MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh nền kinh tế ngày càng phát triển, nhu cầu vận chuyển hàng hóa trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Sự mở rộng của các khu công nghiệp và hoạt động thương mại khiến các phương tiện vận tải, đặc biệt là xe tải, trở thành yếu tố then chốt trong chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, xe tải phải đối mặt với nhiều yếu tố tác động từ điều kiện địa hình và chất lượng đường xá, ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng vận hành cũng như độ bền của khung xe. Việc đánh giá và cải tiến độ bền của khung xe không chỉ giúp nâng cao hiệu quả vận hành mà còn bảo đảm sự an toàn cho người sử dụng phương tiện. Do đó, việc mô phỏng và phân tích đánh giá độ bền của khung xe tải trong các điều kiện vận hành thực tế là một yêu cầu cấp thiết trong ngành công nghiệp ô tô.

Đồ án này được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu và đánh giá độ bền của khung xe tải thông qua phương pháp động học hệ động lực học nhiều vật kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Mô hình này sẽ mô phỏng các điều kiện vận hành thực tế, từ đó xác định được các lực tác dụng lên khung xe và phản ứng của nó trong suốt quá trình sử dụng.

Mặc dù đã có sự tìm hiểu, cố gắng nhưng do kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy thông cảm và đóng góp để em có thể hoàn thiện hơn trong tương lai.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

1.Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Đồ án hướng tới chi tiết là khung xe tải 3,5 tấn với mục đích phân tích, đánh giá kết quả ứng suất phân bố trên khung xe và đề xuất phương án cải tiến.

2.Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế, tính toán mô phỏng khung xe tải 3,5 tấn bằng mô hình phần tử hữu hạn và khảo sát ở các trường hợp chịu tải tĩnh và động.

3.Nội dung đồ án

- Chương 1: Tổng quan về xe tải

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ động lực học nhiều vật và phương pháp phần tử hữu hạn

- Chương 3: Tính toán thiết kế và xây dựng mô hình FEM và MBD

- Chương 4: Khảo sát mô phỏng, đánh giá độ bền khung xe thông qua ứng suất

- Chương 5: Thí nghiệm đo ứng suất của khung xe

4.Những kết quả của đồ án

- Thiết kế được khung xe tải 3,5 tấn.

- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình động học hệ động lực học nhiều vật (MBD) của khung xe.

- Mô phỏng khung xe trong một số chế độ tải trọng.

- Thí nghiệm trên mô hình thực tế trong trường hợp chịu tải tĩnh.

5.Ý nghĩa thực tiễn của đồ án

Đồ án có ý nghĩa thực tiễn trong việc hỗ trợ thiết kế khung xe tải 3,5 tấn, đưa ra hai phương pháp mô phỏng để đánh giá độ bền của khung xe.

                                                                                                                                                Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                                                               Sinh viên thực hiện

                                                                                                                                             1./ …………………..

                                                                                                                                            2./ …………………

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Trong thời đại công nghiệp hóa đất nước, ô tô không chỉ là phương tiện di chuyển thông thường mà còn là yếu tố then chốt trong hoạt động vận tải và phát triển kinh tế. Hiện nay, với sự bùng nổ của thương mại điện tử, xu hướng sử dụng ô tô đặc biệt là dòng xe tải vừa và nhỏ phục vụ cho việc giao chở nhận hàng đang ngày càng phổ biến, nhất là trong các khu đô thị thành phố. Khi nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa tăng, việc nghiên cứu hiệu quả vận hành của ô tô trở thành một hướng đi quan trọng để nâng cao chất lượng và độ tin cậy của phương tiện.

1.2. Giới thiệu về xe tải

Xe tải là loại xe cơ giới được thiết kế để vận chuyển hàng hóa, chở tải đặc biệt hoặc thực hiện các công việc hữu ích khác. Xe tải có sự đa dạng về kích thước, công suất và kết cấu, thường được xây dựng với cấu trúc khung thân-vỏ và cabin độc lập với phần tải. Một số loại nhỏ có thể tương tự ô tô thông thường. Xe tải thương mại có thể rất lớn và mạnh mẽ, và thường có khả năng trang bị thiết bị đặc biệt như xe chở rác, xe cứu hoả, xe trộn bê tông và xe đào hút bùn. Xe tải đóng vai trò quan trọng trong ngành logistics, xây dựng và thương mại, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế.

1.2.1.Phân loại xe tải

Xe tải đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực vận tải hiện nay. Tùy vào như cầu và mục đích sử dụng mà cũng có nhiều loại xe tải tương ứng như:

Xe tải hạng nhẹ là những xe cỡ nhỏ hoặc vừa từ 1 tấn - 3,5 tấn. Có kích thước nhỏ gọn với chiều dài dưới 6 mét. Do kích thước nhỏ gọn nên dễ dàng di chuyển trong đô thị vì ít bị cấm đường. Phù hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

1.2.2. Cấu tạo gầm ô tô

Gầm ô tô gồm các thành phần chính sau:

- Khung xe: Bộ phận chịu lực chính, thường được làm từ thép hoặc hợp kim nhôm để đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải.

- Hệ thống truyền động và động cơ: Bao gồm động cơ, ly hợp, hộp số và trục dẫn động, truyền lực từ động cơ đến bánh xe.

- Hệ thống phanh: 4 loại được sử dụng phổ biến trên ô tô là phanh đĩa, phanh tang trống, phanh khẩn cấp và phanh bó cứng ABS, đảm bảo khả năng dừng xe an toàn.

1.3. Giới thiệu về khung xe

Khung xe (chassis) là bộ phận nền tảng của một chiếc xe, được ví như bộ xương có vai trò nâng đỡ và cố định các thành phần khác.

