Nghiên cứu thiết kế tối ƣu kết cấu an toàn lật nghiêng ô tô khách ghế ngồi Universe trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn châu Châu Âu ECE R66

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế tối ƣu kết cấu an toàn lật nghiêng ô tô khách ghế ngồi Universe trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn châu Châu Âu ECE R66

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU AN TOÀN LẬT NGHIÊNG Ô TÔ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TOÀN CHÂU ÂU ECE R66 OPTIMAL DESIGN RESEARCH STRUCTURE ROLLOVER SAFETY UNIVERSE COACH FOLLOW STANDARDS EUROPEAN SAFETY ECE R66 Phạm Hồng Thao Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Email: hongthaoqn90@gmail.com TÓM TẮT Đề tài ứng dụng kỹ thuật máy tính (CAE) xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xe khách Universe ghế ngồi. Sau đó mô phỏng phân tích độ cứng khung xương ban đầu của mô hình theo tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng Châu Âu ECE R66. Kết quả độ cứng, khối lượng khung xương ban đầu lớn. Tiến hành giảm bề dày theo cách truyền thống để khung xương biến dạng chạm đến không gian an toàn, làm giảm khối lượng khung xương xe khách. Tiếp tục cải tiến bằng việc thay đổi thiết kế về kết cấu khung xương ở những vị trí ảnh hưởng đến biến dạng. Kết quả cải tiến cho thấy khối lượng giảm thêm 5%. Tuy nhiên, phương pháp cải tiến này chưa thật sự tối ưu. Thông qua bài toán tối ưu, tiến hành thiết kế thực nghiệm mô phỏng đưa ra phương trình hồi quy thực nghiệm bằng SPSS. Sử dụng giải thuật di truyền GA trong Matlab để giải phương trình hồi quy thực nghiệm. Kết quả đạt được là tổng khối lượng các biến được chọn giảm 18,5% so với trước khi tối ưu. Từ khóa: An toàn lật nghiêng, Khối lượng khung xương, thiết kế thực nghiệm, tối ưu hóa. ABSTRACT Technical topics computer applications (CAE) modeling finite element Universe bus seats. Then simulation analysis initial stiffness of skeletal models safety standard ECE R66 European tilt. As a Results hardness, initial volume larger skeleton. Conduct a thickness reduction in the traditional way to skeletal deformation reaches a safe space, reduce the volume of passenger car frame. Continuing improvements by changing the design of the structural skeleton in positions affecting deformation. Results showed improved volumes decreased by 5%. However, this improved method is not really optimal. Through optimization problems, conduct simulation experimental design given empirical regression equation by SPSS.Using genetic algorithms in Matlab GA to the empirical regression equation. Results achieved as the total volume of the selected variables decreased 18.5% compared to the prior optimization. Keywords: Rollover safety, , volume of passenger car frame, experimental design, optimization. 1. Giới thiệu cáo ước tính có khoảng 16.000 chấn Tai nạn xe buýt là tai nạn thường xuyên thương và tử vong trong tai nạn xe buýt, xảy ra trên toàn thế giới. Ở Châu Âu, trong số này, hơn một nữa các trường 150.000 người bị thương và 150 người hợp tử vong xảy ra trong tai nạn này chết mỗi năm đối với tai nạn xe buýt không liên quan đến va chạm[2]. này[1]. Tại Mỹ trong năm 2004, Cục Tác giả Tomas Wayhs Tech[3] đã sử Quản lý An toàn giao thông quốc gia báo dụng phần mềm LS – Dyna để tiến hành
