Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo Tính bền khung xe ô tô bằng ANSYS Workbench 9.0
Chơng 3 tính bền khung xe ô tô bằng ANSYS Workbench 9.0 3.1. Bài toán tính bền khung xe. Tính toán độ bền khung vỏ xe có nhiều phơng pháp và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm kết cấu của khung vỏ, chế độ tải trọng, vật liệu và phơng pháp chế tạo . Phụ thuộc vào tải trọng có các bài toán tính bền cho khung xe tải tơng ứng với các tải trọng tĩnh và động gồm có bài toán tĩnh và bài toán động. Khi tính khung vỏ xe tải cần chú ý đến bài toán động do các tải trọng quán tính của xe khi tăng tốc, phanh xe hoặc khi quay vòng. Do các đặc điểm bố trí động cơ và hệ thống truyền lực xe tải đòi hỏi phải tính đến các tải trọng rung động do động cơ, hệ thống truyền lực , bánh xe và do các dao động riêng của khung vỏ xe. Khi đánh giá độ cứng và độ bền của khung vỏ xe phụ thuộc vào giá trị và chiều tác dụng của các phản lực thẳng đứng từ mặt đờng, có hai chế độ tải trọng tính toán là chế độ tính uốn tĩnh và chế độ tính xoắn tĩnh. Tải trọng khi tính theo uốn : P P m g a L tr ph tr1 1 2 1 2 = = (3.1) P P m g a L tr ph tr2 2 1 1 2 = = (3.2) Trong đó: P i - Khối lợng phần đợc treo phân bố lên cầu i, N m tr - Khối lợng phần đợc treo của xe, N 35 g - Gia tốc trọng trờng, m/s 2 a i - Khoảng cách từ trọng tâm phần đợc treo của xe đến cầu i, mm L- Chiều dài cơ sở xe, mm Tải trọng khi tính theo xoắn:(xét trờng hợp xe có tải trọng phân lên cầu trớc nhỏ hơn cầu sau) M m a L b tr = 1 2 2 1 (3.3) Trong đó: b i - Vết bánh xe cầu i, mm M- Mô men xoắn, Nmm Khi một bên bánh xe tách khỏi nền đờng thì mô men xoắn lớn nhất xác định theo công thức: M mg a L b ' ' = 1 2 2 1 (3.4) Trong đó: M'-Mô men xoắn khung lớn nhất, Nmm a ' i - Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu i, mm m- Khối lợng toàn bộ của xe, N Việc giải các bài toán tính bền khung vỏ xe là nhằm xác định biến dạng và ứng suất trên kết cấu ứng với các tải trọng khác nhau. Do kết cấu khung vỏ xe rất phức tạp, luận văn sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu dựa trên cơ sở của ph- ơng pháp PTHH để xác định biến dạng và ứng suất tại các điểm bất kỳ trên kết cấu. Phần này trình bày phơng trình cơ bản khi giải các bài toán tĩnh và động bằng ANSYS. 36 3.1.1. Bài toán tĩnh Phân tích tĩnh kết cấu là giải hệ phơng trình tuyến tính: KU = R (3.5) Trong đó : K Ma trận độ cứng U Véc tơ các kết quả chuyển vị R Véc tơ các lực Kết cấu có thể đợc tính cho nhiều trờng hợp tải trọng. Tải trọng tĩnh trên nút có thể là mô men tập trung. Tải trọng trên phần tử có thể là các loại : Trọng lực; Tải trọng phân bố đều trên nhịp; Tải trọng tập trung trên nhịp; Tải trọng phân bố bậc thang trên nhịp; Tải trọng nhiệt; Tải trọng áp lực mặt; Tải trọng thế. Khi chạy cho bài toán tĩnh có thể kết hợp với : Phân tích theo giá trị riêng, véc tơ riêng, phân tích theo phổ phản ứng, hàm thời gian trong cùng một lần tính toán. 3.1.2. Bài toán động Bài toán động bao gồm các dạng phân tích theo trạng thái dao động điều hoà, theo trị riêng, theo phản