Tính tốn mơ phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ơtơ 1 GVHD:TS.VŨ CƠNG HỒ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Ngun ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG,TỐI ƯU KHUNG DẦM TRƯỚC TR LỰC TRONG ÔTÔ GVHD: ThS. Vũ Cơng Hòa SVTH: Đinh Cơng Duyệt ( K0404109) Nguyễn Trung Ngun (K0404398) Tp HCM, Tháng 6/2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu cơng việc thay thế thanh dầm trợ lực hiện tại bằng thiết kế tốt hơn,sử dụng vật liệu tổng hợp thay thế cho thép và tìm hiểu ảnh hưởng của thanh dầm lên động học khoang lái và tổn hại tới khoang người lái.Ý tưởng cơ bản của đề tài là thay thế vật liệu thép hiện thời bằng vật liệu tổng hợp,làm tăng năng lượng hấp thu sau va chạm, làm giảm lực tác dụng, giảm tác động tới cabin lái, và tất cả chấn động tới xe.Cố gắng làm giảm khối lượng xe mà khơng ảnh hưởng tới độ an tồn của khoang lái. Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 2 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên LỜI CÁM ƠN Chúng em xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện luận văn này.Đặc biệt em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn Vũ Công Hoà đã tận tình chỉ bảo,góp ý,hướng dẫn chúng em hoàn thành luận văn tốt đẹp. Chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp đã chia sẽ những kinh nghiệm,đóng góp ý kiến,giúp đỡ chúng tôi làm luận văn Do thời gian thực hiện giới hạn nên có thể luận văn còn nhiều thiếu xót,nhưng đó cũng là những nỗ lực áp dụng những kiến thức đã học vào đề tài,mong quý thầy cô đánh giá ghi nhận sự nỗ lực của chúng em. Một lần nữa chúng em gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô! Người thực hiện: Nguyễn Trung Nguyên LỚp KU04BCKT Email: trungnguyenbkhcm@gmail.com Skype: trungnguyenbkhcm Tài liệu tham khảo 1.Cơ học lý thuyết-Đỗ Sanh 2.Vật liệu kỹ thuật-Nguyễn Văn Dân,Nguyễn Ngọc Hà,Trương Văn Trường 3.Sức bền vật liệu-Đỗ Kiến Quốc,Nguyễn Thị Hiền Lương,Bùi Công Thành,Trần Tấn Quốc 4.Impact on composite structures-Cambride University Press 5. Environmental and Social Impact Assessment / Frank Vanclay, Daniel A. Bronstein 6. Environment Impact Assessment - Theory and Practice/Peter Wathern 7.Ansys-Lsdyna user’s guide 8. Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS-Gs.Ts Nguyễn Văn Phái, Ts.Trương Tích Thiện,Ths.Nguyễn Tường Long,Ths Nguyễn Định Giang 9. Tính kết cấu bằng phần mền ANSYS –TS.Vũ Quốc Anh,th.s PHạm Thanh Hoan 10.LsDyna theory 11.Thiết kế sản phẩm với CaTia P3V5-Nguyễn Trọng Hữu 12.Catiatutor.com 13. http://meslab.org -Diễn dàn cơ khí,tự động công nghiệp Việt Nam 14. http://www.the-blueprints.com/blueprints/cars/mercedes 15. http://www.carbodydesign.com/tutorials 16. http://ol.cadfamily.com/CATIA/English/online/CATIA_default.htm 17. http://www.catiadesign.org/catia/ Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 3 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên MỤC LỤC TRANG Trang bìa i Nhiệm vụ luan văn ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách hình vẽ ix Danh sách bảng biểu xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tầm quan trọng của luận văn 1.2 Phương pháp tính toán 1.3 Các Tiêu chuẩn kiểm tra 1.3.1 Tiêu chuẩn IIHS 1.3.2 Tiêu chuẩn FMVSS 208 1.3.3 Tiêu chuẩn NCAP 1.4 Phương pháp kiểm tra 1.4.1 Kiểm tra chuẩn tĩnh 1.4.2 Kiểm tra va chạm CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 4 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên 2.1 Sự chống va chạm 2.2 Vật liệu composite trong sự chống va chạm 2.3 Kiểu va chạm và cấu trúc 2.3.1 Kiểu sự cố bất ngờ 2.3.2 Kiểu phá hỏng dần 2.3.3 Kiểu phân mảnh và cắt ngang 2.3.4 Kiểu chệch đầu