1.3.1.Phân loại khung xe ô tô

1.3.1.1.Phân loại theo cấu trúc

* Khung rời:

Khung xe được chế tạo từng thành phần riêng biệt sau đó được kết nối với nhau bằng bu lông hoặc đinh tán.

- Ưu điểm:

+ Chịu tải tốt, độ bền cao, đặc biệt phù hợp với các loại xe tải nặng, xe bus, xe SUV cỡ lớn và các loại xe chuyên dụng cần khả năng chuyên chở nặng và vượt địa hình.

+ Dễ dàng sửa chữa và thay thế các bộ phận, vì khung xe và thân xe tách rời.

- Nhược điểm:

+ Nặng hơn so với các loại khung gầm khác, ảnh hưởng đến hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu.

+ Không gian nội thất hạn chế do khung xe chiếm diện tích.

* Khung liền khối:

Khung xe và thân xe được thiết kế thành một thể thống nhất, với lớp vỏ bao quanh tạo thành một khối giống vỏ trứng.

1.3.2.1.Phân loại theo hình dáng

* Khung hình thang (Ladder Frame):

- Gồm hai thành dầm dọc song song được nối với nhau bằng các thanh ngang, tạo thành hình dạng giống như một chiếc thang.

* Khung gầm hình xương sống:

- Có cấu tạo đợn giản chỉ gồm một thanh dầm trung tâm chạy dọc theo chiều dài xe, các bộ phận khác được gắn vào thanh dầm này.

1.3.3. Kết cấu cơ bản của khung xe tải

Kết cấu khung ô tô tải thông dụng bao gồm:

- Các dầm dọc bằng thép tấm có chiều dày từ 3 ÷ 7 mm bằng phương pháp dập nóng, những khu vực chịu tải lớn thường được gia cố thêm tấm tăng cứng. Tiết diện của dầm dọc thường là dạng chữ C, U, I,…

- Các dầm ngang có tiết diện tương tự dầm dọc và liên kết với dầm dọc bởi mối ghép đinh tán hoặc bulông, thường chiểu dày của các dầm ngang mỏng hơn dầm dọc để tăng khả năng chịu biến dạng xoắn của khung.

1.4. Đối tượng nghiên cứu

Khung xe của dòng xe tải nhẹ Hino Series 300 ra mắt năm 2013 mang thiết kế toàn cầu, được nhập khẩu và lắp ráp tại nhà máy Hino tại Việt Nam. Với trọng tải trọng tối đa dạng từ 4,8 đến 8,5 tấn, Xe tải nhẹ Hino Series 300 phù hợp với các tuyến đường vừa, ngắn và các cung đường nội thị.

1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mô phỏng đánh giá khung xe tải trong các điều kiện vận hành khác nhau. Mục tiêu của em là xây dựng một mô hình cho khung xe tải và phân tích độ bền khung xe dưới các tác động khác nhau trong quá trình vận hành. Tập trung nghiên cứu về ứng suất tác động vào xe trong quá trình vận hành, từ đó cải thiện được hiệu suất cũng như độ bền của xe khi vận hành.

1.5.2. Nội dung nghiên cứu

Các nội dung chính trong đề tài bao gồm:

- Thiết kế, xây dụng mô hình 3D khung xe tải

- Nghiên cứu và áp dụng phương pháp mô phỏng và phân tích phần tử hữu hạn.

- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho khung xe, từ đó phân tích ứng suất và biến dạng dưới các tác động trong quá trình vận hành.

- Xây dựng mô hình xe tải trong phần mềm Motionview.

- Khảo sát ứng suất trên khung xe trong trường hợp một bên bánh xe đi qua mấp mô.

- Thí nghiệm khảo sát ứng suất bằng cảm biến tenzo.

1.6. Kết luận chương 1

Trong chương 1, đồ án đã trình bày được tổng quan về đối tượng, nội dung và mục tiêu nghiên cứu. Giới thiệu chung về xe tải, khung xe tải và các yêu cầu đối với khung xe tải.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Cơ sở lý thuyết về hệ động lực học nhiều vật

2.1.1.Hệ động lực học nhiều vật

Multibody System Simulation (MBS) hoặc Multibody Dynamics (MBD) là nghiên cứu về chuyển động của các hệ cơ học dưới tác động của lực bên ngoài và kích thích chuyển động tác động lên hệ. Thuật ngữ multi-body được dùng để đại diện cho các hệ thống phức tạp thường gặp trong nhiều ngành công nghiệp như:

- Giao thông vận tải (ô tô, máy bay, tàu hỏa,…)

- Máy móc công nghiệp (máy dệt, máy sản xuất,…)

- Hệ thống hàng không vũ trụ

2.1.3. Phương trình chuyển động

Phương trình chuyển động được sử dụng để mô tả hành vi động học của một hệ nhiều vật. Tùy theo cách xây dựng mô hình mà phương trình chuyển động có thể có hình thức toán học khác nhau, tuy nhiên bản chất vật lý sau chúng là như nhau.

Chuyển động của các vật thể có ràng buộc được mô tả qua các phương trình xuất phát chủ yếu từ Định luật II Newton. Các phương trình này được thiết lập cho chuyển động tổng quát của từng vật thể, đồng thời bổ sung điều kiện ràng buộc. Thông thường, các phương trình chuyển động này được suy ra từ phương trình Newton-Eluer hoặc phương trình Lagrange [5]

Chuyển động của vật thể rắn được mô tả thông qua các phương trình sau:

M(q) q ̈-Q_v+C_q^T λ=F

C(q,q ̇ )=0

Trong đó:

q : là tọa độ tổng quát, mô tả vị trí của hệ.

M(q): là ma trận khối lượng.

