Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam” với mục tiêu tìm hiểu sâu hơn về phương pháp đánh giá độ bền khung xe các loại xe vận tải hàng hóa siêu trường siêu trọng nói chung, khung sơ mi rơ moóc nói riêng nhằm khảo sát các điều kiện hoạt động gây ảnh hưởng đến độ bền khung, tìm ra các vùng làm việc nguy hiểm thường xuyên có thể gây ra hỏng do mỏi. Từ đó có thể xây dựng được phương pháp đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc trong quá trình thiết kế sản xuất, cũng như đề xuất phương án cải thiện kết cấu, tăng độ an toàn và tuổi thọ cho khung.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG ĐẶNG VIỆT THẮNG NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan TS. Trịnh Minh Hoàng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Vận chuyển hàng hóa bằng đường bộ ở Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và chiếm tỷ trọng lớn trong ngành vận tải. Các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu xe tải, xe chuyên dụng ngày càng nhiều. Để vận chuyển hiệu quả, nhu cầu sử dụng sơ mi rơ moóc (SMRM) ngày càng tăng, đặc biệt với sự phát triển của dịch vụ logistics. SMRM linh hoạt trong vận tải nhờ khả năng ghép nối và tháo rời nhanh chóng với xe đầu kéo (XĐK), cho phép hoạt động liên tục với nhiều XĐK khác nhau. Tuy nhiên, việc khai thác SMRM với tần suất cao ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của khung xe. Khung SMRM cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ bền, độ cứng vững và độ bền mỏi cao để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho việc vận chuyển hàng hóa nặng trong hành trình dài và liên tục. Đề tài “Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam” với mục tiêu tìm hiểu sâu hơn về phương pháp đánh giá độ bền khung xe các loại xe vận tải hàng hóa siêu trường siêu trọng nói chung, khung SMRM nói riêng nhằm khảo sát các điều kiện hoạt động gây ảnh hưởng đến độ bền khung, tìm ra các vùng làm việc nguy hiểm thường xuyên có thể gây ra hỏng do mỏi. Từ đó có thể xây dựng được phương pháp đánh giá độ bền khung SMRM trong quá trình thiết kế sản xuất, cũng như đề xuất phương án cải thiện kết cấu, tăng độ an toàn và tuổi thọ cho khung. Mục tiêu của luận án là xây dựng phương pháp khảo sát đánh giá độ bền, tuổi thọ và cải tiến kết cấu khung SMRM sản xuất trong nước, phù hợp với điều kiện của các đơn vị sản xuất tại Việt Nam có thể áp dụng cho xe tải nặng và xe chuyên dụng, góp phần nâng cao tỉ lệ nội địa hóa của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu là khung sơ mi rơ moóc dùng chở container loại hai trục có chiều dài 40 feet sản xuất chế tạo trong nước. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm: xây dựng mô hình kết hợp giữa mô hình động lực học hệ nhiều vật (MBD) của đoàn xe sơ mi rơ moóc (ĐXSMRM) và mô hình phần tử hữu hạn (FEM) khung SMRM; mô hình phân tích và trích xuất các tải trọng tác dụng lên khung để thực hiện khảo sát và đánh giá độ bền và độ bền mỏi toàn bộ cấu trúc khung 1
SMRM đàn hồi theo phương pháp phân tích PTHH. Dựa vào kết quả đánh giá, các giải pháp cải tiến kết cấu khung xe được đề xuất phù hợp tình hình thực tế. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm xây dựng hệ thống thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM và mô hình FEM khung đã xây dựng thông qua việc đo gia tốc, chuyển vị theo phương thẳng đứng, vận tốc dài của đoàn xe và đo ứng suất trên khung SMRM. Nghiên cứu độ bền mỏi khung SMRM gặp khó khăn do tính phức tạp, chi phí cao và thời gian dài. Mô phỏng bằng công cụ CAE giúp khắc phục hạn chế của thử nghiệm thực tế, cho phép mô phỏng đa dạng điều kiện tải trọng và môi trường. Nghiên cứu này đánh giá độ bền và tuổi thọ khung SMRM dưới tác động tải trọng động ngẫu nhiên khi di chuyển trên đường mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8608. Các thử nghiệm kiểm chứng mô hình mô phỏng trên đường mấp mô đặc trưng và hạn chế về số lượng thông số đo và vị trí đo. Những kết quả mới của luận án: - Luận án đã xây dựng mô hình kết hợp, bao gồm mô hình động lực học ĐXSMRM và mô hình phần tử hữu hạn kết cấu khung SMRM. Mô hình MBD ĐXSMRM cho phép mô tả đầy đủ các hệ thống treo của xe đầu kéo, các trục sau của SMRM, và mâm xoay. Mô hình kết hợp MBD- FEM mô tả chính xác điều kiện liên kết, ràng buộc giữa khung xe và các bộ phận tạo ra các tải trọng động nhằm phản ánh đúng các tương tác giữa xe và mặt đường. Mô hình mô tả gần như phản ánh đúng thực tế tương tác giữa mô hình MBD-FEM. Các tải trọng tĩnh và động gồm các lực và mô men từ mô hình MBD tác động trực tiếp lên mô hình FEM khung SMRM đồng bộ về mặt thời gian cho phép đánh giá độ bền và độ bền mỏi khung SMRM một cách toàn diện. - Luận án đã thiết lập hệ thống thí nghiệm đo các thông số động lực học ĐXSMRM theo phương thẳng v đo đứng ứng suất trên khung theo trạng thái chuyển động của xe trên đường. Thiết bị thí nghiệm thực hiện đo các thông số đồng bộ theo thời gian thực, cho phép đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng phân tích, khảo sát đánh giá độ bền của khung SMRM sử dụng kết hợp phương pháp phân 2
tích mô phỏng động lực học hệ nhiều vật MBD với phương pháp phân tích mô phỏng kết cấu khung xe theo phương pháp PTHH. Mô hình mô phỏng đánh giá được độ bền tĩnh và độ bền mỏi (tuổi thọ) của khung SMRM với các điều kiện vận hành. Ngoài ra, mô hình mô tả chi tiết hình dáng vật lý toàn bộ đoàn xe cùng các liên kết có thể khảo sát trực quan các trạng thái di chuyển của đoàn xe, cho hiển thị và xuất kết quả dưới dạng đồ thị, dạng bảng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu có liên quan đến động lực học của đoàn xe SMRM. Luận án đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm hiện đại cho phép đo đồng thời giá trị ứng suất, biến dạng của khung xe sơ mi rơ moóc và một số thông số động lực học (vận tốc, gia tốc, chuyển vị) của đoàn xe sơ mi rơ moóc và sử dụng làm thông số đầu vào kiểm chứng đánh giá các mô hình mô phỏng. Hệ thống này có thể ứng dụng trong các hoạt động nghiên cứu cải tiến khung xe tải nặng nói chung và dùng để kiểm chứng, xác định các thông số khác trong các mô hình động lực ô tô trong các phần mềm mô phỏng số thương mại giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong các hoạt động nghiên cứu và phát triển. Các kết quả mô phỏng phân tích đánh giá độ bền khung xe sơ mi rơ moóc là đối tượng nghiên cứu trong các điều kiện làm việc khác nhau có thể làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế, cải tiến khung xe sơ mi rơ moóc sản xuất trong nước. Luận án góp phần cải thiện độ chính xác trong phương pháp nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ của khung SMRM. Phương pháp thực hiện giúp giảm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu và phát triển, đồng thời đưa ra các phương pháp cải tiến kết cấu khung SMRM phù hợp với các đơn vị sản xuất, lắp ráp ô tô chuyên dụng nói chung và SMRM nói riêng tại Việt Nam. Nội dung của luận án gồm 5 phần chính sau: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Xây dựng mô hình đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc. Chương 3: Khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương 5: Cải tiến kết cấu khung sơ mi rơ moóc. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đối với sản xuất ô tô tải và ô tô chuyên dụng 3
