MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................................................ii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE TẢI.......................................................................................1
1.1. Tổng quan.........................................................................................................................................1
1.2. Cấu tạo xe tải....................................................................................................................................1
1.2.1. Động cơ.........................................................................................................................................2
1.2.2. Cabin ............................................................................................................................................3
1.2.3. Chassis..........................................................................................................................................4
1.2.4. Thùng nhiên liệu.............................................................................................................................6
1.3. Phân loại xe tải..................................................................................................................................6
1.3.1. Phân loại xe tải chở hàng theo trong tải, kích cỡ của xe...............................................................6
1.3.2. Phân loại theo cấu tạo và mục đích sử dụng.................................................................................9
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ...................................................13
2.1. Chon phương án và thiết kế............................................................................................................13
2.1.1. Chọn phương án..........................................................................................................................13
2.1.2. Các yêu cầu khi thiết kế...............................................................................................................18
2.2. Cơ sở nghiên cứu tính bền thùng xe...............................................................................................21
2.2.1. Các phương pháp tính bền thùng xe............................................................................................21
2.2.2. Tải trọng tác dụng lên thùng xe ô tô.............................................................................................23
2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn.......................................................................................................24
2.3.1. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn..............................................................................24
2.3.2. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn..................................................................25
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC TRƯỜNG HỢP CHỊU TẢI...................................................................26
3.1. Tính toán khối lượng và phân bổ khối lượng ô tô thiết kế...............................................................26
3.1.1. Trọng lượng thùng xe khi chưa có tải...........................................................................................26
3.1.2. Tọa độ trọng tâm thùng khi chưa có tải........................................................................................29
3.1.3. Trọng lượng của xe khi có tải.......................................................................................................30
3.1.4. Tọa dộ trọng tâm của xe khi có tải................................................................................................30
3.2. Trọng lượng đối tượng cần chở.......................................................................................................32
3.3. Phân tích các trường hợp chịu tải...................................................................................................33
3.3.1. Tải uốn..........................................................................................................................................33
3.3.2. Tải trọng xoắn...............................................................................................................................34
3.3.3. Tải trọng quay vòng......................................................................................................................35
3.3.4. Tải trọng dọc.................................................................................................................................36
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS WORKBENCH KIỂM TRA BỀN THÙNG XE.............37
4.1. Giới thiêu tổng quan phần mềm và các bước kiểm tra bền thùng xe..............................................38
4.1.1. Giới thiệu tổng quan......................................................................................................................38
4.1.2. Giới thiệu phần mềm.....................................................................................................................38
4.1.3. Các bước thực hiện trên phần mềm.............................................................................................39
4.2. Kiểm tra bền thùng xe......................................................................................................................40
4.2.1. Trường hợp chịu tải trọng tĩnh......................................................................................................42
4.2.2. Trường hợp chịu tải trọng động....................................................................................................44
4.2.3. Trường hợp chịu tải trọng khi quay vòng......................................................................................46
4.2.4. Trường hợp chịu tải trọng dọc ( khi hãm phanh ).........................................................................48
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO THÙNG XE TẢI SRM T30.....................................49
5.1. Thống kê các tổng thành, cụm chi tiết.............................................................................................50
5.2. Xây dựng quy trình chế tạo.............................................................................................................50
KẾT LUẬN..............................................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................52
LỜI NÓI ĐẦU
Sau 25 năm xây dựng và phát triển, nền công nghiệp ô tô Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể so với thời kỳ trước, tuy nhiên vẫn còn ở quy mô vừa và nhỏ với công nghệ lạc hậu. Đa số các doanh nghiệp trong nước chủ yếu tập trung vào công việc lắp ráp, sử dụng linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Tỷ lệ nội địa hóa còn rất thấp, mặc dù nhà nước đã đưa ra nhiều chính sách ưu đãi về thuế. Chỉ một số bộ phận của xe, như thùng vỏ, ca bin và một số sản phẩm nhựa, được sản xuất trong nước, trong khi các bộ phận chính như động cơ, hệ thống truyền lực, và các hệ thống điều khiển vẫn phải nhập khẩu, phần lớn từ Trung Quốc với chất lượng không cao. Quy mô của ngành vẫn nhỏ và mức đầu tư cho công nghệ rất hạn chế.
Từ bối cảnh đó, xuất phát từ các yêu cầu thực tế trước mắt và định hướng lâu dài của nền công nghiệp ô tô Việt Nam, cần phát triển các sản phẩm mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng và giá thành thấp trước hết đáp ứng nhu cầu trong nước, hướng tới xuất khẩu và hội nhập với các nền kinh tế lớn.
Theo chiến lược phát triển của Chính phủ về mục tiêu phát triển nền công nghiệp ô tô tới năm 2025 và tầm nhìn năm 2030 đã nêu rõ, việc phát triển các ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là quan tâm tới việc phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ. Trong đó, chúng ta chú trọng tới sản xuất một số chi tiết quan trọng của xe, trong đó đặc biệt nhất là cho xe khách và xe tải hạng nhẹ.
Trước tình hình trên, để có thể tự sản xuất hoàn toàn các chi tiết quan trọng trên xe ô tô, cần phải có sự đầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu phục vụ cho chế tạo, trong đó có việc chế tạo thùng xe, nhằm phát triển sản phẩm có chất lượng cao.
