Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khách cỡ lớn

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC KHÍ ĐỘNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CỠ LỚN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2023 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC KHÍ ĐỘNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHÁCH CỠ LỚN Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC UẤN HÀ NỘI – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng năm 2023 Người hướng dẫn khoa học1 PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan Người hướng dẫn khoa học 2 TS. Trịnh Minh Hoàng Nghiên cứu sinh Đỗ Tiến Quyết ii LỜI CẢM ƠN NCS xin trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trường Cơ khí, khoa Cơ khí Động lực, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan và TS. Trịnh Minh Hoàng, những người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô trường Đại học Sao Đỏ đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin Cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu của NCS. Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia định và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 4 1.1. Xu thế phát triển và vấn đề ổn định chuyển động của xe khách cỡ lớn ............. 4 1.1.1. Sự phát triển của xe khách cỡ lớn tại Việt Nam ............................................. 4 1.1.2. An toàn trong chuyển động đối với xe khách cỡ lớn ..................................... 5 1.1.3 Khí động học ô tô ............................................................................................ 6 1.2 Những nghiên cứu liên quan đến luận án ........................................................... 15 1.2.1 Những nghiên cứu trên thế giới về khí động học .......................................... 15 1.2.2 Những nghiên cứu trên thế giới về ổn định do lực khí động ........................ 21 1.2.3 Những nghiên cứu trong nước....................................................................... 25 1.3. Lựa chọn phương pháp mô phỏng khí động và thông số đánh giá ổn định do lực khí động .......................................................................................................................... 26 1.3.1 Lựa chọn phương pháp mô phỏng khí động ................................................. 26 1.3.2 Lựa chọn thông số đánh giá ổn định do lực khí động .................................. 27 1.3.3 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu ổn định gió ngang ................................. 28 1.4 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................... 28 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 28 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 28 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 29 1.4.4 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 29 1.4.5 Bố cục luận án ............................................................................................... 30 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 30 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC LỰC VÀ MÔ MEN KHÍ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG .................................................................. 31 iv 2.1. Cơ sở lý thuyết khí động học ............................................................................. 31 2.1.1 Các phương trình cơ bản ............................................................................... 31 2.1.2 Mô phỏng dòng chảy rối ............................................................................... 33 2.2. Mô phỏng khí động học bằng phần mềm Fluent ............................................... 36 2.2.1 Xây dựng mô hình hình học của xe khách. ................................................... 36 2.2.2. Vùng không gian mô phỏng ......................................................................... 38 2.2.3 Tạo lưới ......................................................................................................... 40 2.2.4 Lựa chọn mô hình dòng rối ........................................................................... 42 2.2.5 Thiết lập thuật giải, đặt điều kiện biên .......................................................... 43 2.2.6. Kết quả mô phỏng trường vận tốc, áp suất ................................................... 44 2.3. Giá trị lực, mô men và hệ số lực, hệ số mô men khí động ................................ 