2. mô phỏng tính an toàn kết cấu khung phẳng này với vận tốc góc không quá xương ô tô khách dưới điều kiện lật 0,087 (rad/s) cho đến khi xe bắt đầu lật nghiêng, dựa trên kết quả mô phỏng tiến đỗ. Vận tốc góc khi lật ban đầu ω0 = 0 hành phân tích và đưa ra phương án thiết (rad/ms). kế cải tiến nhằm thỏa mãn theo yêu cầu tiêu chuẩn quy định, chưa thực hiện tối ưu hóa kết cấu Tác giả Yu – Cheng Lin[4] sử dụng phần mềm Hypermesh 7.0 để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho một đoạn xe sau đó dùng phần mềm LS – Dyna 970 để phân tích kết quả mô phỏng lật nghiêng. Tác giả tiến hành so sánh kết Hình 1: Không gian an toàn theo quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng, mặt cắt ngang tiến hành điều chỉnh mô hình phần tử hữu hạn và các thông số kỹ thuật cho đến khi kết quả mô phỏng và thí nghiệm gần bằng nhau, chưa tối ưu hóa kết cấu. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm Hypermesh để chia lưới mô hình và mô phỏng an toàn kết cấu khung Hình 2: Không gian an toàn theo xương ô tô khách khi xảy ra va chạm lật mặt cắt dọc nghiêng, dựa trên kết quả mô phỏng tiến 3. Xây dựng mô hình nghiên cứu hành phân tích và cải tiến mô hình thỏa Từ bản vẽ CAD 2D do nhà sản xuất mãn điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn, Tracomeco cung cấp, sử dụng phần mềm sau đó tiến hành tối ưu hóa kết cấu ThinkDesign để thiết kế mô hình 3D sau khung xương và so sánh kết quả trước và đó đưa vào môi trường Hypermesh để sau khi tối ưu hóa. chia lưới và chỉnh sửa lưới đối tượng, 2. Không gian an toàn theo tiêu chuẩn việc chọn kiểu lưới và khích thước lưới ECE R66 rất quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến Tiêu chuẩn ECE R66[5] (Economic kết quả mô phỏng, để hạn chế số lưới lỗi Commission of Erope, Regulation 66) và mất mát năng lượng trong quá trình thực hiện nghiên cứu an toàn kết cấu mô phỏng trong nghiên cứu này ta chọn khung xương dưới điều kiện lật nghiêng kiểu lưới vuông kích thước 10 x 10 mm quy định: cho toàn bộ mô hình. + Sự chuyển vị bất kỳ bộ phận nào của khung xương không được xâm phạm vào không gian an toàn. + Bất kỳ bộ phận nào trong không gian an toàn đều không cho phép lồi ra bên ngoài kết cấu khung xương sau khi biến Hình 3: Trước và sau khi chia lưới dạng. đối tượng + Khoảng cách giữa mặt phẳng lật và Để đảm bảo cho kết quả mô phỏng mặt phẳng va chạm là 800 mm, xe đứng được chính xác thì toàn bộ lưới mô hình yên trên mặt phẳng lật, nghiêng mặt phải được liên kết chặt chẽ với nhau
3. bằng phương pháp hàn lưới, đảm bảo sự gắn kết giữa các chi tiết mô hình khung xương, chassis và cầu xe, cầu xe và mâm xe được liên kết bằng phương pháp CONTRAINED EXTRA NODES OPTION. Hình 5: Mô hình lật nghiêng theo tiêu Hình 4: Trước và sau khi hàn chuẩn kết cấu cho mô hình - Thiết kế không gian an toàn theo tiêu 4. Thiết kế mô hình lật nghiêng, tạo chuẩn: Từ kích thước quy định về không vật liệu và gán điều kiện biên theo tiêu gian an toàn theo tiêu chuẩn, ta sử dụng chuẩn phần mềm HYPERMESH để thiết kế - Thiết kế mô hình lật nghiêng theo tiêu không gian an toàn Hình 6 chuẩn: Đặt xe lên mặt phẳng lật cách mặt phẳng va chạm 800 (mm), lúc này trọng tâm xe tại vị trí G, nghiêng mặt phẳng này từ từ với vận tốc góc không quá 0,087 (rad/s) đến góc nghiêng giới hạn được tính bằng 40,90, lúc này mô hình tự lật đổ nhờ tác động của trọng lực tại vị trí trọng tâm G’ không vận tốc góc ban Hình 6: Không gian an toàn đầu hay ω0 = 