Đồ án Khảo sát độ êm dịu chuyển động của xe MATIZ

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐỘ ÊM DỊU CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE MATIZ BẰNG SAP-2000 Cơ sở xây dựng mô hình tính toán dao động ô tô bằng phần mềm SAP Phần mềm SAP 2000 và khả năng ứng dụng của phần mềm SAP 2000 trong nghiên cứu dao động ô tô Giới thiệu phần mềm SAP 2000 Hiện nay ở nước ta, cùng với các phần mềm phân tích kết cấu khác như ADAMS, ANSYS, ..., chương trình SAP (Structural Analysis Program) được nhiều người biết đến và sử dụng rộng rãi. Chương trình phân tích kết cấu SAP là kết quả công trình nghiên cứu từ những năm 1970, do giáo sư EDWARD.L.WILSON đứng đầu thực hiện tại trường đại học Berkeley ở Califonia. Phiên bản đầu tiên của SAP ra đời năm 1970, dựa trên phương pháp PTHH và phương pháp số. Phiên bản SAP 2000 v7.4 và hiện nay là v9.03 là bước đột phá của họ phần mềm SAP. Phiên bản này tích hợp được cả chức năng phân tích kết cấu và chức năng thiết kế kết cấu; có thể giải được các bài toán kết cấu với các tải trọng tĩnh và động, khả năng phân tích các kết cấu phi tuyến... Khả năng ứng dụng của phần mềm SAP 2000 trong nghiên cứu dao động ô tô Với bài toán dao động không gian có thể sử dụng một số khả năng của SAP 2000 như: Các tuỳ biến MASS để gán khối lượng và mômen quán tính khối lượng cho các khối lượng của hệ. Các phần tử Link/Support trong thư viện để mô tả các liên kết đàn nhớt giữa các khối lượng Các ràng buộc BODY để liên kết các khối lượng có cùng thuộc tính dao động. Các tải trọng dạng hàm thời gian (Timing Function) để mô tả kích thích động học từ mặt đường. Trong đó phần tử Link/Support và hàm thời gian đóng vai trò quan trọng. Phần tử Link/Support Chúng có thể mô tả liên kết đàn hồi của một nút với nền (có thể sử dụng trong mô hình dao động để mô tả liên kết giữa bánh xe và mặt đường) hoặc liên kết đàn hồi giữa hai nút với nhau (có thể sử dụng trong mô hình dao động để mô tả liên kết giữa các khối lượng khung xe và cầu xe). Đặc trưng vật liệu cho cả 2 loại phần tử này được xác định cùng một cách. Mỗi phần tử được giả định là bao gồm 6 điểm chia đàn hồi phi tuyến tương ứng với 6 bậc tự do. Quan hệ nội lực - biến dạng của các nút đàn hồi này có thể kết hợp hoặc chia ra. Mỗi phần tử có một hệ toạ độ địa phương của nó để xác định nội lực - biến dạng và để biểu diễn kết quả. Mỗi phần tử Link/Support có thể chịu tải trọng bản thân (theo bất kỳ hướng nào). Các kết quả xuất ra gồm: góc xoay, nội lực tại các nút của phần tử. Lịch sử phát triển của phần tử NLLink ban đầu chỉ là sự kết hợp của Springs và Frames tại Special Joint (SAP 2000 version ED), tiến đến việc có thể xây dựng một phần tử NLLink từ 02 điểm nút đặc biệt - Special Joint (SAP 2000 version 7.4) rồi đến SAP 2000 version 9.03 chỉ cần gọi lệnh Link 2 Joint trên menu Draw là có thể xây dựng được phần tử NLLink. Sử dụng phần tử NLLink có các tùy chọn Mass, Weight; có thể khống chế được các bậc tự do dùng tuỳ chọn Restraints và Contraints và có thể khảo sát được ở nhiều phương. Khi mô tả các hệ treo của ôtô bằng các phần tử Link/Support trong SAP 2000 thông qua việc gán đầy đủ các thông số của cơ cấu treo có thể mô tả khá chính