nối hay sự uốn bản mỏng 2.3.5 Sự gãy giòn 2.3.6 Mất ổn định cục bộ và sự uốn dần 2.4 Lý thuyết va chạm 2.4.1 Định nghĩa 2.4.2 Các đặc điểm của quá trình va chạm 2.4.3 Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va chạm 2.5 Vật liệu composite trong thanh dầm phía trước ôtô 2.5.1 Công việc liên quan trong thanh ngang phía trước xe hơi 2.5.2 Vật liệu composite 2.6 Thuật toán va chạm tiếp xúc 2.6.1 Giới thiệu 2.6.2 Phương pháp ràng buộc động học 2.6.3 Phương pháp hàm phạt 2.6.4 Phương pháp tham số phân tán 2.6.5 Thuật toán bề mặt tiếp xúc đơn trong LS-DYNA Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 5 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN KHUNG DẦM TRỢ LỰC TRƯỚC 3.1 Điều khiển năng lượng. 3.2 Hệ thống năng lượng hấp thụ cho sự va chạm. 3.3 Mô hình từng đoạn của thanh trợ lực. 3.4 Tính toán va chạm xe sử dụng mô hình từng đoạn trong thí nghiệm va chạm trực diện với vật cản cứng 3.5 Mô hình dầm trợ lực composite 3.5.1 Phần tử hữu hạn thanh dầm composite 3.5.2 Đặc điểm mô hình composite 3.6 Giới hạn nghiên cứu trong thanh 3.6.1 Sự định hướng 3.6.2 Bề dày 3.6.3 Vật liệu. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHUNG DẦM TRƯỚC XE HƠI 4.1 Tiêu chuẩn FMVSS 208 4.1.1 Sự mô phỏng LSDYNA 4.1.2 Mô phỏng thanh dầm sợi cácbon 4.1.3 Mô phỏng thanh dầm sợi thủy tinh 4.1.4 Kết quả và thảo luận 4.2 Mô hình hóa trong Catia (BMW serie 3) 4.3 Mô hình hoá xe BMW serie 3 trong catia Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 6 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên 4.3.1 Xây dựng mô hình xe từ các hình chiếu xe. 4.3.2 Tạo body cho xe 4.3.3 Tạo khung xe 4.4 Tính toán mô phỏng va chạm xe 4.5 Kết quả CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH ẢNH TRANG CHƯƠNG 1 Hình 1.1: Dầm trợ lực phía trước ôtô Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 7 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô Hình 1.3: Mô phỏng với LS-DYNA Hình 1.4: Kiểu dầm mô hình nguyên bản Hình 1.5:Bốn phần của thanh dầm kiểu nguyên bản Hình 1.6: Va chạm lệch phía trước được kiểm tra ở vận tốc 64Km/h Hình 1.7:Va chạm nguyên phần đầu xe được kiểm tra ở vận tốc 56Km/h CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Các kiểu va chạm trong va chạm ôtô Hình 2.2: Kiểu phá hủy phân mảnh Hình 2.3: Kiểu phá hủy chệch đầu nối Hình 2.4: Kiểu phá hủy vết nứt giòn. Hình 2.5: Cấu trúc phía trước bằng composite Hình 2.6: Dựa vào thí nghiệm thiết lập và theo dõi va chạm Hình 2.7: Trục va chạm của ống composite hỗn hợp Hình 2.8: Năng lượng đặc biệt của các vật liệu khác nhau Hình 2.9: Nút của bề mặt lướt chính chỉ định với " x " được xem là như nút bề mặt tự do trong phương pháp ràng buộc nút Hình 2.10:Tham khảo và bị móp méo cấu hình CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Hệ thống hấp thụ năng lượng trong va chạm Hình 3.2: Mô hình thanh dầm trợ lực ban đầu. Hình 3.3:Thanh dầm trợ lực phân đoạn Hình 3.4: Mô hình thanh dầm trợ lực với từng đoạn bằng thép khác nhau. Hình 3.5: Xe với mô hình thanh dầm trợ lực phân đoạn Hình 3.6: Chuổi hình ảnh va chạm trong kiểu phân đoạn Hình 3.7: So sánh chuyển vị của xe với 2 mô hình Hình 3.8: So sánh năng lượng hấp thụ của xe với 2 mô hình Hinh 3.9: Đồ thị đường cong lực-chuyển vị. Hình 3.10: Lực và chuyển vị từ những hướng khác nhau CHƯƠNG 4 Hình 4.1: Sự biến dạng trong thanh dầm sợi cacbon Hình 4.2: Sự biến dạng trong thanh dầm sợi thủy tinh Hình 4.3: Chuyển vị của xe Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 8 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Hình 4.4: Năng lượng bên trong của thanh dầm Hình 4.5: Lực và chuyển vị của thanh dầm mô hình kiểu nguyên