Tiểu luận CAE mô phỏng phần tử hữu hạn nhíp xe oto

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC CỦA NHÍP Ô TÔ BẰNG
ANSYS 19 R3
GVHD: Trần Mai Văn
SVTH:

Bùi Hồng Tân

18143149

Nguyễn Minh Chiến

18143069
Hồ Chí Minh, 30 tháng 5 năm 2020


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Contents
LỜI NÓI ĐẦU
Môn học ứng dụng CAE trong thiết kế đóng vai trò rất quan trọng trong
chương trình đào tạo kỹ sư và cán bộ kỹ thuật.
CAE được viết tắt của Computer-Aided Engineering là việc sử dụng các phần
mềm máy tính để mô phỏng hoạt động để cải thiện thiết kế sản phẩm hoặc hỗ trợ
trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho một loạt các ngành công nghiệp. Điều
này bao gồm mô phỏng, xác nhận, và tối ưu hóa các sản phẩm, quy trình và công

cụ sản xuất. Trong tương lai, hệ thống CAE sẽ là công cụ chính cung cấp thông tin
để giúp các nhà thiết kế trong quá trình đưa ra quyết định.
Môn học này trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về kỹ thuật mô
phỏng trong công nghiệp (CAE – Computer Aided Engineering) với tư cách như là
một bước quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm.
Cung cấp cho người học kiến thức và kỹ năng trong lĩnh vực mô phỏng như:
-

Thiết lập mô hình mô phỏng (Simulation model).
Chọn loại lưới thích hợp (Meshing type)
Chọn phương pháp chia lưới thích hợp với mô hình và yêu cầu thục tiễn

-

(Meshing method).
Đọc, hiểu và phân tích kết quả mô phỏng (Simulation result).

2


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN
-

Căn cứ vào kết quả mô phỏng có thề đưa ra giải pháp nhằm khắc phục các
khuyết tật, các lỗi hoặc các phương án cải tiến sản phầm.
Cuối cùng sinh viên xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) bộ môn, đặc biệt

là Thầy Trần Mai Văn đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo một cách tận tình giúp
sinh viên hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.

Chương 1:

Giới thiệu

3


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

1.1 Định nghĩa & lịch sử về nhíp ô tô
Nhíp là một chi tiết đàn hồi trong xe ô tô có tác dụng giảm xóc cho xe gồm các
tấm thép đàn hồi được ghép lại. Bộ phận nhíp, nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảm
được chấn động lên phần trên của xe (nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề). Đồng
thời, nhíp cũng phải chịu ứng suất chu kì.
Nhíp đã rất phổ biến trên xe ô tô từ những năm 60 của thế kỉ XX. Ngày nay,
nhíp vẫn còn được sử dụng trong xe thương mại hạng nặng như xe tải, xe SUV và
các toa xe lửa. Đối với xe hạng nặng nhíp có lợi thế về sự phân bố lực của xe lên
khung gầm của xe.
Nhíp ô tô đôi khi được gọi là lò xo elip, lò xo lá, hoặc lò xo ép. Trung tâm của nhíp
có hình vòng cung thường được gắn vào trục của xe, trong khi đầu của nhíp được
gắn vào khung. Trong một số trường hợp, một đầu của nhíp có thể được gắn vào
khung xe và đầu kia sẽ được gắn vào một cánh tay Swinging ngắn. Kiểu cấu hình
này nhíp thường có một hệ thống treo mềm hơn, ít cứng nhắc.

