Luận văn Nghiên cứu cải tiến khả năng hấp thụ năng lượng của ô tô khách khi va chạm trực diện (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu cải tiến khả năng hấp thụ năng lượng của ô tô khách khi va chạm trực diện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THĂNG LONG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KHẢ NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA Ô TÔ KHÁCH KHI VA CHẠM TRỰC DIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 5 0 2 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THĂNG LONG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KHẢ NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA Ô TÔ KHÁCH KHI VA CHẠM TRỰC DIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60520116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THĂNG LONG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KHẢ NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA Ô TÔ KHÁCH KHI VA CHẠM TRỰC DIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN SỸ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2016 ii
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: TRẦN THĂNG LONG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/11/1985 Nơi sinh: TP. HCM Quê quán: Bắc Thành - Yên Thành - Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 59 Nguyễn Văn Lượng, Phường 17, Quận Gò Vấp, TP. HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax : E-mail: tranthanglong84@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung cấp Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học Hệ đào tạo: Liên thông Đại học CQ Thời gian đào tạo: 9/2010 đến 7/2012 Nơi học: Trường Đại học Giao thông vận tải - Phiên hiệu TP.HCM Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống điện động cơ 5S-FE. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 07/2012, tại Trường Đại học Giao thông vận tải - Phiên hiệu TP.HCM. Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Lợi III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012 đến nay Trường Đại học Trần Đại Nghĩa Giáo viên i
5. IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TP. HCM, ngày tháng 9 năm 2016 XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN Người khai Trần Thăng Long ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. HCM, ngày tháng 9 năm 2016 Học viên Trần Thăng Long iii
7. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Sỹ. Đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cho tôi phương pháp nghiên cứu, truyền thụ các kinh nghiệm, kiến thức khoa học và thường xuyên kiểm tra đánh giá các kết quả nghiên cứu của tôi. Luận văn của tôi sẽ khó có thể hoàn thành, nếu không có sự giúp đỡ tận tình của Thầy. Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, Khoa Cơ khí Động lực Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật là cơ sở đào tạo và quản lý, đã tạo nhiều điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô Trường Đại học Trần Đại Nghĩa đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Lời cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và rất nhiều người đã quan tâm, chia xẻ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. iv
