- VŨ VĂN NHÂN KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU CỦA DẦM CẦU TRƯỚC CỦA Ô TÔ TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHOÁ 2015B Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - VŨ VĂN NHÂN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU CỦA DẦM CẦU TRƯỚC CỦA Ô TÔ TẢI Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. - 10 1.1.1 Thực trạng 10 1.1.2 Định hướng phát triển 11 1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển 11 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải 12 1.2.1 Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô tải 12 1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của dầm cầu ô tô tải 13 1.2.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của dầm cầu trước ô tô tải Đặc điểm cấu tạo Vật liệu và công nghệ chế tạo Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng 14 1.3 Độ bền dầm cầu và các phương pháp đánh giá 15 1.3.1 Phương pháp truyền thống 15 1.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 16 1.4 Hướng nghiên cứu về độ bền dầm cầu 18 1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi Tải trọng mấp mô từ mặt đường Đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước 20 1.5 Các công trình nghiên cứu trong nước và vấn đề nghiên cứu của luận văn 26 1.6 Đối tượng nghiên cứu 26 2 1.7 Nội dung của luận văn 27 1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu 28 1.7.2 Phương pháp nghiên cứu 28 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỀN DẦM CẦU 29 2.1 Các chế độ tải trọng và phương pháp đánh giá bộ bền dầm cầu 29 2.1.1 Các tải trọng tác dụng lên dầm câu trước của ô tô tải 29 2.1.2 Xác định tải trọng theo phương pháp truyền thống 30 2.1.3 Tính toán dầm cầu bằng phần mềm chuyên dụng Phương pháp tính toán dầm cầu 3D Xác định các tải trọng tác dụng lên dầm cầu Lựa chọn các hàm kích thích từ mặt đường Đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương Von Mises 35 2.1.4 Tính toán bền mỏi dầm cầu Tải trọng biến thiên và giới hạn mỏi Phương pháp đánh giá bền mỏi 39 2.2 Xây dựng mô hình tính toán tải trọng động tác dụng lên dầm cầu 43 2.2.1 Phương pháp xây dựng mô hình 43 2.2.2 Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết 44 2.2.3 Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe 48 CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN BỀN MỎI DẦM CẦU TRƯỚC Ô TÔ TẢI 49 3.1 Thông số kĩ thuật của xe tham khảo Dongfeng 2,45 tấn 49 3.2 Chế độ tính toán 52 3.3 Tính toán xác định tải trọng 52 3.3.1 Mấp mô đường theo ISO Tính toán tải trọng thẳng đứng Fz. - 56 3.3.3 Tính ứng suất trên dầm cầu 58 3.4 Tính bền mỏi dầm cầu 61 3.4.1 Xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất Xây dựng đường cong mỏi 63 3.4.3 Tính bền mỏi dầm cầu 66 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Tài liệu tham khảo tiếng Việt 69 Tài liệu tham khảo nước ngoài 69 4 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị g Gia tốc trọng trường m/s2 f Hệ số cản lăn v Vận tốc chuyển động của xe km/h rt Bán kính tĩnh bánh xe m C11,C12 Độ cứng hệ thống treo trước N/m C21,C22 Độ cứng hệ thống treo sau N/m K21,K22 Hệ số cản giảm chấn trước N.s/m CL11,CL12 Hệ số cản giảm chấn sau N.s/m CL21,CL22 Độ cứng hướng kinh lốp trước N/m mA1 Độ cứng hướng kinh lốp sau N/m mA2 Khối lượng không được treo trước kg M Khối lượng không được treo sau kg Mcl Khối lượng toàn bộ xe đầy tải kg Mc2 Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước kg LW Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau kg BW Chiều dài toàn bộ của xe m HW Chiều rộng toàn bộ của xe m L Chiều dài cơ sở m b1 Một nửa khoảng cách vết bánh xe