TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu phương pháp mô phỏng kiểm
bền hệ thống khung gầm xe ô tô
NGUYỄN MINH TIẾN


Ngành Kỹ thuật ô tô

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Thanh Tùng
Chữ ký của GVHD

Viện:

Cơ khí động lực

HÀ NỘI, 1/2022


Lời cảm ơn
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn, em luôn được các thầy
cô trong Bộ môn Ơ tơ và xe chun dụng nói riêng và Viện Cơ khí động lực nói
chung giúp đỡ tận tình khơng chỉ trong việc tìm kiếm tài liệu mà cịn cung cấp kiến
thức về đề tài của em. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô đã
hướng dẫn em trong thời gian qua. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS.
Trần Thanh Tùng, thầy đã giúp em rất nhiều trong khoảng thời gian học tập và
nghiên cứu hồn thành luận văn này.

Tóm tắt nội dung luận văn
Hiện nay, có một số phương án để kiểm nghiệm và đánh giá độ bền của các
hệ thống trên xe ơ tơ, đó là tính tốn lý thuyết dựa trên các công thức, ứng dụng
các công nghệ máy tính và thực nghiệm kiểm tra. Với sự phát triển mạnh mẽ của
khoa học công nghệ, các phần mềm mơ phỏng hỗ trợ tính tốn kiểm nghiệm ngày
càng được tối ưu và chính xác, thực hiện nhanh chóng và cho kết quả trực quan so
với tính tốn lý thuyết và tiết kiệm so với thực nghiệm. Vì vậy, trong đề tài luận
văn này, em đã đưa ra quá trình kiểm bền tĩnh với tải trọng tối đa cho khung xe,
kiểm nghiệm sử dụng phần mềm Hyperworks. Sau đó, xây dựng sơ đồ Động lực
học cho xe tải, sử dụng phần mềm Amesim, tính tốn các tải trọng động từ mặt
đường mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 và đánh giá các kết quả nhận được
từ phần mềm. Các mấp mơ mặt đường được sử dụng là các địa hình xe thường
xuyên phải di chuyển: AB (loại đường rất tốt), BC (đường tốt) và CD là loại đường
có mấp mơ ở mức trung bình. Bài tốn kiểm nghiệm bền mỏi được quay lại thiết
lập trên Hyperworks để đánh giá chu kỳ mỏi và tổn thương của khung khi chịu các
tải trọng thay đổi như đã tính tốn được phía trên. Tiếp đó, dựa trên kết quả đánh
giá về chu kỳ và khả năng chịu mỏi, em đưa ra một số biện pháp cải tiến, thay thế.
Các kết quả tính tốn, đánh giá cụ thể được thực hiện trong từng phần của luận
văn.
Trong quá trình triển khai luận văn, em chưa thể khảo sát, đánh giá được hết
các trường hợp mà khung xe tải phải chịu khi di chuyển trên đường thực tế cũng
như đưa ra được các phương pháp tối ưu hóa. Vì vậy, trong tương lai, em sẽ nghiên
cứu các trường hợp bền khung khi xe chuyển động thẳng đều có lực kéo cực đại,
khi xe phanh với lực phanh cực đại,… đồng thời đưa thêm các phương pháp tối ưu
hóa.
HỌC VIÊN

Nguyễn Minh Tiến



MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................. 1
1.1

Giới thiệu chung ......................................................................................... 1

1.2

Xe tải .......................................................................................................... 2
1.2.1

Khái niệm .................................................................................... 2

1.2.2

Phân loại ...................................................................................... 2

1.3

Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 3

1.4

Các phương pháp tính tốn độ bền khung ................................................. 4
1.4.1

Phương pháp truyền thống .......................................................... 4

1.4.2


Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................... 4

1.5

Mục tiêu đề tài ............................................................................................ 9

1.6

Kết luận chương 1 .................................................................................... 10

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ............................................................. 11
2.1

Xây dựng mơ hình 3D .............................................................................. 11

2.2

Xây dựng mơ hình Phần tử hữu hạn ........................................................ 11

2.3

2.2.1

Giả thiết mơ hình phần tử hữu hạn. .......................................... 11

2.2.2

Dựng mơ hình ........................................................................... 12

Kết luận chương 2 .................................................................................... 23


CHƯƠNG 3. BÀI TOÁN KIỂM BỀN TĨNH .................................................. 24
3.1

Sơ lược về bộ giả Optistruct..................................................................... 24

3.2

Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 24
3.2.1

Ứng suất .................................................................................... 24

3.2.2

Bài toán tuyến tính tĩnh ............................................................. 25

3.3

Thiết lập bài tốn ...................................................................................... 27

3.4

Kết quả ..................................................................................................... 28

3.5

Kết luận chương 3 .................................................................................... 30

CHƯƠNG 4. BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC .................................................. 31

4.1

Giới thiệu phần mềm ................................................................................ 31

4.2

Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống.................................................... 33
4.2.1

Cụm trục trước .......................................................................... 33

4.2.2

Cụm điều khiển vận tốc ............................................................ 34

4.2.3

Cụm cảm biến ........................................................................... 34

4.2.4

Cụm hệ thống lái ....................................................................... 35


4.2.5

Sơ đồ hệ thống hồn chỉnh ....................................................... 35

4.3


Thiết lập mơ hình mặt đường................................................................... 35

4.4

Một số thơng số cần thiết ......................................................................... 37

4.5

Kết quả ..................................................................................................... 39

4.6

4.5.1

Kết quả tải trọng động .............................................................. 39

4.5.2

Đánh giá kết quả ....................................................................... 42

Kết luận chương 4 .................................................................................... 46

CHƯƠNG 5. BÀI TOÁN KIỂM BỀN MỎI .................................................... 47
5.1

5.2

5.3

5.4


5.5

5.6

Phương pháp đánh giá độ bền mỏi .......................................................... 47
5.1.1

Tải trọng từ mặt đường mấp mô ............................................... 47

5.1.2

Đánh giá độ bền mỏi ................................................................. 48

Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết ........................... 51
5.2.1

Vật liệu ...................................................................................... 51

5.2.2

Kết cấu của chi tiết.................................................................... 51

5.2.3

Kích thước của chi tiết .............................................................. 52

5.2.4

Cơng nghệ gia cơng bền mặt chi tiết ........................................ 52


5.2.5

Trạng thái ứng suất ................................................................... 52

Thiết lập bài toán mỏi trên Hypermesh ................................................... 52
5.3.1

Xác định điều kiện biên ............................................................ 52

5.3.2

Nhập thông số mỏi .................................................................... 54

Kết quả phân tích bài tốn mỏi ................................................................ 55
5.4.1

Xe chạy trên đường A – B ........................................................ 56

5.4.2

Xe chạy trên đường B – C ........................................................ 57

