Luận án Nghiên cứu khảo sát đánh giá độ bền khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG ĐẶNG VIỆT THẮNG NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2024 Hà Nội - 2024 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG ĐẶNG VIỆT THẮNG NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG HOAN 2. TS. TRỊNH MINH HOÀNG Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan và TS. Trịnh Minh Hoàng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 14 tháng 10 năm 2024 Người hướng dẫn khoa học 1 PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan Người hướng dẫn khoa học 2 TS. Trịnh Minh Hoàng Nghiên cứu sinh Trương Đặng Việt Thắng ii LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực và Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án của mình. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn sâu sắc tới các giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan và TS. Trịnh Minh Hoàng, vì sự hướng dẫn tận tâm, kiến thức sâu rộng và sự định hướng nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Giảng viên và Cán bộ trong Nhóm chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng tại Đại học Bách khoa Hà Nội, những người luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để luận án có thể hoàn thành một cách tốt nhất. Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các chuyên gia và nhà khoa học trong lĩnh vực Cơ khí Động lực và Kỹ thuật ô tô, những người đã chia sẻ những ý kiến quý báu và đóng góp vào sự hoàn thiện của luận án này. Và tôi xin được gửi lời cảm ơn đến Công ty Altair Engineering ASEAN cấp phép cho việc khai thác và sử dụng phần mềm Hyperworks® để thực hiện nghiên cứu này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Gia đình - cha mẹ, vợ và con gái - cùng với sự động viên từ đồng nghiệp, bạn bè. Lời cảm ơn sâu sắc nhất tôi muốn dành cho những người đã luôn bên cạnh và hỗ trợ tôi trong suốt hành trình này. Nghiên cứu sinh Trương Đặng Việt Thắng iii MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... xi MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 4 1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đối với sản xuất ô tô tải và ô tô chuyên dụng ........................................................................................................................ 4 1.1.1. Thực trạng .......................................................................................... 4 1.1.2. Định hướng phát triển ....................................................................... 4 1.1.3. Thách thức và cơ hội phát triển cho ngành sản xuất rơ moóc và sơ mi rơ moóc tại Việt Nam.......................................................................................... 5 1.1.4. Tình hình sản xuất sơ mi rơ moóc tại Việt Nam ................................ 6 1.2. Khung sơ mi rơ moóc ................................................................................ 8 1.2.1. Cấu tạo ............................................................................................... 8 1.2.2. Chức năng và Nhiệm vụ của khung sơ mi rơ moóc ........................... 9 1.2.3. Phân loại sơ mi rơ moóc .................................................................... 9 1.2.4. Quy trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sản xuất SMRM hiện nay .......................................................................................................................... 11 1.2.5. Một số hư hỏng thực tế của khung xe tải nặng, xe chuyên dụng ..... 13 1.2.6. Các hướng nghiên cứu về độ bền khung sơ mi rơ moóc ................. 15 1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước .................................. 19 1.3.1. Tình hình nghiên cứu độ bền khung SMRM trên thế giới ................ 19 1.3.2. Tình hình nghiên cứu khung SMRM trong nước ............................. 24 1.3.3. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................ 27 1.3.4. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 27 1.3.5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................. 27 1.3.6. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 28 1.3.7. Nội dung của luận án ....................................................................... 28 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC ...................................................................................................................... 30 2.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp và công cụ xây dựng mô hình trong HyperWorks .......................................................................................................... 