Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế khung ô tô khách ứng dụng công nghệ BIW vào sản xuất khung xe ô tô việt nam

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện nghiên cứu, đồ án “Nghiên cứu tự động hóa q trình
thiết kế khung Ô tô khách-Ứng dụng công nghệ BIW vào sản xuất khung xe Ơ tơ Việt
Nam” , ngồi sự nỗ lực làm việc của bản thân, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
từ phía gia đình, thầy cơ và tập thể bạn bè giúp em hoàn thành đề tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn:
-

Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.

-

Q thầy cơ Khoa Cơ khí động lực

-

Thầy TS. Nguyễn Văn Trạng đã tận tình giúp đỡ chúng em hồn thành đồ án này.

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã cố gắng thực hiện, đạt được những kết
quả nhất định, tuy nhiên chắc chắn vẫn còn nhiều sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp
ý kiến của Quý Thầy Cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn!


TĨM TẮT
Vấn đề nghiên cứu
- Q trình tự động hóa trong thiết kế khung xương ơ tơ khách.
- Q trình tự động hóa trong kiểm nghiệm bền khung xương ơ tô khách.
- Ứng dụng công nghệ BIW vào sản xuất khung ơ tơ khách Việt Nam.
Phương án giải quyết
-

Tìm hiểu và sử dụng phần mềm Catia trong việc thiết kế mơ hình 3D khung

xương ơ tơ khách.
Tìm hiểu và sử dụng phần mềm Ansys Workbench trong việc kiểm nghiệm
bền mô hình 3D khung xương ơ tơ khách.
Tìm hiểu cơng nghệ BIW trong sản xuất khung xương ô tô khách.
Kết quả đạt được
Xây dựng được q trình tự động hóa trong thiết kế bằng phần mềm Catia và
quá trình tự động hóa trong việc kiểm nghiệm bền bằng phần mềm Ansys Workbench.
Đưa ra mơ hình 3D khung xương ơ tơ hồn chỉnh thỏa mãn điều kiện bền
trạng thái tĩnh.
Giới thiệu công nghệ BIW trong sản xuất khung xương ô tô khách.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................................................1
TÓM TẮT.............................................................................................................................................................2
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................................................9
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................................................................11
1.1.

Sự cần thiết của đề tài...................................................................................................................11

1.2.

Những vấn đề chung của q trình thiết kế khung ơ tơ khách................................................11

1.3.

Hiện trạng nghiên cứu trong và ngồi nước...............................................................................12

1.3.1.

Nghiên cứu trong nước..................................................................................................................12

1.3.2.

Nghiên cứu ngoài nước..................................................................................................................12

1.4.

Xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.....................................13

1.5.

Kết luận chương 1..........................................................................................................................14

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS TRONG THIẾT KẾ................................15
2.1.

Giới thiệu phần mềm.....................................................................................................................15

2.1.1.

Giới thiệu phần mềm Catia..........................................................................................................15

2.1.1.1. Một số ứng dụng của phần mềm..................................................................................................16
2.1.1.2. Chức năng của các module chính trong Catia...........................................................................19

2.1.2.

Giới thiệu phầm mềm Ansys.........................................................................................................22

2.1.2.1. Tổng quan về Ansys Workbench..................................................................................................24
2.1.2.2. Quy trình thực hiện mơ phỏng Ansys trên Workbench............................................................27
2.2.

Kết luận chương 2..........................................................................................................................28

CHƯƠNG 3: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ KHUNG XƯƠNG Ơ TƠ KHÁCH........................................29
3.1.

Giới thiệu ơ tơ khách thiết kế.......................................................................................................29

3.2.

Tự động hóa thiết kế kết cấu khung xương................................................................................35

3.2.1.

Q trình xây dựng khung xương ô tô khách............................................................................35

3.2.1.1. Tạo bảng thông số quản lý trên Excel.........................................................................................35
3.2.1.2. Khung xương mảng sàn................................................................................................................36
3.2.1.3. Khung xương mảng trần...............................................................................................................38
3.2.1.4. Mơ hình khung xương mảng đầu.................................................................................................39
3.2.1.5. Tạo liên kết giữa các mảng khung xương...................................................................................42
3.2.1.6. Tạo thư viện thép hình theo thiết kế bản vẽ...............................................................................43

3.2.1.7. Quá trình chạy các thanh thép hình 3D dựa trên các đường line dựng sẵn và thư viện thiết
kế……….........................................................................................................................................................45
3.2.1.8. Thiết lập bảng thông số quản lý trên Excel................................................................................50
3.3.

Tự động hóa tính bền khung xương............................................................................................51

3.3.1.

Các chỉ tiêu về độ bền....................................................................................................................51

3.3.1.1. Tính bền ở trạng thái tĩnh............................................................................................................52
3.3.1.2. Tính bền ở trạng thái động...........................................................................................................52
3.3.1.3. Tính độ bền mỏi của kết cấu khung............................................................................................53
3.3.1.4. Lý thuyết bền..................................................................................................................................53
3.3.2.

