−a mô hình hình học vào. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là có thể dựng đ−ợc những mô hình rất phức tạp nh−ng trong quá trình chuyển đổi lại gây ra một sai số nhất định, đặc biệt rất khó điều khiển toạ độ cũng nh− t−ơng quan vị trí giữa các bộ phận. • Định kiểu phần tử * Chọn kiểu phần tử là một b−ớc quan trọng, nó xác định những đặc tr−ng d−ới đây của phần tử: + Bậc tự do ( Degree of Freedom, DOF ). Ví dụ: Một kiểu phần tử nhiệt có một DOf: TEMP (nhiệt độ), trong khi một kiểu phần tử kết cấu có thể có tới 6 DOf: UX, UY, UZ, RX, RY, RZ (ba thành phần chuyển vị dài theo trục và ba thành phần chuyển vị góc quanh ba trục). + Dạng phần tử: hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình tam giác,... + Không gian: 2D hoặc 3D. + Dạng giả thiết của tr−ờng chuyển vị: bậc nhất hoặc bậc hai. Ansys có một th− viện gồm hơn 150 kiểu phần tử để ng−ời dùng lựa chọn. * Phân loại phần tử: + Các phần tử một chiều: - Phần tử thanh (Spar): LINK8, LINK180… - Phần tử dầm (Beam): BEAM4, BEAM23, BEAM54… - Phần tử lò xo (Spring) + Các phần tử vỏ: SHELL51, SELL61, SELL163... - 6 - + Các phần tử khối 2D: PLANE25, PLANE42,... - Dùng để tạo mô hình mặt cắt ngang của những đối t−ợng khối 3D. - Phải đ−ợc mô hình hoá trong mặt phẳng X-Y của hệ toạ độ Đề các tổng thể. - Tất cả các tải đều nằm trong mặt phẳng X-Y, và các ứng xử (các chuyển vị) cũng nằm trong mặt phẳng X-Y. - ứng xử của phần tử có thể thuộc một trong các bài toán sau: ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục, điều hoà đối xứng trục. + Các phần tử khối 3D: SOLID92, SOLID95,SOLID164, SOLID185,... - Dùng cho những kết cấu mà do mô hình hình học, vật liệu, tải, hoặc do yêu cầu kết quả chi tiết không thể mô hình hoá bằng những phần tử đơn giản hơn. - Dùng để khi mô hình hình học đ−ợc nhập từ các hệ CAD 3D, mà nếu chuyển sang mô hình 2D hoặc vỏ thì sẽ mất nhiều thời gian. + Một số dạng phần tử đặc biệt: COMBIN14, MASS21, MATRIX50,... ANSYS còn có khả năng cho phép ng−ời dùng định nghĩa phần tử riêng tuỳ từng tr−ờng hợp cụ thể. Ngoài ra đối với từng bài toán ANSYS phân chia thành các lớp phần tử riêng nh− lớp phần tử dùng cho bài toán cấu trúc, lớp phần tử dùng cho bài toán phân tích dòng chảy, lớp phần tử dùng cho bài toán nhiệt,...Phần tử dùng trong mỗi lớp bài toán có những yêu cầu riêng cũng nh− các thông số đầu vào và đầu ra khác nhau. • Mô hình vật liệu Mỗi phân tích đòi hỏi nhập vào một vài thuộc tính vật liệu: Mô đun đàn hồi Ex đối với những phần tử kết cấu, độ dẫn nhiệt Kxx đối với những phần tử nhiệt... ANSYS cung cấp cho ng−ời dùng th− viện vật liệu với rất nhiều mô hình vật liệu khác nhau ứng dụng trong các bài toán khác nhau: mô hình vật liệu đẳng h−ớng, dị h−ớng, đàn hồi phi tuyến, dẻo phụ thuộc tốc độ biến dạng, siêu đàn hồi... • Chia l−ới phần tử Có hai ph−ơng pháp chia l−ới chính: chia tự do và có qui tắc. + Chia tự do nh− (hình 2 a): - Không hạn chế dạng phần tử. - L−ới không đi theo bất kì mẫu nào. - Thích hợp cho những dạng thể tích và diện tích phức tạp + Một số qui tắc chia l−ới phần tử: - Hạn chế dạng phần tử: dạng tứ giác cho diện tích và dạng lục giác cho thể tích. - 7 - - Có một mẫu đều đặn với những dãy phần tử rõ ràng - Thích hợp duy nhất cho những thể tích hoặc diện tích "đều đặn" ví dụ nh− hình chữ nhật hay hình hộp (a) (b) (a) (b) Hình 2 Các ph−ơng pháp chia l−ới a) Ph−ơng pháp chia l−ới tự do b) Ph−ơng pháp chia l−ới có qui tắc Tuỳ từng bài toán và đặc điểm cụ thể ng−ời dùng có thể quyết định chia l−ới theo một trong hai kiểu trên. Kiểu chia l−ới tự do th−ờng đ−ợc áp dụng trong bài toán kết cấu, kiểu chia l−ới có qui tắc th−ờng đ−ợc áp dụng trong bài toán phân tích biến dạng lớn. • Mật độ l−ới: Nguyên tắc cơ bản của FEA là khi số phần tử (mật độ l−ới) tăng lên, thì lời giải FEA càng tiến gần đến lời giải chính xác. Tuy nhiên, khi số phần tử tăng lên thì thời gian tính toán và nhu cầu về tài nguyên máy tính cũng tăng lên. (2) Modul giải (Solution). • Tải trọng trong ANSYS * Tải trọng áp đặt vào mô hình trong