trước m b2 Một nửa khoảng cách vết bánh xe sau m w1 Một nửa khoảng cách nhíp trước m w2 Một nửa khoảng cách nhíp sau m hg Chiều cao trọng tâm m r1 Bán kính động bánh xe trước m r2 Bán kính động bánh xe sau m 5 Jx Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục dọc x kgm2 Jy Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục ngang y kgm2 Jz Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục thẳng đứng z kgm2 JAx1 Mô men quán tính khối lượng của cầu trước quanh trục dọc x kgm2 JAx2 Mô men quán tính khối lượng của cầu sau quanh trục dọc x kgm2 JAy11, JAy12 Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe trước quanh trục ngang y kgm2 JAy21, JAy22 Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe sau quanh trục ngang y kgm2 φx Hệ số bám dọc cực đại βA1,βA2 Góc lắc ngang của cầu thứ 1,2 rad β Góc lắc ngang của thân xe rad φ Góc lắc dọc của thân xe rad Ψ Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng rad x Chuyển vị theo phương dọc của khối lượng được treo m y Chuyển vị theo phương ngang của khối lượng được treo m z Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo m Φij Góc quay bánh xe thứ ij rad ξA1,ξA2 Chuyển vị của khối lượng không được treo cầu 1,2 m δ11,δ12 Góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải Độ ʄtdij Độ võng (Hành trình trả) của nhíp gần với bánh xe ij m ʄndij Độ võng (Hành trình nén) của nhíp gần với bánh xe ij m MAij Mô men cấp cho bánh xe thứ ij Nm MBij Mô men bánh bánh xe thứ ij Nm 6 Mij Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y Nm Fxij Lực tác dụng lên bánh xe theo phương dọc bánh xe thứ ij N Fyij Lực tác dụng lên bánh xe theo phương ngang bánh xe thứ ij N Fziy Lực tác dụng lên bánh xe thứ ị theo phương thẳng đứng N FGij Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij N FCij Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ ij N FKij Lực cản giảm chấn hệ thống treo gần bánh xe thứ ij N FClij Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij N mc Hệ số phân bố lại trọng lượng trên cầu chủ động - Gd Hàm mật độ phổ năng lượng của chiều cao mấp mô của mặt đường - Ω Tần số góc rad/m n Tần số không gian Chu kỳ/m no Giá trị tham chiếu của tần số không gian Chu kỳ/m h Chiều cao mấp mô m Hm Chiều cao mấp mô dạng sin m Lm Chiều dài mấp mô dạng sin m t Thời gian s σmax Ứng suất cực đại MPa [σ],Su Ứng suất giới hạn bền của vật liệu chế tạo MPa τmax Ứng suất cắt lớn nhât MPa σy Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu MPa σv Ứng suất tương đương Von Mises MPa S’e Ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu MPa σm Ứng suất trung bình MPa σr Vùng biến thiên ứng suất MPa 7 σa Biên độ ứng suất MPa R Hệ số ứng suất - A Hệ số biên độ - Danh mục các chữ viết tắt: CKD Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Completely Knocked Down. - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ISO 8608:1995 phân loại đường 20 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật xe tải Dongfeng DVM 2.5 49 Bảng 3.2 Thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng động lực học 50 Bảng 3.3 Thành phần hợp chất trong thép AISI 1020 62 Bảng 3.4: Cơ tính của vật liệu 63 Bảng 3.5: Tính tuổi thọ trên đường D-E 66 Bảng 3.6: Tính tuổi thọ trên đường E-F 67 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo dầm cầu trước ô tô tải 13 Hình 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải và các chi tiết hệ thống treo 14 Hình 1.3 Thanh dầm cầu trước ô tô tải 14 Hình 1.4 Mô hình dầm cầu sử dụng trong tính toán bằng phương pháp PTHH 16 Hình 1.5 So sánh các phương pháp đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương 17 Hình 