CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1. Tổng quan Ngày nay, với sự phát triển của của máy tinh, tính toán số và kỹ thuật tinh toán tối ưu chúng ta hoàn toàn có thể tính tính tối ưu kết câu xe khách dùng kỹ thuật tính toán tối ưu trên máy tính. Việc ứng dụng tính toán tối ưu vao trong giai đoạn thiết kế sẽ mang lại những lợi ích thiết thực như: giảm chỉ phí nguyên vật liệu do khối lượng khung được giảm thiểu, thời gian cho quy trình phát triển sản phẩm được rút ngắn hơn so với cách làm truyền thống trước đây là phải chế tạo và thử nghiệm nhiều lần trước khi đưa vào sản xuất, từ đó góp phan nâng cao khả năng cạnh tranh của doanh nghiỆp. Tình hình thé giới Trên thế giới đã có nhiều đề tài và công trình nghiên cứu về lĩnh vực này, mỗi công trình có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với từng trường hợp cụ thể khác nhau.
ps ' : Design ystem level requirements Space and Sạc 6 (loads analysis and pars Topology Optimization packaging) The Altair Bus Final Design Finite | Flement Parametric Shape Vectors Hình 1. Quy trình tinh todn toi wu khung xương xe buýt tại An Độ Công ty Altair (An Độ) - Công ty chuyên về lĩnh vực tính toán mô phỏng số đã phát triển quy trình tính toán tối ưu một cách đây đủ, từ thiết kế ý tưởng ban đầu HVTH: Mai Thanh Điền Luận văn thạc sĩ đến phát triển sản phẩm hoàn chỉnh. Quy trình tính toán tối ưu (Hình 1.1) được bắt đầu với các thông tin dau vào như lực, tải trọng, vùng thiết kế, vùng không thiết kế,. Toàn bộ khung xương là khối đặc, sau đó thực hiện tối ưu phân bố lại vật liệu (Topology Optimization) trên kết câu để có thiết kế ban đầu dựa theo gợi ý của phan mém.
Tiếp theo, kết câu khung xương được thiết kế lại với các loại thanh thép khác nhau. Mô hình CAD nay sẽ được rời rac băng các phan tử hữu han và tiến hành tối ưu kích thước và hình dang (Size and Shape Optimization) dé có một thiết kế hoàn chỉnh. Yu Cheng Lin, Hong Chi Nian, [3] thiết kế tối ưu tiết diện mặt cắt ngang thanh dam trên khung xương xe buýt sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn. Đề tài trình bày phương pháp tôi ưu bang cách thay đổi chiều dày mặt cắt ngang các thanh và gia cố thêm gân chịu lực tại các vùng tập trung ứng suất, vùng nguy hiểm.
Tính toán tối ưu được thực hiện trên phần mềm LS-DYNA, sau khi tối ưu mô hình được kiểm tra lại bằng mô phỏng lật ngang trên phần mềm Hyperstudy”. Mục tiêu dé tài là xây dựng một quy trình khả thi để thiết kế xe buýt đảm bảo độ an toàn. Kết quả sau khi tối ưu thì biến dang của các thanh dam trên câu trúc khung xương giảm 50%, trong khi khối lượng kết cấu chỉ tăng thêm 2%. Harmeek Singh, [6] tối ưu hóa khung xương xe buýt sử dụng công cụ Optistruct”.
Mục tiêu của dé tài là tối ưu hóa giảm khối lượng khung xương, sau đó dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất để tìm ra phương án cho thiết kế hoàn chỉnh. Mô hình và điều kiện biên được thiết lập trên HyperMesh”, kết quả phân tích được xem xét trên Hyperview". Kết qua tối ưu cho thay một lượng lớn vật liệu được tiết kiệm khi thay đối kết câu hiện tại băng các thanh có chiều day mặt cắt ngang nhỏ hon nhưng vẫn giữ lại được độ cứng vững và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn. Diaz, [7] xây dựng thuật toán tối ưu Genetic cho khung xương xe buýt.
