Ứng dụng Grabcad trong mô phỏng kỹ thuật ô tô

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 67 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
ỨNG DỤNG GRABCAD TRONG MÔ PHỎNG KỸ THUẬT Ô TÔ 
Nguyễn Thanh Quang1, Lê Văn Anh1 
Tóm tắt: Mô phỏng kỹ thuật ô tô trên những mô hình 3-D phản ánh trung thực kết cấu và đặc tính kỹ thuật 
của chi tiết, cụm chi tiết hoặc cả ô tô và thực hiện bởi những phần mềm chuyên dụng. Mô phỏng kỹ thuật ô 
tô hiện nay đã phát triển mạnh và rộng rãi nhờ sự phát triển của các công nghệ thiết kế nhanh như quét 
quang học, in 3-D và các phần mềm ngày càng bổ sung các ứng dụng mở rộng. 
Trong quá trình mô phỏng kỹ thuật ô tô, công việc thiết kế chiếm nhiều thời gian nhưng lại ảnh hưởng đến ý 
nghĩa của bài toán. Grabcad là một địa chỉ cung cấp mô hình thiết kế 3-D miễn phí và mô hình đáng tin cậy. 
Bài báo trình bày việc ứng dụng Grabcad với mô hình 3-D vỏ xe con. Sử dụng phương pháp phẩn tử hữu hạn 
và phần mềm Ansys Workbench mô phỏng kỹ thuật dao động vỏ xe con khi sử dụng lớp tôn vỏ mỏng có chiều 
dày khác nhau và cũng so sánh khi thay thế bằng vật liệu tổng hợp composit. Kết quả đã phân tích dao động 
riêng, dao động điều hòa của vỏ xe với các thông số kích thước và vật liệu khác nhau. Kết hợp với phân tích 
tần số lực kích thích lên vỏ xe, lựa chọn chiều dày lớp tôn phủ hoặc sử dụng vật liệu tổng hợp tránh vùng 
cộng hưởng dao động của vỏ xe. 
Từ khoá: Grabcad, Vỏ xe Camaro, Phần tử hữu hạn, Phân tích dao động. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Grabcad là một thư viện các mô hình thiết kế 3-D 
của nhiều lĩnh vực trên mạng Internet, trong đó lĩnh 
vực cơ khí ô tô có nhiều sản phẩm. Grabcad đã có 
trên 6 triệu thành viên tham gia. Các kỹ sư khắp các 
nước trên thế giới là những người thực hiện và đưa 
các mô hình thiết kế lên trang web ở các dạng file 
AutoCAD, file.*sldprt, step, iges, là các file nguồn 
để người dùng sử dụng trên những phần mềm 
Solidworks, Catia, Siemens NX, Hyperworks 
(https://grabcad.com/). Điều thuận lợi là khi chọn 
được mô hình mong muốn, nếu chưa phù hợp với yêu 
cầu thì người dùng có thể chỉnh sửa lại như tự mình 
thiết kế từ đầu, và có thể trao đổi trực tiếp với kỹ sư 
thiết kế để có được những điều chỉnh hợp lý nhất. 
Hình 1.a là chiếc xe thể thao Chevrolet Camaro 
của hãng GM được sử dụng rộng rãi trong giới thanh 
niên Việt Nam. Từ Grabcad ta download mô hình 3-
D bộ vỏ xe file “camaro.sldprt” đọc trong phần mềm 
Solidworks, hình 1.b. 
a) 
b) 
Hình 1. Xe thể thao Chevrolet Camaro 
Dao động* cùng với độ ồn (NVH) của vỏ xe là 
thông số quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đến chất 
lượng xe trong vận hành. Sử dụng phương pháp 
1 Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà 
Nội 
phần tử hữu hạn (FEM) phân tích dao động vỏ xe 
bao gồm các phần tử hình tam giác và hình chữ nhật, 
thứ tự của các phần tử có thể là tuyến tính hoặc bậc 
hai có nhiều ưu điểm nên ngày nay được sử dụng 
khá phổ biến (Gang Shen, 2012). Nghiên cứu về dao 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 68 
động thân xe nhằm giảm rung và ồn, tác giả đã sử 
dụng phương pháp FEM phân tích các dao động ở 
tần số thấp trong vùng dưới 200 Hz bao gồm những 
tần số có ảnh hưởng đến con người. Thông số NVH 
đã được phân tích modal của mô hình thân vỏ xe con 
và tìm ra biện pháp giảm khối lượng thân xe và tối 
ưu hóa các chi phí (Sang-Hyun Jee1, nnk 2000). 