8. TÓM TẮT Một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực thiết kế xe là làm thế nào để giảm trọng lượng và tăng khả năng chịu đựng cú va chạm của thân xe cũng như là tăng an toàn cho hành khách. Khả năng chịu đựng cú va chạm của xe thì tùy thuộc vào cấu trúc khung xe để hấp thu lớn nhất động năng trong khi vẫn duy trì được không gian an toàn. Mục đích của luận văn này là cải tiến những thanh dọc hình nón gia cố lực bên trong để thiết kế tối ưu cấu trúc. Lực va chạm ban đầu và khả năng hấp thu năng lượng của những cấu trúc thì được cải tiến bằng phương pháp tối ưu hóa thiết kế. Đề tài này trình bày mô phỏng phần tử hữu hạn liên quan đến va chạm và hấp thu năng lượng của cấu trúc trước của xe khách được làm từ những thanh có tiết diện và vật liệu khác nhau để nghiên cứu thiết kế bộ phận hấp thu năng lượng tối ưu. Nghiên cứu được thực hiện mô phỏng thông qua phần mềm LS-DYNA để xác định tiết diện mặt cắt ngang như mong muốn cho việc thiết kế khung trước ô tô. Năng lượng hấp thu (EA) và lực va đập ban đầu (Fđ) là hai yếu tố đo lường chính cho hiệu quả của cấu trúc trước của ô tô khi va chạm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng đa ống nhôm xếp lớp có thể làm giảm lực tương tác, trong khi đó tổng năng lượng hấp thụ tăng cao do đó khả năng chịu đựng cú va chạm của khung trước ô tô khách được cải tiến một cách đáng kể. v
9. ABSTRACT An important problem in vehicle design field is how to reduce the weight and increase the crashworthiness of vehicle body as well an insrease safety of passenger. The crashworthiness of a vehicle depends on the structure’s ability to absorb maximum kinetic energy while maintaining the intergrity of the occupant’s compartment. The objective of this dissertation is to improve the appropriate inner reinforcement for conical tube to support optimal structure design. The peak force and the energy absorbing capacity of the structures are improved by using the suitable optimization design method. This paper presents finite element simulations of the crash behavior and the energy absorption of frontal structural with variable cross-sections of tube made of different materials to investigate the design of optimized energy-absorbing members. Numerical studies are carried out by simulation via the explicit finite element code LS-DYNA to determine the desired cross-sections for the design of bus’s front structure. The energy absorption (EA) and the peak force (Fđ) responses during the frontal impact are the main measurements of the frontal structure’performance. The research result shows that the use of multi-cell aluminum-tube can be reduce the peak impact force, while the total absorbed energy can be greatly increased, so the crashworthines of the bus’s front structure is significantly improved. vi
10. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC HÌNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG xii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3 1.1. Giới thiệu 3 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 3 1.2.1. Những công trình nghiên cứu trên thế giới 3 1.2.2. Những công trình nghiên cứu tại Việt Nam 6 1.2.3. Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước và thếgiới 7 1.3. Nhiệm vụ của đề tài. 8 1.4. Công việc thực hiện nghiên cứu 8 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9 1.6. Mục đích nghiên cứu của đề tài 9 1.7. Đối tượng nghiên cứu 9 1.8. Phạm vi nghiên cứu 10 1.9. Các phương pháp nghiên cứu 10 1.10. Kết luận chương 1. 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1. Tiêu chuẩn va chạm trực diện 11 2.2. Lý thuyết va chạm và những yếu tố đặc trưng của va chạm giữa hai vật rắn.[2] 12 2.2.1. Các khái niệm cơ bản của lý thuyết va chạm. 12 2.2.2. Các định lý cơ bản sử dụng trong quá trình tính toán va chạm 13 2.3. Động học và động lực học ô tô khi va chạm trực diện [2] 15 2.3.1. Động học và động lực học ô tô khi va chạm trực diện 15 2.3.2. Va chạm của hai ô tô 17 vii
