ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ CÔNG TÍN

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS
TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số
: 8520116

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phan Minh Đức

Phản biện 1: PGS. TS. Dương Việt Dũng
Phản biện 2: TS. Nguyễn Xuân Thiện

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm
Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ khí Động lực
họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 09 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa
- Thư viện Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Nâng cao chất lượng vận tải hành khách bằng ô tô có sức chở lớn theo hướng
tiện nghi, an toàn và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, giảm thải ô nhiễm môi trường [1] nhận được sự quan tâm
lớn của các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu vận chuyển liên tỉnh và trong
các đô thị lớn, chẳng hạn thành phố Hồ Chí Minh đặt ra mục tiêu đáp ứng khoảng 20% nhu cầu đi lại bằng xe
buýt đến năm 2025 [2]. THACO xác định việc phát triển xe buýt theo hướng hiện đại và có số chỗ đến 60
(Thaco City B60) là rất quan trọng trong chiến lược phát triển sản phẩm. Khung xe có vai trò đặc biệt, là tổng
thành kết cấu lớn, phức tạp; chi phí sản xuất của khung xe khoảng 50% tổng chi phí sản xuất xe và giữ tỷ lệ
30% chất lượng của xe [3]. Thiết kế khung xe buýt cần đáp ứng nhiều yêu cầu, trong đó có tối ưu mật độ phân
bố vật liệu, đảm bảo độ bền. Thực trạng hiện nay, ở hầu hết các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước,
việc sản xuất khung xe buýt nói chung được thực hiện theo thiết kế mua từ nước ngoài, hoặc theo thiết kế của
sản phẩm tương tự, có tính đến sự hiệu chỉnh theo đề nghị, góp ý của khách hàng hoặc các đề xuất cải tiến của
bộ phận R&D. Điều này dẫn đến các loạt sản phẩm đầu tiên chưa được tối ưu, tiềm ẩn những khiếm khuyết do
không phù hợp với điều kiện vận hành ở Việt Nam hoặc kéo dài thời gian phát triển sản phẩm. Gần đây ở trong
nước đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng công cụ CAE vào cải tiến khung xe buýt [4, 5], đem lại
hiệu quả nhất định nhưng nhìn chung các đề tài chưa cụ thể hóa được quy trình tính toán và chủ yếu thực hiện
cải tiến khung xe buýt đã có sẵn.
Chính vì vậy tối ưu hóa khung xe buýt ngay từ thiết kế đầu là hết sức cấp thiết. Đề tài trình bày quy trình
thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 có ứng dụng công cụ CAE vào công đoạn thiết kế định hình và công
đoạn tối ưu độ bền. Ứng dụng phần mềm HyperWorks tối ưu hóa hình dáng, khối lượng và phân tích bền
khung xe buýt Thaco City B60 trong các trường hợp chịu tải thông thường. Điều đó có ý nghĩa rất lớn trong
bối cảnh nền công nghiệp ô tô trong nước đang dần chuyển từ sản xuất lắp ráp sang thiết kế, lắp ráp hoàn thiện.
MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xây dựng hoàn thiện quy trình nghiên cứu phát triển sản phẩm của
Thaco; nâng cao năng lực tính toán thiết kế của đội ngũ Phòng R&D; xây dựng phương pháp tối ưu hóa khung

xe buýt trên phần mềm HyperWorks góp phần hoàn thiện sản phẩm xe buýt.
Mục đích nghiên cứu của đề tài: Tối ưu hóa thiết kế khung xe buýt Thaco City B60.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Luận văn chọn đối tượng nghiên cứu và tính toán là khung xe buýt Thaco City
B60.
Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu nên luận văn chỉ giới hạn và tập trung
nghiên cứu đánh giá độ bền dưới tác dụng của tải trọng bình thường trong một số chế độ làm việc và phương
án tối ưu hóa khung xe buýt bằng lý thuyết và mô hình hóa.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán độ bền và mô hình tối ưu hóa
khung xe buýt. Độ bền khung ô tô được tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm
Hyperworks. Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu để giảm trọng lượng và phân tán vùng
tập trung ứng suất trên khung xe buýt.


2
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học: Luận văn góp phần xây dựng phương pháp tính toán độ bền khung xe buýt Thaco
City B60. Xây dựng phương pháp đánh giá độ bền và hướng đề xuất cải thiện kết cấu nhằm nâng cao độ bền
và tối ưu trọng lượng khung xe buýt Thaco City B60.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận văn chỉ ra được tính hiệu quả hơn khi ứng dụng phần mềm HyperWorks vào
thiết kế khung xe buýt. Bên cạnh đó luận văn giúp rút ngắn được thời gian thiết kế sản phẩm mới từ đó giúp
giảm được chi phí cho công tác nghiên cứu thiết kế ban đầu. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để tính
toán thiết kế các kiểu loại xe buýt tương tự tại Thaco.
CẤU TRÚC NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN: Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng
phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Phần mềm HyperWorks và cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks
Chương 4: Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks



3
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam
Ngành công nghiệp ô tô có vai trò đặc biệt quan trọng để thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Vì vậy để nâng
cao năng lực cạnh tranh trong giai đoạn hội nhập với sự cạnh tranh khốc liệt từ các hãng ô tô nước ngoài, lĩnh
vực sản xuất ô tô buýt đang được các nhà sản xuất trong nước chú trọng đẩy mạnh phát triển. Bằng việc tăng
mạnh tỷ lệ nội địa hóa, tăng tính năng an toàn, đầu tư quy mô vào công tác nghiên cứu và phát triển sản phẩm
(R&D), bước đầu đã tạo ra được một số sản phẩm xe buýt đáp ứng tốt nhu cầu thị trường trong nước và tiến
tới xuất khẩu. Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống ô tô, thì cần phải đầu tư chiều
sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Trong đó, ưu tiên hàng
đầu cần được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo khung vỏ.
1.2. Đặc điểm cấu tạo của khung xe buýt
1.2.1. Phân loại kết cấu khung xe buýt
1.2.1.1. Khung xe không chịu tải
Khung xe không chịu tải là một cấu trúc khung thông thường, trong đó khung được lắp ráp trên chassis
bằng các giá đỡ như đệm su hoặc lò xo. Với kết cấu này chassis chịu toàn bộ tải trọng đặt lên nó; khung chỉ
chịu một phần nhỏ tải trọng do uốn cong của chassis, do đó loại cấu trúc kiểu khung xe không tải yêu cầu có
khung gầm chắc chắn điều đó làm khung gầm có khối lượng lớn.
1.2.1.2. Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng cùng với chassis)
Khung xe kiểu bán tải là một kết cấu khung xe được liên kết liền khối với khung chassis, khung xe chịu
một phần tải trọng. Một kiểu kết cấu mang đặc điểm chung của kết cấu khung không chịu tải và khung chịu
toàn tải. Kết cấu toàn bộ khung và chassis được hàn cứng hoặc liên kết bằng bu lông, vì vậy khung xe lúc này
chịu một phần tải trọng uốn và xoắn.
1.2.1.3. Khung xe chịu toàn tải
Khung xe chịu toàn tải là một cấu trúc khung xe không tách rời, không có chassis riêng biệt. Đặc điểm
lớn nhất là khung xe có cấu trúc giàn lưới bao gồm các chi tiết hộp, dập tiết diện. Toàn bộ khung vỏ là một
cấu trúc vòng kín, bao gồm sáu tấm kết cấu liên kết cứng với nhau. Tải trọng tác động lúc này được toàn bộ
khung hấp thụ. Kết cấu kiểu khung chịu tải có các ưu điểm hơn so với các kết cấu khác như sau: Trọng lượng