Bài báo trình bày thuật toán để tối ưu giảm khối lượng khung xương xe buýt băng cách thay đồi chiều dày các thanh và phương pháp phan tử hữu han dé phân tích ứng suất của kết cấu. Mục tiêu của dé tài là tối ưu hoá khung xương nhằm đạt độ cứng vững và giảm trọng lượng. Thuật toán tối HVTH: Mai Thanh Điền Luận văn thạc sĩ ưu được thực hiện trên phần mềm Matlab, phân tích và tính toán tối ưu được thực hiện trên phần mềm Ansys, kết quả sau khi phân tích được xem xét và vẽ biểu đồ trên Matlab. Việc phân tích tính toán được thực hiện bao gồm các bước: xây dựng mô hình, thiết lập các thuộc tính về vật liệu như khối lượng riêng, mô dun đàn hỏi, hệ số Poision, v., tiến hành chia lưới, xác định điều kiện biên, tải trọng.
Tiếp theo là phân tích và xem xét kết quả. Kết quả đạt được của đề tài là trọng lượng giảm và ứng suất cực đại đạt 225MPa nhỏ hon ứng suất đàn hồi 10%. Santosh B Belure, Satish S. Wadkar, [9] phân tích khung xương xe buýt sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn.
Dé tài thực hiện thiết kế và phat triển cau trúc khung xương xe buýt nội thành sử dụng vật liệu nhôm, sau đó tiến hành tối ưu hoá thiết kế nhăm đảm bảo độ bên và cứng vững với các bài toán phân tích tĩnh và va chạm. Mô hình khung xương được thiết kế trên phần mềm Unigraphics, sau đó được xuất sang Hypermesh” dé tiền hành chia lưới và thiết lập điều kiện biên. Sử dụng Nastran cho bài toán phân tích tĩnh, LS-DYNA cho bài toán phân tích va chạm. Các kết quả đạt được của đề tài: — Độ võng lớn nhất trên khung xương là 4,49 mm trong giới hạn cho phép là 12 mm.
Giá trị ứng suất tối đa 68,8 kg/mm” tại chỗ mối han doc theo chiêu dai thân xe phía bên người lái, giá trị này chỉ bằng 1/3 giới hạn cho phép của vật liệu. — Tân số dao động riêng nhỏ hơn tần số dao động tải trong mặt đường (5Hz) trong hai dãy tần số đầu tiên, do đó xe sẽ bị rung động khi gặp phải đường xâu. — Phân tích trên hai mô hình khác nhau và kết quả cho thấy rang khung xương làm bằng vật liệu nhôm có khối lượng nhẹ hơn so với khung xương làm bằng vật liệu bằng thép. Nhìn chung, đã có nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về phân tích và tính toán tối ưu giam khéi lượng khung xe buýt và được thực hiện trên các công cụ phan mém khác nhau, các công trình nay có cùng quy trình phân tích bao gồm: tiền xử lý, giải bài toán FEM và hậu xử lý.
Tính toán tối ưu giảm khối lượng khung HVTH: Mai Thanh Điền Luận văn thạc sĩ xương được thực hiện theo nhiều cách khác nhau: thay đổi vật liệu thép trên kết cầu hiện tại băng vật liệu nhẹ hơn như vật liệu nhôm [2]. Phân bố lại kết câu khung xương được thực hiện trên miễn vật liệu liên tục là khối đặt, sau đó thực hiện bỏ bớt vùng vật liệu không cân thiết để có một kết cầu tối ưu. Kết quả của phương pháp này là một thiết kế ý tưởng, vì vậy cách này chỉ phù hop với thiết kế ban dau dé tạo ra hình dạng sơ bộ của kết câu. Thay đồi tiết điện mặt cat ngang trên các thanh trên khung xương được thực hiện dé dàng mà không làm thay đổi thiết kế cũ, cách thực hiện này phù hợp với những thiết kế đang được sản xuất.