4


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

1.2 Giới thiệu ANSYS 2019 R3

ANSYS Products 2019 cung cấp các giải pháp mô phỏng kỹ thuật phổ biến, thế
hệ tiếp theo cho phép chuyển đổi kỹ thuật số bằng cách tạo ra một luồng kỹ thuật
số. ANSYS 2019 R3 tăng tốc, sắp xếp hợp lý và đơn giản hóa chu trình thiết kế sản
phẩm, từ ý tưởng đến vận hành.
Ngoài ra, bản phát hành này cho phép khách hàng làm được nhiều hơn với mô
phỏng trong thời gian ngắn hơn – thông qua các cải tiến cho các công cụ tiền xử lý
và hậu xử lý, hiệu suất của người giải quyết và tích hợp sản phẩm.
Chuyển đổi kỹ thuật số đang tác động đến mọi ngành công nghiệp bằng cách
chuyển đổi cơ bản các sản phẩm và cách chúng được phát triển.
Bộ phần mềm này được chia thành hai phần chung của Công nghệ mô phỏng, bao
gồm các công cụ mô phỏng và phân tích mạnh mẽ và phần Công nghệ dòng công
việc, được sử dụng để liên lạc giữa các bộ phận khác nhau và phân tích song song
các vấn đề khác nhau.

5


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Trong chương này sẽ trình bày một số khái niệm cũng như cơ sở lý thuyết những
dữ liệu đầu vào, các tham số mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 2019 R3. Từ đó
đưa ra tiến trình phân tích, một số đánh giá và kết quả

1.3 Các vấn đề cần giải quyết trong tiểu luận này
Vấn đề trong nghiên cứu này là về nhíp ô tô.
Nhíp được sử dụng rất nhiều và hầu như chiếm phần lớn trong nghành vận tải của
cả thế giới. Nó giải quyết được vấn đề nam giải trước giờ mà thế giới vẫn luôn tìm
kiếm, hệ thống giảm sốc cho xe một cách tốt nhất so với nguyên lí hoạt động đơn
giản nhất.
Để giải quyết trường hợp này bằng các phương pháp số. Phần mềm ANSYS được

áp dụng để phân tích ứng suất và biến dạng của chi tiết này. Chọn 2 thành phần này
để phân tích biến dạng toàn phần , ứng suất tương đương, các lỗi cấu trúc. Từ đó
đưa ra một số kiến nghị cho chi tiết này.

6


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Chương 2:

Cơ sở dữ liệu

7


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

2.1 Dữ liệu đầu vào
Giải thích một số khái niệm cơ bản về hình học vật liệu, ứng suất, điều kiện
biên…Tính toán để biết được vùng lực tác động nằm trong khoảng nào.

2.1.1 Loại phân tích
Hệ thống phân tích: Kết cấu động.
Loại phân tích: 3D.

2.1.2 Biên dạng hình học

Hình 1: Tổng quan 3D
8

BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Hình 2: Hình chiếu cạnh

Hình 3: Hình chiếu đứng

9


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

2.1.3 Vật liệu
Thép cacbon là một thép có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon, trong
khi các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể. Thành phần
phụ trợ trong thép cacbon là mangan (tối đa 1,65%), silic (tối đa 0,6%)
và đồng (tối đa 0,6%). Lượng cacbon trong thép càng giảm thì độ dẻo của thép
cacbon càng cao. Hàm lượng cacbon trong thép tăng lên cũng làm cho thép tăng độ
cứng, tăng thêm độ bền nhưng cũng làm giảm tính dễ uốn và giảm tính hàn. Hàm
lượng carbon trong thép tăng lên cũng kéo theo làm giảm nhiệt độ nóng chảy của
thép.
Dựa trên điều kiện và yêu cầu làm việc của chi tiết , chọn loại thép cacbon cao,
lượng cacbon trong khoảng 0.6-0.99% rất bền vững , sử dụng để sản xuất nhíp ,
với độ bền kéo khá lớn và chịu được cường độ làm việc cao , với số liệu cụ thể như
sau:

-

Khối lượng riêng: 7850 Kg/m3

Nhiệt dung riêng: 434 J/(kg·K)
Hệ số giản nở nhiệt:
+ Hệ số nở dài α ở 20 oC (10-6 K-1): 10.8
+ Hệ số nở thể tích αv ở 20 oC (10-6 K-1): 32.4

