Luận văn: Mô hình hóa ứng xử đàn hồi phi tuyến của lò xo khí gia cường sợi

Luận văn thạc sĩ mô hình hóa lò xo khí cao su gia cường sợi, phân tích ứng xử đàn hồi phi tuyến bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

• Tác giả: Trần Viết Lương
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Sỹ Tuần
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Mô Hình Hóa Ứng Xử Đàn Hồi Phi Tuyến Của Lò Xo Khí Cao Su Gia Cường Sợi Theo Hai Phương Đối Xứng Trục Bằng Phương Pháp PTHH
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Lò Xo Khí Cao Su Gia Cường Sợi

Lò xo khí cao su gia cường sợi là một thành phần quan trọng trong các hệ thống nhịp điểu và giảm chấn hiện đại. Loại lò xo này kết hợp tính chất đàn hồi của khí nén với độ cứng của cao su được gia cường bằng sợi, tạo ra một giải pháp kỹ thuật vượt trội. Ứng dụng chủ yếu của lò xo khí gia cường sợi xuất hiện trong các hệ thống treo ôtô, xe tải và các thiết bị công nghiệp. Sự kết hợp này cho phép lò xo chịu tải trọng cao hơn đồng thời duy trì tính năng giảm chấn hiệu quả. Nghiên cứu về mô hình hóa lò xo khí bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) giúp tối ưu hóa thiết kế và dự báo hiệu suất trong các điều kiện làm việc khác nhau.

1.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động

Lò xo khí cao su bao gồm nắp lò xo, vỏ cao su gia cường sợi và một buồng chứa khí nén. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự nén khí và tính đàn hồi của vật liệu cao su. Khi chịu tải trọng, khí bên trong buồng bị nén, tạo áp lực phản kháng. Đồng thời, lớp cao su gia cường sợi biến dạng để hấp thụ năng lượng. Sự phối hợp này tạo ra đặc tính đàn hồi phi tuyến, cho phép lò xo thích ứng với các tải trọng động.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Công Nghiệp

Lò xo khí gia cường sợi được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống Air Suspension của ôtô và xe tải. Nó cung cấp độ mềm mại vượt trội so với lò xo thông thường, cải thiện sự thoải mái cho hành khách. Trong các hệ thống công nghiệp, lò xo này giúp giảm rung động máy móc, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Khả năng tự điều chỉnh độ cứng theo tải trọng là ưu điểm đặc biệt.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Biến Dạng Đàn Hồi

Phân tích biến dạng đàn hồi phi tuyến của lò xo khí cao su gia cường sợi yêu cầu hiểu sâu về cơ học liên tục. Khi vật liệu chịu tải trọng, nó trải qua các quá trình biến dạng phức tạp có thể mô tả thông qua tenxơ ứng suất và tenxơ biến dạng. Hàm năng lượng biến dạng là công cụ quan trọng để biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Đối với cao su gia cường sợi, hàm này phụ thuộc vào phương sợi gia cường và trạng thái biến dạng. Mô hình hyperelastic được sử dụng để mô tả chính xác tính chất đàn hồi phi tuyến của vật liệu này.

2.1. Tenxơ Ứng Suất và Biến Dạng

Tenxơ ứng suất Cauchy mô tả lực tác dụng trên một đơn vị diện tích nhỏ trong vật liệu. Tenxơ biến dạng thể hiện mức độ thay đổi hình dạng và kích thước. Mối quan hệ giữa chúng được xác định bằng mô hình vật liệu, trong trường hợp cao su gia cường sợi là mô hình hyperelastic dị hưởng. Phương trình cân bằng động học liên kết các thành phần này với gia tốc và dịch chuyển của vật thể.

2.2. Năng Lượng Biến Dạng Dị Hưởng

Hàm năng lượng biến dạng dị hưởng tính đến ảnh hưởng của phương sợi gia cường. Năng lượng này không chỉ phụ thuộc vào mức độ biến dạng chung mà còn phụ thuộc vào hướng của sợi. Điều này làm cho mô hình hóa cao su gia cường sợi trở nên phức tạp hơn so với cao su đồng nhất. Công thức năng lượng biến đổi phục thuộc vào góc phương sợi và các tính chất cơ học của sợi.

III. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn PTHH trong Mô Hình Hóa

Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ số mạnh mẽ để giải quyết các bài toán phức tạp trong cơ học vật rắn. Khi áp dụng vào lò xo khí cao su gia cường sợi, PTHH cho phép chia miền thành các phần tử nhỏ và thiết lập các phương trình cân bằng cho mỗi phần tử. Phần mềm COMSOL Multiphysics là công cụ phổ biến để thực hiện mô phỏng lò xo khí với tính đối xứng trục. Mô hình hình học được xây dựng với túi khí ở giữa, nắp lò xo và vỏ cao su gia cường sợi. Chia lưới phần tử và định nghĩa điều kiện biên là các bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Hình Học và Chia Lưới

Mô hình hình học của lò xo khí được xây dựng dựa trên bản vẽ kỹ thuật thực tế. Đối với các lò xo có 1, 2 hoặc 3 túi khí, mô hình khác nhau tương ứng. Chia lưới phần tử phải đủ mịn ở các vùng có biến dạng lớn, đặc biệt là quanh vỏ cao su. Chất lượng lưới ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô phỏng và thời gian tính toán.

3.2. Định Nghĩa Vật Liệu và Điều Kiện Biên

Định nghĩa tính chất vật liệu bao gồm mô hình hyperelastic cho cao su gia cường sợi và tính chất cơ học của nắp lò xo. Phương sợi được xác định trong hệ tọa độ địa phương bằng véc tơ phương sợi. Điều kiện biên bao gồm áp suất khí bên trong lò xo, tải trọng ngoại tại, và các điều kiện đối xứng. Áp suất khí thường được mô phỏng như một hàm của thể tích buồng khí.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Phân Tích

Kết quả mô phỏng PTHH của lò xo khí cao su gia cường sợi cung cấp thông tin chi tiết về biến dạng, ứng suất và chuyển vị. Các mô phỏng với phương sợi khác nhau (chẳng hạn 40°) cho thấy ảnh hưởng của hướng sợi đối với hành vi cơ học. Chuyển vị dọc trục của nắp lò xo cho biết mức độ nén của lò xo dưới tải trọng. Chuyển vị hướng kinh của túi khí giữa thể hiện sự biến dạng bên của lò xo. Các đồ thị kết quả cho phép so sánh hiệu suất giữa các thiết kế khác nhau và tối ưu hóa hình dạng lò xo.

4.1. Phân Tích Biến Dạng Theo Thời Gian

Biến dạng của lò xo được theo dõi tại các thời điểm khác nhau (chẳng hạn t=0.2s, t=1s) để hiểu đặc tính động học. Các kết quả cho thấy sự khác biệt giữa các phương sợi, với sợi 40° thể hiện các đặc tính khác nhau so với các hướng khác. Biên dạng của vỏ lò xo trong hệ tọa độ trụ được trực quan hóa để dễ dàng nhận diện các vùng chịu tải trọng lớn.

4.2. So Sánh và Tối Ưu Hóa Thiết Kế

So sánh kết quả mô phỏng giữa các lò xo có số túi khí khác nhau cho thấy lò xo 3 túi cung cấp hiệu suất tốt hơn. Chỉ số các biên dạng giúp xác định những vùng yếu cần cải thiện. Dựa vào kết quả, các tham số thiết kế như độ dày vỏ cao su, phương sợi và áp suất khí có thể được tối ưu hóa để tăng tuổi thọ và hiệu suất của lò xo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

- BỘ GIÁO DỤC VÀ DÃO TẠO ˆ TRUONG DAL HOC BACH KHOA HÀ NỘI LEIA NÿML Trần Viết Lương ONOMT TEN DE TAL LUAN VAN MÔ TIÌNH HÓA ỨNG XỬ ĐÀN HỎI PHI TUYẾN CỦA LÒ XO KHÍ CAO SU GIÁ CƯỜNG SỢI TIIEO IIAT THƯƠNG ĐỎI AN XỨNG TRỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH THY 90 LYN. LUẬN VĂN THẠC 8Ï KỸ THUẬT - CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHỈ ft10EHĐ YOH Ha Noi — Năm 2016 BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG 8Ð, HOC BACH KHOA HA NOI Trần Viết Lương TÊN ĐÈ TÀI LUẬN VĂN MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ ĐÀN HÔI PHI TUYỂN CỦA LÒ XO KHÍ CAO SƯ GIA CƯỜNG SỢI TIIEO HAI PHƯƠNG DOI XUNG TRUC BANG PHƯƠNG PHÁP PTHH Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khỉ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DÁN KIIOA TIỌC TS. IOÁNG SỸ TUẦN Hà Nội — Năm 2016 LOI CAM BOAN Toi xm cam doan cae s6 héu va két qué néu ong Luan vin la du ban than loi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thấy giao TS. HOANG SY TUAN.