0 (rad/ms), vận tốc góc gia tăng từ từ cho đến khi quá trình va chạm - Tạo vật liệu, thuộc tính và gán điều bắt đầu diễn ra tại vị trí trọng tâm G”. kiện biên cho mô hình: Trong nghiên Trong mô hình này vận tốc góc khi xảy cứu này kết cấu khung xương sử dụng ra va chạm được tính bằng 0,00206 thép Q235, chassis sử dụng thép Q345, (rad/ms), xoay quanh một trục và chịu mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm sử tác dụng của trọng lực, khối lượng toàn dụng vật liệu cứng để mô phỏng, thuộc tải của mô hình được tính toán tối đa là tính vật liệu thể hiện Bảng 1. [6] 11400 kg. Bảng 1: Thuộc tính vật liệu c 1850 o  arctan arctan 40 9 t max 2hg 2.1096 2Mg(h h ) 2Mg h  1 2 J J 2.11400.0,00981.751  2,06.10 3 3,96.1010
4. - Tạo phương tác dụng của trọng lực, Sau khi giảm kích thước theo cách sử dụng LOAD – BODY – Y, tạo tiếp truyền thống để khung xương biến dạng xúc cho cả xe với mặt phẳng va chạm sử chạm đến không gian an toàn Hình 9. dụng SURFACE TO SURFACE để thiết lập. Sau khi tạo vật liệu, thuộc tính và gán điều kiện biên ta tiến hành đặt các bộ phận khối lượng như hành khách, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy lên mô hình. Hình 9: Kết quả sau khi giảm bề dày Khối lượng khung xương giảm từ 3270 kg xuống 3057 kg Hình 10. Hình 7: Đặt khối lượng lên mô hình 5. Mô phỏng, hiển thị và phân tích kết quả mô phỏng mô hình khung xƣơng ban đầu [7] Hình 10: Khối lượng khung sau khi Sử dụng phần mềm LS – DYNA để giảm bề dày theo cách truyền thống. tiến hành mô phỏng và phần mềm Tiến hành cải tiến kết cấu ở những vị trí HYPERVIEW để hiển thị và phân tích xung yếu ảnh hưởng đến biến dạng và kết quả mô phỏng mô hình khung xương gia cường thêm miếng ốp dạng tấm như ban đầu dưới điều khiện lật nghiêng. Hình 11. Hình 8: Kết quả mô phỏng mô hình Hình 11: Cải tiến kết cấu khung xương khung xương ban đầu ban đầu Sau khi hiện thị kết quả trong Kết quả giảm khối lượng thêm 5% so Hyperview Hình 8, mô hình khung với trước cải tiến Hình 12.Từ 3057 kg xương khi xảy ra va chạm lật nghiêng giảm xuống con 2918 kg. hầu như không biến dạng, chứng tỏ khung xương dư bền, làm khoảng cách D (Tính từ không gian an toàn đến vị trí thân trên) lớn. 6. Giảm bề dày theo cách truyền thống và cải tiến mô hình khung xƣơng theo tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng ECE Hình 12: Khối lượng sau khi cải tiến R66
5. 7. Tối ƣu hóa kết cấu khung xƣơng Trong thí nghiệm mô phỏng này có 7.1. Chọn biến lượng tối ưu hóa tổng cộng 4 biến lượng. Vì vậy chọn * 4 [8] Dựa vào kết quả mô phỏng, tiến hành thiết kế thí nghiệm đồng đều U6 (6 ) chọn các biến thiết kế tương ứng với với 06 thí nghiệm được tiến hành. những thanh mà ở đó tập trung ứng suất Với các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất và biến dạng lớn nhất để tối ưu hóa bề của 04 biến, thì chia mỗi biến thành 6 giá dày kết cấu sao cho đạt yêu cầu về tổng trị được thể hiện trong Bảng 2 khối lượng các thanh sau khi tối ưu nhỏ Bảng 2: Các cấp độ của biến hơn trước khi tối ưu mà vẫn không bị xâm phạm không gian an toàn D theo hình 13 . Do đó, Bảng thiết kế thí nghiệm trực Hình 13: Chọn biến thiết kế tối ưu * 4 giao U6 (6 ), cần tiến hành tổng cộng 6 - Biến x1 gồm 08 thanh đứng của mảng mô phỏng kiểm tra thể hiện Bảng 3 bên hông trái và phải Bảng 3: Bảng thiết kế thí nghiệm - Biến x gồm 12 thanh cong hình chữ C * 4 2 theo U6 (6 ) ở mảng