Sự va chạm và hấp thu động năng của khung trước ô tô khách dưới tác dụng động động lực học

Nội dung text: Sự va chạm và hấp thu động năng của khung trước ô tô khách dưới tác dụng động động lực học

1. SỰ VA CHẠM VÀ HẤP THU ĐỘNG NĂNG CỦA KHUNG TRƯỚC Ô TÔ KHÁCH DƯỚI TÁC DỤNG ĐỘNG ĐỘNG LỰC HỌC CRASH BEHAVIOR AND ENERGY ABSORPTION OF BUS’S FRONT STRUCTURE UNDER DYNAMIC IMPACT Trần Thăng Long1 1 Trường Đại học Trần Đại Nghĩa TÓM TẮT Bài báo này trình bày mô phỏng phần tử hữu hạn liên qua đến va chạm và hấp thuđộng năng của cấu trúc trước của xe khách được làm từ những thanh có tiết diện và vật liệu kháccải nhauđể tiến lực đỉnh vàsự hấp thu động năng. Trong nghiên cứu, phần mềm LS-DYNA được dùng để xác định tiết diện mặt cắt ngang như mong muốn cho việc thiết kế khung trước ô tô.L ực đỉnh và động năng hấp thu là hai yếu tố đánh giá chính cho hiệu quả của cấu trúc trước của ô tôkhi va chạm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng ống nhôm hình nón đa ống có thể làm giảm lực đỉnh đến 50 %, trong khi đó tổng động năng hấp thụ cũng tăng cao, do đó khả năng chịu đựng cú va chạm của khung trước ô tô khách được cải tiến một cách đáng kể. Từ khóa: va chạm trực diện; khả năng va chạm; lực đỉnh; hấp thu động năng; cấu trúc ô tôkhách; ống nhôm hình nón ABSTRACT This paper presents finite element simulations of the crash behavior and the energy absorption of frontal structural of bus structure with variable cross-sections of tube made of different materials to improve the peack-force and energy absorbtion. The explicit finite element code LS-DYNA is carried out by simulation to determine the desired cross-sections for the design of bus’s front structure. The peak force and the energy absorption responses during the frontal impact are the main measurements of the frontal structure’performance. The research result shows that the use of multi-tube conic aluminum-tubes can be reduce 50 % of the peak-force, while the total absorbed energy can be greatly increased, so the crashworthines of the bus’s front structure is significantly improved. Keywords: frontal impact, crashworthiness, peak-force, energy absorption; bus structure; conic aluminum-tube 1. GIỚI THIỆU Hiệu quả của khung trước ô tô khách phụ Hiện nay phương tiện giao thông xe khách thuộc vào hành vi phá hủy của những thanh ngày càng nhiều, thời gian lưu chuyển hành dọc trong kết cấu. Điều này ảnh hưởng đến sự chấn động và dẫn đến chấn thương cho người khách giữa các vùng miền được rút ngắn đáng kể, dẫn đến vấn đề an toàn giao thông càng ngồi trong xe. Do đó những thanh dọc phía được chú trong hơn. Chính vì thế đã thúc đẩy trước cần được thiết kế đến mức tối ưu khi tai các nhà sản xuất ô tô cần phải cải tiến tính va nạn va chạm trực diện của ô tô xảy ra. Có hai chạm của xe, đặc biệt là trong lĩnh vực xe vấn đề chính cho việc tối ưu thanh dọc đáp ứng khách. Khả năng chịu đựng cú va chạm tùy va chạm: một là thay vật liệu thép truyền thống thuộc vào kết cấu của khung xe có thể hấp thu bằng những vật liệu có cơ tính phù hợp và hai lớn nhất động năng trong khi vẫn duy trì được là thiết kế tối ưu kích thước mặt cắt của thanh sự toàn vẹn của không gian an toàn của hành dọc. Việc phân tích tính toán những thanh dọc khách và tài xế. Để đảm bảo sự toàn vẹn không đã được thực hiện nhiều trong những năm gần gian an toàn và khả năng hấp thu động năng đây, trong đó phần lớn chúng được nghiên cứu lớn nhất thì điều quan trọng là cần nghiên cứu trên xe ô tô du lịch dưới bảy chỗ ngồi. Xiong sự va chạm của những thanh dọc trên khung Zhang đã nghiên cứu ảnh hưởng của tiết diện trước của ô tô. thanh dọc khác nhau cho quá trình va chạm [1]. Họ cho thấy rằng việc gia cố thêm cấu ốngtrúc đa lỗ làm tăng khả năng hấp thu động năng. 1