5.4.3

Xe chạy trên đường C – D ........................................................ 58

Một số phương án kiểm tra và nâng cao tuổi thọ khung ......................... 58
5.5.1


Thêm các chi tiết gia cố vị trí khung chính .............................. 58

5.5.2

Thay thế vật liệu ....................................................................... 59

5.5.3

Cải tiến chi tiết trên xe .............................................................. 61

Kết luận chương 5 .................................................................................... 62

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 64


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh xe TMT mã TT1105T ............................................................. 3
Hình 1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho một vật thể mẫu ................. 5
Hình 1.3 Ví dụ minh họa ........................................................................................ 6
Hình 1.4 Phần tử 1D ............................................................................................... 8
Hình 1.5. Phần tử 2D .............................................................................................. 8
Hình 1.6. Phần tử 3D .............................................................................................. 8
Hình 2.1 Mơ hình khung 3D hồn thiện .............................................................. 11
Hình 2.2 Tạo mặt giữa cho chi tiết ....................................................................... 12
Hình 2.3 Mơ hình tấm ví dụ ................................................................................. 13
Hình 2.4 Điều kiện biên mơ hình 3D (trên) và 2D (dưới) ................................... 13
Hình 2.5 Sự khác biệt mơ hình lưới 2D và 3D .................................................... 13
Hình 2.6 Kết quả chuyển vị mơ hình 3D ............................................................. 14
Hình 2.7 Kết quả ứng suất mơ hình 3D ............................................................... 14

Hình 2.8 Kết quả chuyển vị trên mơ hình 2D ...................................................... 14
Hình 2.9 Kết quả ứng suất trên mơ hình 2D ........................................................ 14
Hình 2.10 Phần tử CQUAD4 ............................................................................... 15
Hình 2.11 Phần tử TRIA3 .................................................................................... 15
Hình 2.12 Tiêu chuẩn chia lưới mơ hình ............................................................. 16
Hình 2.13 Lỗi thâm nhập các chi tiết ................................................................... 16
Hình 2.14 Một ví trí trên mơ hình 3D được chuyển sang mơ hình phần tử hữu hạn
.............................................................................................................................. 17
Hình 2.15 Chỉnh sửa các phần tử ......................................................................... 18
Hình 2.16 Một lỗi khi sử dụng cơng cụ kiểm tra chất lượng phần tử lưới .......... 18
Hình 2.17 chỉnh sửa các lỗi phần tử ..................................................................... 19
Hình 2.18 Tổng quan mơ hình lưới phần tử khung xe ......................................... 19
Hình 2.19 Ví dụ về sự khác nhau của RBE2 và RBE3 ........................................ 19
Hình 2.20 Sự khác nhau RBE 2 và RBE3 về chuyển vị ...................................... 20
Hình 2.21 Sự khác nhau RBE2 và RBE3 về ứng suất ......................................... 20
Hình 2.22 Vị trí lắp bulong trong mơ hình 3D..................................................... 21
Hình 2.23 Trường hợp BRE2 được sử dụng thay cho liên kết bu lơng ............... 21
Hình 2.24 RBE3 xác định vị trí đặt lực lên khung ............................................... 21
Hình 2.25 Phương pháp mơ phỏng mối hàn đường với CQUAD4 ..................... 22
Hình 2.26 Cách tạo mesh cho mối hàn đường hai bên ........................................ 22
Hình 2.27 Hình ảnh chi tiết trước và sau khi thêm mối hàn ................................ 22
Hình 3.1 Kiểm bền trên bộ giải Optistruct ........................................................... 24
Hình 3.2 Đồ thị ứng suất- biến dạng của vật liệu dẻo .......................................... 26


Hình 3.3 Vị trí đặt lực .......................................................................................... 27
Hình 3.4 Vị trí đặt ngàm ...................................................................................... 28
Hình 3.5 Chi tiết đặt ngàm ................................................................................... 28
Hình 3.6 Chuyển vị khi đầy tải ............................................................................ 28
Hình 3.7 Ứng suất khi đầy tải .............................................................................. 28

Hình 3.8 Vị trí chuyển vị cực đại ......................................................................... 29
Hình 3.9 Vị trí ứng suất cực đại thứ 1 ................................................................. 29
Hình 3.10 Vị trí ứng suất cực đại thứ 2 ............................................................... 29
Hình 4.1 Mơ hình xe tải cơ sở ............................................................................. 33
Hình 4.2 Cụm trục trước ...................................................................................... 33
Hình 4.3 Sơ đồ cụm điều khiển vận tốc ............................................................... 34
Hình 4.4 Sơ đồ cụm cảm biến .............................................................................. 34
Hình 4.5 Cụm hệ thống lái ................................................................................... 35
Hình 4.6 Sơ đồ hệ thống hồn chỉnh.................................................................... 35
Hình 4.7 Mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8680:1995 ............................ 36
Hình 4.8 Mơ hình mấp mơ mặt đường AB .......................................................... 36
Hình 4.9 Mơ hình mấp mơ mặt đường BC .......................................................... 36
Hình 4.10 Mấp mơ mặt đường CD ...................................................................... 37
Hình 4.11 biên dạng tổng quát của mặt đường trên AMESIM ............................ 37
Hình 4.12 Tải trọng động tại treo trước (AB) ...................................................... 40
Hình 4.13 Tải trọng động tại treo sau (AB) ......................................................... 40
Hình 4.14 Tải trọng động tại treo trước (BC) ...................................................... 41
Hình 4.15 Tải trọng động tại treo sau (BC) ......................................................... 41
Hình 4.16 Tải trọng động tại treo trước (CD) ...................................................... 42
Hình 4.17 Tải trọng động tại treo sau (CD) ......................................................... 42
Hình 4.18 Hệ số tải trọng động khi xe di chuyển với vận tốc 20 km/h ............... 44
Hình 4.19 Hệ số tải trọng động khi xe di chuyển với vận tốc 40 km/h ............... 44
Hình 4.20 Hệ số tải trọng động khi xe di chuyển với vận tốc 60 km/h ............... 45
Hình 4.21 Hệ số tải trọng động khi xe di chuyển với vận tốc 80 km/h ............... 45
Hình 4.22 Giá trị bình phương trung bình RMS kđ ............................................. 46
Hình 5.1 Đường cong mỏi thực nghiệm đo được từ mẫu théo A517 .................. 49
Hình 5.2 kết quả thí nghiệm trên thiết bị tiêu chuẩn ........................................... 49
Hình 5.3 Đường mỏi S-N viết dưới dạng logarit ................................................. 50
Hình 5.4 Đường đồng thọ theo tiêu chuẩn Gerber và Goodman ......................... 51
Hình 5.5 Ví dụ về ảnh hưởng của kết cấu tới độ bền mỏi ................................... 51