Thùng xe ô tô là một bộ phận quan trọng của ô tô. Không những thế, thùng xe còn là bộ phận bắt buộc phải kiểm bền đã được cục Đăng Kiểm quy định. Cho tới nay chỉ có một số đề tài đề cập tới thiết kế thùng, nhưng chủ yếu mới chú trọng vào khâu chế tạo chứ chưa đầu tư nghiên cứu sâu về một số cơ sở lý thuyết của thùng xe. Xuất phát từ những nhu cầu trên, em đã chọn hướng nghiên cứu về độ bền của thùng xe, góp phần xây dựng một số cơ sở sở lý thuyết cho việc đánh giá độ bền của thùng với đề tài:
“Tính toán thiết kế thùng xe tải dựa trên xe cơ sở SRM T30”
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE TẢI
1.1. Tổng quan
Xe ô tô tải: Theo QCVN 41/2019 có hiệu lực từ 1/7/2020, xe ô tô tải là xe ô tô có kết cấu và trang bị chủ yếu để chuyên chở hàng hóa ( bao gồm cả ô tô đầu kéo, ô tô kéo rơ moóc và các loại e như xe PICK UP, xe tải VAN có khối lượng hàng chuyên chở cho phép tham gia giao thông từ 950 kg trở lên ) phục vụ mục đích phát triển kinh tế xã hội.
Không giống như các loại xe hơi khác, Xe tải thường được chế tạo với một thân duy nhất, đa số xe tải trừ xe kiểu mini van được thiết kế xung quanh một khung cứng (chassis). các xe tải có nhiều kích cỡ, từ kiểu nhỏ như xe hơi gọi là bán tải (pickup truck ) cho tới những loại xe tải dùng ở các khu mỏ (không chạy trên đường quy ước ) hay các loại xe móc chạy trên đường cao tốc.
1.2. Cấu tạo xe tải
Tổng quát có thể mô tả cấu tạo ô tô tải bao gồm một cabin, một động cơ, hệ thống truyền lực, thân xe, hệ thống điều khiển (phanh, lái ), hệ thống treo, các bánh xe, hệ thống điện, điện tử và một chassis.
1.2.1. Động cơ
Động cơ được xem là quả tim của một chiếc xe tải, là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó như xăng hoặc dầu thành động năng. Chúng thường được đặt ở đầu xe, đây là một phần vô cùng quan trọng và phức tạp bậc nhất của một chiếc xe. Chính vì thế khi mua bán xe dù cũ hay mới bạn cũng nên chú ý, quan sát, kiểm tra phần động cơ. Vì đây là phần cốt lõi giúp xe hoạt động trơn tru, bền bỉ, chất lượng trong mọi điều kiện địa hình.
1.2.3. Chassis
Chassis xe tải hay còn được gọi là sắt xi. là linh hồn của chiếc xe, ảnh hưởng đến độ bền, chất lượng của xe. Đây là bộ phận khung xương của xe tải, khung chassis của xe tải có vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ, cũng như cố định và liên kết các bộ phận liên quan khác trên xe.
* Khung Chassis rời:
Đây là loại khung cổ điển, sản xuất bắt nguồn từ ý tưởng chiếc xe ngựa kéo ngày xưa. Khung Chassis này có phần thân xe và phần khung tách rời nhau. Khung có cấu tạo như một chiếc thang. Phần thân xe được cố định chắc chắn ở vị trí của khung.
* Khung Chassis xe tải liền khối:
Khác với khung rời, khung liền có kết cấu liền giữa khung đỡ, sàn xe và thân xe. Các phần gắn liền này được gia cố chắc chắn bằng bulong, ốc vít ở vị trí cố định.
1.2.4. Thùng nhiên liệu
Thông thường với các dòng xe tải thùng nhiên liệu sẽ được đặt ở ngay dưới cabin. Đây là phần tích trữ nhiên liệu để sử dụng cho xe trong những cung đường dài.
1.3. Phân loại xe tải
1.3.1. Phân loại xe tải chở hàng theo trong tải, kích cỡ của xe
Đây là cách thường được sử dụng nhất để bạn chọn đặt xe tải chở hàng vừa đủ với số lượng hàng hóa mà bạn đang có ý định vận chuyển.
1.3.1.1. Xe tải hạng nhẹ (xe tải cỡ nhỏ)
Xe tải hạng nhẹ thường có trọng tải từ 1 tấn -7 tấn. Đây là những loại xe cỡ nhỏ hoặc vừa, có thể đi vào trong đường nội đô hoặc ngõ nhỏ.
Loại xe tải này thường được sử dụng nhiều để chuyển nhà, chuyển văn phòng, vận chuyển đồ đạc trong tỉnh, làm taxi tải chở hàng hóa nội thất …
Các loại xe tải nhỏ được sử dụng nhiều trong thành phố vì tính tiện dụng và ít bị cấm đường: xe taxi tải 500kg, 750kg, 1.4 tấn, 1.9 tấn, 2.5 tấn.
1.3.1.3. Xe tải hạng nặng
Xe tải hạng năng bao gồm các dòng xe tải 3 chân, 4 chân, 5 chân hoặc các dòng xe đầu kéo. Các dòng xe này thường có tải trọng lớn từ 15 tấn – 40 tấn.
Xe thường được chuyên chở các loại mặt hàng có số lượng, khối lượng lớn, vận chuyển cung đường dài.