2. Nguyễn Văn Sỹ vàAhmed Elmarakbi cũng đã nghiên cứu thiết kế tối ưu thanh dọc hình chữ S trên xe 7 chỗ ngồi, kết quả cho thấy việc gia cố lực trên thanh dọc hình chữ S là điều cần thiết cho việc giảm chấn thương trong tai nạn va chạm trực diện [2-3]. Mới đây nhất, tác giả Hang Feng Yin đã nghiên cứu ứng dụng ống Hình 1. Mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu nhôm hình nón điền vật liệu nhôm có mật độ xe khách va chạm trực diện. khác nhau dọc theo chiều dài ống [4]. Kết quả cho thấy rằng việc dùng ống hình nón có thể Dựa vào bản vẽ Cad 2D của mô hình xe khách tránh được biến dạng cục bộ và tăng khả năng do nhà sản xuất cung cấp, xây dựng mô hình hấp thu động năng cho xe ô tô cỡ nhỏ. Hiên tại xe khách 3D trên phần mềm Inverter. Sau đó trong nước chúng ta việc nghiên cứu tính tối sử dụng phần mềm HYPERWORKS trong ưu an toàn cho khung xe khách chưu được thực môi trường LS-DYNA tiến hành xây dựng mô hiện nhiều. Tác giả Nguyễn Thành Tâm nghiên hình phần tử hữu hạn phân tích ô tô khách. Để cứu tính toán tối ưu hóa kết cấu khung xương cho việc tính toán tin cậy và mô phỏng nhanh, và sát xi ô tô khách thái bền tĩnh [5]. kết cấu ô tô khách được chia lưới dạng vuông có kích cỡ 20mm. Sau khi chia lưới xong tiến Trọng tâm của ngiên cứu này là nghiên hành kiểm tra chỉnh sửa chất lượng lưới nhằm cứu hành vi va chạm và đặc tính hấp thu động tăng độ chính xác trong quá trình mô phỏng và năng của những thanh dọc trên khung trước giảm thiểu mất mát động năng. Các thanh kết của ô tô khách 52 chỗ ngồi và đưa ra tiết diện cấu được liên kết với nhau bằng cùng tiếp bề mặt cắt thanh dọc sao cho đáp ứng được va điểm, nếu không liên kết được cùng tiếp điểm chạm là tốt hơn. Phương pháp phân tích phần thì tiến hành hàn kết cấu. Sát-xi với cầu xe tử hữu hạn trên phần mềm LS-DYNA được được liên kết bằng phương thức thực hiện cho cả khung xe làm bằng vật liệu CONSTRAINED EXTRA NODES OPTION. thép Q235, Q345 và bộ phận hấp thu động Các bộ phận có khối lượng như hành khách, năng làm từ nhữngống nhôm hình nón đa ống. ghế ngồi, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy, hệ Lực va đập đỉnh và hấp thu động năng là hai thống điều hòa không khí, cửa kính, động cơ yếu tố được xem như hai chỉ tiêu cho sự thiết được gắn khối lượng cho mô hình. Sau khi chia kế tối ưu. lưới xong tiến hành chọn vật liệu, thiết lập 2. MÔ TẢ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU thuộc tính và gán điều kiện biên cho mô hình. HẠN Kết cấu khung xương sử dụng sắt Q235, kết cấu sắt-xi sử dụng sắt Q345, thuộc tính vật liệu 2.1 Mô hình phần tử hữu hạn khung xe như Bảng 1. Mục tiêu của tiêu chuẩn R92 là đảm bảo Mặt đất đặt xe và bức tường va chạm được sử không gian an toàn cho tài xế không bị xâm dụng vật liệu cứng để mô phỏng. Tiếp xúc giữa phạm vào khi xảy ra va chạm trực diện. Điều các kết cấu trong xe sử dụng AUTOMATIC này có nghĩa là không có bộ phận nào của xe ở SINGER SURFACE để thiết lập; tiếp xúc giữa bên ngoài không gian an toàn của tài xế xen các kết cấu của xe với mặt đường, kết cấu của vào không gian tài xế và tất cả các bộ phận của xe với tường cứng va chạm sử dụng xe trong không gian an toàn của tài xế văng ra AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE để ngoài. Khoảng không gian đó được quy định