Việt Nam đã triển khai Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô đến năm 2025, tầm nhìn 2035, và bước đầu xây dựng được ngành công nghiệp hỗ trợ, cung cấp phụ tùng cho sản xuất, lắp ráp ô tô trong nước. Tính đến hết năm 2022, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam có khoảng trên 50 doanh nghiệp hoạt động sản xuất, lắp ráp xe ô tô bao gồm ô tô con, ô tải, ô tô khách, ô tô chuyên dùng và ô tô sát xi [3]. Theo mục tiêu chung của Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2030 [4], các phân khúc ưu tiên gồm xe tải và xe khách và chuyên dụng và công nghiệp hỗ trợ, trong đó xe chuyên dụng sẽ lựa chọn sản xuất, lắp ráp một số chủng loại xe có nhu cầu lớn cho nông nghiệp, quốc phòng và xuất khẩu. Các sản phẩm xe khách và SRMM lắp ráp mang thương hiệu ô tô Việt Nam còn được xuất khẩu sang một số thị trường trong khu vực. Rơ moóc và SMRM là xe chuyên dụng đóng vai trò không thể thiếu trong ngành công nghiệp vận tải và logistics. SMRM có chế độ hoạt động đặc thù vận chuyển lượng hàng hóa lên đến hàng chục tấn trong hành trình dài nên khung xe kết cấu lớn và phức tạp, yêu cầu cao về độ bền, độ cứng vững, đặc biệt là độ bền mỏi, ngoài ra còn phải đáp ứng rất nhiều yêu cầu như bố trí chung, tạo dáng khí động học, đảm bảo quay vòng và hạn chế gây ra rung ồn. Bên cạnh đó, SMRM có thể thay đổi đầu kéo và được thực hiện rất cơ động và dễ dàng. Việc tận dụng khai thác với tần suất sử dụng vận tải hàng hóa tải trọng lớn liên tục như vậy nên nó rất ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ bền mỏi, của toàn bộ kết cấu khung SMRM. Theo số liệu thống kê Cục đăng kiểm, hiện có khoảng hơn 11 doanh nghiệp (DN) sản xuất, lắp ráp SMRM đáp ứng hơn 60% nhu cầu sử dụng SMRM trong nước như Tổng công ty SAMCO, Công ty Tân Thanh Container, Công ty cổ phần Ô tô Trường Hải (Thaco). Về sản xuất, phần lớn mới ở mức độ lắp ráp đơn giản, dây chuyền sản xuất chủ yếu chỉ gồm 4 công đoạn chính là hàn, sơn, lắp ráp, kiểm tra đối với thân vỏ. Đối với SMRM mặc dù chế tạo sản xuất với tỉ lệ nội địa hóa cao nhưng chủ yếu vẫn sản xuất theo mẫu, quy trình thiết kế còn lạc hậu và khung thường có tự trọng xe lớn, kết cấu cũ và cồng kềnh, tải trọng nhỏ, thời gian bảo hành ngắn hơn. 1.2. Khung sơ mi rơ moóc Kết cấu lớn nhất của SMRM là khung xe. Khung SMRM bao gồm hai dầm dọc chịu lực chính và được liên kết với nhau bằng dầm ngang gia cường, đảm bảo khả năng chịu tải. Khung SMRM được chế tạo từ các dầm thép, được liên kết với nhau chủ yếu bằng phương 4
pháp hàn hoặc bu lông. Dầm dọc của SMRM được chế tạo từ thép định hình chữ I, C hoặc hình hộp theo hết chiều dài toàn bộ khung. Hai dầm dọc được liên kết với nhau thông qua các dầm ngang và được ốp gia cường những nơi chịu đặt lực lớn. Hình 1.1 Kết cấu chung khung sơ mi rơ moóc Khung là bộ phận quan trọng nhất của SMRM, chịu trách nhiệm chịu tải trọng hàng hóa và tải động từ mặt đường. Khung cần có độ đàn hồi và độ bền cao để đảm bảo khả năng chịu tải và chống biến dạng. Tải trọng hàng hóa và tải trọng động gây ra lực uốn lên khung. Lực uốn có thể làm cong hoặc gãy khung. Tải trọng động khi di chuyển trên mặt đường gồ ghề có thể gây ra lực xoắn lên khung. Lực xoắn có thể làm vặn hoặc biến dạng khung. Điểm nứt gãy khung thường xảy ra ở vùng liên kết thông qua mối hàn giữa khung chính và các dầm hay thành phần phụ của khung, đặc biệt là quanh vùng liên kết giữa khung và hệ thống treo. Hình 1. 11 Một vài vị trí nứt khung tại vị trí liên kết dầm phụ, dầm ngang với dầm chính trong thực tế. Các hướng nghiên cứu về độ bền khung sơ mi rơ moóc: - Phương pháp cổ điển • Tính bền khung ô tô theo tải trọng tĩnh • Tính bền khung ô tô theo tải trọng động - Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) - Phương pháp thực nghiệm 5
