Tài liệu ứng dụng phần mềm hyperworks tối ưu hóa khung xe buýt thaco city b60

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- LÊ CÔNG TÍN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60 Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN MINH ĐỨC Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của TS. Phan Minh Đức. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Quảng Nam, ngày 30 tháng 09 năm 2019 Tác giả luận văn Lê Công Tín LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn, TS. Phan Minh Đức, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, chỉ bảo giúp đỡ tôi tận tâm và khoa học trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin trân trọng bày tỏ lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Công ty Cổ phần ô tô Trường Hải, Công ty TNHH MTV sản xuất và lắp ráp ô tô Tải Chu Lai – Trường Hải, và Phòng R&D đơn vị nơi tôi đang công tác đã luôn tạo điều kiện, ủng hộ, và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình theo học cao học. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các chuyên gia, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình tôi, những người luôn ở bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận văn. Quảng Nam, ngày 30 tháng 09 năm 2019 Tác giả luận văn Lê Công Tín MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................................1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................2 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 4 DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... 5 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................11 1.1. Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam .....................................11 1.2. Đặc điểm cấu tạo của khung xe buýt ..................................................................12 1.2.1. Phân loại kết cấu khung xe buýt ...................................................................12 1.2.1.1. Khung xe không chịu tải ........................................................................12 1.2.1.2. Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng cùng với chassis) ........................ 13 1.2.1.3. Khung xe chịu toàn tải ...........................................................................14 1.2.2. Yêu cầu đối với khung xe buýt .....................................................................15 1.2.2.1. Độ cứng ..................................................................................................15 1.2.2.2. Độ bền ....................................................................................................16 1.2.2.3. Độ bền mỏi ............................................................................................. 16 1.2.2.4. Yêu cầu đến vấn đề an toàn giao thông ..................................................16 1.2.3. Đặc tính làm việc của khung xe buýt ........................................................... 17 1.2.3.1. Đặc tính dao động ..................................................................................17 1.2.3.2. Đặc tính rung ồn ..................................................................................... 17 1.2.3.3. Đặc tính biến dạng..................................................................................17 1.3. Ý nghĩa của việc phân tích kết cấu khung xe buýt .............................................17 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 19 Chương 2. PHẦN MỀM HYPERWORKS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................ 20 2.1. Phần mềm HyperWorks ...................................................................................... 20 2.1.1. Giới thiệu phần mềm HyperWorks ............................................................... 20 2.1.2. Các Modul của phần mềm HyperWorks ...................................................... 20 2.1.3. Đặc điểm của phần mềm HyperWorks ......................................................... 21 2.1.4. Các kiểu phần tử hữu hạn trong HyperWorks ..............................................22 2.1.4.1. Phần tử 1D .............................................................................................. 22 2.1.4.2. Phần tử 2D .............................................................................................. 22 2.1.4.3. Phần tử 3D .............................................................................................. 23 2.1.4.4. Các kiểu phần tử khác ............................................................................23 2.1.5. Cấu trúc tổng thể của một bài toán bên trong phần mềm HyperWorks .......24 2.2. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn....................................................... 24 2.2.1. Sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn ..........................................24 2.2.2. Ý tưởng cơ bản và trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ........................................................................................................................... 25 2.2.2.1. Ý tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn ............................... 25 2.2.2.2. Trình tự phân tích phần tử hữu hạn ........................................................ 26 2.3. Lý thuyết tối ưu hóa ............................................................................................ 31 2.3.1. Khái niệm tổng quát...................................................................................... 31 2.3.2. Lý thuyết tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks .......................................31 2.3.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 31 2.3.2.2. Biến thiết kế............................................................................................ 33 2.3.2.3. Phương pháp Gradient ............................................................................33 2.3.2.4. Điều chỉnh giới hạn ................................................................................36 2.4. Cơ sơ phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe .................................................37 2.4.1. Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang ...................... 37 2.4.2. Trường hợp xe phanh trên đường nằm ngang ..............................................38 2.4.3. Trường hợp xe chuyển động quay vòng ....................................................... 39 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 40 Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHUNG XE BUÝT TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS .................................................................................................41 3.1. Quy trình phát triển sản phẩm .............................................................................41 3.1.1. Quy trình phát triển sản phẩm thông thường ................................................41 3.1.2. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE .............................................41 3.1.2.1. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thử nghiệm ảo ......................................................................................................................... 41 3.1.2.2. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm ảo ......................................................................................... 42 3.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xe buýt ............................................43 3.2.1. Tạo mô hình phần tử (chia lưới) ...................................................................43 3.2.1.1. Đơn giản hóa mô hình thực tế về mô hình phân tích ............................. 43 3.2.1.2. Chọn kiểu phần tử mô phỏng .................................................................43 3.2.1.3. Mô phỏng liên kết...................................................................................44 3.2.1.4. Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới ...................................................... 44 3.2.2 Các bước xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trong phần mềm HyperWorks ............................................................................................................45 3.2.2.1. Các bước chính của một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks ........................................................................................................45 3.2.2.2. Cấu trúc thư mục chính của một bài toán mô phỏng trên HyperWorks 47 3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 47 Chương 4: THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG XE BUÝT B60 TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS ............................................................................................................48 4.1. Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trong HyperWorks ............................... 48 4.1.1. Thiết kế sơ bộ tổng thể hình dạng khung xe buýt.........................................48 4.1.2. Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks .........50 4.1.2.1. Mục tiêu tối ưu hóa ................................................................................50 4.1.2.2. Thực hiện tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks ................................ 