1.6 Đường cong mỏi thực nghiệm đo được từ các mẫu thép A517 [6] 21 Hinh 1.7 kết quả thí nghiệm trên thiết bị tiêu chuẩn [6] 22 Hình 1.8: Kết quả thí nghiệm với các tải trọng khác (Kéo nén đúng tâm, Tải trọng xoắn) 23 Hình 1.10 Các tiêu chuẩn bền mỏi [6] 25 Hình 1.11: Phân bố ứng suất trên dầm cầu theo kết quả tính toán bằng ANSYS [21] 26 Hình 1.12: xe DongFeng DVM 2.5 tải trọng 2.45 tấn 27 Hình 2.1 Sơ đồ các lực tác dụng lên dầm cầu ô tô tải 28 Hình 2.2. - Mấp mô dạng sin 33 Hình 2.3: ứng suất trong các chi tiết chịu kéo đơn thuần 35 Hình 2.4: Đồ thị biến thiên ứng suất trên chi tiết chịu tải 37 Hình 2.5 Biểu đồ giới hạn mỏi [6] 40 Hình 2.6: Biểu đồ các đường giới hạn mỏi [6] 41 Hình 2.7: Mô hình không gian xe tải 46 Hình 2.8: Tiết diện dầm cầu 53 Hình 3.1: Tính toán bằng Matlab thu được kết quả bề mặt 3 loại đường 54 Hình 3.1a Mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO Hình 3.1b: Mấp mô mặt đường C-D 55 Hình 3.1c: Mấp mô mặt đường D-E 55 Hình 3.1d: Mấp mô mặt đường E-F 55 9 Hình 3.2: Đưa h(x) và bài toán mô hình động lực học để tính các Fz1j 56 Hình 3.2a: Tải trọng theo phương thẳng đứng Fz (v=40km/h, đường C-D) 57 Hình 3.2b: Tải trọng theo phương thẳng đứng Fz (v=40km/h, đường D-E) 57 Hình 3.2c: Tải trọng theo phương thẳng đứng Fz (v=40km/h, đường E-F) 57 Hình 3.3: Sơ đồ tính toán dầm cầu 59 Hình 3.4: Tiết diện dầm cầu 59 Hình 3.5: Thực hiện tính toán ứng suất theo sự thay đổi của lực Fz 59 Hình 3.5a: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường C-D 60 Hình 3.5b: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường D-E 60 Hình 3.5c: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường E-F 60 Hình 3.6a: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường C-D 61 Hình 3.6b: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường D-E 61 Hình 3.6c: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường E-F 62 Hı̀nh 3.7 Đường cong mỏi trên hệ trục logarit 63 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải. - 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải 1.2.1 Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô tải. - 13 Hình 1.1 Cấu tạo dầm cầu trước ô tô tải Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô được mô tả như trên hình 1.1, thông thường được làm bằng thép dập có dạng chữ I, hai đầu cuối uốn cong về phía trên. - 1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của dầm cầu ô tô tải Mỗi một bộ phận của dầm cầu thực hiện chức năng riêng. - Dầm cầu đóng vai trò chính trong hệ thống treo phụ thuộc, và thực hiện chức năng của dầm đỡ toàn bộ phần trọng lượng phía trước của ô tô và chịu các tải trọng tương tác bánh xe với đường. - Vì vậy kết cấu của dầm cầu phải đảm bảo độ bền. - 1.2.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của dầm cầu trước ô tô tải 1.2.3.1 Đặc điểm cấu tạo. - 14 Cấu trúc của dầm cầu trước xe tải có cấu tạo đơn giản, không có nhiều chủng loại và thông thường là giống nhau, có dạng thanh tiết diện chữ I, hai đầu được uốn lên trên Hình 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải và các chi tiết hệ thống treo Thanh dầm có tiết diện đều, đối xứng. - Hình 1.3 Thanh dầm cầu trước ô tô tải 1.2.3.