-

Tỉ lệ Poisson: 0.29
Modun Young: 2.12E + 11 Pa
Bulk Modulus: 1.6825E+11 Pa
Shear Modulus: 7.61E+18 Pa
Giới hạn chảy: 2.5E+08 Pa
Tensile Yield Strength: 7.61E + 08 Pa
Tensile Ultimate Strength: 1.07E + 09 Pa

2.1.4 Điều kiện
Fixed support:
10


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Scope
Scoping
Method
Geometry
Definition
Type
Suppressed

Geometry Selection
1 Face
Fixed Support
No

Hình 4: Quá trình ràng buộc
Cố định mắt lắp nhíp với trục của xe, mục đích cố định nhíp xe vào khung xe .

Displacement:
Scope
Scoping Method
Geometry
Definition

Geometry Selection
1 Face

Type
Define By

Displacement
Components
11


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Coordinate system

Global Coordinate

system
Free
0 mm ( ramped)
0 mm ( ramped)
No

X Component
Y Component
Z Component
Suppressed

Hình 5: Quá trình ràng buộc
Chỉ cho mắt lắp nhíp còn lại chuyển động theo phương X ( free ) . trong quá trình
chuyển động tránh sự quá tải về ứng suất , ta cho chuyển động theo phương X thì
ứng suất sẽ giảm đi rất nhiều , làm tăng khả năng làm việc của chi tiết , tăng độ bền
của chi tiết .

Force:
Scope
Scoping Method

Geometry Selection
12


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Geometry
Definition

1 Face

Type
Define By
Coordinate system

Force
Components
Global Coordinate
system
0 N ( ramped)
30000 N ( ramped)
0 N ( ramped)
No

X Component
Y Component
Z Component
Suppressed

Hình 6: Quá trình đặt lực
Quá trình đặt lực được mô phỏng như tác động của trục bánh xe lên nhíp , khi xe
hoạt động trên đường gồ ghề sẽ tạo ra một lực tác động lên bánh xe và bánh xe sẽ
tác động lên nhíp . từ đó tạo ra chuyển động của nhíp
Frictionless Support

13


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Khi quá trình chuyển động thì mắc lắp nhíp sẽ xoay quanh trục của khung xe, vì ta
không vẽ chi tiết trục đấy ra nên sẽ cho 2 mắc nhíp đó một rang buộc Frictionless
support

Mesh
Để đảm bảo được độ hội tụ khi phân tích cần phải có những lựa chọn lưới thích
hợp cho bài toán.
Đối với bài toán trên ta dùng phương pháp chia lưới theo kiểu phần tử tuyến tính

14


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

3D là dạng các Multizone.

Khảo sát sự hội tụ của Mesh
- Mesh sử dụng cách chia Multizone với độ mịn cao.

15


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

-

Check mesh quality
Mesh metric
Min

Max
Average
Standard deviation
-

-

Yes-errors
Element quality
0.439
0.9987
0.9168
5.9504e-002

Với loại lưới Multizone với độ mịn cao ( hex 20 ) nhận được kết quả lưới
khá tốt với độ lưới trung bình = 0.9168.
Có một số phần tử với lượng lưới xấu với độ lưới min = 0.439 , với số lượng
nhỏ không đáng kể , không ảnh hưởng đến kết quả . vì vậy có thể chọn loại
lưới này để tiến hành phân tích .
Theo hướng A cạnh nhỏ nhất là 6 mm, do đó khoảng chia được lựa chọn là 2.5 – 5
mm

16


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN
 Bảng trình bày ảnh hưởng của ứng suất khi lưới thay đổi

Case

1
2
3
4
5
6

MESH
Nodes
2.5
3
3.5
4
4.5
5

Thỏa điều kiện hội tụ

112160
78438
43515
32721
24420
17970

Elements
592294
418364
251648
190982

147357
110283

Force
(N)

3000

Equivalent
Stress
( MPa)
483
480
511
486
518
498

(1)

