ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀO KIỂM TRA BỀN KHUNG XE TỰ CHẾ.

Đề tài nghiên cứu khoa học 1

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG VIỆC KIỂM TRA BỀN KẾT
CẤU KHUNG XE TỰ CHẾ THAM GIA CUỘC THI LÁI XE XANH.
(
USING SOFTWARE ANSYS TO TESTING STRUCTURAL STRENGTH HOMEMADE
ATTENDING THE COMPETITION DRIVING THE GREEN )

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1. Lý do chọn đề tài:
Tiết kiệm nhiên liệu nâng cao hiệu suất động cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường,
đang là các vấn đề cần được xã hội giải quyết. Cuộc thi lái xe xanh do công ty Honda
tổ chức đang hướng tới một trong các vần đề trên. Yêu cầu của cuộc thi cần thiết kế
hướng tới vấn đề tiết kiệm nhiên liệu. Các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu đưa ra trong
cuộc thi rất phong phú đa dạng bao gồm những cải tiến về hệ thống nhiên liệu, cải tiến
bôi trơn giảm thiểu ma sát … Và một trong những giải pháp quan trọng là giảm khối
lượng qua đó giảm áp suất tác dụng lên ổ, giảm công suất tổn hao ma sát. Trong kết
cấu của xe phần khung chiếm khối lượng lớn. Vì vậy giải pháp cần đưa ra một kết cấu
đặc biệt cho hệ thống khung xe, làm đơn giản các hệ thống cơ bản giảm trọng lượng
của khung xe, giảm trọng lượng của xe sẽ làm tiết kiệm tối đa mức năng lượng tiêu
hao trong quá trình chạy xe.
Nhằm mục đính có một cơ sở tính toán khoa học để ứng dụng vào thiết kế kết cấu
khung xe tham gia cuộc thi lái xe xanh, đồng thời nâng cao các kiến thức về chuyên
môn và các phần mềm trong tính toán, thiết kế trong cơ khí. Chúng em đã lựa chọn đề
tài: “Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế
tham gia cuộc thi lái xe xanh.”
Giải pháp về tính toán, thiết kế, tối ưu hóa trong việc chế tạo thân xe cần tập chung
giải quyết vấn đề sau:
- Phân tích kết cấu thân khung xe

- Phân tích các trường hợp chịu tải tĩnh và động của khung
Đề tài nghiên cứu khoa học 2

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

- Tính toán tối ưu kết cấu
2. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu của đề tài:
Mục tiêu: Xây dựng được cơ sở tính toán và mô hình hóa được phương pháp tính
toán để đánh giá được độ bền của khung.
Mục đích nghiên cứu: Giải các bài toán về độ bền của khung xe, kết hợp phân tích
kết cấu, tính toán đánh giá độ bền khung xe. Tính toán chọn lựa vật liệu thiết kế khung
phải nhẹ nhưng phải đảm bảo đủ

bền.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Đề tài tập chung nghiên cứu về độ bền của khung xe trong điều kiện đường đua xe.
Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các phương án tối ưu cho khung xe. Phân tích
đánh giá độ bền của các kết cấu đó có xét tới ảnh hưởng của một số thông số kết cấu
và tải trọng phân bố lên khung xe.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm.
- Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench tính các giá trị ứng suất trong thanh
và khoảng chuyển vị của khung xe trong quá trình chạy.
5. Giới thiệu tổng quan về phần mềm ANSYS Workbench:
ANSYS( Anaslysis System ) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hoàn
chỉnh dung để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng
trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, điện tử, tương tác giữa môi trường và các
hệ vật lý.
ANSYS có rất nhiều Mô đun: Mô đun phân tích kỹ thuật theo các bài toán như tính
toán độ bền chi tiết và kết cấu Mechanical, tính toán bài toán nhiệt, tính toán bài toán

dòng chảy thủy khí CFX… Tùy theo yêu cầu tính toán mô phỏng mà chọn các mô đun
thích hợp. Trong đó Mô đun Ansys workbench cho phép dựng mô hình (Modelling)
3D, mạnh như các phần mềm dựng hình 3D khác như Inventor, SolidWorks, Catia…
Dùng Ansys workbench để mô hình hóa 3D, thì khi mô phỏng sẽ không bị lỗi như sử
dụng phần mềm khác để dựng hình 3D.
Đề tài nghiên cứu khoa học 3

