ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu giao thương hàng hóa, vận chuyển tăng cao, ô tô được xem là một trong những ngành đi đầu, góp phần phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp khác, là ngành tạo động lực xây dựng nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và tham gia vào các hoạt động an ninh quốc phòng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nền công nghiệp ô tô trên thế giới phát triển ngày càng cao đã cho ra đời nhiều loại xe ô tô hiện đại phục vụ cho nhiều nhu cầu và mục đích sử dụng của con người. Việc đánh giá chất lượng của ô tô ngày càng được chú trọng; qua đó nâng cao sức khỏe của người sử dụng, nâng cao chất lượng của ô tô, thân thiện với con người và môi trường. Đồng thời tiến tới mục đích thương mại hóa các dòng xe, giảm giá thành nghiên cứu,… Hệ thống ghế ngồi trên xe ô tô ngày càng hiện đại, có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo độ thoải mái của người lái khi ngồi trên ô tô.
Thông qua việc đánh giá chất lượng về kết cấu của ghế ngồi và tác động của ghế lên người lái, từ đó giúp thiết kế ra các hệ thống treo phù hợp với từng loại xe với giá thành phù hợp và thích nghi tốt với các điều kiện đường bộ của Việt Nam. Chuyển động qua các dạng địa hình mấp mô ngẫu nhiên hình thành nên kích thích từ mặt đường lên bánh xe, thông qua hệ thống treo đến khung xe và ghế ngồi rồi từ đó tác động lên người ngồi trên xe. Để giảm thiểu độ dao động và giúp cho người ngồi trên xe cảm thấy dễ chịu, hệ thống treo và phần đệm trên ghế ngồi ô tô đóng vai trò cực kì quan trọng. Do vậy, có rất nhiều các nghiên cứu phân tích về sự ảnh hưởng của hệ thống treo đến các thông số an toàn, ổn định, và êm dịu của xe đã và đang được thực hiện.
Cụ thể, nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống treo bằng mô hình ¼ ô tô [1], ứng dụng mô hình ¼ ô tô để phân tích dao động của ô tô [2-4]. Ngoài ra, có những nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng dao động toàn ô tô để tính toán cho hệ thống treo [5], nghiên cứu phân tích dao động của thân ô tô tải nhẹ bằng mô hình động lực học dao động 3D [6]. Bên cạnh đó hệ thống treo trên đoàn xe, xe đầu kéo – sơ-mi rơ- moóc cũng được thực hiện, trong đó các thông số đánh giá độ êm dịu của đoàn xe dưới tác dụng mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường khác nhau được phân tích bằng 2 Matlab Simmechanics [7]. Dễ thấy rằng, các nghiên cứu trên vẫn còn nhiều hạn chế trong việc đơn giản hoá các bài toán và việc tính toán được thực hiện qua các phương trình vi phân tổng quát.
Điều này gây nên sai số lớn giữa kết quả tính toán và thực tế. Trong khi đó, phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng với sự phát triển không ngừng của các phần mềm tính toán và quy mô của bài toán. So với phương pháp tính toán trên matlab, mô hình được rời rạc hoá thành các phần tử nhỏ hơn, ảnh hưởng từ hình dạng được tính đến, từ đó hạn chế sai số so với thực nghiệm. Do vậy, tôi chọn đề tài luận văn là “Phân tích độ êm dịu người lái xe buýt bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm LS-Dyna” này thực hiện nghiên cứu nhằm phân tích các thông số đánh giá độ êm dịu của nguời lái trong điều kiện mặt đường vận hành ngẫu nhiên của xe.
Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng của hệ thống treo và đệm ghế ngồi đến giá trị về gia tốc theo phương thẳng đứng của phần đệm ghế tại điểm tiếp xúc với người lái, làm cơ sở tham khảo để thiết kế hệ thống treo trên ghế ngồi và lựa chọn vật liệu đệm ghế phù hợp với yêu cầu và điều kiện làm việc của xe, góp phần nâng cao tính năng an toàn, ổn định và độ êm dịu của người lái trong quá trình khai thác vận hành.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Phân tích và đánh giá sự ảnh hưởng của thông số hệ thống treo ghế ngồi và đệm ghế đến độ êm dịu của ghế ngồi người lái xe buýt dưới tác dụng kích thích dạng ngẫu nhiên 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Sử dụng phần mềm Ansa để xây dựng mô hình và áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để thực hiện tính toán trên phần mềm LS-Dyna - Đánh giá sự êm dịu của người lái thông qua các tiêu chuẩn ISO 2631 1.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài “Phân tích độ êm dịu người lái xe buýt bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm LS-Dyna” mang ý nghĩa: 3 - Giới thiệu, ứng dụng công cụ mô phỏng LS-Dyna và quá trình thiết lập mô hình và thực hiện tính toán ghế ngồi. ➢ Đánh giá được ảnh hưởng của thiết kế ghế ngồi đến độ êm dịu của người lái xe buýt khi vận hành trên đường 1.2 Ý nghĩa thực tiễn - Giới thiệu cho những nhà sản xuất một công cụ vô cùng hữu hiệu và đơn giản, LS-Dyna để tính toán thiết kế ô tô có thể đáp ứng được những tiêu chuẩn về dao động và an toàn. - Ngoài ra nó còn là một công cụ hữu ích trong việc kiểm tra, điều chỉnh các chi tiết trên ô tô và có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cũng như yêu cầu chuyên chở của phương tiện. - Làm cơ sở tham khảo để thiết kế ghế ngồi nói riêng và ô tô nói chung phù hợp với yêu cầu và điều kiện làm việc của xe, góp phần nâng cao tính năng an toàn, ổn định và độ êm dịu của xe trong quá trình khai thác vận hành.