Khoảng lưới từ 2.5-5 mm đối với lưới loại Multizone với độ mịn cao hoàn toàn có thể

tiến hành phân tích ứng suất , chuyển vị … vì khoảng lưới này đã nằm trong
khoảng hội tụ kết quả
 Khảo sát sự hội tụ trong khoảng nhỏ từ 4.3 – 4.8 mm

Case

1
2

3
4
5

MESH
Nodes
3.8
3.9
4
4.1
4.2

214450
193613
32721
184169
161847

Elements
36764
32994
190982
31382
27132

17

Force
(N)

3000

Equivalent
Stress
( MPa)
502
490
486
481
478


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

( Thỏa điều kiện hội tụ )

2.2 Dữ liệu đầu ra
Tùy vào yêu cầu của người thiết kế mà kết quả của quá trình phân tích có thể là
chuyển vị, ứng suất tập trung theo các hướng khác nhau, độ bền kéo, nén…từ đó
đưa ra được những nhận định đúng khi thiết kế chi tiết, từ đó đưa ra những phương
pháp thiết kế cũng như sử dụng chi tiết thuận lợi và ổn định độ bền của chi tiết
hơn.
2.2.1 Total Deformation: Chuyển vị (Biến dạng toàn phần)

18


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Thông qua kết quả đã phân tích ta thấy được phần chuyển vị lớn nhất ( được thể

hiện màu đỏ như trên hình ), là nơi đặt lực ( 30000 N) với giá trị chuyển vị là
1.3119 mm.

19


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Nơi chuyển vị lớn nhất là nơi đặt trục bánh xe , chuyển vị càng lớn suy ra
chuyển động của xe khi hoạt động càng êm . giảm chấn càng tốt . nhưng vẫn phải
đảm bảo thỏa điều kiện độ võng của vật liệu

Scope:
Scoping Method: Geometry
Selection
Geometry: All bodies
Definition:
Type: Total deformation
Calculate history time: Yes
Suppressed: No

Result:
Minimum: 0mm
Maximum: 1.3119 mm
Averagre: 0.77219 mm
Minimum occurs on: Solid
Maximum occurs on: Solid
Information:
Time, load step, substep, iterison
number: 1

2.2.2 Equivalent Stress (Ứng suất tương đương)
Đặc trưng bởi ba thành phần ứng suất pháp và ba thành phần ứng suất tiếp.Là
một đại lượng vô hướng, thường được sử dụng trong công việc thiết kế vì nó cho
phép biết bất kì các trạng thái ứng suất nào có trong chi tiết , rất thuận lợi cho việc
đánh giá độ bền của chi tiết …

20


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Scope:
Scoping Method: Geometry
Selection
Geometry: All bodies
Definition:
Type: Equivalent stress
Calculate history time: Yes
Suppressed: No
Intergration point result:
Display option: Averaged
Averaged across body: No

Result:
Minimum: 4.1849e-003 MPa
Maximum: 486.11 MPa
Averagre: 49.842 MPa
Minimum occurs on: Solid
Maximum occurs on: Solid

Information:
Time, load step, substep, iterison
number: 1

Ứng suất tập trung lớn nhất tại phần cổ của trục và lá nhíp tại đây nếu tăng lực
thêm rất có thể bị phá hủy . với lực (=30000N) ta có được Maximum: 486.11 MPa
Và 4.1849e-003 MPa . với ứng suất này không ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật
liệu
Nên chi tiết hoàn toàn hoạt động ổn định trong khoảng lực 30000N

2.2.3 Structural errors: ( Lỗi cấu trúc )

21


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Thông qua kết quả của quá trình phân tích , giúp ta biết được các lỗi cấu trúc của
chi tiết , thuận lợi trong việc thiết kế và thay đổi cấu trúc

Scope:
Scoping Method: Geometry
Selection
Geometry: All bodies
Definition:
Type: Structural Error
Calculate history time: Yes
Suppressed: No
Intergration point result:
Display option: Averaged

Averaged across body: No

Result:
Minimum: 9.0772e-010 mJ
Maximum: 2.9548 mJ
Total: 153.92 mJ
Minimum occurs on: Solid
Maximum occurs on: Solid
Information:
Time, load step, substep, iterison
number: 1

Kết quả nhận được Maximum: 2.9548 mJ đối với lực 30000N , lỗi cấu trúc của chi
tiết là rất nhỏ . không đáng kể, chi tiết có thể tiến hành sản xuất .