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước a. Tình hình nghiên cứu độ bền khung SMRM trên thế giới Nghiên cứu tập trung về nghiên cứu độ bền tĩnh khung xe gồm có nhóm tác giả Roslan Abd Rahman và cộng sự [20], phân tích độ bền tĩnh khung xe tải nặng, đưa hệ số an toàn SF phân tích dự đoán độ bền của khung. Những phần tử, nút nào của mô hình FEM khung có ứng suất lớn với SF nhỏ hơn 2 được cho là không an toàn. Trong đó SF là tỉ số ứng suất chảy của vật liệu và ứng suất tương đương. Nghiên cứu đưa ra các điếm yếu trong kết cấu là vị trí bu lông lắp ghép khung. Các nghiên cứu tập trung về nghiên cứu phân tích độ bền tĩnh khung xe sử dụng PP PT PTHH có nhóm tác giả Ahmad O. Moaaz [18], nhóm tác giả Mahvi Malik Shahzad [19], nghiên cứu [20] của Ala Naveen, Mohd Azizi Muhammad Nora và cộng sự [22] mô phỏng và phân tích PTHH khung SMRM sàn thấp chở container tải trọng 35 tấn, nghiên cứu của tác giả Swami K.I, Ketan Gajanan [23], nghiên cứu Madhu Ps [28], Mohd Azizi Muhammad Nor [21]. Nghiên cứu về độ bền mỏi của khung có các nghiên cứu: Shailesh Kadre trong nghiên cứu [29], mô hình đầu kéo của ĐXSMRM đã được mô phong đầy đủ với sự kết hợp của FEM và MBS thông qua khung xe đàn hồi, Tác giả TuanDat Vu sử dụng phương pháp mô phỏng FEA và MBD đánh giá độ bền đòn treo dưới sự kích động của mặt đường gây ra trong nghiên cứu[30], Abhijeet S Hange [31] nghiên cứu của TATA và công ty Altair về xây dựng quy trình đánh giá độ bền mỏi khung xe sử dụng công cụ CAE Hyperworks, L.A.W. Horn [17] thực hiện đánh giá độ bền 10 khung SMRM khác nhau bằng cách mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu về cải tiến kết cấu khung, về vật liệu thay thế có nghiên cứu Ketan Gajanan [25] và Abhishek Sharma [26]; nghiên cứu của Madan Mohan Reddy [24] thực hiện trên mô hình hóa và phân tích khung SMRM chở container khi thực hiện gia cố khung bằng các tấm hình chữ nhật, nghiên cứu Abhishek Sharma và cộng sự [27] về cải thiện vật liệu và dầm chính của khung để tối ưu hóa kết cấu khung, nghiên cứu [20 ] của Ala Naveen, Madhu Ps [28]. b. Tình hình nghiên cứu khung SMRM trong nước Liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu về độ bền và độ bền mỏi về khung, gầm ô tô nói chung, ô tô tải và SMRM nói riêng cũng đã một số công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Phúc Hiểu (1996) trong luận án tiến sĩ "Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi xe 6
chuyển động trên đường" [32], luận văn cao học Ngô thế Quân (2007) với "Nghiên cứu đánh giá độ bền và bền mỏi của khung vỏ ô tô, nghiên cứu đánh giá độ bền và bền mỏi của khung vỏ ô tô" [33], luận án tiến sĩ của Phạm Lê Tiến (2011) về "Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam" [34], luận án tiến sĩ của Trần Phúc Hòa (2016) đã phân tích độ bền tĩnh và độ bền mỏi của vỏ cầu chủ động xe tải 3,25 tấn [35], Vũ Tuấn Đạt trong các nghiên cứu [36], [37], nghiên cứu Lương Văn Vạn [38] về độ bền khung xe chữa cháy đa năng. Đối với SMRM, thường các nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu về động lực học chuyển động của ĐX SMRM qua các nghiên cứu [39-43] mà chưa có các công bố nghiên cứu về độ bền khung SMRM. Qua hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước, luận án tập trung vào các nghiên cứu: - Sử dụng mô hình PTHH khung để tìm ra các vùng làm việc nguy hiểm tại các vị trí chịu tải trọng lớn và sinh ra ứng suất lớn trên khung sinh ra trong các điều kiện tải khác nhau. - Xây dựng mô hình MBD cho ĐXSMRM để làm tải trọng đầu vào cho các bài toán phân tích độ bền và độ bền mỏi của mô hình PTHH khung. Đây là phương pháp mô phỏng kết hợp (co-simulation) MBD-FEM trong phân tích độ bền. - Xây dựng hệ thống thí nghiệm do ứng suất và các thông số động lực học ĐXSMRM phương thẳng đứng theo trạng thái chuyển động của xe trên đường. Thiết bị thí nghiệm đồng bộ, cho phép theo dõi trực quan đồng thời các thông số đo theo thời gian thực, cho phép đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. - Đề xuất các phương cải tiến khung SMRM, với mục tiêu chính là tăng cường độ bền, tuổi thọ và giảm khối lượng tự trọng của khung. 