bản thân giảm đáng kể; cường độ và độ cứng kết cấu được cải thiện; cấu trúc hợp lý và tỷ lệ sử dụng vật liệu
cao; trọng tâm thấp và ổn định khi xe chạy ở tốc độ cao; độ an toàn được nâng cao.
1.2.2. Yêu cầu đối với khung xe buýt
1.2.2.1. Độ cứng
Độ cứng của kết cấu khung có liên quan đến biến dạng khi có các tác động của lực như lực quán tính, lực
va chạm. Độ cứng còn ảnh hưởng đến khả năng làm việc của các cụm hệ thống trên ô tô và sự dao động.
1.2.2.2. Độ bền
Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trên khung xe xuất hiện các biến dạng và ứng suất, độ bền có thể được
hiểu là khả năng chịu được lực tác dụng lớn nhất của khung mà ứng suất sinh ra nhỏ hơn giá trị ứng suất cho
phép của vật liệu.


4
1.2.2.3. Độ bền mỏi
Độ bền mỏi cũng là một trong các tiêu chí quan trọng đối với khung ô tô, do trong thực tế việc mất khả
năng làm việc của kết cấu khung không chỉ do quá tải đột ngột vượt quá giới hạn cho phép mà còn do hiện
tượng mỏi của vật liệu khi chịu các tải trọng gây ra sự thay đổi có chu kỳ của ứng suất phát sinh trên kết cấu.
1.2.2.4. Yêu cầu đến vấn đề an toàn giao thông
1.2.3. Đặc tính làm việc của khung xe buýt
1.2.3.1. Đặc tính dao động
Đặc tính dao động của xe liên quan đến độ cứng và sự phân bố khối lượng của khung xe.
1.2.3.2. Đặc tính rung ồn
Mức độ ồn rung do khung ô tô gây ra phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo khung vỏ ô tô.
1.2.3.3. Đặc tính biến dạng
Đặc tính biến dạng đảm bảo cho khung xe ít chịu tác động của các lực va chạm thông thường.
1.3. Ý nghĩa của việc phân tích kết cấu khung xe buýt
Phân tích kết cấu khung xe buýt có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và giảm giá thành
sản phẩm xe buýt. Đồng thời góp phần nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm xe buýt trong nước.
1.4. Kết luận chương 1
1 - Nền công nghiệp ô tô trong nước đang trên đà tăng trưởng, phát triển và cạnh canh gay gắt từ các xe

CBU. Trong bối cảnh đó, để ngành công nghiệp ô tô đủ sức cạnh tranh và thành ngành công nghiệp trụ cột của
Việt Nam, các doanh nghiệp ô tô trong nước cần phải chú trọng đầu tư cho vấn đề nghiên cứu, phát triển sản
phẩm để sản xuất các xe có chất lượng cao với chi phí thấp.
2 - Kết cấu chính của khung xe buýt theo đặc tính chịu tải được phân thành 3 loại chính là: Khung xe
không chịu tải, khung xe bán tải, và khung xe chịu hoàn toàn tải trọng. Hiện nay tại Việt Nam đa phần các xe
buýt sử dụng loại kết cấu khung xe bán tải.
3 - Khi tiến hành thiết kế khung xe buýt phải đảm bảo các yêu cầu về độ cứng, độ bền và vấn đề an toàn
giao thông.
4 - Các đặc tính cần quan tâm khi thiết kế khung xe buýt là đặc tính dao động, đặc tính rung ồn và đặc
tính biến dạng.
5 - Trong quá trình sản xuất xe buýt, bằng cách tối ưu hóa kết cấu khung vỏ, thiết kế cấu trúc khung xe
với cấu trúc hợp lý và hiệu suất vượt trội là một công việc hết sức cấp thiết trong xu hướng thiết kế hiện đại
(giảm khối lượng, nâng cao độ bền, chất lượng sản phẩm). Việc ứng dụng công nghệ số trong tính toán mô
phỏng sẽ giúp giải quyết được các vấn đề phức tạp trong thực tế mà tính toán lý thuyết là rất khó khăn và tốn
nhiều thời gian chi phí; thời gian thiết kế và chi phí cho việc thiết kế cũng đồng thời giảm thiểu đáng kể.
Chương 2. PHẦN MỀM HYPERWORKS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Phần mềm HyperWorks
2.1.1. Giới thiệu phần mềm HyperWorks


5
HyperWorks là một trong những phần mềm CAE (Computer Aided Engineering) nổi tiếng và được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực với khả năng phân tích chính xác dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn.
2.1.2. Các Modul của phần mềm HyperWorks
Phần mềm HyperWorks bao gồm các Modul chính sau: Hypermesh; HyperView; HyperGrapth;
HyperCrash; Radioss; Optistruct; MotionView; MotionSolve.
2.1.3. Đặc điểm của phần mềm HyperWorks
HyperWorks là một phần mềm có tính trực quan cao, có khả năng phân tích, tối ưu hóa các cấu trúc, lưu
chất, hệ đa vật thể, điện từ,… Ứng dụng phần mềm HyperWorks vào trong thiết kế sẽ làm giảm chu trình thiết
kế, giảm thời gian thiết kế và nâng cao hiệu suất công việc.

2.1.4. Các kiểu phần tử hữu hạn trong HyperWorks
2.1.4.1. Phần tử 1D
- Định nghĩa: Là kiểu phần tử có một thành phần kích thước lớn hơn rất nhiều so với các kích thước còn
lại
2.1.4.2. Phần tử 2D
- Định nghĩa: Là kiểu phần tử có 2 thành phần kích thước lớn hơn rất nhiều so với kích thước còn lại.
2.1.4.3. Phần tử 3D
- Định nghĩa: Là kiểu phần tử có các kích thước tương đương nhau.
2.1.4.4. Các kiểu phần tử khác
Ngoài phần tử 1D, 2D và 3D, còn có một số phần tử như: Phần tử khối lượng (mass); phần tử lò xo
(spring); phần tử giảm chấn (damper); phần tử tiếp xúc (Gap); phần tử liên kết cứng (Rigid); phần tử hàn.
2.1.5. Cấu trúc tổng thể của một bài toán bên trong phần mềm HyperWorks
Một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks thông thường gồm các bước sau: B1: Nhập dữ liệu
tính toán; B2: Xử lý mô hình; B3: Giải bài toán; B4: Phân tích kết quả.
2.2. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.1. Sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tính toán số được phát triển vào những năm 1960. Đầu
những năm 1980, với sự phát triển mạnh của phân tích phần tử hữu hạn, một số chương trình phần tử hữu hạn
trên máy tính đã xuất hiện và tương đối nổi tiếng như HYPERWORKS, ANSYS, ABAQUS, NASTRAN,
ASKA và ADINA, v.v ... Những phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thương mại này có các chương trình
tiền xử lý và hậu xử lý mạnh mẽ, có thể dùng kết quả để áp dụng vào công việc nghiên cứu.
2.2.2. Ý tưởng cơ bản và trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.2.1. Ý tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn
Một trong những tư tưởng cơ bản trong phương pháp phần tử hữu hạn là xấp xỉ hóa đại lượng cần tìm
trong mỗi miền con. Do đó, cấu trúc trong quy trình tính toán phân tích phần tử hữu hạn không phải là đối


6
tượng hoặc cấu trúc ban đầu, mà là cấu trúc đối tượng rời rạc. Kết quả của phép tính và phân tích này không
phải là giá trị thực, mà là một xấp xỉ.