Hình 5.6 Lực từ treo tác động lên khung ............................................................. 52
Hình 5.7 Minh họa nhập các đồ thị lực thi được vào Hypermesh ....................... 53


Hình 5.8 Tổng hợp các lực tác dụng lên khung ................................................... 53
Hình 5.9 Mẫu đường mỏi dạng 1 gấp khúc được sử dụng ................................... 54
Hình 5.10 Thơng số đường mỏi ........................................................................... 55
Hình 5.11 Các thơng số đánh giá mỏi .................................................................. 55
Hình 5.12 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - AB) ................................... 56
Hình 5.13 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (A710C -AB) .......................... 56
Hình 5.14 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - BC) .................................... 57
Hình 5.15 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (A710C -BC) .......................... 57
Hình 5.16 Vị trí chịu tổn thương lớn nhất (A710C - CD) ................................... 58
Hình 5.17 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (A710C -CD) .......................... 58
Hình 5.18 Gia cố thêm cho phần khung ............................................................... 59
Hình 5.19 Kết quả trường hợp thêm một thanh ................................................... 59
Hình 5.20 Kết quả trường hợp thêm hai thanh .................................................... 59
Hình 5.21 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (AISI 4140 – AB) ................... 60
Hình 5.22 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (AISI 4140 – BC) ................... 60
Hình 5.23 Chu kì mỏi thu được trên tồn khung (AISI 4140 – CD) ................... 61
Hình 5.24 Cải tiến chi tiết trên xe ........................................................................ 61


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Doanh số bán hàng trong tháng 05/2020 của các thành viên VAMA so
với tháng 04/2020, 05/2019 ................................................................................... 1
Bảng 1.2 Tổng kết quả bán hàng của các thành viên VAMA cho đến hết tháng
05/2020 theo chủng loại xe. ................................................................................... 2
Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn về chất lượng lưới ................................................... 16
Bảng 3.1 Thông số vật liệu A710C đưa vào bài toán .......................................... 27

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp hết quả khi có mối hàn ................................................. 29
Bảng 4.1 Bảng số liệu .......................................................................................... 39
Bảng 4.2 Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tải trọng động trên các loại đường .... 43
Bảng 5.1 Mô tả mấp mô các loại đường theo tần số không gian ......................... 47
Bảng 5.2 Ước lượng thông số đường cong mỏi................................................... 54
Bảng 5.3 Thông số đặc tính vật liệu thép AISI 4140 ........................................... 60


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Ý nghĩa

VAMA

Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn

1D, 2D, 3D

1 chiều, 2 chiều, 3 chiều

CAD

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính


CAE

Phân tích mơ phỏng với sự trợ giúp của máy tính

PTHH

Phần tử hữu hạn

PSD

Hàm mật độ phổ năng lượng

ISO

Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

RMS

Giá trị bình phương trung bình


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung
Trong giai đoạn phát triển của nền kinh tế Việt Nam, nhu cầu vận chuyển
hàng hóa và giao lưu ngày càng cao dẫn đến hoạt động của các phương tiện tham
gia giao thông ngày một tăng cả về chủng loại và số lượng. Để có thể vận chuyển
hàng hóa dễ dàng trong khu vực nội thành, qua các ngã tư, ngõ nhỏ, cũng như đi
ra các khu vực ngoại thành để nhập xuất hàng, việc sử dụng các loại xe tải trở nên
cần thiết và dần quan trọng. Bên cạnh đó, các hoạt động cứu hộ xe hư hỏng, cứu
hỏa, chăm sóc đô thị,… cũng rất cần đến các loại xe riêng biệt để thực hiện nhiệm

vụ riêng đặc trưng.
Năm 2020 là một năm đầy biến động với nền kinh tế chung và ngành xe
thương mại nói riêng. Tính chung tồn ngành, tổng cầu xe thương mại giảm 9%
so với năm 2019. Tuy nhiên, chia tách theo từng mảng thì lại có sự khác biệt. Tổng
cầu xe tải 2020 (không bao gồm xe tải nhẹ dưới 1 tấn) tăng 4% so với năm 2019
[1].
Tháng 5/2020 là khoảng thời gian Việt Nam bình phục dần sau dịch Covid19, tất cả các hoạt đông quay trở lại quỹ đạo. Người tiêu dùng và các doanh nghiệp
mang tâm lý an tâm, tin tưởng vào chính phủ, các nhu cầu cuộc sống được cân
bằng với mức bình thường. Đây chính là lý do cho việc bùng nổ doanh số bán xe
trong tháng này.
Sự quay trở lại mạnh mẽ nhất phải nói đến là dịng xe tải và xe buýt (tăng
76% và 98% so với tháng 04/2020), tuy nhiên nếu so sánh với cùng thời gian này
năm ngoái (tháng 05/2019), xe buýt và xe du lịch vẫn chịu tổn thất nặng nề. Riêng
chỉ có xe tải giảm 8% (bảng 1.1) so với cùng kỳ năm trước [2].
Bảng 1.1 Doanh số bán hàng trong tháng 05/2020 của các thành viên VAMA so với
tháng 04/2020, 05/2019

5/2020 5/2019

4/2020

Khác nhau
giữa 5/2020
và 5/2019

Khác nhau
giữa 5/2020
và 4/2020

Tổng*


18,571 26,181

10,816

-29%

72%

1. Xe khách

12,865 19,145

7,439

-33%

73%

2. Xe thương mại

5,559

6,681

3,154

-17%

76%


2.1. Xe tải

5,454

5,905

3,101

-8%

76%

2.2. Xe buýt

105

776

53

-86%

98%

3. Xe chuyên dùng

156

355


223

-56%

-30%

Khung xe buýt

18

12

24

50%

-25%

*: chưa bao gồm khung xe buýt
Tổng doanh số từ đầu năm 2020 đến tháng 5/2020 có sự suy giảm rõ rệt so
với năm 2019. Một lần nữa, xe tải giảm 19% so với cùng kỳ nhưng đó là mức thấp
nhất trong các dịng xe, khi mà xe bt đã có mức giảm cực lớn là 75%. (bảng 1.2)
1


Điều này được giải thích rằng nhu cầu sử dụng xe tải của người tiêu dùng Việt
Nam là rất lớn, dù là đại dịch Covid- 19 cũng không ảnh hưởng quá nhiều [2].
Bảng 1.2 Tổng kết quả bán hàng của các thành viên VAMA cho đến hết tháng 05/2020
theo chủng loại xe.


