Tiểu luận CAE mô phỏng phần tử hữu hạn nhíp xe oto

Tầm quan trọng của nhíp xe trong vận tải Phần mền ANSYS Vật liệu khi làm nhíp Chia lưới trong ANSYS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG PHÂN TÍCH TỐI ƯU TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC CỦA NHÍP Ô TÔ BẰNG

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học ứng dụng CAE trong thiết kế đóng vai trò rất quan trọng trong

chương trình đào tạo kỹ sư và cán bộ kỹ thuật

CAE được viết tắt của Computer-Aided Engineering là việc sử dụng các phầnmềm máy tính để mô phỏng hoạt động để cải thiện thiết kế sản phẩm hoặc hỗ trợtrong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho một loạt các ngành công nghiệp Điềunày bao gồm mô phỏng, xác nhận, và tối ưu hóa các sản phẩm, quy trình và công

cụ sản xuất Trong tương lai, hệ thống CAE sẽ là công cụ chính cung cấp thông tin

để giúp các nhà thiết kế trong quá trình đưa ra quyết định

Môn học này trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về kỹ thuật môphỏng trong công nghiệp (CAE – Computer Aided Engineering) với tư cách như làmột bước quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm

Cung cấp cho người học kiến thức và kỹ năng trong lĩnh vực mô phỏng như:

- Thiết lập mô hình mô phỏng (Simulation model)

- Chọn loại lưới thích hợp (Meshing type)

- Chọn phương pháp chia lưới thích hợp với mô hình và yêu cầu thục tiễn(Meshing method)

- Đọc, hiểu và phân tích kết quả mô phỏng (Simulation result)

- Căn cứ vào kết quả mô phỏng có thề đưa ra giải pháp nhằm khắc phục cáckhuyết tật, các lỗi hoặc các phương án cải tiến sản phầm.

Cuối cùng sinh viên xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) bộ môn, đặc biệt

là Thầy Trần Mai Văn đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo một cách tận tình giúp sinh viên hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao

Chương 1:

Giới thiệu

1.1 Định nghĩa & lịch sử về nhíp ô tô

Nhíp là một chi tiết đàn hồi trong xe ô tô có tác dụng giảm xóc cho xe gồm cáctấm thép đàn hồi được ghép lại Bộ phận nhíp, nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảmđược chấn động lên phần trên của xe (nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề) Đồngthời, nhíp cũng phải chịu ứng suất chu kì

Nhíp đã rất phổ biến trên xe ô tô từ những năm 60 của thế kỉ XX Ngày nay,nhíp vẫn còn được sử dụng trong xe thương mại hạng nặng như xe tải, xe SUV vàcác toa xe lửa Đối với xe hạng nặng nhíp có lợi thế về sự phân bố lực của xe lênkhung gầm của xe

Nhíp ô tô đôi khi được gọi là lò xo elip, lò xo lá, hoặc lò xo ép Trung tâm của nhíp

có hình vòng cung thường được gắn vào trục của xe, trong khi đầu của nhíp đượcgắn vào khung Trong một số trường hợp, một đầu của nhíp có thể được gắn vàokhung xe và đầu kia sẽ được gắn vào một cánh tay Swinging ngắn Kiểu cấu hìnhnày nhíp thường có một hệ thống treo mềm hơn, ít cứng nhắc

1.2 Giới thiệu ANSYS 2019 R3

ANSYS Products 2019 cung cấp các giải pháp mô phỏng kỹ thuật phổ biến, thế

hệ tiếp theo cho phép chuyển đổi kỹ thuật số bằng cách tạo ra một luồng kỹ thuật

số ANSYS 2019 R3 tăng tốc, sắp xếp hợp lý và đơn giản hóa chu trình thiết kế sảnphẩm, từ ý tưởng đến vận hành

Ngoài ra, bản phát hành này cho phép khách hàng làm được nhiều hơn với môphỏng trong thời gian ngắn hơn – thông qua các cải tiến cho các công cụ tiền xử lý

và hậu xử lý, hiệu suất của người giải quyết và tích hợp sản phẩm

Chuyển đổi kỹ thuật số đang tác động đến mọi ngành công nghiệp bằng cáchchuyển đổi cơ bản các sản phẩm và cách chúng được phát triển

Bộ phần mềm này được chia thành hai phần chung của Công nghệ mô phỏng, baogồm các công cụ mô phỏng và phân tích mạnh mẽ và phần Công nghệ dòng côngviệc, được sử dụng để liên lạc giữa các bộ phận khác nhau và phân tích song songcác vấn đề khác nhau

Trong chương này sẽ trình bày một số khái niệm cũng như cơ sở lý thuyết những

dữ liệu đầu vào, các tham số mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 2019 R3 Từ đóđưa ra tiến trình phân tích, một số đánh giá và kết quả