2.2.2.2. Trình tự phân tích phần tử hữu hạn
a) Phân biệt và lựa chọn phần tử
Cấu trúc của đối tượng cần phân tích được rời rạc với các phần tử hữu hạn, được chia thành các hệ thống
tương đương với các nút liên kết và sau đó chọn loại phần tử phù hợp nhất để mô phỏng các tính chất vật lý
thực tế.
b) Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử, ma trận độ cứng phần tử và vectơ tải phần tử
Khi giải bài toán theo mô hình tương thích (còn gọi là phương pháp chuyển vị) đại lượng cơ bản cần tìm
trước tiên là chuyển vị. Chuyển vị được xấp xỉ hóa và nội suy theo vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e. Sau khi
tìm được ma trận các hàm dạng, chúng ta biểu diễn được trường chuyển vị theo các chuyển vị nút phần tử {q}e
[9]:
{u}e = [N].{q}e (2.1)
Từ đó, theo các phương trình liên hệ giữa chuyển vị và biến dạng (các phương trình Cauchy), biến dạng
của một điểm trong phần tử sẽ là:
{}e = []{u}e = [][N]{q}e = [B]{q}e (2.2)
Và [B] được gọi là ma trận tính biến dạng (ma trận chứa đạo hàm của hàm dạng)
Ứng suất tại một điểm thuộc phần tử, trong trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hook sẽ là:
{}e = [D][B]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.3)
Hay {}e = [T]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.4)
Trong đó [T] = [D][B] (2.5) gọi là ma trận tính ứng suất phần tử.
Phương trình (2.1), (2.2) và (2.4) cho ta biểu diễn chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử theo
vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e.
c) Ghép nối các phần tử xây dựng phương trình cân bằng của toàn hệ
Ma trận độ cứng tổng thể:
m

[K′] = ∑[H]Te [K′]e [H]e (2.23)
e=1

Vectơ tải trọng nút tổng thể
m


{F ′ }

= ∑[H]Te {F′ }e (2.24)
e=1

d) Sử dụng điều kiện biên của bài toán
Hệ phương trình tổng thể [K]{q}={P} có thể viết dạng khối như sau:
[K]11

[
[K]21

[K]12

b

[q]1
[P]
] { b} = { 1 }
[K]22 [q]2
[P]
2

(2.25)


7
Trong đó
- {q}2b: là vectơ chứa tất cả các bậc tự do (chuyển vị nút) đã biết;

- {q}1: là vectơ chứa các bậc tự do chưa biết;
- {P}b1: là vectơ tải gồm các phần tử đã biết;
- {P}2: là vectơ tải gồm các phần tử còn lại của {P} và là chưa biết.
2.3. Lý thuyết tối ưu hóa
2.3.1. Khái niệm tổng quát
Bài toán tối ưu đặt ra như sau: Tìm x1, x2,…, xn sao cho hàm số Z = f(x1, x2,…, xn) đạt max (hay min)
đồng thời thỏa mãn các điều kiện [10]:
θi (x1 , x2 , … , xn ) ≤ bi
Φk (x1 , x2 , … , xn ) = dk }
j (x1 , x2 , … , xn ) ≥ hj

(2.31)

Trong đó: x1, x2, xn là các biến
bi, dk, hj là các hằng số
2.3.2. Lý thuyết tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks
2.3.2.1. Khái niệm
Một vấn đề tối ưu hóa có thể được trình bày về mặt toán học [11] như sau:
- Hàm mục tiêu:
ω0 (p) => min(max)

(2.34)

- Điều kiện ràng buộc của quá trình tối ưu:
ωi (p) ≤ 0 (2.35)
- Biến thiết kế:
pl ≤ pj ≤ pu (2.36)
Trong đó: - l là giới hạn dưới và u là giới hạn trên của biến thiết kế;
- ω0(p) và ωi(p) là các giá trị mục tiêu của biến tối ưu hóa (mục đích cần đạt được);
- pj là giá trị đại diện cho các biến thiết kế (p1, p2,…, pn).

2.3.2.2. Biến thiết kế
Biến thiết kế (DVs - Design Variable) là các tham số hệ thống có thể thay đổi để tối ưu hóa kết cấu. Đối
với HyperWorks, kiểu tham số dùng để xác định loại tối ưu hóa gồm có: TOPOLOGY, TOPOGRAPHY,
FREE-SIZE, SHAPE, GAUSE, FREE-SHAPE, COMPOSITE SHUFFLE.
2.3.2.3. Phương pháp Gradient
a) Phương pháp Gradient
Đây là một thuật toán tối ưu hóa để tìm ra một hàm số sẽ đạt được cực tiểu được gọi là phương pháp
Gradient. Thuật toán [11] có thể được mô tả như sau:
1. Bắt đầu từ một điểm X0 (điểm xuất phát và cũng là điểm khởi tạo của vòng lặp).


8
2. Đánh giá hàm F (Xi) và độ dốc (Gradient) của hàm ∇F (Xi) tại điểm Xi.
3. Xác định điểm tiếp theo sử dụng hướng dốc có giá trị âm: Xi+1 = Xi - ϒ∇F(Xi).
4. Lặp lại các bước 2 và 3 cho đến khi hàm hội tụ và nhỏ nhất.
b) Phân tích độ nhạy
Phân tích độ nhạy là phương pháp điều chỉnh kết cấu sao cho việc sử dụng vật liệu là hiệu quả nhất mà
vẫn thỏa mãn các yêu cầu thiết kế kỹ thuật. Với phương pháp này chúng ta cần điều chỉnh kết cấu để đạt được
mục tiêu trọng lượng cực tiểu mà không phải tiến hành tính toán lại nhiều lần.
2.3.2.4. Điều chỉnh giới hạn
Giới hạn di chuyển điển hình trong bài toán tối ưu hóa gần đúng là 20% giá trị biến thiết kế [11]. Nếu sử
dụng các khái niệm gần đúng nâng cao, có thể giới hạn di chuyển lên tới 50% [11].
2.4. Cơ sơ phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe
Trong quá trình xe chuyển động, các phản lực thẳng góc tác dụng từ đường lên bánh xe luôn thay đổi theo
các ngoại lực. Trị số của các phản lực này ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định cũng như tuổi thọ của các chi
tiết và cụm chi tiết trên xe.
2.4.1. Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang
Theo lý thuyết ô tô [12], sơ đồ lực tác dụng lên xe trong trường hợp chuyển động ổn định trên đường nằm
ngang có dạng:


Hình 2.8 – Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô chuyển động trên đường nằm ngang
 Trọng lượng toàn bộ xe (G)
Trọng lượng của toàn bộ xe đặt tại trọng tâm của nó. Khi tính toán, trọng lượng toàn bộ của xe thường
được xác định như sau:
G = Ga + Gload

(2.46)

Trong phân tích độ bền khung xe, trọng lượng là yếu tố chính có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ
và độ ổn định của khung. Vì vậy việc xác định đúng, đủ các thành phần khối lượng và vị trí tọa độ so với
khung xe là quan trọng trước khi thực hiện phân tích bền kết cấu khung.
 Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe của ô tô (Z1, Z2)
Khi xe chuyển động, các bánh xe chịu tác dụng bởi các phản lực pháp tuyến của đường. Phản lực này
thay đổi khi các ngoại lực tác dụng lên xe thay đổi và truyền lên khung xe thông qua hệ thống treo.