bản Hình 4.6: Biểu đồ so sánh gia tốc trọng tâm của sợi thủy tinh,sợi cacbon và thép trong mô hình kiểu nguyên bản Hình 4.7: Gia tốc của xe Hình 4.8: Năng lượng bên trong của thanh dầm Hình 4.9: Lực và chuyển vị của kiểu phân đoạn Hình 4.10: Biểu đồ so sánh gia tốc trọng tâm của sợi thủy tinh, sợi cacbon và thép trong kiểu phân đoạn Hình 4.11,12,13,14: Xe BMW serie 3 Hình 4.15: hình chiếu cạnh xe BMW serie 3 Hình 4.16: hình chiếu trước xe BMW serie 3 Hình 4.17: Hình chiếu sau BMW serie 3 Hình 4.18: Hình chiếu bằng xe BMW serie 3 Hình 4.19: Tạo các mặt có kích thước bằng kích thước xe Hình 4.20: Áp vật liệu ,gán hình chiếu. Hình 4.21: Gán hình chiếu cạnh. Hình 4.22: Gán 4 hình chiếu xe cho 4 mặt Hình 4.23: Đường cong 3D xe Hình 4.24: Tạo bề mặt Hình 4.25, 26: Body xe BMW serie 3 Hình 4.27: Khung xe Hình 4.28: Mô hình khung xe. Hình 4.29: Body và Khung Hình 4.30: Khung xe đơn giản Hình 4.31: Mô hình xe trong Ansys Hình 4.32: Định nghĩa phần tử Hình 4.33: Hằng số Hình 4.34: Nhập vật liệu Hình 4.35: Vật liệu composite Hình 4.36: Vật liệu cho tường. Hình 4.37: Chia lưới Hình 4.38: tạo component Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 9 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Hình 4.39: Mô phỏng va chạm Hình 4.40: ứng suất Von Mises Hình 4.41: chuyển vị Hình 4.42: chuyển vị Hình 4.43:chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.44:ứng suất mô hình nguyên bản Hình 4.45:Ứng suất kiểu từng đoạn composite Hình 4.46 :Chuyển vị mô hình nguyên bản Hình 4.47: chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.48:ứng suất va chạm offset kiểu nguyên bản Hình 4.49: ƯS kiểu phân đoạn composite Hình 4.50: Chuyển vị kiểu nguyên bản Hình 4.51:chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.52 :ứng suất kiểu nguyên bản Hình 4.53:ứng suất kiểu phân đoạn composite Hình4.54: chuyển vị kiểu nguyên bản Hình 4.55:chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.56:chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.57:ứng suất mô hình nguyên bản Hình 4.58:Ứng suất kiểu từng đoạn composite Hình 4.59 :Chuyển vị mô hình nguyên bản Hình 4.60: chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.61:ứng suất va chạm offset kiểu nguyên bản Hình 4.62: ƯS kiểu phân đoạn composite Hình 4.63: Chuyển vị kiểu nguyên bản Hình 4.64:chuyển vị kiểu phân đoạn composite Hình 4.65 :ứng suất kiểu nguyên bản Hình 4.66:ứng suất kiểu phân đoạn composite Hình4.67: chuyển vị kiểu nguyên bản Hình 4.68:chuyển vị kiểu phân đoạn composite CHƯƠNG 5 Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 10 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên DANH SÁCH BẢNG BIỂU BẢNG TRANG CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 2 Bảng 2.1.Năng lượng hấp thụ cụ thể của các vật liệu composite Bảng 2.2:Đặc tính vật lý của các kiểu sợi khác nhau Bảng 2.3:Đặc tính cơ học của hệ thống chất dẽo CHƯƠNG 3 Bảng 3.1:Thuộc tính Carbon/Epoxy Bảng 3.2:Sự tối ưu của thanh dầm composite phía trước ôtô Bảng 3.3:Đặc tính sợi thủy tinh Epoxy CHƯƠNG 4 [...]... khi ôtô va đập 11 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Hình 1.1: Dầm trợ lực phía trước ôtô Phân tích cấu trúc của khung thanh dầm trước ở ôtô bằng phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng rộng rãi trọng nền công nghiệp ôtô với sự hỗ trợ của máy tính Xem thanh dầm trước ôtô như là một thành phần, điều này không chính xác so với thực tế... phương hướng và khả năng hấp thụ lực va chạm là cơ sở để phân tích và thiết kế thanh dầm Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô 12 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Hình 1.3: Mô phỏng với LS-DYNA 1.2 Phương pháp tính toán: Sử dụng vật sợi tổng hợp làm tăng khả năng hấp thụ lực va đập, giảm chấn động, lực tác dung tới buồng lái,giảm... tới buồng lái,giảm trọng lượng xe, tăng độ bền, độ cứng của xe SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN 13 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Khung dầm trước xe Mô hình từng đoạn Mô hình gốc Kết hợp cả hai mô hình dựa vào kết quả thí nghiệm từ NCAC Mô hình tổng hợp Giới hạn nghiên cứu khung dầm tìm ra vật liệu, độ dày, sự định hướng IIHS NCAP FMVSS 208 Biến... Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô - Bắt đầu với việc chia thanh dầm thành nhưng đoạn, modun với những độ cứng thép khác nhau - Kết hợp 2 mô hình: mô hình gốc với mô hình từng đoạn - Mô hình vật liệu tổng hợp của thanh dầm - Sau khi thay thế thanh dầm: vật liệu mới, lớp, sự định hướng, bề dày.Tìm cách tối ưu làm cực đại khả năng bền - Kết hợp mô hình gốc với mô hình từng... gốc với mô hình từng phần được mô phỏng dựa vào các tiêu chuẩn kiểm định: FMVSS 208, NCAP, và IIHS - Sự hấp thu năng lượng và gia tốc được chú ý làm giảm trong các trường hợp Hình 1.4: Kiểu dầm mô hình nguyên bản 15 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Part 1 Part2 Part 3 Part 4 Hình 1.5: Bốn phần của thanh dầm nguyên bản 16 GVHD:TS.VŨ... không có thể là mô phổng thật của điều kiện va chạm thực tế vì 20 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô vật liệu chắc chắn là tỷ lệ biến dạng chính xác 1.4.2 Kiểm tra va chạm: Tốc độ phá hủy gia tăng từ tốc độ va chạm ban đầu đến lúc dừng lại khi mẫu vật đã hấp thụ năng lượng Điều thuận lợi của kiểm tra va chạm: - Nó là một mô phỏng thật... lực va chạm N cũng rất lớn.Thông thường lực va chạm thường lớn hơn rất nhiếu so với lực thường F Mặt khác lực va chạm lại biến đổi rất rõ trong thời gian va chạm vô cùng nhỏ nên người ta đánh giá tác dụng của nó qua xung lực Áp dụng định lý biến thiên động lượng cho hệ trong thời gian va chạm có thể viết: 28 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực. .. chạm vật lấy lại một phần hình dạng ban đầu Để phản ánh tính chất hồi phục của vật ở giai đoạn hai (giai đoạn hồi phục) ta đưa ra khái niệm hệ số hồi phục k Trong đó k bằng tỷ số giữa xung lực giai đoạn 2 và xung lực giai đoạn 1 ta có: k  S2 S1 29 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Hệ số khôi phục k phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức... hấp thụ sự biến dạng hơn và vật liệu composite có độ bền và độ cứng đặc biệt cao và chúng cũng có đặc tính hấp thụ và làm giảm lực va chạm 2.5.1 Công việc liên quan trong thanh ngang phía trước xe hơi: 31 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Cấu trúc thiết kế đạt được mục đích là một giới hạn công việc trong hệ thống giao thông của thiết... phân lớp, ma trận nứt và sự đút sợi.Ma trận nứt và sự phân lớp là đặt tính của ma trận nhựa.Trong khi sự đứt thì đáp ứng hơn với sợi tiêu biểu và đạt tính kỹ thuật và thường là nguyên nhân chịu lực cao 2.5.2.3 Ma trận rạn nứt: 34 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô Ma trận rạn nứt trong một composite đồng chất là nguyên nhân của ứng . lực phía trước ôtô Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 7 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô Hình 1.3: Mô. khả năng hấp thụ lực va chạm là cơ sở để phân tích và thiết kế thanh dầm. Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 13 GVHD:TS.VŨ. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN Tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước Ôtô 14 GVHD:TS.VŨ CÔNG HOÀ SV TH:Công Duyệt&Trung Nguyên Những công việc cần làm trong đề tài: Khung dầm trước