ANSYS đ−ợc chia thành một số dạng cơ bản nh− sau: - Những ràng buộc DOF: áp đặt bằng DOF, ví dụ nh− chuyển vị trong một phân tích ứng suất, hoặc nhiệt độ trong một phân tích nhiệt. - Tải tập trung (Concentrated load): Tải đặt vào điểm, ví dụ nh− lực hoặc tiêu thụ dòng nhiệt. - Tải bề mặt (Surface load): Tải phân bố trên toàn bộ một bề mặt. - 8 - - Tải vật thể (Body load): Tải thể tích hoặc tải tr−ờng, ví dụ nhiệt độ (gây nên giãn nở nhiệt) hoặc sự sinh nhiệt bên trong. - Tải quán tính (Inertia load): Tải khối l−ợng kết cấu hoặc tải quán tính, ví dụ trọng lực hoặc vận tốc quay. * Với mỗi kiểu bài toán khác nhau sẽ có loại tải khác nhau: - Đối với bài toán phân tích cấu trúc, tải có thể là: chuyển vị theo các ph−ơng, lực tác dụng theo các ph−ơng ( bao gồm lực khối , lực mặt), áp suất, nhiệt độ (cho tr−ờng hợp biến dạng nhiệt) và gia tốc trọng tr−ờng… Có thể đặt tải trên mô hình hình học hoặc trực tiếp trên mô hình FEM (các nút và các phần tử). Dù cho cách đặt tải nh− thế nào, thì FEM cũng cần có tải trên mô hình phần tử hữu hạn. Vì thế, tải đặt trên mô hình hình học sẽ đ−ợc tự động chuyển đổi đến các nút và phần tử trong quá trình giải. • Các tuỳ chọn giải * Các phân tích tĩnh và động lực học: - Một phân tích tĩnh đ−ợc giả thiết rằng chỉ có các lực liên quan đến độ cứng là quan trọng. Một phân tích động lực học tính đến cả ba dạng lực, th−ờng sẽ phải tính đến lực quán tính và lực cản nếu tải áp đặt thay đổi nhanh theo thời gian. - Vì vậy có thể dùng tính chất phụ thuộc thời gian của tải để chọn giữa hai kiểu phân tích tĩnh và động lực học. Nếu tải là hằng số trong một khoảng thời gian t−ơng đối dài, thì chọn phân tích tĩnh, còn không thì chọn phân tích động lực học. * Phân tích tuyến tính và phi tuyến: + Một phân tích tuyến tính với giả thiết rằng tải áp đặt vào làm thay đổi không đáng kể đến độ cứng của kết cấu. Các dấu hiệu điển hình: - Chuyển vị nhỏ. - Biến dạng và ứng suất nằm trong miền đàn hồi. - Không có những thay đổi đột ngột trong độ cứng, ví dụ nh− hai vật thể vào hoặc ra khỏi tiếp xúc. + Một phân tích phi tuyến là cần thiết nếu tải áp đặt làm thay đổi nhiều độ cứng của kết cấu. Các nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự thay đổi độ cứng của kết cấu là: - Biến dạng ra khỏi vùng đàn hồi (dẻo). - Chuyển vị lớn, ví dụ nh− tải áp đặt trên một cần câu. - Tiếp xúc giữa hai vật thể. - 9 - (3) Modul hậu xử lí (Postprocessing). Hậu xử lí là khâu quan trọng trong các b−ớc phân tích bài toán. ANSYS cung cấp hai mô đun hậu xử lí để l−u trữ kết quả phân tích tính toán. Đó là modun xử lí kết quả tổng quát POST1 và mô đun xử lí kết quả theo thời gian POST26. Modun POST1 cho phép hiển thị kết quả d−ới dạng: Các đ−ờng đồng mức (thể hiện sự thay đổi ứng suất, biến dạng...), biến dạng (mức độ và phân bố biến dạng d−ới tác dụng của tải trọng), véc tơ (véc tơ chuyển vị, xoay...), phản lực, dòng chảy và chuyển đổi dòng chảy. Sử dụng modun POST26 để hiển thị kết quả phân tích d−ới dạng hàm của thời gian, có thể xây dựng các dạng của đồ thị nh− đồ thị ứng suất tại nút theo thời gian... 1.2.3. Cấu trúc tệp dữ liệu vào và dạng dữ liệu ra của ANSYS. Trong phần này trình bày sơ l−ợc cấu trúc tệp dữ vào của ANSYS, chi tiết xem trong tài liệu [22]. Dữ liệu vào của sơ đồ kết cấu đ−ợc tổ chức thành tệp dạng văn bản (text), trong đó có thể sử dụng sự lựa chọn tự sinh và các kỹ thuật nhập số liệu khác cho phép nhập dữ liệu rất nhanh và tiện lợi. Tệp dữ liệu đ−a vào của ANSYS đ−ợc tổ chức d−ới dạng văn bản bao gồm 15 khối dữ liệu độc lập theo kiểu riêng biệt với dòng ngăn cách cho từng khối . Các khối dữ liệu của ANSYS đ−ợc trình bày trong bảng 1 Bảng 1. Các khối dữ liệu của ANSYS Tên khối dữ liệu Chức năng 1. Change Title 2. Parameters 3. Element Type 4. Real Constans 5. Material Prop 6. Modeling - Create 7. Modeling - Operate 8. Mesh tools 9.Structural- Force/Moment 10. Structural - Pressure 11. Structural - Temperature Thông tin về tiêu đề bài toán Thông tin về đơn vị đo Xác định các loại phần tử Xác định các thông