9
G(b − frb ) − Pω . hω
Lcs
G(a + frb ) + Pω hω
Z2 =
Lcs
{
Z1 =

(2.47)

2.4.2. Trường hợp xe phanh trên đường nằm ngang

Hình 2.9 – Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh

 Lực phanh Pp
Khi ô tô phanh, ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến PP ngược với chiều chuyển động. Phản lực tiếp
tuyến này được gọi là lực phanh và được xác định theo biểu thức:
{
PP2

dV
PP1 = k. Pj = k. M. ( ) = μ. Z1
dt
dV
= (1 − k). Pj = (1 − k). M. ( ) = μ. Z2
dt

(2.48)

 Phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe của ô tô (Z1, Z2)
Phản lực thẳng góc Z1 và Z2 được xác định như sau:
G. (b + μ. hg )
Lcs
G. (a − μ. hg )
Z2 =
Lcs
{
Z1 =

(2.50)

2.4.3. Trường hợp xe chuyển động quay vòng

Hình 2.10 – Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng

Khi ô tô quay vòng sẽ xuất hiện các lực sau:


Trọng lượng của xe đặt tại trọng tâm G


10


Lực ly tâm FLAT. Giá trị của lực ly tâm được xác định theo:
FLAT

G v2
G. B
=
=
g R 2. hg

(2.51)

Các phản lực ngang PF, PP từ đường tác dụng lên bánh xe bên phải và bên trái ở cầu trước và cầu sau. PF
và PP được xác định như sau:
PF =

G v2 b
G. B b
.
=
g R a + b 2. hg a + b


(2.52)

PR =

G v2 a
G. B a
.
=
g R a + b 2hg a + b

(2.53)

2.5. Kết luận chương 2
1 - Phần mềm HyperWorks là một công cụ hỗ trợ tính toán và mô phỏng mạnh mẽ, có thể đáp ứng hầu
hết các nhu cầu phân tích kết cấu, tối ưu hóa hiệu quả. Các modul đa dạng tích hợp nhiều giải pháp về thiết kế,
kỹ thuật, hiển thị và quản lý cơ sở dữ liệu.
2 - Phương pháp phần tử hữu hạn có thể được sử dụng để phân tích một loạt các vấn đề cấu trúc và phi
cấu trúc. Các vấn đề cấu trúc điển hình bao gồm phân tích ứng suất (giàn, phân tích khung), phân tích độ bền
và phân tích rung động; các vấn đề phi cấu trúc bao gồm phân tích truyền nhiệt, phân tích dòng chất lỏng,…
Do có thể ứng dụng vào nghiên cứu và phân tích một số lượng lớn các vấn đề nên việc áp dụng phương pháp
phần tử hữu hạn hiện nay là rất phổ biến.
3 - Việc thực hiện tính toán và phân tích kết cấu khung xe trên phần mềm HyperWorks phải tuân thủ theo
cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn và cơ sở phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe.
Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHUNG XE BUÝT TRÊN PHẦN MỀM
HYPERWORKS
3.1. Quy trình phát triển sản phẩm
Thiết kế phát triển sản phẩm là giai đoạn đầu tiên của vòng đời sản phẩm. Giai đoạn này quyết định thuộc
tính đặc trưng của sản phẩm như độ bền, thẩm mỹ, khả năng vận hành, …
3.1.1. Quy trình phát triển sản phẩm thông thường
Với quy trình phát triển sản phẩm truyền thống, một sản phẩm đạt chất lượng sẽ ra đời sau nhiều lần thử

nghiệm. Điều này làm tăng đáng kể thời gian thiết kế từ đó làm tăng giá thành sản phẩm.
Khảo sát nhu cầu

Kế hoạch

Thiết kế

Tạo mẫu

Vòng lặp thiết kế - thử nghiệm – tạo mẫu
Thử nghiệm

Sản xuất
Hình 3.1 - Sơ đồ quy trình thiết kế sản phẩm thông thường


11
3.1.2. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE
3.1.2.1. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thử nghiệm ảo
3.1.2.2. Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm ảo
Số lượng chu kỳ của việc tạo sản phẩm mẫu và thử nghiệm được giảm đáng kể khi CAE được ứng dụng
như một công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm số.
CAE giúp định hướng thiết kế phác thảo, giúp nâng cao chất lượng bản thiết kế ở giai đoạn đầu từ đó
nâng cao chất lượng bản thiết kế ở giai đoạn thiết kế chi tiết. Ngoài ra vai trò của CAE lúc này sẽ bù đắp lại
phần kinh nghiệm làm việc của người thiết kế.
Khảo sát nhu cầu

Kế hoạch

Thiết kế sơ bộ


Vòng lặp giảm nhờ ứng dụng CAE

CAE

Thiết kế tổng thể

CAE

Sản xuất

Thử nghiệm

Tạo mẫu

Hình 3.3 – Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm số.
3.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xe buýt
3.2.1. Tạo mô hình phần tử (chia lưới)
3.2.1.1. Đơn giản hóa mô hình thực tế về mô hình phân tích
3.2.1.2. Chọn kiểu phần tử mô phỏng
3.2.1.3. Mô phỏng liên kết
3.2.1.4. Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới
3.2.2. Các bước xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trong phần mềm HyperWorks
3.2.2.1. Các bước chính của một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks
a) Tiền xử lý (Hypermesh; motionview)
b) Xử lý bài toán (Optistruct; radios; motionsolve…)
c) Xem xét kết quả (Hyperview)
3.2.2.2. Cấu trúc thư mục chính của một bài toán mô phỏng trên HyperWorks
Cấu trúc cơ bản của các thành phần trong một bài toán mô phỏng như sau: Assembly, Component, Contact
surface, Group, Load collector, Load step, Material, Property, Card.