2020

2019

Khác

Tổng*

79,369

119,772

-34%

1. Xe khách

57,261

89,734

-36%

2. Xe thương mại

21,084

28,443

-26%


2.1. Xe tải

20,193

24,839

-19%

891

3,604

-75%

1,051

1,595

-34%

134

157

-15%

2.2. Xe buýt
3. Xe chuyên dùng
Khung xe buýt


*: chưa bao gồm khung xe buýt
SGMW là tên viết tắt của 3 đơn vị hợp phần: SAIC Motor, General Motors
và Wuling Motor. SAIC Motor là nhà sản xuất ô tô lớn nhất Trung Quốc và được
ví là một trong 4 cột trụ lớn nhất của nền công nghiệp ô tô tại xứ tỉ dân. Đây cũng
là gương mặt đáng nể của nền công nghiệp ô tô thế giới, khi có mặt trong top 10
nhà sản xuất lớn nhất. Trong thời gian tới, TC Motor Vietnam và SGMW sẽ hợp
tác để cho ra mắt ba mẫu xe mới tại thị trường Việt Nam, bao gồm hai xe tải (cỡ
nhỏ) và một xe van. Việc sẵn sàng ra mắt ba mẫu xe tại một thị trường mới như
Việt Nam có thể xem là lựa chọn khá táo bạo của cả TC Motor Vietnam và SGMV,
nếu xét trong bối cảnh tình hình dịch bệnh COVID-19 vẫn đang có những diễn
biến vơ cùng khó lường [3].
1.2 Xe tải
1.2.1 Khái niệm
Xe chuyên dụng là loại xe mặt đất, có thể di chuyển bằng bánh hơi hay xích,
được thiết kế để thực hiện những nhiệm vụ vận tải chuyên biệt. Xe chuyên dụng
được định nghĩa theo xe vận tải chuyên dụng và xe đặc chủng chuyên dụng.
Xe tải thuộc loại xe vận tải chuyên dụng là xe có thùng hàng được thiết kế
đặc biệt, dùng để chở các loại hàng hóa có trạng thái vật lý đặc biệt như chất lỏng,
chất khô dạng hạt, hàng thực phẩm tươi sống hoặc hàng có hình thù nhất định như
ơ tơ, xe gắn máy, thùng hàng tiêu chuẩn hóa, các hàng hóa siêu trường siêu trọng
[4].
1.2.2 Phân loại
Phân loại xe có rất nhiều cách, có thể dựa trên nhiệm vụ và mục đích sử dụng
xe. Mục đích kinh tế xã hội trong chuyên chở là rất đa dạng và biến đổi nên khó
có một các phân loại nào chính xác. Để có thể tổng quát và phục vụ luận văn, ở
đây tác giả phân loại theo tải trọng của xe.

2



Xe tải hạng nhẹ: thường có trọng tải từ 1 tấn – 6 tấn. Xe thiết kế nhỏ gọn,
phù hợp với đường hẻm, hẹp, đông đúc. Giá của xe tải hạng nhé cũng tương đối
rẻ, phù hợp với ngân sách của nhiều khách hàng. Loại xe tải này thường được sử
dụng nhiều để chuyển nhà, chuyển hàng, chuyển văn phòng nhỏ, chuyển sản phẩn
kinh doanh buôn bán nhỏ…
Xe tải hạng trung: thường có trọng tải từ 7 tấn – 15 tấn. Dùng để vận chuyển
hàng hóa ở nhiều địa hình khác nhau, quãng đường dài, liên tỉnh. Giá thuê phụ
thuộc nhiều vào loại hàng hóa cũng như quãng đường vận chuyển. Loại xe chở
hàng này dùng để trở thiết bị sản xuất, máy móc… Là sự lựa chọn của nhiều bà
con khi muốn vận chuyển nông sản từ tỉnh này sang tỉnh khác.
Xe tải hạng nặng: thường có trọng tải từ 16 tấn – 40 tấn. Chuyên chở các loại
hàng hóa có số lượng hàng lớn, khối lượng lớn, vận chuyển đường dài. Loại xe
này thường có rơ mooc để kéo container. Giá thuê loại xe tải hạng nặng cao nhất
trong các loại xe tải [5].
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Có thể thấy, mặc dù dịch bệnh COVID-19 diễn ra và ảnh hưởng trong thời
gian kéo dài, nhưng nhìn chung, tiềm năng phát triển của ô tô tải là rất lớn. Để
phục vụ nghiên cứu cũng như có thể ứng dụng vào thực tế, em đã lựa chọn đối
tượng xe để nghiên cứu trong luận văn là loại xe tải hạng nhẹ, được ưu chuộng sử
dụng đối với các hộ gia đình bn bán nhỏ, phù hợp với đường xá khu đô thị, thành
phố, dễ dàng đi vào các đường ngõ. Cụ thể, là mẫu xe nhập khẩu từ Trung Quốc,
mẫu xe được nhóm các anh cựu sinh viên Đại học Bách Khoa Hà Nội đo đạc và
xây dựng mơ hình 3D trong nghiên cứu của mình, mẫu xe tương tự xe TMT với
các thông số cơ bản như sau:
-

Số nhãn hiệu khung: TT1105T
Khối lượng tự trọng: 900 kg
Tải trọng cho phép chở: 500 kg

Số người cho phép chở: 2 người
Trọng lượng tồn bộ: 1530 kg

-

Kích thước tổng: 3790mm x 1520mm x 2000mm

Hình 1.1 Hình ảnh xe TMT mã TT1105T
3


Có thể thấy, xe tải đi sâu vào từng cơng việc, đời sống của mỗi con người,
việc sử dụng xe tải an tồn, bền bỉ là vơ cùng cần thiết. Vì vậy, luận văn sẽ tiếp
cận xử lý một số vấn đề, đó là đưa ra phương pháp áp dụng các công cụ khoa học
công nghệ, cụ thể là sử dụng các phần mềm phân tích mơ phỏng chun dụng để
kiểm tra độ bền tĩnh, bền mỏi của khung xe khi chịu tác động của tải trọng động.
Khung xe là bộ phận của xe có nhiệm vụ nâng đỡ và cố định các thành phần
khác. Khung xe ô tô như bộ xương trên cơ thể người vậy, giúp nó mang và chống
đỡ mọi sức nặng của các bộ phận trên cơ thể. Do đó, việc đánh giá, kiểm tra độ
bền của khung xe là cần thiết nhằm để đánh giá kiển tra khả năng làm việc, nâng
cao tuổi thọ,… của khung xe.
1.4 Các phương pháp tính tốn độ bền khung
1.4.1 Phương pháp truyền thống
Hiện nay, phương pháp tính tốn bền cho khung xe đang được sử dụng với
quy trình là: đặt giả thiết, xây dựng sơ đồ lực, xác định biểu đồ lực cắt, biểu đồ
mômen, xác định ứng suất lớn nhất và ứng suất tại một số điểm đặc biệt, so sánh
với ứng suất cho phép.
Khung xe được đánh giá là đủ bền nếu ứng suất cực đại không vượt quá giới
hạn cho phép của vật liệu chế tạo: 𝜎max ≤ [𝜎], với [𝜎] là giới hạn bền của vật liệu
chế tạo. Vì cách tính tốn được thực hiện trong trường hợp tải trọng tĩnh do đó để