22


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

Chương 3:

Phân tích
Từ các số liệu thực tế đã có ở đầu ra chương 2 , ta tiến hành phân tích trên diện
rộng , thay đổi giá trị lưới và thay đổi giá trị lực , để đánh giá khả năng làm việc
của chi tiết trên mọi điều kiện .

23

BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

3.1 Bảng so sánh số liệu

Case

1
2
3
4
5
6
9
10
11
12
13
14
15

MESH
Nodes Element
s
2.5 112160 592294
3
78438 418364
3.5 43515 251648
4
32721 190982
4.5 24420 147357

5
17970 110283

4

32721

190982

Force
(N)

30000

20000
23000
26000
30000
33000
36000
40000

Equivalent
Total
Structural
Stress
Deformation
Error
( MPa)
( mm )

( mJ )
483
1.3129
0.94581
480
1.3123
1.8093
511
1.3111
2.5869
486
1.3119
2.9548
518
1.3103
4.1829
498
1.3105
3.3302
324
0.8746
1.3132
372
1.0058
1.7368
421
1.1370
2.2194
486
1.3119

2.9548
534
1.4431
3.5753
583
1.5743
4.2549
648
1.7492
5.2529

3.2 Ảnh hưởng từ Lưới (Mesh)
3.2.1 Lựa chọn giá trị Lưới
Kích thước mắc lưới là một trong những vấn đề lớn trong quá trình mô phỏng phần
từ hữu hạn trong phần mền Ansys này. Vì vậy chúng ta cần phải lựa chọn loại lưới
cũng như kích thước mắc lưới phù hợp cho từng bài toán khác nhau.
Với loại kích thước lớn thì mô phỏng sẽ cho ta kết quả không được chính xác so
với thực tế ( kết quả xấu ). Với loại lưới có kích thước mắc lưới nhỏ sẽ cho chúng
ta kết quả rất tốt, nhưng điều này sẽ dẫn tới việc máy tính của bạn sẽ bị quá tải, có
24


BUI HONG TAN – NGUYEN MINH CHIEN

thể dẫn đến việc không nhận được kết quả. Vì vậy, hầu như các bạn đều không thể
biết chính xác bài toán của bạn cần phải chia lưới như thế nào là tốt nhất.
Để giải quyết vấn đề này chia lưới trong mô phỏng này, cần phải thực hiện theo
một số mẹo sau đây:
-

Thực hiện phân tích trên nhiều loại kích thước mắc lưới khác nhau.
Lưu ý những nơi có xảy ra biến dạng, ứng xuất cao nên tính chỉnh lưới ở

-

những vùng đó.
Thu thập tất cả số liệu phân tích từ những loại lưới khác nhau: Kết quả, số

-

lượng nút, thời gian tính toán.
Đối với bài toán này kích thước mắc lưới tối đa được chọn là 5 (mm), vì một
số lưới thô sẽ được tính toán nhanh chóng hơn nhưng ngược lại đưa ra một kết
quả tính toán không chính xác. Kích thước phần tử tối thiểu là 2.5 (mm) kích
thước nhỏ nên kết quả tính toán sẽ rất tốt.

3.2.2 Phân tích biểu đồ
Structural Error( mJ )

Lỗi cấu trúc của chi tiết thay đổi so với loại lưới là khá ít . maximum = 4.1829 mj
không ảnh hưởng lớn đến chi tiết . chi tiết có thể dùng sản xuất
Equivalent Stress

25