48 2.3.1 Lực, mô men khí động .................................................................................. 48 2.3.2. Xác định các hệ số khí động ......................................................................... 61 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 65 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE KHÁCH CỠ LỚN TRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ NGANG......................................... 66 3.1 Mô hình động lực học xe khách cỡ lớn .............................................................. 66 3.1.1. Phân tích cấu trúc xe khách cỡ lớn và các giả thiết ..................................... 66 3.1.2. Thiết lập hệ phương trình vi phân ................................................................ 69 3.1.3 Hệ phương trình vi phân tổng quát ............................................................... 76 3.2. Đánh giá ổn định của xe khách trong điều kiện gió ngang ............................... 79 3.2.1 Điều kiện khảo sát ......................................................................................... 79 3.2.2. Đánh giá ổn định khi xe đang di chuyển trong vùng gió ngang .................. 81 3.2.3 Đánh giá ổn định khi xe sẽ di chuyển qua vùng gió ngang .......................... 88 3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 91 CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KHÍ ĐỘNG HỌC ...................................................... 92 4.1. Mục tiêu thí nghiệm ........................................................................................... 92 4.2. Các thông số đo ................................................................................................. 92 4.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................ 92 v 4.4. Mẫu thí nghiệm .................................................................................................. 97 4.5. Thí nghiệm trong ống khí động ......................................................................... 98 4.6. Mô phỏng Ansy Fluent theo điều kiện thí nghiệm .......................................... 100 4.7. Đánh giá kết quả thí nghiệm và mô phỏng ...................................................... 102 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 110 vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa NCS - Nghiên cứu sinh g m/s2 Gia tốc trọng trường f Hệ số cản lăn v km/h Vận tốc chuyển động của xe rt m Bán kính tĩnh bánh xe C11, C12 N/m Độ cứng hệ thống treo trước C21, C22 N/m Độ cứng hệ thống treo sau K11, K12 N.s/m Hệ số cản giảm chấn trước K21, K22 N.s/m Hệ số cản giảm chấn sau CL11, CL12 N/m Độ cứng hướng kính lốp trước CL21, CL22 N/m Độ cứng hướng kính lốp sau mA1 kg Khối lượng không được treo trước mA2 kg Khối lượng không được treo sau M kg Khối lượng toàn bộ xe đầy tải Mc1 kg Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước Mc2 kg Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau L m Chiều dài toàn bộ của xe B m Chiều rộng toàn bộ của xe H m Chiều cao toàn bộ của xe l m Chiều dài cơ sở Vxien m/s Vận tốc gió xiên trong mô hình 1 nguồn gió w độ Góc nghiêng giữa hướng gió xiên và mặt phẳng đối xứng dọc của thân xe b1 m Một nửa khoảng cách vết bánh xe trước b2 m Một nửa khoảng cách vết bánh xe sau w1 m Một nửa khoảng cách giữa 2 vị trí đặt bộ phận đàn hồi (treo khí) trên cầu trước w2 m Một nửa khoảng cách giữa 2 vị trí đặt bộ phận đàn hồi (treo khí) trên cầu sau hg m Chiều cao trọng tâm r1 m Bán kính động bánh xe trước r2 m Bán kính động bánh xe sau Jx kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục dọc x vii Jy kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục ngang y Jz kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục thẳng đứng z JAx1 kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của cầu trước quanh trục dọc x JAx2 kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của cầu sau quanh trục dọc x JAy11, JAy12 kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của các ánh xe trước quanh trục ngang y JAy21, JAy22 kg.m2 Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe sau quanh trục ngang y A1, A2 rad Góc lắc ngang của cầu thứ 1, 2  rad Góc lắc ngang của thân xe  rad Góc lắc dọc của thân xe  rad Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng x m Chuyển vị theo phương dọc của khối lượng được treo y m Chuyển vị theo phương ngang của khối lượng