𝑄𝑣: là vector vận tốc.

𝐶(𝑞, 𝑞̇): là phương trình ràng buộc.

𝜆: là bội số Lagrange, đại diện cho lực ràng buộc tương ứng.

2.1.5.Tổng hợp mode thành phần (CMS)

Quy trình chuyển từ biểu diễn theo nút sang biểu diễn theo mode của một vật thể đàn hồi gọi là CMS (Component Mode Synthesis). Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác biễn dạng cũng như tải tác dụng lên một thành phần đàn hồi trong dải tần số quan tâm

Có hai phương pháp chính trong CMS: Phương pháp Craig-Bampton và Phương pháp Craig-Chang. Cả hai phương pháp này đều cho phép giảm đáng kể số bậc tự do (DOF) trong mô hình.

- Craig-Bampton: phù hợp nhất khi hầu hết các bậc tự do của các interface node bị ràng buộc bởi mô hình MBD.

Ví dụ: Một dầm được cố định hai đầu. Phần bên trong có thể rung nhưng đầu dầm thì không thể chuyển động.

- Craig-Chang: phù hợp nhất khi phần lớn các bậc tự do của các interface node không bị ràng buộc nhiều trong mô hình MBD.

2.1.6. Quy trình thiết kế và phân tích hệ nhiều vật

Các phương pháp thiết kế dựa trên mô phỏng cho phép kỹ sư phân tích và đánh giá hiệu suất suản phẩm mới xuyên suất các giai đoạn: thiết kế ý tưởng, tinh chỉnh ý tưởng, thiết kế chi tiết, phát hành và sản xuất.

Việc có thể đánh giá hiệu suất xuyên suất các giai đoạn giúp tối ưu hình dáng, độ tương thích và chức năng của hệ thống với chi phí được giảm bớt đi rất nhiều so với quy trình tạo mẫu vật lý truyền thống.

Các bước chính để phân tích một hệ thống cơ học bằng phần mềm MBS:

1. Tạo mô hình của hệ thống và chia nhỏ nó thành các thành phần cơ bản.

2. Vẽ sơ đồ hệ thống

3. Tạo mô hình trên phần mền

4. Thiết lập bài toán và giải bằng một bộ giải phù hợp

5. Xem xét và đánh giá kết quả

6. Nếu cần chỉnh sửa mô hình thì quay lại bước 4.

Quy trình xây dựng nguyên mẫu ảo gồm 4 bước chính:

1. Xây dựng.

2. Thử nghiệm.

3. Đánh giá.

4. Cải tiến.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM)

2.2.1. Tổng quan về FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) hoạt động bằng cách chia nhỏ một vật thể phức tạp thành hữu hạn các phần tử rời rạc nhưng được liên kết với nhau bởi các điểm gọi là nút. Đây là một trong các phương pháp số được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật có thể kể đến như ngành ô tô để giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến phân tích cấu trúc, kết cấu vật thể. Phương pháp này cho kết quả tính toán tương đối chính xác, phù hợp với các bài toán siêu tĩnh bậc cao chẳng hạn như trong đồ án này chính là khung gầm của xe tải Hino và có thể tính được ứng suất, chuyển vị ở từng vị trí tương ứng với từng phần tử, từng nút hay là tính cho toàn kết cấu.

- Ưu điểm:

+ Độ chính xác tưởng đối cao.

+ Phù hợp với các bài toán từ đơn giản đến phức tạp.

+ Vật liệu không đồng nhất.

- Nhược điểm:

+ Tài nguyên máy tính lớn

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

2.2.3. Mô hình hóa quy trình tính toán kiểm bền bằng FEM

Một quy trình tính toán kiểm bền bằng FEM sẽ gồm các bước chính sau:

- Chuẩn bị mô hình hình học: thu thập thông số kích thước để vẽ được khung xe tải.

-Đơn giản mô hình: loại bỏ các chi tiết không cần thiết (lỗ nhỏ, góc cạnh bo) để giảm độ phức tạp tính toán.

- Chia lưới phần tử và kiểm tra chất lượng phần tử: sử dụng lưới 2D (trias hoặc quad) hoặc lưới 3D (tetra hoặc hexa) và sử dụng các tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng phần tử.

- Thiết lập vật liệu: gán các thông số cần thiết cho vật liệu: môđun đàn hồi, hệ số Poisson, khối lượng riêng, ứng suất chảy giới hạn.

2.3. Kết luận chương 2

Trong chương 2, đồ án đã trình bày cơ sở lý thuyết chung về hệ động học nhiều vật và phương pháp phần tử hữu hạn.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH

3.1. Các thông số của xe Hino 300

Thông số của xe được thể hiện dưới bảng 3.1:

3.2. Tính toán thiết kế khung xe

Với tự trọng của xe là 2100 kg và khối lượng toàn bộ là 4500 kg, ta phân chia khối lượng một số thành phần của xe như trong bảng 3.2.

Xây dựng mô hình 2D cho khung xe với các kích thước được tham khảo mô hình xe thực tế:

Trong đó:        

𝐹𝑐: là tải trọng của cabin (N)

𝐹_𝑛𝑔: là tải trọng của người (N)

𝐹_𝑑𝑐/ℎ_𝑠: là tải trọng của động cơ và hộp số (N)

𝑞_𝑡ℎ: là tải trọng phân bố của thùng hàng (N/mm)

𝑞_𝑘ℎ: là tải trọng phân bố của bản thân khung xe (N/mm)

Coi tải trọng đặt lên 2 thanh dọc là như nhau, suy ra lực tác dụng lên 1 bên thanh dọc:

Fc=350/2.9,8=1715N

F(n.q)=210/2.9,8=1029N

F(dc/hs)=700/2.9,8=3430N

qkh=(200/245.9,8)/50≈0,215N/mm

qth=2190/2.9,8/3105≈3,456N/mm

Coi phản lực từ 2 đầu bó nhíp tác dụng lên khung là như nhau, suy ra:

Fy11=Fy12≈3929,68 N

Fy21=Fy22≈5012,82 N

ừ đó ta có biểu đồ nội lực như hình 3.3.