Sử dụng vật liệu nhẹ hơn như vật liệu nhôm để thay thế cho vật liệu thép hiện tại là xu hướng hiện nay, tuy nhiên do công nghệ hàn nhôm ở các doanh nghiệp bị hạn chế và sẽ tăng chi phí cho công nghệ liên kết này nên phương pháp này bị hạn chế. Tình hình trong nước Ở Việt Nam, giao thông công cộng ngày cảng được chú trọng và phát triển mạnh trong cả nước, các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước đã đây mạnh sản xuất cho ra nhiều loại xe vận tải hành khách khác nhau nham phục vụ cho nhu câu đi lại của người dân. Tuy nhiên, hau hết xe này, chủ yếu là khung xương được thiết kế và chế tạo theo kinh nghiệm, chưa có ứng dụng tính toán và mô phỏng số vào trong sản xuất. Điều này dẫn đến khối lượng khung xương lớn hơn yêu cau sử dụng.
Ứng dụng CAE (Computer Aided Engineering) cho tính toán, tối ưu hoá sẽ góp phan giải quyết được van dé trên. Hiện trạng, trong nước đã có công trình nghiên cứu của Trần Hữu Nhân, Phan Đình Huấn, Pham Xuân Mai, [13], dé tài thực hiện tôi ưu giảm khối lượng khung xương xe buýt băng cách thay đổi chiều dày các thanh với ràng buộc ứng suất cực đại trên tất cả các phần tử trong các trường hợp chịu tải khác nhau. Kết quả khối lượng khung xương tối ưu giảm 4.19% so với thiết kế ban đầu. Với cách ràng buộc ứng suất thì bài toán tối ưu trở nên phức tạp và thời gian chạy phân tích lâu.
HVTH: Mai Thanh Điền Luận văn thạc sĩ Với những lý do trên, trong nghiên cứu này giảm khối lượng khung xương được thực hiện bằng cách thay đổi tiết điện mặt cắt ngang các thanh trên khung xương, các thanh thay thế phải có chiều day phù hop với kích thước vật liệu thép thực tế mà doanh nghiệp có. Đề tài thực hiện trên khung xương đang được sản xuất vì vậy phương pháp tối ưu này hoàn toàn phù hợp với nhu câu thực tế. Ràng buộc cho bài toán tối ưu được thực hiện trên các thông số toàn cục của kết câu, đó là tần số dao động riêng, độ cứng xoắn và cứng uốn. Kết qua tính toán tối ưu cho thay trọng lượng xe khách có thé giảm đến 11,6% khi sử dụng phương pháp tối ưu khá đơn giản này.
Kết quả nay sẽ được kiểm tra lại trong các trường hợp chuyên động có gia tốc khác nhau dé đánh giá khả năng an toàn của kết cau. Mục tiêu của đề tài Phát triển một phương pháp tính toán tối ưu giảm trọng lượng khung xương xe buýt sử dụng phần mém HyperWorks. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu trong dé tài là mô phỏng và tính toán số ảo 1. Cách thực hiện Các biện pháp được sử dụng dé đạt được các mục tiêu trên.
Bai báo, sách tham khao: Nghiên cứu các bài bao, các chuyên mục liên quan đến dé tài. Tham khảo sách viết về phan tử hữu han, tối ưu thiết kế. Thu thập dit liệu: Dữ liệu liên quan về khung xương được thu thập tại nhà máy sản xuất xe buýt Samco - Củ Chi. Dữ liệu bao gồm: bản vẽ gia công khung xương, bản vẽ lắp ráp thiết bị, khối lượng thiết bị, vật liệu sử dụng cho kết câu khung xương và vật liệu hàn, phương pháp liên kết.
Thông tin về điều kiện hoạt động, thông tin về hành khách, loại phương tiện và những thông tin khác được cung cấp bởi quá trình sản xuất thực tế tại nhà máy. Những dữ liệu khác trong luận văn được lây từ sách, bài báo khoa hoc và số tay thiết kế.