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo Hiện nay đối với dầm cầu ô tô tải, thép dập là loại vật liệu được sử dụng phổ biến hơn cả nhờ có độ bền cao và có những tính chất đặc biệt phù hợp với công nghệ. - 1.2.3.3 Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng 15 Dầm cầu phải chịu tác dụng của các lực và mô men từ các bánh xe truyền lên cùng với các lực tương tác với hệ thống treo. - Các lực này tạo thành các tải trọng động lên dầm cầu dưới dạng lực hoặc mô men. - Trong quá trình chuyển động của ô tô, dầm cầu phải chịu tác dụng của các lực từ khối lượng được treo truyền qua các vị trí lắp nhíp và giảm chấn. - Do ô tô tải thường xuyên phải hoạt động trên đường xấu, nên dầm cầu phải chịu tải trọng động biến thiên liên tục với biên độ lớn. - Sự biến thiên của tải trọng thẳng đứng do mấp mô mặt đường gây nên hiện tượng hư hỏng do mỏi làm giảm tuổi thọ của dầm cầu [6] Những phân tích trên đây cho thấy, dầm cầu trước ô tô tải phải chịu tác dụng của các lực động theo cả 3 phương cùng với mô men uốn nên dầm cẩu phải đảm bảo độ bền để không ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của xe. - 1.3 Độ bền dầm cầu và các phương pháp đánh giá 1.3.1 Phương pháp truyền thống Để đánh giá độ bền dầm cầu theo phương pháp này, người ta thường tính toán cho ba trường hợp đặc trưng sau [6. - Ba trường hợp trên được tính toán độc lập với mục đích xác định giá trị ứng suất cực đại σmax trên dầm cầu. - Dầm cầu được coi là đủ bền nếu ứng suất cực đại không vượt quá giới hạn cho phép đối với vật liệu chế tạo: σmax ≤ [σ], trong đó [σ] là giới hạn cho phép của vật liệu chế tạo. - 1.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Cùng với sự phát triển của phần mềm tính toán chuyên dụng, phương pháp tính toán độ bền dầm cầu bằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ bền dầm cầu. - Để tính toán bằng phương pháp PTHH, người ta xây dựng mô hình 3D dầm cầu như trên hình 1.4. - Với các lực tác động và các điều kiện ràng buộc được đặt tại các vị trí tương ứng, phần mềm chuyên dụng cho kết quả là giá trị ứng suất phân bố trên toàn bộ dầm cầu. - Hình 1.4 Mô hình dầm cầu sử dụng trong tính toán bằng phương pháp PTHH Do dầm cầu phải chịu tác động đồng thời của nhiều lực và mô men theo các phương, nên để đánh giá độ bền của nó người ta phải sử dụng ứng suất tương đương. - Hiện nay, có khá nhiều phương pháp xác định ứng suất tương đương trong trường hợp chi tiết phải chịu tải trọng phức tạp. - Ứng suất Von Mises được xác định từ giả thiết cân bằng năng lượng biến dạng trong trường hợp chi tiết chịu tải phức tạp với trường hợp chịu kéo đơn thuần. - Tresca VonMises Hình 1.5 So sánh các phương pháp đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương Hiện nay ứng suất tương đương Von Mises được sử dụng phổ biến hơn cả trong các phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng. - 18 1.4 Hướng nghiên cứu độ bền dầm cầu. - 1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi 1.4.1.1 Tải trọng mấp mô từ mặt đường Kích thích từ mặt đường gây nên tải trọng động biến thiên liên tục theo thời gian tác dụng lên dầm cầu và trở thành nguyên nhân tiềm tàng gây hiện tượng hư hỏng do mỏi. - Nhiều công trình đã công bố các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này, trong đó có tác giả [8] đã sử dụng mô hình dao động của ô tô với kích thích từ mặt đường làm hàm ngẫu nhiên để xác định tải trọng đặt lên dầm cầu. - Các tải trọng này sau đó được sử dụng làm điều kiện đầu vào để đánh giá độ bền mỏi của dầm cầu. - Nhiều công trình nghiên cứu khác, đã công bố kết quả đánh giá độ bền mỏi của dầm cầu trước ô tô tải chịu tác động của tải trọng động do kích thích ngẫu nhiên từ mấp mô mặt đường bằng nhiều phương pháp tương tự như trên. - Nếu như trước đây, mấp mô mặt đường được sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu dao động ô tô thì gần đây lĩnh vực ứng dụng của nó đã được mở rộng sang bài toán bền mỏi của các chi tiết liên quan trong đó có dầm cầu trước xe ô tô tải. - Hàm mấp mô mặt đường trên đây được sử dụng làm kích thích đầu vào cho mô hình