Suy ra:

|Qy |_(max)=3873,68N

|Mx |_(max)=2507182 N.mm

Chọn tiết diện khung có dạng chữ C và các kích thước tham khảo mô hình thực tế:

Tính trọng tâm 𝑥_𝑐,  𝑦_𝑐 cho tiết diện:

χ_c=(x_c1.F₁-x_c2.F₂)/(F₁-F₂ )=(32,5.140.65-35.130.60)/(140.65-130.60)=17,5 mm

y_c=(y_c1.F₁-y_c2.F₂)/(F₁-F₂ )=(70.140.65-70.1.30.60)/(140.65-13060)=70 mm

Với:   

𝑥_𝑐1, 𝑥_𝑐2 : là giá trị x của tọa độ trọng tâm của hình (1) và hình (2).

𝑦_𝑐1, 𝑦_𝑐2: là giá trị y của tọa độ trọng tâm của hình (1) và hình (2).

𝐹1, 𝐹2: là diện tích của hình (1) và hình (2).

Áp dụng thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng:

σ_td=√(σ²+3τ² )≤[σ]

=> σ_td=√(45,25²+36,49² )≈46,625MPa<620 MPa (Ứng suất chảy giới han của vât liêu làm khung)

=> Khung đã đủ bền với các kích thước được chon của tiết diên.

3.3. Xây dựng mô hình 3D

3.3.1. Giới thiệu phần mềm Solid Work

Solid Work là phần mềm thiết kế CAD 3D chuyên nghiệp. Phần mềm này cho phép người dùng thiết kế các mô hình 3D, các bản vẽ 2D, mô phỏng chuyển động, phân tích lực và tạo dựng các bản vẽ lắp ráp chính xác cho các hệ thống máy móc cơ khí phức tạp

Các ứng dụng chính của phần mềm Solid Work :

- Thiết kế 3D: dễ dạng tạo và chỉnh sửa các chi tiết và cụm lắp ráp 3D

- Bản vẽ kỹ thuật 2D: xuất ra bản vẽ 2D từ mô hình 3D với đầy đủ kích thước, dung sai, tiêu chuẩn kỹ thuật

- Tính toán mô phỏng: mô phỏng các ràng buộc, lực chuyển động tác dụng lên mô hình 3D

3.3.2. Xây dựng mô hình CAD khung xe tải

Khung xe tải là bộ phận quan trọng nhất của xe, là bộ phận chịu tải trọng chính. Do đó nó phải chịu được tải trọng động và rung lắc từ mặt đường truyền lên khi xe chuyển động. Kết cấu khung xe thường bao gồm các dầm dọc và dầm ngang được liên kết với nhau bằng các mối ghép đinh tán, ren để tăng độ bền do mỏi và được tăng cứng bằng các tấm táp.

Kích thước của khung xe ban đầu được lấy số liệu bằng cách đo trực tiếp từ đó tạo ra mô hình bám sát nhất với thực tiễn. Tuy nhiên trong quá trình đo đạc nhiều điểm khó tiếp cận hoặc những phần chỉ có thể ước lượng kích thước. Vì vậy ngoài việc đo trực tiếp thì cần kết hợp với các thông số đã có ở bảng các thông số của xe ở trên để có thể hình dung và xây dựng mô hình mang tính trực quan nhất. Khung xe có chiều dài tổng cộng là 4550 mm, chiều rộng 700 mm, gồm 2 dầm dọc và 5 dầm ngang.

Dầm ngang dùng để kết nối 2 dầm dọc và tăng độ cứng cho khung xe đồng thời là vị trí gá lắp động cơ, hộp số của xe và là nơi để bắt một số các thiết bị thuộc các hệ thống khác của xe như hệ thống phanh, các đường ống dẫn dầu thủy lực, …

Ngoài ra khung xe còn có các tấm tăng cứng, tấm bát treo nhíp, bát treo giảm chấn.

Trong đồ án này, để giảm thiểu thời gian trong quá trình mô phỏng, mô hình đã được đơn giản hóa các cấu trúc hình học không ảnh hưởng tới giá trị ứng suất như các lỗ giảm vật liệu. Coi như các thanh dầm dọc và dầm ngang liên kết tuyệt đối cứng. Các giá trị tải trọng là giá trị tải trọng theo thông số kỹ thuật của xe tham khảo trong Bảng 3.1. 

3.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho khung xe

Ở đây ta xây dựng mô hình cho phần mềm Hypermesh

3.4.1. Giới thiệu phần mềm Hypermesh

Hypermesh là một phần mềm tiền xử lý mạnh mẽ, chuyên dùng để chuẩn bị mô hình cho phân tích phần tử hữu hạn. Với các chức năng chính như: Xử lý hình học CAD đầu vào, tạo lưới phần tử hữu hạn, gán vật liệu, thuộc tính và xuất sang các bộ giải như OptiStruct, Radioss,…

OptiStruct là một bộ giải phần tử hữu hạn chuyên dùng để phân tích kết cấu và tối ưu hóa thiết kế. Bộ giải có thể giải quyết nhiều bài toán khác nhau như: Non-linear, Linear static,…

3.4.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho khung xe

Phân tích phần tử hữu hạn (FEM -Finite Element Method) là một trong những công cụ quan trọng trong kiểm bền kết cấu cơ khí. Việc xây dựng mô hình FEM cho khung xe tải giúp đánh giá khả năng chịu tải, phát hiện các vị trí tập trung ứng suất. Sau khi xây dựng được mô hình CAD khung xe trong SolidWorks, mô hình CAD sẽ được đưa vào trong môi trường HyperMesh để tiến hành chia lưới.

a. Giả thiết mô hình phần tử hữu hạn:

Mô hình khung xe với hình dạng kết cấu lớn và cồng kềnh, liên kết giữa các bộ phận cấu thành khung xe khá phức tạp. Vì vậy, cần có một số các giả thiết cho việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để có thể sử dụng được trong bài toán về biến dạng và ứng suất như sau:

- Coi như các bộ phận cấu thành khung xe được liên kết cứng tuyệt đối.