1.3.2. Phân loại theo cấu tạo và mục đích sử dụng
1.3.2.1. Xe tải thùng kín
Xe tải thùng kín được thiết kế kín hoàn toàn, có cửa đóng mở ở phía sau hoặc bên hông. Thùng của xe có thể được làm bằng nhiều chất liệu như tôn, inox, composite,… có khả năng chống thấm nước, chống bụi bẩn tốt. Các loại xe tải thùng kín phù hợp để vận chuyển hàng hóa đường dài, cần bảo quản kín đáo như thực phẩm, đồ điện tử, dược phẩm, hóa chất,…
1.3.2.2. Xe tải thùng lửng
- Ưu điểm:
+ Dễ dàng bốc dỡ hàng hóa bằng xe nâng hoặc máy móc.
+ Giá thành rẻ hơn so với xe tải thùng kín.
- Nhược điểm:
+ Hàng hóa không được bảo vệ khỏi tác động của thời tiết và môi trường bên ngoài.
+ Không thích hợp vận chuyển các loại hàng hóa dễ hư hỏng, cần bảo quản đặc biệt.
1.3.2.5. Xe tải chuyên dùng
Xe tải chuyên dụng có thùng xe được thiết kế riêng cho từng loại hàng hóa cụ thể như: xe ben, xe chở bồn, xe chở gia súc, Xe bán hàng lưu động… Các loại xe tải chuyên dụng có cấu tạo và tính năng phù hợp để vận chuyển hàng hóa đặc biệt trên quãng đường vận chuyển dài và đi xa.
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
2.1. Chon phương án và thiết kế
2.1.1. Chọn phương án
Trong giai đoạn phát triển của nền kinh tế Việt Nam hiện nay, nhu cầu giao lưu và hội nhập kinh tế ngày càng cao, dẫn đến hoạt động của các phương tiện tham gia giao thông cũng ngày càng tăng về cả số lượng lẫn chủng loại. Nhận thấy xu thế này, hiện nay nhiều nhà sản xuất đã đưa ra thị trường nhiều loại xe có kích thước và kiểu dáng đa dạng, nhằm đáp ứng nhu cầu và điều kiện sử dụng tại Việt Nam.
Sau khi tìm hiểu tổng quan về xe tải, em đã lựa chọn xe tải thùng kín để thiết kế cũng như tính toán kiểm bền thùng xe vì loại xe này khá thông dụng và phố biến.
Việc thiết kế thùng kín dựa trên xe cơ sở xe SRM T30 có thông số như bảng bên dưới. Với thiết kế mang đậm dấu ấn phong cách xe sang BMW, mặt ca lăng kép hình quả thận và hốc thông gió hình chữ U ngược kinh điển như tôn thêm vị thế thành công, sang trọng của chủ nhân chiếc xe.
Thông số xe cơ sở SRM T30 như bảng 2.1.
2.1.2. Các yêu cầu khi thiết kế
Xe tải chuyên dụng là một trong những phương tiện vận chuyển hàng hóa phổ biến hiện nay. Song, trong quá trình sử dụng, có thể cải tạo thùng xe tải để phục vụ tốt hơn cho mục đích kinh doanh và chuyên chở hàng hóa. Tuy nhiên, cải tạo thùng xe tải cần tuân thủ theo những quy định, yêu cầu thủ tục của Bộ giao thông vận tải về việc cải tạo thùng xe cơ giới.
2.1.2.1. Yêu cầu đặt ra trong khi thiết kế và sử dụng
* Khi thiết kế khung xương phải thoả mãn các yêu cầu sau:
+ Tiết diện ngang của xà dọc đảm bảo chịu được tải trọng uốn và xoắn khung;
- Moment thay đổi trên suốt chiều dài của xà dọc từ giá trị không đến giá trị cực đại.
Khi chế tạo xà dọc, nên làm với tiết diện thay đổi để tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm trọng lượng của khung và đảm bảo độ cứng của xà dọc là đều nhau. Để thỏa mãn yêu cầu này, xà dọc thường được chế tạo bằng phương pháp dập, giúp tạo ra các tiết diện phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và giảm thiểu chi phí sản xuất.
- Khung phải đảm bảo độ cứng để các cụm gắn trên khung hoàn toàn cố định hoặc chỉ có thể thay đổi vị trí tương đối với nhau ít nhất có thể
- Khung sát xi cần được chế tạo theo phương pháp dập nóng từ thép tấm để tăng cường tính chống uốn, chống xoắn, trong khi đó trọng lượng của khung phải nhỏ;
* Để đảm bảo độ bền của khung khi sử dụng, yêu cầu đặt ra là tải trọng tác dụng lên khung phải nằm trong giới hạn cho phép. Đồng thời, trong quá trình di chuyển trên đường, cần hạn chế các mấp mô mặt đường tác động lên khung, nhằm giảm thiểu các lực và ứng suất không mong muốn, giúp duy trì sự ổn định và kéo dài tuổi thọ của khung xe.
2.1.2.2. Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế xe
Xe tải khi thiết kế phải tuân theo các quy tắc của Thông tư 42/2014/TT-BGTVT “Quy định về thùng xe của xe tự đổ, xe xi téc, xe tải tham gia giao thông đường bộ” và QCVN 09:2015/BGTVT “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với xe ô tô”.
Đối với ô tô tải ta cần phải đảm bảo một số chính sau:
* Kích thước giới hạn cho phép của xe:
- Chiều cao toàn bộ (Hmax)
+ Không lớn hơn 4.2 (m) đối với xe khách hai tầng.
+ Không lớn hơn 4.0 (m) đối với các loại xe khác.
- Chiều rộng toàn bộ không lớn hơn 2.5 ( m).