50 4.1.2.3. Kết quả tối ưu hóa hình học khung xe buýt ...........................................56 4.1.3. Thiết kế chi tiết khung xe buýt B60 ............................................................. 58 4.1.3.1. Thiết kế khung xương mảng đầu ............................................................ 58 4.1.3.2. Khung xương mảng hông trái ................................................................ 58 4.1.3.3. Khung xương mảng hông phải ............................................................... 59 4.1.3.4. Khung xương mảng mui .........................................................................59 4.1.3.5. Khung xương mảng đuôi ........................................................................60 4.1.3.6. Khung xương mảng sàn..........................................................................60 4.2. Tính bền khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks ................................ 62 4.2.1. Phân tích các trường hợp tải trọng và các nhân tố tải trọng ......................... 62 4.2.2. Bài toán tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks ....................63 4.2.3. Các trường hợp tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks ........64 4.2.3.1. Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng phẳng ...64 4.2.3.2. Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô ............................... 65 4.2.3.3. Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô ..................................65 4.2.3.4. Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu .......................... 66 4.2.3.5. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến ....................................66 4.2.3.6. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi .....................................66 4.2.3.7. Trường hợp xe quay vòng ngoặt ............................................................ 67 4.2.4. Phương pháp đặt tải trọng tác dụng lên khung xe buýt ................................ 68 4.2.4.1. Tải trọng phân bố ...................................................................................68 4.2.4.1. Tải trọng tập trung ..................................................................................68 4.2.5. Cơ sở lý thuyết phân tích kết quả .................................................................71 4.2.6. Kết quả tính toán khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks ............73 4.2.6.1. Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng ..............73 4.2.6.2. Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô ............................... 74 4.2.6.3. Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô ..................................75 4.2.6.4. Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu .......................... 76 4.2.6.5. Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái..............................................77 4.2.6.6. Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải ............................................78 4.2.6.7. Trường hợp phanh gấp khi chuyển động tiến ........................................79 4.2.6.8. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi .....................................80 4.2.6.9. Trạng thái các kiểu dao động của khung xe buýt ...................................81 4.2.6.10. Nhận xét kết quả tính bền khung xe buýt B60 .....................................82 4.3. Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks ....................... 83 4.3.1. Phương pháp tối ưu hóa gauge .....................................................................83 4.3.2. Mục tiêu tối ưu hóa ....................................................................................... 83 4.3.3. Ứng dụng tối ưu trên phần mềm HyperWorks .............................................84 4.3.3.1. Quá trình thực hiện tối ưu hóa khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks ........................................................................................................84 4.3.3.2. Tối ưu khung xe buýt B60 ......................................................................85 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................... 