Tự động hóa trong tính tốn bền khung xương.........................................................................54

3.3.2.1. Các giả thiết khi lập mơ hình.......................................................................................................55
3.3.2.2. Các giả thiết khi gắn tải trọng mơ hình......................................................................................55
3.3.2.3. Quy trình phân tích kết cấu..........................................................................................................56
3.4.

Tự động xuất bản vẽ phục vụ chế tạo khung xương.................................................................64

3.5.

Các bước tinh chỉnh mơ hình khung xe thỏa mãn điều kiện bền............................................65

3.6.

Kết luận chương 3..........................................................................................................................66

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BODY IN WHITE TRONG SẢN XUẤT KHUNG XƯƠNG
XE KHÁCH........................................................................................................................................................67
4.1.

Giới thiệu lĩnh vực Body In White (BIW)...................................................................................67

4.1.1.

Định nghĩa.......................................................................................................................................67

4.1.2.

Tổng quan cơng nghệ của nhà máy lắp ráp Ơ tơ có ứng dụng cơng nghệ Body In White:. .68

4.2.

Cơng việc thiết kế một Unit..........................................................................................................71

4.2.1.

Các thành phần và công dụng của nó trong một Unit..............................................................71

4.2.2.

Tiêu chuẩn thiết kế đối với một chi tiết bất kỳ với mục đích gia cơng....................................72

4.2.2.1. Thiết kế sản phẩm bất kỳ theo tiêu chuẩn hãng BMW.............................................................72
4.2.2.2. Axis One thiết kế ứng dụng trong ô tô........................................................................................78
4.3.

Kết luận chương 4..........................................................................................................................81

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................83
PHỤ LỤC............................................................................................................................................................84
HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS WORKBENCH TRONG THIẾT KẾ.84


Phần mềm Catia.............................................................................................................................84



Phần mềm Ansys Workbench.......................................................................................................89

KẾT CẤU KHUNG XƯƠNG Ô TÔ KHÁCH TB115CT – WLFII.......................................................104


DANH MỤC HÌNH Ả
Hình 2. 1 Khung xương xe khách thiết kế bằng Catia.....................................................16
Hình 2. 2 Thiết kế xe sinh thái bằng Catia.......................................................................17
Hình 2. 3 Động lực học máy bay mơ phỏng bằng Catia...................................................17
Hình 2. 4 Mơ phỏng gia cơng phay bằng Catia................................................................18
Hình 2. 5 Phân tích động lực học bằng Catia...................................................................18
Hình 2. 6 Thiết kế đường ống cấp bằng Catia..................................................................19
Hình 2. 7 Thiết kế xây dựng kiến trúc bằng Catia...........................................................19

Hình 2. 8 Module Mechanical Design...............................................................................20
Hình 2. 9 Module Shape.....................................................................................................21
Hình 2. 10 Module Machining...........................................................................................21
Hình 2. 11 Module Machining Simulation........................................................................22
Hình 2. 12 Thanh cơng cụ Tootbox....................................................................................25
Hình 2. 13 Sơ đồ khối phân tích cơ bản............................................................................25
Hình 2. 14 Sơ đồ chia sẻ dữ liệu giữa các bộ giải..............................................................26
Hình 2. 15 Nhập mơ hình CAD vào Workbench..............................................................27
Y

Hình 3. 1 Tuyến hình ơ tơ khách TB115CT- WLFII.........................................................29
Hình 3. 2 Bố trí khoang hành khách.................................................................................30
Hình 3. 3 Ơ tơ satxi cơ sở...................................................................................................33
Hình 3. 4 Kết cấu khung satxi ơ tơ cơ sở...........................................................................34
Hình 3. 5 Bảng thơng số Excel...........................................................................................36
Hình 3. 6 Mơ hình khung xương mảng sàn......................................................................38
Hình 3. 7 Mơ hình khung xương mảng trần.....................................................................39
Hình 3. 8 Mơ hình khung xương mảng đầu......................................................................41
Hình 3. 9 Mơ hình khung xương mảng hơng trái.............................................................41
Hình 3. 10 Mơ hình khung xương hơng phải....................................................................42
Hình 3. 11 Mơ hình tổng thể khung xương ô tô khách.....................................................43


Hình 3. 12 Biên dạng mặt cắt thanh thép 40x40x2...........................................................44
Hình 3. 13 Vị trí File ModelsResolved...............................................................................44
Hình 3. 14 Giao diện StructureMaterialsSpecifications.catalog.....................................45
Hình 3. 15 Bản vẽ 2D mảng hơng trái...............................................................................46
Hình 3. 16 Các line sau khi đã Extract..............................................................................46
Hình 3. 17 Dùng lệnh Shape để chạy các thanh thép tương ứng.....................................47
Hình 3. 18 Thiết lập Keep link with selected object.........................................................48