30 2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học hệ nhiều vật .............................................. 31 2.2.1. Hệ tọa độ tổng quát ......................................................................... 31 2.2.2. Khớp nối và ràng buộc .................................................................... 32 iv 2.2.3. Động học và động lực học ............................................................... 33 2.3. Cơ sở lý thuyết vật đàn hồi ..................................................................... 34 2.3.1. Lý thuyết cơ bản vật đàn hồi ............................................................ 34 2.3.2. Phân tích dao động riêng ................................................................ 35 2.3.3. Dao động đàn hồi ............................................................................ 36 2.3.4. Các phần tử cơ bản sử dụng trong mô hình MBD........................... 38 2.4. Xây dựng mô hình động lực học hệ nhiều vật của đoàn xe sơ mi rơ moóc .............................................................................................................................. 40 2.4.1. Hệ tọa độ cho mô hình MBD đoàn xe sơ mi rơ moóc ..................... 41 2.4.2. Mô hình các hệ thống treo ............................................................... 42 2.4.3. Mô hình phần tử hữu hạn khung SMRM ......................................... 51 2.4.4. Điều kiện biên, điều kiện tải trọng và ràng buộc ............................ 62 2.5. Mô hình mặt đường ................................................................................. 63 2.5.1. Mô hình đường mấp mô hình sin ..................................................... 63 2.5.2. Mô hình mặt đường mấp mô ngẫu nhiên ......................................... 64 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 66 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KHUNG SMRM ..................... 67 3.1. Phân tích dao động riêng của khung ...................................................... 67 3.2. Đánh giá độ bền khung ở trạng thái tĩnh ............................................... 68 3.2.1. Trường hợp 01 ................................................................................. 69 3.2.2. Trường hợp 02 ................................................................................. 70 3.2.3. Trường hợp 03 ................................................................................. 72 3.3. Đánh giá độ bền mỏi khung SMRM ........................................................ 74 3.3.1. Mặt đường ngẫu nhiên ..................................................................... 74 3.3.2. Lý thuyết bền mỏi ............................................................................. 75 3.3.3. Thuộc tính vật liệu ........................................................................... 79 3.3.4. Tải trọng động tác động lên khung từ mô hình MBD ...................... 81 3.3.5. Ứng suất động của mô hình PTHH của khung ................................ 85 3.3.6. Đoàn xe chạy trên đường CD .......................................................... 87 3.3.7. Đoàn xe chạy trên đường DE .......................................................... 91 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 93 4.1. Mục tiêu thí nghiệm ................................................................................ 93 4.2. Đối tượng thí nghiệm .............................................................................. 93 4.3. Các thông số đo ...................................................................................... 94 4.4. Lựa chọn phương pháp và thiết bị đo ..................................................... 95 v 4.4.1. Cân tải trọng .................................................................................... 96 4.4.2. Cảm biến quang học ........................................................................ 96 4.4.3. Cảm biến đo gia tốc ......................................................................... 96 4.4.4. Cảm biến lá điện trở ........................................................................ 97 4.4.5. Bộ thu thập tín hiệu và xử lý dữ liệu .............................................. 100 4.4.6. Sơ đồ kết nối hệ thống đo ............................................................... 101 4.4.7. Chuẩn bị thí nghiệm ....................................................................... 103 4.4.8. Quy trình thí nghiệm ...................................................................... 