90 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................91 1. KẾT LUẬN ............................................................................................................91 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 93 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60 Học viên: Lê Công Tín Mã số: 8520116 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Khóa: K35 Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn này trình bày quy trình thiết kế ứng dụng CAE vào tối ưu hóa, phân tích độ bền kết cấu trong các trường hợp chịu tải thông thường của ô tô buýt để thực hiện thiết kế mới khung xe buýt Thaco City B60. Phần mềm HyperWorks đã được sử dụng để mô phỏng độ bền và chuyển vị kết cấu khung xe, với phương pháp bù quán tính, 8 chế độ tải trọng khi ô tô chở số người định mức (60 người). Kết cấu khung xe được tối ưu trên quan điểm giảm khối lượng, với các điều kiện ràng buộc về vật liệu sử dụng và thực tế công nghệ hiện nay của Thaco. Công cụ mô phỏng giúp rút ngắn quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm. Kết quả mô phỏng giúp giảm chi phí thử nghiệm của nhà máy và giảm tiềm ẩn khiếm khuyết của sản phẩm; khẳng định độ tin cậy của sản phẩm; góp phần giảm giá thành sản phẩm và cải thiện môi trường. Từ khóa – Quy trình thiết kế sản phẩm ứng dụng CAE; tối ưu hóa khung xe buýt; độ bền khung xe buýt; phần mềm HyperWorks. AN APPLICATION OF HYPERWORKS SOFTWARE OPTIMIZATION STRUCTURE OF THACO CITY B60 BUS FRAME Abstract – This thesis paper presents the procedure of designing CAE applications into optimization, structural durability analysis in the normal load cases of buses to implement the new design of Thaco City B60 bus body. HyperWorks software has been used to simulate body construction durability and displacement, with inertial compensation, 8 load modes when carrying a rated number of 60 people. The body structure is optimized from the point of view of volume reduction, with the conditions of the materials used and the current technology of THACO. Simulation tools help shorten the design process, optimize the process of designing and manufacturing products. Simulation results help reduce plant testing costs and reduce product defects potential; confirm the reliability of the product; contributing to reducing product costs and improving the environment. Key words – CAE application design process; optimize bus frame; bus frame duarability; HyperWorks software; 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU {q}e Vectơ chuyển vị nút phần tử {u}e Trường chuyển vị [B] Ma trận tính biến dạng {}e Ứng suất tại một điểm của phần tử [T] Ma trận tính ứng suất phần tử ∏e Thế năng toàn phần We Ngoại lực Ue Thế năng biến dạng [K]e Ma trận độ cứng của phần tử {P}e Vectơ tải trọng nút của phần tử thứ e {q}2b Vectơ chứa tất cả các bậc tự do (chuyển vị nút) đã biết {q}1 Vectơ chứa các bậc tự do đã biết {P}1b Vectơ tải gồm các phần tử đã biết {P}2 Vectơ tải gồm các phần tử còn lại R1 Giá trị phản hồi dự đoán R0 Giá trị phản hồi tham chiếu v1, v2 Giá trị mới của biến thiết kế Mpb Tải trọng phân bố nt Tổng số nút trong miền khối lượng phân bố mn Khối lượng tại mỗi nút trong miền phân bố c Ứng suất chảy của vật liệu max Ứng suất tính lớn nhất theo Von-Mises max Chuyển vị tính lớn nhất CÁC CHỮ VIẾT TẮT CKD Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Completely Knocked Down”. Nghĩa là xe lắp ráp với 100% linh kiện nhập khẩu 3 R&D Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Research & Development”. Nghĩa là nghiên cứu và phát triển CAD Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Computer Aided Design”. Nghĩa là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAE Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Computer Aided Engineering”. Nghĩa là sử dụng công cụ máy tính để phân tích đối tượng hình học FEA Viết tắt cụm từ tiếng anh “Finite Element Application”. Nghĩa là ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn DVs Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Design Variable”. Nghĩa là tham số thiết kế NVH Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Noise, Vibration and Harshness”. Nghĩa là độ ồn, rung và xóc CBU Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Complete Build-up”. Nghĩa là xe được nhập khẩu nguyên chiếc 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Các modul chính của phần mềm HyperWorks 21 3.1 3.2 Đơn giản hóa mô hình phân tích Kiểu phẩn tử phân tích phần tử hữu hạn 43 44 3.3 3.4 4.1 Kiểu mô phỏng liên kết trong mô hình Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới Thông số kỹ thuật tổng thể xe buýt Thaco 44 45 48 4.2 Khối lượng thành phần trên xe buýt B60 71 4.3 Tổng hợp kết quả phân tích bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks 82 4.4 Kết quả tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu khung xương mảng hông 88 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Khung và chassis của một chiếc xe buýt kiểu khung xe không chịu tải 13 1.2 1.3 1.4 Kết cấu khung xe buýt kiểu khung bán tải Kết cấu khung xe kiểu khung xe chịu toàn tải Kiểu kết cấu chịu tải 13 14 14 2.1 Phần tử 1D 22 2.2 Phần tử 2D 22 2.3 Phần tử 3D 23 2.4 