là thiết lập, hệ số ma sát là 0,5. Gia tốc trọng từ ghế ngồi của tài xế tính về phía trước đầu xe trường g = 9,8m/s2, vận tốc mô phỏng va chạm là 600mm. Mô phỏng va chạm trực điện bằng là 50km/h. Mô hình phần tử hữu hạn sau khi cách cho mô hình xe chạy với vận tốc 50 xây dựng như ở hình 1. km/giờ trên nền đường cứng và tông trực điện vào bức tường cứng hoàn toàn như hình 1. Để 2.2 Đặc tính vậtliệu giảm thời gian tính toán khi phân tích, khoảng Trong nghiên cứu này chúng tôi dùng hai cách từ bức tường đến đầu xe là 10mm. Mô loại vật liệu thép và nhôm có cơ tính vật liệu hình của xe khách được xây dựng dựa trên một khác nhau. Vật liệu thép có khối lượng riêng, mô hình xe khách 2D do một công ty sản xuất mô dun đàn hồi, hệ số Poison và ứng suất giới xe khách trong nước thực hiện, có khối lượng hạn ảnh hưởng của đặc tính biến dạng được là 1450 kg, chiều dài của xe là 12m. trình bày như trong bảng 1. 2
3. Bảng 1. Đặc tính vật liệu Khối Mô dun Ứng suất lượng Vật đàn hồi Hệ số giới hạn liệu poison riêng (GPa) (GPa) (kg/mm3) Thép 210 0,3 7,85.10-6 0.235 Q235 Thép 210 0,3 7,85.10-6 0.386 Q345 Nhôm 68.2 0.3 2,7.10-6 0.08 Hình 2. Trình tự biến dạng khung xe sau mỗi lần va chạm 2.3 Chỉ tiêu đánh giá Hình 3 và hình 4 cho thấy sự phân tán ứng Trong va chạm ô tô yếu tố ảnh hưởng đến suất trên khung xe khi va chạm, ứng suất hay chấn thương người ngồi trong xe là lực chấn sự biến dạng cục bộ tập trung phần sát-xi trước động lên hành khách và khả năng biến dạng của khung xe. Điều đáng lưu ý là ứng xuất lớn khung xe. Dựa trên hai yếu tố này, để phân tích nhất tập trung tại một số phần tử trên các thanh tính va chạm của ô tô nhiều nhà thiết kế ô tô dọc lớn gấp đôi so với ứng suất giới hạn của đưa ra hai chỉ tiêu quan trọng trong va chạm: vật liệu, điều này làm cho khung xe biến dạng lực đỉnh và khả năng hấp thu động năng [6]. dẻo tại khung trước của xe. Qua phân tích trên Lực đỉnh là lực tương tác lớn nhất giữa xe và chúng ta thấy độ cứng khung trước xe là không vật cản trong quá trình va chạm. Động năng đáp ứng cho lực tác động khi va chạm trực diện hấp thu là mối liên hệ giữa lực tương tác trong xảy ra. suốt qua trình va chạm với độ biến dạng của cấu trúc theo thời gian. Động năng hấp thu có thể được tính theo công thức: d (d) Pd . 0 trong đóP là lực tương tác (N) Hình 3. Mô hình phân bố ứng suất trên d độ biến dạng theo chiều dọc của khung khung xe khi va chạm xảy ra (m) EA là động năng được hấp thu của cấu trúc (J) 3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát khả năng va chạm của cấu trúc trứơc của ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện Sư biến dạng và phá hủy khung xe được làm từ vật liệu thép do nhà sản xuất đưa ra và được phân tích. Hình 2 cho thấy thứ tự biến dạng khung xe theo thời gian, độ biến dạng lớn Hình 4. Mô hình biến dạng cục bộ trên xát-xi nhất tại khung trước của xe là 887 mm. khi va chạm 3.2 Ảnh hưởng của việc gia cố lực a. Gia cố lần 1 Trong phần này, ảnh hưởng của việc tăng bề dày của xát-xi từ 6mm lên 8mm và gia cố 3
