Nghiên cứu thiết kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU Ô TÔ KHÁCH KHI XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN RESEARCHING, DESIGNING STRUCTURE SAFETY OF PASSENGER CARS WHEN IT HAPPEN FRONTAL COLLISION TÓM TẮT: Ứng dụng phần mềm LS – DYNA xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và mô phỏng phân tích tính an toàn kết cấu đầu ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện. Căn cứ vào vấn đề tồn tại kết cấu đầu xe, tiến hành đưa ra các phương án thiết kế cải tiến kết cấu, đồng thời mô phỏng kiểm nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy, tại vị trí biến dạng tăng cường các thanh trợ lực, thiết kế bộ hấp thu năng lượng va chạm thì đầu xe biến dạng ít, gia tốc va chạm giảm, bảo đảm tính an toàn cho hành khách. Từ khóa: va chạm trực diện; kết cấu ô tô khách; phân tích mô phỏng, hấp thụ năng lượng ABSTRACT: Applying LS-DYNA software to buid model and finite element analysis and simulate analysis of structural passenger cars when it occured frontal collision. Based on the structural problems of the car, we will show the plans: designed to improve the infrastructures testing and simulating. The result of simulating show us know that At the positioned distortion we need more synergy bars, design the system to absorb the impact energy to reduce deformation, accelerator collisions will decrease, ensuring the safety of passengers Key words: frontal collisions; Structure passenger cars; simulation analysis, energy absorption. 1. Lời nói đầu: cứu.Tác giả Nguyễn Quang Anh đã nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ô An toàn, tiết kiệm và bảo vệ môi trường là tô khi va chạm trực diện và đề suất kiến kiến vấn đề nghiên cứu phát triển ngành công nghị để hoàn thiện kết cấu khung vỏ [1]. Tác nghiệp ô tô ngày nay; thiết kế tính an toàn giả Muhammand Aamir Hasan đã nghiên khi xảy va chạm trưc diện của ô tô khách là cứu phân tích so sánh sự biến dạng kết cấu phương diện quan trọng trong nghiên cứu và thiệt hai về người ngồi trong xe khi xảy thiết kế ô tô. Đặc điểm ô tô khách là vận ra va chạm trực diện vào một bức tường và chuyển được nhiều hành khách, trở thành cây cột [2]. Nghiên cứu này thiết kế bộ hấp công cụ vận chuyển hành khách quan trọng thu năng lương với cấu trúc hình tổ ong giữa thành phố và liên tỉnh. Mà tại nạn giao nhằm để giảm lực va đập khi xảy ra va thông luôn rình rập xảy ra hàng ngày , ước chạm. Bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế tính mỗi năm có khoảng hơn 12.000 người HYPERWORK và LS-DYNA để mô phỏng tử nạn do tai nạn giao thông đường bộ gây thí nghiệm về kết cấu ô tô khách, đảm bảo ra, đặc biệt là tai nạn ô tô khách làm cho tính an toàn kết cấu và tài xế khi xảy ra va nhiều hành khách thương vong cùng lúc. Do chạm trực diện. đó, thiết kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xẩy ra va chạm trực diện trở thành điểm 2. Xây dựng mô hình phân tích tính an nóng nghiên cứu. Do đó, thiết kế hấp thụ toàn của xe khách va chạm trực diện. năng lượng khi xe va chạm trực diện nhằm Dựa vào mô hình CAD ô tô khách, sử dụng giảm thiệt hại về người tài sản khi xe xảy ra phần mềm HYPERWORKS trong môi va chạm trở thành điểm nóng trong nghiên trường LS_DYNA tiến hành xây dựng mô
2. hình phần tử hữu hạn ô tô khách.Để xây Phân tích kết cấu khung xương và sát dựng được mô hình phần tử hữu hạn thì phải xi khi xe va chạm trực diện nhằm kiểm tra tiến hành chia lưới mô hình với kích cỡ lưới độ bền của kết cấu, độ an toàn của người 20 mm, chỉnh sửa lưới đạt yêu cầu.Các nút ngồi trong xe. Từ đó đưa ra phương án cải lưới được liên kết với nhau bằng cách hàn tiến cho phù hợp. Quá trình mô phỏng với các nút lưới với nhau.Các bộ phận có khối vân tốc là 50 km/h, tổng thời gian mô phỏng lượng như hành khách, ghế ngồi, hành lý, là 180ms (0,18s), khoảng thời gian để xuất thùng nhiên liệu, ắc quy, hệ thống điều hòa dữ liệu 6ms/lần. không khí, cửa kính, động cơ thì cần phải Chi tiết quá trình mô phỏng xe va gắn khối lượng cho mô hình.Sau khi chia chạm trực diện 100% phía trước khi chưa lưới xong cần chọn vật liệu và thiết lập cải tiến cho thấy cấu trúc không gian khung thuộc tính mô hình, kết cấu khung xương sử xương của xe khách có độ biến dạng như dụng sắt Q235, kết cấu sát xi