- Bỏ qua một số vị trí lỗ nhỏ không ảnh hưởng tới kết cấu của khung nhằm giảm số lượng phần tử và tăng chất lượng lưới cũng như thời gian mô phỏng.

- Coi tải trọng của cabin, thùng hàng và hàng hóa là tải trọng được phân bố đều trên khung xe.

b. Mid - Surface:

Khung xe tải có cấu tạo từ các chi tiết dạng tấm kim loại mỏng, có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài và chiểu rộng của chúng. Do đặc điểm hình học này, trong quá trình xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, mặc dù có thể áp dụng phẩn tử khối 3D để mô phỏng toàn bộ thể tích chi tiết nhưng mà điều này dẫn đến tài nguyên máy tính cần sử dụng rất lớn.

c. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho khung xe:

* Chia lưới mô hình:

Mô hình sau khi được đơn giản hóa bằng mid-surface sẽ tiến hành chia lưới. Đây là phần quan trọng nhất trong quá trình xây dựng phần tử hữu hạn, bởi chất lượng của lưới sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, độ tin cậy của kết quả cũng như thời gian mô phỏng của bài toán. Có 2 vấn đề chính trong chia lưới đó là loại phần tử và chất lượng phần tử. Trong mô hình khung xe của đồ án này, các loại phần tử được sử dụng bao gồm:

- Phần tử 2D: là loại phần tử chính sử dụng cho mô hình gồm có phần tử tứ giác - quads và phần tử tam giác - trias, trong đó phần tử quads sẽ được ưu tiên sử dụng do nó có tính chính xác cao hơn phần tử trias nhưng tại một số vị trí có hình dạng uốn lượn, bo tròn thì sẽ kết hợp sử dụng cả các phần tử trias để có thể đảm bảo được chất lượng lưới cho mô hình. Kích thước lưới được sử dụng là 5mm trên toàn bộ khung xe.

- Phần tử 1D:

+ Phần tử RBE2: Đây là loại phần tử 1D gồm 1 node chính và một hoặc nhiều node phụ thuộc. Phần tử này có độ cứng tuyệt đối và không thể bị biến dạng. Từ giả thiết cho mô hình phần tử hữu hạn đã nêu ở trên, trong đồ án này, phần tử được sử dụng để mô tả sự kết nối giữa các bộ phận cấu thành khung xe chính là phần tử RBE2 ở các vị trí đính tán và mối hàn.

+ Phần tử RBE3: khác với RBE2, RBE3 lại có thể bị biến dạng và sẽ dùng để mô phỏng lực phân bố. Từ giả thiết tải trọng được phân bố đều lên dầm dọc của khung và RBE3 sẽ được dùng để phân bố lực từ trọng tâm của các thành phần tác dụng lực lên khung.

Tiếp theo chính là việc kiểm tra chất lượng lưới của mô hình dựa vào các tiêu chuẩn đánh giá mặc định trong phần mềm HyperMesh theo [6]. Một số loại tiêu chuẩn đánh giá chất lượng phần tử được thể hiện trong bảng 3.2.

* Gán vật liệu cho mô hình:

Theo tài liệu kỹ thuật của xe tham khảo, phần khung xe được chế tạo từ thép có độ bền kéo là 540 N/mm², vì thế sẽ chọn vật liệu là thép S500MC có độ bên tương đương được trình bày trong bảng 3.4.

3.5. Xây dựng mô hình MBD cho xe tải

3.5.1. Giới thiệu phần mềm Motionview

Motionview là một phần mềm thuộc bộ công cụ của Altair, đóng vai trò dựng mô hình MBD cho các bài toán mô phỏng động lực học của hệ nhiều vật. Phần mềm này hỗ trợ người dùng tạo mô hình MBD một cách trực quan mà không cần viết mã lệnh thủ công.

Motionview có những chức năng chính:

- Tạo và kết nối các thành phần trong mô hình MBD: regid body, flexible body, khớp nối, ràng buộc, lò xo, giảm chấn, lực, momen,…

- Thiết lập các điều kiện chuyển động cho hệ thống

- Giao tiếp trực tiếp với MotionSolve để thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

3.5.3. Xây dựng các cụm thành phần của xe tải.

Bằng cách tận dụng sẵn các cụm thành phần đã có của mô hình xe tải trong thư viện của Motionview và tiến hình chỉnh sửa chúng sao cho phù hợp với xe đối tượng nghiên cứu bằng cách nhập các thông số kích thước, khối lượng vào trong mô hình có sẵn thì ta được mô hình các cụm thành phần.