- Chiều dài đuôi xe tính toán (ROH) là khoảng cách từ giữa mặt phẳng thẳng đứng đi qua đường tâm của trục (trục đơn) hoặc cụm trục (đường ROH) đến điểm sau cùng của xe.
Chiều dài đuôi xe tính toán trừ xe ô tô sát xi, xe chuyên dùng định nghĩa tại TCVN 7271 "Phương tiện giao thông đường bộ - Kiểu - Thuật ngữ và định nghĩa” phải đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Không lớn hơn 65% chiều dài cơ sở tính toán (Lcs) đối với xe khách (chiều dài cơ sở của xe khách nối toa được tính cho toa xe đầu tiên).
ROH=1260 (mm) ≤65%.Lcs = 65%.3050 = 1830 (mm)
+ Không lớn hơn 60% chiều dài cơ sở tính toán (Lcs) đối với xe tải.
ROH=1260 (mm) ≤60%.Lcs = 60%.3050 = 1830 (mm)
- Khối lượng cho phép:
+ Khối lượng cho phép lớn nhất ở trên trục xe: Trục đơn (10 tấn);
+ Khối lượng toàn bộ cho phép lớn nhất: Xe có tổng số trục bằng 2 (16 tấn).
- Khung và thân vỏ:
+ Khung và thân vỏ phải được lắp đặt chắc chắn;
+ Không được bố trí giá chở hàng trên nóc xe khách các loại. Các giá để hành lý xách tay bố trí bên trong khoang hành khách (nếu có) phải có kết cấu chắc chắn, ngăn được hành lý rơi ra bên ngoài. Khả năng chịu lực của các giá hành lý phải không nhỏ hơn 40 kg/m.
+ Xe tải, xe chuyên dùng, xe kéo rơ moóc và xe ô tô đầu kéo có khối lượng toàn bộ thiết kế lớn nhất từ 8 tấn trở lên phải lắp rào chắn bảo vệ ở hai bên xe đáp ứng các yêu cầu sau:
Khoảng cách từ điểm đầu của rào chắn đến các bánh xe trước (hoặc các cơ cấu chuyên dùng như chân chống của xe tải có lắp cẩu, cơ cấu điều khiển của xe bơm bê tông ...) và khoảng cách giữa điểm cuối của rào chắn đến các bánh xe sau không được lớn hơn 400 mm.
Khoảng cách từ cạnh thấp nhất của rào chắn tới mặt đường không được lớn hơn 500 mm.
Ngoài ra, trong các tiêu chuẩn còn có các quy định phải đảm bảo về các cơ cấu khác như cửa, đèn, gương, và các quy định liên quan đến bảo vệ môi trường, phòng cháy, chữa cháy, v.v. Những quy định này nhằm đảm bảo sự an toàn và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, cũng như bảo vệ môi trường trong quá trình vận hành và sử dụng xe.
2.2. Cơ sở nghiên cứu tính bền thùng xe
2.2.1. Các phương pháp tính bền thùng xe
2.2.1.1. Đều kiện biên
Thùng xe ô tô là một kết cấu không gian siêu tĩnh bậc cao, do đó việc xác định chuyển vị và ứng suất tại một điểm bất kỳ trên kết cấu đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp và công cụ tính toán hiện đại. Bài toán tính bền cho thùng xe thuộc phạm vi các bài toán cơ bản của cơ học vật rắn biến dạng. Trong không gian ba chiều tổng quát, các đại lượng như chuyển vị, biến dạng, và ứng suất tạo thành các trường tương ứng. Để giải bài toán này, trước tiên cần xác định rõ các quan hệ cơ học, điều kiện ràng buộc giữa các đại lượng, và ngoại lực tác dụng lên hệ kết cấu.
Các điều kiện ràng buộc thường được chia thành:
- Điều kiện bên trong kết cấu: Áp dụng cho các thông số trong phạm vi nội bộ của kết cấu.
- Điều kiện biên: Áp dụng cho các thông số tại biên của kết cấu.
- Điều kiện ban đầu: Áp dụng cho các bài toán động, để xác định trạng thái ban đầu của hệ.
Các điều kiện biên có thể được chia thành hai loại: điều kiện biên động học và điều kiện biên tĩnh học.
- Điều kiện biên động học: Liên quan đến chuyển vị hoặc đạo hàm của chuyển vị tốc
- Điều kiện biên tĩnh học: Liên quan đến các nội lực hoặc ứng suất tại các điểm biên của kết cấu.
2.2.1.2. Các phương pháp tính toán kết cấu
* Phương pháp giải tích: Thường được áp dụng trong việc xây dựng mô hình lực dựa trên lý thuyết đàn hồi và nguyên lý lực khả dĩ. Phương pháp này chủ yếu phù hợp với các bài toán đơn giản về kết cấu, vật liệu, và tải trọng. Từ các điều kiện trường, có thể thiết lập các phương trình vi phân cân bằng và tìm nghiệm bằng phương pháp giải tích. Khi kết hợp với các điều kiện biên và điều kiện đầu, phương pháp này cho phép xác định nghiệm giải tích một cách chính xác.
* Các phương pháp gần đúng: Được áp dụng cho mô hình chuyển vị trong lý thuyết đàn hồi, dựa trên nguyên lý di chuyển khả dĩ và phương pháp biến phân. Những phương pháp này phù hợp với các bài toán phức tạp, cho phép tìm ra nghiệm gần đúng. Nhóm phương pháp này bao gồm ba phương pháp chính: phương pháp xấp xỉ hàm, phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn.
