Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia và phần mềm Ansys trong thiết kế 3D, tính toán khung xe buýt Hybrid

ThS. Lương Minh Hài KS. Nguyễn Văn Kiên KS. Cấn Thị Ngọc Huyền Tổng công ty Công nghiệp ô tô Việt Nam - CTCP  Người phản biện: ThS. Trần Quang Hà ThS. Phạm Minh

Tóm tắt: Bài báo trình bày về kết quả và lợi ích của việc ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế 3D khung xe buýt Hybrid; giới thiệu tóm tắt kết quả tính toán kiểm bền đối với khung xe buýt Hybrid bằng phần mềm Ansys.

Từ khóa: Thiết kế 3D khung xe buýt Hybrid.

Abstract: This paper presents the design 3D Hybrid bus frame with CATIA software and application results in the calculation of ANSYS software reliability testing of this frame.

Keywords: 3D Design Hybrid bus chassis.

 

 

1. Đặt vấn đề

Tại Việt Nam hiện nay, việc giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường trong hoạt động GTVT là vấn đề hết sức quan trọng, việc đó được thể hiện trong chủ trương, chính sách của Nhà nước. Thực hiện chủ trương đó, việc nghiên cứu chế tạo xe buýt Hybrid phục vụ vận tải hành khách đang được các đơn vị sản xuất ô tô trong nước nghiên cứu triển khai. Việc thiết kế, tính toán và bố trí các hệ thống tổng thành trên xe buýt Hybrid bằng bản vẽ 2D sẽ mất nhiều thời gian và công sức do kết cấu phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao. Để giải quyết vấn đề trên, các đơn vị sản xuất đã sử dụng nhiều phần mềm khác nhau trong thiết kế 3D và trong tính toán kiểm bền nhằm tăng độ chính xác cũng như giảm nhân công, chi phí vật liệu trong quá trình sản xuất. Việc áp dụng các phần mềm vào thiết kế tính toán kiểm bền khung xe buýt Hybrid là rất cần thiết. Trong phạm vi bài báo, các tác giả sẽ giới thiệu việc áp dụng phần mềm Catia trong thiết kế 3D và phần mềm Ansys trong tính toán khung xe buýt Hybrid, đây là sản phẩm đang được các nhà chế tạo ô tô trong nước quan tâm hiện nay.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Giới thiệu về xe Hybrid

Hiện nay, các nước trên thế giới đang sử dụng hai loại hình xe buýt Hybrid, đó là Hybrid song song (parallel hybrid) và Hybrid nối tiếp (serial hybrid). Tùy theo điều kiện vận hành và phạm vi sử dụng mà loại hình xe buýt Hybrid được sử dụng cho phù hợp và hiệu quả. Trong bài báo, các tác giả giới thiệu về loại hình xe buýt Hybrid nối tiếp đang được một số đơn vị sản xuất ô tô trong nước nghiên cứu chế tạo. Xe buýt Hybrid nối tiếp được chế tạo dựa trên cơ sở xe buýt diesel truyền thống sau khi loại bỏ các tổng thành: Ly hợp, hộp số và thay vào đó là các cụm tổng thành thiết bị điện động lực (máy phát điện, động cơ điện, siêu tụ, hệ thống phụ trợ và hệ thống điều khiển). Các tổng thành được bố trí đảm bảo đúng chế độ làm việc và thỏa mãn việc phân bố tải trọng lên các trục bánh xe theo QCVN.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý truyền động xe buýt Hybrid

 

2.2. Ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế khung xe buýt Hybrid

Khung xe buýt Hybrid có tác dụng là giá đỡ cho toàn bộ các hệ thống tổng thành trên xe, chịu toàn bộ tải trọng của các thành phần treo trong quá trình vận hành. Việc tính toán, kiểm bền đối với khung xe hết sức quan trọng, đặc biệt đối với khung xe buýt Hybrid do các thành phần tải trọng thay đổi tăng lên so với xe diesel truyền thống. Để tăng độ chính xác và tính tin cậy trong quá trình tính toán và kiểm bền, việc thiết kế khung xe buýt Hybrid bằng phần mềm Catia 3D là giải pháp tối ưu tạo ra cơ sở dữ liệu đầu vào cho việc kiểm bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

2.2.1. Tuyến dáng xe buýt Hybrid

Để thiết kế chế tạo xe buýt Hybrid, các nhà sản xuất ô tô trong nước hiện nay lựa chọn ô tô buýt có các thông số kỹ thuật đáp ứng được thông số, tính năng của xe Hybrid cần chế tạo làm xe cơ sở. Trên cơ sở đó, tiến hành xây dựng mô hình thiết kế tổng thể đối với xe buýt Hybrid với tuyến dáng theo ô tô cơ sở đã lựa chọn.