Negoai các phan tai liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả là trung thực, chưa từng dược sĩ công bổ trong bất kỷ một công trình nào khác 1Hà nội, ngày. năm 2016 Người thục hiện Trần Viết Tương, DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ CHUONGT Tình1. Một số loại lò xe khí - 11 Hình1. Kết cấu giảm chân.xo khi trong tu hGa.

Lê xe khí trong ô tô. Lê xe khí trong xe tải eon. Câu tạo của lớp cao §U. Lò xe loại IT.

Tô xe loại 1R. Câu lạo lô xo loại onoluted - 15 Tình1. Cấu tạo lò xo loại Sleeve - 16 Tinh1. Lò xo loại Sleeve.

Hệ thông Air Suspension. 18 théng van điều khiến. sec cect vessvvnseveeanseeed 7 Hinh 1. So dé van diéu khién & eae vi tri khac nbau.TE CHUONG IL 2.

Mô hình và sự dịch chuyển của vật thé liên tục. Véc tơ lực kéo tác dụng lên phản tử diện tích vô cũng bé. CHUONG TT Hinh 3. Giao dién phan mém khi khéi dong.

Giao điện phần mềm khi chọn bài toán tiểu đối xứng trục. Cai dit Subdomain - - 35 Hình 3. 4 Mô hình phần tử lưới - - 35 Tinh 3. 5 Kết quả mô phỏng - - 36 Tĩnh 3.

Véc tơ phương sợi trong hệ tọa địa phương, 38 Tinh 3. Biên đạng của vỏ lò xo trong hệ tọa độ trụ - 39 Hình 3. Mô hình hình học của lö xo có 1, 2 và 3 túi khi 40 Hình 3. Mô hình lò xo 1 túi khí trong COMSOL 40 Hình 3.

Mõ hính lỏ xo 2 tủi khi trong COMSOL. - tes Al Tình 3. Mô hình lò xo 3 túi khí trong COMSOT. Chí số các biên dạng của lỗ xo 3 túi khí 42 Tĩinh 3.

Dịnh nghĩa vật liệu cho nắp lò xe khí - - 45 Tinh 3. Dịnh nghĩa vật liệu cho võ lò xo khí - - 46 Tĩnh 3. Dịnh nghĩa lại ham mật độ năng lượng biển dạng 46 Hình 3. Mô hình chúa lưới và điều kiện biên AT Hình 3.

Băng thống kê các thông số của lưới - pecs AB Hình 3. Phân bế chất lượng chia lưới trên mô hình. 3 MUC LUC TỎI CAM ĐOAN TỎI CẮM ON. Mục đích nghiên cửu của luận văn, đôi tượng, phạm vĩ nghiên cứu.

Mục địch nghiên cửu. Đối tượng nghiên gím và phạm vì nghiên cửu. Tóm tắt nội đưng thực hiện và đồng góp mới của tác giả „ Phương pháp nghiên cửu. CHUGNG L TONG QUAN VIELO XO KHL.

Giới thiệu về lò xo Khí. nh HH Hee re 1. Phân lơm lò xo khí 1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thông điều khiển 1.

Tình hình nghiên cửu trong và ngoài nước liên quan dé CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ TIIUYÉT VẺ BIN DẠNG SIU DÀN HỎI. Biển dạng động học lữu hạn. Sự đi chuyển của vật thể liên tục 2. D6 dée (gradient) bién dang 2.

Ten xa bién dang 2. Ten xơ cầu trúc 2. Ten xơ ứng suất. Ten xơ ứng suất Cauchy vá phương trình cân bằng,.