số hình học của phần tử Định nghĩa thuộc tính vật liệu Xây dựng mô hình cơ bản Các toán tử lôgic hoặc kéo dãn phần tử Chia l−ới các phần tử Dữ liệu tải trọng tại nút (lực tập trung và mô men tập trung) Dữ liệu tải trọng phân bố hoặc áp suất Dữ liệu về tải trọng nhiệt - 10 - 12. Structural - Other 13.Structural - Displacement 14. Analysis Type 15. General Postprocessing Dữ liệu về các loại tải trọng khác Chọn bậc tự do cần hạn chế Chọn dạng bài toán để giải Hiển thị kết quả 1.3. Cơ sở thiết lập mô hình PTHH của vỏ xe. 1.3.1. Đặc điểm, phân loại và tải trọng tác dụng lên khung vỏ xe. (1). Phân loại và yêu cầu đối với khung vỏ xe. Khung vỏ xe là phần tử chịu lực chính của xe, là cơ sở lắp đặt các cụm, hệ thống của xe. Khung vỏ xe có kết cấu khá đa dạng và phức tạp, do vậy việc phân loại khung vỏ xe có tính t−ơng đối. Phụ thuộc vào công dụng, bố trí chung của các loại xe và đặc điểm chịu lực, khung vỏ xe có thể đ−ợc chia làm ba loại: Khung chịu lực; vỏ chịu lực và loại hỗn hợp. Khung vỏ xe cần bảo đảm độ cứng vững cao, độ biến dạng nhỏ, độ bền và độ bền lâu. Muốn vậy, khi thiết kế cần xác định các ứng suất, nội lực trong khung vỏ xe d−ới tác dụng của các tải trọng. Các giá trị này phải phải nằm trong giới hạn cho phép và không gây ra sự phá huỷ kết cấu do mỏi trong toàn bộ thời gian sử dụng xe. Đối với vỏ xe kín, độ cứng vững của nó cần phải đảm bảo tránh đ−ợc các hiện t−ợng: Nứt vỡ kính lái, kính hậu khi khung vỏ xe chịu xoắn, kẹt cửa xe và biến dạng gây kẹt kính cửa xe, h− hỏng bề mặt vỏ xe hoặc cộng h−ởng dao động riêng. (2). Đặc điểm kết cấu khung vỏ xe. Về kết cấu khung vỏ xe có thể chia làm hai phần chính: Phần trên (vỏ riêng), tạo không gian cho ng−ời lái, hành khách và hàng hoá; phần d−ới (phần cơ sở), gồm sàn xe, các gân tăng cứng, đà ngang và khung xe (nếu có) là cơ sở để lắp ráp hệ thống truyền lực và phần vận hành. Liên kết hai phần nói trên có thể là tháo rời (bu lông kẹp) hoặc không tháo rời (hàn, dập mép). Phần trên của vỏ xe gồm khung x−ơng và các tấm ốp, phụ thuộc vào dạng chịu lực của các tấm ốp, vỏ xe đ−ợc chia làm ba loại: khung x−ơng, tấm vỏ và khung x−ơng tấm vỏ kết hợp. • Vỏ xe dạng khung x−ơng bao gồm khung x−ơng làm bằng phần tử thanh có thiết diện hộp kín hoặc hở, các tấm ốp làm bằng kim loại nhẹ hoặc chất dẻo lắp đặt trên khung x−ơng. - 11 - • Vỏ xe dạng khung x−ơng - tấm vỏ kết hợp, tải trọng đ−ợc truyền qua khung x−ơng và một phần qua tấm ốp ngoài. Vỏ xe loại này không cho phép sử dụng hai loại vật liệu. • Vỏ xe dạng tấm chỉ bao gồm các tấm ngoài và trong đ−ợc liên kết với nhau để có khả năng chịu lực. Vỏ loại này cho phép chế tạo bằng ph−ơng pháp dập các mảnh nhỏ và hàn lại thành tấm có thiết diện kín phức tạp. Vật liệu làm khung vỏ xe phải đảm bảo các yêu cầu sau: Giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy cảm với hiện t−ợng tập trung ứng suất, có thể sử dụng để gia công bằng các ph−ơng pháp dập nguội, hàn. Do vậy khi chế tạo khung vỏ xe th−ờng sử dụng dạng thép hợp kim có hàm l−ợng các bon thấp và trung bình. Khung xe du lịch đ−ợc chế tạo bằng thép kết cấu 20 dầy 3,0 - 4,0 mm. Khung xe tải sử dụng thép 25, 30T, 15ҐЮT có chiều dầy 5,0 - 9,0mm. Vật liệu làm vỏ xe, do yêu cầu khi dập, vật liệu chế tạo vỏ xe th−ờng là thép chuyên dụng nh− 08KП, 08Ю của Liên xô (cũ) và thép kết cấu 08, CT15. Các chi tiết chịu tác động ăn mòn cao nh− sàn xe, nóc xe, hộp chắn bùn dùng thép mạ kẽm. Các tấm lớn nh− nắp ca-pô, cửa xe, sàn xe dùng thép lá dày 0,6 - 0,8 mm. Các chi tiết phần khung x−ơng có chiều dày 1,0 - 1,3 mm. (3). Tải trọng tác dụng lên khung vỏ xe. Tính toán độ bền khung vỏ xe có nhiều ph−ơng pháp và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm kết cấu của khung vỏ, chế độ tải trọng, vật liệu và ph−ơng pháp chế tạo. Các loại khung vỏ xe có kết cấu rất đa dạng do khung xe, đặc biệt là vỏ xe còn phải đáp ứng nhiều yêu cầu về bố trí chung, tạo dáng khí động học, thẩm mỹ nên việc tính toán nó đòi hỏi phải sử dụng các ph−ơng pháp số với các công cụ mạnh nh− máy tính kết