nóc của xe. - Biến x3 gồm 04 thanh ở đuôi mảng hông bên trái và bên phải - Biến x4 gồm 04 thanh đứng ở mảng đuôi xe và đầu xe. - D1 là khoảng cách từ thanh đứng gia cố phía trước của hông trái, hông phải với không gian an toàn. 7.2. Kết quả thí nghiệm mô phỏng Kết quả mô phỏng kiểm tra được thể - D2 là khoảng cách từ thanh đứng gia cố phía sau của hông phải, hông trái với hiện ở Bảng 4 không gian an toàn. Bảng 4: Kết quả thu thập số liệu thí nghiệm. Biến thiết kế: y x1, x2 , x3, x4 ne e min F(y) M j j 1 Điều kiện: D1 0 , D2 0 2 x1,x2,x3 4,5 3,5 x4 6 Trong đó: - F(y) là hàm số mục tiêu 7.3. Dùng SPSS lập phương trình hồi - ne là toàn bộ cơ số kết cấu tối ưu hóa. quy thực nghiệm e - M j là trọng lượng các cụm thanh kết Trong quá trình phân tích hồi quy dạng cấu tối ưu hóa thứ j. tuyến tính không đạt yêu cầu về hệ số - x là bề dày của thép hộp tính theo tương quan R. Nên tiến hành nâng bậc 2 [9] milimet. phương trình hồi quy dưới dạng:
6. s s s - y là hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc y a a x a x 2 a x x 0  i i  ii i  ij i j 2. i 1 i 1 i j i 1,2 , j - a0, ai, aii, aij là các hệ số hồi quy - x ,x , ,x là các biến thiết kế. Trong đó: 1 2 j - Thiết lập hồi quy mặt phản ứng bậc 2 thể hiện ở Bảng 5 Bảng 5: Bảng thiết lập hồi quy mặt phản ứng bậc 2 của các biến - Phương trình hồi quy xuất ra từ SPSS theo khối lượng M và khoảng cách D1, D2 như sau: 2 2 M = 139,7 + 32,063x2 + 2,878x1 + 2,909x1x3 – 2,647x1x4 + 1,018x4 2 2 D1 = 52,118 – 0,453x2 + 0,672x1 – 0,015x1x3 + 0,979x1x4 + 0,259x4 2 2 D2 = – 58,246 + 0,101x2 + 1,938x1 + 2,981x1x3 – 0,664x1x4 + 0,474x4 - Phương trình hồi quy trên được đánh giá thông qua hệ số tương quan R theo Anova lần lượt là 1,1 và 1. 7.4. Giải phƣơng trình hồi quy bằng giải thuật di truyền GA[10] trong Matlab - Code Matlab chương trình chính: ObjectiveFunction = @simple_fitness_m; nvars = 4; LB = [2 2 2 3.5]; UB = [4.5 4.5 4.5 6]; ConstraintFunction = @simple_constraint_d; rng(1,'twister') [x,fval] = ga(ObjectiveFunction,nvars, [],[],[],[],LB,UB,ConstraintFunction) - Code Matlab chương trình con + Hàm mục tiêu M: function y = simple_fitness_m(x) y = 139.7 + 32.063*x(2) + 2.878*x(1)^2 + 2.909*x(1)*x(3) - 2.647*x(1)*x(4) + 1.018*x(4)^2; + Hàm điều kiện D: function [c, ceq] = simple_constraint_d(x) c=[-52.118 + 0.453*x(2) - 0.672*x(1)^2 + 0.015*x(1)*x(3)- 0.979*x(1)*x(4) - 0.259*x(4)^2; 58.246 - 0.101*x(2) - 1.938*x(1)^2 - 2.981*x(1)*x(3) + 0.664*x(1)*x(4) - 0.474*x(4)^2];
7. ceq=[]; - Kết quả độ dày các biến được chọn (tính theo mm) từ Matlab được tổng hợp ở Bảng 6 và các giá trị M đạt min và khoảng cách D1, D2 thỏa mãn điều kiện 0. Bảng 6: Kết quả tối ưu bề dày các biến và giá trị min M và khoảng cách D1, D2 Do độ dày của thép (tính theo mm) trên thị trường có thông số bề dày tiêu chuẩn:1, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4, 4.5, ; vì vậy độ dày các biến chọn theo tiêu chuẩn: x1 = 3,5 ; x2 = 2 ; x3 = 3 ; x4 = 5,5 7.5. Kiểm tra kết quả tối ƣu bằng mô Bảng 7: Bảng giá trị kiểm nghiệm trước phỏng tối ưu và sau tối ưu Từ các giá trị các biến tìm được, đưa vào thiết lập thuộc tính các biến trong Hypermesh và sau đó chạy lại mô phỏng kiểm tra cho kết quả theo hình 13. Từ bảng thu thập kết quả mô phỏng sau tối ưu, tổng khối lượng các thanh được chọn để tối ưu hóa giảm 18,5% so với trước khi tối ưu, đồng thời không gian an toàn toàn ở vị trí D1, D2 