Một số kiểu phần tử trong mô phỏng CAE 23 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 Cấu trúc tổng thể của một bài toán trong phần mềm HyperWorks Sơ đồ quy trình tối ưu hóa kết cấu Sơ đồ mô tả các bước tối ưu hóa Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô chuyển động trên đường nằm ngang Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng Sơ đồ quy trình thiết kế sản phẩm thông thường Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như thử nghiệm ảo 24 32 34 37 38 39 41 42 3.4 3.5 3.6 3.7 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm số Mô hình phần tử hữu hạn của khung xe buýt Thiết lập các điều kiện biên cho bài toán Chạy tính toán bằng Optistruct Kết quả hiển thị trực quan trên Modul Hyperview 4.1 4.2 Tổng thể mặt sau của khung xe Tổng thể mặt bên của khung xe 48 49 4.3 4.4 4.5 Tổng thể mặt trước của khung xe Tổng thể mặt trần của khung xe Đường dẫn tạo biến thiết kế 50 50 51 3.3 4.6 4.7 Khai báo vùng không gian thiết kế cho mô hình khung xe buýt Vùng không gian thiết kế phía trên 42 45 46 46 46 51 52 6 4.8 Vùng không gian thiết kế mặt trước 52 4.9 Vùng không gian thiết kế mặt bên 52 4.10 4.11 Vùng không gian thiết kế mặt sau Đường dẫn tạo điều kiện thiết kế 52 53 4.12 4.13 4.14 Thiết lập thông số hàm điều kiện ràng buộc – Volumefrac Thiết lập thông số hàm mục tiêu – Compliance Đường dẫn thiết lập giá trị cho hàm điều kiện 53 53 54 4.15 4.16 Giao diện thiết lập giá trị cho hàm điều kiện Đường dẫn thiết lập điều kiện hội tụ 54 55 4.17 Giao diện thiết lập điều kiện hội tụ 55 4.18 Giao diện thiết lập chạy tính toán tối ưu hóa 55 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 Thông tin của quá trình chạy tối ưu hóa Kết cấu tối ưu hóa mặt bên (RH) Kết quả tối ưu hóa mặt bên (LH) Kết quả tối ưu hóa mặt trên khung xe Kết cấu khung xương mảng đầu Kết cấu khung xương mảng hông trái Kết cấu khung xương mảng hông phải Kết cấu khung xương mảng mui Kết cấu khung xương mảng đuôi 56 56 57 57 58 58 59 59 60 4.28 Khung xương mảng sàn trước 60 4.29 4.30 4.31 4.32 Khung xương mảng sàn chính Khung xương mảng sàn sau Các tải trọng tác động lên khung xe buýt Mô hình bài toán bù quán tính 61 61 62 64 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 4.38 Phản lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp xe chuyển động với tốc độ lớn trên đường bằng Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi 65 65 65 66 66 67 7 4.39 4.40 4.41 4.42 4.43 4.44 4.45 4.46 4.47 4.48 4.49 4.50 4.51 4.52 4.53 4.54 4.55 4.56 4.57 4.58 4.59 4.60 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái Xác định tọa độ trọng tâm của vật rắn Phân bố tải trọng trên khung xương xe buýt B60 Sơ đồ mô tả đường cong vật liệu đồng chất, đẳng hướng Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp phanh gấp khi chuyển động tiến Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp phanh gấp khi chuyển động tiến Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi Trạng thái dao động uốn ngang trên khung xe buýt 67 67 68 71 72 73 73 74 74 75 75 76 76 77 77 78 78 79 79 80 80 81 8 4.61 Trạng thái dao động xoắn trên khung xe buýt 81 4.62 Trạng thái dao động uốn dọc trên khung xe buýt 81 4.63 Biến thiết kế tương ứng của khung xương mảng hông 85 4.64 Ứng suất lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau khi tối ưu phân bố vật liệu 89 4.65 Chuyển vị lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau khi tối ưu phân bố vật liệu 90 9 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Nâng cao chất lượng vận tải hành khách bằng ô tô có sức chở lớn theo hướng tiện nghi, an toàn và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, giảm thải ô nhiễm môi trường [1] nhận được sự quan tâm lớn của các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu vận chuyển liên tỉnh và trong các đô thị lớn, chẳng hạn thành phố Hồ Chí Minh đặt ra mục tiêu đáp ứng khoảng 20% nhu cầu đi lại bằng xe buýt đến năm 2025 [2]. THACO xác định việc phát triển xe buýt theo hướng hiện đại và có số chỗ đến 60 (Thaco City B60) là rất quan trọng trong chiến lược phát triển sản phẩm. Khung xe có vai trò đặc biệt, là tổng thành kết cấu lớn, phức tạp; chi phí sản xuất của khung xe khoảng 50% tổng chi phí sản xuất xe và giữ tỷ lệ 30% chất lượng của xe [3]. Thiết kế khung xe buýt cần đáp ứng nhiều yêu cầu, trong đó có tối ưu mật độ phân bố vật liệu, đảm bảo độ bền. Thực trạng hiện nay, ở hầu hết các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước, việc sản xuất khung xe buýt nói chung được thực hiện theo thiết kế mua từ nước ngoài, hoặc theo thiết kế của sản phẩm tương tự, có tính đến sự hiệu chỉnh theo đề nghị, góp ý của khách hàng hoặc các đề xuất cải tiến của bộ phận R&D. Điều