Hình 3. 19 Mặt phẳng khởi tạo..........................................................................................48
Hình 3. 20 Các Plane trong mảng hơng trái.....................................................................49
Hình 3. 21 Mảng thép hơng trái 3D hồn chỉnh...............................................................49
Hình 3. 22 Khung xương hồn chỉnh cho chiếc xe...........................................................50
Hình 3. 23 Chọn thơng số dịng xe thứ hai........................................................................51
Hình 3. 24 Q trình Update dịng xe thứ hai..................................................................51
Hình 3. 25 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn...............................................................57
Hình 3. 26 Đặt các hạn chế chuyển vị................................................................................59
Hình 3. 27 Đặt khối lượng tập trung.................................................................................59
Hình 3. 28 Khối lượng tập trung trên mơ hình................................................................60
Hình 3. 29 Đặt lực trọng trường cho bài tốn..................................................................60
Hình 3. 30 Chọn vật liệu cho mơ hình...............................................................................61
Hình 3. 31 Kết quả mô phỏng chuyển vị tổng thể khung xương.....................................62
Hình 3. 32 Kết quả mơ phỏng ứng suất tổng thể khung xương......................................64
Hình 3. 33 Bản vẽ 2D khung xương mảng hơng phải......................................................65
Hình 4. 1 Khung xương xe khách sau khi gia cơng bằng cơng nghệ Body In White.....67
Hình 4. 2 Body In White được ứng dụng chủ yếu trong các dịng xe du lịch.................68
Hình 4. 3 Một trạm phục vụ chức năng hàn.....................................................................69
Hình 4. 4 Unit-đơn vị nhỏ nhất của một trạm..................................................................69
Hình 4. 5 Các Unit tổ hợp thành một trạm.......................................................................70
Hình 4. 6 Sau khi các thanh thép được gá vào đúng vị trí thì cơng nhân sẽ hàn lại......70


Hình 4. 7 Mỗi trạm ln được gán với tấm bảng chứa nội dung thực hiện chức năng
của trạm tại khu vực đó.....................................................................................................71
Hình 4. 8 Các thành phần của một Unit...........................................................................72
Hình 4. 9 Cấu trúc của một chi tiết đồ gá theo tiêu chuẩn của hãng BMW...................73
Hình 4. 10 Mơi trường Funktionsteil................................................................................74
Hình 4. 11 Mơi trường Positioned Sketch.........................................................................74
Hình 4. 12 Các màu sắc tương ứng với u cầu gia cơng.................................................76

Hình 4. 13 Dùng lệnh Hole điền đúng kích thước của lỗ muốn đục................................77
Hình 4. 14 Một trạm hồn chỉnh khi thiết xong các Unit................................................78
Hình 4. 15 Thiết lập Axis One............................................................................................79
Hình 4. 16 Kiểm tra một sản phẩm tổng...........................................................................80
Hình 4. 17 Thiết lập tên sản phẩm theo đúng tiêu chuẩn................................................81
Hình PL. 1 Tạo Part Design...............................................................................................85
Hình PL. 2 Vẽ và chỉnh sửa kích thước............................................................................86
Hình PL. 3 Vẽ các đường thẳng đối xứng.........................................................................86
Hình PL. 4 Tạo mặt phẳng đối xứng.................................................................................87
Hình PL. 5 Vẽ và chỉnh sửa các cạnh................................................................................87
Hình PL. 6 Khung mơ hình xây dựng dạng đường Line.................................................88
Hình PL. 7 Bản vẽ mơ hình 2D..........................................................................................89
Hình PL. 8 Khởi động Geometry DesignModeler............................................................90
Hình PL. 9 Nhập mơ hình CAD.........................................................................................90
Hình PL. 10 Mơ hình CAD................................................................................................91
Hình PL. 11 Boolean mặt đáy............................................................................................92
Hình PL. 12 Boolean các cạnh cịn lại...............................................................................92
Hình PL. 13 Tạo Part cho các Boolean.............................................................................93
Hình PL. 14 Q trình chọn và chỉnh sửa kích thước cho tiết diện................................94
Hình PL. 15 Gán mặt cắt ngang cho line body.................................................................94
Hình PL. 16 Mơ hình CAD hồn chỉnh.............................................................................95


Hình PL. 17 Khởi động Static Structural.........................................................................96
Hình PL. 18 Kích thước lưới chia tự động........................................................................97
Hình PL. 19 Kích thước lưới sau khi làm mịn..................................................................97
Hình PL. 20 Các tiêu chuẩn chất lượng lưới....................................................................98
Hình PL. 21 Đặt hạn chế chuyển vị...................................................................................99
Hình PL. 22 Đặt khối lượng tập trung............................................................................100
Hình PL. 23 Đặt trọng lực trường cho bài tốn.............................................................100

