Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu và Việt Nam đang chuyển dịch mạnh mẽ từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu sạch, xe mô tô điện ngày càng được quan tâm phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu di chuyển thân thiện môi trường. Theo ước tính, số lượng xe mô tô điện tại Việt Nam tăng trưởng nhanh trong những năm gần đây, kéo theo yêu cầu nâng cao chất lượng và độ bền của kết cấu khung xe. Kết cấu khung xe là bộ phận xương sống, chịu tải trọng phức tạp và liên tục trong quá trình vận hành, do đó việc tính toán độ bền kết cấu dưới tác động tải trọng động là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền lâu dài.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán bền kết cấu khung xe mô tô điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng đa vật thể, nhằm đánh giá ứng suất và biến dạng khung xe dưới các trường hợp tải trọng khác nhau. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các trường hợp tải trọng tĩnh và động, sử dụng phần mềm ANSYS và Matlab để mô phỏng và xử lý dữ liệu. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc khảo sát kết cấu khung xe mô tô điện với vật liệu thép SS400, kích thước ống khung tiêu chuẩn, và các trường hợp tải trọng gồm tự trọng, không tải, tải 1 người và tải 2 người.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ thiết kế tối ưu kết cấu khung xe mô tô điện, nâng cao độ bền và an toàn, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ xe điện tại Việt Nam. Các chỉ số đánh giá như ứng suất von-Mises, biến dạng tối đa và phản lực tại các điểm kết nối được sử dụng làm metrics chính để đánh giá hiệu quả mô hình và thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết bền vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng suất và biến dạng kết cấu khung xe. Hai lý thuyết bền chính được áp dụng gồm:

  • Thuyết bền ứng suất pháp lớn nhất (Thuyết bền thứ 1): Xác định điều kiện bền dựa trên ứng suất kéo hoặc nén lớn nhất tại điểm tính toán không vượt quá ứng suất cho phép của vật liệu. Đây là lý thuyết cơ bản, phù hợp với trạng thái ứng suất đơn giản.

  • Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại (Thuyết bền thứ 4): Dựa trên nguyên lý thế năng biến dạng, đánh giá độ bền dựa trên tổng hợp các thành phần ứng suất trong trạng thái ứng suất khối phức tạp, phù hợp với các kết cấu chịu tải đa chiều.

Ngoài ra, các mô hình phần tử cơ bản được sử dụng bao gồm phần tử lò xo, phần tử thanh chịu kéo nén, phần tử tam giác trạng thái ứng suất phẳng và phần tử dầm Euler-Bernoulli, Timoshenko để mô phỏng các bộ phận cấu thành khung xe. Mô hình đa vật thể được xây dựng để mô phỏng tương tác giữa các bộ phận như bánh xe, dẫn hướng, hệ thống treo và khung xe.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật vật liệu thép SS400 (hệ số Young 20000 N/mm², hệ số Poisson 0,3, khối lượng riêng 7850e-9 kg/mm³), kích thước tiết diện ống thép khung xe và các tải trọng thực tế gồm trọng lượng thùng pin, cốp xe, người lái và người ngồi sau. Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng trong phần mềm ANSYS, kết hợp với Matlab để xử lý dữ liệu ma trận và tính toán biến dạng, ứng suất.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tạo mô hình hình học 2D và 3D của khung xe và các bộ phận liên quan.
  • Chia lưới phần tử Beam189, Combin14, Mass21 và các phần tử khác phù hợp với từng bộ phận.
  • Đặt điều kiện biên và tải trọng theo 4 trường hợp: tự trọng, không tải, tải 1 người, tải 2 người.
  • Thực hiện phân tích tĩnh và động để thu thập dữ liệu ứng suất von-Mises, biến dạng, phản lực.
  • Phân tích kết quả bằng Matlab để đánh giá độ bền và hiệu quả thiết kế.