1.3 Các vấn đề cần giải quyết trong tiểu luận này

Vấn đề trong nghiên cứu này là về nhíp ô tô

Nhíp được sử dụng rất nhiều và hầu như chiếm phần lớn trong nghành vận tải của

cả thế giới Nó giải quyết được vấn đề nam giải trước giờ mà thế giới vẫn luôn tìmkiếm, hệ thống giảm sốc cho xe một cách tốt nhất so với nguyên lí hoạt động đơngiản nhất

Để giải quyết trường hợp này bằng các phương pháp số Phần mềm ANSYS được

áp dụng để phân tích ứng suất và biến dạng của chi tiết này Chọn 2 thành phần này

để phân tích biến dạng toàn phần , ứng suất tương đương, các lỗi cấu trúc Từ đóđưa ra một số kiến nghị cho chi tiết này

Chương 2:

Cơ sở dữ liệu

2.1 Dữ liệu đầu vào

Giải thích một số khái niệm cơ bản về hình học vật liệu, ứng suất, điều kiệnbiên…Tính toán để biết được vùng lực tác động nằm trong khoảng nào

Hình 2: Hình chiếu cạnh

Hình 3: Hình chiếu đứng

2.1.3 Vật liệu

Thép cacbon là một thép có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon, trong

khi các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể Thành phầnphụ trợ trong thép cacbon là mangan (tối đa 1,65%), silic (tối đa 0,6%)

và đồng (tối đa 0,6%) Lượng cacbon trong thép càng giảm thì độ dẻo của thépcacbon càng cao Hàm lượng cacbon trong thép tăng lên cũng làm cho thép tăng độcứng, tăng thêm độ bền nhưng cũng làm giảm tính dễ uốn và giảm tính hàn Hàmlượng carbon trong thép tăng lên cũng kéo theo làm giảm nhiệt độ nóng chảy củathép

Dựa trên điều kiện và yêu cầu làm việc của chi tiết , chọn loại thép cacbon cao,

lượng cacbon trong khoảng 0.6-0.99% rất bền vững , sử dụng để sản xuất nhíp ,với độ bền kéo khá lớn và chịu được cường độ làm việc cao , với số liệu cụ thể nhưsau:

- Khối lượng riêng: 7850 Kg/m3

- Nhiệt dung riêng: 434 J/(kg·K)

- Hệ số giản nở nhiệt:

+ Hệ số nở dài α ở 20 oC (10-6 K-1): 10.8

+ Hệ số nở thể tích αv ở 20 oC (10-6 K-1): 32.4

- Tỉ lệ Poisson: 0.29

- Modun Young: 2.12E + 11 Pa

- Bulk Modulus: 1.6825E+11 Pa

- Shear Modulus: 7.61E+18 Pa

- Giới hạn chảy: 2.5E+08 Pa

- Tensile Yield Strength: 7.61E + 08 Pa

- Tensile Ultimate Strength: 1.07E + 09 Pa

2.1.4 Điều kiện

Fixed support:

Geometry Selection

Geometry 1 FaceDefinition

Type Fixed SupportSuppressed No

Coordinate system Global Coordinate

Force:

Scope Scoping Method Geometry Selection

Geometry 1 FaceDefinition

Define By ComponentsCoordinate system Global Coordinate

Frictionless Support

Khi quá trình chuyển động thì mắc lắp nhíp sẽ xoay quanh trục của khung xe, vì ta

không vẽ chi tiết trục đấy ra nên sẽ cho 2 mắc nhíp đó một rang buộc Frictionless

3D là dạng các Multizone.

Khảo sát sự hội tụ của Mesh

- Mesh sử dụng cách chia Multizone với độ mịn cao

Standard deviation 5.9504e-002

- Với loại lưới Multizone với độ mịn cao ( hex 20 ) nhận được kết quả lưới khá tốt với độ lưới trung bình = 0.9168

- Có một số phần tử với lượng lưới xấu với độ lưới min = 0.439 , với số lượngnhỏ không đáng kể , không ảnh hưởng đến kết quả vì vậy có thể chọn loại lưới này để tiến hành phân tích

- Theo hướng A cạnh nhỏ nhất là 6 mm, do đó khoảng chia được lựa chọn là 2.5 – 5 mm

 Bảng trình bày ảnh hưởng của ứng suất khi lưới thay đổi

(N)

EquivalentStress( MPa)Nodes Elements

Thỏa điều kiện hội tụ (1)