103 4.4.9. Các phương án thí nghiệm ............................................................. 106 4.5. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 109 4.5.1. Khảo sát tĩnh .................................................................................. 109 4.5.2. Khảo sát động ................................................................................ 113 CHƯƠNG 5. CẢI TIẾN KẾT CẤU KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC .................... 123 5.1. Mục tiêu ................................................................................................ 123 5.2. Các phương pháp cải tiến ..................................................................... 124 5.2.1. Cải tiến vật liệu chế tạo khung ...................................................... 125 5.2.2. Cải tiến kích thước hình học dầm chính (dầm dọc) ....................... 125 5.2.3. Phương án khoan lỗ giảm tải ........................................................ 127 5.3. Các phương án cải tiến khảo sát .......................................................... 129 5.3.1. Thay đổi vật liệu chế tạo khung ..................................................... 129 5.3.2. Thay đổi kích thước hình học dầm chính (dầm dọc) ..................... 129 5.3.3. Tạo lỗ giảm tải trên dầm ngang .................................................... 130 5.4. Kết quả đánh giá độ bền khung SMRM sau khi cải tiến ....................... 131 5.4.1. Các trường hợp khảo sát ............................................................... 131 5.4.2. Kết quả và đánh giá ....................................................................... 132 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................ 147 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi Đơn vị u Ứng suất uốn MPa ch Giới hạn chảy MPa Mumax Mô men uốn cực đại Nm Wu Mô men chống uốn Nm max Ứng suất cắt lớn nhất MPa    Ứng suất các phương x, y, z MPa ϕ Góc xoay Euler quanh trục x θ Góc xoay Euler quanh trục y ψ Góc xoay Euler quanh trục z L Hàm Lagrange để mô tả chuyển động hệ nhiều vật qi, iq Tọa độ và đạo hàm của tọa độ tổng quát theo thời gian j Phần tử Lagrange thứ j của các ràng buộc trong phương trình Lagrange j Phương trình ràng buộc thứ j Fk Ngoại lực lên vật N Vk Thế năng J N Số lượng tọa độ tổng quát M Số lượng phương trình ràng buộc u, uB, uI Bậc tự do, bậc tự do biên, bậc tự do nội IC Biến dạng vật lý của bậc tự do nội dao động ràng buộc IN Biến dạng vật lý của bậc tự do nội trong dao động riêng qC, qN Tọa độ dao động của các dao động ràng buộc và dao động bình thường. q(t) Vectơ biểu diễn độ dịch chuyển Φ Ma trận dao động tự nhiên qm(t) Vectơ tọa độ dao động riêng tại thời điểm t B Ma trận bậc tự do biên I Ma trận bậc tự do giữa các phần tử C Các mode dao động ràng buộc NNM Ma trận đường chéo khối lượng kg ˆ NNK Ma trận đường chéo độ cứng N/m vii Kˆ Ma trận khối lượng đường chéo mô tả không có sự tương tác trực tiếp giữa các dạng dao động kg x Vector vị trí từ gốc của hệ thống tọa độ cố định đến hệ thống tọa độ cục bộ ps Vị trí của điểm P chưa biến dạng pu Biến dạng dịch chuyển của điểm P từ vị trí chưa biến dạng đến vị trí biến dạng p Ma trận dao động chéo tương ứng với các độ tự do dịch chuyển của nút * p Ma trận dao động chéo tương ứng với các độ tự do quay của nút fq Các tọa độ tổng quát của vật tự do G JA Ma trận chuyển đổi Euler G BA Ma trận chuyển đổi từ hệ thống tọa độ gắn liền vật BCS sang hệ thống tọa độ cố định GCS B PA Ma trận biến đổi tọa độ vật tại nút P JA Ma trận biến đổi vị trí biến dạng G B B Vận tốc góc của vật so với tọa độ cố định rad/s G B B Vận tốc góc của vật so với tọa độ cố định rad/s TQ Lực tịnh tiến tổng quát N RQ Mô men xoắn tổng quát Nm FQ Lực modal tổng quát N TOTT Mô men xoắn tổng hợp Nm FI, TI Lực và mô men xoắn quy đổi từ GCS về BCS vật đàn hồi N, Nm T p , *T p Ma trận lát cắt tương ứng với DOF tịnh tiến và quay của nút Mtt Ma trận khối lượng tịnh tiến kg Mrr Ma trận khối lượng xoay kg Mtr Ma trận khối lượng vừa tịnh tiến và xoay kg Mmm Ma trận khối lượng dao động kg Mtm Ma trận khối lượng tịnh tiến kg Mrm Ma trận khối lượng quay và các chế độ dao động. kg , ,   Là tọa độ tổng quát và đạo hàm theo thời gian vật đàn hồi M, M Ma trận khối lượng vật đàn hồi kg M/ Đạo hàm riêng của ma trận khối lượng đối với các tọa độ tổng quát gf Lực trọng trường tổng quát vật đàn hồi N K Ma trận độ cứng tổng quát vật đàn hồi N/m D Hệ số cản tổng quát vật đàn hồi Ns/m viii  Hệ số Lagange của các ràng buộc Q Ma trận lực tổng quát vật