Biển đổi qua lại giữa các ten xo ứng suất 2. Sự tương quan giữa len xơ ứng suất và len xơ biển đạng, 2. Tiâm năng lượng biên dạng, 2. Hàm năng lượng biển đạng biển đổi theo thể tích.

Hảam năng lượng bién dang đẳng hưởng đẳng tích. Hàm nẵng lượng biển dạng (dẳng tích) dị hưởng. Chuyển vị hưởng kinh của bụng tủi khí giữa. Hiển thị áp suất khí trước khi thay đổi Tình 4.

Định nghĩa lại sông thức áp suất khí bên trong lỏ xo. Biến dạng của lò xo tại L 0.23 với phương sợi @ 402 Tĩinh 4. Biển dạng của lò xo tại †=1s với phương sợi œ=40° Tĩnh 4. Biển dạng của lò xo tại †=0.2s với phương sợi Tĩinh 4.

Biển dạng của lò xo tại †=1s với phương sợi o= Hình 4. 19 Chuyển vị đọc trục của nắp lö xo. 20 Chuyên vị hưởng kinh của bụng túi khi giữa. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ CHUONGT Tình1.

Một số loại lò xe khí - 11 Hình1. Kết cấu giảm chân.xo khi trong tu hGa. Lê xe khí trong ô tô. Lê xe khí trong xe tải eon.

Câu tạo của lớp cao §U. Lò xe loại IT. Tô xe loại 1R. Câu lạo lô xo loại onoluted - 15 Tình1.

Cấu tạo lò xo loại Sleeve - 16 Tinh1. Lò xo loại Sleeve. Hệ thông Air Suspension. 18 théng van điều khiến.

sec cect vessvvnseveeanseeed 7 Hinh 1. So dé van diéu khién & eae vi tri khac nbau.TE CHUONG IL 2. Mô hình và sự dịch chuyển của vật thé liên tục. Véc tơ lực kéo tác dụng lên phản tử diện tích vô cũng bé.

CHUONG TT Hinh 3. Giao dién phan mém khi khéi dong. Giao điện phần mềm khi chọn bài toán tiểu đối xứng trục. Cai dit Subdomain - - 35 Hình 3.

4 Mô hình phần tử lưới - - 35 Tinh 3. 5 Kết quả mô phỏng - - 36 Tĩnh 3. Véc tơ phương sợi trong hệ tọa địa phương, 38 Tinh 3. Biên đạng của vỏ lò xo trong hệ tọa độ trụ - 39 Hình 3.

Mô hình hình học của lö xo có 1, 2 và 3 túi khi 40 Hình 3. Mô hình lò xo 1 túi khí trong COMSOL 40 Hình 3. Mõ hính lỏ xo 2 tủi khi trong COMSOL. - tes Al Tình 3.

Mô hình lò xo 3 túi khí trong COMSOT. Chí số các biên dạng của lỗ xo 3 túi khí 42 Tĩinh 3. Dịnh nghĩa vật liệu cho nắp lò xe khí - - 45 Tinh 3. Dịnh nghĩa vật liệu cho võ lò xo khí - - 46 Tĩnh 3.

Dịnh nghĩa lại ham mật độ năng lượng biển dạng 46 Hình 3. Mô hình chúa lưới và điều kiện biên AT Hình 3. Băng thống kê các thông số của lưới - pecs AB Hình 3. Phân bế chất lượng chia lưới trên mô hình.

3 CHUONG LU: TINH TOAN BIEN DANG LO XO KHI CHIU AP SUAT BEN TRONG - - - 32 3. Gidi thiu vé phan mém COMSOI Multiphysics 32 3. Gidi thigu chung 32 3.2, Mỏ hình phần tử của lò xo khi. Lựa chọn ham năng lượng,.3 Xác định véc tơ đơn vị của phương sợi - 38 3.

Kết quả mã phỏng số.Mê hình hình học và mô hình phần tử. Dịnh nghĩa các hằng số vật liệu vả thiết lập mồ hình phản tứ trong, COMSOL Multiphysies. Thiết lập điều kiện biển - - 47 3. Khảo sắt biến dựng của lò xo khí theo các phương sợi khác nhau 51 CHUONG TV: TINH TOAN BIEN DANG ILO XO KHI CHIU AP SUAT TRONG VÀ NGOẠI LỰC TÁC DỤNG - - 60 4.