1.4. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá độ bền khung SMRM sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là khung SMRM chở container loại hai trục dài 40 feet sản xuất chế tạo tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu 7
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động lực học hệ nhiều vật MBD của ĐXSMRM bao gồm hệ thống treo, lốp, cầu xe của xe đầu kéo và SMRM, khớp mâm xoay và mô hình FEM khung SMRM, để tính toán tải trọng tác dụng lên khung. Lực và mô men từ mô hình MBD sẽ là điều kiện tải trọng đầu vào cho đánh giá độ bền khung một cách toàn diện nhờ công cụ CAE và đề xuất một số giải pháp cải tiến kết cấu khung xe phù hợp đối tượng nghiên cứu. Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình phần tử hữu hạn và mô hình động lực học ĐXSMRM đo biến dạng trên khung, gia tốc và chuyển vị theo phương thẳng đứng của đoàn xe. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung vào vấn đề khảo sát và đánh giá độ bền khung SMRM đàn hồi trong môi trường MBD-FEM. Sau khi nghiên cứu lý thuyết, luận án sẽ tiến hành thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ô tô bằng cách đo các lực tác động lên khung xe tại các khu vực trọng yếu khi chuyển động qua mấp mô với các thông số hình học đặc trưng định trước. Kết quả thực nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của mô hình động lực học trong nội dung nghiên cứu lý thuyết. Luận án sẽ phân tích lý thuyết, mô phỏng kết hợp thử nghiệm trên xe thực tế trong nghiên cứu đánh giá độ bền khung SMRM. Nội dung của luận án thực hiện trình tự theo sơ đồ sau: Hình 1.26 Sơ đồ trình tự và nội dung nghiên cứu của luận án 8
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC 2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp và công cụ xây dựng mô hình trong HyperWorks Luận án sử dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn Hypermesh mô tả mô hình FEA cho kết cấu khung SMRM như đã mô tả trong mục tiêu nghiên cứu và sử dụng công cụ MotionView và MotionSolve để sử dụng trong phân tích động lực học hệ nhiều vật bao gồm mô tả các hệ thống treo cho xe đầu kéo và SMRM mô tả chi tiết xác định các ràng buộc, động học và phân tích các quan hệ động học trong MotionView; MotionSolve xử lý phân tích vật đàn hồi bằng mô đun OptiStruct, bao gồm việc rút ra các phương trình chuyển động cho các phần tử vật rắn của mô hình MBD và mô hình đàn hồi khung SMRM. 2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học hệ nhiều vật Mô hình động lực học ô tô được được biểu diễn dưới dạng một hệ nhiều vật (MBS), được xây dựng dựa trên các định luật vật lý của cơ học và nguyên lý vật lý. Các dữ liệu để xây mô hình cơ học cho mô phỏng cho các hệ nhiều vậy gồm: − Khối lượng và quán tính của các vật; − Các đặc tính hình học của hệ thống bao gồm vị trí khối tâm của từng bộ phận; − Vị trí và các khớp nối hệ thống, các khớp này mô tả chuyển động tương đối theo nhiều hướng khác nhau giữa các vật; − Mô tả các ngoại lực và nội lực tác động lên hệ thống; − Phương trình mô tả chuyển động và các ràng buộc dưới dạng biểu diễn Euler-Lagrange của hệ các vật được viết như sau: Mu + T  − f (q, u ) = 0 q (2.3) Phương pháp MBD giải quyết bài toán bằng hệ phương trình vi phân - đại số, bao gồm các bước chính sau: − Mô hình toán học chính xác: Bước đầu tiên là tạo ra một mô hình toán học chi tiết và chính xác của hệ thống, bao gồm các thành phần riêng lẻ của các vật (body), các khớp nối gữa các vật (joint), và các lực tác động lên chúng; − Xây dựng phương trình hệ thống: Dựa trên mô hình và các định luật vật lý như Newton, Lagrange, D'Alembert, MBS tạo các phương trình vi phân đại số (DAEs) mô tả ứng xử của hệ thống. 9
Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các lực, vị trí, vận tốc và gia tốc của các vật trong hệ thống; − Giải phương trình hệ thống: Các phương trình DAEs được giải trên máy tính bằng các phương pháp tính toán số, thể hiện cách hệ thống sẽ phản ứng với các đầu vào và điều kiện khác nhau tùy theo các điều kiện vận hành toàn bộ hệ thống. 2.3. Cơ sở lý thuyết vật đàn hồi Các dữ liệu xây dựng mô hình vật đàn hồi gồm: − Dao động riêng (tải động, độ cứng và hệ số cản): phương thức Craig – Brampton và tọa độ phương thức của chúng được biểu thị bằng phương trình cân bằng dao động: u   I 0   qC  u =  B=    (2.8)  uI   IC  IC   qN  − Thông tin về khối lượng và quán tính. − Đặc điểm hình học. − Mô hình phần tử hữu hạn (FEM). − Vật liệu và đặc tính cơ học. − Ràng buộc và điều kiện biên (tải trọng và liên kết). − Phương trình chuyển động Phương trình vi phân chuyển động của vật đàn hồi trong hệ tọa độ tổng quát được đưa ra trong Phương trình 2.27 T 1  M     (2.27) M + M −     + K + f g + D +    = Q 2       2.4. Xây dựng mô hình động lực học hệ nhiều vật của đoàn xe sơ mi rơ moóc Các bước xây dựng mô hình MBD cho tổ hợp đoàn xe SMRM được thực hiện như sau: - Xây dựng mô hình khối tất cả các khối xe đầu kéo, khung SMRM, container, cầu xe, các phần tử hệ thống treo; - Xác định các hệ thống tọa độ; - Xác định các chuyển động có thể có (bậc tự do); - Đặt ràng buộc giữa các phần tử liên kết và vật rắn; 10
- Phân tích tần số và các dạng dao động tự nhiên để liên kết giữa khung SMRM đàn hồi và liên kết giữa mô hình MBD và mô hình FEM. - Sử dụng mô hình lái, động cơ và hệ thống truyền lực trong thư viện MotionView dành cho xe tải nặng theo [45]. Các hệ tọa độ chính của mô hình ĐXSMRM: - Hệ tọa đọa cố định XYZ, gốc nằm ở điểm giao giữa đường thẳng đứng từ tâm trục cầu trước của XĐK (cầu số 1 của ĐXSMRM) và đây cũng là hệ tọa độ tham chiếu cho tất cả các vật rắn, vật đàn hồi của mô hình MBD toàn xe. - Hệ tọa độ liền vật XiYiZi có gốc nằm tại trọng tâm của mỗi vật, bao gồm các vật rắn là thân XĐK, mâm xoay, khung xe, container, 05 cầu xe và các bánh xe. Hướng của các tọa độ gắn liền vật cùng hướng với hệ tọa độ gốc. Hình 2. 10 Mô hình ĐXMRM 5 trục cùng các hệ tọa độ của các phần khối lượng được treo trong môi trường MotionView Mô hình các hệ thống treo Các giả thiết để xây dựng mô hình MBD hệ thống treo: tất các các bộ phận của hệ thống treo cùng với đầu kéo được coi là vật cứng tuyệt đối và có khối lượng đồng nhất; quy đổi lò xo nhíp về một lò xo có độ cứng không đổi; xem độ dài của nhíp không biến đổi; bỏ qua ma sát trong các khớp trong mô hình; bỏ qua góc đặt của bánh xe; bỏ qua ảnh hưởng của các thành phần mô men và lực nâng của không khí đối với ĐXSMRM. Mô hình mô tả mối quan hệ nhiều vật giữa các khối lượng và các thành phần của hệ thống treo XĐK và SMRM ở hình 2.12, hình 2.16, và hình 2.21 theo sơ đồ liên kết các hệ thống treo [41], cùng với giả thiết và tham số mô phỏng theo Bảng 2.4 và 2.5. 11
Hình 2. 12 Mô hình liên kết Hình 2. 16 Mô hình liên kết Hình 2. 21 Mô hình liên kết giữa các vật trong hệ thống treo cầu trước (cầu số 1) XĐK giữa các vật trong hệ giữa các vật trong hệ thống thống treo cân bằng cầu treo cầu 4 SMRM 2-3 XĐK Mô hình MBD cho hệ thống treo trước và sau XĐK trong MotionView được như Hình 2.11 và 2.14. Hình 2.11 Mô hình các điểm liên kết giữa các HTT và khung XĐK Mô hình hệ thống treo sau SMRM Hình 2. 24 Sơ đồ liên kết động lực học hệ thống treo cân bằng sử dụng cho SMRM 12