sử dụng sắt các hình 3.1, 3.2. Q345, thuộc tính vật liệu như ở bảng 1 Bảng 1: Thuộc tính vật liệu Ứng Môdun Khối suất đàn Hệ số lượng Tên giới hồi Poisson riêng hạn (kg/mm3) (GPa) (MPa) Q345 210 0,3 7,85.10-6 345 Hình 3.1 Mô phỏng ở 0msvà 54ms khi va Q235 210 0,3 7,85.10-6 235 chạm trực diện khi chưa cải tiến Để mô phỏng được thì phải đặt điều kiện biên cho mô hình, thiết lập vận tốc chuyển động là 50 km/giờ, tạo tiếp xúc giữa mô hình với tường đường và gắn ràng buộc giữa chúng. Mô hình phần tử hữu hạn ô tô khách sau khi xây dựng như ở hình 1. Hình 3.2 Mô phỏng ở 144ms và 180ms xảy ra va chạm trực diện khi chưa cải tiến Sau quá trình va chạm, kết cấu khung xương và sát xi xe khách va chạm trực diện phía trước với vật cản. Hình 1: Mô hình phần tử hữu hạn kết cấu xe khách. 3. Phân tích kết cấu và kết quả mô phỏng va chạm trực diện. Hình 3.3Biến dạng sau và trước khi va chạm trực diện
3. Kết quả mô phỏng cho thấykết cấu + 2 thanh chéo có bề dày 8mm. khung xương và sát xi đầu xe khách biến + 2 thanh ngang có bề dày 8mm. dạng rất lớn, được thể hiện như ở hình 3.2, 3.3, không gian vị trí người lái bị chiếm + 8 thanh dọc có bề dày 8mm. hoàn toàn, vị trí hành khách sau người lái cũng bị ảnh hưởng, do độ biến dạng khung xương đầu xe, không gian người lái bị thu hẹp, vị trí hành khách cũng bị tác động.Hình 3.4 cho thấy, ứng suất lớn nhất là 5.49 Mpa tập trung chủ yếu ở phần đầu xe, vượt qua ứng suất giới hạn làm phá vỡ kết cấu khung xương và sát xi. Hình 4.2 - Kết quả mô phỏng va chạm phía trước theo phương án cải tiến lần thứ nhất: Hình3.4 Ứng suất va chạm trực diện chưa cải tiến Như vậy cần cải tiến khung xương và sát xi đầu xe khách để đảm bảo không gian sống cho tài xế, giảm ứng suất và hấp thụ Hình 4.3 Mô phỏng ở 54ms và 84ms xảy ra năng lượng va chạm. va chạm trực diện khi cải tiến lần thứ nhất 4. Thiết kế cải tiến kết cấu an toàn 4.1 Phương án 1 Gia cố thêm các thanh liên kết sát xi phía trước, đồng thời thay đổi độ dày sàn xe từ 4mm lên 5mm. Hình 4.4 Mô phỏng ở 150ms và 180ms xảy ra va chạm trực khi cải tiến lần thứ nhất Hình 4.1 Vị trí thanh gia cố Sát xi phía trước được gia cố thêm có độ dày 8 mm. Gia cố thêm thanh phía trước gồm: Hình 4.5 chassic chưa cải tiến và sau khi cải tiến lần nhất
4. Sau khi mô phỏng ta được kết quả mô Ở hình 4.8 thì gia tốc cải tiến lần 1 có phỏng như ở hình 4.3, 4.4, 4.5, cho thấy gia tốc giảm hơn gia tốc ban đầu tuy nhiên phương pháp cải tiến thứ nhất chưa đạt yêu vẫn chưa đạt yêu cầu khi va chạm trực diện. cầu về mức độ an toàn cho không gian Vì vậy, cần phải cải tiến lần thứ hai người lái, tuy nhiên độ biến dạng khung nhằm hạn chế biến dạng khung xương, đồng xương đầu xe và sát xi giảm. Kết quả mô thời đảm bảo không gian an toàn của người phỏng ở hình 4.6 cho thấy ứng suất lớn nhất lái, hấp thụ năng lượng, giảm ứng suất khi là 5.408 Mpa tập trung ở vị trí đầu xe. Ứng xe va chạm trực diện và làm giảm gia tốc suất giới hạn giảm phân bố đều hơn tuy khi xảy ra va chạm trực diện. nhiên vẫn chưa đạt yêu cầu. 4.2 Phương án 2: Từ kết quả của phương pháp cải tiến thứ nhất, ta cần thay đổi độ dày các thanh sát xi phía trước xe và các thanh gia cố thêm ở phương pháp thứ nhất từ 8mm lên 14mm. Tuy nhiên nếu tăng độ dày của các thanh sát xi phía trước thì lúc này khi va chạm thì gia tốc của tài xế và hành khách là rất lớn. Để hạn chế gia tốc của người tài xế và hành khách thì ta phải thiết kế bộ phận hấp thụ năng lượng khi xảy ra va chạm. Phương án Hình 4.6Ứng suất cải tiến lần 1 hấp thụ được sử dụng đó là thép mỏng tổ ong, bộ phận phía trước được thiết kế hình Để đảm bảo an toàn cho người tài xế tổ ong với kết cấu vững, khả năng hấp thụ ngoài ứng suất va chạm trực diện không năng lượng tốt. được vượt qua ứng suất tới hạn thì còn phải đảm bảo gia tốc khi va chạm phải đạt yêu cầu. Từ kết quả mô phỏng ứng dụng phần mềm HYPER VIEW suất ra đồ thị gia tốc như hình 4.8 sau đây. Hình 4.9 Sát xi phía trước được gia cố thêm Gia cố thêm bao gồm: + Tăng độ dày sát xi phía trước từ 8mm lên 14mm. + Thiết kế tấm hấp thụ năng lượng có kết cấu hình tổ ong với vật liệu thép mỏng. Hình 4.8 Giá trị gia tốc tại vị trí đầu ghế + Gia cố thêm 4 thanh thép để đỡ tấm hấp người lái va chạm trực diện thụ năng lượng có bề dày 8mm. - Kết mô phỏng sau khi gia cố.