* Phương pháp sai phân hữu hạn: Kết cấu được rời rạc hóa thông qua lưới các điểm nút, trong đó biến trường được biểu diễn bằng các giá trị rời rạc tại các vị trí nút. Phương pháp này không cho phép xác định biến trường tại các điểm bất kỳ trong kết cấu mà chỉ tại một số hữu hạn các điểm nút. Tuy nhiên, khi lưới sai phân được chia đủ dày, các kết quả tại các nút có thể đủ chính xác để mô tả đặc trưng hoạt động của kết cấu. Trong trường hợp lưới rời rạc đều, dạng sai phân trở nên đơn giản hơn.
* Phương pháp phần tử hữu hạn: Được xem như sự kế thừa và phát triển từ hai phương pháp trước, phương pháp này hiện nay là một trong những phương pháp số mạnh nhất và được ứng dụng rộng rãi nhờ sự phát triển của máy tính hiện đại. Phương pháp phần tử hữu hạn cho kết quả tính toán chính xác, đặc biệt phù hợp với các bài toán siêu tĩnh bậc cao, chẳng hạn như phân tích kết cấu khung, khung xương ô tô.
2.2.2. Tải trọng tác dụng lên thùng xe ô tô
Tải trọng tác dụng lên khung xe ô tô bao gồm hai loại tải trọng tĩnh và tải trọng động.
- Tải trọng tĩnh tác dụng lên thùng xe bao gồm:
+ Trọng lượng của bản thân thùng xe.
+ Trọng lượng hàng hóa.
- Tải trọng động, tải trọng xoắn, tải trọng xoắn uốn kết hợp, Tải trọng quay vòng, tải trọng dọc tác động lên thùng xe do:
+ Các kích động từ mặt đường.
+ Các nguồn rung động do sự không cân bằng của động cơ và hệ thống truyền lực.
2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
2.3.1. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hiệu quả trong việc giải quyết nhiều loại bài toán kỹ thuật khác nhau. Phương pháp này được sử dụng để phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết của ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v., cũng như các bài toán thuộc lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường, v.v.
Thuật toán của phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được xây dựng dựa trên việc xác lập các ma trận cơ bản và quy luật quan hệ giữa các ma trận này. Mục tiêu của thuật toán là phản ánh gần đúng các ứng xử thực tế của kết cấu và các tác động lên kết cấu. Các ma trận này bao gồm ma trận độ cứng, ma trận khối lượng, ma trận tải trọng, và các ma trận biên, giúp mô tả các tính chất vật liệu và hành vi cơ học của kết cấu dưới tác động của các lực và biến dạng.
- Đặc điểm của phương pháp phần tử hữu hạn:
Tính chất vật liệu của các phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) không nhất thiết phải giống nhau, điều này cho phép áp dụng phương pháp cho các vật thể cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Bên cạnh đó, kích thước các phần tử có thể khác nhau, giúp linh hoạt trong việc điều chỉnh độ dày hoặc độ thưa của lưới phân chia phần tử, tùy thuộc vào yêu cầu của từng vùng trong kết cấu.
2.3.2. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:
* Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt...), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên).
* Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F.
* Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu.
Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình 2.5.
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC TRƯỜNG HỢP CHỊU TẢI
3.1. Tính toán khối lượng và phân bổ khối lượng ô tô thiết kế
3.1.1. Trọng lượng thùng xe khi chưa có tải
Trọng lượng của thùng xe ta xác định bằng việc sử dụng modul measure trong phần mềm NX có giao diện như hinh.
Để xác định trọng lượng của thùng xe:
* Bước 1: Ta vào Menu → tools→ materials→ Assign materials và thiết lập vật liệu làm thùng khi đó giao diện materials sẽ như hình bên dưới. Khi chọn được vật liệu cấu tạo lên Thùng ta chọn apply.
* Bước 3: Sau khi hoàn tất thiết lập bước 2 ta vào Analysis→ Measure → object Set→ chọn toàn bộ chi tiết thùng, sau khi thiết lập xong và dùng modul tính toán ta biết được trọng lượng của thùng xe là 556.97 kg
3.1.2. Tọa độ trọng tâm thùng khi chưa có tải
Việc xác định trọng tâm là bài toán rất quan trọng trong các bài toán, để xác định trọng tâm của thùng xe một cách chính xác và tiết kiệm được thời gian ta dung modul analysis có sẵn của phần mềm NX để tìm trọng tâm.
* Bước 1: Đặt tọa độ trọng tâm tại góc thấp nhất của thùng
* Bước 2: Tại phần Analysis => Measure Body=>Show Information Window có thể xác định được tọa độ trọng tâm của thùng.
Sau khi dùng modul Analysis ta xác định được trọng tâm so với góc tọa độ theo các phương ( x, y,z ) ≈ ( 1440, 915, 693 ).
3.1.4. Tọa dộ trọng tâm của xe khi có tải
Chiều dài cơ sở của xe là: L0 = 3050(mm).
Tải trọng hàng hóa phân bố đều trên toàn bộ sàn thùng hàng với chiều dài 3010(mm), ta đưa về tải trọng tập trung là Gh với giá trị 1050 (kg).
Các thành phần tác dụng lên chassis khi tải tĩnh: gia tốc trọng trường bằng 9.81 m/
+ Fz1 : Phản lực tại bánh xe phía trước.
+ Fz2 : Phản lực tại bánh xe phía sau.