Liên kết giữa chốt kéo và mâm xoay được mô tả qua ba thành phần lực đàn hồi theo 3 phương nhằm mô phỏng lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc tại khớp nối, chốt trên khung SMRM quay quanh trục z, và lắc ngang quanh trục z như Hình 2.26. Mô hình PTHH khung SMMR Sau khi mô hình CAD của khung SMRM được xây dựng, thực hiện chia lưới mô hình CAD trong môi trường Hypermesh sử dụng các phần tử 3D CQUAD4 mô tả mối hàn dưới dạng đường lưới dạng vát, phần tử 2D: phần tử tứ giác quad4, phần tử tam giác tria3; phần tử Mid-Surface (MS): các kết cấu lớn và lớn và mỏng như dầm dọc, dầm ngang, phần tử 1D: REB2 và REB3 và CROD. Sử dụng công cụ MotionView/ FlexTool mô phỏng vật đàn hồi bằng cách nhập chỉ số (ID) của các nút bề Hình 2. 27 Mô hình mâm xoay và các lực mặt cùng dữ liệu mô hình FEM. Cụ liên kết trong MBD thể trên mô hình khung SMRM, các nút bề mặt sẽ bao gồm điểm đặt khối lượng của container cùng các điểm bắt với hệ thống treo và mâm xoay. Mô hình khung SMRM đàn hồi sau khi hoàn thành cùng vị trí các nút bề mặt tiếp giáp với container, hệ thống treo và mâm xoay được mô hình toàn bộ SSXSMRM như Hình 2.36. Hình 2. 38 Mô hình toàn xe kết hợp MBD-FEM của khung SMRM đàn hồi và XĐK 2.5. Mô hình mặt đường Luận án sử dụng 2 mấp mô mặt đường tiêu chuẩn: - Mấp mô đơn hình sin có chiều dài L=640m, đỉnh cao 65 mm theo công thức (2.30). 13
- Mặt đường mấp mô ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8608 có biên dạng đường h(x) có thể được mô tả bởi tổng các hàm điều hòa theo công thức (2.37). CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC 3.1. Phân tích dao động riêng của khung Trong phạm vi tần số từ 0 Hz đến 110 Hz, mô hình khung xe tải nặng SMRM, được mô phỏng dưới dạng một cấu trúc đàn hồi, có 34 dạng dao động tự nhiên. Các dạng dao động đặc trưng của khung xe như dao động uốn, xoắn theo các phương, phân bố chủ yếu trong vùng tần số từ 0 Hz đến 40 Hz. 3.2. Đánh giá độ bền khung ở trạng thái tĩnh Bảng 3. 1 Các trường hợp khảo sát tĩnh Kết quả các TH khảo sát tĩnh gồm phân tích phổ chuyển vị, ứng suất và biến dạng khung SMRM, tại các phần tử có các giá trị cực đại được tổng hợp theo Bảng 3.2. Hình 3. 3 Chuyển vị khung SMRM theo TH Hình 3. 4 Phổ ứng suất khung 01 SMRM theo TH 01 Bảng 3. 2 Tổng hợp kết quả các trường hợp khảo sát tĩnh Trường hợp 01 02 03 Chuyển vị lớn nhất, mm 23,94 110,3 111,6 Ứng suất lớn nhất, MPa 158,4 378,8 566,5 Biến dạng lớn nhất, m 5.837. 10-4 2.066.10-3 2.745. 10-3 14
3.3. Đánh giá độ bền mỏi khung SMRM Tiêu chuẩn ISO 8608 phân loại độ cao mấp mô của bề mặt đường thành nhiều cấp độ khác nhau để đánh giá độ bền mỏi của khung SMRM dưới điều kiện vận hành thông thường, đường loại trung bình CD ở các vận tốc 60-100 km/h và đường xấu DE từ 40 km/h - 60 km/h. Kết quả từ mô hình MBD-FEM của ĐXSMRM cho kết quả phân tích tải trọng động Fz từ mặt đường tác động lên khung gây ra ứng suất động theo chu kỳ để đánh giá độ bền mỏi khung SMRM. Tải trọng động tác động lên mô hình PTHH khung SMRM đàn hồi từ Hình 3. 21 Tải trọng động thẳng mô hình MBD khi di chuyển qua các đứng tác động lên khung chốt loại đường mấp mô đặc trưng, mấp kéo Fz2, cầu 4 Fz_4 và cầu 5 Fz_5 mô đơn hình sin và mấp mô ngẫu và thanh cân bằng Fz45i trên nhiên. Một vài kết quả được thể hiện đường mấp mô đơn hình sin với qua các Hình 3.19 và Hình 3.21. vận tốc 20 km/h Fz451 Fz2 Fz41 Fz51 Hình 3. 23 Tải trọng động thẳng đứng tác động lên khung tại vị trí chốt kéo Fz2, cầu 4 (Fz_A4) và cầu 5 (Fz_A5) trên đường CD với vận tốc 60 km/h. Ứng suất động tại các phần tử được lựa chọn tại các vùng có khả năng chịu ứng suất cao bao gồm bề mặt trên/dưới của khung, vùng tiếp giáp giữa các bề mặt dầm và thân dầm hoặc tại cùng liên kết giữa dầm ngang với dầm dọc, và có thế các điểm yếu tiềm ẩn trong khung xe. Một số kết quả ứng suất động khi ĐXSMRM đi qua đường mấp mô đơn hình sin và đường mấp mô ngẫu nhiên tại các phần tử được lựa chọn trên khung, qua các hình 3.28, hình 3.29 và hình 3.31. 15