12
3.3. Kết luận chương 3
1 - Việc ứng dụng phần mềm máy tính trong thiết kế phát triển sản phẩm ngày càng được quan tâm và
phát triển mạnh mẽ. Trong tương lai CAE sẽ là công cụ chính giúp định hướng cho thiết kế. Vì vậy quy trình
thiết kế phát triển sản phẩm hiện nay đang có xu hướng chuyển dịch từ thử nghiệm thực tế sang thử nghiệm
ảo và kết hợp ứng dụng CAE như một công cụ định hướng thiết kế, điều này góp phần đáng kể vào việc nâng
cao chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh đồng thời giảm thiểu tối đa chi phí và thời gian thiết kế phát
triển sản phẩm.
2 - Trước khi tiến hành tạo mô hình phần tử hữu hạn cần thực hiện đơn giản hóa mô hình, chọn kiểu phần
tử thích hợp cho từng kết cấu, chọn kiểu liên kết đúng cho từng vị trí liên kết và kiểm tra chất lượng của từng
phần tử sau khi đã hoàn thành mô hình. Việc này giúp giảm thời gian tính toán, nâng cao độ chính xác của kết
quả.
3 - Một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks phải trải qua các bước cơ bản như tiền xử lý, xử
lý bài toán, xem và phân tích kết quả.
4 - Phần mềm mô phỏng HyperWorks quản lý thư mục theo từng chức năng riêng, cơ bản gồm các thư
mục chính: Assembly, Component, Contact surface, Group, Load colector, Load step, Material, Property,
Card.
Chương 4: THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG XE BUÝT B60 TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS
4.1. Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trong HyperWorks
4.1.1. Thiết kế sơ bộ tổng thể hình dạng khung xe buýt
Dựa trên các thông số kỹ thuật về kích thước tổng thể, các vị trí liên kết tải trọng, các vị trí chịu phản
lực,… kết hợp ứng dụng phần mềm Catia V5, thực hiện thiết kế sơ bộ khung xe buýt.

Hình 4.2 – Tổng thể mặt bên của khung xe
4.1.2. Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks
4.1.2.1. Mục tiêu tối ưu hóa
Tối ưu hóa biên dạng hình học (concept design) là bước tiếp theo sau quá trình thiết kế tổng thể. Mục tiêu
tối ưu hóa khung xe buýt Thaco City B60 là đạt được độ cứng [K] tối đa dựa trên điều kiện ràng buộc về tỷ số

giữa thể tích tổng thể của biến thiết kế sau khi tối ưu Vvolf và thể tích tổng thể của biến thiết kế ban đầu Vini:


13
nvolf =

Vvolf
. 100% > 30%
Vini

(4.1)

4.1.2.2. Thực hiện tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks
Phương thức tối ưu Topology (tối ưu hóa phân bố vật liệu trong một không gian thiết kế nhất định) được
sử dụng để thực hiện tối ưu biên dạng hình học của khung xe. Thông số “Compliance” (C: năng lượng biến
dạng) được chọn là hàm mục tiêu của bài toán. Compliance được thể hiện về mặt toán học [11] như sau:
1
C = uT . F (4.2)
2
Mặt khác: F = K.u. Vậy biểu thức (4.2) có thể viết lại:
C=

F 2T
KT

(4.3)

Điều này có nghĩa C tỷ lệ nghịch với độ cứng K, vì vậy để kết quả mô phỏng hội tụ theo hàm mục tiêu K
=> max thì giá trị của hàm mục tiêu khi thiết lập trong bài toán tối ưu hóa Topology là C => min.
4.1.2.3. Kết quả tối ưu hóa hình học khung xe buýt

Sau khi quá trình tối ưu hóa kết thúc, kết quả tối ưu được hiển thị trực quan dưới dạng đồ họa với Modul
HyperView.

Hình 4.20 – Kết cấu tối ưu hóa mặt bên (RH)

Hình 4.21 – Kết quả tối ưu hóa mặt bên (LH)

Hình 4.22 – Kết quả tối ưu hóa mặt trên khung xe


14
 Nhận xét
Kết quả của quá trình tối ưu hóa trên cho người thiết kế có cái nhìn tổng thể về các liên kết trong khung
xe buýt, mật độ bố trí vật liệu giúp người thiết kế nhanh chóng đưa ra các ý tưởng ban đầu khi thực hiện thiết
kế khung xe buýt.
Trong giai đoạn thiết kế ban đầu, tối ưu hóa ý tưởng thiết kế rất quan trọng mục đích để đánh giá các kết
cấu khác nhau và đi đến một thiết kế tốt nhất, giảm được thời gian, chi phí và hơn hết giúp cải thiện kinh
nghiệm thiết kế.
4.1.3. Thiết kế chi tiết khung xe buýt B60
4.1.3.1. Thiết kế khung xương mảng đầu
Kết cấu khung xương mảng đầu gồm các thanh thép hộp 40x40x2, 30x30x1.4, 30x60x1.4 và
40x60x3.
4.1.3.2. Khung xương mảng hông trái
Toàn bộ kết cấu khung xương mảng hông trái có cấu tạo chủ yếu từ các thanh thép hộp 40x40x2,
40x40x1.4 và 40x60x2.0.
4.1.3.3. Khung xương mảng hông phải
Khung xương mảng hông phải có kết cấu đối xứng hầu như giống với mảng hông trái, như vậy thông số
mác thép sẽ được sử dụng chung cho cả hai mảng hông trái và phải.
4.1.3.4. Khung xương mảng mui
Khung xương mui chủ yếu là thép hộp 40x40x2.0, 40x60x2.0, 20x40x1.4 và 30x60x1.4. Trong đó,

các thanh kèo chính là loại 40x40x2.0 được uốn cong để tạo độ dốc nhất định về phía hai bên thành xe, hai
thanh 40x60x2 được sử dụng để đỡ máy lạnh, cùng với một số thanh ngang ngắn 20x40x1.4 để tạo liên kết
giữa các thanh kèo nhằm hình thành một dầm ngang; đầu và cuối của mảng mui được sử dụng 2 hộp loại
30x60x1.4 để tạo bề rộng nhất định nhằm liên kết giáp mí tốt với tôn mui đảm bảo độ kín cho xe.
4.1.3.5. Khung xương mảng đuôi
Kết cấu khung xương đuôi cũng chỉ tạo nên từ 4 mác thép chính, trong đó thép hộp 40x40x2.0 và
40x40x1.4 được sử dụng để tạo các thanh liên kết ngang; thép hộp 30x30x1.4 sẽ được uốn cong tạo thành
các dầm đỡ ngang để thuận lợi lắp đặt bề mặt composite đuôi; mác thép hộp còn lại 20x40x1.4 được sử dụng
để tạo bề mặt liên kết giữa mảng đuôi với mảng hông trái và phải.
4.1.3.6. Khung xương mảng sàn
a) Mảng sàn trước
Mảng sàn trước chủ yếu sử dụng 2 loại thép hộp 30x60x1.4, 40x40x1.4 cho kết cấu sàn cabin, còn các
hộp 30x30x1.4 được sử dụng cho kết cấu xương bậc cấp.
b) Mảng sàn chính
Các dầm ngang dùng thép hộp 40x40x2.0; hai dầm dọc chính 40x40x2.0; các thanh đỡ ván sàn có kích
thước 30x60x1.4 và 30x30x1.4. Khung xương sàn chính sẽ chịu gần như toàn bộ tự trọng khung vỏ ngoài
của xe, chịu các tải trọng tác dụng liên tục (uốn, xoắn, dọc trục, ngang).
c) Mảng sàn sau
Mảng sàn sau có kết cấu khá đơn giản, chủ yếu sử dụng 2 loại thép hộp 40x40x2.0 và 30x30x1.4 để


15
tạo nên dầm chịu lực đủ để bố trí cho 5 hành khách.
4.2. Tính bền khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks
4.2.1. Phân tích các trường hợp tải trọng và các nhân tố tải trọng
Khung xe buýt là kết cấu truyền lực và chịu lực rất phức tạp: Nhận và truyền tất cả các lực từ mặt đường.
Tải trọng tác dụng lên xe được chia làm 2 loại: Tải trọng tĩnh và tải trọng động.