+ Glx :Trọng lượng kíp lái. Glx = 120 (kg)
+ Gtx: Trọng lượng thùng xe. Gtx = 556.97 (kg)
+ Ghh:Trọng lượng hàng hóa. Ghh =1050 (kg)
Vậy ta có trọng lượng phân bố lên cầu trước: Gct = Z1 + Q1 = 1052,83 (kg)
Với: Q1 : Là trọng lượng của chassis phân bố lên cầu trước.
Tải trọng phân bố lên cầu sau: Gct = Z2 + Q2 = 3045,87 (kg)
Với: Q2: Trọng lượng của chassis phân bố lên cầu sau.
Vây tọa độ trọng tâm cảu xe khi có tải là: (XG, YG, ZG) = (3034 mm, 0 mm, 589 mm)
3.2. Trọng lượng đối tượng cần chở
Đối tượng được chọn để kiêm nghiệm thùng là gạo tám Hải Hậu có tổng tải trọng 1 tấn
3.3. Phân tích các trường hợp chịu tải
3.3.1. Tải uốn
3.3.1.1. Trường hợp tải trọng tĩnh
Trường hợp tải trọng tĩnh ta xét khi xe đỗ trên đường bằng với gia tốc bằng không (a=0)
F = m×g
Trong đó, tổng tải trọng là 1000kg (bao gồm tải trọng của hàng hóa ).
Lấy gia tốc trọng trường bằng 9.81 (g =9.81).
=> Ft = 1000×9.81 =9810 ( N )
3.1.2.2. Trường hợp tải trọng động
- Lực quán tính sinh ra của kết cấu đóng góp thêm vào 1 phần của tổng tải.
- Luôn luôn cao hơn tải tĩnh.
- Trên đường: 1.5 đến 2 lần so với tải tĩnh.
- Các đoạn đường xấu sẽ gấp 3 lần so với tải tĩnh.
3.3.3. Tải trọng quay vòng
Tải trọng xoắn khi xe quay vòng là mô-men xoắn tác dụng lên thùng xe khi xe di chuyển theo quỹ đạo cong (quay vòng).
Tải trọng này là kết quả của lực ly tâm do khối lượng của thùng và hàng hóa tạo ra khi xe quay.
Giả sử xe đang quay vòng với vận tốc v = 10 m/s và bán kính quay vòng r = 25 m.
a(ly tâm) được tính bởi công thức: a(ly tâm) = v2/r = 102/25 = 4 (m/s2)
Fly tâm hàng = mh × aly tâm =1000 × 4 = 4000 (N)
3.3.4. Tải trọng dọc
Tải trọng dọc là tải trọng hướng theo phương dọc trục của xe, có thể gây ra ứng suất nén hoặc kéo trên thùng xe. Tải trọng dọc này thường do các lực như:
- Trọng lực của hàng hóa.
- Lực quán tính dọc khi xe tăng tốc - trọng lượng sẽ chuyển từ trước ra sau.
- Lực quán tính dọc khi phanh - trọng lượng sẽ chuyển từ sau ra trước.
Tải trọng dọc dọc có thể tính bằng công thức:
Fdọc = F(trọng lực) + F(quán tính)
Trường hợp xe khi phanh:
F(quán tính hàng) Lực quán tính dọc do khối lượng hàng hóa phát sinh khi xe phanh đột ngột. Công thức tính như sau:
F(quán tính hàng) = mh × adọc = 1000 × (− 4 )= −4000 (kg)
F(quán tính thùng) Lực quán tính dọc do khối lượng của thùng xe phát sinh khi xe phanh đột ngột. Công thức tính như sau:
F(quán tính thùng) = mt × adọc = 556.97 × (− 4 )= −2227.9 (kg)
Trường hợp xe tăng tốc:
F(quán tính hàng) Lực quán tính dọc do khối lượng hàng hóa phát sinh khi xe tăng tốc. Công thức tính như sau:
F(quán tính hàng) = mh × adọc = 1000 × 1.23= 1230 (kg)
F(quán tính thùng) Lực quán tính dọc do khối lượng của thùng xe phát sinh khi xe tăng tốc. Công thức tính như sau:
F(quán tính thùng ) = mt × adọc = 556.97 × 1.23= 685 (kg)
Giả sử xe đang đi với vận tốc ban đầu vstart = 0 (m/s). Và sau khi tăng tốc vtt = 22.2(m/s), (tương đương 80km/h). Nếu thời gian phanh ∆t = 18 giây, gia tốc sẽ được tính như sa:
a = ∆v/∆t = (22.2 - 0)/18 =1.23 ( m/s2)
→ Tải trọng dọc Fdọc do khối lượng hàng hóa trong trường hợp khi tăng tốc:
F(dọc hàng) = F(trọng lực hàng )+ F(quán tính hàng) = 9810 + 1230 = 11040 (N )
→ Tải trọng dọc Fdọc do khối lượng thùng xe trong trường hợp khi tăng tốc:
F(dọc thùng) = F(trọng lực thùng )+ F(quán tính thùng) = 5463.87+ 685 =6148.87 (N)
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS WORKBENCH KIỂM TRA BỀN THÙNG XE
4.1. Giới thiêu tổng quan phần mềm và các bước kiểm tra bền thùng xe
4.1.1. Giới thiệu tổng quan
Thùng ô tô là phần cấu trúc phía sau của xe tải với liên kết cứng dạng khối hộp, chúng được liên kết với nhau bởi các thanh thép hộp bằng các mối hàn. Đây là bộ phận rất quan trọng trong một chiếc xe tải, có thể có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào loại hàng hóa mà xe tải dự định vận chuyển. Trong quá trình di chuyển trên đường không thể tránh khỏi các hiện tượng như phanh gấp, khi đó lực quán tính lớn nhất có thể gây ra làm phá hủy các mối hàn liên kết giữa các hộp bị đứt gãy, và làm cho thùng xe bị uốn cong vênh, bên cạnh đó xe còn phải chịu tải trọng do trọng lượng bên ngoài như hàng hóa làm ảnh hưởng đến độ bền của thùng.