Mô hình sử dụng lốp xe loại 185/85R16 111/109

Từ chỉ số load index [9] suy ra được tải trọng tối đa mà lốp trước và lốp sau chịu đựng được là:

- Lốp trước: 111 tương đương 1090 kg/lốp

- Lốp sau: 109 tương đương 1030 kg/lốp

Hệ số tải trọng danh nghĩa Fnomin [8] = hệ số tải trọng lốp.0,8 = 1090.0,8.9.8 = 8545,6. Chọn 8500N

3.3.4. Mô hình MBD hoàn thiện của xe tải

Sau khi xây dựng các cụm thành phần và dịch chuyển vị trí của chúng sao cho phù hợp thì các cụm sẽ được kết nối với với nhau thông qua các khớp và thành mô hình đầy đủ như hình 3.7.

3.6. Xây dựng mô hình đường

Trong điều kiện giao thông thực tế ở Việt Nam, nhiều tuyến đường – đặc biệt là những khi vực đang thi công, vùng nông thôn hoặc trong các khu công nghiệp thường xuất hiện các vị trí mấp mô lồi lõm. Khi xe tải di chuyển qua những đoạn đường này, khung gầm của xe phải chịu những tác động lớn ảnh hưởng đến độ ổn định và tuổi thọ của xe. Nhận thấy sự cần thiết trong việc đánh giá khả năng làm việc cũng như tối ưu khả năng vận hành trong trường hợp này nên đồ án sẽ tiến hành chạy mô phỏng trong các điều kiện bất lợi này.

Trong mô phỏng, mặt đường được thiết lập nhằm tái hiện điều kiện làm việc trong điều kiện làm việc thực tế của xe khi di chuyển qua các mặt đường không bằng phẳng. Trong trường hợp này, mặt đường được mô phỏng với một gờ giảm tốc hình sin có chiều cao h_max = 65 mm với chiều dài L = 640 mm.

Bố trí mấp mô chỉ tác động lên bánh xe giúp mô phỏng trường hợp làm việc bất lợi nhất, phản ánh các tình huống thực tế khi xe đi qua ổ gà,…

Trong motionview cung cấp công cụ Roadtool cho phép tạo đường nhanh chóng bằng cách nhập tọa độ của mô hình.

Mấp mô sử dụng để mô phỏng có biên dạng hình sin và chiều cao mấp mô được xác định theo thông công thức sau:

z(x) = {(1/2 h_max (1- cos (2π x/L)), khi 0 <0

                                                    , khi≤0;x≥L)

Sử dụng công thức trên với mỗi giá trị của Lmm ta thu được giá trị chiều cao của mấp mô, với h_max = 65 mm và L = 640 mm ta được mô hình đường như hình 3.30.

3.7. Kết luận chương 3

Trong chương 3, đồ án đã tính toán và lựa chọn được tiết diện cho dầm dọc của khung xe trên cơ sở tính toán theo sức bền vật liệu và tham khảo khung xe thực tế để xây dựng mô hình CAD cho khung xe đang thiết kế. Sau đó xây dựng được mô hình phần tử hữu hạn và mô hình MBD xe tải dùng trong mô phỏng của đồ án này.

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG XE

4.1. Trong trường hợp chịu tải trọng tĩnh đầy tải

Mô hình phần tử hữu hạn được đặt điều kiện biên và mô phỏng trong phần mềm HyperMesh. Có 2 điều kiện biên sau:

- Điều kiện Dirichlet: Xét trong trường hợp xe đầy tải và đứng yên trên mặt đường bằng, tại vị trí các trục bó nhíp sẽ không di chuyển hay quay nên ta cố định 6 bậc tự do tại vị trí này.

- Điều kiện Neuman: Phân bố lực tương ứng với khối lượng của cabin, cụm động cơ hộp số và thùng hàng như hình 3.17, 3.18, 3.19 với giá trị thể hiện trong bảng 4.1.

Ta được mô hình sau khi đặt điều kiện biên như hình 4.2.

* Kết quả mô phỏng:

Chỉ xét đến các thanh dầm dọc và dầm ngang của khung xe, ứng suất lớn nhất là 77,56 MPa vẫn nhỏ hơn nhiều so với ứng suất chảy của vật liệu là 500 MPa. Vì thế trong trường hợp tĩnh khung xe vẫn đủ bền. Tiếp tục tiến hành mô phỏng khi 1 bên bánh xe đi qua mấp mô để đánh giá độ bền khung trong mục tiếp theo.

4.2.Trong trường hợp xe đi qua mấp mô

Chọn vị trí khảo sát ứng suất trên khung tại thời điểm xe lên đỉnh mấp mô. Khi này lốp và trục bánh xe bị ép lên cao nhất dẫn đến hệ thống treo bị nén mạnh nhất, lực đàn hồi và giảm chấn đạt giá trị lớn nhất dẫn đến lực tác dụng lên khung là lớn nhất. Vì vậy ứng suất tại thời điểm này để khảo sát ứng suất trên khung

Tại thời điểm t = 1,27s, bánh xe cầu trước bên phải đi tới đỉnh mấp mô.

Tại thời điểm bánh xe cầu trước đi lên đỉnh mấp mô thì ứng suất tập trung ở vị trí bắt tai nhíp với ứng suất cực đại tại tai nhíp sau bên trái là 258,77 MPa.

Tại thời điểm t = 1,87s, bánh xe cầu sau bên phải đi lên đỉnh mấp mô.

Tại thời điểm bánh xe cầu sau đi qua mấp mô thì ứng suất tập trung tại vị trí bắt với tai nhíp cố định bên phải với ứng suất cực đại là 392,6 MPa .

4.3. Đánh giá kết quả và phương pháp cải tiến

4.3.1. Đánh giá kết quả

Theo như kết quả mô phỏng ở trên, trong trường hợp tĩnh xe chịu đầy tải, khung xe chịu ứng suất cực đại là 77,56 MPa vì thế khung xe vẫn đủ bền trong trường hợp này.

