Nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc va chạm đến hành khách trên xe du lịch bằng phần mềm labview,luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô, máy kéo

Mục đích chính của đề tài là giải quyết các bài toán về động học và động lực học va chạm của khung vỏ ô tô kết hợp với kết quả thực nghiệm va chạm của các đề tài trong và ngoài nước để t

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng các phương tiện hiện đại để đi lại của con người ngày càng tăng Trong đó phương tiện ô tô vẫn được sử dụng phổ biến nhất, do vậy việc đảm bảo an toàn cho người và phương tiện được nhà sản xuất đặt lên hàng đầu Tính an toàn của phương tiện này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong đó yếu tố khung vỏ xe đóng vai trò quan trọng Khung vỏ ô tô là một cụm tổng thành có kết cấu phức tạp, nó đòi hỏi phải có độ bền, độ cứng vững cao, ngoài ra còn phải đáp ứng được yêu cầu về bố trí chung, tạo dáng khí động học và thẩm mỹ, giảm ồn rung, Do đó mục đích của việc nghiên cứu và tính toán các ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đến hành khách khi xảy ra va chạm là một trong những vấn đề rất quan trọng trong ngành sản xuất và lắp ráp ô tô nói chung và ngành công nghiệp ô tô nói riêng

Trên thế giới việc nghiên cứu tính toán lý thuyết cũng như tiến hành các thử nghiệm để thiết kế và hoàn thiện kết cấu vỏ xe đã được nhiều tác giả quan tâm Các thử nghiệm đối với khung vỏ xe thường đòi hỏi chi phí rất lớn chỉ có thể tiến hành tại các nhà máy, các cơ sở nghiên cứu của các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới Do vậy, gần đây các tác giả thường tập trung vào việc tìm kiếm các phương pháp, công cụ thiết lập và mô hình hóa kết cấu vỏ xe để nghiên cứu đánh giá độ bền, độ bền mỏi, độ cứng của nó

Nền công nghiệp ô tô Việt Nam cho đến nay chưa hoàn chỉnh, việc thiết kế chế tạo ô tô chủ yếu là cải tiến các xe nhập ngoại nhằm đáp ứng các nhu cầu vận chuyển trong nước Tuy nhiên, qua thực tiễn hoạt động của các liên doanh

lắp ráp ô tô trong thời gian gần đây cho thấy chủng loại xe lắp ráp vẫn chỉ tập trung vào các loại xe đắt tiền, tỷ lệ nội địa hóa chưa cao, việc chuyển giao công nghệ chế tạo gần như không có Từ năm 1990 trở lại đây, sản lượng xe lắp ráp tại Việt Nam của các liên doanh ô tô có vốn đầu tư nước ngoài đã tăng cao Nhưng cho đến nay vỏ xe vẫn là một trong các tổng thành được nhập khẩu dạng CKD để lắp ráp Để đáp ứng nhu cầu về ô tô hiện đại và tương lai, hàng chục nhà máy cơ khí ô tô đã tập trung chủ yếu vào thiết lập các dây chuyền cơ bản như: dập, hàn, sơn, lắp ráp khung vỏ và một trong số đó có công ty Toyota Việt Nam đã xây dựng dây chuyền dập vỏ xe, với các thiết bị dập mới, cho phép dập các thành bên của vỏ xe trong nỗ lực nội địa hóa một cụm tổng thành lớn của ô tô Công ty ô tô Trường Hải cho ra mắt dòng sản phẩm KIA Forte là dòng xe du lịch tiện dụng

Để hạn chế thiệt hại về người và phương tiện khi xảy ra va chạm, đáp ứng nhu cầu nội địa hóa sản xuất ô tô trong nước, đặc biệt với các loại du lịch thì những nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm tra độ bền, độ cứng vững của khung vỏ xe khi xảy ra va chạm nhằm đảm bảo an toàn cho hành khách và phương tiện là rất cần thiết Với tính cấp thiết nhằm đáp ứng các yêu cầu về phát triển nội lực, thực hiện chương trình nội địa hóa của ngành công nghiệp ô tô, để có thể tự chế tạo khung vỏ xe, kết cấu chiếm tới 40% giá trị xe, cần phải tiến hành các nghiên cứu cơ bản, cho phép phân tích đánh giá kết cấu và độ bền của khung vỏ

xe khi xe chuyển động trong điều kiện đường Việt Nam

Với tính cấp thiết nêu trên, việc: “Nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc va chạm đến hành khách trên xe du lịch bằng phần mềm LabVIEW” đã được chọn làm đề tài nghiên cứu Đây là một đề tài có tình thời

sự cao, rất có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất của ngành công nghiệp ô tô và là

cơ sở tham khảo cho các nhà máy đề ra các giải pháp hoàn thiện kết cấu khung vỏ theo hướng tăng cường an toàn cho người trên xe khi xảy ra va chạm

Mục đích chính của đề tài là giải quyết các bài toán về động học và động lực học va chạm của khung vỏ ô tô kết hợp với kết quả thực nghiệm va chạm của các đề tài trong và ngoài nước để tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ

ô tô khi xe va chạm vào vật cản cứng nhằm đánh giá độ bền và an toàn bị động của khung vỏ xe khảo sát trong quá trình thiết kế, chế tạo

Với những hạn chế về chủ quan cũng như khách quan, đề tài chỉ tập trung chủ yếu nghiên cứu về những cơ sở lý thuyết kết hợp mô phỏng va chạm cho việc đánh giá độ bền và an toàn bị động của khung vỏ ô tô khi xe va chạm vào vật cản cứng, đồng thời thực hiện tính toán, kiểm nghiệm cho một loại xe đó là xe

du lịch KIA Forte do Công ty ô tô Trường Hải sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam Nội dung luận văn được bố cục gồm 4 phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán

Chương 3: Xây dựng mô hình

Chương 4: Mô phỏng xác định ảnh hưởng của vận tốc va chạm đến hành khách theo tiêu chuẩn an toàn

Đề tài được thực hiện tại bộ môn ô tô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Khắc Huân và các Thầy trong bộ môn Với thời gian và khả năng còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các Thầy giáo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình an toàn giao thông ở Việt Nam

Tai nạn giao thông đường bộ là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu cho người, trung bình hàng năm có trên 10 ngàn người tử vong và hàng chục ngàn người khác bị thương Cùng với đó là những thiệt hại khổng lồ về kinh tế, phương tiện giao thông và hạ tầng kỹ thuật Mặt khác, nó còn gây nên những tác động tâm lý cả trước mắt cũng như về lâu dài đối với người tham gia giao thông

Theo các thống kê của Cục Cảnh sát giao thông đường bộ – đường sắt và Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia về tình hình tai nạn giao thông đường bộ trong những năm từ 2007 đến cuối tháng 04/ 2011 được thể hiện trên bảng 1.1

Bảng 1.1: Tình hình tai nạn giao thông ở Việt Nam từ 2006 - 2011

Năm Số vụ tai nạn giao

thông đường bộ Số người chết Số người bị thương

những năm gần đây thường xảy ra các vụ tai nạn giao thông rất nghiêm trọng do

va chạm của các xe ôtô gây ra những thiệt hại rất lớn về người và xe Cũng theo thống kê của Cục Cảnh sát giao thông đường bộ – đường sắt, qua phân tích các số liệu về va chạm giữa hai xe trong năm 2001 có thể phân loại các dạng va chạm cụ thể như bảng 1.2:

Bảng 1.2: Tỷ lệ % các dạng va chạm ở Việt Nam năm 2001

Dạng va chạm Số vụ tai nạn Tỷ lệ %

Qua các thống kê về va chạm tại Việt Nam và một số nước công nghiệp phát triển ta thấy có khoảng 50% đến 60% số vụ va chạm ở khu vực đầu xe Do đó

va chạm trực diện rõ ràng là trường hợp chiếm tỷ lệ lớn nhất và gây ra những thiệt hại nặng nề nhất về người và phương tiện

Bảng 1.3: Tỷ lệ % các dạng va chạm ở một số nước

Dạng va chạm Mỹ (1993) Đức (1989) Anh (1986) Nhật (1989)

1.2 Phân tích các nguyên nhân của tai nạn

Tai nạn giao thông đường bộ phát sinh chủ yếu từ một số nguyên nhân như:

cơ sở hạ tầng (đường, cầu), phương tiện giao thông không đảm bảo điều kiện an toàn (quá hạn, quá cũ, xe tự tạo ); cùng với đó là ý thức chấp hành pháp luật của người tham gia giao thông còn kém

1.2.1 Cơ sở hạ tầng phục vụ giao thông

Những yếu tố thuộc cơ sở hạ tầng phục vụ hoạt động giao thông như: đường, cầu đều có những ảnh hưởng nhất định tới việc có xảy ra tai nạn giao thông đường bộ Những điều kiện của đường như các yếu tố hình học của đường, lưu lượng, độ bằng phẳng và độ nhám của mặt đường, tầm nhìn và độ chiếu sáng trên đường, sự bố trí của các biển báo hiệu (hình 1.1)

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của các đoạn đường, người ta sử dụng hệ số

an toàn : K= V2/ V1

Trong đó: V2 là tốc độ tối thiểu của xe chạy trên đoạn đường đang xem xét

V là tốc độ tối đa của xe chạy trên đoạn đường liền kề trước đó

Trị số K có giá trị càng nhỏ thì càng có khả năng xảy ra tai nạn giao thông trên đường đó, tức là những đoạn đường nguy hiểm dễ xảy ra tai nạn giao thông chính là những đoạn đường mà phương tiện phải giảm tốc độ nhiều trong thời gian ngắn

Hình 1.1: Các biển báo được bố trí dày đặt

Mức an toàn xe chạy của các đoạn đường được đánh giá theo trị số an toàn như bảng bên dưới:

Giá trị hệ số an toàn < 0,4 0,4 – 0,6 0,6 – 0,8 > 0,8 Tình trạng của đoạn

đường

Rất nguy hiểm

Nguy hiểm Ít nguy

hiểm

Thực tế không nguy hiểm

Cơ sở hạ tầng phục vụ giao thông còn yếu kém, chưa đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật và không đồng bộ chính là một trong những nguyên nhân làm xảy ra nhiều vụ tai nạn giao thông Điều này được thể hiện rõ nét ở các quốc gia kém phát triển và đang phát triển

1.2.2 Phương tiện giao thông

Thế kỷ 20 đã chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng của các loại phương tiện giao thông Tăng trưởng mạnh nhất chính là các loại phương tiện giao thông đường bộ, mỗi năm thế giới lại xuất xưởng thêm hàng triệu xe gắn máy, ôtô đủ mọi chủng loại Đi kèm sự gia tăng quá nhanh đó là những bất cập và những hạn chế của các loại xe Bên cạnh những chiếc xe hiện đại, đảm bảo được những quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn an toàn (nhưng được bán với giá cao) là những chiếc xe không đảm bảo (nhưng lại có giá rẻ hơn rất nhiều) đó là những chiếc xe tự tạo, xe cũ tái chế

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông

Mặt khác, đối với những loại xe được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam cũng bộc lộ một số nhược điểm trong quá trình sử dụng về khả năng điều khiển, chống ồn rung, độ êm dịu chuyển động… đặc biệt là độ bền của khung vỏ xe và khả năng hoạt động của các thiết bị đảm bảo an toàn cho người khi va chạm

Bảng 1.4: Sự gia tăng phương tiện giao thông cá nhân ở VN từ 1991 -1996

Ô tô 256.898 270.036 292.899 307.078 340.779 386.976

Xe máy 1.522.184 1.704.225 2.427.163 3.052.847 3.578.156 4.208.247

1.2.3 Ý thức của người tham gia giao thông và điều khiển phương tiện

Xuất phát từ sự thiếu hiểu biết về luật giao thông, từ sự thiếu nghiêm minh của lực lượng cảnh sát giao thông đã làm cho ý thức của người tham gia giao thông rất kém, họ xem thường mạng sống của mình và người khác Điều đó được thể hiện ở nơi có đường càng tốt và càng rộng thì nơi đó càng xảy ra nhiều tai nạn giao thông, nơi đường chật người đông thì gây ra ùn tắc giao thông

Tình trạng kinh doanh vận chuyển hành khách trên các tuyến đường một cách tự do và tự phát, không có tổ chức chặt chẽ, nên thường xảy ra tình trạng phóng nhanh vượt ẩu để tranh giành khách, nhồi nhét khách… để xảy ra không ít tai nạn giao thông thảm khóc

Hình 1.3: Ý thức của người tham gia giao thông chưa cao

Như vậy, phải nói ý thức của người dân khi tham gia giao thông và điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông chưa cao, kèm với sự kém hiểu biết về luật là một trong những nguyên nhân chính gây nên tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng gia tăng

1.2.4 Sự phối hợp giữa các cơ quan quản lý

Trong thời gian qua, Nhà nước và Chính phủ đã rất cố gắng đầu tư vốn mở rộng làm mới nhiều tuyến đường nhưng vẫn còn quá ít trước áp lực đi lại ngày một gia tăng

Về việc nhập khẩu phương tiện cũ, ai cũng biết ở các nước tiên tiến phương tiện giao thông đã hết hạn sử dụng hoặc không đảm bảo an toàn và độ tiêu hao nhiên liệu đã quá mức cho phép bắt buộc phương tiện đó không được cấp phép lưu hành Như vậy, phải nói phương tiện cũ đa phần là không đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông cũng là nguyên nhân làm gia tăng tai nạn giao thông Mạng đường giao thông còn ít, chật hẹp, chưa đủ tiêu chuẩn kỹ thuật chất lượng, có nhiều đường cắt nhau, nhiều chỗ dân tự mở không đảm bảo an toàn cho giao thông Vì vậy, trong thời gian qua mặc dù Nhà nước đầu tư nhiều vào

cơ sở hạ tầng về giao thông từ nhiều nguồn vốn kể cả vốn vay ODA thì tốc độ của phương tiện tuy có cải thiện nhưng chưa đáp ứng với nhu cầu rút ngắn thời gian cũng như chi phí vận chuyển hàng hóa Nhiều thiết kế đường, cầu vượt chưa hợp lý và cồng kềnh gây lãng phí

Chính phủ, các cấp các ngành chưa có giải pháp đồng bộ trong việc điều chỉnh khu dân cư, điều chỉnh giờ đi làm, giờ tan tầm một cách hợp lý, chưa xây dựng được phương án và trang bị hệ thống điều tiết giao thông một cách hợp lý phù hợp với từng khu vực địa hình Nên tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông

ngày một gia tăng là điều đương nhiên Như vậy, tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày một gia tăng xuất phát từ nhiều nguyên nhân, từ những cơ chế chính sách bất cập và từ bộ máy quản lý các cấp đến từng người dân Để giải quyết được quốc nạn này, đòi hỏi chúng ta phải có một giải pháp đồng bộ và phải được nghiên cứu thật kỹ, phải có một chương trình lâu dài cần phải giải quyết từng khâu

Mức xử phạt chưa đủ mạnh, chưa đủ răn đe, kết hợp với sự thiếu nghiêm minh trong lực lượng cảnh sát giao thông đã làm cho người tham gia giao thông thiếu ý thức trong việc học tập, nâng cao sự hiểu biết về luật, không chấp hành nghiêm luật mỗi khi tham gia giao thông

Sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng về quản lý nhập khẩu, sản xuất lắp ráp ôtô, kiểm định chất lượng phương tiện thiếu đồng bộ dẫn đến số lượng phương tiện giao thông tăng quá nhanh, bên cạnh đó còn có một số lượng khá lớn ôtô có thời hạn sử dụng kéo dài quá quy định vẫn đang lưu hành

Ngoài các nguyên nhân trên, có thể thấy rằng tai nạn giao thông ôtô là tổng hợp của các yếu tố: môi trường bên ngoài, người lái, chất lượng kỹ thuật ôtô Tại Việt Nam qua các thống kê theo tỷ lệ % cho thấy:

- Do người lái: 74  78%

- Chất lượng kỹ thuật ôtô: 8  14%

- Môi trường bên ngoài (đường xá, thời tiết): 12  16%

Trong các yếu tố đã nêu trên thì yếu tố chủ quan của người lái là yếu tố lớn nhất, yếu tố môi trường chủ yếu phụ thuộc vào sự phát triển kinh tế của từng quốc gia Yếu tố chất lượng kỹ thuật ôtô chiếm tỷ lệ nhỏ nhất, song lại là yếu tố rất cần sự trợ giúp của các nhà thiết kế và chế tạo ôtô

1.3 Những công trình nghiên cứu về an toàn

1.3.1 Những công trình nghiên cứu về an toàn trên thế giới

Khoảng 90% số lượng xe sản xuất được tại ba trung tâm công nghiệp phát

triển là Bắc Mỹ, Nhật Bản và các nước thuộc khối cộng đồng chung Châu Âu (EU) Số lượng xe đang lưu hành, kể cả xe cũ và mới ngày càng tăng, chính vì vậy nên an toàn của xe luôn là một vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm kể cả về lý thuyết và thực nghiệm Các nghiên cứu về an toàn của xe được đề

cập trên nhiều khía cạnh theo từng mục đích nghiên cứu khác nhau

1.3.1.1 Những nghiên cứu lý thuyết

Các tác giả Jason C.Brown, A.John Robertson; John Fenton và Pawlowski đã xây dựng mô hình khung vỏ dựa trên các phần tử kết cấu ở dạng mặt phẳng, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ khảo sát nội lực, ứng suất trong các phần tử khung vỏ dưới tác dụng của các loại tải trọng khác nhau Đặc biệt phương pháp này có thể xác định được đường truyền tải trọng trong kết cấu khung vỏ và nó rất thích hợp cho giai đoạn thiết kế ban đầu khung vỏ xe

Các tác giả Toshiaki Sakurai, Junichi Tanaka; Kunihiro Takahashi đã ứng

dụng phương pháp năng lượng để tối ưu hóa đường truyền lực qua sàn khoang hành khách khi va chạm trực diện nhằm đảm bảo không gian sống sót cho người trên xe, trong nghiên cứu của đã sử dụng phần mềm PAM – CRASH để tính

toán, những kết quả đạt được có độ chính xác cao

Các công trình nghiên cứu của Young Hu Han, Ju Su Kim (Huyndai Motor

Company); Hisao Mikami, Hirohito Suzuki và Yasuhiro Matsuoka (Daihatsu Motor Co., Ltd), Nihon ESI K.K, Japan); Moisey B.Shkolnikov; G.Morvan, Sollac (PSI France)… đã ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại như

PAM – CRASH, CRASH3, ANSYS để xác định biến dạng của kết cấu đầu xe, phần khung dầm và giá treo trước của xe khi va chạm trực diện Trong quá trình tính toán các tác giả đã sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với số lượng phần tử khá lớn, các kết quả tính cho phép đánh giá được độ bền và an toàn bị động của kết cấu khung vỏ khi chịu va chạm cũng như đề xuất các giải pháp hoàn thiện

kết cấu khung vỏ xe và các bộ phận phần đầu xe

Trong các bài báo của Yoshikatsu Kisanuki, Shigeru Sakuma (Toyota Motor

Corporation); Murielle Verver; Jack Van Hoof (TNO Automotive Netherlands); Jesse Ruan, Priya Prusad (Ford Motor Company USA)… đã nghiên cứu về động học và động lực học của người khi va chạm trực diện và va chạm sau thông qua các yếu tố như gia tốc của đầu, thân người; dịch chuyển của ngực, đầu gối; lực tác động vào cổ theo thời gian, ảnh hưởng của những yếu tố này đến tình

trạng chấn thương cũng như khả năng giới hạn mà người có thể chịu đựng được Ching-Yao Chan đã xây dựng mô hình và phương trình toán học để thiết kế

hệ thống túi khí Tác giả cũng đưa ra tiêu chuẩn hoạt động của cảm biến túi khí khi va chạm trực diện theo nguyên lý “5 inches – 30 ms” từ đó áp dụng cho các hệ thống cảm biến khác nhau với các loại cảm biến cơ khí hoặc điện tử, tác giả cũng đề cập đến xu hướng chế tạo, bố trí hệ thống cảm biến trên xe để nhận

biết chính xác va chạm và điều khiển hoạt động của túi khí

Các tác giả K.H.Yang, A.I King (Wayne State University USA); Hiroyuki Tadano, Naoki Niii (Isuzu Motors Limited); C.Sarron (DGA France); M.Lorenzo (Montell USA, Inc) đã nghiên cứu mô phỏng tác động va chạm đến người có sử dụng túi khí và dây an toàn, ứng xử của người trong quá trình va chạm trực diện và va chạm sau, mức độ chấn thương với các trường hợp va chạm khác nhau

bằng các chương trình phần mềm hiện đại như PAM – SAFE, LS – DYNA; đồng thời các tác giả cũng đưa ra các tiêu chuẩn chấn thương, các yêu cầu đối với hệ

thống an toàn trên xe và đánh giá mức độ đảm bảo an toàn của hệ thống túi khí 1.3.1.2 Những nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp chắc chắn nhất để đánh giá an toàn của xe là đánh giá bằng tai nạn va chạm thực tế Chỉ có vài hãng sản xuất xe như Volvo, Mercedes-Benz, BMW thực hiện các nghiên cứu va chạm thực tế và có thể tiến hành cải thiện trên xe về mặt an toàn người và xe với một kết quả cụ thể

Thử nghiệm va chạm đầu tiên ở Đức cho xe Mercedes- Benz năm 1959 Nó cho thấy sự ổn định của khoang hành khách khi tác động va chạm nhưng nó cũng chỉ cho thấy mức độ bảo vệ tương đối thấp với người trong xe do xuất hiện những cạnh, mãnh sắt ở khoang hành khách Mặt khác, va chạm có độ lệch với 40% chiều rộng xe (nó gần với thực tế) là kết quả nghiên cứu tai nạn va chạm Nó cho thấy rằng va chạm lệch với trực diện là dạng va chạm thường xảy ra nhất gây ra thương tật cho hành khách, Mercedes –Benz cũng đã thực hiện va chạm này (40% chiều rộng xe) vào năm 1979 như một thử nghiệm kiểm tra an

toàn trong xe

Nghiên cứu về an toàn bị động góp phần lớn nhằm giảm hậu quả tai nạn cho

người và cần phải luôn được định hướng theo các tai nạn thực Các số liệu đưa

ra dưới đây với các yêu cầu va chạm được quy định hiện nay:

a/ Va chạm trực diện

- 00 tác động vào vật cản cứng (V= 4km/h ; 48,3km/h; 56km/h)

- 300 tác động vào vật cản cứngvới các thanh dẫn chống trượt (trái/ phải, V= 50km/h)

- Tác động va chạm đầu xe vào cột (ở giữa đầu xe, V= 50km/h)

- 00 độ lệch tác động vào vật cản cứng

Chiều rộng xe va chạm :

+ 40% ; V= 15km/h (AZT thử nghiệm va chạm sửa chữa)

- Va chạm với vật cản cứng (V=50km/h)

- Va chạm với vật cản biến dạng ở dạng cái tời (V= 54km/h)

- Va chạm vào cột ở khu vực cửa xe trước (V=35 và 50km/h)

- Va chạm với xe cứng (V=50km/h)

Khoảng 50 nghiên cứu an toàn thụ động, thử nghiệm va chạm Mercedes- Benz 1959 (va chạm toàn bộ chiều rộng xe) và hiện nay (độ lệch va chạm với 40% chiều rộng xe)[ số liệu của Mercedes- Benz]

c/ Va chạm sau

- 00 va chạm với vật trượt(V=4km/h; 8km/h; 38km/h; 40km/h và 50 km/h)

- 300 va chạm với vật trượt (trái/phải) (V= 50km/h)

- Độ lệch va chạm với vật trượt

- Chiều rộng va chạm

- 40%; V= 15 km/h (AZT thử nghiệm sửa chữa)

d/ Va chạm khác

- Xe bị lật (V= 48km/h theo hướng xiên chéo)

- Va chạm từ trên xuống nốc xe

Từ năm 1996, thử nghiệm va chạm với vật cảng cứng góc 30% với toàn bộ chiều rộng xe va tốc độ va chạm là 50km/h đã trở thành quy định chung ở Châu Aâu Hai thanh dẫn thẳng đứng trên cạnh bên phía trước vật cảng cần thiết để ngăn cảng xe trượt sang phía bên cạnh

e/ Thử nghiệm của Châu Aâu

Thử nghiệm quan trọng nhất là va chạm trực diện ôtô vào vật cản cứng (góc

00) ở tốc độ 48km/h với toàn bộ chiều rộng xe, trong thử nghiệm quy định là

dịch chuyển ngang về phía sau của hệ thống lái không được vượt quá 127 mm

Va chạm với vật cản cứng ở tốc độ 48,3 km/h và trên toàn bộ chiều rộng xe ở phía trước đã được thực hiện do đơn giản và dễ làm (dễ sửa chữa và làm lại)nhưng nó xảy ra tương đối ít trong thực tế Thống kê nội bộ của Mercedes- Benz cho các tai nạn nghiêm trọng trên đường có người bị thương, va chạm vào vật cảng cứng với toàn bộ chiều rộng xe chỉ chiếm 20% của tất cả các va chạm trực diện trong các tai nạn và chỉ có khoảng 1/3 xảy ra với tốc độ va chạm là 50km/h

f/ Thử nghiệm của Mỹ

- Thử nghiệm va chạm trước và sau

Trong những năm gần đây các tổ chức tiêu dùng Mỹ (DECKER) đã yêu cầu chặt chẽ hơn với góc 00 va chạm trực diện vào vật cản cứng ở 56 km/h theo đúng như cũ Chương trình đánh giá xe mới (NCAP) để tăng an toàn cho người

trong các tai nạn thực trên đường, trên xe có 2 người giả ở hàng ghế trước Trong thử nghiệm này, tác động của xe với vật cản cứng lớn hơn 36% năng lượng so với thử nghiệm va chạm được quy định với tốc độ 48,3 km/h

Tiêu chuẩn an toàn mở rộng được quy định cho xe đến thị trường Mỹ là FMVSS 208; ở tốc độ 48,3km/h với va chạm trực diện vào vật cản cứng góc 00, mỗi lần với 100% chiều rộng xe, xe cần được bố trí người giả ở vị trí người lái Một tác động 48,3 km/h với một vật cản xiên 300 ở đầu xe và đuôi xe

- Thử nghiệm va chạm bên

Từ tháng 9 năm 1994 tất cả các xe sản xuất ở Mỹ và xuất khẩu ở Mỹ cần được thử nghiệm va chạm bên với FMVSS 214 Trong thử nghiệm, một vật cản biến dạng có trọng lượng 1368kg va chạm vào sườn của xe (V= 0km/h) ở tốc độ

54 km/h với một góc 270 ở vùng giữa trụ

Vận tốc tương đối của hai xe trong va chạm được mô phỏng với dạng vật cản tời Phần tử biến dạng của vật cản va chạm tương đương với kích thước và độ cứng đầu xe của một xe tải hạng nhẹ (1,67m chiều rộng, chiều cao 280mm; vật cản với kết cấu cứng phù hợp; kết cấu nhôm dạng lỗ tổ ong) Thử nghiệm cần phải được trang bị hai người giả ở vị trí người lái và ở vị trí ghế sau người lái

- Thử nghiệm nén xuống nốc xe/ Thử nghiệm độ bền nốc xe

Trong FMVSS 216 tất cả các xe mà trọng lượng nhỏ hơn 3260kg cần phải có thử nghiệm nén hầu như tĩnh xuống nóc xe/ thử nghiệm độ bền nóc xe Một bản nén bên trụ A ở góc với lực 2200N và trụ không biến dạng lớn hơn 217mm Thử nghiệm cần phải được thực hiện trên các nóc xe cứng sử dụng 3 điểm có trang

bị dây an toàn, các mui xe như xe có mui có thể gấp xuống hoặc tháo ra, xe 2 chỗ ngồi không mui cũng cần phải phù hợp với yêu cầu này

- Thử nghiệm lật xe

Tất cả các xe với nóc xe cứng cần phải được thử nghiệm động lực khi xe bị lật theo FMVSS 208 Xe đứng yên trên một đường trượt xiên với đường ngang một góc 230 ; tốc độ 48km/h và bị lật theo một bên cạnh sườn bằng cách phanh đường trượt đột ngột Quy định yêu cầu khi không có người các phần vỏ xe không biến dạng vượt quá đường bao hình dạng của xe khi xe bị lật hoặc lăn

Xe có mui có thể gập xuống hoặc tháo rời không có quy định này

Tác động vào cửa xe/ Thử nghiệm độ lệch

Theo FMVSS 214, cánh cửa cần phải cho thấy khả năng đáp ứng các yêu cầu tối thiểu về độ bền ban đầu và độ bền biến dạng vỏ ngoài cửa Các kết quả thực hiện đạt được nhờ thử nghiệm tĩnh được gọi là thử nghiệm tác động vào cửa xe Thử nghiệm là tác động va chạm một ống trụ thẳng đứng để ép vào cửa xe và độ bền cửa sẽ đảm bảo nếu lực tác động nhỏ Bởi vì chỉ có tấm vỏ ngoài chịu tác động trong pha va chạm đầu tiên, thêm vào đó còn các phần khác của vỏ xe cũng chịu tác động Tất cả các thiết kế xe mới đều có quy định bắt buộc theo tiêu chuẩn Mỹ về an toàn va chạm bên

h/ Thử nghiệm của Úc

Thử nghiệm va chạm trực diện (theo tiêu chuẩn ADR 10) của xe vào vật cản cứng là khối bê tông hoặc dàn khung thép có độ cứng cao ở tốc độ 48km/h Sau thử nghiệm vô lăng không được dịch chuyển quá 127mm

i/ Thử nghiệm của Đức

Các hãng Mercedes-Benz, BMW đã thực hiện thử nghiệm trên xe của họ để xây dựng những tiêu chuẩn nội bộ của hãng thường khác xa so với các tiêu chuẩn khá đơn giản của chính phủ Hãng Mercedex-Benz đã thực hiện thử

nghiệm va chạm trực diện và va chạm sau (với vật cản cứng) ở tốc độ 55km/h với 40% chiều rộng xe, thử nghiệm này gần giống với thử nghiệm va chạm giữa hai xe với chiều rộng va chạm từ 40% đến 60% và chiếm khoảng 90% va chạm thực tế hiện nay

Hiện nay, tại Đức các hãng sản xuất ôtô như Mercedes-Benz, BMW đều tăng cường thử nghiệm va chạm giữa hai xe và thường là thử nghiệm với độ lệch 50% chiều rộng xe và vận tốc cả hai xe là 55km/h, trên xe có bố trí hai người giả và đã thu được những kết quả khả quan Dạng thử nghiệm này đã được một số hãng sản xuất xe khác chấp nhận trong chiến lược tăng cường an toàn của họ để thiết kế các mẫu xe mới an toàn hơn

1.3.2 Những công trình nghiên cứu về an toàn tại Việt Nam

Thời gian năm gần đây, một số nhà khoa học của các cơ quan nghiên cứu như Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự và một số Viện nghiên cứu đã có những nỗ lực trong việc xây dựng các cơ sở đánh giá độ bền khung vỏ xe khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau

Trong tài liệu [2] ,đã tập trung nghiên cứu tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe chở khách 8 chỗ ngồi khi xe chịu va chạm trực diện, tác giả đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán vỏ xe bằng phương pháp đặt lực lên mô hình dựa trên các kết quả thực nghiệm gia tốc va chạm của tài liệu nước ngoài và thực nghiệm quá trình va chạm trực diện của xe với vật cản cứng, các kết quả đạt được khá chính xác tuy nhiên do điều kiện thực nghiệm chưa được thực hiện nhiều lần nên các kết quả tính ở trên vẫn còn sai số lớn

Trong tài liệu [6] ,tác giả đã xét ảnh hưởng của dao động đến độ bền của khung vỏ xe dưới tác động của tải trọng động, trong [6], tác giả đã tính toán

kiểm nghiệm độ bền vỏ xe Mekong Star chế tạo tại Việt Nam với tải trọng tác dụng từ mặt đường theo phương pháp phần tử hữu hạn, mô hình khảo sát khá phức tạp với việc sử dụng phần mềm SAP Ngoài ra còn có công trình của một số nhà khoa học nghiên cứu tính toán và thiết kế khung vỏ xe ca phục vụ cho nhu cầu vận chuyển hành khách tại các thành phố, đô thị của Việt Nam và đã được ứng dụng tại những nhà máy sản xuất như: Nhà máy ôtô 1-5, Nhà máy ôtô Hòa Bình… Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu tác động của va chạm chưa được đề cập đến trong những tính toán độ bền khung vỏ xe đã nêu trên

Trong tài liệu [10], đã tập nghiên cứu tính bền của khung xương ôtô chở khách theo tiêu chuẩn E/ECE/TRANS/505/66 Tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng lật xe để xác định khoảng không gian sống sót cho người trên xe

Trong tài liệu [4], đã sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng, tính toán va chạm kết cấu khung vỏ xe SAMCO_BT3 ảnh hưởng đến hành khách khi chịu tác động của lực va chạm

1.3.3 Nhận xét về những công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.3.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

- Các công trình đã nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phần khung vỏ ôtô chịu lực khi xảy ra va chạm bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm tại một số nước phát triển – nơi có điều kiện vềø các thử nghiệm va chạm

- Các nghiên cứu theo hướng an toàn bị động cho người khi xảy ra va chạm bằng các phần mềm mô phỏng hiện đại cũng góp phần đáng kể cho việc nâng cao, cải tiến các kết cấu khung vỏ cũng như các thiết bị an toàn cho người đã được lắp trên xe