xác các dạng dao động của ô tô. Hơn nữa các mô hình trước kia mới chỉ quan tâm đến độ cứng của bộ phận đàn hồi, hệ số cản của giảm chấn mà chưa xét đến kích thước theo phương Z của bộ phận đàn hồi. Khi kích thước theo chiều Z là nhỏ, khả năng dẫn hướng và chịu lực (theo phương Z) của cơ cấu treo là tốt, nhưng khi kích thước theo chiều Z là lớn (thường lớn hơn nhiều lần so với kích thước theo phương Y) thì khả năng dẫn hướng và chịu lực dọc bị hạn chế. Đó là do cơ cấu mất ổn định khi chịu lực dọc (bài toán ổn định trong sức bền vật liệu). Đặc biệt nguy hiểm khi cơ cấu chịu đồng thời lực theo phương thẳng đứng Z và lực theo phương ngang Y. Phần tử NLLink trong SAP 2000 đã giải quyết được điều này. Ngay từ khi khai báo một phần tử NLLink, SAP 2000 đã yêu cầu nhập chính xác khoảng cách giữa 2 nút của nó. Khi sử dụng NLLink trong SAP 2000 để mô phỏng dao động ô tô, có thể xét dao động ở đủ cả 3 phương X, Y, Z chỉ với thao tác khai báo các dữ kiện đầu vào theo các phương đó. Trong khi với một số phần mềm khác lại phải viết 3 lần chương trình hoặc xây dựng 3 khối thuật toán. Các kết quả xuất ra của các thuật toán, chương trình đó mang tính độc lập tác dụng trong khi các tác động là đồng thời. Khi thay đổi vị trí các tổng thành trên xe (thay đổi khối lượng tác dụng) hoặc thêm bớt khối lượng, SAP xử lí rất đơn giản bằng cách thêm bớt NLLink hoặc thay đổi một số thuộc tính ràng buộc của nó. Trong khi đối với một số phần mềm khác, khả năng xử lí linh hoạt như vậy là chưa thể. Hầu hết phải viết lại phương trình vi phân hoặc xây dựng lại cấu trúc các khối của mô hình. Hàm thời gian SAP2000 cũng như một số phần mềm phân tích kết cấu khác cho phép truyền các tải trọng động này vào mô hình tính dưới hai dạng: Phổ kích động nền hoặc các hàm thời gian. Sử dụng phổ kích động nền. Thực chất đây là các phổ gia tốc nền tác dụng lên xe tại các điểm tiếp xúc bánh xe với nền đường. Các phổ gia tốc này có thể thu được từ việc xử lý các số liệu đo đạc nhấp nhô mặt đường. Phương pháp này thích hợp với các kích động từ mặt đường được mô tả bằng các hàm ngẫu nhiên của chiều cao nhấp nhô theo chiều dài đường. Sử dụng hàm thời gian. Trong trường hợp này các kích động từ mặt đường lên xe thông qua các các điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường được coi như là một hàm theo thời gian. Để sử dụng phương pháp này cần xác định các hàm thời gian mô tả sự thay đổi của các kích thích động học từ mặt đường. Trong thực tế các kích thích này cũng được xác định từ việc mô tả các nhấp nhô biên dạng đường. Khi tính toán kết cấu chịu tải trọng động theo phổ phản ứng hoặc khi phân tích theo hàm thời gian dùng phương pháp chồng mode (mode-superposition method), cần phải xác định các dạng dao động tự do có lực cản và tần số dao động của hệ. Điều này đi đến giải nghiệm của bài toán trị riêng sau:
(3.1) Trong đó : [K]: Ma trận độ cứng [M]: Ma trận chéo khối lượng [(2]: Ma trận chéo của các trị riêng. [(]: Ma trận của các vec tơ riêng tương ứng. Phương trình cân bằng động kết hợp với phản ứng của kết cấu với phổ gia tốc nền có thể viết:
(3.2) Trong đó: [K] : Ma trận độ cứng. [C]: Ma trận cản. [M]: Ma trận chéo khối lượng. wg: Gia tốc nền.