được treo z m Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được treo ij rad Góc quay bánh xe thứ ij A1, A2 m Chuyển vị của khối lượng không được treo cầu 1, 2 ij độ Góc lăn lệch các bánh xe thứ ij MAij Nm Mô men cấp cho bánh xe thứ ij Mij Nm Mô men quay ánh xe thứ ij quanh trục y Fxij N Lực tác dụng lên ánh xe theo phương dọc bánh xe thứ ij Fyij N Lực tác dụng lên bánh xe theo phương ngang bánh xe thứ ij Fzij N Lực tác dụng lên bánh xe thứ ij theo phương thẳng đứng FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ ij viii FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo gần bánh xe thứ ij FCLij N Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij mc Hệ số phân bố lại trọng lượng trên cầu chủ động Fwx N Lực cản khí động Fwy N Lực ngang khí động Fwz N Lực nâng khí động Mwx Nm Mô men lắc ngang khí động Mwy Nm Mô men lắc dọc khí động Mwz Nm Mô men xoay thân xe khí động Fxkđ N Lực cản khí động tác động lên mô hình thu nhỏ theo phương gió thổi Fykđ N Lực ngang khí động tác động lên mô hình thu nhỏ theo phương vuông góc với phương gió thổi Fzkđ N Lực nâng khí động tác động lên mô hình thu nhỏ theo phương thẳng đứng Cx - Hệ số cản khí động Cy - Hệ số lực ngang khí động Cz - Hệ số lực nâng khí động CMx - Hệ số mô men lắc ngang CMy - Hệ số mô men lắc dọc CMz - Hệ số mô men xoay thân xe A m2 Diện tích cản chính diện  kg/m3 Khối lượng riêng của không khí U∞ m/s Vận tốc dòng khí ở vô cùng Re - Số Reynolds  N.s/m2 Hệ số độ nhớt động lực p Pa Áp suất L m Thông số hình học đặc trưng  m2/s Độ nhớt động học của không khí t ij - Ten-sơ ứng suất của dòng rối k J/kg (m2/s2) Động năng của dòng rối  - Hệ số tán xạ năng lượng của dòng rối RANS Reynolds Average Navier Stokes (Phương trình Reynolds trung bình hóa) ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Kích thước cơ bản của xe khách Thaco HB120SL-H380R-14............... 37 Bảng 2. 2. Chất lượng lưới của mô hình mô phỏng ................................................. 41 Bảng 2. 3. Thiết lập thuật giải .................................................................................. 44 Bảng 2. 4. Hệ số khí động tại các góc nghiêng tại vận tốc gió 20 m/s ..................... 62 Bảng 3. 1. Bảng thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng động lực học ............ 77 Bảng 3. 2. Vận tốc gió xiên theo giá trị vận tốc xe và vận tốc gió ngang ................ 80 Bảng 3. 3. Góc nghiêng (độ) theo giá trị vận tốc xe và vận tốc gió ngang .............. 80 Bảng 4. 1. Kết quả đo lực cản, lực ngang khí động với trường hợp thí nghiệm 1 tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ......................................................................... 99 Bảng 4. 2. Kết quả đo lực cản, lực ngang khí động với trường hợp thí nghiệm 2 tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ....................................................................... 100 Bảng 4. 3. Kết quả tính toán lực cản, lực ngang khí động tác động lên mô hình thí nghiệm tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau ............................................... 100 Bảng 4. 4. Kết quả tính toán lực khí động tại các vận tốc gió, góc nghiêng khác nhau bằng phần mềm chuyên dụng ................................................................................. 102 Bảng 4. 5. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng lực cản khí động (Fxkđ) .................... 102 Bảng 4. 6. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng lực ngang khí động (Fykđ) ................ 103 x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Các nguyên nhân gây mất ổn định xe khách cỡ lớn .................................. 5 Hình 1.2. Hình ảnh xe khách bị lật ............................................................................. 6 Hình 1.3. Các lực và mô men khí động tác động trên xe ô tô[4]. .............................. 7 Hình 1. 4. Hình dạng khí động học của xe du lịch qua các thời kì [5] ....................... 8 Hình 1. 5. Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô con [5] ...................................................... 9 Hình 1. 6. Lực ngang tác động lên ô tô khi có gió ngang ........................................ 10 Hình 1. 7. Hình ảnh lực nâng khí động trên xe ........................................................ 10 Hình 1. 8. Sơ đồ nguyên lý làm việc của ống khí động ........................................... 