hợp với các kết quả thử nghiệm thực tế để hoàn thiện kết cấu. Khung vỏ ô tô đ−ợc tính toán theo hai bài toán tĩnh và động t−ơng ứng với hai loại tải trọng: Tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh tác động lên khung vỏ xe có thể phân thành hai nhóm: Tải trọng tác động lên khung xe và tải trọng tác động lên vỏ xe. * Tải trọng tĩnh tác động lên vỏ gồm có: • Trọng l−ợng bản thân vỏ xe. • Ng−ời lái, hành khách, hàng hoá. • Các cụm hệ thống lắp đặt trực tiếp với vỏ xe. - 12 - * Tải trọng tĩnh tác động khung xe gồm có: • Trọng l−ợng bản thân khung xe. • Trọng l−ợng phần đ−ợc treo của xe bao gồm ng−ời lái, hành khách, vỏ xe và các cụm hệ thống khác trên xe. • Các phản lực tĩnh từ mặt đ−ờng * Tải trọng động tác dụng lên khung vỏ xe do: • Các kích động từ mặt đ−ờng. • Các nguồn rung động do sự không cân bằng của động cơ và hệ thống truyền lực. • Các lực va chạm bao gồm: các va chạm trực diện, va chạm bên s−ờn, va chạm nóc, và các chạm khác. . ., cũng nh− va chạm do xe đâm phải các vật cản khác. Ngoài ra còn phải kể đến các tải trọng động nh− lực cản của không khí, các lực quán tính khi xe chuyển động không đều và khi xe chuyển động trên quĩ đạo cong. 1.3.2. Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc ô tô. Phân mảnh cấu trúc nhằm mục đích giảm khối l−ợng nhập dữ liệu, dễ xử lý số liệu và kết quả tính toán, đồng thời giảm thời gian tính toán. Phân mảnh cấu trúc đ−ợc dựa trên ph−ơng pháp bề mặt kết cấu đơn nguyên hay còn gọi là ph−ơng pháp SSS (Simple Structural Surface), có nghĩa là một bề mặt kết cấu đơn là một phần tử kết cấu phẳng hoặc là một cụm có thể đ−ợc nghiên cứu nh− phần tử cứng chỉ ở dạng mặt phẳng. Việc phân mảnh cấu trúc phải dựa trên các nguyên tắc chính sau[48]: • Một kết cấu SSS có thể chỉ chịu đ−ợc lực kéo, nén và lực cắt trong mặt phẳng của nó (In - plane). • Các phần tử tăng cứng phải chịu đ−ợc các lực nén trong mặt phẳng của SSS. Các phần tử tăng cứng phải đủ lớn để chịu đ−ợc các lực phân bố vuông góc. • Các lực tập trung lớn cần phải truyền tới mặt phẳng của một SSS lân cận. • Khi một lực tập trung lớn tác dụng trong mặt phẳng của SSS, một phần tử tăng cứng có thể đ−ợc coi nh− là thành phần để phân chia lực. • Mô tả đ−ợc đặc điểm cấu trúc chịu lực của kết cấu, phản ánh đ−ợc sự phân mảnh cấu trúc theo qui trình công nghệ chế tạo. - 13 - • Sự ghép nối các mảnh phải đảm bảo tính liên tục của kết cấu và phản ánh đ−ợc liên kết thực giữa các mảnh. 1.3.3. Cơ sở và ph−ơng pháp xác định l−ới nút và PTHH. Trong bài toán phân tích kết cấu việc xác định các dữ liệu đ−ợc tiến hành theo các b−ớc sau: B−ớc 1). Mô tả dạng hình học của kết cấu, để xác định số phần tử SSS. B−ớc 2). Mô tả đặc tr−ng hình học và vật liệu của các phần tử. B−ớc 3). Xác định các loại tải trọng tĩnh và tải trọng động tác dụng lên kết cấu. Dạng hình học của kết cấu đ−ợc xác định bằng cách nối các nút đã đ−ợc xác định tr−ớc bằng các phần tử thuộc một trong các loại sau: Phần tử FRAME, SHELL, ASOLID, SOLID. 1.4. Xây dựng mô hình PTHH của vỏ xe mini buýt 8 chỗ ngồi sử dụng cho ch−ơng trình ANSYS. 1.4.1 Giả thiết và các b−ớc xây dựng mô hình. Việc xây dựng mô hình PTHH của vỏ xe mini buýt 8 chỗ ngồi dựa trên sự phân tích các đặc điểm của kết cấu khung vỏ xe, các tải trọng tác dụng lên vỏ xe cũng nh− khả năng ứng dụng của phần mềm phân tích kết cấu hiện có. Hình 3 Hình dạng bên ngoài của xe minibus 8 chỗ ngồi SAGACO - 14 - Xe minibus 8 chỗ ngồi đ−ợc lắp ráp tại Công ty ô tô SAGACO ở Việt nam (hình 3). Khung vỏ của xe gồm hai phần chính là phần khung (chassis) và phần vỏ (body). Phần vỏ đ−ợc hàn điểm trên khung để hợp thành kết cấu khung vỏ chịu lực. Trong thực tế loại xe này đ−ợc công ty SAGACO sản xuất, lắp ráp và đang trong quá trình chạy thử nghiệm để kiểm tra độ bền khung vỏ cũng nh− các thử nghiệm khác nh− ồn rung v.v. Vỏ xe là một trong các cụm tổng thành lớn, do vậy cần phải tính toán biến dạng và ứng suất của nó làm cơ sở đánh giá độ bền vỏ xe và hoàn thiện kết cấu của nó trong điều kiện sử dụng ở Việt nam. Để