: Các chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu. Sau khi giải hệ phương trình trên xác định được các ẩn số là các chuyển vị nút, có thể tiếp tục xác định trường ứng suất, biến dạng của kết cấu theo các qui luật đã biết của cơ học. Trình tự giải bài toán dao động bằng SAP Để giải bài toán dao động bằng SAP 2000 cần sử dụng các tuỳ chọn và các phần tử đã trình bày ở phần trên. Các bước chính giải bao gồm : Chọn mô hình dao động tương đương ôtô khảo sát. Xác định các thông số của mô hình dao động tương đương ôtô: Khối lượng các phần được treo và không được treo. Độ cứng hệ số cản qui dẫn của hệ treo ôtô. Mô tả các phần tử của mô hình dao động tương đương bằng các tuỳ chọn và các phần tử thư viện của SAP: Mô tả các khối lượng các phần được treo và không được treo Mô tả các phần tử của hệ treo ôtô. Mô tả các kích động từ mặt đường. Gán các tuỳ chọn, định nghĩa và khai báo các thông số của các nút và phần tử trong mô hình dao động của SAP. Định nghĩa các tuỳ chọn giải cho bài toán động. Chạy mô hình. Xem và xử lý kết quả. Các tham số của mô hình dao động trong SAP-2000 Trong phần này trình bày các cơ sở xây dựng mô hình mô tả hệ dao động tương đương của ôtô bằng phần mềm SAP 2000. Mô tả các khối lượng Việc mô tả khối lượng trong SAP được thực hiện nhờ tuỳ chọn MASS Nếu giả thiết các khối lượng tham gia vào hệ dao động tương đương là tập trung thì có thể mô tả chúng bằng các nút đặt tại trọng tâm vật và gán khối lượng cho các nút này bằng tuỳ chọn MASS trong SAP2000. Trước hết, xác định toạ độ đặt các khối lượng được treo và không được treo và định nghĩa các nút tương ứng. Sau đó gán các thuộc tính MASS cho nút này. Tuỳ chọn MASS của SAP cho phép định nghĩa các khối lượng và mô men quán tính khối lượng theo các phương của trục toạ độ tổng thể hoặc hệ toạ độ địa phương của nút. Tuỳ chọn MASS SOURCE được sử dụng để khai báo cách nhập khối lượng khi chạy chương trình. Có ba cách định nghĩa: Các khối lượng được nhập từ bản thân các phần tử mô tả kết cấu và các khối lượng được gán trực tiếp bằng tuỳ chọn MASS trong menu Assign\Joint\Masses. Các khối lượng được nhập ở dạng các tải trọng tĩnh tác dụng lên nút. Kết hợp cả hai cách trên. Trên hình 3.1, 3.2 là hai hộp thoại sử dụng để mô tả khối lượng trong SAP 2000. Có thể khai báo khối lượng và mô men quán tính khối lượng theo các hướng của hệ toạ độ địa phương hoặc tổng thể. Menu gán khối lượng cho nút Menu khai báo kiểu gán khối lượng của bài toán Mô tả các hệ treo của ôtô và lốp Hệ thống treo là một cơ hệ đặc biệt trên xe. Nó được cấu tạo từ các phần tử: phần tử đàn hồi, phần tử giảm chấn, phần tử hướng và phần tử ổn định. Khi khảo sát dao động ôtô bằng mô hình dao động tương đương, ta chỉ xét hai thành phần đàn hồi và giảm chấn. Hai thành phần này được đặc trưng bởi độ cứng và hệ số cản qui dẫn về tâm vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường. Trong SAP có thể mô tả các thành phần này bằng nhóm các phần tử thư viện Link/Support của SAP như các phần tử LINEAR, MULTI LINEAR ELASTIC, DAMPER, GAP, HOOK.... Có thể mô tả hệ treo ôtô bằng nhiều cách: - Sử dụng phần tử LINEAR để mô tả thành phần đàn hồi có độ cứng bằng hằng số. Thành phần giảm chấn được mô tả bằng phần tử DAMPER có độ cứng bằng không và hệ số cản cho trước. - Sử dụng phần tử DAMPER có