h22

 

2.2.2. Bố trí hệ thống truyền động trên xe buýt Hybrid

Hệ thống truyền động của xe buýt Hybrid bao gồm các thiết bị cơ bản: Máy phát điện, động cơ điện, siêu tụ, hệ thống điều khiển. Xe satxi cơ sở sau khi bỏ ly hợp, hộp số và thêm vào các thiết bị truyền động điện được bố trí như sau:

Hình 2.3: Mô hình hệ thống truyền động của xe buýt Hybrid trong Catia

 

2.2.3. Thiết kế khung xương tổng thể

Sau khi có thiết kế sơ bộ tuyến dáng xe buýt Hybrid, nhóm tác giả tiến hành thiết kế sơ bộ khung xương tổng thể và các mảng khung xương: Mảng sàn, thành trái, thành phải, mảng nóc, mảng đầu và mảng đuôi bằng phần mềm Catia như các hình dưới đây.

Hình 2.4: Mô hình mảng sàn khung xương xe buýt Hybrid trong Catia

 

Hình 2.5: Mô hình mảng thành bên khung xương xe buýt Hybrid trong Catia

 

Hình 2.6: Mô hình mảng đầu đuôi khung xương xe buýt Hybrid trong Catia

 

Hình 2.7: Mô hình mảng nóc khung xương xe buýt Hybrid trong Catia

 Sau khi đã thiết kế các mảng khung xương, tiến hành tổ hợp khung xương tổng thể của xe buýt Hybrid để kiểm tra lắp ghép giữa các mảng khung xương với nhau.

Hình 2.8: Mô hình tổng thể khung xương xe buýt Hybrid trong Catia

2.3. Tính toán kiểm bền khung xe buýt Hybrid bằng phần mềm Ansys

Khi tính toán kiểm nghiệm độ bền của khung xe theo phương pháp truyền thống, các cột đứng được coi là chịu toàn bộ lực tác dụng, còn các thanh liên kết phụ là kết cấu gia cường. Khi vận hành, hệ khung xương chịu tác dụng của các tải trọng sau:

- Tải trọng tĩnh do trọng lượng bản thân của khung vỏ, siêu tụ, điều hòa, ghế và hành khách;

- Tải trọng động khi ô tô phanh gấp hoặc quay vòng.

Với giả thiết trên sẽ làm cho kết quả tính toán không chính xác, không phản ánh đúng mức độ chịu lực của kết cấu. Do vậy, tác giả sử dụng phần mềm Ansys với việc sử dụng mô hình 3D đã được thiết kế bằng phần mềm Catia, như vậy, các điều kiện tính toán sẽ sát với thực tế để thu được kết quả có độ tin cậy cao hơn.

Các thành phần tác động lên khung xương theo bảng sau:

 

2.3.1. Trường hợp tải tĩnh

Trường hợp xe ở trạng thái đỗ trên mặt phẳng ngang, sử dụng mô-đun tính bền khung dầm của phần mềm Ansys.

Bước 1: Nhập vật liệu của khung.

Mở mục Engineering data, nhập vật liệu khung xương xe buýt Hybrid, theo thiết kế, vật liệu dùng chế tạo khung xương xe buýt Hybrid là CT3 với các giới hạn như sau:

Giới hạn bền: 2.250kg/cm²;giới hạn kéo đứt: 4.200kg/cm²

Bước 2: Nhập bản vẽ 3D khung xương tổng thể xe buýt Hybrid. Mở mục Geometry nhập bản vẽ 3D đã được thiết kế trong Catia.

Bước 3: Chia lưới, việc chia lưới có thể để phần mềm tự động chạy hoặc người sử dụng tự điều chỉnh mức độ chia lưới cho phù hợp.

Bước 4: Đặt lực.

- Chọn vị trí cố định trên khung: Vị trí thanh sàn gắn với sát xi;

- Các lực tác động lên khung xương tổng thể trong trường hợp tải tĩnh (đã nêu trên).

Vị trí đặt lực là vị trí lực tác động trực tiếp vào khung.

Hình 2.9: Mô hình đặt lực lên khung xe Hybrid trong Ansys

 

Bước 5: Tính toán.

Sau khi thực hiện các bước nhập dữ liệu trong phần mềm Ansys, ta tiến hành tính toán bằng phần mềm và đưa ra các dạng kết quả như sau:

Hình 2.10: Biểu đồ ứng suất, biến dạng của khung xe Hybrid trong Ansys

 

Bước 6: Kết luận.