Lô xo chịu tác dựng của lực nén với lượng khí bên trong không déi. Định nghĩa áp suất khi tức thời bên trong lò xo khí. Ap dat áp lực gây nén lên nắp. Kết quả mô phống số - - - 63 4.

Lò xe chịn tác dựng cửa lực nén không đối và áp suất khí bên trong thay đổi 67 412. Thiết lập áp suất khi bên trong là xo thay đôi - 67 Kết quả raô phỏng số 6 KẾT LUẬN. TÀI LIÊU THAM KHẢO. - 73 CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT ¥ Ten xơ độ đốc biến dang " 'Ten xơ nghịch đáo của E J Đìmh thức Tacobian.

Œ Ten xơ biển đạng Cauchy-Grcen phải E Ten xo bién dang Green-Tagrange T 'Véc tơ ứng suất Piola-Kirchhoff thứ nhất Pp ‘Ten xo ting suat Piola-Kirchhoff thi nhat 6 ng suất Cauchy 8 Tenner img suat. Piola-Karchholf thi hat Các trị riêng của ten xơ dỗi xứng, C Các bật biên của Tenxơ biên dang Cauchy-Green Cae bat biên của 'Tenxơ biển dạng, Cauchy-Green biến đôi Nụ Ham nang luong phụ thuộc vào thể tích Brea Hàm nắng lượng đẳng hướng không phụ thuộc vào thể tích. Fox Hàm năng lượng dị hướng không phụ thuộc vào thể tích Ral, Bình phương độ giãn theo 2 hướng sơi Đ Modul dán hội P hân tủ Laprange B Modul trượt % Hệ số Poisson w Hinh 3 19. Thiết lập diều kiện chuyên vị cho mồ hình phần tử.

Thiế ấp áp lực khí tác đụng lên nắp của lỏ xo Hinh 3 31. Thiết lập áp lực khí tác dụng lên vỏ bên trong lò xo. Thiết lập vector pháp tuyến trên biên dạng THỉnh 3 33. Phân bố ứng suất trong lò xo L túi khí tại 1=0.5s, phương sợi g=30° THỉnh 3 24.

Phan bé img swat trong la xo 1 tui khi tai t-Is, phương sợi @=30° THỉnh 3 25. Phân bố ứng sut lò xo L túi khi tại t=0.5s, phương sợi o=45" Hinh 3 26. Phân bố ứng suất lò xơ 1 túi khí tại t=1s, phương sợi g=4%” Hinh 3 27, Phan bé ung suất lò xo 1 túi khí tại t=0.5s, phương sợi g=60°. Phan bố ứng suất lò xo † từ khi tại L 1s, phương sợi @ 60” 5 a Hình 3 29.

Chuyển vị của điểm A trên lò xo 1 tới khí theo áp suất khí 53 Hinh 3 30. Chuyển vị dọc trục của điểm O trên lò xo 1 túi khí theo áp suất khí 5: & Hinh 3 31. Phân bế ứng suất lò xo 2 túi khí tại t=0.5s, phương sợi @=30” 5 Hinh 3 32. Phân bổ ứng suất lò xo 7 túi khí tại t=1s, phương sei @=30" SRREMAAARRAGAAARA ln Dị Ủn Tlinh 3 33.

Phân bổ ứng suất lò xo 2 tứi khí tại 0.58, phương sợi @=45' Hinh 3 34, Phan bé ung suất lò xo 2 túi khí tại t=1s, phương sợi g=45”. Phân bố ửng suất lò xo 2 túi khi tại t=0.5s, phương sợi 9=60". Phân bố ứng suất lò xo 2 ti khí tại L 1s, phương sợi @ 60° tt Hinh 3 31. Chuyển vị của điểm O lò xo 2 ta khí Hình 3 38.

Chuyển vị hướng kính của điểm Á lò xo 2 từi khí Hinh 3 39. Phân bố ứng suất lò xo 3 túi khí tại t0.5s, phương sợi 9=30" Hinh 3 20.