không Hình 13: Kết quả hiển thị sau bị xâm phạm, thỏa mãn được điều kiện khi tối ưu. an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu cho ECE R66. thấy mô hình khung xương biến dạng 8. Kết luận và kiến nghị sau khi va chạm lật nghiêng nhưng - Trong quá trình nghiên cứu tính an không còn xâm phạm vào không gian an toàn lật nghiêng của mô hình khung toàn. xương xe Universe ghế ngồi ban đầu, 7.6. So sánh kết quả trƣớc và sau tối kết quả mô phỏng không đảm bảo được ƣu điều kiện an toàn lật nghiêng theo tiêu Các giá trị về khoảng cách và khối chuẩn ECE R66. Khung xương phần lượng đo được thông qua thực nghiệm thân trên và mảng bên hông có độ cứng mô phỏng đưa ra để đối chiếu trước sau lớn do độ dày thép cao. Khối lượng và khi tối ưu hóa thể hiện trọng Bảng 7. khung xương nặng là không cần thiết. - Tác giả tiến hành giảm độ dày theo cách truyền thống các đối tượng ở mảng bên hông để biến dạng khi va chạm đạt tới không gian an toàn theo kết quả mô phỏng. Từ kết quả này, tiếp tục cải tiến mô hình khung xương ở những vị trí ảnh
8. hưởng lớn đến biến dạng bằng cách thay được chọn. So sánh tổng khối lượng của đổi thiết kế ban đầu và gia cường những các biến sau tối ưu với trước tối ưu giảm miếng ốp bằng thép. Kết quả khối lượng 18,5% mà không gian an toàn vẫn sau cải tiến giảm thêm 5% so với trước không bị xâm phạm theo tiêu chuẩn an cải tiến. toàn lật nghiêng Châu Âu ECE R66. - Sau khi cải tiến để giảm thêm khối - Đề tài thành công giúp đề xuất đến lượng, tiến hành tối ưu hóa kết cấu bằng phía công ty Tracomeco nhằm giảm chi các mô phỏng thí nghiệm theo mô hình phí đầu vào, nâng cao chất lượng sản * 4 U6 (6 ) đưa ra phương trình hồi quy phẩm xe khách. Mặc khác bổ sung sự đa thực nghiệm. Ứng dụng giải thuật di dạng vào hướng nghiên cứu mới liên truyền GA trong Matlab tìm ra được quan đến an toàn lật nghiêng của ô tô kích thước độ dày tối ưu của các biến theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Albertsson P, Falkmer T. Is there a pattern in European bus and coach incidents? A literature analysis with special focus on injury causation and injury mechanisms. Accid Anal Prev 2005;37:225–33. [2] National highway traffic safety administration. Motor vehicle crash data from FARS and GES; 2004. [3] Tomas WT, Ignacio I, Agenor D D M J. Numerical simulation of bus rollover. In: SAE Technical. Paper Number 2007 – 01 – 2718. Warrendate, PA: 2007. [4] Yu C L and Hong C N. Structural design optimization of the body section using the finite element method. In: SAE Technical. Paper Number 2006 – 01 – 0954. Warrendate, PA:206 [5] ECE – R66 E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1. Uniform Technical Prescriptions Coneeming the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Supertstructure. 2006, Untied Nations. [6] Dương Chí Thiện (2015), Thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh [7] LS – DYNA và HyperWorks Mô phỏng phân tích an toàn xe, Đại Học Thanh Hóa, năm 2011. [8] Liu Quen Qing (2008). Design of Experiments. Tsinghua University. [9] Nguyễn Thành Tâm, Cao Libo, Shi Xiangnan, Xu Zheng (2011), Lightweight Design of Bus Body to Satisfy Rollover Safety, China Mechanical Engi – neering. [10] Goldberg, D.E.(1989), Genetic Algorithm in search, optimization and machine learing, Addsion – Wesley, Readiing, MA.
9. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.