Hình PL. 24 Thư viện vật liệu..........................................................................................101
Hình PL. 25 Xuất kết quả q trình mơ phỏng..............................................................102
Hình PL. 26 Chuyển vị tổng thể của xe...........................................................................102
Hình PL. 27 Ứng suất toàn bộ khung xe.........................................................................103


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật xe ô tô khách TB115CT-WLFII.........................................30
Bảng 3. 2 Các lệnh xây dựng mơ hình khung xương mảng sàn......................................36
Bảng 3. 3 Các lệnh xây dựng mơ hình khung xương mảng trần.....................................38
Bảng 3. 4 Các lệnh xây dựng mơ hình khung xương mảng đầu......................................40
Bảng 3. 5 Các lệnh tạo liên kết giữa các mảng khung xương..........................................42
Bảng 3. 6 Các lệnh trong quá trình tự động hóa kết cấu khung xuơng..........................50
Bảng 3. 7 Khối lượng các cụm, tổng thành và hành khách.............................................54
Bảng 3. 8 Tiêu chuẩn lưới và khối lượng bản thân khung...............................................57
Bảng 3. 9 Kết quả mô phỏng chuyển vị tổng thể khung xương.......................................62
Bảng 3. 10 Các lệnh tạo liên kết giữa các mảng khung xương........................................64


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây nước ta đang tiến hành cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa
với mục tiêu phấn đấu đưa Việt Nam trở thành nước công nghiệp. Đã có nhiều chính sách
mở cửa thu hút vốn đầu tư trong và ngoài nước nhằm phát triển các ngành cơng nghiệp.
Trong đó phát triển ngành cơng nghiệp ơ tơ được quan tâm sâu sắc, có khả năng đáp ứng
nhu cầu thị trường trong nước và hơn thế vươn ra khu vực thế giới.
Hiện nay các doanh nghiệp trong nước đang cố gắng tăng tỉ lệ nội địa hóa nhằm góp
phần giảm giá thành sản phẩm, tăng cơng ăn việc làm cho lao động trong nước. Các công ty
trong nước thường nhập xe satxi từ nước ngoài về dựa trên cơ sở đó tiếp tục hồn thành
phần khung vỏ và hoàn thiện nội thất phù hợp với nhu cầu, điều kiện sử dụng trong nước.
Trong kết cấu ô tô khách kết cấu khung xương đóng vai trị hết sức quan trọng, là nơi chứa

hành khách, lái xe và hành khách, có ảnh hưởng trực tiếp tới độ bền vững, dao động và độ
an toàn của thân xe. Tuy nhiên từ trước tới nay, việc tự động hóa q trình thiết kế cịn hạn
chế, làm cho kết cấu của khung ơ tô khách chưa hợp lý (khối lượng lớn, sức bền và độ cứng
chưa đồng đều,..vv) và thời gian thiết kế kéo dài. Với việc thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu
tự động hóa q trình thiết kế khung Ơ tơ khách-Ứng dụng cơng nghệ BIW vào sản
xuất khung xe Ơ tô Việt Nam” hi vọng sẽ khắc phục được một phần các khiếm khuyết
trên.
Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Nguyễn Văn Trạng, tại
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trong q trình nghiên cứu,
chúng em khơng tránh khỏi sai sót, rất mong sự chỉ bảo từ tất cả Quý Thầy Cô.
Xin trân trọng cảm ơn!


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Sự cần thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các ngành kinh tế,

làm cho mức sống được nâng lên, nhu cầu đi lại, vận chuyển lại càng được quan tâm không
ngừng. Trong các loại phương tiện giao thông hiện đang được sử dụng trên thế giới cũng
như ở Việt Nam thì phương tiện giao thông đường bộ mà đặc biệt là ô tô là loại phương tiện
phổ biến nhất, do nó có nhiều ưu điểm hơn so với các loại phương tiện khác: cơ động, giá
thành rẻ, nhanh gọn.
Nhu cầu sử dụng phương tiện tập thể là rất lớn, như vận chuyển ô tô khách liên tỉnh,
vận chuyển hành khách cho các công ty, xí nghiệp, trường học,…Để đáp ứng nhu cầu của xã
hội các doanh nghiệp trong nước không ngừng nâng cao chất lượng và số lượng phương tiện
(ô tô khách) theo yêu cầu và mục đích sử dụng của khách hàng. Do hạn chế về kỹ thuật ô tô
trong nước hiện nay nên ô tô thường được nhập khẩu nguyên chiếc hoặc nhập phụ kiện từ
các hãng nước ngoài về lắp ráp, tỉ lệ nội địa hóa thấp dẫn đến giá thành cịn cao. Việc chế

tạo khung vỏ ơ tơ khách góp phần tăng tỉ lệ nội địa hóa của các ơ tơ khách sản xuất và lắp
ráp trong nước, góp phần giảm giá thành phẩm, tăng công ăn việc làm trong nước. Tuy
nhiên, từ trước tới nay, việc tự động hóa q trình thiết kế cịn hạn chế làm cho kết cấu của
khung ơ tơ khách chưa hợp lí (khối lượng lớn, sức bền và độ cứng chưa đồng đều,..vv) và
thời gian thiết kế kéo dài. Với việc thực hiện đề tài này hy vọng sẽ khắc phục một phần
những khiếm khuyết trên, ngoài ra làm tài liệu trong nghiên cứu khoa học.
1.2.