Cỡ mẫu mô hình gồm hàng nghìn bậc tự do, được chọn để đảm bảo độ chính xác và hội tụ kết quả. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ kết cấu khung xe với các bộ phận con đại diện, nhằm phản ánh chính xác trạng thái làm việc thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ứng suất von-Mises và biến dạng dưới tải trọng tĩnh:
    Kết quả phân tích cho thấy ứng suất von-Mises tại các điểm trọng tâm khung xe tăng dần theo mức tải trọng, với giá trị ứng suất tối đa đạt khoảng 0,8 N/mm² khi tải 2 người, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép của thép SS400 (200 N/mm²). Biến dạng tối đa tại node chảng 3 theo phương Uz cũng tăng từ khoảng 0,2 mm (tự trọng) lên đến 0,8 mm (tải 2 người).

  2. Phản lực điều kiện biên và lực nút phần tử Combin14:
    Phản lực tại các node kết nối bánh xe và khung xe tăng theo tải trọng, ví dụ phản lực tại node 241 tăng từ -0,794 N (tự trọng) lên -0,620 N (tải 2 người). Lực nút phần tử cũng thể hiện sự phân bố đều, không có điểm tập trung ứng suất quá lớn gây nguy hiểm.

  3. Phân tích động học và dao động hệ thống:
    Mô hình dao động 2DOF cho thấy gia tốc tuyệt đối lớn nhất tác dụng lên phần tử khối lượng ms tăng theo vận tốc xe, đạt giá trị khoảng 12 m/s² ở vận tốc 25 km/h. Điều này cho thấy hệ thống treo và khung xe có khả năng hấp thụ dao động tốt, đảm bảo độ ổn định khi vận hành.

  4. So sánh giữa bố trí chung và thiết kế mới:
    Thiết kế bố trí chung mới giúp phân bố ứng suất đều hơn trên khung sườn, giảm ứng suất tập trung tại trọng tâm khung xe so với bố trí tham khảo. Ứng suất giảm khoảng 15-20%, đồng thời biến dạng cũng được kiểm soát tốt hơn, góp phần nâng cao độ bền và ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng ứng suất và biến dạng theo tải trọng là do trọng lượng người lái và hành khách tác động trực tiếp lên khung xe, làm tăng lực truyền qua các phần tử kết cấu. Kết quả ứng suất von-Mises thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép chứng tỏ khung xe có độ bền dư, phù hợp với mục tiêu thiết kế.

So với các nghiên cứu trước đây về kết cấu khung xe mô tô điện, mô hình phần tử hữu hạn đa vật thể kết hợp trong nghiên cứu này cho phép mô phỏng chính xác hơn các tương tác giữa các bộ phận, từ đó đưa ra đánh giá toàn diện về độ bền và dao động. Việc sử dụng phần mềm ANSYS và Matlab giúp xử lý hiệu quả các bài toán lớn với hàng nghìn bậc tự do.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất von-Mises theo từng trường hợp tải trọng, bảng tổng hợp biến dạng tối đa và phản lực tại các node chính, cũng như đồ thị gia tốc dao động theo vận tốc xe để minh họa rõ ràng các kết quả phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế khung xe:
    Hành động cải tiến bố trí chung khung xe nhằm phân bố ứng suất đều hơn, giảm điểm tập trung ứng suất tại trọng tâm. Mục tiêu giảm ứng suất tối đa ít nhất 15% trong vòng 6 tháng, do bộ phận thiết kế và kỹ thuật thực hiện.

  2. Nâng cấp hệ thống treo:
    Thiết kế lại hệ thống treo để tăng khả năng hấp thụ dao động, giảm gia tốc truyền lên khung xe, đảm bảo vận hành êm ái và an toàn. Mục tiêu giảm gia tốc tối đa xuống dưới 10 m/s² ở vận tốc 25 km/h trong 1 năm, do phòng kỹ thuật cơ khí và phát triển sản phẩm đảm nhiệm.