11. 2.4. Tối ưu hóa 20 2.4.1. Khái niệm 20 2.4.2. Cách biểu diễn bài toán tối ưu 21 2.4.3. Thành phần cơ bản của bài toán tối ưu 21 2.5. Kết luận chương 2. 22 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KHUNG XƯƠNG Ô TÔ KHÁCH 24 3.1. Mô hình tổng thể ô tô khách (2D) 24 3.1.1. Mô hình đầu xe khách (2D) 25 3.1.2. Các mảng khung xương xe khách 26 3.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn ô tô khách 37 3.2.1. Giả thiết và các bước xây dựng mô hình 37 3.2.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 38 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA KHUNG TRƯỚC Ô TÔ KHÁCH KHI VA CHẠM TRỰC DIỆN 64 4.1. Khảo sát khả năng chịu lực của ô tô khách khi va chạm trực diện 64 4.2. Cải tiến khả năng hấp thụ năng lượng của ô tô khách khi va chạm trực diện . 66 4.2.1. Phương pháp cải tiến 1 66 4.2.2. Phương án cải tiến lần 2 68 4.3. Tính toán tối ưu hóa 70 4.3.1. Chọn thông số nghiên cứu 70 4.3.2. Dùng SPSS tiến hành xây dựng phương trình nộisuy 72 4.3.3. Thực hiện tính toán hồi quy 73 4.3.4. Kết quả phân tích hồi quy từ SPSS 74 4.3.5. Dùng MATLAB tiến hành tối ưu hóa các biến thiết kế: 76 4.4. Kết luận chương 4 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 viii
12. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Thử nghiệm của Úc 5 Hình 1.2: Thử nghiệm của Đức 6 Hình 2.1: Không gian an toàn theo mặt cắt ngang 12 Hình 2.2: Không gian an toàn theo mặt cắt dọc 12 Hình 2.3: Mô hình động lực học ô tô va chạm vào vật cản cứng 15 Hình 2.4: Mô hình động lực học của 2 ô tô va chạm trực diện 18 Hình 3.1: Mô hình chung bên ngoài của xe khách 24 Hình 3.2: Vị trí của tài xế 24 Hình 3.3: Mô hình chi tiết kết cấu đầu của xe khách 25 Hình 3.4: Khung xương phía bên trái (b) và đuôi (a) của xe khách 26 Hình 3.5: Khung xương phía bên trái của xe khách 27 Hình 3.6: Khung xương bên phải xe khách 28 Hình 3.7: Kết cấu khung xương đuôi xe khách 30 Hình 3.8: Khung xương trần xe khách 32 Hình 3.9: Khung dầm sàn xe khách 34 Hình 3.10: Khung xương Chassis tổng xe khách 35 Hình 3.11: Mô hình xe khung xương được nhập vào phần mềm Hypermesh 38 Hình 3.12: Mô hình khung xe khách đã chỉnh sửa trước khi chia lưới 39 Hình 3.13: Bảng điều khiển chia lưới tự động khi chọn displayed 40 Hình 3.14: Khung xương xe đã được chia lưới tự động 40 Hình 3.15: Kiểm tra chất lượng phần tử lưới khung xương đầu xe 41 Hình 3.16: Bảng điều khiển chế độ màu sắc hiện thị chất lượng lưới 41 Hình 3.17: Hiện thị các lỗi lưới xấu (đỏ), không tốt (vàng), tạm được (xanh da trời) 42 Hình 3.18: Bảng điều khiển qualityindex 42 Hình 3.19: Vị trí cần hàn lưới giữa 2 chi tiết 43 Hình 3.20: Hộp thoại điều khiển hàn điểm với khoảng cách ngắn (Spotweld) 43 Hình 3.21: Các nút lưới đã được hàn với nhau 44 Hình 3.22: Tạo vật liệu cho Components 45 Hình 3.23: Thiết lập các thông số về vật liệu 45 ix
13. Hình 3.24: Đường cong ứng suất kéo nén thực nghiệm 46 Hình 3.25: Hộp thoại nhập đồ thị ứng suất tương ứng 46 Hình 3.26: Thiết lập tạo đặc tính cho Components 47 Hình 3.27: Hộp thoại điều khiển masses 48 Hình 3.28: Thiết lập khối lượng trên mô hình lưới 49 Hình 3.29: Bảng điều khiển Entity sets được thiết lập để tạo liên kết 49 Hình 3.30: Tạo nhóm cho cầu xe với mâm xe 50 Hình 3.31 Bảng điều khiển chọn đối tượng cần liên kết với Set Nodes 50 Hình 3.32: Bảng điều khiển tạo lên kết nhóm ở mục add 51 Hình 3.33: Bảng điều khiển chọn Set Nodes đã được tạo 51 Hình 3.34: Chức năng