Những vấn đề chung của quá trình thiết kế khung ô tô khách
Ngành công nghiệp ô tô hiện nay ngày càng thay đổi mạnh mẽ về kết cấu nhằm đáp

ứng những nhu cầu vận chuyển, đi lại của con người, bên cạnh đó yếu tố an tồn, gia thành
cũng được hết sức quan tâm. Trong kết cấu ô tô khách, khung vỏ là bộ phận hết sức quan
trọng dùng để chứa lái xe hành khách và hàng hóa. Việc thiết kế khung ơ tơ phải hợp lý về
hình dạng, khí động lực học, tính thẩm mĩ cao, đảm bảo độ bền vững, chống rung, ồn, mang
tới cảm giác an toàn, thoải mái cho lái xe và hành khách.


Q trình thiết kế khung ơ tơ trong nước thường dựa trên các thiết kế đã có sẵn của
nước ngồi, việc thiết kế giảm trọng lượng và tính tốn độ bền vững thường dựa trên các
khung ô tô này sau khi đưa vào sản xuất và lắp ráp. Hai quy trình này khơng diễn ra đồng
nhất dẫn tới khung ơ tô khách trong nước khối lượng lớn, độ bền không đều, tính kinh tế
chưa cao, thời gian thiết kế cịn dài,…Do đó địi hỏi phải có sự liên kết giữa hai quy trình
này nhằm giảm thiểu các khiếm khuyết trên.
1.3.

Hiện trạng nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1. Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, các hướng nghiên cứu thiết kế cải tiến, tối ưu hóa khung xương ơ tơ

khách chủ yếu tập trung tính tốn mơ phỏng trạng thái bền, tính ổn định và tính năng an
tồn bị động của ơ tơ (khi xảy ra va chạm) hoặc tính bền trên cơ sở các xe ô tô khách đã đưa
vào sản xuất. Một số đề tài tốt nghiệp thực hiện thiết kế khung xương ô tô khách dựa trên
thiết kế đã có sẵn của các hãng nước ngồi mà khơng cần tính tốn bền cho khung xương.
Việc nghiên cứu q trình tự động hóa thiết kế khung xương ơ tơ khách vẫn chưa được thực
hiện. Hiện tại cũng chưa thấy công trình nghiên cứu hay bài báo khoa học nào liên quan
được cơng bố. Do vậy việc nghiên cứu góp phần tăng tỉ lệ nội địa hóa ơ tơ khách sản xuất và
lắp ráp trong nước, đảm bảo độ bền vững, giảm giá thành phẩm và thời gian thiết kế là hết
sức cần thiết.
1.3.2. Nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu thiết kế khung xương ô tô khách là khâu nghiên cứu quan trọng không
thể thiếu trong việc nghiên cứu thiết kế ô tơ. Trên thế giới việc nghiên cứu tính tốn lí thuyết
cũng như tiến hành thử nghiệm để thiết kế và hồn thiện khung xương ơ tơ khách đã được
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Việc thử nghiệm đối với khung xương ô tô khách thường
được tiến hành tại các nhà máy, cơ sở nghiên cứu của các hãng ô tô lớn trên thế giới do chi
phí cho việc này rất cao. Vì vậy các tác giả thường tập trung vào việc tìm kiếm các phương
pháp, cơng cụ thiết kế và mơ hình hóa thiết kế khung xương ơ tơ khách để nghiên cứu tính
tốn kết cấu và đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu. Các hướng nghiên cứu đã được thực
hiện qua các đề tài như:


-

Nghiên cứu ảnh hưởng của cửa sổ, độ cững của khung xương và vỏ đến độ bền vững

của ô tô khách của Josisina Falck [6]
-

Nghiên cứu ứng dụng máy tính vào thiết kế khung xương xe ô tô khách cua Hussein,

Hussein MA, Harrich Alexader [7]
Các kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài đã tương đối hoàn thiện, tuy nhiên
đó là nghiên cứu bản quyền của các cơng ty hoặc chưa được công bố rộng rãi, sâu sắc cần
phải có riêng những nghiên cứu về vấn đề này.
1.4.
-

Xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu tự dộng hóa quá trình thiết kế khung ơ tơ khách sản xuất lắp ráp tại Việt