động lực học ô tô nhằm xác định tải trọng từ mấp mô mặt đường tác dụng lên dầm cầu trước. - n0 = 0,1 chu kỳ/m Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ISO 8608-1995 phân loại đường 1.4.1.2 Đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước Để đánh giá độ bền lâu của chi tiết chịu tải trọng lặp có chu kì, người ta thường sử dụng đường cong mỏi đo bằng thực nghiệm (còn gọi là đường cong S-N) Trên hình 1.6 là một ví dụ của đường cong thực nghiệm đo được trên thiết bị thí nghiệm bền mỏi kiểu R.R. - Đồ thị hình 1.6 cho thấy, nếu chi tiết chịu ứng suất thấp hơn S’e thì không xảy ra hỏng do mỏi ngay cả khi N. - Giá trị ứng suất S’e được gọi là giới hạn mỏi 21 chuẩn của vật liệu, do được xác định bằng thiết bị và quy trình chuẩn. - Su Ngoài ra, kết quả thí nghiệm trên hình 1.6 cũng cho thấy chi tiết có thể chịu được 103 chu kì tải với ứng suất bằng 90% giới hạn bền của vật liệu (ở điểm đầu tiên của đường cong S-N ta có S = 0,9.Su. - Hình 1.8: Kết quả thí nghiệm với các tải trọng khác (Kéo nén đúng tâm, Xoắn) Do không thể làm thí nghiệm xác định S’e cho mọi điều kiện tải trọng, nên người ta chấp nhận việc xác định giới hạn bền mỏi S’e theo ứng suất giới hạn của vật liệu Su thông qua một hệ số kinh nghiệm [6]: S’e = kv. - Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm [6] cho thấy, hư hỏng do mỏi phụ thuộc chủ yếu vào 2 thông số đặc trưng của ứng suất mà chi tiết phải chịu: giá trị trung bình σm và biên độ σa của nó. - Biên độ ứng suất Ứng suất trung bình Hình 1.10 Các tiêu chuẩn bền mỏi 25 Nếu sử dụng tiêu chuẩn Goodman thì đường tuổi thọ được mô tả bằng biểu thức. - Chẳng hạn các tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích kết cấu và thực hiện tính toán bền mỏi dầm cầu. - Một trong những khâu quan trọng trong quy trình thiết kế chế tạo các chi tiết cơ khí như dầm cầu trước ô tô tải chính là đánh giá chất lượng sản phẩm, trong đó có độ bền. - Dầm cầu trước ô tô tải chịu tác động trực tiếp từ mấp mô mặt đường, nên tải trọng tác dụng lên nó biến thiên theo quy luật ngẫu nghiên trong phạm vi rất rộng. - Vì vậy, việc đánh giá độ bền của dầm cầu là rất phức tạp, có thể đánh giá bằng hai phương pháp: lí thuyết và thực nghiệm. - Trước tình hình trên, học viên đã chọn hướng nghiên cứu cho luận văn cao học của mình là nghiên cứu đánh giá độ bền của dầm cầu trước ô tô tải nhẹ sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. - 1.6 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là dầm cầu trước ô tô tải, nhãn hiệu DongFeng DVM 2.5 tải trọng 2.45 tấn (hình 1.12) 27 Hình 1.12: xe DongFeng DVM 2.5 tải trọng 2.45 tấn Ô tô DongFeng DVM 2.5 là ô tô tải nhỏ loại tự đổ có 1 cầu (sau) chủ động. - Trọng lượng phân bố tĩnh lên dầm cầu trước là 14500N. - Dầm cầu trước ô tô này thuộc loại thép dập, tiết diện chữ I. - 1.7 Nội dung của luận văn Xuất phát từ những phân tích ở trên, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của dầm cầu trước của ô tô tải” cho luận văn cao học của mình nhằm góp phần từng bước xây dựng nền tảng lí thuyết vững chắc phục vụ cho sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô trong nước. - 1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng phương pháp đánh giá độ bền mỏi của dầm cầu trước ô tô tải bằng tính toán lí thuyết. - Tìm hiểu tổng quan về đặc điểm cấu tạo và các điều kiện làm việc của dầm cầu trước ô tô tải, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu cho luận văn. - 28 - Nghiên cứu cơ sở lí thuyết và phương pháp tính toán bền mỏi dầm cầu trước ô tô tải. - Tính toán bền mỏi dầm cầu trước ô tô tải trong điều kiện chuyển động trên các loại đường theo ISO 