Hình 3. 28 Ứng suất động tại các vị trí trên bề mặt và thân của 2 dầm dọc, đường C-D, 60 km/h Hình 3. 29 Ứng suất động tại các vị trí trên bề mặt và thân của 2 dầm dọc, đường CD, 80 km/h Hình 3.32 Ứng suất động tại phần tử có ứng suất lớn nhất trong kết cấu khung (261150), đường D-E, 40 km/h Kết quả đánh giá độ bền mỏi đối với mô hình khung SMRM khi ĐX chuyển động trên đường CD với vận tốc 60 km/h, 80 km/h và 100 km/h. Qua kết quả cho thấy, khi xe đi trên đường CD 60 km/h và 80 km/h thì khung xe hoàn toàn đảm bảo độ bền mỏi khi vận hành lâu dài khi số chu kỳ mỏi đều từ 1019. Tuy nhiên, khi ĐX di chuyển 100 km/h trên đường trung bình CD, vùng mỏi trong kết cấu khung xuất hiện là vùng liên kết giữa dầm ngang 16
chính thứ 5 với dầm dọc như Hình 3.38, số chu kỳ mỏi là 138.000 chu kỳ trên đoạn đường 250 m, tương đường với quãng đường là 34.500 km. Hình 3. 38 Vùng mỏi trong kết cấu khung SMRM trên đường CD, vận tốc 100 km/h Trên đường xấu DE, vận tốc từ 40 km/h, hiện tượng mỏi xuất hiện với số chu kỳ mỏi nhỏ nhất là 113700, tương đương 28.425 km như hình 3.40. Vùng có dấu hiệu mỏi có vị trí giống trường hợp trên đường CD (100 km/h) mức độ mỏi lan rộng hơn và tuổi thọ thấp hơn. Hình 3. 42 Phổ chu kỳ và vùng mỏitrên khung SMRM trên đường CD, 100 km/h CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục tiêu thí nghiệm Kiểm chứng mô hình MBD đã xây dựng trong một số điều kiện đặc trưng. Mô hình FEM khung xe sẽ được kiểm chứng thông qua việc đo ứng suất tại một số điểm đặc trưng trên khung xe khi chịu các tải trọng tĩnh và tải trọng động. Mô hình MBD của ĐXSMRM sẽ được kiểm chứng qua các thông số chuyển động theo phương thẳng đứng. 17
4.2. Đối tượng thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm là SMRM chở container nhãn hiệu Tân Thanh (hình 4.1), trong đó SMRM loại xương 2 trục dài 40 feet, sử dụng hệ thống treo nhíp lá cân bằng liên động, được dẫn bởi XĐK loại 3 trục với cụm trục sau là hệ thống treo cân bằng. 4.3. Các thông số đo - Ứng suất tại các vị trí khác nhau của một số điểm đặc trưng trên khung SMRM. - Chuyển vị của khung SMRM. - Khoảng không gian treo SMRM (cầu số 4 và 5) - Gia tốc theo phương thẳng đứng tại trọng tâm SMRM. Hình 4.21 ĐX chạy qua mấp mô hình sin ở một dãy bánh xe - Vận tốc dài của xe. 4.4. Lựa chọn phương pháp và thiết bị đo Các thiết bị đo gồm có: cân xe tải di động, cảm biến chuyển vị quang học HF-750C của hãng Kistler, cảm biến Correvit S-motion DTI loại 2055A đo gia tốc thẳng đứng, vận tốc dài, các cảm biến đo biến dạng (strain gage) hãng Kyowa có giá trị điện trở chuẩn là 120 được sử dụng trong một số các nghiên cứu Cảm biến đo biến dạng có mã ký hiệu KFGS-5-120-C1-1. 4.5. Kết quả thí nghiệm Khảo sát tĩnh, đo phản lực bánh xe mặt đường của tất cả các bánh xe trong các trường hợp: SMRM không tải, SMRM có tải là container rỗng (4,88 tấn) và SMRM có tải cọc bê tông (13,5 tấn). Bảng 4. 3 Thông số đo được kích thước, trọng lượng phân bố lên các cầu ĐX trong các điều kiện tải khác nhau. Với cảm biến HF đo không gian treo ở các cầu của XĐK, độ cứng trung bình của các hệ thống treo được xác định lại theo Bảng 4.5 và Bảng 18