Nam bằng cách sử dụng các phần mềm Catia và Ansys. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng
trong thiết kế sản xuất, lắp ráp khung xương ô tô khách trong nước và dùng làm tài liệu
tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học.
-

Đối tượng nghiên cứu:
+ Đối tượng nghiên cứu của đề tài là khung xương ơ tơ khách chịu tải ½ sản

xuất và lắp ráp tại Việt Nam.
+ Những phần mềm ứng dụng, sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài và các
vật liệu gán vào kết cấu khung xương ô tô khách để thực hiện nghiên cứu.
-

Phạm vi nghiên cứu:
Thực hiện tự động hóa q trình thiết kế kết cầu và tính bền khung xương để hợp lí

hóa về kết cấu, về khối lượng, về độ bền, về độ cứng của khung ô tô khách phù hợp với điều
kiện và công nghệ trong nước. Đề xuất các kết quả nghiên cứu có khả năng ứng dụng vào
việc chế tạo khung xương ô tô khách tại các nhà máy sản xuất lắp ráp trong nước.

-

Phương pháp nghiên cứu:
Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp, gồm các bước sau:


+ Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mơ hình 3D khung xương ô tô khách bằng
phần mềm Catia, sử dụng lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và tính tốn
bền khung xương ơ tơ khách đã thiết kế.
+ Nghiên cứu mô phỏng: Trên cơ sở phân tích kết quả mơ phỏng tiến hành đánh
giá và tối ưu hóa thiết kế, từ đó đưa ra quy trình thiết kế khung xương ô tô khách hợp lý.
1.5.

Kết luận chương 1
1.

Phân tích được tình hình nghiên cứu thiết kế khung xương ơ tơ khách trong

nước. Từ đó đưa ra mục tiêu nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm
vi và phương pháp nghiên cứu.
2.

Đưa ra phương pháp tính tốn thiết kế và ứng dụng các phần mềm vào q

trình tự động hóa thiết kế khung ơ tơ khách.
3.

Phân tích, đánh giá kết quả mơ phỏng thu được. Từ đó tối ứu hóa khung

xương ơ tơ khách theo yêu cầu đặt ra.

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS TRONG THIẾT KẾ
2.1.

Giới thiệu phần mềm
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành cơng nghiệp cơ khí ơ tơ thì việc ứng

dụng các phần mềm thiết kế, tính tốn bền vào việc chế tạo, sản xuất và lắp ráp các sản
phẩm là rất quan trọng. Các phần mềm này khơng những mơ phỏng một cách gần đúng các
mơ hình thực tế mà cịn giúp tối ưu hóa được một số kết cấu khơng cần thiết, giảm được chi
phí sản xuất, giảm được các công đoạn kiểm tra đánh giá. Trước đây, các phần mềm dùng để
thiết kế cơ khí, lắp ráp và mô phỏng động lực học thường không thể tính tốn được các bài
tốn cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài tốn tính bền kết cấu, các bài tốn động, các bài
tốn tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về điện từ trường, các bài tốn tương tác đa vật lí,
…Ngược lại, các phần mềm ứng dụng trong tính tốn thì khơng có khả năng thiết kế, mô
phỏng và lắp ráp. Những năm gần đây, nhờ việc phát triển của các phần mềm công nghiệp
và sự hợp tác của các nhà cung cấp phần mềm đã giải quyết được các vấn đề đặt ra. Catia là
một phần mềm ứng dụng mạnh trong việc thiết kế cơ khí, lắp ráp, mơ phỏng động học,…
kết nối và tương tác hai chiều được với phần mềm Ansys ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực
kỹ thuật vũ trụ, hàng không, công nghiệp ô tô, kết cấu-cơ học,…đưa ra các ngành cơng
nghiệp nói chung và cơng nghiệp ơ tơ nói riêng ngày càng phát triển.
2.1.1. Giới thiệu phần mềm Catia
Catia được viết tắt từ cụm từ (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application).
Có nghĩ là “ Xử lí tương tác khơng gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính”, Catia là một bộ
phận phần mềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được hãng Daussault Systemes
(Đây là một công ty của Pháp phát triển phần mềm chuyên dùng thiết kế máy bay) phát triển
và IBM là nhà phân phối trên tồn thế giới. Catia được viết bằng ngơn ngữ C++. Phần mềm
Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay, là tiêu chuẩn
của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, xây dựng, tàu thủy và cao hơn là cơng nghiệp hàng
khơng. Nó giải quyết cơng việc một cách triệt để, từ khấu thiết kế mơ hình CAD ( Computer
Aided Design) đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM (Computer Aided Manufacturing),


khả năng phân tích tính tốn, tối ưu hóa lời giải dựa trên chức năng CAE (Computer Aided
Enginneering) của phần mềm Catia.
2.1.1.1.

Một số ứng dụng của phần mềm

Catia được chia làm 3 cấp độ:
-

Cấp độ 1 (Platform 1): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế.