hiện thị nhóm liên kết được tạo giữa cầu và mâm xe trước 51 Hình 3.35: Bảng điều khiển khi tạo Set Part 52 Hình 3.36: Bảng điều khiển summary 52 Hình 3.37: Hộp thoại hiện thị các thông số tính toán trong Hypermesh 53 Hình 3.38: Nhập tọa độ trọng tâm trong bảng điều khiển Nodes 53 Hình 3.39: Tọa độ trọng tâm G mô hình xe khách 54 Hình 3.40: Tạo Node để khảo sát tác động vị trí người xế 54 Hình 3.41: Bảng điều khiển chức năng tạo tiếp xúc Interfaces 55 Hình 3.42: Thiết lập tạo tiếp xúc giữa các bề mặt của đối tượng 55 Hình 3.43: Bảng nhập tên đối tượng cần tạo tiếp xúc 55 Hình 3.44: Bảng thiết lập thông số cho bề mặt tiếp xúc 56 Hình 3.45: Bảng thiết lập đối tượng chính và phụ khi tao tiếp xúc 56 Hình 3.46: Thiết lập và cập nhật đối tượng tiếp xúc 56 Hình 3.47: Bảng thiết lập thông số tiếp xúc bề mặt 57 Hình 3.48: Trong chức năng Tools để tạo chiều trọng lực 57 Hình 3.49: Bảng nhập tên chiều trọng lực 58 Hình 3.50: Bảng thông số thiết lập chiều trọng lực theo phương Z 58 Hình 3.51: Bảng điều khiển định vị đối tượng 58 Hình 3.52: Các nodes được định vị trên đối tượng sau khi chọn 59 Hình 3.53: Bảng điều khiển nhập các giá trị về đại lượng chuyển động vật lý 59 Hình 3.54: Bảng điều khiển Control Cards 60 x
14. Hình 3.55: Thiết lập dung lượng phân tích cho LS - DYNA 60 Hình 3.56: Thiết lập thông số về năng lượng 60 Hình 3.57: Thông số tỷ lệ hao hụt năng lượng 61 Hình 3.58: Thiết lập các thông số về thời gian mô phỏng 61 Hình 3.59: Thông số xuất dữ liệu tính toán mô phỏng 61 Hình 3.60: Thiết lập thông số bước thời gian 61 Hình 3.61: Thông số xác ịđ nh dữ liệu đầu ra trong mô phỏng 62 Hình 3.62: Giao diên phần mềm LS_DYNA khi chạy mô phỏng 63 Hình 4.1: Mô hình khung xương xe khách va chạm trực diện 64 Hình 4.2: Kết quả quá trình mô phỏng va chạm trực diện 64 Hình 4.3: Biến dạng khung đầu và chassis khi va chạm trực diện 65 Hình 4.4: Biểu đồ lực va đập theo khoảng cách khi va chạm trực diện 65 Hình 4.5: Khung chassis phía trước khi chưa cải tiến 66 Hình 4.6: Khung chassis được gia cố ống nhôm cải tiến lần thứ 1 67 Hình 4.7: Kết quả mô phỏng sau khi cải tiến lần thứ 1 67 Hình 4.8: Biến dạng của khung chassis khi cải tiến lần 1 67 Hình 4.9: Đồ thị lực va đập khi cải tiến lần thứ 1 68 Hình 4.10: Bản vẽ ống gia cố 68 Hình 4.11: Ống nhôm gia cố 68 Hình 4.12: Mô phỏng ở 180ms sau khi gia cố ống nhôm hấp thu năng lượng 69 Hình 4.13: Biến dạng chassis khi gia cố trước và sau khi va chạm 69 Hình 4.14: Biến dạng của ống hấp thu năng lượng trước và sau khi va chạm 69 Hình 4.15: Đồ thị so sánh lực va đập khi va chạm cải tiến lần 1 và cải tiến lần 2 70 Hình 4.16: Chia biến trên các thành phần khung xương 71 Hình 4.17: Nhập dữ liệu trong Variable View 73 Hình 4.18: Hộp thoại chỉ định biến phụ và các biến độc lập 73 Hình 4.19: Thiết lập thêm các tham số tùy chọn 744 Hình 4.20: Các thuật toán tính toán trong MatLab 766 Hình 4.21: So sánh đồ thị lực va đập trước và sau khi tối ưu hóa 777 xi
15. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các loại thép khung xương đầu xe 25 Bảng 3.2: Tiết diện khung xương hông xe 29 Bảng 3.3: Tiết diện khung xương đuôi xe 31 Bảng 3.4: Các loại thép khung xương nóc xe 33 Bảng 3.5: Các loại thép khung xương Chassis tổng 36 Bảng 3.6: Thông số vật liệu sử dụng trong mô hình 45 Bảng 3.7: Thống kê khối lượng khảo sát các bộ phận trên xe khách 47 Bảng 4.1: Các cấp độ của biến 71 Bảng 4.2: Thiết kế thực nghiệm mô phỏng 72 Bảng 4.3: Kết quả tính toán tối ưu trong MatLab 767 xii