Hình 4.31 – Các tải trọng tác động lên khung xe buýt
Với Px, Py, Pz: Tải trọng động sinh ra theo các phương x, y, z khi điều kiện hoạt động thay đổi;

Mx, My, Mz: Các momen uốn và xoắn sinh ra do các tải động Px, Py, Pz.
4.2.2. Bài toán tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks
Phương pháp bù quán tính (Inertia Relief) [13] được sử dụng để phân tích bền khung xe. Tổng ngoại lực
tác động sẽ cân bằng với momen quán tính theo cùng chiều tiến và xoay so với khối tâm của hệ bằng cách bù
thêm một đại lượng quán tính.
Mối quan hệ giữa các đại lượng ma trận khối lượng [M], vectơ nội lực hệ {I}, vectơ ngoại lực {P}, hàm
số đáp ứng tương đối {ü} và hàm số đáp ứng của kết cấu {üb} được mô tả như sau [13]:
[M] × {ü } + [M] × {ü b } + {I} = {P} (4.5)

Hình 4.32 – Mô hình bài toán bù quán tính
4.2.3. Các trường hợp tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks
Điều kiện địa hình có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của khung xe. Khi xe di chuyển trên các loại địa
hình khác nhau sẽ xuất hiện các lực khác nhau tác động lên hệ thống treo và truyền trực tiếp lên khung xe. Các
lực này thay đổi tùy thuộc vào cường độ thay đổi của gia tốc tức thời được xác định thông qua quá trình thử
nghiệm thực tế, từ đó thiết lập các tiêu chuẩn để áp dụng vào tính toán thiết kế khung xe buýt Thaco City B60.


16
4.2.3.1. Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng phẳng
Xét trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng phẳng, khi đó các vị trí cầu trước và cầu
sau phải chịu lực tác dụng có giá trị 2G (các giá trị này được tăng thêm 1G so với ban đầu, G là giá trị phản
lực đặt lên một cầu tương ứng với trường hợp xe đứng yên).
4.2.3.2. Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô
Xét trường hợp xe chuyển động với tốc độ thấp, đồng thời cả hai bánh của trục trước đi qua mấp mô, khi
đó mỗi bánh xe trước phải chịu phản lực tác dụng có giá trị bằng 2G.
4.2.3.3. Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô
Xét trường hợp xe chuyển động với tốc độ thấp, đồng thời cả hai bánh của trục sau đi qua mấp mô (bị bậc
lên), khi đó mỗi bánh xe của trục sau phải chịu phản lực tác dụng có giá trị bằng 2G.
4.2.3.4. Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu
Trong trường hợp này, toàn bộ khung xe sẽ bị xoắn bởi vì phản lực tác dụng lên các bánh xe của cả cầu

trước và cầu sau lúc này khác nhau. Khi xe chịu xoắn, tương ứng ở mỗi bánh xe được lên bậc thì giá trị phản
lực tác dụng tại đó sẽ được tăng thêm 0,5G, nghĩa là lực tác dụng lúc này đạt 1,5G; và ngược lại đối với các
bánh xe bị xuống bậc thì lực tác dụng sẽ giảm đi 0,5G, khi đó lực tác dụng tại bánh xe đó đạt 0,5G.
4.2.3.5. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến
Trong trường xe phanh gấp khi chuyển động tiến, lúc này sẽ xuất hiện lực theo phương dọc trục. Giá trị
lực dọc trục lúc này được xác định bằng 0,8G. Các phản lực theo phương thẳng đứng trong trường hợp này
không thay đổi tương ứng 1G.
4.2.3.6. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi
Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi, lúc này tốc độ chuyển động của xe rất thấp. Khi đó lực
dọc trục tác động lên xe có giá trị bằng 0,5G. Tương tự trong trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến,
phản lực tác dụng lên các bánh xe lúc này có giá trị bằng 1G.
4.2.3.7. Trường hợp xe quay vòng ngoặt
Khi xe quay vòng ngoặt sang trái (hoặc sang phải), xuất hiện lực quán tính ly tâm. Trong trường hợp này
lực ly tâm có độ lớn bằng 0,5G.
4.2.4. Phương pháp đặt tải trọng tác dụng lên khung xe buýt
4.2.4.1. Tải trọng phân bố
Khối lượng tại mỗi nút trong miền phân bố (mn) được xác định dựa vào khối lượng tổng thể của vật thể
(Mpb) và tổng số nút trong miền phân bố khối lượng (nt):
mn =

Mpb
nt

(4.6)

Trong mô hình phân tích khung xe buýt, khối lượng tại mỗi nút mn được tính thông qua công thức (4.6)
và được đặt vào mỗi nút trên toàn miền phân bố khối lượng.
4.2.4.1. Tải trọng tập trung
a) Xác định trọng tâm vật rắn
b) Đặt tải trọng tập trung vào mô hình trong phần mềm HyperWorks

Sử dụng phần tử RBE2 hoặc RBE3 để liên kết điểm trọng tâm của vật thể với vùng chịu khối lượng trên
khung xương.


17
4.2.5. Cơ sở lý thuyết phân tích kết quả
Khung xe buýt sử dụng các vật liệu thép khác nhau, tải trọng rất phức tạp bao gồm uốn, kéo, xoắn. Việc
phân tích cường độ của mô hình khung xe buýt tuân theo lý thuyết của thuyết bền thứ tư (Von-Mises) [15].
Ứng suất Von-Mises được tính theo công thức sau:
σmax = σvon =

(σ1 − σ2 )2 + (σ2 − σ3 )2 + (σ1 − σ3 )2
≤ σc (4.15)
2

Khi phân tích, ứng suất làm việc max được sử dụng để so sánh với ứng suất chảy của vật liệu để đánh giá
mức độ biến dạng dẻo của kết cấu.
4.2.6. Kết quả tính toán khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks
4.2.6.1. Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng
Với trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 4,9 [mm]
- Ứng suất: max = 236 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền
4.2.6.2. Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô
Với trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 2,4 [mm]
- Ứng suất: max = 166 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.3. Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô
Kết quả mô phỏng trên phần mềm HyperWorks như sau:

 Chuyển vị

Hình 4.48 – Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô


18
 Ứng suất

Hình 4.49 – Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô
Với trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 5,9 [mm]
- Ứng suất: max = 239 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.4. Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu
Với trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 3,6 [mm]
- Ứng suất: max = 178 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.5. Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái
Với trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 3,9 [mm]
- Ứng suất: max = 197 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.6. Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải
Với trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 4,9 [mm]
- Ứng suất: max = 232 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.7. Trường hợp phanh gấp khi chuyển động tiến
Với trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến giá trị tính như sau:

- Chuyển vị: max = 2,4 [mm]
- Ứng suất: max = 221 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.