đảm bảo độ bền động, những tính tốn này ln đặt ra hệ số an toàn khá cao từ 2
đến 3 lần.
Với phương pháp này, thông thường cho kết quả là khung xe thừa bền nhưng
khơng đánh giá được chính xác vị trí thừa bền cũng như đưa ra được giải pháp kết
cấu hợp lý để giảm khối lượng khung xe hoặc giải pháp để tăng độ bền, cứng vững
đối với những vị trí chịu tải lớn dễ xảy ra hư hỏng đối với khung xe. Ngoài ra đây
là phương pháp 2D đánh giá chung qua khả năng chịu tải của dầm chính. Dầm
chính là dầm với kích thước lớn nên khả năng chịu tải cao, ứng suất nhỏ. Do đó,
phương pháp 2D thường khơng đánh giá tồn diện được khung.
1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng máy móc hiện đại, các phương
pháp xây dựng mơ hình 3D đã ra đời kèm theo đó là khả năng tính tốn mạnh mẽ
của máy tính, từ đó mở ra một giải pháp tính tốn tồn diện cho các loại khung xe
đó là phương pháp phần tử hữu hạn. Để mô tả điều kiện tác dụng vào những mơ
hình giống mơ hình thực tế nhất có thể, toàn bộ kết cấu xe sẽ được đưa vào mơi
trường 3D để tính tốn từ đó đưa ra những phương án cải tiến để khung ngày một
tốt hơn.
Phương pháp phần tử hữu hạn bắt nguồn từ sự cần thiết phải giải quyết các bài
toán phức tạp về lý thuyết đàn hồi, phân tích kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật hàng
khơng. Bất kì bài tốn mơ phỏng nào cũng phải sử dụng các giải pháp phân tích, một
trong những phương pháp quan trọng nhất là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite
Element Method, FEM) [6].
4


Mọi phần tử đều có sự tự do vơ hạn không thể giải quyết vấn đề ở dạng này,
phương pháp phần tử hữu hạn làm giảm mức độ tự do từ vô hạn đến hữu hạn.
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài tốn
được mơ 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 khó có thể tìm được bằng

phương pháp giải tích, các kết quả đều gần đúng, cung cấp một giải pháp nhanh
hơn các giải pháp thông thường.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài tốn, bằng
cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này được liên kết với nhau
tại các điểm nút chung. Thực thể nối các nút, tạo thành hình dáng cụ thể như tam giác
hay tứ giác, gọi là một phân tử. Các phép tính được thực hiện ở một số điểm giới hạn
(các nút), sau đó nội suy kết quả cho tồn bộ miền.

Hình 1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho một vật thể mẫu

Sau khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, vật thể ban đầu được thay thế
bởi một hệ mới, điều kiện để hai hệ tương đương là:
- Năng lượng trong hệ thay thế xấp xỉ bằng năng lượng trong hệ thực.
- Trên các biên, điều kiện chập (liên tục về lực và chuyển vị) phải được thỏa
mãn.
Vậy thì, để biết chia vật thể (mơ hình) thành bao nhiêu phần tử cho đúng.
Trước hết, ta cần hiểu thêm nội suy được sử dụng như thế nào.
Xét 2 ví dụ đơn giản để thấy được sự thay đổi, đầu tiên đối với phần tử tứ
giác hình vng có 4 nút ở 4 đỉnh có cơng thức nội suy tuyến tính:
𝑢 = 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 + 𝑎2 𝑦 + 𝑎3 𝑥𝑦

PT 1.1

Với aj là các giá trị đã được tính tốn ở các nút, như vậy, giá trị của biến ở
bất cứ đâu trong phạm vi giữa các nút đều có thể dễ dàng xác định thông qua toạ
độ x,y. Nhưng đối với phần tử 8 nút (có thêm 1 nút trên mỗi cạnh so với loại trên),
hàm nội suy parabol được sử dụng:
𝑢 = 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 + 𝑎2 𝑦 + 𝑎3 𝑥𝑦 + 𝑎4 𝑥 2 + 𝑎5 𝑦 2
PT 1.2
+ 𝑎6 𝑥 2 𝑦 + 𝑎7 𝑥𝑦 2

Có thể nhìn ra được, sau khi tăng số điểm tính tốn thì khi nội suy, độ chính
xác cũng theo đó tăng lên.

5


Một ví dụ thực tế hơn, giả sử cho một tam giác nội tiếp đường trịn, u cầu
là tính diện tích tam giác và so sánh với diện tích hình trịn. Sau đó ta tăng dần số
cạnh lên 4, 8, 16, 32, 64 để nhanh chóng thấy được sự thay đổi.

Hình 1.3 Ví dụ minh họa

Có thể quan sát được diện tích các đa giác sau khi tăng số cạnh đã tiệm cận
với giá trị diện tích của hình trịn. Số lượng các đường thẳng cũng giống như số
lượng phần tử trong phân tích phần tử hữu hạn vậy. Các giá trị diện tích nhỏ sẽ
khơng được chấp nhận để sử dụng tính tốn thay cho đường trịn. Ta nên tìm một
giá trị tốt nhất có thể để sử dụng [7].
Càng nhiều phần tử độ chính xác trong tính tồn càng cao, nhưng thời gian
tính tốn cho rất nhiều phần tử đó lại là một con số rất lớn và nó tăng dần theo độ
phức tạp của bài tốn đề ra. Ngồi ra, các mơ hình có kích thước lớn khơng dễ xử
lý trên máy tính do hạn chế về cấu tạo đồ họa. Người thiết kế phải cân bằng giữa
mức độ chính xác mong muốn và kích thước phần tử (hay số lượng phần tử).
Giả sử rằng có một cách tiếp cận để tính diện tích gần với diện tích hình trịn
nhất (cho diện tích hình trịn bằng 100) nhưng thời gian thực hiện là 1 tháng, cịn
phân tích phần tử hữu hạn với kích thước phần tử hợp lý cho câu trả lời là 90 trong
1 ngày, vậy thì giải pháp thứ 2 được lựa chọn. Trong cơng nghiệp, những giải pháp
nhanh chóng và độ chính xác hợp lý ln thích hợp hơn so với phương pháp có độ
chính xác tuyệt đối.
Có thể kết luận lại rằng số lượng phần tử khơng thể lấy ít dẫn tới sai số lớn,
nhưng cũng không thể lấy quá nhiều dẫn tới thời gian thực hiện cũng như điều kiện

không đáp ứng được, tất cả đều cần có sự hài hịa và cân đối.
Hình dạng của các phần tử hữu hạn:
- Thanh khi tính kết cấu thanh
- Tấm tam giác hoặc chữ nhật khi tính kết cấu tấm
- Dạng hình hộp, hình trụ hay hình chóp khi tính vật thể đàn hồi
Các phần tử hữu hạn có thể:
- Có tính chất vật liệu không đổi hoặc thay đổi từ phần tử này sang phần tử
khác
- Có dạng hình học và kích thước khác nhau
6