8608:1995. - 29 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỀN DẦM CẦU Chương 2 của luận văn sẽ trình bày cơ sở lí thuyết tính bền mỏi và xây dựng mô hình tải trọng động tác dụng lên dầm. - Tiếp theo đó là mô hình xác định tải trọng động lên dầm cầu được xây dựng trên mô hình động lực học chuyển động tổng quát của ô tô và định hướng cho giải thuật bằng phần mềm Matlab Simulink. - 2.1 Các chế độ tải trọng và phương pháp đánh giá bộ bền dầm cầu. - 2.1.1 Các tải trọng tác dụng lên dầm cầu trước của ô tô tải Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên dầm cầu trước của ô tô tải được mô tả trên hình 2.1. - Dầm cầu được đặt trên các bánh xe có bán kính r1 và đỡ trọng lượng phần được treo thông qua các bộ nhíp đặt tại các vị trí B và D như trên hình vẽ. - FZ11FZn112b1Fy11FZn12FZ12Fy12FxiFx11Fy11Fyn11Fyn11Fyn12Fyn12Fxn11Fxn12Fy12Fx12aar1MyiBD Hình 2.1 Sơ đồ các lực tác dụng lên dầm cầu ô tô tải 30 Trong mặt phẳng thẳng đứng (hình 2.1) dầm cầu chịu tác dụng của các phản lực từ mặt đường FZ11, FZ12 và các lực từ nhíp FZn11 và FZn12 Trong mặt phẳng song song với mặt đường (hình 2.1), dầm cầu chịu tác dụng của các lực dọc Fx11 và Fx12 (lực phanh) và lực từ nhíp truyền qua các gồi đỡ Fxn11 và Fxn12 Trong chuyển động quay vòng có thêm các lực ngang Fy11 và Fy12 đặt tại vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường. - Do dầm cầu chịu tác dụng của nhiều tải trọng đồng thời, nên việc tính toán nó theo đúng điều kiện thực tế rất phức tạp. - Theo phương pháp truyền thống, dầm cầu thường được tính bền cho 3 trường hợp tải trọng đặc trưng với các phần lực từ mặt đường lên bánh xe đạt giá trị cực đại. - Ngày nay, người ta thường sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu 3D để đánh giá dầm cầu một cách đầy đủ và toàn diện hơn. - 2.1.2 Xác định tải trọng theo phương pháp truyền thống a) Trường hợp chuyển động thẳng với lực dọc cực đại Trong trường hợp này, dầm cầu chịu các lực và mô men sau. - Mô men xoắn : My11= My12 = Fx1max r1 (2.4) Trong các công thức trên, mc là hệ số phân bố lại trọng lượng trên dầm cầu khi kéo. - b) Trường hợp quay vòng với lực ngang cực đại Trong trường hợp này, dầm cầu chịu các lực sau: 31 - Lực dọc: Fx11 = Fx12 = 0 (2.5. - (2.7) Trong trường hợp này, dầm cầu chịu chỉ ứng suất uốn do các lực Fy1i và Fz1i tạo nên. - c) Trường hợp chuyển động trên đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại Trong trường hợp này, dầm cầu chịu các lực sau. - (2.10) Các giá trị tải trọng xác định được cho các trường hợp trên được đưa vào mô hình 3D của phần mềm Hyperworks với các điều kiện rằng buộc phù hợp để tính bền dầm cầu. - Các trường hợp này được tính toán độc lấp với nhau và nhằm mục đích chung là đảm bảo ứng suất cực đại trên dầm cầu không vượt quá giới hạn bền cho phép. - 2.1.3 Tính toán dầm cầu bằng phần mềm chuyên dụng 2.1.3.1 Phương pháp tính toán dầm cầu 3D Các phần mềm phân tích kết cấu hiện nay sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán xác định ứng suất tại các phần tử trên dầm cầu. - Độ chính xác và tin cậy của phương pháp tính toán này phụ thuộc nhiều vào việc xác định các tải trọng và ràng buộc đặt lên dầm cầu sao cho đúng với điều kiện chuyển động thực của ô tô. - 2.1.3.2 Xác định các tải trọng tác dụng lên dầm cầu Các lực và mô men tác động lên dầm cầu biến thiên liên tục trong quá trình chuyển động của ô tô, giá trị của chúng phụ thuộc vào điều kiện chuyển động cụ thể. - Việc xây dựng mô hình chuyển động tổng quát của ô tô được mô tả chi tiết trong mục Lựa chọn các hàm kích thích từ mặt đường Để mô tả hàm kích thích từ mặt đường tác động lên bánh xe của dầm cầu