Phân tích tiếng ồn trong khoang xe khách cỡ lớn 
nhằm tìm ra phương án lựa chon vật liệu có hệ số 
hấp thụ âm lớn để chế tạo vỏ xe, phương pháp phân 
tích phần tử hữu hạn cũng đã được sử dụng (Sang-
Hyun Jee1, nnk 2000). 
2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU 
HẠN VỎ XE 
2.1 Cơ sở khoa học 
Tần số dao động tự nhiên của vỏ xe được xác 
định bởi công thức (1) 
 b 1c kC (1) 
Trong đó  là tần số tự nhiên của một tấm; ρ là 
mật độ vật liệu; C1 là vận tốc của sóng nén đàn hồi, 
khoảng 5100m/s đối với thép và k là tỷ lệ mômen 
quán tính quay với diện tích mặt cắt, phụ thuộc vào 
độ dày tấm và được xác định bởi công thức (2). 
 hk
12
 (2) 
Tần số dao động tự nhiên, mật độ vật liệu có liên 
quan đến ứng suất xuất hiện trong tấm ở công thức (3). 
 x b 1 bE . .c .C .c (3) 
Và biến dạng (Total displacement) của tấm vỏ 
xe theo thời gian cũng được xác định trong công 
thức (4). 
T2 2
1
0
u .k .C dt  (4) 
2.2 Mô hình hóa 
Mô hình vỏ xe Camaro sử dụng từ Grabcad và 
lựa chọn kiểu phần tử SHEEL181 bao gồm 4 nút với 
6 bậc tự do tại mỗi nút. Vật liệu gốc của tấm loại 
Steel dày 1.0 mm. Các thông số của dạng phần tử và 
thông số của vật liệu thép có trong thư viện của phần 
mềm Ansys Workbench 18.2. Trong khảo sát sẽ thay 
đổi các chiều dày theo nhóm 1.0, 1.2, 1.4 mm đối 
với vật liệu tôn mỏng và loại vật liệu tổng hợp 
composite GPRF. Thông số của vật liệu GPRF 
không có trong thư viện phần mềm, ta khai báo bổ 
sung. Bảng đặc tính vật liệu nêu trong bảng 1 
(Yunfu Ou, nnk 2016). 
Bảng 1. Đặc tính vật liệu thép và composite 
Loại vật liệu 
Khối lượng 
riêng 
(kg/m3) 
Mô dun 
Young 
(GPa) 
Ứng suất 
kéo 
(MPa) 
Ứng suất 
uốn 
(MPa) 
Hệ số 
Poisson 
Chiều dày 
khảo sát 
(mm) 
Thép tấm 7890 210 210 460 0.3 1.0, 1.2, 1.4 
CFRP-Epoxy 1600 150 1100 1100 0.22 3.0 
Mô hình chia lưới phần tử vỏ xe thực hiện với kích 
thước lưới 30 mm và được kiểm soát chất lượng lưới 
theo tiêu chuẩn đánh giá của phần mềm, tổng số nút và 
phần tử là 481194 nút và 491474 phần tử, hình 2. 
a) Phân bố lưới trên vỏ xe 
b) Phân bố chuyển vị, ứng suất trên vỏ xe 
Hình 2. Mô hình chia lưới PTHH vỏ xe 
Tải đặt lên mô hình gồm tải trọng tĩnh và tải 
trọng động. Tải trọng tĩnh là các lực kích thích từ hệ 
thống truyền lực khi động cơ nổ máy, trọng lượng 
của số người ngồi trong xe. Tải trọng động kích 
thích từ mặt đường khi xe chạy các vận tốc khác 
nhau, lực cản không khí và lực cản lên dốc. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 69 
2.3 Phân tích dao động riêng 
Các dạng dao động riêng và tần số dao động 
riêng thay đổi theo chiều dày lớp tôn vỏ mỏng và 
loại vật liệu composite. Kết quả khảo sát 10 dạng 
dao động đầu tiên chỉ ra trên hình 3. Các giá trị cụ 
thể nêu trong bảng 2. 