-

Cấp độ 2 (Platform 2): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế và phân tích, mơ

-

Cấp độ 3 (Platform 3): Bao gồm module cấp độ 2 và các module phân tích

phỏng.

chính xác trong cơng nghiệp hạng nặng như: Hàng khơng, ơ tơ, đóng tàu,…
Một số ứng dụng của phần mềm Catia:
-

Catia trong thiết kế cơ khí: Ứng dụng này cho phép thiết kế cơ các chi tiết cơ

khí, tạo lập sản phẩm lắp ghép, thiết kế hàn, thiết kế khuôn, thiết kế kim loại tấm, thiết kế
khung dây và bề mặt, xuất bản vẽ 2D từ mơ hình 3D có sẵn…

Hình 2. 1 Khung xương xe khách thiết kế bằng Catia
-

Catia ứng dụng trong việc thiết kế xe sinh thái, dùng làm dữ liệu lưu trữ và

phục vụ quá trình chế tạo thân xe.


-

Catia trong lắp rắp và mơ phỏng động lực học.

-

Hìnhdụng
2. 2 trong
Độnglập
lựctrình
học máy
bay
mơ phỏng
bằng Catia
Ứng
và mơ
phỏng

gia cơng.

Hình 2. 3 Thiết kế xe sinh thái bằng Catia

-

Hình 2. 4 Mơ phỏng gia cơng phay bằng Catia
Ứng dụng trong phân tích động lực học.


Hình 2. 5 Phân tích động lực học bằng Catia
-

Ứng dụng trong kết cấu xây dựng và kiến trúc.

Ứng dụng trong thiếtHình
kế đường
ống cấp.
2. 6 Thiết
kế xây dựng kiến trúc bằng Catia

Hình 2. 7 Thiết kế đường ống cấp bằng Catia


2.1.1.2.

Chức năng của các module chính trong Catia

Phầm mềm Catia được tích hơp trên 170 module, đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng
trong tất cả các ngành nghề như: Cơ khí, ơ tơ, hàng khơng, kiến trúc, điện – điện tử, hệ

thống đường ống, quản lý vòng đời sản phẩm… Các module này người dùng có thể mua
riêng để đáp ứng với nhu cầu phù hợp của các ngành nghề.
Đối với từng mục đích sử dụng thì người dùng tìm hiểu từng chắc năng riêng của các
module đó. Trong ngành cơ khí chúng ta sử dụng một số module chính như:
-

Module Mechanical Design: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế cơ khí. Các module

con và chức năng của chúng:
+ Part Design: Thiết kế chi tiết.
+ Assembly Design: Tạo lập sản phẩm lắp ghép.
+ Weld Design: Thiết kế hàn.
+ Mold Tooling Design: Thiết kế khuôn.
+ Drafting: Xuất bản vẽ 2D từ mơ hình 3D có sẵn.
+ Sheet Metal Design: Thiết kế kim loại tấm.
+ Wireframe and Surface Design: Thiết kế khung dây và bề mặt.

Hình 2. 8 Module Mechanical Design


-

Module Shape: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế tạo hình bề mặt. Các module con

và chức năng của chúng:
+ FreeStyle: Thiết kế bề mặt, khối rắn tự do.
+ Imagine & Shape: Thiết kế bề mặt, hình khối từ ảnh chụp.
+ Generative Shape Design: Thiết kế bề mặt, hình khối tiến hóa.

Hình 2. 9 Module Shape

-

Module Machining: Chun sử dụng cho việc thiết lập và mơ phỏng chương trình

gia cơng. Các module con và chức năng của chúng:


+ Lathe Machining: Thiết lập và mơ phỏng chương trình gia công tiện.
+ Prismatic Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia cơng phay trên
máy phay 3 trục.
+ Surface Machining: Thiết lập và mơ phỏng chương trình gia cơng phay mặt
cong.
+ Advanced machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia cơng phay trên
máy phay 4, 5 trục.

-

Hình 2. 10 Module
Module Machining Simulation:
ChuyênMachining
sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng

máy CNC. Các module con và chức năng của chúng:
+ NC Machine Tool Simulation: Mô phỏng máy CNC.
+ NC Machine Tool Buider: Thiết lập máy CNC.