có thể tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe bằng phần mềm phân tích kết cấu, tr−ớc hết cần xây dựng mô hình PTHH của nó. Các giả thiết khi xây dựng mô hình PTHH cho vỏ xe: • Kết cấu vỏ xe đ−ợc coi là đối xứng qua mặt đối xứng dọc xe. • Trong kết cấu vỏ xe sử dụng phần tử dạng vỏ và thanh. Sử dụng các dạng mặt cắt chuẩn có thông số vật liệu và mặt cắt t−ơng đ−ơng cho các phần tử. • Trọng l−ợng ng−ời và hàng hoá đ−ợc coi là các tải trọng phân bố và tập trung trên phần tử và tại các nút. • Tự trọng vỏ xe đ−ợc coi là tải trọng phân bố trên vỏ xe. • Năng l−ợng va chạm tác động lên thành bên của xe là các tải trọng động đ−ợc xác định d−ới dạng hàm lực theo thời gian. Các b−ớc chính khi xây dựng mô hình PTHH của vỏ xe nói chung theo thứ tự sau: B−ớc 1). Xác định hệ toạ độ chung. B−ớc 2). Phân mảnh cấu trúc, xác định số mảnh. Xác định các điểm kết nối mảnh. B−ớc 3). Xác định các l−ới các nút trên từng mảnh và toạ độ của nó. B−ớc 4). Gán các phần tử. B−ớc 5). Ghép nối các mảnh và khai báo các ràng buộc. B−ớc 6). Xác định tải trọng tính toán và các điều kiện biên của bài toán. 1.4.2. Xác định hệ toạ độ chung. Hệ toạ độ chung của kết cấu cần phải xác định nhằm mục đích tạo lập ma trận cơ bản của toàn bộ kết cấu và ghép nối các mảnh cấu trúc con. Việc chọn gốc toạ độ tuỳ thuộc vào khả năng đo đạc toạ độ các nút trong không gian thực của kết cấu và khả năng vào số liệu và hiển thị của kết cấu phần mềm khi hiển thị. Trong ch−ơng trình - 15 - phần mềm Ansys cung cấp nhiều thống hệ toạ độ và đ−ợc sử dụng cho các mục đích khác nhau nh−: + Hệ thống toạ độ tổng thể và địa ph−ơng đ−ợc sử dụng cho vị trí hình học ( nút, điểm,…) trong không gian. + Hệ thống toạ độ nút định nghĩa bậc tự do cho mỗi nút và định h−ớng của dữ liệu kết quả nút. + Hệ thống toạ độ phần tử để xác định sự định h−ớng của thuộc tính vật liệu và dữ liệu kết quả phần tử. + Hệ thống toạ độ kết quả đ−ợc sử dụng cho việc dịch chuyển dữ liệu kết quả nút hoặc phần tử tới một hệ thống toạ độ riêng biệt cho việt liệt kê, hiển thị, hoặc sử lý kết quả. Trong phần tính toán sử dụng hệ toạ độ tổng thể nh− trên mô hình (12) 1.4.3. Phân mảnh cấu trúc vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi Vỏ xe là một kết cấu rất phức tạp chịu lực theo nhiều ph−ơng trong không gian. Phụ thuộc vào hình dáng của xe, trên vỏ xe còn đ−ợc gia cố nhiều kết cấu tăng cứng cục bộ, kết cấu hấp thụ năng l−ợng va chạm, các kết cấu giảm ồn ...vv. Trong công nghệ chế tạo ô tô, vỏ xe đ−ợc cấu thành từ nhiều mảnh chi tiết bằng các ph−ơng pháp dập và hàn. Do vậy để đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng vỏ xe và thuận tiện trong việc nhập và tính toán xử lý các số liệu cho kết cấu vỏ xe khi hoàn thiện thiết kế cần phải sử dụng kỹ thuật phân mảnh cấu trúc vỏ xe. Sự phân mảnh cấu trúc vỏ xe đ−ợc tiến hành trên cơ sở các nguyên tắc đã đ−ợc trình bày trong phần 1.3.3. (1). Theo cấu trúc chịu lực vỏ xe có cấu trúc dạng hộp bao gồm các mảnh đầu xe, sàn xe, s−ờn xe, thành xe sau và nóc xe, ngoài ra chúng còn có các khung x−ơng, các gân để tăng cứng, chịu va chạm theo các ph−ơng trực diện, va chạm bên .v.v,các cột đầu (ký hiệu pillar A), cột giữa (pillar B), thanh dọc nóc hai bên (thuộc s−ờn xe), các xà ngang tr−ớc, giữa và sau nóc xe (thuộc nóc xe), hộp thông gió và các đà ngang thuộc phần gầm xe. Sàn xe bao gồm hai mảnh chính là tấm tr−ớc và tấm sau đ−ợc làm từ nhiều lớp có dập các gân tăng cứng ở các khu vực chịu tải, các điểm đặt gối đỡ vỏ xe. Các thanh, xà tăng c−ờng đều có tiết diện hình chữ nhật hoặc chữ C. Chiều dày các tấm 0,9 - 1.0mm, các cột và xà ngang là 2 - 3mm. - 16 - (2). Theo qui trình công nghệ lắp ráp, vỏ xe minibus đ−ợc phân thành 6 mảnh lớn nối ghép với nhau bằng các mối hàn hoặc bu lông kẹp bao gồm: Mảnh đầu xe, mảnh sàn chính, s−ờn xe, thành xe sau, nóc xe. Hình (4) trình bày 6 mảnh cấu trúc lớn của vỏ xe trong dây chuyền công nghệ lắp rắp vỏ xe. Hình 4. Phân mảnh cấu trúc vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi (1) Mảnh đầu