Bảng 2. Các dạng dao động riêng và tần số dao động riêng 
Loại vật liệu 
Mode 
1.0 mm 1.2 mm 1.5 mm CFRP 
1 2.82E-04 3.02E-04 3.55E-04 1.98E-09 
2 4.34E-04 3.04E-04 6.29E-04 2.38E-09 
3 6.0617 6.6127 7.3789 6.51E-05 
4 7.8064 9.3593 11.666 1.08E-04 
5 7.8095 9.3636 11.686 1.41E-04 
6 9.2953 10.278 11.696 1.41E-04 
7 13.572 15.079 17.165 1.57E-04 
8 16.751 18.484 20.961 1.96E-04 
9 19.037 21.459 24.986 2.43E-04 
10 19.844 23.136 25.583 2.51E-04 
3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU 
DÀY VỎ MỎNG VÀ LOẠI VẬT LIỆU ĐẾN 
DAO ĐỘNG VỎ XE 
Kết quả mô phỏng đã nhận được là biên độ dịch 
chuyển của vỏ xe ứng với từng tần số dao động. Ta 
quan tâm đến các tần số dao động có biên độ lớn 
nhất trong 10 dạng dao động đầu tiên của vỏ xe 
trong bảng 1 ở trên. Xét tại dạng dao động thứ ba, 
bằng mô hình phổ màu ta thấy vỏ xe bị “xoắn-uốn” 
rất lớn. Giá trị dịch chuyển của các dao động này sẽ 
xem xét cụ thể. 
3.1 Trường hợp vỏ tôn chiều dày 1,0 mm 
Trên vỏ xe tôn mỏng 1.0 mm, tại dạng dao động 
thứ ba có tần số dao động 6.0617 Hz, mức độ dịch 
chuyển trong phạm vi 3.7815e-15 đến 0,4094 m. 
Đây là giá trị biến dạng tại điểm có mức độ nhỏ nhất 
(trên nắp ca bô sát mép kính chắn gió trước và nóc 
xe) và bốn điểm mép dưới tại bốn góc của vỏ xe, 
hình 3.a. 
3.2 Trường hợp vỏ tôn chiều dày 1,2 mm 
Trên vỏ xe tôn mỏng 1.2 mm, tại dạng dao 
động thứ ba có tần số dao động 6.6127 Hz, mức 
độ dịch chuyển trong phạm vi 2.8463e-15 đến 
0,37331 m. Tương tự trường hợp trên, đây là giá 
trị biến dạng tại điểm có mức độ nhỏ nhất (trên 
nắp ca bô sát mép kính chắn gió trước và nóc xe) 
và bốn điểm mép dưới tại bốn góc của vỏ xe, 
hình 3.b. 
3.3 Trường hợp vỏ tôn chiều dày 1,5 mm 
Trên vỏ xe tôn mỏng 1.5 mm, tại dạng dao động 
thứ ba có tần số dao động 7.3789 Hz, mức độ dịch 
chuyển trong phạm vi 3.9307e-15 đến 0,33392 m. 
Tương tự trường hợp trên, đây là giá trị biến dạng tại 
điểm có mức độ nhỏ nhất (trên nắp ca bô sát mép 
kính chắn gió trước và nóc xe) và bốn điểm mép 
dưới tại bốn góc của vỏ xe, hình 3.c. Các giá trị biến 
dạng gần sát với trường hợp vỏ tôn dày 1.2 mm. 
3.4 Trường hợp vỏ tôn sử dụng vật liệu tổng 
hợp CFRP-Epoxy chiều dày 3,0 mm 
Vật liệu tổng hợp có khối lượng riêng, mô đun 
đàn hồi và hệ số Poisson thấp hơn của vật liệu thép 
nên các dịch chuyển trên vỏ xe sẽ lớn hơn vở thép. 
Trên vỏ xe composite dày 3.0 mm, tại dạng dao 
động thứ ba có tần số dao động 6.5132 Hz, mức độ 
dịch chuyển trong phạm vi 0.2078e-14 đến 0,52673 
m. Tương tự trường hợp trên, đây là giá trị biến dạng 
tại điểm có mức độ nhỏ nhất (trên nắp ca bô sát mép 
kính chắn gió trước và nóc xe) và bốn điểm mép 
dưới tại bốn góc của vỏ xe, hình 3.d. 