ứng động hàm thời gian hoặc phổ gia tốc - Phân tích theo trạng thái dao động điều hoà Dạng tải trọng thông dụng cho bài toán này là: R = Fsint Trong đó: R - Biến thiên theo thời gian. F - Biên độ không biến đổi theo thời gian. - Tần số vòng của lực kích thích. Trong trờng hợp lực cản bằng không thì phơng trình cân bằng của hệ kết cấu có dạng : KU + MW = R = Fsint (3.6) 37 Trong đó : K Ma trận độ cứng. M - ma trận chéo khối lợng. Nghiệm của phơng trình này là các chuyển vị nút U và gia tốc W có dạng: U = A sint W = - A 2 sint Các giá trị chuyển vị đợc xác định bởi các giá trị của A ( Các chuyển vị biên độ ) thay đổi theo sint. Các lực thành phần đợc đa ra là các giá trị biên độ thay đổi theo sint. Phân tích theo trạng thái dao động điều hoà có các hạn chế sau: Lực cản của kết cấu đợc giả thiết bằng không, khi tính toán, kết cấu có thể chịu một số lực kích thích nhng tần số của tất cả lực kích thích trong mỗi lần tính lấy bằng nhau. Nếu tần số của lực kích thích tơng ứng với tần số riêng của kết cấu, hệ sẽ bị cộng hởng và kết quả là vô hạn. - Phân tích theo giá trị riêng Khi tính toán kết cấu chịu tải trọng động theo phổ phản ứng hoặc hàm thời gian dùng phơng pháp chồng mode, cần phải xác định các dạng dao động tự do có lực cản và tần số dao động của hệ. Điều này đi đến giải nghiệm của bài toán giá trị riêng sau: KU + CV + MW = MW g (3.7) Trong đó : K Ma trận độ cứng C Ma trận cản M Ma trận chéo khối lợng. W g Gia tốc nền. U; V; W Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu. 38 - Phân tích theo phản ứng động hàm thời gian Nói chung tải trọng tác dụng lên kết cấu là một hàm tuỳ ý theo không gian và thời gian. Trong dạng ma trận có thể đợc viết nh R( s; t ). Với tất cả các loại tải trọng R( s; t ) có thể đợc viết trong không gian Fi (s) và các hàm thời gian Ti (t) hoặc biểu diễn dới dạng ma trận : R(s;t) = i F * T i (t) (3.8) 3.2. Giải bài toán tính bền tĩnh khung xe bằng ANSYS Workbench 9.0 Trong hai bài toán tính bền khung xe là bài toán tĩnh và bài toán động, đồ án tập trung giải quyết bài toán tĩnh khung xe. 3.2.1. Các giả thiết về tải trọng và ràng buộc a. Các giả thiết về tải trọng Tải trọng tác dụng lên khung xe đợc đa vào mô hình dới dạng các tải trọng tập trung và phân bố theo chiều dài khung bằng các tuỳ chọn gán tải trọng trong ANSYS Workbench 9.0 Các tải trọng tập trung là tải trọng của các cụm, tổng thành. Các tải trọng tập trung này đợc coi là các tải trọng tại các nút tong ứng với trọng tâm của các cụm, sau đó đợc qui dẫn lên các điểm liên kết của giá đỡ cụm với khung xe. Với giả thiết các giá treo, đỡ các tải trọng này là tuyệt đối cứng, trong mô hình có thể sử dụng các ràng buộc Fixed Support hoặc Given Diplacement của ANSYS. Mô hình đợc thiết lập bởi các ràng buộc tải trọng trong ANSYS nh Remote Force, Force, Pressure, Moment để thực hiện việc chuyển đổi các tải trọng tơng ứng. Các tải trọng phân bố là tải trọng hành lý, tải trọng khung vỏ xe. b. Các ràng buộc Khi tính uốn, giả thiết khung xe đợc gối lên các mõ nhíp, do vậy tại các điểm này sử dụng các tuỳ chọn gối cố định. Trong mô hình có thể sử dụng phơng án khung xe gối trên 4 gối tựa hoặc 8 gối tựa. 39 Khi tính xoắn, giả thiết khung xe đợc gối lên các mõ nhíp của nhíp trớc bên phải và nhíp sau bên trái, do vậy tại các điểm này sử dụng các tuỳ chọn gối cố định. Lúc này trong mô hình khung xe đợc gối trên 4 gối tựa. Sử dụng mô hình hình học đã có với các thay đổi về ràng buộc ta có thể khảo sát các bài toán tính nội lực và ứng suất trên kết cấu tơng ứng với các bài toán tính uốn và xoắn đã biết. Trong đề tài đã tính toán với 4 phơng án khảo sát: Phơng án 1 sử dụng 8 gối (tệp mohinh-01) Phơng án 2 - sử dụng 4 gối (tệp mohinh-02u 4goi) Phơng án 3 - sử dụng 4 gối (tệp mohinh-02x-4goi-s) 40 Phơng án 4 - sử dụng 4 gối (tệp mohinh-02x-4goi-ts) 3.2.2. Thông số vào, dạng kết quả ra a. Thông số vào Các thông số vào bao gồm trọng lợng các cụm thể hiện, toạ độ các điểm đặt lực tác dụng lên khung xem bảng 3.1 và bảng 3.2 Bảng 3.1 Trọng lợng các cụm chính tt Tên gọi các cụm Ký hiệu Trọng lợng (kG) Vị trí (mm) 1 Két nớc P1 40 200 2 ĐC + LH + HS P2 740 1650 3 ắc quy P3 40 2210 4 Hộp số phụ P4 178 2960 5 Bình xăng và xăng P5 270 3340 6 Ca bin P cb 420 0 7 Thùng xe P tx 925 2750 41 8 Khung xe P k 775 0 9 Lốp dự phòng P l 164 6590 10 Hàng hóa P hh 5000 2750 Bảng 3.2-Lực phân bố trên khung. URAL-375 tt Tên lực phân bố Giá trị Tọa độ L tác dụng 1 Tải phân bố ca bin 0,22519 0 2620 2 Tải phân bố thùng và tải 1,33723 2750 3840 3 Tải phân bố của khung 0,6949 0 6590 b. Dạng kết quả. Chơng trình ANSYS đa ra các kết quả tính ở hai dạng là đồ thị và bảng biểu. Các kết quả của bài toán tĩnh đối với phần tử tấm, vỏ là thành phần các nội lực và ứng suất của các phần tử. Các thành phần nội lực này là các lực và mô men nội lực đợc xác định từ tích phân các thành phần ứng suất của các điểm nằm trên mặt trung bình giữa của phần tử bao gồm : Hình 3.1- Thành phần ứng suất theo các phơng chính Trong đó 1 > 2 > 3 1 ứng suất chính lớn nhất (Maximum) 2 ứng suất chính ở giữa (Middle) 3 ứng suất chính nhỏ nhất (Minimum) Thành phần ứng suất tơng đơng (Equivalent stress) 42 (3.9) Thành phần biến dạng tơng đơng (Equivalent strain) (3.10) Trong đó là hệ số Poisson Hình 3.2- Đồ thị vòng tròn Mohr ứng suất Thành phần ứng suất kéo lớn nhất (Maximum Shear) (3.11) Thành phần biến dạng kéo lớn nhất (Maximum sheer elastic strain) max = 1 - 3 (3.12) Cờng độ ứng suất (Stress intensity) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của 3 hiệu ( 1 - 2 , 2 - 3 và 3 - 1 ) (3.13) Cờng độ ứng suất có liên hệ với thành phần ứng suất kéo lớn nhất I = 2 max (3.14) 43 Cờng độ biến dạng (Elastic Strain intensity) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của 3 hiệu ( 1 - 2 , 2 - 3 , và 3 - 1 ) (3.15) 3.2.3. Mô hình tính Mô hình tính của một kết cấu là sự mô tả kết cấu đó với các giả thiết xác định nhằm đánh giá kết cấu về một khía cạnh nhất định. Các mô hình tính thờng đ- ợc sử dụng để đơn giản hoá quá trình khảo sát nhng vẫn phản ánh đợc các đặc trng cơ bản của kết cấu. Mô hình phần tử hữu hạn là sự mô tả hình dáng hình học và đặc điểm kết cấu cũng nh các đặc trng của vật liệu, tải trọng ngoài và các ràng buộc. Các bớc cơ bản để xây dựng mô hình tính và giải bài toán tính bền khung xe Bớc 1. Mở SOLIDWORKS Bớc 2. Tạo tệp dữ liệu mới 44 [...]