đàn hồi N m1 Khối lượng được treo cầu 1 kg mA1 Khối lượng không được treo cầu 1 kg C1i, Dộ cứng hệ thống treo bên trái và phải cầu 1, i=1, 2 N/m 1i Chuyển vị khối lượng không được treo cầu 1 m K1i Hệ số cản hệ thống treo bên trái và phải cầu 1, i=1, 2 Ns/m m23 Khối lượng cầu tương đương 2 và 3 kg mA23 Khối lượng không được treo cầu tương đương 2, 3 kg 2, 3 Chuyển vị khối lượng không được treo cầu 2 và 3 m C23 Độ cứng nhíp cân bằng cầu 2 và 3 N/m K23 Hệ số cản hệ thống treo cầu cân bằng 2, 3 Ns/m A23 Góc lắc của cầu tương 2 và 3 độ KL2, KL3 Hệ số cản của lốp kép cầu 2 và 3 Ns/m CL2, CL3 Độ cứng của lốp kép cầu 2 và 3 N/m m45 Khối lượng cầu tương đương 4 và 5 kg mA4, mA5 Khối lượng không được treo cầu 4, cầu 5 kg 40, 5 Chuyển vị khối lượng không được treo cầu 4 và 5 m 2b Khoảng cách giữa cầu 4 và 5 m 2c Chiều dài thanh cân bằng m C4, C5 Độ cứng nhíp cân bằng cầu 4 và 5 N/m K4, K5 Hệ số cản hệ thống treo cầu 4 và 5 Ns/m mL4, mL5 Khối lượng bánh xe cầu 4 và 5 kg CL4, CL5 Hệ số cản của lốp kép cầu 4 và 5 N/m KL4, KL5 Độ cứng của lốp kép cầu 4 và 5; Ns/m A45 Góc lắc của thanh cân bằng cầu 4 và 5. độ DxRxC Kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao m Ai Biên độ hàm điều hòa biên dạng đường ISO m Ωi Tần số góc không gian hàm điều hòa biên dạng đường ISO rad/m φi Pha của hàm điều hòa hàm điều hòa biên dạng đường ISO rad Se Biên độ ứng suất tương đương tiêu chuẩn Geber, Goodman MPa SR Biên độ ứng suất tiêu chuẩn Geber, Goodman MPa Sm Ứng suất trung bình tiêu chuẩn Geber, Goodman MPa ix Su Ứng suất kéo tiêu chuẩn Geber, Goodman MPa UTS Ứng suất giới hạn kéo MPa SRI1 Hệ số chịu mỏi b1 Hệ số mũ chịu mỏi, thể hiện độ dốc của đường mỏi S-N NC1 Thông số xác định số chu kì giới hạn mỏi của mô hình với vật liệu là thép FL Ứng suất giới hạn bền mỏi MPa E Mô đun đàn hồi của vật liệu N/m² rXY Hệ số tương quan Pearson H, B, t, h Iều cao thân dầm chiều rộng mặt bích, chiều dày mặt bích và chiều dày thân dầm chữ I m 𝑆𝑥 Mô đun tiết diện m 2 x Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu Giải Nghĩa BCS Hệ tọa độ gắn với vật (Body Coordinate System) CAE Computer-Aided Engineering CMS Tổ hợp dao động riêng thành phần (Component Mode Synthesis) DAEs Các phương trình vi phân đại số DN Doanh nghiệp DOF Bậc tự do ĐLH Động lực học ĐX Đoàn xe ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc FEM Mô hình phần tử hữu hạn GCS Hệ tọa độ cố định HOT Các hạng tử bậc cao (Higher Order Terms) HSS Thép cường độ cao KL Khối lượng LPRF Tọa độ gắn liền MS Mid-surface MBD Mô hình động lực học hệ nhiều vật NC&PT Nghiên cứu và phát triển ODE Phương trình vi phân PACT Phương án cải tiến PTHH Phần tử hữu hạn PTPTHH Phân tích phần tử hữu hạn RCS Hệ tọa độ tham chiếu cố định SF Hệ số an toàn SMRM Sơ mi rơ moóc TH Trường hợp XĐK Xe đầu kéo xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Số lượng SMRM lưu hành tại Việt nam (theo Thống kê Cục đăng kiểm) .. 7 Bảng 1. 2 Kết quả so sánh ứng suất giữa mô hình FEM 3D và 2D ......................... 20 Bảng 2. 1 Các thông số cơ bản khung SMRM 40 feeet, 2 trục. ................................ 52 Bảng 2. 2 Các tiêu chuẩn chất lượng lưới của mô hình PTHH ............................... 58 Bảng 2. 3 Chất lượng lưới mô hình khung SMRM ................................................... 58 Bảng 2. 4 Thông số kỹ thuật vật liệu khung xe - Q345B .......................................... 58 Bảng 2. 5 Tổng hợp các phần tử cơ bản và thông số sử dụng trong mô hình kết hợp MBD-FEM ................................................................................................................ 60 Bảng 2. 6 Thông số của các cấp đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 ......................... 65 Bảng 3. 1 Các trường hợp khảo sát tĩnh .................................................................. 69 Bảng 3. 2 Tổng hợp kết quả các trường hợp khảo sát tĩnh ...................................... 74 Bảng 3. 3 Thông số vật liệu thép Q345B .................................................................. 79 Bảng 3. 4 Ước lượng các hệ số xây dựng đường mỏi của vật liệu theo [71] .......... 81 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật đối tượng thí nghiệm ................................................... 94 Bảng 4. 2 Thông số kỹ thuật cảm biến đo biến dạng .............................................. 100 Bảng 4. 3 Thông số đo được kích thước, trọng lượng phân bố lên các cầu ĐX trong các điều kiện tải khác nhau. ................................................................................... 110 Bảng 4. 4 Tọa độ t