xe, (2) Mảnh sàn xe, (3) Mảnh thành bên phải (4) Mảnh thành bên trái, (5) Mảnh cửa hậu, (6) Mảnh nóc (3). Theo qui trình công nghệ chế tạo vỏ xe, ta nhận thấy các mảnh lại có thể đ−ợc ghép nối từ các phần tử nhỏ hơn bằng ph−ơng pháp hàn tại các điểm tiếp giáp giữa các mảnh. Thực tế khoảng cách giữa các điểm hàn đ−ợc xác định để đảm bảo là chuyển vị của các điểm trên mép tiếp giáp là nh− nhau. Điều này cho phép giả thiết các điểm ràng buộc trong mô hình khi ghép nối các mảnh. Do vậy khi xây dựng mô hình vỏ xe các mảnh này đ−ợc coi là các phần tử cấu thành mảnh lớn và toàn bộ vỏ xe. Thành phần cụ thể của các mảnh lớn và các phần tử lắp ghép trên mảnh gồm có: - Tấm khung - sàn xe (hình 5) bao gồm: Khung xe và sàn xe. 1 6 4 2 5 3 - 17 - Hình 5. Mảnh khung - sàn xe Phần khung xe gồm có 3 đoạn: Đoạn đầu, đoạn giữa và đoạn sau (hình 5.b). Phần sàn xe bao gồm : các tháp bố trí hệ thống treo, tr−ớc hốc sàn chính của xe, sàn tr−ớc xe, sàn sau xe (hình 5.a). - Mảnh đầu (hình 6) Mảnh đầu xe bao gồm vách ngăn khoang buồng lái với khung giá dành cho thanh chống, hai vách bên, kết cấu các thanh giằng ở trên và ở phần d−ới mặt tr−ớc. Các thành phần hợp thành một dạng không gian mở, các đặc tính liên kết vách ngăn và sự nối ghép phức tạp của các phần tử kết cấu khác nhau đảm bảo kết cấu có đủ độ cứng chung. Hình 6. Mảnh đầu xe - Mảnh s−ờn xe (hình 7): Gồm mảnh bên phải và mảnh bên trái đối xứng với nhau qua mặt phẳng dọc ( XOZ). - 18 - Kết cấu của từng mảnh bao gồm tấm s−ờn ngoài xe, tấm s−ờn trong xe trong, cửa tr−ớc và cửa lùa. Để tăng cứng cho s−ờn xe thông th−ờng các cánh cửa và thành bên có biên dạng cong theo h−ớng trục X của xe đáp ứng các yêu cầu bền vững. Bán kính cong này khoảng 1300 và 1500mm Hình 7. Mảnh s−ờn xe bên trái - Mảnh cửa hậu (hình 8) bao gồm: Tấm trong, tấm ngoài và các thanh tăng cứng. Mảnh cửa hậu đ−ợc thiết kế có gắn bản lề trên nóc xe. Nó rất thuận lợi cho việc ghép nối các thành bên với việc đóng các cạnh mép. Đây là ph−ơng pháp cho phép tự động lắp ráp ở bên ngoài và làm những công việc sửa chữa sau tai nạn đ−ợc thuận lợi hơn. Hình 8. Mảnh cửa hậu của xe - Mảnh nóc xe (hình 9) bao gồm: Tấm nóc, xà ngang đầu, xà ngang cuối, hai xà ngang tăng cứng giữa. - 19 - Hình 9. Mảnh nóc xe Nóc xe có các phần dập hơi lồi một chút để ngăn chặn một vài xu h−ớng rung động hoặc tạo ra tiếng ồn. Tính ổn định đ−ợc tăng lên với độ cong của mặt lõm. Các dầm kim loại cũng đ−ợc hàn nằm ngang hoặc đ−ờng chéo theo chiều chuyển động để tăng độ bền đặc biệt trong các thử nghiệm. Khi xe có bị lăn lật việc tăng c−ờng kết cấu thanh đỡ ở đầu và cuối xe là nguyên nhân cơ bản để tác động nh− là mép gấp xuống của thanh để ngăn cản biến dạng trong nóc xe 1.4.4. Xác định các nút, l−ới, và gán các phần tử trên từng mảnh. (1). Xác định các nút Số l−ợng và tên các nút trên từng mảnh đ−ợc xác định trên cơ sở mô tả đ−ợc hình dáng hình học cơ bản của cấu trúc và thuận tiện cho việc định nghĩa các phần tử và ghép nối các mảnh sau này. Mỗi nút trên mô hình đ−ợc xác định bằng ba toạ độ tuyệt đối theo hệ toạ độ tổng thể OXYZ.Trên mô hình l−ới phần tử, việc phân bố nút trên các mảnh nh− trong bảng 2. Bảng 2: Phân bố các nút trên vỏ xe Nút STT Tên mảnh Từ Đến Tổng 1 Mảnh cửa hậu xe 1 1542 1542 2 Mảnh đầu xe 1543 2901 1359 3 Mảnh thành phải xe 2902 6407 3506 4 Mảnh thành trái xe 6408 9913 3506 5 Mảnh nóc xe 9914 11627 1713 6 Mảnh sàn xe 11628 14589 2961 7 Cửa xe 14590 16826 2336 - 20 - (2). Gán các phần tử. Gán các phần tử cần phải đảm bảo đ−ợc trạng thái ứng suất gắn với thực tế bao gồm lựa chọn kiểu loại phần tử và hằng số đặc tr−ng của chúng. Việc lựa chọn kiểu, số l−ợng các phần tử trên các mảng lớn cũng nh− trên vỏ xe tổng thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố và th− viện phần tử của phần mềm phân tích kết cấu đ−ợc sử dụng. Đa phần các phần tử của vỏ xe có thể mô tả bằng phần tử vỏ SHELL của ANSYS, một số phần tử có thể mô tả bằng phần tử dầm BEAM phục vụ cho mục đích: ghép nối các mảnh, mô phỏng các kết cấu tăng cứng