13 Hình 1.9 Một số dạng mất ổn định của xe khách cỡ lớn .......................................... 14 Hình 1. 10. Mô hình gió ngang không ổn định của Pascal Theissen [16] ................ 16 Hình 1. 11. Mô hình gió ngang trong nghiên cứu của Makoto Tsubokura [17] ...... 16 Hình 1. 12. Mô hình gió ngang ổn định tác động lên xe khách [18] ........................ 17 Hình 1. 13. Mô hình gió ngang trong nghiên cứu của Takuji Nakashima [19] ....... 17 Hình 1.14. Mô hình gió ngang ổn định của Youhanna E. Wiliam [18] ................... 18 Hình 1.15. Thí nghiệm khí động học với vật mẫu xoay [20] .................................. 18 Hình 1. 16. Hệ số cản xe Volvo Bus theo góc nghiêng [23] .................................... 19 Hình 1. 17. Phân bố vận tốc, áp suất tại mặt phỏng song song cách mặt đường 1,5 m. .................................................................................................................................. 20 Hình 1. 18. Hệ số lực ngang của xe bus theo góc nghiêng [Sekulic] ....................... 21 Hình 1. 19. Giới hạn vận tốc ổn định xe tải theo nghiên cứu của Kee [26] ............ 22 Hình 1.20. Phần mềm Trucksim được sử dụng để nghiên cứu ổn định gió ngang [31] .................................................................................................................................. 23 Hình 1. 21. Vận tốc góc xoay thân xe khi đi vào vùng gió ngang [32] .................... 23 Hình 1. 22. Mô hình động lực học gió ngang của Zhang [33] ................................. 24 Hình 1. 23. Thí nghiệm ổn định khí động học tại trung tâm thí nghiệm .................. 25 Hình 1. 24. Thí nghiệm thực tế ổn định khí động trên đường [24] .......................... 25 Hình 1. 25. Mô hình gió xiên của luận án ................................................................ 26 xi Hình 1. 26 Sơ đồ thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 12021[40] .................................. 27 Hình 1. 27 Xe khách Thaco HB120SL-H380R-14 .................................................. 29 Hình 2. 1. Kích thước của xe khách thaco HB120SL-H380R-14 ............................ 37 Hình 2. 2. Mô hình 3D của xe khách tham khảo ...................................................... 37 Hình 2. 3. Các kích thước vùng không gian mô phỏng lần đầu [44] ....................... 39 Hình 2. 4. Hình ảnh về dòng chảy ngược ................................................................. 39 Hình 2. 5. Chia lưới trong Ansys Fluent .................................................................. 40 Hình 2. 6. Phổ giá trị đánh giá chỉ số orthogonal quality và skewness [44]. ........... 41 Hình 2. 7. Quy luật biến thiên vận tốc trong lớp biên .............................................. 42 Hình 2. 8. Giá trị y+ tại bề mặt vỏ xe ........................................................................ 43 Hình 2. 9. Phân bố vận tốc tại mặt phẳng song song và cách mặt đường 2m theo các góc nghiêng 00, 300, 600 ............................................................................................ 45 Hình 2. 10. Phân bố áp suất tại mặt phẳng dọc của xe theo các góc nghiêng 00, 300, 600 .................................................................................................................................. 46 Hình 2. 11. Phân bố áp suất tại bề mặt vỏ xe phía trước theo góc nghiêng 00, 300, 600 .................................................................................................................................. 47 Hình 2. 12. Phân bố áp suất tại bề mặt bên vỏ xe theo góc nghiêng 00, 300, 600 ..... 47 Hình 2. 13. Hệ tọa độ tính toán lực và mô men khí động ........................................ 48 Hình 2. 14. Giá trị lực cản theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên là 30 m/s. .......... 49 Hình 2. 15. Lực cản theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 .............................. 50 Hình 2. 16. Lực cản theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng ...................................... 51 Hình 2. 17. Lực ngang theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m/s ..................... 51 Hình 2. 18. Lực ngang theo vận tốc gió xiên khi góc nghiêng 300 .......................... 52 Hình 2. 19. Lực ngang theo vận tốc gió xiên và góc nghiêng .................................. 53 Hình 2. 20. Lực nâng theo góc nghiêng khi vận tốc gió xiên 30 m