này dẫn đến các loạt sản phẩm đầu tiên chưa được tối ưu, tiềm ẩn những khiếm khuyết do không phù hợp với điều kiện vận hành ở Việt Nam hoặc kéo dài thời gian phát triển sản phẩm. Gần đây ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng công cụ CAE vào cải tiến khung xe buýt [4, 5], đem lại hiệu quả nhất định nhưng nhìn chung các đề tài chưa cụ thể hóa được quy trình tính toán và chủ yếu thực hiện cải tiến khung xe buýt đã có sẵn. Chính vì vậy tối ưu hóa khung xe buýt ngay từ thiết kế đầu là hết sức cấp thiết. Đề tài trình bày quy trình thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 có ứng dụng công cụ CAE vào công đoạn thiết kế định hình và công đoạn tối ưu độ bền. Ứng dụng phần mềm HyperWorks tối ưu hóa hình dáng, khối lượng và phân tích bền khung xe buýt Thaco City B60 trong các trường hợp chịu tải thông thường. Điều đó có ý nghĩa rất lớn trong bối cảnh nền công nghiệp ô tô trong nước đang dần chuyển từ sản xuất lắp ráp sang thiết kế, lắp ráp hoàn thiện. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xây dựng hoàn thiện quy trình nghiên cứu phát triển sản phẩm của Thaco; nâng cao năng lực tính toán thiết kế của đội ngũ Phòng R&D; xây dựng phương pháp tối ưu hóa khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks góp phần hoàn thiện sản phẩm xe buýt. Mục đích nghiên cứu của đề tài: Tối ưu hóa thiết kế khung xe buýt Thaco City B60. 10 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Luận văn chọn đối tượng nghiên cứu và tính toán là khung xe buýt Thaco City B60. Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu nên luận văn chỉ giới hạn và tập trung nghiên cứu đánh giá độ bền dưới tác dụng của tải trọng bình thường trong một số chế độ làm việc và phương án tối ưu hóa khung xe buýt bằng lý thuyết và mô hình hóa. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán độ bền và mô hình tối ưu hóa khung xe buýt. Độ bền khung ô tô được tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Hyperworks. Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu để giảm trọng lượng và phân tán vùng tập trung ứng suất trên khung xe buýt. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận văn góp phần xây dựng phương pháp tính toán độ bền khung xe buýt Thaco City B60. Xây dựng phương pháp đánh giá độ bền và hướng đề xuất cải thiện kết cấu nhằm nâng cao độ bền và tối ưu trọng lượng khung xe buýt Thaco City B60. Ý nghĩa thực tiễn: Luận văn chỉ ra được tính hiệu quả hơn khi ứng dụng phần mềm HyperWorks vào thiết kế khung xe buýt. Bên cạnh đó luận văn giúp rút ngắn được thời gian thiết kế sản phẩm mới từ đó giúp giảm được chi phí cho công tác nghiên cứu thiết kế ban đầu. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để tính toán thiết kế các kiểu loại xe buýt tương tự tại Thaco. CẤU TRÚC NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN: Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phần mềm HyperWorks và cơ sở lý thuyết Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks Chương 4: Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks 11 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam Ngành công nghiệp ô tô không những giữ một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển thông qua đáp ứng nhu cầu vận tải, góp phần phát triển sản xuất và kinh doanh thương mại mà còn là một ngành kinh tế mang lại lợi nhuận rất cao nhờ sản xuất ra những sản phẩm có giá trị vượt trội. Sớm nhận thức được tầm quan trọng này, các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Hàn Quốc,…đã rất chú ý phát triển ngành công nghiệp ô tô của riêng mình trong quá trình công nghiệp hóa để phục vụ không chỉ nhu cầu trong nước mà còn xuất khẩu sang các nước khác. So với các quốc gia trên thế giới, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ra đời khá muộn. Sau quá trình đổi mới, Chính phủ Việt Nam đã có nhiều chính sách nhằm khuyến khích sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, đưa ô tô trở thành mũi nhọn trong công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Sau hơn 25 năm phát triển, thị trường Việt Nam đang là sân chơi của nhiều thương hiệu nổi tiếng thế giới như Toyota, Honda, Ford, Mercedes, BMW,…và cả những doanh nghiệp nội địa như Trường Hải, TMT, Thành Công. Trong năm 2018, mặc dù sản xuất, lắp ráp xe nguyên chiếc còn nhiều khó khăn, nhưng công nghiệp phụ tùng linh kiện ô tô tại Việt Nam cũng đạt được một số kết quả nhất định (về công nghệ sản xuất, kim ngạch xuất khẩu), chủ yếu nhờ một số doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài, doanh nghiệp chế xuất, là cơ sở sản xuất để xuất khẩu đi toàn cầu [6]. Mặc dù đạt được một số thành tựu sau hơn 25 năm xây dựng và phát triển, nhưng hiện tại Việt Nam vẫn sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô vừa và nhỏ, công nghệ đa phần còn lạc hậu. Đa số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước chủ yếu lắp ráp dạng CKD. Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô buýt đang được các nhà sản xuất trong nước chú trọng đẩy mạnh phát triển. Bằng việc tăng mạnh tỷ lệ nội địa hóa, tăng tính năng an toàn, đầu tư quy mô vào công tác nghiên cứu và phát triển sản phẩm, bước đầu đã tạo ra được một số sản phẩm xe buýt đáp ứng tốt nhu cầu thị trường trong nước và tiến tới xuất khẩu. Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống ô tô, thì cần phải đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo khung vỏ. Trong vài năm trở lại đây, việc phát triển mạnh mẽ các công cụ hỗ trợ cho tính toán kết cấu đã góp phần giảm thiểu thời gian phát triển sản phẩm, giảm chi phí cho việc thử nghiệm. Ứng dụng phần mềm vào tính toán thiết kế đã phần nào làm thay đổi cái nhìn tổng quan về thiết kế. Tại Việt Nam nhìn chung việc ứng dụng phần mềm tính toán thiết 12 kế đang được đẩy mạnh tại các doanh nghiệp sản xuất linh kiện cơ khí. Ứng dụng phần mềm vào thiết kế mạnh mẽ nhất tiêu biểu như Công ty ô tô Trường Hải. Cùng với sự phát triển đó, trong những năm gần đây đã xuất hiện một số đề tài nghiên cứu ứng dụng phần mềm như HyperWorks, Analysis,…tính toán khung xe như đề tài “Thiết kế cải tiến kết cấu xe ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm trực diện – tác giả Nguyễn Thành Tâm - 2015”, “Nghiên cứu tính toán tối ưu hóa thân xe buýt – nhóm tác giả Trần Hữu Nhân, Phan Đình Huấn, Phạm Xuân Mai”,…, đã tạo tiền đề cho các quá trình nghiên cứu và thiết kế khung xe buýt. 1.2. Đặc điểm cấu tạo của khung xe buýt 1.2.1. Phân loại kết cấu khung xe buýt Theo hình thức chịu tải (phản ánh sự khác biệt giữa cấu trúc khung và quy trình sản xuất khung xe), có thể phân loại khung xe buýt thành 3 loại chính: - Khung xe không chịu tải - Khung xe bán tải - Khung xe chịu toàn tải 1.2.1.1. Khung xe không chịu tải Khung xe không chịu tải là một cấu trúc khung thông thường, trong đó khung được lắp ráp trên chassis bằng các giá đỡ như đệm su hoặc lò xo. Với kết cấu này, chassis chịu toàn bộ tải trọng đặt lên nó; khung chỉ chịu một phần nhỏ tải trọng do uốn cong của chassis, do đó loại cấu trúc kiểu khung xe không tải có khung gầm chắc chắn và khối lượng lớn. Khung và chassis được liên kết đàn hồi. Do các kết cấu liên kết có tính đàn hồi tương đối với nhau, nên phần lớn rung động từ mặt đường bị giảm dần hoặc bị triệt tiêu, điều này tạo sự thoải mái nhất định cho hành khách trên xe. Trong giai đoạn đầu phát triển xe buýt ở Việt Nam, hầu hết các xe buýt đều có cấu trúc này. Cấu trúc khung xe không chịu tải có các đặc điểm chính như sau: - Chassis và khung được liên kết bằng giảm chấn lò xo hoặc đệm su để giảm rung và ồn ở mức độ nhất định. - Chassis và khung được tách rời tạo điều kiện cho quá trình lắp ráp các cấu thành đơn giản, thuận lợi cho quá trình sản xuất công nghiệp. - Chassis là kết cấu chịu lực chính để lắp ráp các chi tiết, cụm chi tiết. Tuy nhiên, kết cấu khung xe buýt theo kiểu này có một số nhược điểm chính sau: - Về cơ bản, khung xe không tham gia vào quá trình chịu tải trọng. Để đảm bảo cho quá trình hoạt động, chassis phải được thiết kế có độ cứng lớn dẫn tới tăng khối 13 lượng toàn bộ xe. Điều này không phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay là giảm trọng lượng, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu. - Quá trình sản xuất chassis rất phức tạp, đầu tư lớn cho khuôn dập, tăng chi phí cho quá trình sản xuất, chu kỳ phát triển ngắn. - Với chassis và khung tách biệt làm tăng trọng tâm của xe buýt, giảm độ ổn định khi xe hoạt động ở tốc độ cao, tăng rung và ồn. Hình 1.1 - Khung và chassis của một chiếc xe buýt kiểu khung xe không chịu tải 1.2.1.2. Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng cùng với chassis) Khung xe kiểu bán tải là một kết cấu khung xe được liên kết liền khối với khung chassis, khung xe chịu một phần tải trọng. Một kiểu kết cấu mang đặc điểm chung của kết cấu khung không chịu tải và khung chịu toàn tải. Hình 1.2 – Kết cấu khung xe buýt kiểu khung bán tải Đặc điểm của cấu trúc này là chassis vẫn được sử dụng, kết cấu toàn bộ khung và chassis được hàn cứng hoặc liên kết bằng bu lông, vì vậy khung xe lúc này chịu một phần tải trọng uốn và xoắn. So với kết cấu khung không chịu tải, kiểu kết cấu khung bán tải có thể giảm chiều cao của sàn thấp hơn, nâng cao độ ổn định hơn, và có thể giảm các yêu cầu về độ cứng của chassis qua đó có thể giảm được trọng lượng của xe, nâng cao độ ổn định hơn kết cấu khung không chịu tải. Tuy nhiên do việc giữ lại khung gầm giống như kết cấu