16. MỞ ĐẦU Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện nay, nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông tập thể là rất lớn, đặc biệt là giao thông đường bộ như vận chuyển ô tô khách đường dài, vận chuyển tập thể cho các công ty xí nghiệp và trường học, vận chuyển giao thông công cộng, Do vấn đề chủ quan của người tham gia giao thông và khách quan như xe, đường sá, thời tiết, khí hậu, v.v mà tại nạn giao thông xảy ra hàng ngày, ước tính mỗi năm có khoảng hơn 12.000 người tử nạn do tai nạn giao thông đường bộ gây ra, đặc biệt là tai nạn ô tô khách làm cho nhiều hành khách thương vong cùng lúc. Do hạn chế về kỹ thuật ô tô trong nước, hiện nay các loại phương tiện giao thông trong nước sử dụng như ô tô khách chủ yếu là nhập ngoại nguyên chiếc, hoặc nhập các linh phụ kiện từ các hãng sản xuất ô tô nước ngoài về nước lắp ráp, như Công ty Ô tô Trường Hải, Tracomesco, Samco. Ngoài ra, do nhu cầu thực tế của doanh nghiệp vận chuyển và sự tiện nghi của hành khách mà các hãng lắp ráp ô tô trong nước tiến hành hoán cải kết cấu, như thêm độ dài xe để bố trí các hàng ghế rộng hơn, cải trang từ xe ghế ngồi sang gường nằm, Tuy nhiên các nhà đầu tư không kiểm tra gắt gao tính năng an toànkết cấu cũng như hành kháchtheo tiêu chuẩn. Kết cấu khung xương ô tô khách thường biến dạng rất lớn sau khi va chạm, làm chèn ép hành khách gây ra tổn thương nghiêm trọng, rất nguy hiểm đến tính mạng của hành khách khi xảy ra tai nạn. Do đó, vấn đề ngăn ngừa số vụ tai nạn giao thông, hạn chế thương vong và bảo vệ sinh tồn của hành khách do tai nạn giao thông gây ra là hết sức cần thiết cho nhà quản lý giao thông và nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô. Trong khi đó việc nghiên cứu thiết kế ô tô trong nước chỉ nằm ở việc sử dụng một số phần mềm như CATIA, ANSYS, MATLAB Tính bền cho khung, sườn xe. Từ đó cho thấy cần có những tính toán, nghiên cứu thiết kế đảm bảo an toàn về kết cấu xe. Việc tính toán dựa trên mô hình thực tế đòi hỏi nhiều công sức, tốn nhiều chi phí, ặđ c biệt là mô hình thực nghiệm khó có thể sử dụng lại lần tiếp theo. 1
17. Cần một phương pháp nghiên cứu hiệu quả mà vẫn đảm bảo không gian an toàn của tài xế cũng như hành khách được đảm bảo không bị xâm phạm. Trên cơ sở đó người nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu cải tiến khả năng hấp thụ năng lượng của ô tô khách khi va chạm trực diện”. Sự thành công của đề tài giúp đánh giá được việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng kỹ thuật CAE (computer aided engineering) là rất hiệu quả trong việc tính toán mô phỏng, đóng góp vào khả năng đảm bảo an toàn hơn trong việc sử dụng xe khách qua cải tiến, đóng góp một phần nhỏ vào công tác nghiên cứu chống va đập trong xe khách khi xảy ra va chạm, là cơ sở để các xí nghiệp lắp ráp, cải tiến xe có thể ứng dụng. Luận văn bao gồm phần mở đầu, bốn chương thuyết minh và phần kết luận. - Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam về va chạm trực diện và tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm. Xác định mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình va chạm như các mô hình va chạm cơ học, động học và động lực học của ô tô khi va chạm trực diện, các tiêu chuẩn khi v a chạm trực diện, phương pháp tối ưu hóa. - Chương 3: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xương ô tô khách. Từ mô hình CAD của nhà sản xuất xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xương ô tô khách bằng phần mềm INVENTOR & HYPERMESH - Chương 4: Phân tích kết quả mô phỏng và tối ưu sự hấp thụ năng lượng của khung trước ô tô khách khi va chạm trực diện Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng khi chưa cải tiến và sau khi cải tiến lắp thêm bộ phận hấp thu năng lượng, tiến hành tối ưu hóa và so sánh các kết quả mô phỏng. 2
18. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, tình hình trật tự an toàn giao thông ở nước ta có nhiều diễn biến phức tạp, đặc biệt là trên lĩnh vực giao thông đường bộ. Theo thống kê mới nhất của Cục Cục cảnh sát Đường Bộ - Đường sắt - Bộ Công an, trong năm 2015, cả nước có hơn 8.700 người chết vì tai nạn giao thông, đặc biệt là tai nạn ô tô khách làm cho nhiều hành khách thương vong cùng lúc. Do đó thiết kế kết cấu khung xương bền, an toàn, hạn chế ảnh hưởng khi có tai nạn là yếu tố cần thiết của nhà sản xuất. Để đảm bảo tính an toàn kết cấu đầu xe khách, các nhà sản xuất phải tính toán thiết kế sao cho hạn chế thiệt hại khi tai nạn xảy ra. Khả năng hấp thụ năng lượng của xe và các cấu trúc bảo vệ đã trở nên quan trọng hơn. Các cấu trúc này được thiết kế chủ yếu để giảm thiểu năng lượng tác động và bảo vệ hành khách trong quá trình va chạm. Trong nhiều thập kỷ, các loại vật liệu hấp thụ năng lượng đã được nghiên cứu. Gần đây, các ứng dụng của vật liệu hấp thụ năng lượng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh giao thông như: bộ đệm tàu, kết cấu sàn máy bay và chắn bùn cho tàu v.v Trong lĩnh vực ô tô, vấn đề nâng cao giảm trọng lượng và tăng độ bền khung xe càng chú ý khi sản xuất. Ngoài ra, vấn đề bảo vệ hành khách khỏi tai nạn khi va chạm cũng ặđ t lên hàng đầu khi nhu cầu đi lại bằng phương tiện ô tô tăng nhanh như hiện nay. Cấu trúc ống kim loại thành mỏng đã được ứng dụng làm hệ thống hấp thu năng lượng một cách rộng rãi trong lĩnh vực va chạm. Do đó đề tài này nghiên cứu ứng dụng cấu trúc kim loại thành mỏng để làm bộ phận hấp thu năng lượng cho ô tô khách. 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1.2.1. Những công trình nghiên cứu trên thế giới Hàng năm trên thế giới đã sản xuất khoảng 65 đến 70 triệu ô tô. Khoảng 90% số lượng xe sản xuất được tại ba trung tâm công nghiệp phát triển là Bắc Mỹ, Nhật 3
19. Bản và các nước thuộc khối cộng đồng chung Châu Âu (EU). Số lượng xe đang lưu hành, kể cả xe cũ và mới ngày càng tăng, chính vì vậy nên va chạm của xe luôn là một vấn đề thời sự được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm kể cả về lý thuyết và thực nghiệm. Các nghiên cứu về va chạm của xe được đề cập trên nhiều khía cạnh theo từng mục đích nghiên cứu khác nhau. 1.2.1.1. Nghiên cứu lý thuyết Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về các tai nạn giao thông khi ô tô xảy ra va chạm. Trong đó, điển hình là các nghiên cứu: - Hee-Young Ko, A study on the crashworthiness and rollover characteristics of low-floor bus made of sandwich composites, Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 2686~2693. Tác giả đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu vật liệu composite dạng xốp trên xe buýt sàn thấp khi va chạm trực diện và lật nghiêng. [17] - Liu, C.K., Song, X.P. and Wang, J. (2014), Simulation Analysis of Car Front Collision Based on LS-DYNA and Hyper Works. Journal of Transportation Technologies, 4, 337-342. Tác giả nghiên cứu mô phỏng quá trình va chạm của khung trước ô tô khi va chạm bằng LS-DYNA và Hyper Works [18] - Zhang Weigang, Simulation of bus safety body structure, Trường Đại Học Hồ Nam, Trung Quốc, 2006. Tác giả nghiên cứu mô phỏng không gian an toàn của ô tô khách [19] Những hướng nghiên cứu này chủ yếu về tác động của va chạm