Từ bốn trường hợp khảo sát cho các kết quả về 
dao động và biến dạng của vỏ xe bằng tôn mỏng 
chiều dày nhỏ 1.0 mm sẽ có giá trị cao nhất, tăng 
chiều dày thì giá trị này giảm theo. Khi sử dụng vật 
liệu tổng hợp CFRP-Epoxy thì sự thay đổi rõ hơn, 
dao động tần số thấp hơn và biến dạng cũng thấp 
hơn vỏ tôn mỏng, hình 4. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 70 
a. Mức biến dạng vỏ xe chiều dày tôn 1.0 mm 
b. Mức biến dạng vỏ xe chiều dày tôn 1.2 mm 
c. Mức biến dạng vỏ xe chiều dày tôn 1.5 mm 
d. Mức biến dạng vỏ xe vật liệu composite CFRP-
Epoxy dày 3.0 mm 
Hình 3. Mức biến dạng vỏ xe với các đặc tính vật liệu khác nhau 
Hình 4. Mức biến dạng vỏ xe theo thời gian 
4. KẾT LUẬN 
Chiều dày lớp tôn mỏng phủ vỏ xe ô tô là thông 
số ảnh hưởng đến dao động của vỏ xe. Để khắc khục 
mức độ dao động lớn ảnh hưởng đến hành khách, 
một lựa chọn được gợi ý là sử dụng vật liệu tổng 
hợp CFRP-Epoxy, tuy nhiên cần chú ý đến vấn đề 
công nghệ để đảm bảo độ bền của vỏ xe cũng như 
giá thành chế tạo. Sử dụng phương pháp phần tử hữu 
hạn với phần mềm chuyên dụng Ansys Workbench 
18.2 giúp ta phân tích có nhiều kết quả tin cậy. 
Grabcad đã cung cấp mô hinh vỏ xe Chevrolet 
Camaro dạng 3-D, sử dụng được ngay không cần 
hiệu chỉnh. Trong phân tích không có lỗi xảy ra, các 
kích thước của mô hình đã được kiểm chứng đảm 
bảo độ chính xác. Trên trang Grabcad có nhiều mô 
hình ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, có thể được 
phân theo các lĩnh vực, người dùng có thể tham khảo 
một số mô hình trong trang web: www.grabcad.com 
Các lĩnh vực chính có bản thiết kế 3D trong 
Grabcad gồm: 
1. Lĩnh vực xe con: Xe Sedan, SUV, Pick up, xe 
thể thao 
2. Lĩnh vực xe thương mại: Xe tải thùng 1 cầu 
chủ động, xe 3 cầu, xe khách. 
3. Lĩnh vực xe quân sự: Xe đặc chủng, xe chở 
quân, xe kéo pháo, xe máy công binh. 
4. Lĩnh vực máy nông nghiệp: Máy kéo, máy 
cày bừa. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Trịnh Minh Hoàng, Trần Phúc Hòa (2019), “Khảo sát ảnh hưởng của hệ số hấp thụ âm thanh của vật liệu 
đến độ ồn bên trong xe khách 45 chỗ lắp ráp tại Việt Nam”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 6(1), tr 136-139. 
Gang Shen (Gang Shen Chen) (2012), “Vehicle Noise, Vibration, and Sound Quality”. SAE International. 
400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA 15096-0001, USA. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 71 
Sang-Hyun Jee1, Jong-Cheol Yi, (2000), “The Application of the Simulation Techniques to Reduce the Noise 
and Vibration in Vehicle Development”, Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, F2000H240. 
Yunfu Ou, Deju Zhu, Huaian Zhang, Liang Huang, Yiming Yao, Gaosheng Li, Barzin Mobasher (2016), 
“Mechanical Characterization of the Tensile Properties of Glass Fiber and Its Reinforced Polymer 
(GFRP) Composite under Varying Strain Rates and Temperatures”. Polymers 2016, 8, 196; 
doi:10.3390/polym8050196. 
https://grabcad.com/ 
Abstract: 
GRABCAD APPLICATION IN SIMULATION OF AUTOMOBILE TECHNOLOGY 
Automotive engineering simulation on 3-D models if done right will accurately reflect the structure and 
technical characteristics of parts, component assemblies or the whole vehicles. 3-D model is often done in 
specialized software. Automotive engineering simulation has now grown strongly and extensively thanks to 
the development of fast design and rapid prototyping technologies such as optical scanning, 3D printing and 
software that are increasingly adding extended applications. 
In the process of automotive engineering simulation, the design work takes a lot of time while significantly 
affects the outcome of the problem. Grabcad is a repository that provides free 3-D design models with high 
level of details and accuracy. 
The paper presents the Grabcad application with 3-D model of vehicle body. Using finite element method 
and Ansys Workbench software, vehicle body is simulated to study the vibration behavior when using thin 
metal plates with different thickness. The simulation is repeated with composite material instead of metal. 
The results include the analyses of each individual oscillation, harmonic vibration of the body with different 
thicknesses and materials. Combined with analyzing the excitation force frequency on the tires, the study 
suggest the optimal selection the plates thickness or use composite materials to avoid the resonance and 
improve the vibration characteristics. 
Keywords: Grabcad, Car body, Mode shape analysis, Harnomic analysis. 
Ngày nhận bài: 02/7/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 16/8/2019