Khoảng lưới từ 2.5-5 mm đối với lưới loại Multizone với độ mịn cao hoàn toàn có thể tiến hành phân tích ứng suất , chuyển vị … vì khoảng lưới này đã nằm trong

khoảng hội tụ kết quả

 Khảo sát sự hội tụ trong khoảng nhỏ từ 4.3 – 4.8 mm

(N)

EquivalentStress( MPa)Nodes Elements

( Thỏa điều kiện hội tụ )

2.2 Dữ liệu đầu ra

Tùy vào yêu cầu của người thiết kế mà kết quả của quá trình phân tích có thể làchuyển vị, ứng suất tập trung theo các hướng khác nhau, độ bền kéo, nén…từ đóđưa ra được những nhận định đúng khi thiết kế chi tiết, từ đó đưa ra những phươngpháp thiết kế cũng như sử dụng chi tiết thuận lợi và ổn định độ bền của chi tiếthơn

2.2.1 Total Deformation: Chuyển vị (Biến dạng toàn phần)

Thông qua kết quả đã phân tích ta thấy được phần chuyển vị lớn nhất ( được thểhiện màu đỏ như trên hình ), là nơi đặt lực ( 30000 N) với giá trị chuyển vị là1.3119 mm.

Nơi chuyển vị lớn nhất là nơi đặt trục bánh xe , chuyển vị càng lớn suy rachuyển động của xe khi hoạt động càng êm giảm chấn càng tốt nhưng vẫn phảiđảm bảo thỏa điều kiện độ võng của vật liệu

Type: Total deformation

Calculate history time: Yes

Suppressed: No

Result:

Minimum: 0mmMaximum: 1.3119 mmAveragre: 0.77219 mmMinimum occurs on: SolidMaximum occurs on: SolidInformation:

Time, load step, substep, iterison number: 1

2.2.2 Equivalent Stress (Ứng suất tương đương)

Đặc trưng bởi ba thành phần ứng suất pháp và ba thành phần ứng suất tiếp.Làmột đại lượng vô hướng, thường được sử dụng trong công việc thiết kế vì nó chophép biết bất kì các trạng thái ứng suất nào có trong chi tiết , rất thuận lợi cho việcđánh giá độ bền của chi tiết …

Scope:

Scoping Method: Geometry

Selection

Geometry: All bodies

Definition:

Type: Equivalent stress

Calculate history time: Yes

Suppressed: No

Intergration point result:

Display option: Averaged

Averaged across body: No

Result:

Minimum: 4.1849e-003 MPaMaximum: 486.11 MPaAveragre: 49.842 MPaMinimum occurs on: SolidMaximum occurs on: SolidInformation:

Time, load step, substep, iterison number: 1

Ứng suất tập trung lớn nhất tại phần cổ của trục và lá nhíp tại đây nếu tăng lực thêm rất có thể bị phá hủy với lực (=30000N) ta có được Maximum: 486.11 MPa

Và 4.1849e-003 MPa với ứng suất này không ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật liệu

Nên chi tiết hoàn toàn hoạt động ổn định trong khoảng lực 30000N

2.2.3 Structural errors: ( Lỗi cấu trúc )

Thông qua kết quả của quá trình phân tích , giúp ta biết được các lỗi cấu trúc củachi tiết , thuận lợi trong việc thiết kế và thay đổi cấu trúc

Type: Structural Error

Calculate history time: Yes

Suppressed: No

Intergration point result:

Display option: Averaged

Averaged across body: No

Result:

Minimum: 9.0772e-010 mJMaximum: 2.9548 mJTotal: 153.92 mJMinimum occurs on: SolidMaximum occurs on: SolidInformation:

Time, load step, substep, iterison number: 1

Chương 3:

Phân tích

Từ các số liệu thực tế đã có ở đầu ra chương 2 , ta tiến hành phân tích trên diệnrộng , thay đổi giá trị lưới và thay đổi giá trị lực , để đánh giá khả năng làm việccủa chi tiết trên mọi điều kiện

3.1 Bảng so sánh số liệu

(N)

EquivalentStress( MPa)

TotalDeformation( mm )

StructuralError( mJ )

3.2 Ảnh hưởng từ Lưới (Mesh)

3.2.1 Lựa chọn giá trị Lưới

Kích thước mắc lưới là một trong những vấn đề lớn trong quá trình mô phỏng phần

từ hữu hạn trong phần mền Ansys này Vì vậy chúng ta cần phải lựa chọn loại lướicũng như kích thước mắc lưới phù hợp cho từng bài toán khác nhau

Với loại kích thước lớn thì mô phỏng sẽ cho ta kết quả không được chính xác sovới thực tế ( kết quả xấu ) Với loại lưới có kích thước mắc lưới nhỏ sẽ cho chúng

ta kết quả rất tốt, nhưng điều này sẽ dẫn tới việc máy tính của bạn sẽ bị quá tải, có

thể dẫn đến việc không nhận được kết quả Vì vậy, hầu như các bạn đều không thểbiết chính xác bài toán của bạn cần phải chia lưới như thế nào là tốt nhất.