Kích thước và số lượng phần tử phụ thuộc:
- Dạng hình học và tính chất chịu lực của kết cấu
- u cầu về độ chính xác của bài tốn
Biên hay mặt biên của phần tử hữu hạn có thể thẳng hoặc cong.
Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rỗng rãi trong rất nhiều lĩnh vực
như tính tốn cấu trúc, nhiệt học, điện từ trường. Kể từ khi được giới thiệu vào
những năm 1950 cho đến nay, cùng với sự tiến bộ của phần cứng máy tính, phương
pháp phần tử hữu hạn đã trở thành một công cụ tinh vi có khả năng giải quyết
những bài tốn ngày một phức tạp. Khi mà những bài toán đặt ra ngày càng trở
nên khó khăn và mơ hình tính tốn ngày càng lớn, máy tính cùng phần cứng đã trở
thành bộ phận khơng thể thiếu để giúp con người tính tốn những bài tốn khổng
lồ. FEM cũng khơng phải ngoại lệ, yêu cầu về tính chính xác ngày càng khắt khe
và những mơ hình ngày càng phức tạp đã dẫn đến sự ra đời của rất nhiều các phần
mềm tính tốn phần tử hữu hạn bao gồm cả thương mại và phi thương mại.
Những phần mềm thương mại nổi tiếng, được các công ty lớn sử dụng trong
việc chế tạo các sản phẩm thực, có thể kể đến như: HyperWork (Altair Engineering),
ANSYS (Ansys Inc), NASTRAN, LS-DYNA, ABAQUS,… Ngồi ra cũng có rất
nhiều các phần mềm mã nguồn mở được phát triển bởi các kĩ sư trên toàn thế giới

nhằm giúp mọi tầng lớp tiếp cận đến FEM dễ dàng hơn. Một số các phần mềm mã
nguồn mở nổi tiếng có thể kể đến như: Code Aster, Free Fem ++, SU2 code, … Các
phần mềm này đều có đặc điểm chung là sử dụng cơng cụ lập trình để lập trình hóa
việc tính tốn ma trận trên máy tính. Đối với các phần mềm mã nguồn mở việc sử
dụng sẽ phức tạp hơn do không được hỗ trợ nhiều về mặt giao diện và thường chỉ
dành cho những người dùng nâng cao với hiểu biết tương đối về phương pháp phần
tử hữu hạn. Các phần mềm thương mại có giao diện thân thiện hơn, thích hợp cho
các kĩ sư từ trình độ thấp đến cao tuy nhiên chi phí để sử dụng luôn rất lớn.
Bằng cách chia nhỏ miền liên tục thành những miền con rời rạc, FEM đem
lại những ưu điểm sau:
+ Biểu diễn chính xác hình học phức tạp
+ Bao hàm các thuộc tính vật liệu khơng giống nhau
+ Dễ dàng biểu diễn giải pháp cụ thể
+ Ghi lại phản ứng cục bộ
+ Điều chỉnh dễ dàng
+ Kích thước phần tử đa dạng
+ Giải quyết vấn đề phi tuyến liên quan đến đặc tính hình học và vật liệu.
Các loại phần tử hữu hạn:
- Phần tử 1 chiều (1D(line) element): lò xo, xà , dầm, ống,…
- Phần tử 2 chiều (2D(plane) element): vách ngăn, tấm, vỏ,…
- Phần tử 3 chiều (3D(solid) element): nhiệt độ, sự chuyển dời, áp lực, vận
tốc dòng chảy.

7


Hình 1.4 Phần tử 1D

Hình 1.5. Phần tử 2D


Hình 1.6. Phần tử 3D

- Lưới và mơ hình chia lưới
Như đã biết, khi chia mơ hình thành các phần tử hữu hạn thì các phần tử này
được giả thiết nối với nhau tại một số điểm quy định (thường ở mỗi đỉnh phần tử)
gọi là các nút. Vậy, tập hợp tất cả các phần tử được gọi là lưới phần tử hữu hạn.
Chính vì lưới được tạo nên từ các phần tử hữu hạn nên tính chất của các phần
tử cũng là tính chất của lưới. Có một điều đặc biện quan trọng, đó là lưới càng mau
thì càng nhiều phần tử, mà càng nhiều phần tử sẽ dẫn dến sự mất cân đối về độ
chính xác và thời gian xử lý như đã nói ở trên.
Mỗi mơ hình thực ta đều có thể đưa về mơ hình chia lưới. Mơ hình chia lưới
là một mơ hình gần đúng nhất so với mơ hình thực. Sở dĩ nói như vậy vì đối với
mỗi bài toán khác nhau, yêu cầu đối với mơ hình cũng khác nhau, ta có thể loại bỏ
một số chi tiết cũng như thay đổi một số hình dạng để mơ hình trở nên “mịn” hơn
mà khơng làm thay đổi kết quả bài tốn.
Việc phân tích mơ hình thành các phần tử hữu hạn mang đến rất nhiều ưu
điểm:
•
•
•
•
•

Tính tối ưu cao
Tăng tính hình dung
Giảm kiểm tra và thí nghiệm
Giảm ngun mẫu
Thời gian chu kì thiết kế giảm
- Ứng dụng mơ hình chia lưới
8