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Môi trường ANSYS Workbench hoàn toàn gắn kết các tiến trình mô phỏng thành
một, người dùng tương tác với các quá trình phân tích như là toàn bộ sử dụng trang
nền tảng dự án, thực thi các ứng dụng khác nhau và tìm kiếm các tệp kết quả được
chứa trong những tiến trình được tạo ra trong suốt các quá trình phân tích. Sự liên kết
chặt chẽ giữa các ứng dụng thành phần chưa từng có từ trước đến nay đã dễ dàng được
cài đặt và thậm chí giải quyết được những bài toán mô phỏng vật lý phức tạp.
Việc xây dựng và tương tác với những hộp thoại là rất cởi mở, dễ hiểu. Hộp thoại
bao gồm những lựa chọn cho hệ thống ở dạng khối. Để thực hiện một mô phỏng cơ
bản, ví dụ như là phân tích kết cấu tĩnh, người dùng chỉ vào hệ thống phân tích phù
hợp trong hộp thoại và dùng cách kéo và thả dưới dạng biểu đồ. Các hệ thống cá thể
đó bao gồm nhiều ô, mỗi ô thể hiện một giai đoạn hoặc một bước riêng biệt trong quá
trình phân tích. Làm việc xuyên suốt hệ thống từ cao tới thấp, người dùng có thể hoàn
thành phân tích của mình, bắt đầu với tham biến kết nối mô hình CAD ban đầu và tiếp
tục thông qua quá trình xử lý kết quả của mô phỏng. Khi mỗi bước được hoàn thành,
tiến trình được thể hiện một cách rõ ràng ở cấp dự án gốc.
Chuyển file và dữ liệu từ một ứng dụng tới ứng dụng tiếp theo được quản lý toàn
bộ trong khung hệ thống, và dữ liệu và trạng thái độc lập được trực tiếp mô tả trong
khung đó. Các phân tích phức tạp hơn có thể được xây dựng bằng cách kết nối nhiều
hệ thống với nhau. Người dùng đơn giản chỉ kéo một hệ thống mới từ hộp thoại vào hệ
thống hiện thời trong biểu đồ. Sự kết nối được tạo ra một cách hoàn toàn tự đọng và dữ
liệu được truyền ngay sau đó, các hệ thống đa môi trường được xây dựng bằng cách

kéo thả bằng một cách rất đơn giản.
Môi trường ANSYS Workbench theo dõi sự phụ thuộc giữa các kiểu dữ liệu khác
nhau trong dự án. Nếu có điều gì thay đổi ở ô trên, biểu đồ hệ thống sẽ thể hiện ở ô
dưới cũng cần phải được cập nhật để phản ánh những thay đổi này. Cấp dự án cập nhật
cơ học cho phép những thay đổi này được truyền theo một cách phụ thuộc lẫn nhau
trong suốt hệ thống ở chế độ khối lệnh, giảm nhanh chóng những yêu cầu cố gắng lập
lại những việc này ở các phân tích trước đó.
Tham biến được quản lý ở cấp độ dự án, nó có thể thay đổi mô hình hình học CAD
và các tham biến hình học, các thông số vật liệu và các giá trị điều kiện biên. Các
Đề tài nghiên cứu khoa học 4

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

trường hợp nhiều tham biến có thể được định nghĩa một cách cao cấp và được quảng
lý như là những điểm thiết kế, tổng và ở dạng bảng trong trang dự án của ANSYS
Workbench. Các hệ thống thiết kế có thể được kết nối với những tham biến ở cùng cấp
độ dự án này để tự động hóa thiết kế, nhưng là thiết kế theo kinh nghiệm, tối ưu hóa
mục tiêu của thiết kế sáu sigma.
ANSYS Workbench thể hiện một bước tiến lớn trong quá trình mô phỏng phần
mềm. Bên trong hệ thống khung phần mềm đầy sáng tạo này, các nhà phân tích có thể
thực hiện được hàng loạt các công nghệ mô phỏng khác nhau, bao gồm các gói công
cụ chung cho việc tích hợp CAD, chỉnh sửa hình học và chia lưới. Một dạng biểu đồ
dự án mới lạ hướng dẫn người dùng từng bước một trong các phân tích phức tạp, đưa
ra các quan hệ dữ liệu với nhau và nắm bắt một cách tự động các quá trình phân tích.
Trong lúc đó, tham biến và môi trường mô hình liên tục trong sự kết nối chặt chẽ phục
vụ cho việc tối ưu hóa và nghiên cứu thông kê của các kỹ sư nhằm đạt được thiết kế
tốt và nhanh nhất.

Đề tài nghiên cứu khoa học 5

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ BỐ TRÍ KHUNG XE
1. Lựa chọn kết cấu khung.
Yêu cầu của cuộc thi cần thiết kế luôn hướng tới vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và bảo
vệ môi trường. Giải pháp đưa ra cần một kết cấu hợp lý cho khung xe tự chế, giảm
trọng lượng của khung xe, khung xe phải nhẹ nhưng phải đủ bền.
Muốn giảm được công suất sử dụng trên xe cần đơn giản hóa hệ thống truyền lực,
cầu trục chủ động, tránh các bộ truyền có kế cấu phức tạp, hiệu suất bộ truyền không
cao. Tải trọng xe phân bố đều tới các cầu trục.

Theo mục I, điều 1 quy định về thân xe của nhóm xe tự chế: ”Các phương tiện
tham gia cuộc thi phải có từ 3 bánh xe trở lên, và có kết cấu vững chãi dù đang chuyển
động hay đứng yên. Tất cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi các phương tiện
đứng trên bề mặt phẳng ”. Chính vì vậy về kết cấu bố trí chung của xe phải có số cầu
tối thiểu là 2, số bánh tối thiểu là 3.

ð Từ những vấn đề nêu trên ta thấy kết cấu của khung phụ thuộc vào: hệ thống

truyền lực, hệ thống lái, số cầu trục và số bánh xe, tải trọng phân bố. Để giải
quyết các vấn đề trên, tìm ra một kết cấu khung tối ưu nhất chúng ta có thể so
sánh một số kiểu sơ đồ phân bố hệ thống.

· Một số kết cấu khung xe được đưa ra:


Đề tài nghiên cứu khoa học 6

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế



Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 4 bánh: 2 bánh
chủ động, 2 bánh dẫn hướng. Độ ổn định trên
mặt tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi
đứng yên và khi chuyển động tốt. Tuy nhiên kết
cấu bộ truyền lực phức tạp, phải sử dụng bộ vi
sai dẫn tới trọng lượng xe tăng, phát sinh công
suất tiêu hao trên xe tăng vì sử dụng cho bộ vi
sai.

Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3 bánh: 1 bánh
dẫn hướng, 2 bánh chủ động. Độ ổn định trên
mặt tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi
đứng yên và khi chuyển động tốt. Tuy nhiên
giống với dạng 2 cầu 4 bánh ở trên. Kết cấu bộ
truyền lực phức tạp, phải sử dụng bộ vi sai dẫn
tới trọng lượng xe tăng, phát sinh công suất tiêu
hao trên xe tăng vì sử dụng cho bộ vi sai

Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3 bánh:
1 bánh
chủ động, 2 bánh dẫn hướng kết cấu của xe
đơn gản, giảm được cụm vi sai => đơn giản
được hệ thống truyền lực. Độ ổn định trên mặt
tựa chuyển động (mặt đường) ngay cả khi đứng
yên và khi chuyển động tốt.
Đề tài nghiên cứu khoa học 7

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


Kết cấu khung xe dạng mô tô thuyền: 3 cầu
3 bánh. 1 bánh chủ động, 1 bánh dẫn hướng,
1 bánh độc lập. Kết cấu xe, khung xe đơn
giản vì có một bánh dẫn và một bánh lái.
Nhưng trọng tâm phân bố lệch vì kết cấu
khung không đối xứng. Dẫn tới phân bố lực
và tải trọng không đều. Nhược điểm của bánh
tự do tạo ra là để xe di chuyển thẳng bánh dẫn
hướng phải nghiêng một góc nhất định dẫn
tới có sự trượt gây tổn hao năng lượng.

Kết cấu khung xe dạng 3 cầu 4 bánh: 1
bánh dẫn động, 1 bánh dẫn hướng, 2 bánh độc
lập. kết cấu khung phức tạp. với hệ thống
treo nhờ kết cấu của phần tử đàn hồi và giảm
chấn trong hệ thống phức tạp để đảm bảo hai
bánh tự do luôn bám mặt đường thực khi

chuyển động cũng như khi rẽ cua, và số bánh
nhiều nên ma sát với mặt đường tăng=> công
suất vô ích của động cơ tiêu hao cho việc đó
nhiều hơn.

Từ các sơ đồ kết cấu của hệ thống trên mỗi phương án đều có một ưu nhược điểm
nhất định. Nhưng căn cứ vào thực nghiệm chế tạo, yêu cầu của cuộc thi, các nhân tố
ảnh hưởng tới kết cấu khung. Để có một kết cấu khung hợp lý sử dụng cho cuộc thi lái
xe sinh thái tiết kiện nhiên liệu này ta thấy phương án: Kết cấu khung xe dạng 2 cầu 3
bánh là tối ưu nhất.
Với kết cấu này 1 bánh xe chủ động trên cầu chủ động ta loại bỏ được bộ vi sai,
bán trục, vỏ cầu có kết cấu phức tạp. Và với 2 bánh dẫn hướng tạo ra hai điểm tiếp xúc
bên của xe với mặt đường giúp xe có độ ổn định cao ngay cả khi xe chuyển động cũng
Đề tài nghiên cứu khoa học 8

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

như đứng yên. Kết cấu của xe đơn gản, kết cấu của khung có dạng đối xứng nên các
lực, tải trọng phân bố đều lên các bánh xe, cầu trục.

Hình 1: Hình ảnh khung xe có dạng 2 cầu 3 bánh
2. Cơ sở bố trí kết cấu khung xe
· Kết cấu khung xe
Khung xe thường có kết cấu là các thanh dầm dọc và các thanh dầm ngang liên kết
cứng với nhau. Các thanh dầm dọc và thanh dầm ngang có tiết diện khác nhau tùy theo
kết cấu và tải trọng tác dụng lên khung. Các dầm này thường chế tạo bằng các vật liệu
có tính đàn hồi như: thép CT3, thép hợp kim, thép ít cacbon… Vật liệu làm khung phải
đảm bảo các yêu cầu: giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng
suất.
Các dầm ngang làm nhiệm vụ tăng cứng cho dầm dọc tại các vị trí chịu lực đồng

thời nó được sử dụng để đỡ động cơ nên nó thường làm theo dạng thích hợp để thuận
lợi cho việc bố trí và lắp đặt động cơ. Để tăng độ cứng cho khung có thể dùng các
thanh tăng cứng tại các vị trí có tải trọng lớn.
· Khung xe cần đạt một số yêu cầu sau:
Độ cứng: Độ cứng của kết cấu khung có liên quan đến biến dạng của khung khi có
tác dụng của lực tác dụng như lực quán tính, lực va chạm điều này chỉ đúng khi kết
cấu khung trong giai đoạn đàn hồi và biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng.
Đề tài nghiên cứu khoa học 9

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Độ bền: Độ bền của khung bảo đảm không có phần nào của kết cấu mất khả năng
làm việc khi chịu tác động của các loại tải trọng trong giới hạn cho phép. Dưới tác
dụng của các tải trọng ngoài trên khung xe xuất hiện các biến dạng và ứng suất, độ bền
có thể hiểu một cách khác là lực tác dụng lớn nhất mà kết cấu khung có thể chịu được
mà ứng suất phát sinh không lớn hơn giá trị cho phép của vật liệu.
Đặc tính dao động: Đặc tính dao động của xe liên quan đến độ cứng và sự phân bố
khối lượng của khung xe tự chế. Độ cứng uốn và xoắn có ảnh hưởng đến dao động của
kết cấu khung xe, thường được sử dụng như các tiêu chuẩn đánh giá khả năng làm việc
của kết cấu khung xe.
Đặc tính biến dạng : Đặc tính biến dạng liên quan đến việc nâng cao tính an toàn
cho người lái, chịu được tác động của các lực va chạm thông thường.
Các đặc tính trên chính là cơ sở giúp chúng ta thiết kế được kết cấu cho khung xe
hợp lý nhất. Khung xe phải nhẹ để giảm trọng lượng của xe nhưng phải đảm bảo đủ
bền, thiết kế phải an toàn cho người lái. Nếu khung to sẽ dẫn đến thừa bền gây lãng
phí vật liệu và tăng trọng lượng của khung.
Để thiết kế ra khung xe đảm bảo đầy đủ tính chất trên yêu cầu đòi hỏi cần phần
mềm tính toán, ANSYS Workbench là phần mềm tính toán dùng để giải các bài toán
trường ứng suất – biến dạng rất hữu ích cho việc tính toán thiết kế khung xe.
3. Các thông số tính toán

Dựa vào mục I, điều 1 quy định về phương tiện tham gia cuộc thi lái xe xanh xe
phải có 3 bánh trở lên, và có kết cấu vững trắc dù đang chuyển động hay đứng yên. Tất
cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi phương tiện đứng trên bề mặt phẳng. Yêu
cầu kích thước khung xe như sau:
· Chiều cao tổng thể: tối đa 1,8m
· Khoảng cách giữa trục trước và trục sau: tối thiểu 1m
· Chiều dài tổng thể: tối đa 3,5m
· Khoảng cách giữa 2 bánh xe: tối thiểu 0.5m
· Chiều rộng tổng thể: tối đa 1,7m
Đề tài nghiên cứu khoa học 10

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Và dựa vào kích thước và trọng lượng của người, động cơ, bánh xe ta xác định kết
cấu khung xe như sau.
Số liệu kích thước khung :
Chọn khung thép hộp HCN khung lớn 20x30 (mm), khung nhỏ 14x20 (mm)


Hình 2: Hình chiếu kết cấu của khung xe
Đề tài nghiên cứu khoa học 11

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


Hình 3. Tiết diện của các thanh dầm

4. Tải trọng tác dụng lên khung xe.
Các tải trọng tác dụng lên khung gồm nhiều loại, có thể phân thành 2 loại tải trọng
chính là tải trọng tĩnh và tải trọng khi xe vào khúc cua.

· Tải trọng tĩnh.
- Tải trọng tĩnh tác dụng lên khung xe bao gồm: Trọng lượng của người lái, vỏ
xe, động cơ và các cụm hệ thống khác trên xe.
- Trọng lượng bản thân khung xe.
- Các phản lực từ mặt đường.

Xác định tải trọng tĩnh
Đề tài nghiên cứu khoa học 12

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


Hình 4: Sơ đồ xác định tải trọng tĩnh
Tổng trọng lượng của xe là: W = mg = (55 + 15+ 20) x 9.81= 883 N
· Tải trọng khi xe vào khúc cua.
Tải trọng tác dụng lên xe khi xe vào khúc cua bao gồm:
- Các thành phần lực quán tính, lực ly tâm của xe khi vào cua, rung động do động
cơ và các hệ thống truyền lực trên xe.



Hình 5. Hình ảnh đoạn đường với khúc cua
Đề tài nghiên cứu khoa học 13

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


Hình 6: Sơ đồ xác định tải trọng khi xe vào khúc cua
Chuyển động của xe vào tâm cua ta thấy có các lực tác dụng trên xe. Đó là trọng
lực W hướng thẳng xuống dưới xuyên qua khối tâm của xe, lực thứ 2 là phản lực N

hướng lên phía trên theo chiều như hình vẽ. Khi đó sẽ xuất hiện lực hướng tâm, là tổng
hợp lực có được bằng cách cộng vector phản lực N và trọng lực W với nhau.
Tổng trọng lượng của xe là: W = mg = (55 + 15+ 20) x 9.81= 883 N
Lực hướng tâm xuất hiện khi xe cua với bán kính 4m, vận tốc v =6 m/s là
F= v

/R = (90x6

)/4 = 810 N
5. Xác định trọng tâm của xe.
- Trọng tâm của xe bao gồm: trọng tâm của chính bản thân xe, trọng tâm của
người và trọng tâm của động cơ.

Hình 7: Mô hình xác định vị trí trọng tâm của xe
Đề tài nghiên cứu khoa học 14

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Trọng lượng của xe theo tải trọng tĩnh chính là trọng lượng của người lái xe, động
cơ, bản thân khung xe và vỏ xe. Chọn sơ bộ khối lượng của người lái xe là 55 kg, khối
lượng của động cơ là 15 kg, khối lượng của bản thân khung xe và vỏ xe là 20 kg.
Sử dụng các phương trình cân bằng xác định được trọng tâm khung xe.
Giá trị lực:
F1 = 20 x 9.81 = 196 N
F2 = 55 x 9.81 = 540 N
F3 = 15 x 9.81 = 147 N
Các khoảng cách đo được:
· H1 = 850 mm; H2 = 550 mm; H3 = 350 mm; L2 = 250 mm; L3
= 150 mm
Phương trình cân bằng phương 0y:

F1 x H1 +F2 x H2+F3 x H3 = ΣFtt x Hy
ó 196 x 850 + 540 x 550+ 147 x 350 = (196 + 540 + 147) x Hy
ð Hy = 583 mm
Phương trình cân bằng phương 0z:
F1 x L1 +F2 x L2+F3 x L3 = ΣFtt x Ly
ó 196 x 0 + 540 x 250+ 147 x 150 = (196 + 540 + 147) x Ly
ð Ly = 178 mm
ð Trọng tâm của xe được xác định trong hình 4.



Đề tài nghiên cứu khoa học 15

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN, KIỂM TRA
ĐỘ BỀN KHUNG
1. Các bước tính toán trong ANSYS Workbench

· Gán dữ liệu ban đầu: vật liệu, đơn vị…
Trong thư viện ANSYS Workbench có hỗ trợ các loại vật liệu khá đa dạng và phổ
biến như các loại: thép, sắt, đồng, nhôm, nhựa tổng hợp, bê tông,… và các chỉ dẫn về
thông số các thành phần rất cụ thể. Ngoài ra chúng ta có thể tự định nghĩa vật liệu cho
mô hình mà thư viện không có hoặc không đáp ứng theo tiêu chuẩn.
· Xây dựng mô hình 3D.
Gán dữ liệu ban đầu: vật liệu, đơn vị…
Đặt các tải trọng và các rằng buộc cho mô
hình

Tiến hành chia lưới cho
mô hình
Chạy mô hình và xem kết quả của ứng suất,
chuyển vị, biến dạng…
Xây dựng mô hình 3D
Đề tài nghiên cứu khoa học 16

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Để tạo mô hình hình học cho chi tiết chúng ta có thể sử dụng phần mềm mô phỏng
3D Solidwork để mô phỏng chính xác hình dạng thực của chi tiết.
· Đặt tải trọng và ràng buộc cho mô hình phân tích.
Trước khi tiến hành phân tích cần đặt tải trọng và ràng buộc cho mô hình.
ANSYS Workbench có một số loại tải trọng sau: áp suất, lực phân bố đều và phân bố
không đều, momen, trọng lượng, lực quán tính, lực li tâm. Và với một số loại liên kết
sau: Cố định, hoán vị, hoán vị từ xa, nền đàn hồi, ràng buộc trên mặt trụ, ràng buộc
trên mặt cầu.

· Tiến hành chia lưới cho mô hình.
Tạo lưới là bước có tính quyết định trong các phân tích thiết kế. Quá trình tạo lưới
tự động trong ANSYS Workbench sinh ra lưới dựa trên kích cỡ phần tử chung, mức
sai lệch và các đặc điểm kiểm soát lưới. Việc kiểm soát lưới cho phép bạn xác định cỡ
các phần tử cho các chi tiết máy, các bề mặt, cạnh và đỉnh.
ANSYS Workbench ước lượng cỡ phần tử chung cho mô hình với sự lưu tâm tới
thể tích, diện tích bề mặt và các yếu tố hình học khác. Cỡ của lưới được tạo ra tùy
thuộc vào hình dạng và kích thước mô hình, cỡ phần tử, dung sai lưới, chế độ kiểm
soát lưới và điều kiện tiếp xúc. Ở giai đoạn đầu của phân tích thiết kế, khi mà các kết
quả gần đúng là tạm chấp nhận được, bạn có thể xác định một cỡ phần tử lớn hơn để
tính toán nhanh. Với những bài toán cần có độ chính xác cao, có thể cần tới cỡ phần tử
nhỏ hơn.
· Chạy mô hình và xem kết quả của ứng suất, chuyển vị và độ biến dạng.
Sau khi đã đặt các tải trọng và rằng buộc và chọn vật liệu rồi chia lưới ta tiến
hành chạy mô hình sẽ cho chúng ta biết các kết quả về ứng suất, biến dạng và
chuyển vị, các tác động nhiệt.
2. Phân tích ứng suất tác dụng lên khung.

· Mô phỏng khung xe sử dụng phần mềm Solidwork.

Đề tài nghiên cứu khoa học 17

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế


Hình 8. Hình ảnh mô phỏng khung xe
2.1 Xét trường hợp khung chịu tải trọng tĩnh
· Gán vật liệu cho khung xe:
Chọn thép kết cấu CT3 có giới hạn chảy s
y

= 250 Mpa và tiến hành chia lưới.
ANSYS cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới.

Hình 9: Chia lưới cho khung xe

Đề tài nghiên cứu khoa học 18

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

· Phân bố tải trọng lên khung xe và đặt các ràng buộc.

Hình 10: Phân bố tải trọng và đặt các ràng buộc
- Tại các vị trí A, B, C đặt các ràng buộc cố định.
- Tại F đặt tải trọng phân bố của khung xe. F1 = 196 N
- Tại D đặt tải trọng phân bố của người lái. F2 = 540 N
- Tại E đặt tải trọng phân bố của động cơ. F3 = 147 N
· Chạy mô hình và xem kết qủa.
Ø Phân tích ứng suất trong khung xe.

Hình 11. Ứng suất trong khung khi chịu tải trọng tĩnh
Đề tài nghiên cứu khoa học 19

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả ứng suất trên khung xe ta thấy ứng suất lớn nhất đạt được tại
vị trí Max có: σ max = 104.99 Mpa.
Giới hạn chảy cho phép của thép CT3 là s
y
= 250 Mpa. Do kết cấu thiết kế chịu tải

trọng tĩnh => Chọn hệ số an toàn N = 1.5 Khi đó ứng suất thiết kế mà chi tiết phải
chịu sẽ phải nhỏ hơn ứng suất cho phép.
ð Ứng suất cho phép: σ
d
= s
y
/ N = 166 Mpa
Ta thấy ứng suất cực đại < ứng suất cho phép (σ max < σ
d
) như vậy kết cấu khung
xe thiết kế hoàn toàn thỏa mãn đủ độ bền.
Để nâng cao độ bền cần bố trí hợp lý các gân gia cường làm giảm sự tập trung ứng
suất cục bộ trong khung xe. Tại các vị trí có ứng suất nhỏ như tại các thanh dầm ngang
có thể giảm kích thước thanh.
Ø Phân tích độ chuyển vị trong khung.


Hình 12: Chuyển vị trong khung khi chịu tải trọng tĩnh

Đề tài nghiên cứu khoa học 20

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả chuyển vị trên khung xe độ chuyển vị lớn nhất xảy ra tại vị
trí giữa khung trong vùng màu đỏ đậm nhất. Khoảng cách của gầm xe là 60mm nên ta
thấy giá trị chuyển vị lớn nhất y
max
= 1.5222mm vẫn nằm trong vùng giới hạn chuyển
vị cho phép nên kết cấu khung vẫn đảm bảo đủ bền không bị quá võng.

Để hạn chế độ chuyển vị hạn chế độ võng ta có thể tăng các kích thước, tiết diện
các thanh dầm dọc trong khung và có thể bố trí thêm các thanh dầm dọc sao cho hợp lý
tránh tình trạng thừa bền trong khung.
Ø Phân tích hệ số an toàn trong khung.

Hình 13: Hệ số an toàn đạt được trong khung
Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả phân tích, hệ số an toàn nhỏ nhất N =2.38 tại 2 vị trí nối
cứng giữa thanh dầm đứng và thanh dầm ngang trong hình.
Do khung xe là vật liệu dẻo và chịu tải trọng tĩnh nên hệ số an toàn cho phép sẽ
nằm trong khoảng N = 1.25 đến 2.0 vì vậy hệ số an toàn N
min
=2.38 tại vị trí giao giữa
thanh dầm dọc và thanh dầm ngang là thỏa mãn điều kiện bền.
Đề tài nghiên cứu khoa học 21

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Tại các vị trí có hệ số an toàn thấp ta có thể tăng kích thước các gân gia cường. Để
tránh tình trạng thừa bền tại các vị trí có hệ số an toàn cao N =15 ta có thể giảm tiết
diện của thanh.
2.2 Khung xe khi xe vào đoạn đường cua chịu thêm lực hướng tâm
· Gán vật liệu cho khung xe.
Chọn thép kết cấu CT3 có giới hạn chảy s
y
= 250 Mpa và tiến hành chia lưới.
ANSYS cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới.
· Phân bố tải trọng lên khung xe và đặt các ràng buộc.

Hình 14. Phân bố tải trọng và đặt các ràng buộc khi xe vào khúc cua
- Tại các vị trí A, B, C đặt các ràng buộc cố định.
- Tại E đặt tải trọng phân bố của khung xe. F1 = 196 N
- Tại D đặt tải trọng phân bố của người lái. F2 = 540 N
- Tại F đặt tải trọng phân bố của động cơ. F3 = 147 N
Tại ví trí G chính là điểm trọng tâm của xe mà ta đã xác định được. Tại G xuất hiện
lực hướng tâm có giá trị: F
4
= 810 N
Đề tài nghiên cứu khoa học 22

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

· Chạy mô hình và xem kết quả.
Ø Phân tích ứng suất trong khung xe


Hình 15. Ứng suất trong khung khi xe vào khúc cua
Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả ứng suất trên khung xe ta thấy ứng suất lớn nhất đạt được tại
vị trí Max có: σ max = 113.34 Mpa.
Chọn hệ số an toàn N = 2 do xe khi vào các khúc cua chịu thêm lực hướng tâm.
Khi đó ứng suất thiết kế mà chi tiết phải chịu sẽ phải nhỏ hơn ứng suất cho phép.
ð Ứng suất cho phép: σ
d
= s
y
/ N = 125 Mpa
Ta thấy ứng suất cực đại < ứng suất cho phép (σ max < σ
d

) như vậy kết cấu khung
xe thiết kế hoàn toàn thỏa mãn đủ độ bền.
Tại vị trí có ứng suất lớn ta có thể tăng kích thước, tiết diện của gân tăng cứng để
giảm sự tập trung ứng suất trong thanh.