Khung xe buýt Hybrid ở trạng thái tĩnh an toàn với hệ số an toàn nhỏ nhất là 3,8. Biến dạng tổng thể tối đa 2,6mm, tại vị giữa nóc xe, dưới dàn điều hòa. Như vậy, hệ khung đảm bảo an toàn trong trạng thái tĩnh.

2.3.2. Trường hợp phanh gấp

Các lực tác động lên khung xương xe buýt Hybrid trong trường hợp phanh gấp tương tự như tải tĩnh, ngoài ra có thêm thành phần gia tốc khi phanh gấp. Áp dụng phương pháp tính phanh, thu được gia tốc lớn nhất khi phanh là: j_pmax = 6,86(m/s²).

- Lực quán tính tác động lên các cột đứng khi phanh gấp:

P_jk = (m_kv + m_ucap + m_đh) . j_pmax = 42.438 (N)

Hình 2.11: Mô hình đặt lực lên khung xe Hybrid trong Ansys

Sau khi thực hiện các bước nhập dữ liệu trong phần mềm Ansys tương tự như trường hợp tải tĩnh, ta tiến hành tính toán bằng phần mềm và đưa ra các dạng kết quả như sau:

Hình 2.12: Biểu đồ ứng suất, biến dạng của khung xe Hybrid trong Ansys

 

Kết luận

Khung xương xe buýt Hybrid ở trạng thái phanh gấp là đủ bền với hệ số an toàn là 3,35. Biến dạng tổng thể tối đa 2,7mm, tại vị giữa nóc xe, dưới dàn điều hòa. Như vậy, hệ khung đảm bảo an toàn trong trạng thái phanh gấp.

2.3.3. Trường hợp quay vòng

Các lực tác động lên khung xương xe buýt Hybrid trong trường hợp quay vòng tương tự như trường hợp tải tĩnh, ngoài ra có thêm thành phần lực quán tính khi quay vòng ở vận tốc tối đa.

Áp dụng phương pháp tính toán quay vòng ô tô, xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất: R_min= 6,90m, vận tốc tối đa khi quay vòng: v_qv = 26,58km/h (7,38m/s) đảm bảo xe không bị trượt hoặc lật khi quay vòng. Lực quán tính tác dụng lên ô tô khi quay vòng như sau:

P_lt = [(m_kv + m_ucap + m_đh).v²_qv] / R_min  = 44.124 (N)

Hình 2.13: Mô hình đặt lực lên khung xe Hybrid trong Ansys

 

 

Sau khi thực hiện các bước nhập dữ liệu trong phần mềm Ansys tương tự như trường hợp tải tĩnh, ta tiến hành tính toán bằng phần mềm và đưa ra các dạng kết quả như sau:

Hình 2.14: Biểu đồ ứng suất, biến dạng của khung xe Hybrid trong Ansys

 

Kết luận

Khung xương xe buýt Hybrid ở trạng thái quay vòng là đủ bền với hệ số an toàn là 1,5. Biến dạng tổng thể tối đa trường hợp quay vòng 4,5mm, tại vị giữa nóc xe, dưới dàn điều hòa. Như vậy, hệ khung đảm bảo an toàn trong trạng thái quay vòng.

3. Kết luận

- Bài báo đã giới thiệu tổng quan khung xương xe buýt Hybrid và mô hình hóa bằng phần mềm CATIA phục vụ công tác thiết kế, bố trí các hệ thống tổng thành chính trên xe.

- Bài báo cũng giới thiệu phương pháp tính toán kiểm nghiệm bền khung xương xe bằng phần mềm Ansys trong các trường hợp tải trọng tĩnh và động, trong đó đã tính toán xác định tải trọng tác dụng lên các cột đứng, dầm của khung xương trong các trường hợp tải trọng, xác định ứng suất, hệ số an toàn và biến dạng tổng thể, từ đây xác định được điểm yếu nhất trên khung và những vị trí điểm thừa bền để đưa ra phương án tối ưu hóa thiết kế khung xương.

- Bài báo có thể làm tài liệu bổ ích cho sinh viên ngành Cơ khí ô tô trong học tập và nghiên cứu khoa học.

Tài liệu tham khảo

[1]. Phạm Văn Địch, Vũ Đình Lai, Đào Văn Lưu, Bùi Đình Nghi, Lê Lam Sơn, Trịnh Xuân Sơn, Nguyễn Cẩm Thúy (1995), Sức bền vật liệu, NXB. GTVT, Hà Nội.

[2]. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2005), Lý thuyết ô tô máy kéo, NXB. KH&KT, Hà Nội.

[3]. Vũ Quốc Anh, Phạm Thanh Hoan (2006), Tính toán kết cấu bằng phần mềm Ansys, NXB. Xây dựng, Hà Nội.