Một loạt các chuyên ngành thuộc lĩnh vực kĩ thuật cơ khí (như ngành hàng
khơng, cơ khí, ơ tơ,..) thường sử dụng FEM tích hợp trong thiết kế và phát triển
sản phẩm. Một số phần mềm FEM hiện đại bao gồm các thành phần cụ thể như
môi trường làm việc nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc. Trong một mô phỏng cấu
trúc, FEM giúp rất nhiều trong việc tạo ra độ cứng và ứng suất và cũng như trong
việc giảm thiểu trọng lượng, vật liệu và chi phí.
Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn thật sự tỏ ra hữu ích khi thực hiện
bài tốn với các hình học phức tạp, các hình được tạo thành từ các vật liệu khác
nhau, các điều kiện tải, điều kiện lực khác nhau theo thời gian,… các mơ hình có
khớp, mối hàn, hồ quang, đối với mơ hình như vậy, ta khơng thể dự đốn được vị
trí hư hỏng. Tương tự việc xác định vị trí hỏng của một khối động cơ phức tạo với
các điều kiện hoạt động nhất nhất điện, sẽ rất khó khăn trừ khi là người có nhiều
năm kinh nghiệp trong lĩnh vực này. Với các công cụ như CAD, CAE, nếu được
mơ hình hóa theo kiểu phù hợp (các dạng bài tốn khác nhau sẽ có kiểu phần tử
nhác nhau, số lượng phần tử cần thiết khác nhau), người ta có thể dễ dàng có các
đồ thị và chỉ ra được vị trí có ứng suất cao, hay sự chuyển vị tại mỗi vị trí.
Trước đây, các bộ phận, chi tiết được thiết kế bởi các kỹ sư giàu kinh nghiệm
và họ cũng đã rất nhiều thử nghiệm và chúng cũng thất bại rất nhiều rồi mới cho
ra được sản phẩm tối ưu nhất. nhưng hiện nay, với việc sử dựng CAD, CAE trên
cơ sở phân tích phần tử hữu hạn đã giúp cho công việc thiết kế trở nên thuận lợi
hơn rất nhiều.
Một bài toán FEM ngày nay muốn giải quyết luôn phải trải qua 3 cơng đoạn:
pre-processing, Solution và post-processing [7]. Pre-processing là q trình tiền
phân tích gồm các cơng việc chia lưới và thiết lập điều kiện biên cho mơ hình.
Solution là q trình tính tốn các giá trị chưa xác định trong biến trường chính
(primary field variable), các giá trị đã được tính tốn sau đó được thay ngược trở
lại để tính tốn biến khởi đầu, ví dụ như lực tương tác, áp lực của các thành phần,
dịng nhiệt. Post-processing là q trình giải, phân tích và xử lí kết quả. Q trình

từ xây dựng mơ hình tính tốn cho đến xử lí kết quả sẽ được giới thiệu rõ hơn trong
những phần sau.
1.5 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu: Kiểm tra và đánh giá độ bền tĩnh và độ bền mỏi của khung xe tải
nhỏ bằng phần mềm mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu vẫn dựa trên phần mềm mô phỏng, sử dụng
phần mềm chun dụng để xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho xe. Lợi thế của
việc sử dụng phần mềm là tính kiểm sốt đối tượng. Do được mơ phỏng trong mơi
trường máy tính, mơ hình hồn tồn nằm trong tầm kiểm soát của người nghiên
cứu, cho phép lược bỏ những chi tiết thừa không cần thiết một cách dễ dàng, trích
xuất các kết quả trên tồn xe như ứng suất chuyển vị, độ thay đổi gia tốc vận tốc,
tốc độ biến dạng cho phép dự đoán trước những vùng nguy hiểm. Trong nghiên
cứu thực nghiệm, việc bố trí các điều kiện thử nghiệm là rất tốn kém, mất nhiều
thời gian. Do đó, phương pháp mơ phỏng được coi như một cách thức hỗ trợ giúp
giảm thiểu thời gian thí nghiệm trong thực tế khi cho ra những kết quả ban đầu
9


giúp hạn chế bớt những thứ nghiệm không cần thiết khi tiến hành kiểm nghiệm
trên mơ hình thực tế.
1.6 Kết luận chương 1
Chương 1 trình bày một cách khái quát về tình hình chung; định nghĩa, phân
loại xe tải; các thành phần chính trong luận văn gồm đối tượng nghiên cứu, mục
tiêu nghiên cứu và tổng quan về phương án nghiên cứu:
- Trình bày các thơng tin về đối tượng nghiên cứu thiết kế;
- Trình bày sơ lược về phương pháp phân tích phần tử hữu hạn;
- Trình bày sơ lược về các mục tiêu của đề tài: Kiểm tra và đánh giá độ bền
tĩnh và độ bền mỏi của khung xe tải nhỏ bằng phần mềm mô phỏng.

10



CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH
2.1 Xây dựng mơ hình 3D
Về phương pháp, sử dụng phương pháp đo thủ công, do điều kiện giới hạn
nên phương pháp cịn khá thơ sơ, sử dụng dụng cụ chủ yếu là các loại thước: thước
kẹp, thước lá,… kết hợp với các dụng cụ đo góc, tọa độ. Đây là một phương pháp
địi hỏi sự tỉ mỉ, cẩn thận trong lúc đo.
* Ưu điểm:
- Tiện dụng khi khơng có điều kiện trang bị các thiết bị chuyên dùng.
- Sử dụng cho mục đích nghiên cứu sơ bộ.
* Nhược điểm:
- Độ chính xác khơng cao
- Khơng cải tiến được hình dáng để thương mại hóa.
- Thời gian đo lâu, có thể đo sai và đo lại nhiều lần.
Một loạt các kích thước từ nhỏ đến lớn đều sẽ được đo đạc và đưa vào mơ
hình để đảm báo tính sát thực nhất (Vẫn có thể bỏ sót một số vị trí khó đo, hoặc
một số vị trí là mang tính ước lượng). Các kích thước được đo chính xác nhất có
thể với sai số có thể từ 1-2mm.
➢ Mơ hình xe 3D sau khi hồn tất được thể hiện như hình:

Hình 2.1 Mơ hình khung 3D hồn thiện

2.2 Xây dựng mơ hình Phần tử hữu hạn
2.2.1 Giả thiết mơ hình phần tử hữu hạn.
Việc xây dựng mơ hình PTHH của xe dựa trên sự phân tích các đặc điểm của
kết cấu, các tải trọng tác dụng lên xe cũng như khả năng ứng dụng của phần mềm
phân tích kết cấu hiện có, cụ thể ở đây, ta sử dụng bộ giải Optistruct của phần mềm
Hypermesh – Hyperworks. Trong phần này đưa ra các giả thiết và các bước của


11


việc xây dựng mơ hình PTHH được sử dụng cho bài tốn tính biến dạng và ứng
suất:
- Bỏ qua một số vị trí lỗ nhỏ khơng ảnh hưởng tới kết cấu của khung nhằm
giảm thiểu khối lượng lưới trong quá trình chia lưới và tăng chất lượng lưới.
- Coi tải trọng hàng là tải trọng phân bố được trên bề mặt khung.
- Coi vật liệu cả xe là đồng nhất, không kể tới sự khuyết tật bên trong vật
liệu.
- Bỏ qua một số chi tiết phụ, không ảnh hưởng nhiều tới độ cứng của khung
trong quá trình chịu tải (như thùng đựng đồ, thanh chắn gầm, chân chống…) nhằm
giảm độ phức tạp của mơ hình.
2.2.2 Dựng mơ hình
2.2.2.1. Tạo mặt trung bình
Nhìn chung, khung xe gồm các chi tiết dạng tấm ghép lại với nhau, có độ dày
nhỏ so với kích thước tổng thể của khung. Thơng thường ta vẫn có thể dùng các
phần tử 3D để chia lưới mơ hình. Tuy nhiên, vì tấm có độ dày nhỏ do đó biến dạng
theo phương của độ dày là rất nhỏ. Vì lí do này, ta có thể quy mơ hình dạng 2D
với một mặt surface đại diện được gọi là mặt trung bình. Trong thực tế để tính tốn
cho những mơ hình dạng tấm người ta sẽ quy đổi các tấm này về mặt trung bình
và chia lưới bằng các phần tử 2D nhằm giảm thiểu thời gian tính và tiết kiệm tài
ngun máy tính. Khi mơ phỏng phần tử 2D không hiện thị độ dày. Người dùng
chỉ định độ dày cho phần tử. Phần mềm gán độ dày này đối xứng với lưới, giả định
rằng lưới nằm tại mặt phẳng giữa của chi tiết.