Xét đến trường hợp 1 bên bánh xe đi qua mấp mô, tại thời điểm khi bánh xe bên phải cầu trước qua mấp mô ứng suất tập trung trên khung có giá trị lớn nhất là 254,5 MPa < 620 MPa - ứng suất chảy giới hạn của vật liệu làm khung. Vậy có nghĩa là khung vẫn đủ bền.

- Khi bánh trước đi lên đỉnh mấp mô tải trọng sẽ dồn về phía sau dẫn đến tăng phản lực tác dụng lên cầu sau.

- Khi đi qua mấp mô ở một bên sẽ gây ra momen xoắn chạy dọc khung xe đến cuối khung xe.

Thời điểm khi cầu sau lên đỉnh mấp mô thì ứng suất lớn nhất tác dụng lên khung đã tăng lên đáng kể 392,57 MPa < 620 MPa, chưa qua giới hạn chảy của vật liệu chế tạo khung. Khung vẫn đủ bền.

Như vậy trong trường hợp xe đi qua mấp mô, ứng suất tập trung chủ yếu ở vùng khung xe bắt với tai nhíp. Khung xe trong quá trình mô phỏng trong cả hai trường hợp đều nằm trong giới hạn cho phép, không vượt quá ngưỡng an toàn về ứng suất chảy của vật liệu. Do đó có thể kết luận rằng xe trong cả hai điều kiện mô phỏng đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đề ra.

4.4. Kết luận chương 4

Trong chương 4, đồ án đã thực hiện mô phỏng để đưa ra ứng suất của khung xe trong điều kiện tải trọng tĩnh và khi xe đi qua 1 bên mấp mô.

CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM ĐO ỨNG SUẤT KHUNG

5.1. Mục tiêu thí nghiệm

Mục tiêu thí nghiệm là để xác minh tính chính xác của mô hình mô phỏng đã xây dựng. Mô hình phần tử hữu hạn của khung xe sẽ được kiểm chứng qua việc đo ứng suất tại một số điểm nhất định trên khung xe thực tế trong trường hợp chịu tải trọng tĩnh.

5.2. Đối tượng thí nghiệm

Đối tượng nghiên cứu là xe tải Hino 300 theo hình 5.1, thông số kỹ thuật của đối tượng thí nghiệm được thể hiện trong bảng 5.1.

Thông số kỹ thuật đối tượng thí nghiệm như bàng 5.1.

5.3. Phương pháp và thiết bị đo

5.3.1. Thiết bị đo

5.3.1.1.Cảm biến lá điện trở

Nhóm lựa chọn cảm biến loại lá điện trở (strain gauge) để đo ứng suất tại một số vị trí trên khung xe. Cảm biến này rất phù hợp với mục tiêu đo biến dạng, ứng suất của các chi tiết cơ khí.

- Cấu tạo:

Cám biến lá điện trở (hay còn gọi là cảm biến biến dạng – strain gauge) gồm một lá kim loại mỏng có điện trở suất r (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện là S, được cố định trên một phiến cách điện.

- Đặc điểm:

Cảm biến hoạt động dựa trên đặc tính chung của kim loại sẽ thay đổi khi chúng bị biến dạng. Giá trị của điện trở tỷ lệ nghịch với diện tích tiết diện và tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu kim loại theo công thức dưới đây:

R = (ρ.l.n)/s

- Mạch cầu Wheatstone:

Cảm biến lá điện trở sẽ được sử dụng trong mạch cầu Wheatstone. Có 3 dạng mạch cầu Wheatstone đó là mạch cầu 1/4, mạch cầu 1/2 và mạch cầu đầy đủ. Trong nội dung thí nghiệm của đồ án này sẽ sử dụng mạch cầu 1/4 để đo ứng suất của khung.

- Nguyên lý hoạt động:

Như vậy với sơ đồ sử dụng 1 cảm biến lá điện trở để thí nghiệm như hình 5.3:

+ Khi không đo: mạch sẽ ở trạng thái cân bằng: 𝑅₁𝑅₃ = 𝑅₂𝑅₄ => VOUT = 0(V)

+ Khi đo: điện trở R1 lúc này sẽ thay đổi cùng với biến dạng của vật đo:

𝑅1′ = 𝑅1 + ∆𝑅 => V_𝑂𝑈𝑇  ≠ 0 (V)

Giả sử 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 và ∆𝑅 ≪ 𝑅 nên:

V_OUT≈1/4.ΔR/R.V_IN=1/4.GF.ε.V_IN

Như vậy, sự biến đổi của điện trở của cảm biến lá điện trở sẽ có thể tính toán được biến dạng của vật liệu thông qua một mạch cầu. Và khi biết đặc tính của vật liệu, ta sẽ tính được ứng suất theo công thức định luật Hooke:

𝜎 = 𝜀.𝐸

Trong đó:

𝜎 : là ứng suất (N/m²)

𝜀 : là biến dạng

E : là mô đun Young, là một hằng số biểu thị đặc tính của vật liệu.

Cảm biến được dùng cho thí nghiệm có thông số được trình bày trong bảng 5.2.

5.3.1.2. Bộ thu tín hiệu và xử lý dữ liệu

Tín hiệu nhận được từ cảm biến lá điện trở thường rất nhỏ, yêu cầu cần khuếch đại và cân bằng các cầu điện trở khi cần. Với yêu cầu xử lý tín hiệu như trên thì nhóm sẽ sử dụng bộ xử lý tín hiệu của hãng DEWEsoft kiểu loại SIRIUS như hình 5.4 dưới đây.

Bộ xử lý tín hiệu sẽ được kết nối với máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm chuyên dụng của hãng DEWEsoft để lưu trữ dữ liệu thí nghiệm.

