Bài viết Xây dựng mô hình số mô hình đầu người lớn dùng trong kiểm định an toàn ô tô nghiên cứu quy trình và mô hình thử nghiệm của EEVC; Xây dựng mô hình số; Kiểm định mô hình số. Thông qua đó sẽ giảm đến mức tối thiểu thời gian và chi phí cho việc thử nghiệm đánh giá mức độ an toàn của các kết cấu khác nhau.
Trang 1XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ MÔ HÌNH ĐẦU NGƯỜI LỚN
DÙNG TRONG KIỂM ĐỊNH AN TOÀN Ô TÔ
Ngô Văn Lực
Khoa Cơ k hí - Trường Đại học Thủy lợi, vanlucngo@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trong nghiên cứu khoa học, việc sử dụng
các thử nghiệm bằng mô phỏng sẽ giúp giảm
thiểu các thử nghiệm thực, qua đó sẽ tiết
kiệm rất nhiều thời gian và chi phí Trong
nghiên cứu về an toàn của ô tô, các thử
nghiệm va chạm giữa ô tô và đầu người
không thể thực hiện được do liên quan đến an
toàn của con người Để thực hiện thử nghiệm
va chạm này Ủy ban an toàn Châu âu
(EEVC) sử dụng mô hình đầu người thay thế
cho đầu người để va chạm Việc thử nghiệm
va chạm với mô hình cũng tốn rất nhiều thời
gian và chi phí liên quan đến mẫu xe ô tô
thực, hệ thống thử nghiệm, không gian
Trong nghiên cứu này mô hình đầu người
lớn được sử dụng trong kiểm định an toàn
của ô tô của EEVC sẽ được số hóa Mô hình
số sẽ được sử dụng để mô phỏng quá trình
thử nghiệm va chạm trong nghiên cứu về an
toàn của ô tô Phần mền Solidworks sẽ được
sử dụng để xây dựng mô hình, phần mền
HyperMesh được sử dụng để chia lưới và
phần mền LS-DYNA được sử dụng để kiểm
định về mặt động học c ủa mô hình số
Mô hình số sẽ được sử dụng trong các
nghiên cứu về an toàn ô tô, giúp giảm thiểu
những thử nghiệm thực Thông qua đó sẽ
giảm đến mức tối thiểu thời gian và chi phí
cho việc thử nghiệm đánh giá mức độ an toàn
của các kết cấu khác nhau
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nghiên cứu quy trình và mô hình
thử nghiệm của EEVC
a) Cấu tạo mô hình thử nghiệm
Mô hình đầu người lớn được dùng để kiểm
định an toàn đối với đầu người lớn khi va
chạm được mô tả như trên Hình 1
Hình 1 Cấu tạo mô hình đầu người lớn dùng để thử nghiệm an toàn ô tô
Lớp vỏ được bọc bằng một lớp nhựa Vinyl
có chiều dày 13,9 ± 0,5 mm Tổng khối lượng là 4,8 ± 0,1 Kg, một gia tốc kế được đặt tại đúng trọng tâm của mô hình được dùng để đo gia tốc và qua đó tính được giá trị HIC trong quá trình va chạm
b) Kiểm định mô hình thử nghiệm
Để được sử dụng trong các thử nghiệm va chạm, mô hình đầu người lớn không những đảm bảo về kết cấu mà còn phải đạt được kết quả kiểm định động học thông qua một phép thử Hình 2 mô tả sơ đồ phép thử kiểm định
mô hình đầu người lớn
Hình 2 Sơ đồ kiểm định động học
mô hình đầu người lớn sử dụng trong kiểm định ô tô
Trang 2Mô hình được treo bằng một sợi dây có
chiều dài tối thiểu 2m, góc xoay được điều
chỉnh trong khoảng từ 25o-90o Một vật bằng
nhôm có khối lượng 3 kg được chuyển động
với vận tốc 7m/s theo phương ngang và tác
động vào mô hình Mô hình được gọi là đạt
nếu với bất kỳ góc xoay nào trong khoảng
25o-90o giá trị gia tốc lớn nhất mà đồng hồ gia
tốc đo được nằm trong khoảng 405g - 495g
c) Mục đích và quy trình kiểm định an toàn:
Mục đích của việc kiểm định là đánh giá
mức độ an của ô tô với đầu người lớn trong
các va chạm có thể xảy ra Mức độ chấn
thương được đánh giá thông qua chỉ số HIC:
2.5 t2
2 1 t1
1
t t
trong đó a là gia tốc của trọng tâm mô hình
thử, ∆t= t2-t1 nhỏ hơn 15ms (1ms=0,001
giây) Giá trị HIC càng lớn thì mức độ c hấn
thương càng nặng
Để thử nghiệm mức độ an toàn của ô tô
với đầu người lớn khi xảy ra va chạm, mô
hình đầu người lớn sẽ được sử dụng để bắn
vào tối thiểu 12 điểm trên vùng có khoảng
cách vòng (WAD, Hình 3) từ 1500mm đến
2100 mm
Hình 3 Quy trình thử va chạm
với mô hình đầu người lớn
trong kiểm định an toàn
Trong kiểm định an toàn khi va chạm với
đầu người lớn, mô hình đầu được bắn với vận
tốc 40km/h với góc nghiêng là 65o so với
phương ngang Một vị trí được coi là đảm
bảo an toàn khi va chạm với đầu người lớn
nếu giá trị HIC đo được trong các va chạm
nhỏ hơn 1000
2.2 Xây dựng mô hình số Phần mền Solidworks được sử dụng để xây dựng mô hình Mô hình được thiết kế gồm hai phần là phần thân và phần vỏ Phần lõi và phần tấm đế của mô hình thực được thiết kế liền khối, thành một khối thân đặc, Phần vỏ có kết cấu tương tự mô hình thực và bao phần thân Phần mền HyperMesh được
sử dụng để chia lưới Mô hình số mô hình đầu người lớn được mô tả trên Hình 4
Hình 4 Mô hình số mô hình đầu người lớn
Tất cả các phần tử của mô hình là phần tử khối, Mô hình số đầu người lớn gồm 2021 nút và 7032 phần tử Phần thân được gán vật liệu là nhôm, lớp vỏ ngoài được gán vật liệu
là nhựa Vinyl (MAT_VISCOELASTIC) Bề mặt thân và lớp vỏ được gán liên kết tiếp xúc mặt với mặt Trọng tâm của mô hình số c ách 1,8 mm so với tâm quả cầu vỏ Nút chính trọng tâm được sử dụng để lấy thông số gia tốc và động học để tính giá trị HIC
2.3 Kiểm định mô hình số Phần mền LS-DYNA được sử dụng để mô phỏng quá trình kiểm định được mô tả trên Hình 2 Góc xoay sẽ được thay đổi theo gia
số 5o từ 25o-90o Mỗi lần thay đổi góc xoay
sẽ thực hiện một lần va chạm và lấy giá trị gia tốc lớn nhất tại điểm trọng tâm Nếu gia tốc này nằm ngoài khoảng 405 g - 495 g thì vật liệu vỏ sẽ được điều chỉnh bằng cách chọn vật liệu cùng loại nhưng có hệ số đàn hồi khác và mô phỏng lại được thực hiện lại Quá trình này được thử khi tìm được một vật liệu đảm bảo gia tốc của điểm trọng tâm lấy được nằm trong khoảng 405 g - 495 g tại mọi góc xoay Đối với loại vật liệu vỏ có vật có khối lượng riêng là 986 Kg/m3, hệ số đàn hồi k=680N/mm ta có kết quả như sau
Trang 33 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Bảng 1 thể hiện kết quả tất cả cả các kết
quả thử nghiệm mô hình số theo tiêu chuẩn
kiểm định mô hình của EEVC Các giá trị gia
tốc đo được đều nằm trong khoảng 405 g -
495 g, như vậy là đều đạt yêu cầu kiểm định
Mặc dù cùng dùng một mô hình chày nhôm
nặng 3Kg và chuyển động với vận tốc 7m/s
đập vào mô hình, điều đó có nghĩa là năng
lượng va chạm là không thay đổi Tuy nhiên
các góc xoay khác nhau lại cho kết quả tương
đối khác nhau Điều đó chứng tỏ một điều,
gia tốc góc hay sự xoay của mô hình trong
quá trình va chạm ảnh hưởng rất lớn đến giá
trị gia tốc hay HIC
Bảng 1 Kết quả kiểm định mô hình số
TT xoay Góc Gia tốc max(g) TT xoay Góc Gia tốc max(g)
Hình 5 mô tả đồ thị gia tốc khi kiểm định
tại góc 65o, biểu đồ gia tốc rất gần với hình
dáng của biểu đồ gia tốc khi va chạm với mô
hình thực Khi thử nghiệm ở các góc khác thì
biểu đồ gia tốc cũng tương tự
Hình 5 Quy trình thử va chạm với mô hình
đầu người lớn trong kiểm định an toàn
4 KẾT LUẬN
Mô hình số đã đáp ứng được tất cả các thẩm định về mô hình theo tiêu chuẩn của EEVC, như vậy mô hình hoàn toàn có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về an toàn ô tô
Sử dụng mô hình số này trong nghiên c ứu
an toàn sẽ giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian
và chi phí Để có thể sử dụng hiệu quả, bước nghiên cứu có thể không cần thực hiện các thực hiện thử nghiệm với mô hình thực mà bằng mô phỏng Sau khi có kết quả nghiên cứu sẽ làm một mô hình thực và thử nghiệm với mô hình thực để kiểm nghiệm lại kết quả Những nghiên cứu tiếp theo cần thiết xây dựng một mô hình số ô tô cũng đảm những yếu tố về kết cấu và động học như xảy ra trong các và chạm thật Kết hợp giữa mô hình
ô tô và mô hình đầu người sẽ có thể thực hiện nhiều nghiên cứu về khác nhau về an toàn
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Directive 2003/102/EC of the European Parliament and of the Council, Nov 17th,
2003
[2] EEVC/WG 17 Report (1998, updated 2002) Improved Tes t Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars, European Enhanced Vehicle-safety Committee
[3] HWA/NHTSA National Crash Analysis Center The G Washington University www.ncac.gwu.edu/vml/models.html [4] Toshihiro Ishikawa, Haruhisa Kore, Arihiro Furumoto, Sus umu Kuroda-Evaluation of Pedestrian Protection Structures Using Impactors and Full-Scale Dummy Tests - ESV 18th Conference, paper No 271 [5] M Yos hiuki, I Hirotoshi, Summary of IHRA Pedestrian Safety WG Activities-Proposed Tes t Methods To Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars, Paper Number 280