độ cứng và hệ số cản khác không để mô tả cả hai thành phần đàn hồi và giảm chấn của hệ treo ô tô. Menu khai báo thông số cho phần tử LINEAR Các phần tử MULTI LINEAR ELASTIC, GAP, HOOK được sử dụng khi mô tả các hệ treo có đặc tính đàn hồi là tuyến tính từng khúc hoặc có độ cứng thay đổi theo phi tuyến vật lý. Menu để khai báo các thông số cho phần tử DAMPER Trên hình 3.3, 3.4 là các hộp thoại để nhập các tham số của phần tử LINEAR và DAMPER. Các hộp thoại này được định nghĩa trong menu Define\Link/Support Properties của SAP.\ Mô tả các kích thích động học từ mặt đường Các kích động động học từ mặt đường có thể mô tả nhờ khái niệm hàm thời gian của SAP. SAP2000 cho phép khai thác ứng dụng chúng để giải quyết các bài toán tính kết cấu phức tạp không những với tải trọng tĩnh mà cả với các dạng tải trọng động. Trong phần này trình bày bài toán khảo sát dao động ôtô gây ra bởi của một trong các loại tải trọng động chính tác dụng lên ô tô khi chuyển động trên đường đó là kích động từ mặt đường. Với mục đích xác định các thông số dao động của ô tô làm cơ sở cho việc đánh giá độ êm dịu chuyển động của ôtô, đồ án đã chọn phương pháp sử dụng hàm thời gian. Theo phương pháp này, các thông số dao động của các khối lượng của ô tô hoàn toàn có thể xác định từ việc giải hệ dao động ô tô với các kích động từ mặt đường được mô tả bởi các hàm của thời gian và không gian. Trong mô hình tính toán coi các kích động động học từ mặt đường như là các hàm thời gian (timing function) fi(t) mô tả sự thay đổi của chiều cao nhấp nhô biên dạng đường. Như vậy các kích động lên vỏ xe từ phía mặt đường được xem là tích của chuyển vị ban đầu tại điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường nhân với các hàm thời gian (timing function) nói trên.
(3.3) Trong đó Fi là các tải trọng tĩnh. Trong trường hợp này các tải trọng tĩnh được chọn là các chuyển vị cưỡng bức tại điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường. Tất cả các bậc tự do của 4 điểm tiếp xúc giữa bánh xe với bề mặt đường được ràng buộc cố định. Để giải bài toán động sử dụng tải trọng hàm thời gian: Trước hết cần khai báo tải trọng tĩnh Fi bằng hộp thoại Ground Displacements trong menu Assign\Joint Load\Displacements. Hộp thoại này cho phép định nghĩa các chuyển vị cưỡng bức của nền theo các phương khác nhau trong hệ toạ độ địa phương hoặc tổng thể. Sau đó sử dụng hộp thoại Define Time History Function để định nghĩa các hàm thời gian fi(t). SAP định nghĩa sẵn các hàm thời gian phổ biến như các hàm dạng sin, cos, ramp, shawtooth, triangular và các hàm tuần hoàn do người sử dụng định nghĩa. SAP 2000 cũng cho phép nhập các hàm thời gian từ các tệp số liệu ngoài. điều này rất thuận tiện cho việc khảo sát dao động ôtô với các hàm kích động được xác định từ thực nghiệm. Khai báo các tuỳ chọn giải cho chương trình SAP ở chế độ tính toán động theo hàm thời gian. Các khai báo được thể hiện trong hộp thoại Analysis Case của menu Define. Trong trường hợp này bắt buộc phải định nghĩa các kiểu phân tích động là MODAL và HISTORY. Gán chuyển vị cưỡng bức Định nghĩa hàm thời gian MODAL tưong ứng với kiểu phân tích bài toán động theo các phương pháp phân tích trị riêng (Eigenvalue) và phân tích theo vecto tải trọng (Rits Vector). Hình 3.6 là hộp thoại khai báo các tuỳ chọn trưòng