Đề tài nghiên cứu khoa học 23

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Ø Phân tích độ chuyển vị trong khung


Hình 16. Chuyển vị trong khung khi xe vào khúc cua
Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả chuyển vị trên khung xe độ chuyển vị lớn nhất xảy ra tại vị
trí giữa khung trong vùng màu đỏ đậm nhất. Khoảng cách của gầm xe là 60mm nên ta
thấy giá trị chuyển vị lớn nhất y
max
= 1.8225mm vẫn nằm trong vùng giới hạn chuyển
vị cho phép nên kết cấu khung vẫn đảm bảo đủ bền không bị quá võng.
Do xuất hiện lực hướng tâm khi xe vào khúc cua nên một bên hông xe sẽ xuất hiện
độ chuyển vị lớn hơn. Tại vị trí này ta có thể tăng tiết diện thanh dầm dọc bên hông xe
để giảm khoảng chuyển vị.
Để hạn chế độ chuyển vị hạn chế độ võng ta có thể tăng các kích thước, tiết diện
các thanh dầm dọc trong khung và có thể bố trí thêm các thanh dầm dọc sao cho hợp lý
tránh tình trạng thừa bền trong khung.


Đề tài nghiên cứu khoa học 24

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

Ø Phân tích hệ số an toàn trong khung.


Hình 17. Hệ số an toàn đạt được trong khung khi xe vào khúc cua
Nhận xét:
Do khung xe khi vào khúc cua chịu thêm lực hướng tâm nên hệ số an toàn cho
phép N= 2.0 . Dựa vào bảng kết quả phân tích, hệ số an toàn nhỏ nhất N
min
= 2.2058 là
thỏa mãn điều kiện bền. Tại các vị trí có hệ số an toàn cao N =15 ta có thể giảm tiết
diện thanh để tránh thừa bền gây lãng phí.
· Tổng hợp kết quả
Dựa trên hai mô hình phân tích lực cho hai trường hợp xe chịu tải trọng tĩnh và xe
chịu tải khi vào các khúc cua ta thấy trong trường hợp khi xe vào khúc cua khung xe
chịu giá trị ứng suất lớn hơn và độ chuyển vị cũng lớn hơn. Trong cả hai trường hợp
khung xe đều đảm bảo độ bền với hệ số an toàn lớn hơn 2,2.



Đề tài nghiên cứu khoa học 25

Sử dụng phần mềm ANSYS trong việc kiểm tra bền kết cấu khung xe tự chế

KẾT LUẬN

Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu nghiêm túc, tích cực nhóm nghiên cứu đã
phân tích, nghiên cứu, lựa chọn kết cấu khung, xác định kích thước của khung sơ đồ

hóa tải trọng của người, khung xe, máy. Trên cơ sở các thông số đó nhóm đã sử dụng
phần mềm ANSYS xây dựng mô hình 3D khung xe, phân tích, tính toán ứng suất,
chuyển vị, xác định hệ số an toàn… Tất cả thông số tính toán đều thỏa mãn đảm bảo vì
vậy kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp vào việc chế tạo kết cấu khung xe sử
dụng cho cuộc thi lái xe xanh lần thứ 5 do công ty Honda Việt Nam tổ chức.

Qua đề tài nghiên cứu khoa học chúng em được ứng dụng kiến thức đã học vào
trong mô hình tính toán thực tế, thu được các kiến thức và cách giải quyết một vấn đề
thực tế, nâng cao các kĩ năng tính toán, sử dụng tốt các phần mềm mô phỏng và các
phần mềm tính toán, phân tích. Qua nghiên cứu khoa học được học, tìm hiểu sử dụng
trực tiếp các phần mềm tính toán ANSYS – là một phần mềm rất mạnh trong tính toán
đã cho chúng em thấy một cái nhìn trực quan về kết cấu từ mô hình cho đến ứng suất,
biến dạng, chuyển vị….từ đó giúp chúng em có các phương án cải tiến trong các kết
cấu cơ khí nói chung và kết cấu xe sinh thái nói riêng.
Do đây là đề tài nghiên cứu đầu tiên chưa được trải qua thực nghiệm và thời gian
nghiên cứu còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót và hạn chế, vì vậy em rất mong
nhận được các đóng góp từ các thầy để em được bổ sung thêm kiến thức và đề tài
nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.