4.1.2. Giới thiệu phần mềm
ANSYS là một phần mềm mô phỏng (simulation software) chuyên dụng trong việc phân tích kỹ thuật, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện tử, năng lượng, hàng không vũ trụ, ô tô, và xây dựng. Phần mềm này cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp, từ đó giúp các kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra các quyết định tối ưu trong việc phát triển sản phẩm và quy trình sản xuất. Nhờ vào các công cụ đó mà tiết kiệm được thời gian, công sức tính toán, nâng cao chất lượng trong thiết kế.
4.1.3. Các bước thực hiện trên phần mềm
- Bỏ qua lực tác dụng của không khí đến thân xe do chuyển động với tốc độ thấp.
- Bỏ qua các lỗ nhỏ không làm ảnh hưởng đến kết cấu nhằm giảm thiểu số lượng lưới và tăng chất lượng khi chia lưới.
- Các chi tiết được lắp ghép với nhau hoàn toàn cứng, bỏ qua các mối hàn và mối lắp ghép bulong của thung xe.
- Coi như tải trọng thùng hàng phân bố đều trên bề mặt thùng xe. Tải trọng bản thân xe phân bố lên hai cầu xe theo catalouge của xe cơ sở.
- Vật liệu làm thùng là đồng nhất và bỏ qua các khuyết điểm bên trong vật liệu.
- Bỏ qua khối lượng hoặc ma sát: Trong một số trường hợp, khối lượng hoặc ma sát của các thành phần được bỏ qua để giảm bớt độ phức tạp tính toán.
4.2. Kiểm tra bền thùng xe
Quy trình kiểm tra chất lượng kết cấu thùng xe được thực hiện riêng lẻ để đảm bảo phần thùng đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật trước khi lắp ráp với các thành phần khác. Trường hợp tải động, tải quay vòng và tải dọc (trong trường hợp khi hãm phanh) do không có các liên kết bánh xe, liên kết của thùng được đặt tại vị trí hai dầm dọc đặt lên phần chassiss.
Sau khi đã vẽ xong mô hình khung, ta tiến hành thực hiện theo các bước trên.
* Bước 1: Gán vật liệu cho thùng xe có thông số như hình
* Bước 3: Tiến hành đặt ngàm cho khung.
Đặt ngàm cho mô hình thùng xe tại vị trí được liên kết với chassis.
* Bước 5 : Chạy bài toán xem kết quả phân tích chuyển vị, ứng suất.
Các bước 4 và 5 sẽ được trình bày cụ thể ở từng trường hợp dưới dây.
4.2.1. Trường hợp chịu tải trọng tĩnh.
Sơ đồ đặt lực tác dụng lên Thùng:
Kết quả kiểm nghiệm độ bền thùng xe trên phần mềm Ansys ở trường hợp chịu tải trọng tĩnh.
4.2.1.1. Ứng suất
Ứng suất phát sinh của thùng xe khi chịu tải trọng tĩnh theo kết quả mô phỏng là rất nhỏ có giá trị max là 13.4 Mpa, trong khi đó ứng suất cho phép của vật liệu là 250 Mpa, nên suy ra kết cấu thùng đảm bảo điều kiện bền trọng trang thái chịu tải trọng tĩnh. Vị trí ứng suất Max tập trung tại vị trí khung giữa thùng xe.
4.2.1.2. Chuyển vị
Chuyển vị tập trung chủ yếu ở phần nóc của thùng xe và chuyển vị lớn nhất có giá trị 0.16 mm tại vị trí phần nóc của thùng.
4.2.3. Trường hợp chịu tải trọng khi quay vòng.
Sơ đồ đặt lực tác dụng lên Thùng.
Khi xe quay vòng sang bên trái thì lực quán tính do các khối lượng tác dụng lên thùng sẽ phân bố như hình 4.10 và có xu hướng dồn về phía ngược lại.
Kết quả kiểm nghiệm độ bền thùng xe dựa trên phần mềm Ansys ở trường hợp thùng chịu tải khi quay vòng.
4.2.3.1. Ứng suất
Ứng suất phát sinh của thùng xe khi chịu tải trọng quay vòng theo kết quả mô phỏng là rất nhỏ có giá trị max là 85.28 Mpa, trong khi đó ứng suất cho phép của vật liệu là 250 Mpa, nên suy ra kết cấu thùng đảm bảo điều kiện bền trọng trang thái chịu tải trọng quay vòng. Vị trí ứng suất Max tập trung tại vị trí khung phía trước của thùng xe.
4.2.3.2. Chuyển vị
Chuyển vị tập trung chủ yếu ở phần nóc của thùng xe và chuyển vị lớn nhất có giá trị 7.2 mm tại vị trí phần nóc của thùng.
4.2.4. Trường hợp chịu tải trọng dọc (khi hãm phanh)
Khi xe hãm phanh thì lực quán tính do các khối lượng tác dụng lên thùng sẽ phân bổ như hình 4.13 và có xu hướng dồn về phía trước.