cục bộ. Việc lựa chọn các thông số đặc tr−ng của các dạng phần tử SHELL, BEAM thể hiện độ dày của vỏ, và mặt cắt ngang của các dầm. Trong mô hình PTHH của vỏ xe sử dụng 12 loại mặt cắt đặc tr−ng cho phần tử BEAM 4 và 5 loại mặt cắt đặc tr−ng cho phần tử SELL163. Các thông số của mặt cắt các phần tử sử dụng trong ch−ơng trình xem Bảng (3 và 4) Bảng Thông số các loại mặt cắt của phần tử BEAM 4 Nhãn mặt cắt Diện tích mặt cắt Mô men quán tính thiết diện Diện tích chịu cắt Mô men tĩnh (mm2) IX (mm 4) IY (mm 4) (mm2) SX (mm 3) SY (mm 3) 1 6 7 8 9 10 11 12 956 876 328 408 406 176 216 228 3701998 2713752 334053 176224 77275 16339 119552 180044 849914 3511177 401213 1238856 1317097 97299 90472 66956 11418 21160 6699 7155 5046 1407 2891 2925 26384 22554 4832 4084 2734 814 2316 2869 13598 25292 5242 9898 10092 1826 2046 1843 - 21 - Bảng 4. Thông số các loại mặt cắt của phần tử SHELL163 Nhãn mặt cắt Diện tích mặt cắt Mô men quán tính thiết diện Mô men xoắn Mô men tĩnh (mm2) IX (mm 4) IY (mm 4) (mm4) (mm3) 2 3 4 5 226 420 352,5 166,5 37532 543564 924824 78614 37532 183501 99728 15162 75064 391713 176520 30304 - 7057 8228 1669 1.4.5. Mô hình tính của bài toán xác định biến dạng và ứng suất của vỏ xe MEFFA. (2). Xây dựng mô hình. Mô hình tính biến dạng và ứng suất của vỏ xe đ−ợc xây dựng từ mô hình hình học, sau đó thực hiện chia l−ới (mesh) để tạo mô hình phần tử hữu hạn. Có hai cách xây dựng mô hình hình học: xây dựng mô hình trực tiếp trong Ansys hoặc xây dựng mô hình trong một phần mềm CAD khác, sau đó chuyển đổi cơ sở dữ liệu nhập vào ch−ơng trình Ansys. Trong luận án đã chọn ph−ơng án xây dựng mô hình hình học trong phần mềm SOLIDWORKS, sau đó xuất ra file có dạng file.igs nhập vào ANSYS. Hình(11) là mô hình l−ới các nút trên vỏ xe MEFA. Hình 11. Mô hình l−ới các nút của vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi - 22 - (2). Các dữ liệu vào của mô hình Để giải bài toán phân tích kết cấu bằng phần mềm ANSYS tr−ớc hết cần xác lập các dữ liệu vào cho mô đun phân tích kết cấu của ANSYS. Các dữ liệu vào bao gồm các định nghĩa cơ bản của mô hình nh− toạ độ các nút, các phần tử, các thông số đặc tr−ng cho vật liệu, ràng buộc và tải trọng tác dụng lên mô hình. Các thông số chính: Tổng số nút trong mô hình : 16826 Số phần tử SHELL163 : 14628 Số phần tử BEAM 4 : 526 Số nút CONSTRAINTS : 2858 Đặc tr−ng vật liệu chế tạo khung vỏ: Mô đun đàn hồi (EX) : 2.0e11 N/m 2 Hệ số Poat xông (à ) : 0.3 Khối l−ợng riêng : 7850 kg/m3 Phần tử MASS 21 đặc tr−ng cho khối l−ợng tập trung cầu tr−ớc (350kg) Phần tử MASS 21 đặc tr−ng cho khối l−ợng tập trung cầu sau (427,5 kg) Số đặc tr−ng mặt cắt và vật liệu phần tử SHELL163: 5 Số đặc tr−ng mặt cắt và vật liệu phần tử BEAM 4: 12 2. Tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi. 2.1. Xác định tải trọng động cho bài toán động sử dụng hàm thời gian. Việc xác định chính xác các biến dạng và ứng suất tại các điểm trên vỏ xe khi chịu tải trọng khác nhau, đặc biệt là tải trọng động theo thời gian là một trong các bài toán quan trọng để đánh giá độ bền và hoàn thiện kết cấu khung vỏ xe trong thực tế. Hiện nay bài toán này có thể giải bằng các gói ch−ơng trình phân tích kết cấu. ANSYS là một trong các phần mềm cho phép khai thác sử dụng chế độ tải trọng phụ thuộc vào hàm thời gian để giải quyết các bài toán tính kết cấu phức tạp không những với tải trọng tĩnh mà cả với tải trọng động. Trong phần này trình bày bài toán xác định biến dạng và ứng suất trên vỏ xe với hàm lực tác dụng lên thành bên của xe, đ−ợc đặc tr−ng cho xe va chạm với các vận tốc có ph−ơng, chiều và độ lớn khác nhau trong thời gian phân tích va chạm là 0,1giây. Trong khoảng thời gian này ta chia làm 100 b−ớc nhỏ, ch−ơng trình sẽ ghi kết quả tại mỗi b−ớc. Nh− vậy b−ớc tăng thời gian sẽ là 0,001giây. Sơ đồ thuật toán đ−ợc thể hiện trên hình 12. - 23 - Hình 12. Sơ đồ thuật toán xác định biến dạng và ứng suất của vỏ xe 2.2. Một số kết quả tính toán ứng suất và biến dạng vỏ xe minibus 8 chỗ ngồi Bằng phần mềm tính toán ANSYS