Hình 2.2 Tạo mặt giữa cho chi tiết

Điều này đặc biệt hữu ích đối với những mơ hình lớn hoặc rất lớn. Do đó
việc dựng mơ hình với các mặt trung bình và chia lưới 2D là điều cần thiết.

Ví dụ về tính tương đương:
Trong ví dụ này ta có một tấm với kích thước 1000x1000x10 mm được thể
hiện như hình bên dưới. 2 bài tốn Linear static sẽ được thực hiện riêng biệt với
điều kiện biên giống nhau trên 2 mơ hình: một mơ hình ngun bản solid và được
chia lưới 3D, mơ hình cịn lại được dựng mặt trung bình và chia lưới 2D.

12


Hình 2.3 Mơ hình tấm ví dụ

Mơ hình Solid và mid-surfcae được dựng với điều kiện biên như sau:

Hình 2.4 Điều kiện biên mơ hình 3D (trên) và 2D (dưới)

Hình 2.5 Sự khác biệt mơ hình lưới 2D và 3D

Và đây là kết quả sau phân tích cho 2 mơ hình
- Chuyển vị và ứng suất trên mơ hình 3D:

13


Hình 2.6 Kết quả chuyển vị mơ hình 3D

Hình 2.7 Kết quả ứng suất mơ hình 3D

- Chuyển vị và ứng suất trên mơ hình 2D:

Hình 2.8 Kết quả chuyển vị trên mơ hình 2D


Hình 2.9 Kết quả ứng suất trên mơ hình 2D

14


Qua ví dụ ta có thể đưa ra kết quả của tính tốn về chuyển vị của 2 mơ hình
là giống nhau. Kết quả về ứng suất có đơi chút chênh lệch do khác biệt về loại phần
tử. Mức chênh lệch là 5.801- 5.584= 0.217 Mpa (xấp xỉ 3.74%). Mức chênh lệch
này là do sự khác biệt về phần tử 2D và 3D. Với phần tử 2D, ứng suất chỉ được
tính tốn ở mặt trung bình trong khi đó phần tử 3D có bao gồm cả ứng suất trên bề
mặt. Ứng suất sinh ra do sức căng của bề mặt khi chịu uốn sẽ lớn hơn một chút so
với ứng suất sinh ra ở mặt trung bình nơi chịu sức căng ít hơn. Tuy nhiên do độ
dày tấm là nhỏ nên sự chênh lệch này là không nhiều, ở mức độ chấp nhận được.
Như vậy với các đối tượng dạng tấm, ta hồn tồn có thể thay thế chúng bằng
các mặt trung bình để tính tốn mà vẫn đảm bảo được độ chính xác trong kết quả
2.2.2.2. Lựa chọn phần tử
Đối với mơ hình FEM, cơng đoạn chia lưới là cơng đoạn quyết định đến tính
chính xác của kết quả. Có 2 vấn đề chính trong chia lưới: loại phần tử và chất
lượng. Việc lựa chọn loại phần tử dựa trên nhiều yếu tố như: mục đích tính tốn,
u cầu về tính chính xác, giới hạn phần cứng tính tốn. Các loại phần tử được sử
dụng trong mơ hình bao gồm:
Các loại phần tử 2D: đây là các phần tử được sử dụng chính trong mơ hình.
Đối với các chi tiết dạng tấm kim loại, phần tử CQUAD4 sẽ là phần tử được ưu
tiên sử dụng:

Hình 2.10 Phần tử CQUAD4

+ Phần tử tứ giác quad4. Phần tử tứ giác sẽ được ưu tiên sử dụng nhiều nhất do
có 8 bậc tự do và có tính chính xác cao hơn so với phần tử tam giác.


Hình 2.11 Phần tử TRIA3
15


+ Phần tử tam giác tria3. Trong mơ hình có một số các phần có hình dạng phức
tạp, bo trịn. Do đó, khơng thể chỉ sử dụng các phần từ tứ giác mà phải kết hợp
thêm các phần tử tam giác.
+ Bên cạnh đó, do cịn một số chi tiết do có dạng hình khối, được chia lưới dưới
dạng phần tử tứ diện tetra.
2.2.2.3. Kiểm tra chất lượng lưới
Không phải là phần tử tứ giác và tam giác thì sẽ đúng, các phần tử yêu cầu
phải đáp ứng được một số tiêu chuẩn cần thiết:

Hình 2.12 Tiêu chuẩn chia lưới mơ hình

Đây là tiêu chuẩn cho mỗi phần tử, khi lắp các bộ phận với nhau, cần kiểm
tra thêm 2 lỗi:

Hình 2.13 Lỗi thâm nhập các chi tiết

Hai lỗi này liên quan tới sự đè nhau giữa các phần từ, sự thâm nhập các phần
tử với nhau khi cài đặt độ dày cho phần tử.
Để kết quả không bị ảnh hưởng bởi chất lượng lưới, sau khi chia lưới xong
cần kiểm tra tồn bộ phần tử với các thơng số như chiều dài lớn nhất nhỏ nhất, góc
vênh, độ lệch và so sánh với giá trị tiêu chuẩn quy định.Việc kiểm sốt chất lượng
lưới của mơ hình dựa trên những tiêu chuẩn mặc định trong HyperMesh [8]. Các
tiêu chuẩn được sử dụng bao gồm:
Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn về chất lượng lưới


Tiêu chuẩn

Ý nghĩa

Mức đánh giá

Aspect
Ratio

Tỉ lệ giữa cạnh ngắn nhất và dài nhất

5

Warpage

Tiêu chuẩn kiểm tra độ lệch của một phần tử quad
so với một phần tử phẳng hồn hảo. Tiêu chuẩn
này được tính bằng cách chia phần tử tứ giác thành
2 tam giác và tính góc lệch theo phương pháp
tuyến:

15 độ

16