  3. Kiểm tra và đánh giá vật liệu:
    Sử dụng vật liệu thép có hệ số bền cao hơn hoặc vật liệu composite để giảm trọng lượng và tăng độ bền khung xe. Thực hiện thử nghiệm vật liệu trong 9 tháng, do phòng nghiên cứu vật liệu phối hợp với phòng thiết kế.

  4. Phát triển mô hình mô phỏng đa vật thể nâng cao:
    Mở rộng mô hình mô phỏng để bao gồm các yếu tố tải trọng phức tạp hơn như tải trọng va chạm, tải trọng nhiệt và mỏi vật liệu. Mục tiêu hoàn thiện mô hình trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế xe mô tô điện:
    Hưởng lợi từ các phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và đa vật thể để tối ưu kết cấu khung xe, nâng cao độ bền và an toàn sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu cơ học kết cấu:
    Tham khảo các lý thuyết bền và ứng dụng phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu phức tạp, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông và cơ khí.

  3. Sinh viên ngành kỹ thuật ô tô và cơ khí:
    Học tập quy trình xây dựng mô hình, phân tích và xử lý dữ liệu mô phỏng kết cấu, nâng cao kỹ năng thực hành và nghiên cứu khoa học.

  4. Doanh nghiệp sản xuất xe điện:
    Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ xe mô tô điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong tính toán kết cấu khung xe?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác ứng suất và biến dạng trong các kết cấu phức tạp, xử lý được các bài toán đa vật thể với nhiều bậc tự do, giúp tối ưu thiết kế và dự đoán độ bền hiệu quả.

  2. Tại sao cần mô phỏng đa vật thể trong nghiên cứu này?
    Mô phỏng đa vật thể giúp mô tả tương tác giữa các bộ phận như bánh xe, hệ thống treo và khung xe, từ đó phản ánh chính xác hơn trạng thái làm việc thực tế và tải trọng động tác dụng lên kết cấu.

  3. Các trường hợp tải trọng nào được phân tích trong luận văn?
    Nghiên cứu phân tích 4 trường hợp: tự trọng, không tải, tải 1 người và tải 2 người, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các mức tải trọng khác nhau đến độ bền và biến dạng khung xe.

  4. Kết quả ứng suất von-Mises có ý nghĩa gì trong đánh giá độ bền?
    Ứng suất von-Mises là chỉ số tổng hợp ứng suất đa chiều, giúp xác định điểm nguy hiểm có thể gây phá hủy vật liệu. Giá trị này so sánh với ứng suất cho phép để đánh giá an toàn kết cấu.

  5. Làm thế nào để cải thiện độ bền khung xe dựa trên kết quả nghiên cứu?
    Có thể cải tiến bố trí kết cấu để phân bố ứng suất đều hơn, nâng cấp vật liệu hoặc hệ thống treo, đồng thời sử dụng mô hình mô phỏng để thử nghiệm và tối ưu thiết kế trước khi sản xuất.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng đa vật thể để tính toán độ bền kết cấu khung xe mô tô điện dưới tải trọng động.
  • Kết quả phân tích ứng suất von-Mises và biến dạng cho thấy khung xe có độ bền dư, đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn với các trường hợp tải trọng khác nhau.
  • Thiết kế bố trí chung mới giúp giảm ứng suất tập trung và cải thiện phân bố ứng suất trên khung xe.
  • Mô hình dao động 2DOF cho thấy hệ thống treo và khung xe có khả năng hấp thụ dao động hiệu quả, đảm bảo độ ổn định khi vận hành ở vận tốc đến 25 km/h.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu thiết kế, nâng cấp vật liệu và phát triển mô hình mô phỏng nâng cao nhằm nâng cao chất lượng và độ bền của xe mô tô điện trong tương lai.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển mô hình mô phỏng đa vật thể phức tạp hơn, thử nghiệm vật liệu mới và ứng dụng kết quả vào thiết kế thực tế. Đề nghị các kỹ sư và nhà nghiên cứu tiếp tục khai thác và áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại để nâng cao hiệu quả thiết kế xe điện.