với tải trọng động là hàm thời gian, xác định đ−ợc một số các thông số cơ bản của cấu trúc nh− biến dạng, ứng suất. Trong phần này trình bày một số đồ thị kết quả tính toán cho một số tr−ờng hợp khảo sát. Các tr−ờng hợp khảo sát đ−ợc chọn trên cơ sở vận tốc và ph−ơng va chạm của xe khi va chạm. Kết thúc Nhập dữ liệu Phân tích cấu trúc vỏ xe Xây dựng mô hình hình học Xây dựng mô hình mô phỏng: - Đặt liên kết, ràng buộc các phần tử - Các điểm đặt lực - Các điều kiện đầu Đặt lực kích động vào thành xe Lựa chọn cách thức xuất kết quả Xuất kết quả Xử lý kết quả Điều khiển thực thi quá trình mô phỏng - Thời gian - B−ớc tính toán và sai số tính toán Bắt đầu Tạo ma trận cơ bản v(t) - m Nhập các véc tơ vận tốc, thời gian, véc tơ khối l−ợng Nội suy từ ma trận V để có véc tơ vận tốc tức thời v(t) Tính gia tốc xe a(t) Tính lực đâm F(t) (lực tác động lên thành xe) - 24 - 2.2.1. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =15km/h, ph−ơng va chạm 900, còn xe bị va chạm có vận tốc bằng 0. Các kết quả đ−ợc trình bày trên hình (13) a) Biểu đồ ứng suất của khung vỏ xe b) Đồ thị ứng suất tại nút 616 c) Biểu đồ biến dạng của khung vỏ xe d) Đồ thị biến dạng tại nút 616 e) Đồ thị gia tốc biến dạng tại nút 616 g) Đồ thị biến dạng của một số nút lân cận Hình 13. Một số kết quả tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe Nút 616 - 25 - Nhận xét kết quả từ các biểu đồ và đồ thị trên hình 13 • Khu vực chịu ứng suất lớn nhất đ−ợc tập trung tại phần tiếp xúc va chạm, sàn xe và nóc xe. • Khu vực hai xe tiếp xúc va chạm có biến dạng lớn nhất, tiếp theo là các vùng lân cận. • Giá trị trị biến dạng lớn nhất của vỏ xe tại nút 616 : u = 262mm 2.2.2. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =20km/h, ph−ơng va chạm 900, còn xe bị va chạm có vận tốc bằng 0. Các kết quả đ−ợc trình bày trên hình(14) a) Biểu đồ ứng suất của khung vỏ xe b) Đồ thị ứng suất tại nút 616 c) Biểu đồ biến dạng của khung vỏ xe d) Đồ thị biến dạng tại nút 616 Nút 616 - 26 - e) Đồ thị gia tốc biến dạng tại nút 616 g) Đồ thị biến dạng của một số nút lân cận Hình 14. Một số kết quả tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe Nhận xét kết quả từ các biểu đồ và đồ thị trên hình 14 • Khu vực chịu ứng suất lớn nhất vẫn đ−ợc tập trung tại phần tiếp xúc va chạm, sàn xe và nóc xe • Khu vực hai xe tiếp xúc va chạm có biến dạng lớn nhất, tiếp theo là các vùng lân cận . • Giá trị biến dạng lớn nhất của khung vỏ xe tại nút 616: u = 298mm 2.2.3. Tr−ờng hợp vận tốc ban đầu của xe va chạm V0 =48km/h, ph−ơng va chạm 430, còn xe bị va chạm có vận tốc bằng 0. Các kết quả đ−ợc trình bày trên hình(15) a) Biểu đồ ứng suất của khung vỏ xe b) Đồ thị ứng suất của tại nút 480 - 27 - c). Biểu đồ biến dạng của khung vỏ xe d) Đồ thị biến dạng tại nút 480 e) Đồ thị vận tốc biến dạng tại nút 480 g) Đồ thị gia tốc biến dạng tại nút 480 h) Đồ thị biến dạng của một số nút lân cận Hình 15. Một số kết quả tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe Nút 480 - 28 - Nhận xét kết quả từ các biểu đồ và đồ thị trên hình 15 • Khu vực hai xe tiếp xúc va chạm có biến dạng lớn nhất, tiếp theo là các vùng lân cận . • Khu vực chịu ứng suất lớn nhất vẫn đ−ợc tập trung tại phần tiếp xúc va chạm, sàn xe và nóc xe. • Giá trị biến dạng lớn nhất của khung vỏ xe tại nút 480(u = 540mm) Kết luận 1. Việc xác định biến dạng và ứng suất của vỏ xe khi chịu các tải trọng va chạm có thể thực hiện đ−ợc nhờ việc mô hình hoá kết cấu trên cơ sở ph−ơng pháp PTHH và sử dụng các phần mềm tính toán kết cấu đã có ở Việt nam. 2. Trong ch−ơng này trình bày việc thiết lập mô hình PTHH của vỏ xe minibuýt, sử dụng phần mềm ANSYS để tính biến dạng và ứng suất của vỏ xe với tải trọng là hàm lực va chạm theo thời gian. 3. Kết quả tính toán cho phép không những xác định đ−ợc biến dạng và ứng suất của các điểm trên vỏ xe mà còn cho ta hình dung đ−ợc sự phân bố chúng trên các khu vực khác nhau của vỏ xe. 4. Mô hình PTHH có thể sử dụng cho bài toán mô phỏng quá trình va chạm đ−ợc trình bày ở phần sau sau.