4. thêm ống nhôm hình nón đơn ống như hình b. Gia cố lần 2 được khảo sát Dựa vào phương án cải tiến lần thứ 1 tiến hành cải tiến gia cố lần 2, trong phương án giá cố lần 2 này nhằm giảm tối đa lực đỉnh, gia cố các ống nhôm có độ dày 5 mm như ở cải tiến 1 và xếp lồng các ống nhôm hình nón vào nhau, ống nhôm hình nón trong ngắn hơn ống nhôm hình nón ngoài, như hình 8 và hình 9. Hình 5. Mô hình gia cố ống nhôm hình nón đơn ống Sau khi cải tiếnmô hình kết cấu tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy, kết cấu đầu xe sau khi cải tiến không gian an toàn của tài xế được đảm bảo, hình 6. Lực va đập đỉnh giảm được 32% so với lúc chưa cải tiến. Động năng lượng được hấp thụ hoàn toàn, điều này được thể hiện rõ như trên Hình 8. Hình chiếu của ống nhôm hình hình 7, sau thơi gian va chạm 80 ms trên đồ thị nón đa ống chưa gia cố, lưc va chạm vẫn còn ở mức 1000 kN nhưng trên đồ thị gia cố lần 1 lực va chạm tiến về mức 0 kN. Qua phân tích trên chúng ta thấy rằng vùng an toàn của tài xế, lực đỉnh và khả năng hấp thu động năng được cải tiến đáng kể tuy nhiên lực đỉnh vẫn còn khá lớn với mức 4715 kN. Hình 9. Mô hình phần tử hữu hạn của ống nhôm hình nón đa ống Kết quả mô phỏng sau khi cải tiến lần 2 được thể hiện như hình 10, kết cấu ống nhôm hình nón đa ống biến dạng đồng bộ không xảy ra biến dạng cục bộ, biên độ dao động lực va chạm được giảm rõ rệt, khả năng hấp thu động năng là hoàn toàn. Lực va đập đỉnh khi cải tiến lần 2 giảm 50% so với chưa cải tiến. Hình 6. Sự biến dạng khung trước xe sau khi gia cố lần 1 Hình 10. Đồ thị lực va chạm sau khi cải tiến lần 2 Hình 7. Đồ thị lực va chạm sau khi cài tiến lần 1 4. KẾT LUẬN 4
5. Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày Ngoài ra, nghiên cứu này còn trình bày kết phân tích mô phỏngva chạm trực diệncho toàn quả của việc ứng dụng cấu trúc ống nhôm hình bộ hung xe khách. Một kết quả khá rõ ràng và nón đa ống trên kết cấu khung trước xe khách mang tính ứng dụng rất cao. Mô hình mô nhằm đáp ứng an toàn hành khách theo tiêu phỏng cho phép xác định giá trị biến dạng và chuẩn R92. Kết quả cho thấy ngoài đảm bảo ứng suất tại các điểm trên khung vỏ xe ở bất kỳ không gian an toàn cho tài xế còn giảm lực thời điểm nào trong quá trình va chạm. Kết quả đỉnh lên đến mức 50% so với ban đầu. Đây là mô phỏng còn biểu diễn được trường phân bố một con số khá cao, có thể ứng dụng vào thực biến dạng và ứng suất trên toàn bộ khung vỏ tế để thử nghiệm và sản xuất ứng dụng vào xe và từng phần tử của khung vỏ, có thể thấy nước ta. Đặc biệt tình hình tai nạn giao thông phần đầu của dầm dọc khung xe và mặt đầu xe khách ở nước ta như hiện nay. của vỏ xe là những vùng tập trung ứng suất và biến dạng. Đây là những cơ sở quan trọng để tính toán độ bền, an toàn bị động của khung vỏ xe trong quá trình thiết kế, chế tạo và hoàn thiện kết cấu khung vỏ cũng như đánh giá chính xác các tai nạn thực trên đường. 5
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiong Zhang, Theoretical prediction and numerical simulation of multi-cell square thin-walled structures; Thin-Wall Structures. 4, 1185-1191, 2006 [2] Ahmed Elmarakbi, Crash analysis and energy absorption characteristics of S-shaped longitudinal members; Thin-Wall Structures, 68, 65-74, 2013 [3] Nguyễn Văn Sỹ, Optimisation design of reinforced S-shaped frame structure under axial dynamic loading. International Journal Crashworthiness; 19, 385-393, 2014. [4] H.F Yin, Multiobjective crashworthiness optimization design of functionally graded foam- filled tapered tube based on dynamic ensemble metamodel. Materials design; 55,747–757, 2014. [5] Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung xương và sát xi ô tô khách. Khoa học Giáo dục Kỹ thuật; 31, 29-35, 2015. [6] HS. Kim, New extruded multi-cell aluminum profile for maximum crash energy absorption and weight efficiency. Thin Wall Structures; 40(4), 311–327, 2002. 6
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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.