Để giải quyết vấn đề này chia lưới trong mô phỏng này, cần phải thực hiện theomột số mẹo sau đây:

- Thực hiện phân tích trên nhiều loại kích thước mắc lưới khác nhau

- Lưu ý những nơi có xảy ra biến dạng, ứng xuất cao nên tính chỉnh lưới ởnhững vùng đó

- Thu thập tất cả số liệu phân tích từ những loại lưới khác nhau: Kết quả, sốlượng nút, thời gian tính toán

- Đối với bài toán này kích thước mắc lưới tối đa được chọn là 5 (mm), vì một

số lưới thô sẽ được tính toán nhanh chóng hơn nhưng ngược lại đưa ra một kếtquả tính toán không chính xác Kích thước phần tử tối thiểu là 2.5 (mm) kíchthước nhỏ nên kết quả tính toán sẽ rất tốt

Trong biểu đồ đường thể hiện về sự ảnh hưởng của lưới đến Equivalent Stress.

Sự tăng giảm ổn định trong khoảng từ lưới 2.5 – lưới 5 Sự chính xác của kết quả

sẽ được dựa vào độ mịn của lưới được chia

Vì sơ đồ trên là nằm trong khoảng hội tụ nên giá trị không thay đổi đáng

kể, chỉ xoay quanh một giá trị

Để đảm bảo được độ tin cậy của nhíp xe dãy lực được lựa chọn để đặt vào nhíp là20000N – 40000 N

3.3.2 Phân tích biểu đồ

Structural Error

Sự tăng trưởng của biểu đồ về cách đặt lực tác động đến lỗi cấu trúc Lỗi cấu trúc tăng tương đối đều Lý do là khi lực tăng, độ bền của vật liệu ngày càng yếu, dẫn đến dễ biến dạng và các yếu tố khác Do đó, lỗi cấu trúc tăng khi lực tăng

Equivalent Stress

Tương tự như lỗi cấu trúc, ứng suất tương đương cũng tăng đều theo lực Do đó, khi lực càng lớn thì ứng suất càng tăng Vì độ bền kéo 761 MPa mà khi lực 40000

N thì ứng suất 648 < 761 ( MPa) nằm trong khoảng an toàn, chi tiết vẫn làm việc

ổn định Ngoài ra, lực còn có thể tăng thêm nhưng khoảng tối ưu < 40000 N

Chi tiết hoàn toàn có thể hoạt động tốt trong khoảng lực từ 20000-40000 N

Total Deformation

Giá trị của quá trình dịch chuyển của nhíp hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào tải trọng mà nhíp phải chịu Chiều tăng của lực tỉ lệ thuận với sự dịch chuyển của nhíp Giá trị tăng cao nhất 1.7492 mm, thấp nhất 0.8746mm Khoảng dịch chuyển 0.8746 mm

Dễ thấy sự gia tăng của chuyển vị rất đều khi ta tăng lực đều dễ dàng nhận ra đâygầy như là 1 phần của định luật HOOKE

phân tích trên nhiều khía cạnh khác nhau, cho thấy được tổng quan kết quả của bàitoán

Trong bài báo cáo này chúng tôi đưa ra một số ý kiến sau:

- Rất hữu ích trong việc xem xét về quá tình đặt lực hợp lí cho chi tiết, vi khiđược áp dụng nó rất dễ thay đổi các thông số như chuyển vị, ứng suất …

- Chọn kích thước mắc lưới hợp lí nhanh chóng

Như đã phần tích trên chương 3 :

- Chi tiết hoạt động tốt trong khoảng lực < 40000 N

- Kết quả phần tích đạt yêu cầu hội tụ

- Bề dày thành phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết

- Chi tiết có thể tiến hành sản xuất

Tài liệu tham khảo

Bài giữa kì mẫu 1 – ĐỖ THỊ THU HIỀN -

https://drive.google.com/file/d/1zzwKVpT5apvXLw6xzDNRzhBxbt4a25-M/view?usp=sharing

Bài giữa kì mẫu 2 – PHAN VĂN NHUẬN- dMPpQwu9djzlnQHLuOu6xO8xiNCaPf/view?usp=sharing

https://drive.google.com/file/d/1I-Cách chia lưới trong ansys :phan-mem-ansys/

http://daotaocadcam.info/cac-hinh-thuc-tao-luoi-trong-Hhlee : http://myweb.ncku.edu.tw/~hhlee/Myweb_at_NCKU/ANSYS2019.html