Sờ đồ đặt lực tác dụng lên Thùng:
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO THÙNG XE TẢI SRM T30
5.1. Thống kê các tổng thành, cụm chi tiết
Sau khi thiết kế, ta có thể tổng hợp lại các cụm chi tiết sau để thấy rõ được các cụm chi tiết trong một chiếu xe thùng kín hoàn chỉnh.
* Bước 3: Gia công khung xương cho thùng.
- Chuẩn bị và gia công các nguyên liệu theo thiết kế rồi kiểm tra và làm sạch để cho ra các chi tiết thuộc khung xương các vách thùng.
- Định vị các chi tiết lên bộ gá khung xương rồi liên kết các chi tiết bằng phương pháp hàn hồ quang điện.
* Bước 5: Tạo hình khung xe.
- Định vị và hàn hồ quang điện các chi tiết như: Khung sàn, Khung xương vách, khung bao viền, pát cường lực.
- Kiểm tra lại kích thước của thùng xe, kiểm tra và làm sạch các mối hàn.
* Bước 8: Lắp đặt thùng hàng lên sát-xi xe cơ sở.
- Chuẩn bị đệm lót đà, bát chống xô, bulong quang, chắn hông, chắn sau, vè chắn bùn.
- Định vị đệm lót đà lên khung xe rồi đặt thùng xe lên trên nó theo đúng vị trí thiết kế.
- Tiến hành lắp đặt bulong quang và bát chống xô, siết chặt các bulong với đúng lực siết quy định để cố định thùng hàng.
* Bước 10: Kiểm tra lần cuối.
- Kiểm tra sự hoạt động của các hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ thống điện.
- Vận hành trên đường thử.
Từ các bước trên, ta có sơ đồ quy trình chế tạo như hình 5.1.
KẾT LUẬN
Việc thiết kế dựa vào các kiến thức đã học, tài liệu tham khảo cộng với sự tham khảo của một số xe có sẵn và được sự hướng dẫn tận tình của Thầy: TS.…………… do đó đồ án tốt nghiệp của em đã được hoàn thành đúng tiến độ.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy em trong những năm theo học tại trường Đại học Thủy Lợi. Những kiến thức, kinh nghiệm của các thầy cô giáo đã truyền đạt là bài học là hành trang giúp em vững bước trên con đường tương lai.
Một lần nữa em xin cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí trường Đại học Thủy Lợi cùng phòng ban đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị, tài liệu tham khảo để giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Đồ án sử dụng các bộ thông số và kết cấu thực của khung xe được sản xuất và lắp ráp trong nước. Việc nghiên cứu gợi mở các hướng nghiên cứu khác về lý thuyết và áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác trong thiết kế các chi tiết cơ khí trên ô tô, giảm nhẹ công sức tính toán.
Mở ra hướng nghiên cứu mới và trên hết đó là đánh giá độ bền của thùng xe, tạo điều kiện tham khảo, cho phép tiến hành chế tạo nhằm giảm chi phí trong thực tế.
* Một số kết quả mới của đề tài:
Em đã xây dựng mô hình 3D khung thùng xe tải cỡ nhỏ, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải và phân tích bài toán kiểm bền. Kết quả đưa ra có độ chính xác và hợp lý hơn khi đưa thêm các giả thiết không gian vào để mô phỏng. Kết quả chung: Đánh giá khung thùng đảm bảo đủ bền khi chịu các loại tải trọng và thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn bền.
* Một số hạn chế của đồ án:
Ngoài kết quả đạt được thì đồ án còn một số hạn chế như sau:
- Mô hình 3D thùng còn nhiều hạn chế, chưa tối ưu nhất.
- Các bài toán còn chứa nhiều giả thiết tương đối.
- Trường hợp khung chịu xoán, uốn mới chỉ kiểm nghiệm với một số trường hợp nguy hiểm, không kiểm nghiệm được tất cả các trường hợp.
* Hướng nghiên cứu tiếp theo:
Mô phỏng đầy đủ hơn các trường hợp và kết hợp với việc đo đạc thực tế để kiểm chứng, thay đổi một số kết cấu của thùng để công năng sử dụng được tối ưu hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. PGS.TS. Vũ Thanh Hải - Th.S. Trương Quốc Bình - Th.S. Vũ Hoàng Hưng "Kết Cấu Thép" Nhà Xuất Bản Xây Dựng Hà Nội.
[2]. PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoàn. Bài giảng "Thiết kế tính toán ô tô", DHBKHN năm 2016.
[3]. Thông tư 42/2014/TT-BGTVT, "Quy định về thùng xe của xe tự đổ, xe xi téc, xe tải tham gia giao thông đường bộ".
[4]. QCVN 09:2015/BGTVT. " Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với xe ô tô ".
[5]. 3-Automotive-chassis-Design-v2.
[6]. International Journal of Engineering Research and Development. "Design Optimization of Tipper Truck Body "
[7]. Phạm Ngọc Khánh. "Sức Bền Vật Liệu" Nhà Suất bản Từ điển Bách Khoa Hà Nội, 2006.
[8]. Th.S. Trần Quốc Đảng. Bài giảng "Lý thuyết ô tô" ĐHSPKT Nam Định năm 2015.
[9]. Đặng Quý. "Tính Toán Thiết kê tô tô" ĐHSP Thành Phố Hồ Chí Minh năm 2001.
[10]. Lê Văn Thái "Khảo sát hiệu quả khi phanh ô tô". Tạp chí khoa học và công nghệ lâm nghiệp số 1 - 2017.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"