hợp phân tích MODAL Khai báo cho bài toán phân tích dạng riêng Khai báo cho bài toán phân tích hàm thời gian MODAL tưong ứng với kiểu phân tích bài toán động theo các phương pháp phân tích trị riêng (Eigenvalue) và phân tích theo vecto tải trọng (Rits Vector). Hình 3.6 là hộp thoại khai báo các tuỳ chọn trưòng hợp phân tích MODAL HISTORY là kiểu phân tích theo hàm thời gian, cho phép khai báo các kiểu phân tích động như tuyến tính hay phi tuyến, theo dạng riêng hay tích phân trực tiếp. Nó cũng cho phép khai báo thời gian khảo sát, các tham số khác của mô hình như hệ số cản tương đối ở các dạng dao động riêng. Xây dựng mô hình khảo sát dao động bằng SAP-2000 cho xe matiz Thông số vào Các thông số kĩ thuật của hệ thống treo Matiz thể hiện ở Bảng 3.1 THÔNG SỐ VÀO CỦA XE MATIZ Thông số  Ký hiệu  Đơn vị  Giá trị   Thông số khối lượng      Tải trọng của toàn xe khi không tải / đầy tải  G0/ GT  kg  975/1555   Tải trọng đặt lên cầu trước khi không tải / đầy tải  G01 /GT1  kg  493/700   Tải trọng đặt lên cầu sau khi không tải / đầy tải  G02 /GT2  kg  482/855   Khối lượng không được treo của cầu trước /cầu sau  mkt1 /mkt2  kg  70/90   Khối lượng của một bánh xe  mbx  kg  15   Thông số kích thước      Chiều dài cơ sở của xe  L  mm  2350   Kích thước bao  L x B x H  mm  3635 x 1475 x 1895   Kí hiệu lốp    155R13.6PR.   Khoảng sáng gầm xe khi đầy tải  Hmin  mm  165   Bán kính bánh xe  rbx  mm.  290   Công thức bánh xe    4x2.   Chiều rộng cơ sở của cầu trước / cầu sau  B01 /B02  mm.  1280   Chiều cao trọng tâm xe khi không tải/đầy tải  Hg  mm.  -/ 600   Khoảng cách từ trọng tâm của xe tới cầu sau  b  mm.  1060   Thông số hệ treo      Độ cứng một bên của hệ thống treo cầu trước/ cầu sau  C1 /C2  N/m  31913/24644   Độ võng tĩnh của hệ thống treo cầu trước / cầu sau  ft1 /ft2  mm  140/-   Hệ số cản một bên bánh xe cầu trước   Ns/m  865/1020   Độ cứng của bánh xe cầu trước/ cầu sau  Cl1 /Cl2  N/m  142000/260000   Mô hình khảo sát dao động bằng SAP-2000 Xuất phát từ đặc điểm kết cấu của hệ thống treo và mục đích khảo sát nghiên cứu có thể chọn các mô hình dao động tương đương thích hợp. Đối tượng khảo sát của đồ án là xe Matiz với các đặc điểm hệ thống treo của xe gồm: Treo trước sử dụng loại treo độc lập. Treo sau là treo phụ thuộc. Trong phần này trình bày việc xây dựng mô hình dao động ô tô Matiz bằng phần mềm SAP2000 v9.03. Các giả thiết Các giả thiết khi xây dựng mô hình dao động ôtô được mô phỏng bằng SAP 2000, [7], như sau: Phần khối lượng treo bao gồm 4 khối lượng phân ra các bánh xe, được coi là tuyệt đối cứng nhờ các tuỳ chọn ràng buộc kiểu BODY có tên là BODY1,(ràng buộc Uy). Phần khối lượng không treo cầu sau bao gồm 2 khối lượng phân ra hai bên bánh xe cũng được coi là tuyệt đối cứng do cầu sau xe khảo sát là treo phụ thuộc, được khai báo bởi ràng buộc kiểu BODY có tên là BODY2, (ràng buộc Ux, Uy, Rz). Phần khối lượng không treo cầu trước bao gồm 2 khối lượng phân ra hai bên bánh xe. Do cầu trước xe khảo sát là treo độc lập các khối lượng này được xem là độc lập với nhau. Hệ thống treo xe và lốp được mô phỏng bằng các phần tử Link/Support kiểu DAMPER với các hệ số độ cứng KE và CE qui dẫn tương ứng về tâm vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường có tên là LOP1, LOP2, TREO1, TREO2. Kích động từ mặt đường lên hệ dao động xe được xem như là tích của các chuyển vị cưỡng bức tại điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường nhân với các hàm thời gian mô tả nhấp nhô biên dạng đường. Thời gian đến của các hàm thời gian được xác định tuỳ thuộc vào vận tốc chuyển động tính toán và chiều dài cơ sở của xe khảo sát. Mô hình Trong môi trường SAP 2000 mô hình dao động không gian xe Matiz được mô phỏng ở hai dạng: Dạng đồ hoạ sử dụng môi trường đồ hoạ của SAP và dạng văn bản (tệp dữ liệu nguồn). Trên hình 3.9 trình bày mô hình dao động không gian của xe khảo sát được mô phỏng trong môi trường đồ hoạ của SAP2000. Mô hình mô phỏng hệ dao động xe bằng SAP 2000 Đây là dạng mô hình phần tử hữu hạn gồm các nút đại diện cho các phần khối lượng tham gia mô hình dao động ôtô khảo sát và các phần tử mô tả mối liên kết đàn nhớt giữa chúng. Các nút và các phần tử được đánh số và ký hiệu như trên Bảng 3.2. CÁC NÚT CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG XE Trên thân xe   Các điểm có ràng buộc CONSTRAINT BODY1  JOINT 3, JOINT 6, JOINT 9, JOINT 12, JOINT 13   Các điểm gán khối lượng phần treo MASS  JOINT 3, JOINT 6, JOINT 9, JOINT 12   Phần không treo cầu trước   Các điểm gán khối lượng phần không treo cầu trước MASS  JOINT 2, JOINT 5   Phần không treo cầu sau   Các điểm ràng buộc CONSTRAINT BODY2  JOINT 8, JOINT 11, JOINT 14   Các điểm gán khối lượng phần không treo MASS  JOINT 8, JOINT 11   Phần mặt đường   Các điểm ràng buộc RESTRAINT  JOINT 1, JOINT 4, JOINT 7, JOINT 10   Mô tả các và tuỳ chọn giải trong SAP   Phần tử Link mô tả lốp trước  Link 1, Link 3   Phần tử Link mô tả lốp sau  Link 5, Link 7   Phần tử Link mô tả treo trước  Link 2, Link 4   Phần tử Link mô tả treo sau  Link 6, Link 8   Hàm thời gian cho vệt bánh xe bên trái  FTT   Hàm thời gian cho vệt bánh xe bên phải  FTP   Tải trọng tĩnh cho hàm thời gian ở bánh trước bên trái  DTT   Tải trọng tĩnh cho hàm thời gian ở bánh trước bên phải  DTP   Tải trọng tĩnh cho hàm thời gian ở bánh sau bên trái  DST   Tải trọng tĩnh cho hàm thời gian ở bánh sau bên phải  DSP   Trường hợp tải cho bài toán phân tích modal  Modal-R   Trường hợp tải cho bài toán phân tích hàm thời gian theo phương pháp tích phân trực tiếp  DHIST4   Trường hợp tải cho bài toán phân tích modal theo phương pháp modal  MHIST-R2   Dạng văn bản của mô hình tương ứng gồm các khối dữ liệu chính được trình bày trong Bảng 3.3. Chi tiết các khối dữ liệu này xem trong Phụ lục 2. CÁC KHỐI DỮ LIỆU CHÍNH CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG XE. STT  Giải thích  Tên trong tệp dữ liệu   Các khai báo chung   1  Bậc tự do khảo sát  "ACTIVE DEGREES OF FREEDOM"   2  Hệ toạ độ sử dụng  "COORDINATE SYSTEMS"   3  Dạng cơ sở dữ liệu  "DATABASE FORMAT TYPES"   4  Các biến điều khiển  "PROGRAM CONTROL"   5  Thông tin chung về bài toán  "PROJECT INFORMATION"   6  Định nghĩa lưới  "GRID LINES"   7  Định nghĩa nhóm  "GROUPS 1 - DEFINITIONS"   8  Kết thúc  END TABLE DATA   Định nghĩa toạ độ các nút   9  Mẫu toạ độ nút  "JOINT PATTERN DEFINITIONS"   10  Toạ độ các nút  "JOINT COORDINATES"   Khai báo các khối lượng   11  Kiểu gán khối lượng  "MASSES 1 - MASS SOURCE"   12  Khai báo khối lượng  "JOINT ADDED MASS ASSIGNMENTS"   Định nghĩa tải trọng tĩnh   13  Định nghĩa chung  "LOAD CASE DEFINITIONS"