trước ô tô, người ta thường sử dụng các loại mấp mô khác nhau. - (2.20) Để khảo sát biên dạng mặt đường, luận văn sẽ vận dụng công thức Đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương Von Mises Thông thường ứng xuất được xác định theo phương tác dụng của nó. - Chẳng hạn, trên hình 2.3, ứng suất xuất hiện trong chi tiết do lực kéo Py. - Nếu tăng dần lực kéo cho tới khi ứng suất đạt tới giới hạn chảy σy thì chi tiết coi như bị hỏng. - Trong những trường 36 hợp như vây, để đánh giá độ bền của chi tiết người ta thường sử dụng ứng suất tổng hợp hoặc ứng suất tương đương. - Ứng suất giới hạn của vật liệu trong trường hợp này thường được chọn là giới hạn chảy σy (yield streess). - σv (2.22) Như vậy, chi tiết coi như bị hỏng khi: σ v ≥ σy (2.23) Trong trường hợp tổng quát, ứng suất von Mises được xác định như sau: σv. - (2.24) Với τ12, τ23, τ31 là các thành phần ứng suất tiếp. - 37 Ý nghĩa của việc sử dụng ứng suất tương đương von Mises là độ bền của chi tiết chịu ứng suất phức tạp được đánh giá thông qua giới hạn chảy được xác định cho trường chịu tải đơn trục σy. - Hiện nay các phần mềm chuyên dụng đều cho phép xuất kết quả ứng suất dưới dạng Von Mises. - 2.1.4 Tính toán bền mỏi dầm cầu 2.1.4.1 Tải trọng biến thiên và giới hạn mỏi Để đánh giá khả năng chịu mỏi của vật liệu, người ta làm thí nghiệm trên các mẫu thử với tải trọng tác động theo chu kỳ dạng sin như hình 2.4. - (2.26) Biên độ ứng suất: max min22raσσσσ. - (2.27) Hệ số ứng suất: minmaxRσσ Hệ số biên độ: 11amRARσσ. - Giới hạn bền mỏi cũng có thể được tính theo ứng suất giới hạn của vật liệu Su: S’e = 0,5Su , với Su ≤ 1400 MPa . - kR- hệ số độ tin cậy: kR = 1/kf, trong đó kf được tính bằng hệ số tập trung ứng suất tĩnh Kt: maxmintno alKσσ Với σmax là ứng xuất pic, σnominal là ứng suất nominal Để xác định σnominal, người ta coi dầm cầu là một dầm dạng hộp đơn giản có tiết diện đều theo trục x và chỉ chịu mô nem uốn thuần túy: minno aluMWσ= (2.33) với M là mô men uốn, Wu là mô men chống uốn tại tiết diện nguy hiểm. - Lần lượt tính toán với các loại đường ta thu được kết quả như sau: Đối với đường C-D: Từ biểu đồ ứng suất đối với đường C-D, ta nhận thấy giá trị ứng suất lớn nhất đạt 105MPa < Se = 130Mpa, nên có thể kết luận: nếu chỉ chuyển động trên loại đường C-D thì dầm cầu không bị hư hỏng do mỏi. - N E-06 1,E E E E E E E E-05 Nhận xét: Chất lượng mặt đường có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền mỏi của dầm cầu trước. - Với loại đường có độ mấp mô thấp như đường C-D thì dầm cầu không bị hư hỏng do mỏi. - Nếu chuyển động trên loại đường xấu như đường D-E thì dầm cầu (với vật liệu và kích thước đã chọn) sẽ xảy ra hư hỏng do mỏi sau 1.323.954km hoạt động (5,2.106 chu kì. - Với loại đường rất xấu như đường E-F, dầm cầu sẽ hư hỏng chỉ sau 2.173km hoạt động với tốc độ 40km/h. - Luận văn đã nghiên cứu phương pháp tính bền mỏi và áp dụng để tính toán độ bền dầm cầu trước ô tô tải nhẹ. - Luận văn đã xây dựng được đường cong mỏi theo công thức kinh nghiệm cho vật liệu dầm cầu và ứng dụng quy tắc Palmgren-Miner để tính bền mỏi dầm cầu. - Đánh giá độ bền mỏi của dầm cầu khi xe chạy trên 3 loại đường, đường trung bình C-D, đường xấu (D-E) và đường rất xấu (E-F) theo tiêu chuẩn ISO, kết quả cho thấy nếu chỉ di chuyển trên đường C-D thì dầm cầu không bị hư hỏng do mỏi. - Nếu thường xuyên di chuyển trên đường xấu D-E với vận tốc 40Km/h, thì dầm cầu sẽ hư hỏng do mỏi sau 5,2.106 chu kì (khoảng 1,3 triệu Km). - Khi chạy trên đường rất xấu (E-F) thì dầm cầu trước sẽ hư hỏng do mỏi sau khoảng 8,6.103 chu kì (khoảng 2,2 Km)
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt