Thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu

Nội dung text: Thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu

1. THIẾT KẾ TỐI ƯU TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU Ô TÔ KHÁCH KHI XẢY RA VA CHẠM LẬT NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU KS. Dương Chí Thiện Học Viên Lớp Cao Học, khóa 2013 – 2015B Khoa Cơ Khí Động lực Trường ĐHSPKT TP. HCM Email: duongchithien1985@gmail.com TÓM TẮT Dựa vào tiêu chuẩn ECE-R66, đề tài đã ứng dụng kỹ thuật CAE để xây dựng mô hình và mô phỏng phân tích quá trình lật nghiêng ô tô khách theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66, trên cơ sở mô hình phân tích lật nghiêng tiến hành thiết kế thí nghiệm trực giao, mô phỏng các thí nghiệm của quá trình lật nghiêng. Sử dụng phần mềm SPSS để phân tích hồi qui và xây dựng hàm số mục tiêu và điều kiện, sử dụng giải thuật di truyền trong MATLAB để tính toán và tìm ra giá trị tối ưu hóa cho mô hình. Sau đó tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm tính năng an toàn khi xảy ra va chạm lật nghiêng, kết quả cho thấy kết cấu thân xe khách đã đảm bảo an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn, đồng thời khối lượng các thanh kết cấu sau khi thiết kế tối ưu hóa giảm 12.8% và chiều cao trọng tâm giảm 5.8(mm) so với trước khi tối ưu hóa. Từ khóa: Kết cấu ô tô khách, thiết kế thực nghiệm, phân tích mô phỏng, tối ưu hóa. ABSTRACT Base on the standards ECE-R66, the study applied technical simulation design to develop a model and analyze simulation process of rollover coach according to European Standard ECE-R66, based on analytical rollover models to conduct designing orthogonal experiment, simulate experiments of rollover. SPSS software is used for regression analysis of target and condition, genetic algorithms in MATLAB is used to calculate and figure out optimized values for the model. After simulation for testing safety features during rollover was conducted, the results showed that coach’s body structure ensure safety of rollover as standard and weight of the bars after optimization reduced by 12.8%. Keywords: Bus structure, design of experiments, analysis simulation, optimization. 1. Giới thiệu gốp phần giải quyết vấn đề ùn tắt giao Trong thời buổi công nghiệp hóa thông đô thị và lưu thông liên tỉnh. hiện đại hóa hiện nay, ô tô là một trong Song song với sự phát triển đó thì những phương tiện được sử dụng rộng số vụ tai nạn do xe khách gây ra cũng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, tăng đáng kể, trong năm 2013 có 7.9% đóng vai trò quan trọng đối với sự phát trong tổng số các vụ tai nạn giao thông triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là ô tô đường bộ là do xe khách gây ra, các vụ khách có tầm ảnh hưởng rất lớn trong tai nạn xảy ra có thể là trực diện, bên việc vận chuyển hàng hóa, hành khách, hông, phía sau, đặc biệt là lật nghiêng
2. làm biến dạng khung xương xâm phạm Tiêu chuẩn ECE-R66[3] (Economic vào không gian an toàn gây thương Commission of Erope, Regulation 66) vong cùng lúc nhiều hành khách. Do đó thực hiện nghiên cứu an toàn kết cấu vấn đề đảm bảo an toàn cho hành khách khung xương dưới điều kiện lật bên trong xe được các nhà nghiên cứu nghiêng. Tiêu chuẩn này do Uỷ Ban quan tâm hàng đầu. kinh tế Châu Âu sáng lập, phiên bản Tác giả Tomas Wayhs Tech[1] đã mới nhất được chỉnh lý vào cuối tháng sử dụng phần mềm LS-DYNA để tiến 2 năm 2006, ECE R66 quy định về hành mô phỏng tính an toàn kết cấu không gian an toàn khi xảy ra va chạm khung xương ô tô khách dưới điều kiện lật nghiêng cụ thể như sau: lật nghiêng[2], dựa trên kết quả mô + Sự chuyển vị bất kỳ bộ phận nào phỏng tiến hành phân tích và đưa ra của khung xương không được xâm phương án thiết kế cải tiến nhằm thỏa phạm vào không gian an toàn. mãn theo yêu cầu tiêu chuẩn quy định, + Bất kỳ bộ phận nào trong không chưa thực hiện tối ưu hóa kết cấu gian an toàn đều không cho phép lồi ra Tác giả Yu-Cheng Lin[2] sử dụng bên ngoài kết cấu khung xương sau khi phần mềm HYPERMESH 7.0 để xây biến dạng. dựng mô hình phần tử hữu hạn cho một + Khoảng cách giữa mặt phẳng lật đoạn xe sau đó dùng phần mềm LS- và mặt phẳng va chạm là 800(mm), xe DYNA 970 để phân tích kết quả mô đứng yên trên mặt phẳng lật, nghiêng phỏng lật nghiêng. Tác giả tiến hành so mặt phẳng này từ từ với vận tốc góc sánh kết quả thí nghiệm và kết quả mô không quá 0,087 (rad/s) cho đến khi xe phỏng, tiến hành điều chỉnh mô hình bắt đầu lật đỗ với vận tốc góc ban đầu phần tử hữu hạn và các thông số kỹ ω0 = 0 (rad/ms) 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 xương ô tô khách khi xảy ra Hình 1: Không gian an toàn theo mặt cắt va chạm lật nghiêng, dựa trên kết quả ngang mô phỏng tiến hành phân tích và cải tiến mô hình thỏa mãn điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn, sau đó tiến hành tối ưu hóa kết cấu khung xương và so sánh kết quả trước và sau khi tối ưu hóa. 2. Không gian an toàn theo tiêu Hình 2: Không gian an toàn theo mặt cắt chuẩn ECE R66 dọc
3. 3. Xây dựng mô hình nghiên cứu + Thiết kế mô hình lật nghiêng theo Từ bản vẽ CAD 2D do nhà sản xuất tiêu chuẩn: Tracomeco cung cấp, sử dụng phần Đặt xe lên mặt phẳng lật cách mặt mềm CATIA để thiết kế mô hình CAD phẳng va chạm 800(mm), lúc này trọng 3D sau đó nhập vào môi trường tâm xe tại vị trí G, nghiêng mặt phẳng HYPERMESH để chia lưới và chỉnh này từ từ với vận tốc góc không quá sửa lưới đối tượng, việc chọn kiểu lưới 0,087 (rad/s) đến góc nghiêng giới hạn 0 và khích thước lưới rất quan trọng có được tính bằng 35,3 , lúc này mô hình ảnh hưởng rất lớn đến kết quả mô tự lật đổ nhờ tác động của trọng lực tại phỏng, để hạn chế số lưới lỗi và mất vị trí trọng tâm G’ không vận tốc góc mát năng lượng trong quá trình mô ban đầu hay ω0 = 0 (rad/ms), vận tốc phỏng trong nghiên cứu này ta chọn góc gia tăng từ từ cho đến khi quá trình kiểu lưới vuông kích thước 10x10mm va chạm bắt đầu diễn ra tại vị trí trọng cho toàn bộ mô hình. tâm G”. Trong mô hình này vận tốc góc khi xảy ra va chạm được tính bằng 0,0017(rad/ms), xoay quanh một trục và chịu tác dụng của trọng lực, khối lượng toàn tải của mô hình được tính toán tối đa là 9622 kg. Hình 3: Trước và sau khi chia lưới đối tượng Để đảm bảo cho kết quả mô phỏng được chính xác thì toàn bộ lưới mô hình phải được liên kết chặt chẽ với nhau bằng phương pháp hàn lưới, đảm bảo sự gắn kết giữa các chi tiết mô hình khung xương, sát – xi và cầu xe, cầu xe và mâm xe được liên kết bằng phương pháp CONTRAINED EXTRA NODES OPTION. Hình 4: Trước và sau khi hàn kết cấu cho mô hình 4. Thiết kế mô hình lật nghiêng, tạo Hình 5: Mô hình lật nghiêng theo tiêu vật liệu và gán điều kiện biên theo chuẩn tiêu chuẩn
4. + Thiết kế không gian an toàn theo tiêu chuẩn: Từ kích thước quy định về không gian an toàn theo tiêu chuẩn, ta sử dụng phần mềm HYPERMESH để thiết kế không gian an toàn như sau: Hình 7: Đặt khối lượng lên mô hình 5. Mô phỏng, hiển thị và phân tích kết quả mô phỏng mô hình khung xương ban đầu Sử dụng phần mềm LS – DYNA[4] để tiến hành mô phỏng và phần mềm HYPERVIEW để hiển thị và phân tích kết quả mô phỏng mô hình khung Hình 6: Không gian an toàn xương ban đầu dưới điều khiện lật + Tạo vật liệu, thuộc tính và gán điều nghiêng. kiện biên cho mô hình: Trong nghiên cứu này kết cấu khung xương sử dụng thép Q235, sát – xi sử dụng thép Q345, mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm sử dụng vật liệu cứng để mô phỏng, thuộc tính vật liệu thể hiện bảng 1 Bảng 1: Thuộc tính vật liệu[5] Mô Khối ứng dun lượng suất Hệ số Tên đàn riêng giới Poisson hồi (kg/mm3 hạn Hình 8: Kết quả mô phỏng mô hình khung (Gpa) ) (Mpa) xương ban đầu Q235 210 0,3 7,85.10-6 235 Q345 210 0,3 7,85.10-6 345 Từ kết quả mô phỏng cho thấy, lúc 179ms kết cấu khung xương biến dạng + Tạo phương tác dụng của trọng lực, lớn nhất và xâm phạm vào không gian sử dụng LOAD – BODY – Y, tạo tiếp an toàn, như vậy ta có thể kết luận rằng xúc cho cả xe với mặt phẳng va chạm mô hình khung xương ban đầu khá yếu sử dụng SURFACE TO SURFACE để không đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn, thiết lập. Sau khi tạo vật liệu, thuộc tính vì vậy cần tiến hành cải tiến mô hình và gán điều kiện biên ta tiến hành đặt khung xương ban đầu thỏa mãn điều các bộ phận khối lượng như hành kiện an toàn theo tiêu chuẩn khách, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy lên mô hình.
5. 6. Cải tiến mô hình khung xương ban nghiêng của xe thành 7 biến lượng thiết đầu thỏa mãn điều kiện an toàn theo kế từ đến , các biến cụ thể sau: tiêu chuẩn Phương pháp này khá đơn giản ta chỉ cần tăng độ dày các thanh có ứng suất tập trung lớn đến khi mô hình thỏa mãn được điều kiện an toàn thể hiện ở Hình 9 Hình 10: Các biến tối ưu hóa Biến gồm 2 thanh gia cố kính chắn gió phần đầu xe, biến gồm một thanh công đầu xe, 1 thanh thẳng phía trước của hông trái và hông phải, một thanh đà ngang phía trước trần xe, biến Hình 9: Cải tiến kết cấu khung xương ban gồm 8 thanh trụ kính hông trái và đầu hông phải, biến gồm 2 thanh đà Tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm ngang hông trái và hông phải, biến lại mô hình sau khi cải tiến, kết quả mô gồm một thanh công đít xe, một phỏng kiểm nghiệm cho thấy mô hình thanh thẳng phía sau của hông phải và sau khi cải tiến bị biến dạng sau khi xảy hông trái, một thanh đà ngang phía sau ra va chạm lật nghiêng nhưng không còn xâm vào không gian an toàn, thỏa trần xe, biến gồm 5 thanh đứng gia mãn được điều kiện an toàn theo tiêu cố của khung xương hông trái phải, chuẩn. Tuy nhiên việc tăng độ dày một biến gồm 8 thanh đà ngang trần xe. cách cảm tính không khoa học dẫn đến khối tượng các thanh kết cấu tăng cao, giảm khả năng hập thụ năng lượng khi va chạm lật nghiêng. Do đó cần tiến hành tối ưu hóa các thanh kết cấu thỏa mãn điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn đồng thời thực hiện nhẹ hóa cho mô Hình 11: Các biến điều kiện của mô hình hình. 7. Tối ưu hóa kết cấu khung xương D1 là khoảng cách từ thanh đứng gia cố 7.1. Chọn biến lượng tối ưu hóa phía trước của hông trái, hông phải và không gian an toàn, D là khoảng cách Dựa vào cách bố trí kết cấu các 2 từ thanh đứng gia cố phía sau của hông thanh dầm của xe, tiến hành phân chia phải, hông trái và không gian an toàn. các cụm thanh khung xương có ảnh hưởng nhất đến khả năng chịu lật Do 7 biến độ dày ảnh hưởng khá lớn đến độ bền và trọng lượng kết cấu xe,
6. tất cả các biến độ dày này được xem xét từ thực tế, cho nên chọn độ dày các biến nằm trong Trong công thức (1), F(y) là hàm số phạm vi 2 – 5mm; mục tiêu; là toàn bộ cơ số kết cấu tối ưu hóa; là trọng lượng các cụm 7.2 Mô phỏng thí nghiệm trực giao thanh kết cấu tối ưu hóa thứ j. Mục tiêu tối ưu hóa là làm cho tổng trọng lượng của các thanh tối ưu hóa Trong thí nghiệm mô phỏng này có nhỏ nhất, mô hình toán học của vấn đề tổng cộng 7 biến lượng, mỗi biến chọn tối ưu hóa cụ thể như sau: Biến thiết kế: 4 cấp độ, Do đó, bảng thiết kế thí nghiệm trực giao được thiết lập[6], cần tiến hành tổng cộng 16 mô ne phỏng kiểm tra bền khung xương ô tô min F(y) M e  j (1) khách j 1 s.t. D1 0 , D2 0 Bảng 2: Cấp độ nhân tố Nhân tố x /mm x1 /mm 2 x3 /mm x4 /mm x5 /mm x6 /mm x7 /mm Cấp 1 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 Cấp 2 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 Cấp 3 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 Cấp 4 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 Bảng 3: Giá trị các biến thiết kế thí nghiệm trực giao STT /mm /mm /mm /mm /mm /mm /mm 1 2.0 3.0 4.0 3.0 3.0 2.0 3.0 2 4.0 5.0 2.0 3.0 2.0 3.0 3.0 3 3.0 5.0 4.0 4.0 3.0 3.0 2.0 4 5.0 3.0 2.0 4.0 2.0 2.0 2.0 5 2.0 4.0 2.0 5.0 3.0 3.0 2.0 6 4.0 2.0 4.0 5.0 2.0 2.0 2.0 7 3.0 2.0 2.0 2.0 3.0 2.0 3.0 8 5.0 4.0 4.0 2.0 2.0 3.0 3.0 9 2.0 2.0 5.0 4.0 2.0 3.0 3.0 10 4.0 4.0 3.0 4.0 3.0 2.0 3.0 11 3.0 4.0 5.0 3.0 2.0 2.0 2.0 12 5.0 2.0 3.0 3.0 3.0 3.0 2.0 13 2.0 5.0 3.0 2.0 2.0 2.0 2.0 14 4.0 3.0 5.0 2.0 3.0 3.0 2.0 15 3.0 3.0 3.0 5.0 2.0 3.0 3.0 16 5.0 5.0 5.0 5.0 3.0 2.0 3.0
7. Bảng 4: Gía trị các mục tiêu và điều kiện sử dụng mô hình hồi quy mặt phản ứng sau khi mô phỏng bậc 2 tiến hành hồi quy các thông số tối ưu hóa tổng trọng lượng và thông số STT M /kg D1/mm D2/mm 1 416.6 9.2 -37.3 điều kiện, thu được hàm số mục tiêu M 2 440.4 42.7 -73.5 và hàm số ràng buộc , . 3 506.2 91.9 -16.0 4 450.2 11.9 -73.3 M = 243.050 + 1.058 + 2.572 - 5 506.3 25.1 -40.0 4.434 - 2.078 + 20.014 - 6 501.3 7.8 -51.0 7 339.2 -56.5 -80.8 0.063 + 4.246 - 8.385 - 8 413.9 19.5 -88.9 9 463.4 6.8 -34.4 0.718 + 7.766 - 1.990 + 10 498.9 80.0 -33.4 20.076 + 9.646 - 10.399 - 11 419.9 19.5 -63.0 12 429.4 18.2 -55.5 16.764 13 340.1 -35.7 -95.9 14 400.6 -1.14 -59.8 D1 = -109.417 + 0.107 + 4.7392 15 518.6 37.7 -42.1 – 7.794 – 1.836 + 32.113 – 16 605.0 132.9 -6.4 7.3 Phân tích tối ưu hồi quy 2.875 + 8.169 – 15.852 + Sử dụng phương pháp phân tích hồi 1.159 + 11.342 – 13.655 + quy tiến hành phân kết kết quả thí 35.113 + 15.216 – 20.224 – nghiệm trực giao. Hồi quy mặt phản 30.752 ứng bậc 2 với đối số s theo hình thức sau: D2 = -132.225 + 0.493 – 1.472 s s s – 2.938 – 0.308 + 9.464 – 2 y a0 ai xi aii xi aij xi x j (2) i 1 i 1 i j 0.688 + 4.376 – 1.464 + 0.859 + 2.370 – 3.389 + i 1,2 , j 9.651 + 6.205 – 5.687 – Trong công thức (2), y là hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc 2; 7.815 a0 , ai , aii , aij là các hệ số hồi quy; Độ tin cậy của phương trình M, x1, x2  , x j là các tham số thiết kế. và lần lượt là 1, 1 và 1. Do đó, có thể cho rằng các phương trình hồi quy Do số lần mô phỏng thí nghiệm của mặt phản ứng bậc 2 thỏa mãn yêu cầu nghiên cứu này là 16, số biến thiết kế là chính xác. Sử dụng giải thuật di truyền 7, không thỏa mãn được điều kiện bắt trong phần mềm MATLAB tiến hành buộc tham số hồi quy. Do đó, nghiên tối ưu hóa các biến thiết kế trong hàm cứu này sử dụng phần mềm SPSS, đồng số mục tiêu và hàm số điều kiện, thu thời căn cứ vào các giá trị thí nghiệm ở được các giá trị biến độ dày kết cấu, Bảng 3 và giá thu được từ kết quả mô khối lượng và khoảng cách tối ưu. phỏng ở Bảng 4 của 16 lần thí nghiệm,
8. Bảng 5 : Gía trị độ dày khung xương, khối lượng, khoảng cách sau tối ưu x / x / x / x / x / Giá trị x1 x2 3 4 5 6 7 M /kg /mm /mm /mm /mm mm mm mm mm mm Tối ưu 3.60 3.66 3.69 3.67 3.69 3.60 3.60 519 97.0 0,01 Làm tròn 3.5 4.0 4.0 4.0 4.0 3.5 3.5 552.8 119.2 13.9 Do độ dày của thép trên thị trường Bảng 6: Bảng so sánh gía trị trước và sau nói chung là 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4, khi tối ưu 4.5, ; vì vậy độ dày kết cấu xe dựa vào Mô Cải Tối thực tế mà chọn. Do đó, nghiên cứu này Thứ hình tiến Gía trị ưu tự ban ngẫu chọn giá trị độ dày kết cấu xe phù hợp hóa đầu nhiên để mô phỏng phân tích lại tính bền sau 1 2.0 3.0 3.5 khi tối ưu hóa; giá trị các biến độ dày, /mm khối lượng, khoảng cách được thể hiện 2 /mm 2.0 3.0 4.0 ở Bảng 5. 3 /mm 2.0 4.0 4.0 Nhằm kiểm nghiệm lại độ bền 4 /mm 2.0 5.0 4.0 khung xương của xe sau khi tối ưu hóa, tiến hành mô phỏng lại các biến tối ưu, 5 /mm 2.0 5.0 4.0 kết quả sau khi mô phỏng cho thấy 6 /mm 2.0 5.0 3.5 khoảng cách >0 và D2 >0 thỏa mãn 7 /mm 2.0 4.0 3.5 được điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn, 8 M/kg 287.8 633.8 552.8 đồng thời trọng lượng các thanh kết cấu /mm - 176.7 sau khi tối ưu hóa giảm 12.8% so với 9 129 119.2 trước khi tối ưu. /mm -156.3 10 39 13.9 8. Kết luận Bài báo này đã thực hiện việc xây dựng mô hình phân tích an toàn lật nghiêng của xe khách. Mô phỏng và phân tích được tính năng an toàn của Hình 13: Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu kết cấu theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE- hóa nhìn từ phía trước R66 và tiến hành cải tiến kết cấu thỏa mãn theo tiêu chuẩn. Nhằm giảm trọng lượng của xe, bài báo này đã sử dụng phương pháp tối ưu hóa, tiến hành tính toán tối ưu hóa kết cấu thân xe khách. Kết quả mô phỏng kiểm nghiệm cho thấy, sau khi tối ưu Hình 12: Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu hóa kết cấu thân xe đã thỏa mãn yêu hóa nhìn từ bên hông
9. cầu tiêu chuẩn, đồng thời trọng lượng giảm 5.8(mm) so với trước khi tối ưu các thanh kết cấu sau khi tối ưu hóa hóa. giảm 12.8% và chiều cao trọng tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 [2] 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 [3] 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 [4] LS-DYNA và HyperWorks Mô phỏng phân tích an toàn xe, Đại Học Thanh Hóa, năm 2011. [5] Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế tối ưu hóa khung xương và sát-xi ô tô khách. Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật, 31(2015): 29-35. [6] Liu Wen Qing. Design of Experiments. Tsinghua University. 2008
10. 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.