5. Hình 4.10 Mô phỏng ở 0ms và 50ms xảy ra va chạm trực diện khi cải tiến lần thứ hai Hình 4.14ứng suất sau khi va chạm Kết quả mô phỏng ở hình 4.14 cho ta thấy ứng suất lớn nhất là 5.727 Mpa tập trung chủ yếu ở phần đầu xe. Tuy nhiên ứng suất ở đầu xe giảm ró rệt, ứng suất phân bố đều hơn ở đầu xe, nhỏ hơn ứng suất tới hạn. Từ kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Hình 4.11 Mô phỏng ở 150ms và 180ms xảy HYPERVIEW để suât đồ thị gia tốc như ra va chạm trực diện khi cải tiến lần thứ hai hình 4.15 dưới đây. Hình 4.12 Sát xi cải tiến lần 1 và lần 2 sau khi va chạm Hình 4.15 Giá trị gia tốc tại vị trí trọng tâm Hình 4.13 Kết cấu tổ ong trước và sau va ghế người lái va chạm trực diện. chạm Như ở hình 4.15 gia tốc giảm giảm đáng kể, Sau kết quả mô phỏng cải tiến lần thứ những ảnh hưởng của va chạm trực diện của hai ở hình 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, ta thấy đầu ô tô khách ghế ngồi ở cải tiến lần thứ không gian người lái đảm bảo an toàn, ít bị hai nằm trong giới hạn cho phép chịu đựng 2 biến dạng nghiêm trọng như ban đầu khi của con người (amax =300m/s ). chưa cải tiến và cải tiến lần thứ nhất. Bảng 4.1 So sánh gia tốc Vị trí Chưa cải tiến Cải tiến Đầu ghế 32,3 27
6. Mặt ghế 30 24,6 diện cấu trúc khung xương bị biến dạng vượt quá không gian an toàn, tác động làm Trọng tâm 33,3 29 ảnh hưởng tới hành khách bên trong xe, không đảm bảo an toàn. Phương pháp cải tiến lần thứ hai đạt Để đảm bảo tính an toàn cho hành yêu cầu về không gian người lái, hấp thu khách, tính bền của kết cấu khung xương, năng lượng giảm lực va đập và gia tốc nằm hay nói cách khác là làm giảm thiệt hại về trong giới hạn cho phép chịu đựng của con người và tài sản. đề tài sử dụng biện pháp người khi xảy ra va chạm trực diện. Vậy cải tiến và mô phỏng thực nghiệm thông qua phương pháp cải tiến lần thứ hai đạt yêu cầu sử phần mềm mô phỏng LS-DYNA khi xảy ra va chạm trực diện. Kết cấu khung xương sau khi thiết kế 5. Kết luận cải tiến bị biến dạng nhưng không vượt quá không gian an toàn, nghĩa là kết cấu khung Qua kết quả phân tích, mô phỏng quá xương sau khi cải tiến đảm bảo tiêu chuẩn trình va chạm trực diện của xe khách cho an toàn khi xảy ra va chạm trực diện. thấy kết cấu khung xương ban đầu là không bền vững. do đó khi xảy ra va chạm trực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Anh, Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ô tô khi va chạm trực diện, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, Hà Nội, 2007. [2] Muhammad Aamir Hassan, Comparison of structural damage and occupant injuries corresponding to a vehicle collision onto a pole versus a flat barrier, Bachelor of Engineering, N.E.D. University of Engineering and technology Karachi, Pakistan, 2002. [3] Teng Jing Tao, Da keche cheshen jiegou zhengmian pengzhuang youxianyuan fenxi, luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật ô tô, Trường Đại học Tây An, Trung Quốc, 05-2009. [4] Zhang Weigang, Simulation of bus safety body structure, Trường Đại Học Hồ Nam, Trung Quốc, 2006.
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.