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