19
4.2.6.8. Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi
Với trường hợp phanh khi chạy lùi 0,5G giá trị tính như sau:
- Chuyển vị: max = 2,7 [mm]
- Ứng suất: max = 157 [MPa]
 Kết quả tính đạt yêu cầu về độ bền.
4.2.6.9. Trạng thái các kiểu dao động của khung xe buýt
a) Uốn ngang
b) Dao động xoắn
c) Dao động uốn dọc
4.2.6.10. Nhận xét kết quả tính bền khung xe buýt B60
Thông qua kết quả phân tích độ bền của khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks, có thể thấy rằng
trong 8 trường hợp làm việc khác nhau kết cấu của khung xương thỏa mãn các giá trị về độ bền (ứng suất làm
việc lớn nhất max = 239 [MPa] không vượt quá ứng suất chảy cho phép của vật liệu c = 345 [MPa] , giá trị
chuyển vị tính nằm trong tiêu chuẩn cho phép). Các giá trị tính phản ánh tình trạng độ cứng của khung xương,
đảm bảo khung làm việc an toàn trong mọi điều kiện. Chính vì vậy trong nội dung phân tích đánh giá độ bền
của khung xe buýt, các chế độ làm việc nêu trên là cần thiết và là cơ sở để đánh giá và cải thiện độ bền của
khung xe.
Kết quả tính toán trên phần mềm HyperWorks được tổng hợp trong bảng dưới đây:

STT

Trường hợp tải trọng

Ứng suất VonMises [MPa]


Chuyển vị
tổng thể
[mm]

Vị trí chuyển vị lớn

1

Chuyển động với vận tốc lớn trên
đường bằng phẳng

236

4,9

Khung xương sàn gần
vị trí trục sau

2

Các bánh xe trục trước đi qua mấp
mô

166

2,4

Khung xương sàn
cabin


3

Các bánh xe trục sau đi qua mấp
mô

239

5,9

Khung xương vị trí
phía đuôi

4

Chuyển động chậm trên đường rất
xấu

178

3,6

Khung xương mảng
hông trái gần trục sau

5

Quay vòng ngoặt sang trái

197


3,9

Khung xương mảng
hông phải gần trục sau

6

Quay vòng ngoặt sang phải

232

4,9

Khung xương mảng
hông trái gần vị trí
trục sau

7

Phanh gấp khi chuyển động tiến

221

2,4

Khung xương mảng
trần

8


Phanh gấp khi chuyển động lùi

157

2,7

Khung xương mảng
trần

Bảng 4.3 – Tổng hợp kết quả phân tích bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks


20
4.3. Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks
Từ kết quả phân tích bền khung xe buýt, ta nhận thấy ứng suất sinh ra trong kết cấu khung xương trên tất
cả các trường hợp hoạt động đều thỏa mãn các điều kiện bền của vật liệu. Tuy vậy, nhằm thiết kế khung xương
có độ bền cao nhất trên cơ sở phân bố mật độ vật liệu hợp lý nhất, từ đó giúp giảm trọng lượng toàn bộ khung
xương, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu, chính vì
thế sau khi tính toán kết cấu cần tối ưu hóa lại mật độ phân bố vật liệu tại các kết cấu ít chịu tải trọng.
4.3.1. Phương pháp tối ưu hóa gauge
 Tối ưu hóa gauge [16]
vp : = min k(x) (4.18)
s. t. ρ(b − Ax) ≤ σ (4.19)
4.3.2. Mục tiêu tối ưu hóa
Mục tiêu của bài toán tối ưu hóa lại mật độ phân bố vật liệu là đáp ứng được khối lượng tổng thể của kết
cấu G là nhỏ nhất trên các điều kiện ràng buộc về chuyển vị tổng thể []max và độ bền []max.
 Mục tiêu tối ưu:
Trọng lượng kết cấu:
n


V = ∑ γi . V => min

(4.23)

i=1

 Điều kiện ràng buộc:
+ Độ bền:
σmax,i = σvon ≤ [σ]c,i

(4.24)

+ Độ cứng:
δmax ≤ [δ]s.t

(4.25)

4.3.3. Ứng dụng tối ưu trên phần mềm HyperWorks
4.3.3.1. Quá trình thực hiện tối ưu hóa khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks
Phương thức tối ưu hóa Gause (tối ưu hóa kích thước cụ thể) được sử dụng để tối ưu mật độ phân bố vật
liệu của từng chi tiết trong khung xe buýt Thaco City B60.
Hàm mục tiêu được thiết lập theo thông số “mass” với điều kiện hội tụ “mass => min”. Điều kiện ràng
buộc thiết lập theo thông số “displacement” và giá trị thiết lập là giá trị chuyển vị theo tiêu chuẩn thiết kế
[]s.t.
4.3.3.2. Tối ưu khung xe buýt B60
Sau khi chạy tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks, mật độ phân bố vật liệu của các biến thiết kế được
xác định và thu về giá trị PRO-VALUE (Giá trị độ dày tối ưu). Dựa vào kết quả này và kết hợp các giả thiết
sau để chọn lại độ dày phù hợp:
+ Đảm bảo sự đồng bộ của tổng thể kết cấu tại vị trí thực hiện tối ưu hóa, nghĩa là các giá trị về độ dày,

kích thước phải đảm bảo tính tương đối và hài hòa giữa tất cả các chi tiết tạo nên kết cấu.
+ Dựa vào điều kiện về tư liệu sản xuất (mác thép tiêu chuẩn hiện có trên thị trường gồm 20x40x1.2;
20x40x1.4; 30x60x1.4; 30x60x2.0; 40x40x2.0; 40x60x2.0; 40x60x3.0; 45x90x1.2; 45x90x1.5;


21
45x90x1.8; 60x120x1.8; 60x120x2.0) để chọn lại độ dày vật liệu phù hợp nhất với kết quả tối ưu hóa.
+ Đối với một số chi tiết cho kết quả tối ưu có giá trị độ dày lớn hơn giá trị các mác thép tiêu chuẩn hiện
có (chẳng hạn tại chi tiết DVPR14/DVPR39 – Bảng 4.4), người thiết kế thực hiện giải pháp tăng cứng bằng
cách tăng thêm số lượng thanh liên kết cục bộ tại vị trí này.
Thông số về độ dày vật liệu của từng chi tiết trong khung xương mảng hông khung xe buýt được thể hiện
tại Bảng 4.4.
Biến thiết
kế
DVPR1
DVPR2
DVPR3
DVPR4
DVPR5
DVPR6
DVPR7
DVPR8
DVPR9
DVPR10
DVPR11
DVPR12
DVPR13
DVPR14
DVPR15
DVPR16

DVPR17
DVPR18
DVPR19
DVPR20
DVPR21
DVPR22
DVPR23
DVPR24
DVPR25
DVPR26
DVPR27
DVPR28
DVPR29
DVPR30
DVPR31
DVPR32
DVPR33
DVPR34
DVPR35
DVPR36
DVPR37
DVPR38
DVPR39
DVPR40
DVPR41
DVPR42
DVPR43