... So sánh và khảo sát Trong phần này tôi khảo sát khung xe bằng cách thay đổi một số đặc trng về vật liệu, kết cấu, tuy nhiên do khuôn khổ thời gian không cho phép nên tôi chỉ tập chung thay đổi số nút và phần tử khi chia lới của khung với điều kiện các thông số khác không thay đổi So sánh kết quả đầu ra để tìm ra từ đó để đánh giá gần đúng giá trị thực của kết quả tính 3.3.1 Khi thay đổi sự phù hợp... Xây dựng mô hình khung xe 45 Bớc 4 Chuyển sang ANSYS để tính bền Bớc 5 Định nghĩa phần tử Bớc 6 Chia lới 46 Bớc 7 Gán tải trọng và ràng buộc 47 Bớc 8 Giải bài toán Bớc 9 Xuất kết quả 3.2.4 Kết quả tính bền tĩnh khung xe URAL-375 Đợc trình bày trong Phụ lục 3 bao gồm: Các biểu đồ nội lực, ứng suất của kết cấu 48 Các biểu đồ biến dạng tĩnh của kết cấu Một số kết quả theo phơng án 2 Hình 3.3- Mô hình chia... biến dạng tĩnh của kết cấu Một số kết quả theo phơng án 2 Hình 3.3- Mô hình chia lới khung xe URAL-375 Hình 3.4- Mô hình đặt lực khung xe URAL-375 49 Hình 3.5- Biểu đồ phân bố ứng suất tổng hợp Hình 3.6- Biểu đồ phân bố ứng suất max 50 Hình 3.7- Biểu đồ phân bố ứng suất min Hình 3.8- Biểu đồ phân bố chuyển vị của hệ khung theo phơng Y 51 Bảng 3.4- Bảng giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của ứng suất và chuyển... thấy khi thay đổi số nút và phần tử giá trị và vị trí ứng suất đạt giá trị lớn nhất, nhỏ nhất cũng thay đổi Đặc biệt giá trị phản lực tại các gối cũng thay đổi Do đó khi giải bài toán tính bền nói chung và kết cấu khung xe nói riêng tuỳ theo kết cấu của chi tiết để tiến hành chia lới một cách hợp lý, điều đó đảm bảo cho bài toán có kết quả với sai số nhỏ và có thể chấp nhận đợc 55 3.3.2 Khi thay đổi... 11376.01 N Mômen 582.52 Nm d 31589.91 N 614.33 Nm 29309.88 N 810.0 Nm 10806.38 N 555.29 Nm 31363.2 N 540.5 Nm 29628.88 N 538.97 Nm Lực 11458.28 N Mômen 646.27 Nm c 10867.72 N 731.38 Nm Lực 11434.34 N Mômen 678.52 Nm b Gối sau 2 30111.27 N 438.8 Nm Lực 11558.09 N Mômen 758.2 Nm a Phản lực ở các gối(N,Nm) Gối trớc2 Gối sau 1 10788.59 N 31420.71 N 440.86 Nm 346.68 Nm 10995.39 N 647.43 Nm 31179.8 N 411.23 Nm... là phơng án 2 trờng hợp khung 4 gối chịu uốn a Trờng hợp (Relevance =-20; 87719 nút, 46349 phần tử) b Trờng hợp (Relevance = 0; 97896 nút, 51921 phần tử) c Trờng hợp (Relevance = 20; 89545 nút, 46215 phần tử) d Trờng hợp (Relevance = 40; 88900 nút, 46779 phần tử) Bảng 3.5- Bảng giá trị phản lực ở các gối 52 khi thay đổi số nút và phần tử Trờng hợp Gối trớc1 Lực 11376.01 N Mômen 582.52 Nm d 31589.91 . 10 788 .59 N 31420.71 N 30111.27 N Mômen 582 .52 Nm 440 .86 Nm 346. 68 Nm 4 38. 8 Nm b Lực 115 58. 09 N 1 086 7.72 N 31 589 .91 N 29309 .88 N Mômen 7 58. 2 Nm 731. 38 Nm. 614.33 Nm 81 0.0 Nm c Lực 11434.34 N 1 080 6. 38 N 31363.2 N 296 28. 88 N Mômen 6 78. 52 Nm 555.29 Nm 540.5 Nm 5 38. 97 Nm d Lực 114 58. 28 N 10995.39 N 31179 .8 N 30137.02