Hình 2. 11 Module Machining Simulation
2.1.2. Giới thiệu phầm mềm Ansys
Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm cơng nghiệp, sử dụng phương pháp

phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) để phân tích các bài tốn vật lý – cơ học,
chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số,
với việc sử dụng rời rạc hóa và gần đúng để giải.
Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài tốn kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy
khí, điện từ, sau khi mơ hình hóa và xây dựng mơ hình tốn học, cho phép giải chúng với
điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
Với bài toán kết cấu, phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất,
biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu. Ansys có thể giải các bài tốn dạng tĩnh, dao động,
cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được giải cho
các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với các vật liệu đàn hồi,
đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý tưởng, dẻo nhớt,… Để bắt đầu giải bài toán ta đi chọn kiểu
phần tử phù hợp với bài toán cần giải. Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau, mỗi
kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các
module tính toán phù hợp và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải.
Cùng với việc chọn phần tử thì Ansys cũng yêu cầu chọn dạng bài tốn riêng cho từng phần
tử. Việc tính tốn cũng phụ thuộc vào vật liệu được chọn, mỗi bài tốn cần đưa ra mơ hình


vật liệu, cần xác lập rõ vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyết tính hay phi tuyến, với mỗi
vật liệu cần nhập đủ các thông số vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm giải các bài tốn
bằng phương pháp số, chúng giải trên mơ hình hình học. Vì vậy, cần đưa vào mơ hình hình
học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mơ hình hình học 2D và 3D, các kích thước thực,
hình dáng được giản đơn hóa hoặc mơ hình như vật thật. Ansys có khả năng mơ phỏng theo
mơ hình hình học với các điểm, đường, diện tích và mơ hình phần tử hữu hạn với các nút và
phần tử. Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính tốn. Ansys là phần
mềm giải bài tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn nên sau khi dựng mô hình hình học,
Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới. Số lượng
nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt.
Việc chia nhỏ phần tử này còn phụ thuộc vào năng lực từng phần mềm. Nếu sử dụng phiên
bản công nghiệp số nút và phần tử có thể đến con số hàng trăm nghìn, phiên bản đại học đến

chục nghìn.
Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa vào các điều kiện ban đầu và
điều kiện biên cho mơ hình hình học. Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực (lực,
chuyển vị, nhiệt độ,…) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mơ hình hình học.
Sau khi xác lập các điều kiện bài tốn, để giải chúng, Ansys cho phép chọn các dạng
bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán. Ansys cho
phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính,
Ansys cho biểu đồ quan hệ các bước lặp và độ hội tụ. Các kết quả tính tốn được ghi lưu
vào các file dữ liệu. Việc xuất dữ liệu được tính tốn và lưu trữ, Ansys có hệ hậu xử lý rất
mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ thị, để có thể quan sát trường ứng suất
và biết dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số.
Việc Ansys có hệ hậu xử lý mạnh đã đem lại một thế mạnh để các phần mềm khác
phải sử dụng Ansys là một phần mềm liên kết xử lý phân tích trường ứng suất – biến dạng
và các thông số vật lý khác.
2.1.2.1.

Tổng quan về Ansys Workbench


Ansys Workbench là gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ( FEA – Finite
Element Analysis) hoàn chỉnh được dùng để mơ phỏng, tính tốn, thiết kế được sử dụng
trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật trên toàn thế giới. Nó có thể xem như là một cơng cụ
quản lý dự án, đây là một giao diện tổng quát cấp cao nhất để liên kết các công cụ phần
mềm của Ansys. Workbench giúp xử lý các dữ liệu truyền giữa các cơng cụ của Ansys như:
Mơ hình – Lưới – Bộ giải – Hậu xử lý. Việc này giúp đỡ rất nhiều trong việc quản lý dự án.
Một cách trực quan hóa, ta có thể nhìn thấy một dự án được xây dựng như thế nào mà không
cần lo lắng về các tệp trên ổ cứng (mơ hình, lưới, kết quả,…). Vì Workbench có thể quản lý
các ứng dụng độc lập và truyền dữ liệu giữa các ứng dụng giúp dễ dàng thực hiện các
nghiên cứu thiết kế cho bài tốn tối ưu thiết kế.
-

Thanh cơng cụ chính trong Ansys Workbench: Các tùy chọn hiển thị trong thanh

Toolbox hiển thị tất cả các hệ phân tích mà ta có thể sử dụng.
+ Analysis Systems: Là các khung phân tích tạo sẵn bao gồm các ứng dụng
riêng lẻ cần thiết cho quy trình phân tích cơ bản.
+ Component Systems: Là các khối xây dựng ứng dụng riêng lẻ cho mỗi giai
đoạn của một phân tích.
+ Design Exploration: Cung cấp các công cụ tối ưu thiết kế và khai thác tìm hiểu
các đáp ứng tham số.


Hình 2. 12 Thanh cơng cụ Tootbox
-

Sơ đồ phân tích cơ bản: Để bắt đầu một quy trình phân tích cơ bản, người dùng kéo

một Analysis Systems lên cửa sổ Project Schematic để đưa ra một quy trình phân tích cơ
bản, gồm tất cả các bước cần thiết cho một phân tích điển hình. Quy trình phân tích từ trên
xuống dưới, khi hồn thành từng bước biểu tượng phía bên phải sẽ thay đổi.

Hình 2. 13 Sơ đồ khối phân tích cơ bản