5.3.3. Quy trình thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm đo ứng suất trên khung xe gồm có:

- Chuẩn bị xe thí nghiệm.

- Đường thí nghiệm: Mặt phẳng do chỉ thí nghiệm tĩnh

- Lắp đặt cảm biến

- Thiết lập kết nối các thiết bị đo và hiệu chuẩn tín hiệu

- Tiến hành đo theo phương án thí nghiệm

5.3.3.1.Quy trình lắp đặt cảm biến

Quy trình lắp cảm biến thực hiện như sau:

- Xác định vị trí lắp cảm biến.

- Làm sạch, sử dụng máy mài và giấy ráp để đánh bóng bề mặt dán cảm biến

- Phủ keo silicon lên trên cảm biến và bọc lại bằng băng dính để cố định cảm biến và dây tín hiệu.

5.3.3.3. Phương án thí nghiệm

Đồ án tiến hành thí nghiệm trong trường hợp xe chịu tải trọng tĩnh trên mặt đường bằng phẳng với 500 kg (khoảng 8 người trưởng thành) - tương đương 22,83% tải trọng tối đa của thùng hàng.

5.4. Kết quả thí nghiệm

Ứng suất trung bình hiển thị trên máy tính trước khi đặt tải lên khung trong thời gian từ t = 14s → 44s: σtb1 ≈ -1,83 (MPa)

Sau khi bố trí người lên khung xe và ổn định lại thì thu được ứng suất trung bình σtb2 ≈ -3,05 (MPa) từ t = 63s → 71s như hình 5.16.

Từ đó, suy ra ứng suât trung bình tác dụng lên khung là σtn ≈ 1,22 (MPa)

5.6. Kết luận chương 5

Trong chương 5, đồ án đã tiến hành thí nghiệm và thu được kết quả để chứng minh tính thực tế của mô hình phần tử hữu hạn dùng trong mô phỏng.

KẾT LUẬN

Sau thời gian hơn 3 tháng tìm hiểu, dựa vào các kiến thức đã học. tài liệu tham khảo qua mạng và thực tế cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS. ……………., nhóm đồ án đã hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp: “Tính toán thiết kế và mô phỏng khung xe tải 3,5 tấn”

Các kết quả đạt được:

Trong quá trình thực hiện, đề tài đã đạt được một số kết quả đáng ghi nhận. Cụ thể, nhóm đã thiết kế hoàn chỉnh khung xe tải 3,5 tấn, đảm bảo các yêu cầu về kết cấu và khả năng chịu tải. Trên cơ sở đó, một mô hình phần tử hữu hạn (FEM) đã được xây dựng nhằm phục vụ cho việc phân tích ứng suất trong khung xe. Mô phỏng được ứng suất trong hai trường hợp: tải tĩnh và tải động, giúp xác định rõ các vị trí chịu lực lớn cũng như xu hướng phân bố ứng suất trong kết cấu. Đặc biệt, mô hình FEM sau khi được kiểm nghiệm bằng thí nghiệm thực tế cho thấy độ sai lệch 11,48%, chứng tỏ mô hình thiết kế khá chính xác với thực tiễn.

Một số hạn chế của đồ án:

- Vẫn cần đặt ra nhiều giả thiết cho mô hình phần tử hữu hạn để đơn giản hóa mô hình để có thể mô phỏng được trong điều kiện cấu hình máy tính cho phép.

- Một số thông tin về vật liệu khung, độ cứng giảm chấn, độ cứng nhíp và khối lượng các thành phần của xe không đươc thể hiện rõ trong tài liệu kỹ thuật của xe nên các giá trị đều được giả thiết. Điều này cũng ảnh hưởng một phần đến kết quả của bài toán.

- Mô hình phần tử hữu hạn khung xe mới chỉ được chứng minh tính đúng đắn trong 1 trường hợp nhỏ do điều kiện về cơ sở vật chất.

- Mô hình MBD chưa được kiểm nghiệm chính xác.

Hướng mở rộng của đồ án trong tương lai:

- Mô phỏng đầy đủ các trường hợp động khác tương ứng với thực tế và tải trọng có thể tăng lên quá tải. Đồng thời tiến hành thí nghiệm tương ứng với mô phỏng để tăng được tính chính xác cho mô hình MBD.

- Tiến hành đề xuất phương án cải tiến và mô phỏng lại đồng thời giảm thiểu vật liệu tại các vị trí tập trung ứng suất ít trong tất cả các trường hợp.

- Thực hiện bài toán mỏi để đưa ra chu kỳ làm việc của khung xe trong các trường hợp tải khác nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. https://lidinco.com/strain-gauge-la-gi-mua-cam-bien-do-bien-dang-o-dau

[2]. https://web.enib.fr/~bourgeot/IPS/Datasheets/AN078- Strain_Gauge_Measurement-A_Tutorial.pdf

[3]. Trương Đặng Việt Thắng (2024), “Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại việt nam”, LATS, Đại học Bách khoa Hà nội

[4]. https://en.wikipedia.org/wiki/Multibody_system

[5]. https://advanced-eng.cz/wp-content/uploads/2021/06/2021_eBook_Learn_Multi_Body_Simulation_wit h-Altair_Motion_Solve.pdf

[6]. Practical Aspects  of  Finite  Element  Simulation A Student  Guide  –HyperWork

[7]. https://thuvienphapluat.vn/van-ban/Giao-thong-Van-tai/Quyet-dinh-6500-QD-TCDBVN-2020-cong-bo-Tieu-chuan-co-so-Go-giam-toc-go-giam-toc-tren-duong-bo-495053.aspx

[8]. https://2022.help.altair.com/2022.1/hwsolvers/ms/topics/motionview/MFTyr e-MFSwift_Help.pdf

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"