- Tiết kiệm được lượng lớn thời gian, chi phí so với phương pháp thực nghiệm nhưng kết quả vẫn đáng tin cậy. 4 CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Mỗi hệ thống có thể được mô hình hóa bằng sự liên kết trong hệ vật có khối lượng m, hệ giảm chấn 𝑐𝑖 và hệ đàn hồi 𝑘𝑖. Cơ hệ nghiên cứu bao gồm ghế ngồi và người lái dưới tác dụng của chuyển vị sàn xe tương ứng với dạng mô hình 2DOF. Xét sơ đồ lực tác dụng theo phương thẳng đứng, hình 2.1 thể hiện trạng thái cân bằng, chuyển động và sơ đồ lực tác dụng.
Mô hình 2DOF Trong đó, 𝑚𝑠 là khối lượng của phần được treo (hình nhân), và 𝑚𝑢 là phần khối lượng được treo của ghế. Thông số 𝑘𝑢 và 𝑐𝑢 lần lượt là hệ số độ cứng và độ giảm chấn của hệ thống treo ghế. Tương tự 𝑘𝑠 và 𝑐𝑠 lần lượt là hệ số độ cứng và giảm chấn của phần đệm ghế ngồi. Kích thích là chuyển vị sàn xe (xem sàn xe được nối cứng với phần không được treo của ghế) Ta có phương trình chuyển động theo phương pháp Newton: 𝑚𝑠 𝑥̈ 𝑠 = −𝑘𝑠 (𝑥𝑠 − 𝑥𝑢 ) − 𝑐𝑠 (𝑥̇ 𝑠 − 𝑥̇ 𝑢 ) 𝑚𝑢 𝑥̈ 𝑢 = −𝑘𝑠 (𝑥𝑠 − 𝑥𝑢 ) − 𝑐𝑠 (𝑥̇ 𝑠 − 𝑥̇ 𝑢 ) − 𝑘𝑢 (𝑥𝑢 − 𝑦) + 𝑐𝑢 (𝑥̇ 𝑠 − 𝑦) Có thể viết dưới dạng ma trận: [𝑀]𝑥̈ + [𝑐 ]𝑥̇ + [𝑘 ]𝑥 = 𝐹 5 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm vi của mỗi phần tử, nghiệm được chọn là một hàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử. Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử.
Kết quả đẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút. Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử Một chương trình tính bằng phần tử hữu hạn thường gồm các bước chính sau: - Bước 1: Đọc các dữ liệu đầu vào :Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, khối lượng riêng, hệ số Poisson.), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên) - Bước 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k, ma trận giảm chấn phần tử c, ma trận khối lượng phần tử m và vector lực nút phần tử f của mỗi phần tử - Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K, ma trận giảm chấn tổng thể C, ma trận khối lượng tổng thể M và vector lực nút F chung cho cả hệ (ghép nối phần tử) - Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K, ma trận giảm chấn C, ma trận khối lượng M và vec tơ lực nút tổng thể F - Khối 5: Giải phương trình PTHH [𝑀]𝑥̈ + [𝑐 ]𝑥̇ + [𝑘 ]𝑥 = 𝐹, xác định nghiệm của hệ là vector chuyển vị x, vector vận tốc 𝑥̇ và vector gia tốc 𝑥̈ 6 - Khối 6: Tính toán các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng,… ; - Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu. Tuỳ vào hình học của các chi tiết, việc mô hình hoá cần phải lựa chọn các phần tử một cách phù hợp. Các loại phần tử này được phân loại dựa trên cơ sở kích thước theo không gian 3 chiều.
Các dạng phần tử Khi một phương của chi tiết có kích thước lớn hơn so với hai phương còn lại, phần tử một chiều (line element) nên được ưu tiên sử dụng. Ví dụ: ống, thanh, thanh, dầm, vỏ đối xứng trục, v. Trong tất cả các ví dụ này, chiều dài của phần tử khá lớn hơn so với chiều rộng, chiều cao hoặc đường kính.