Kiểu phần
tử

PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL

PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL

Hạng mục tối
ưu
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày

Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày


Độ dày thiết
kế ban đầu
[mm]
1.4
1.4
1.4
1.4
1.8
1.8
1.8
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
1.8
1.8
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
2.0
2.0
2.0
1.4
1.4

1.4
1.8
1.8
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
1.8
2.0
1.8
1.8
1.8
1.8

Giá trị độ
dày tối ưu
[mm]
6.1E-01
5.0E-01
5.0E-01
7.5E-01
6.2E-01
8.1E-01
1.4E+00
1.3E+00
7.8E-01
9.0E-01

9.0E-01
8.0E-01
1.7E+00
3.6E+00
2.0E+00
8.3E-01
6.0E-01
5.0E-01
6.8E-01
5.0E-01
5.0E-01
5.0E-01
1.2E+00
1.2E+00
1.4E+00
7.1E-01
7.8E-01
6.5E-01
2.4E+00
1.5E+00
1.8E+00
1.2E+00
1.2E+00
1.8E+00
1.8E+00
1.3E+00
2.2E+00
9.1E-01
3.4E+00
9.5E-01

7.1E-01
9.4E-01
1.5E+00

Độ dày chọn
lại [mm]
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.8
1.8
1.8
1.4
1.8
1.8
1.8
2.0
3.0
3.0
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.8
1.8

1.8
1.4
1.4
1.4
3.0
2.0
2.0
1.8
1.8
2.0
2.0
1.8
3.0
1.8
3.0
1.8
1.8
1.8
2.0


22
Biến thiết
kế
DVPR44
DVPR45
DVPR46
DVPR47
DVPR48
DVPR49

DVPR50
DVPR51
DVPR52
DVPR53
DVPR54
DVPR55
DVPR56
DVPR57
DVPR58
DVPR59
DVPR60
DVPR61
DVPR62
DVPR63
DVPR64
DVPR65
DVPR66
DVPR67
DVPR68
DVPR69
DVPR70
DVPR71
DVPR72
DVPR73
DVPR74
DVPR75
DVPR76
DVPR77

Kiểu phần

tử
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL

PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL
PSHELL

Hạng mục tối
ưu
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày

Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày
Độ dày

Độ dày thiết
kế ban đầu
[mm]
1.8
1.8
1.8
1.8
1.8
1.8
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

Giá trị độ
dày tối ưu
[mm]
5.6E-01
8.5E-01
8.1E-01
5.9E-01
5.9E-01
6.9E-01

6.3E-01
6.6E-01
5.6E-01
5.1E-01
5.0E-01
5.3E-01
5.0E-01
5.2E-01
5.0E-01
9.2E-01
8.9E-01
7.6E-01
7.8E-01
6.9E-01
5.0E-01
6.4E-01
5.0E-01
5.0E-01
6.6E-01
5.1E-01
5.0E-01
7.3E-01
5.1E-01
5.0E-01
5.3E-01
5.5E-01
5.0E-01
6.7E-01

Độ dày chọn

lại [mm]
1.4
1.8
1.8
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.8
1.8
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

Bảng 4.4 – Kết quả tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu khung xương mảng hông
Để kết quả tối ưu có được sự tin cậy, sau khi hoàn thiện quá trình tối ưu và lựa chọn lại độ dày của vật
liệu ta tiến hành phân tích bền kết cấu toàn bộ khung xe buýt theo các điều kiện tải trọng.
Tổng khối lượng khung xe buýt sau khi lựa chọn lại độ dày vật liệu phần khung xương mảng hông đã
giảm 37,2 [kg] so với thiết kế ban đầu (khối lượng mảng hông khung xe buýt theo thiết kế ban đầu sau bước
tối ưu hóa biên dạng hình học M1  272 [kg]; khối lượng mảng hông khung xe buýt hiện tại sau khi tối ưu và
lựa chọn lại độ dày vật liệu M2  234,8 [kg]). Mặc khác ứng suất phân tích bền của khung xe buýt có tăng so
với ban đầu nhưng giá trị tính vẫn đảm bảo xe hoạt động an toàn trong mọi điều kiện làm việc []ban đầu = 239
[MPa] < []tối ưu = 263 [MPa] < []cho phép = 345 [MPa]. Điều này có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế; sự đồng
bộ giữa kết cấu và điều kiện làm việc của khung xe buýt. Kết quả tính toán và so sánh được thể hiện trong
Hình 4.64 và Hình 4.65.


23

Ứng suất [MPa]

300

239

250 236
183


200

249

263

247

178

166

196 197

212

232

235

221
166
157

150
100
50
0
Uốn - 2G Uốn trục Uốn trục
trước - 2G sau - 2G


Xoắn 1.5G

QV trái - QV phải - Phanh khi Phanh khi
0.5G
0.5G
tiến - lùi - 0.5G
0.8G
GIÁ TRỊ SAU TỐI ƯU

GIÁ TRỊ BAN ĐẦU

Hình 4.64 – Ứng suất lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau khi tối ưu phân bố vật liệu
7

Chuyển vị [mm]

6
5

5.9

5.2

6.4
5.2

4.9
3.9
3.6


4

4.2

4.9

3.9

2.7

3

2.4

2.4

2.4

3
2.7

2
1
0
Uốn - 2G Uốn trục Uốn trục
trước - sau - 2G
2G

Xoắn 1.5G


GIÁ TRỊ BAN ĐẦU

QV trái - QV phải - Phanh khi Phanh khi
0.5G
0.5G tiến - 0.8G lùi - 0.5G
GIÁ TRỊ SAU TỐI ƯU

Hình 4.65 – Chuyển vị lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau khi tối ưu phân bố vật liệu
4.4. Kết luận chương 4
1 – Kết quả tối ưu hóa về mặt hình học cho người thiết kế có cái nhìn tổng thể về các liên kết trong khung
xe buýt, mật độ bố trí vật liệu, từ đó giúp người thiết kế nhanh chóng đưa ra các ý tưởng ban đầu khi thực hiện
thiết kế khung xe buýt.
2 – Các giá trị mô phỏng trên phần mềm HyperWorks về tải trọng tác động lên khung xe buýt trong 8
trường hợp chịu tải thông thường cho phép đánh giá độ bền khung xe buýt. Các giá trị và quy luật phản hồi
của khung xe buýt hiển thị trên phần mềm HyperView đã phản ánh đúng quy luật thực tế khi xe chạy trên
đường.
3 – Tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu cho phép xác định sự phân bố lại mật độ phân bố vật liệu trên toàn
bộ kết cấu; điều này rất quan trọng trong thiết kế góp phần nâng cao độ bền khung xe buýt đồng thời giảm tối
đa vật liệu tại một số vị trí ít chịu tác động của tải trọng, từ đó giúp giảm khối lượng khung xe buýt, giảm giá
thành sản phẩm.
4 – Theo kết quả phân tích độ bền của khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks, có thể thấy rằng
trong 8 trường hợp làm việc khác nhau kết cấu của khung xương thỏa mãn các giá trị về độ bền.