trực diện đối với khung vỏ xe được tập trung trên một số vần đề: Đặc tính biến dạng của khung vỏ xe khi va chạm trực diện, mối quan hệ giữa đặc tính va chạm và đặc tính sửa chữa từ đó ềđ xuất các giải pháp thiết kế khung vỏ xe để nâng cao an toàn bị động sau khi va chạm. Hiện nay trên Thế giới trong những công trình nghiên cứu và các hội thảo quốc tế về công nghệ ô tô vấn đề an toàn bị động của người trên xe khi va chạm được đặc biệt quan tâm tập trung vào những xu hướng sau : - Các tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm của Châu Âu (ECE R94) [9] và Mỹ (US - SID) [20]. 4
20. - Các nghiên cứu động học và động lực học của người khi va chạm trực diện và va chạm sau thông qua các yếu tố như gia tốc của đầu, thân người; dịch chuyển của ngực, đầu gối; lực tác động vào cổ, v.v theo thời gian, ảnh hưởng của những yếu tố này đến tình trạng chấn thương cũng như khả năng giới hạn mà người có thể chịu đựng được, vấn đề này được đề cập đến trong các bài báo của Yoshikatsu Kisanuki, Shigeru Sakuma (Toyota Motor Corporation); Murielle Verver; Jack Van Hoof (TNO Automotive Netherlands); Jesse Ruan, Priya Prusad (Ford Motor Company USA) v.v .[21], [22] 1.2.1.2. Những nghiên cứu thực nghiệm [3] Cùng với đó, các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô trên thế giới đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu và thử nghiệm về va chạm trực diện của xe ô tô với vật cản cứng. Các nghiên cứu tiêu biểu như sau: Thử nghiệm của Úc: Theo tiêu chuẩn ADR 10 thử nghiệm va chạm trực diện xe vào vật cứng là khối bê tông với tốc độ 48km/h. Sau thử nghiệm vô lăng không được dịch chuyển quá 127mm. Hình 1.1: Thử nghiệm của Úc Thử nghiệm của Đức: Hãng Mercedes-Benz thực hiện thử nghiêm va chạm trực diện và va chạm sau ở tốc độ 55km/h với 40% chiều rộng xe, thử nghiệm này tương đương với va chạm hai xe có chiều rộng từ 40% đên 60% và chiếm 90% va chạm thực tế hiện nay. 5
21. Hình 1.2: Thử nghiệm của Đức 1.2.2. Những công trình nghiên cứu tại Việt Nam Ở nước ta hiện nay chưa có các chương trình kiểm tra chất lượng ô tô như trên vì là nền công nghiệp đi sau thế giới nên còn nhiều hạn chế, cũng còn phải kể đến kinh phí cho những thử nghiệm đó nữa. Như vậy việc đảm an toàn xe đang dùng ở mức nào đối với các hãng xe trong nước? Các công ty ô tô lớn trong nước như Công ty cổ phần ô tô Trường Hải, SAMCO, TRACOMESCO hiện nay chủ yếu nhập xe của HUYNDAI, KIA nguyên chiếc hoặc phụ tùng về lắp ráp. Đối với xe khách, do nhu cầu đi lại mong muốn được thoải mái hơn của khách hàng thì các công ty tiến hành hoán cải nội thất trong xe, Trường Hải đi đầu trong việc hoán cải xe khách ghế ngồi thành xe khách giường nằm. Tuy nhiên, việc đảm bảo an toàn cho tài xế và hành khách khi xảy ra va chạm vẫn chưa được chú trọng. Nhằm đảm bảo được sự an toàn cho tính mạng của con người nói riêng và thiệt hại nguồn nhân lực cho xã hội nói chung do tai nạn giao thông gây ra, các nghiên cứu trong nước đã được thực hiện: - GVC.ThS. Đặng Quý (2008), Nghiên cứu và tính toán động lực học va chạm ô tô, các biện pháp giảm tổn thất khi va chạm, nghiên cứu này chỉ tính toán động lực học của ô tô và các biện pháp giảm tổn thất chứ không thực hiện mô phỏng quá trình va chạm của ô tô. [4] - Nguyễn Quang Anh (2007), Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ô tô va chạm trực diện, nghiên cứu này chỉ tính toán động lực học của ô tô và độ bền của khung xương chứ không đề xuất được giải pháp cải tiến khi va chạm. [2] 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4