- Một số phần mềm nổi tiếng đã được sử dụng trong việc nghiên cứu các va chạm như PAM- CRASH, CRASH 3, ANSYS, PAM – SAFE đã cho kết quả với độ chính xác khá cao

- Vấn đề độ bền và an toàn bị động của khung vỏ xe khi va chạm trực diện đã được nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trước và đã đạt được những tiến bộ lớn trong lĩnh vực này, trong những năm gần đây các nghiên cứu có xu hướng tập trung vào vấn đề an toàn cho người và hiệu quả hoạt động của hệ thống an toàn chủ động trên xe khi xảy ra va chạm

- Phương pháp tính toán cho cả xe, người và hệ thống an toàn trên xe đều sử dụng mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng với một số phần mềm hiện đại và chuyên dụng mà hiện nay ở Việt Nam việc ứng dụng chúng còn nhiều hạn chế

1.3.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

- Các phần mềm mô phỏng đã được sử dụng để nghiên cứu trong nước thường là ANSYS và SAP; các nghiên cứu phần lớn tập trung vào độ bền khung vỏ xe, tính toán biến dạng và ứng suất của vỏ xe

- Đối với các loại xe sản xuất và lắp ráp trong nước việc tính toán khung vỏ dưới tác động của tải trọng va chạm là một vấn đề mới, tài liệu còn rất hạn chế và chi phí cho các phần mềm mô phỏng va chạm là không nhỏ Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn về an toàn bị động cho người khi xảy ra va chạm cũng chưa được quan tâm cao

- Các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết và chưa nghiên cứu bằng thực nghiệm - do đòi hỏi phải có những phòng thí nghiệm với các trang thiết bị hiện đại và đầu tư rất lớn nên trong điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện

nay việc thực hiện thử nghiệm va chạm để xác định độ bền của khung vỏ và độ

an toàn bị động cho người khi xảy ra va chạm còn gặp rất nhiều khó khăn

Xuất phát từ những hạn chế trên và với khả năng công nghệ, phần mềm LabVIEW đã được sử dụng trong bài viết này để mô phỏng và xác định ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc va chạm đến hành khách trên xe du lịch Các kết quả nghiên cứu này là cơ sở quan trọng để các nhà sản xuất tìm ra các giải pháp nhằm tăng cường an toàn bị động hơn nữa cho người trên ôtô trong trường hợp

va chạm

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

1 Trong chương này, tác giả đã phân tích khá kỹ lưỡng về tình hình an toàn giao thông ở Việt Nam, trong đó đã thống kê về số vụ tai nạn giao thông đường bộ, số người chết và bị thương từ năm 2006 đến nay Từ việc thống kê các dạng

va chạm cho thấy va chạm trực diện chiếm tỷ lệ rất lớn và gây ra những thiệt hại nặng nề nhất về người và phương tiện Và cũng chính vì lý do đó, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về va chạm trực diện của ôtô trên thế giới và tại Việt Nam đã đạt được nhiều kết quả rất khả quan

2 Tại Việt Nam, nghiên cứu va chạm ôtô còn là vấn đề mới; do đó cần phải tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực này và có thể sử dụng một số hướng nghiên cứu của thế giới để ứng dụng vào tính toán hoặc mô phỏng cho các loại

xe sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam Bên cạnh đó, cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về an toàn trên thế giới và trong nước cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đã được công bố

3 Các nguyên nhân chính gây ra tai nạn giao thông như: cơ sở hạ tầng phục vụ giao thông còn yếu kém, chưa đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật và chưa đồng bộ; sự gia tăng nhanh chóng của các loại phương tiện giao thông đường bộ; sự thiếu hiểu biết về luật giao thông, thiếu nghiêm minh của lực lượng chức năng giao thông đã làm cho ý thức của người tham gia giao thông chưa cao; sự phối hợp giữa các cơ quan quản lý chưa đồng bộ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, CÁC TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CHO HÀNH KHÁCH KHI CHỊU TÁC ĐỘNG VA CHẠM

2.1 Các khái niệm cơ bản của lý thuyết va chạm cổ điển

2.1.1 Va chạm và quá trình va chạm

* Khái niệm

Va chạm là sự tiếp xúc bất thình lình của các vật thể gây nên sự thay đổi của các đặc trưng cơ học của chúng Vận tốc điểm và vận tốc góc của các vật thể tham gia va chạm thay đổi một lượng hữu hạn trong một thời gian rất nhỏ (t  0)

Vật thể tham gia va chạm có thể có hai trạng thái: va chạm và không va chạm

* Đặc điểm quá trình va chạm [7]

- Thời gian xảy ra va chạm t của các vật thể là rất nhỏ

0

1 t t

- Quá trình va chạm có thể chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn biến dạng (nén) và giai đoạn khôi phục sau khi va chạm

t

dt t F

P 

(2.2)

* Phân loại va chạm

Phụ thuộc vào sự khôi phục hình dáng của vật thể sau va chạm ở vùng tiếp xúc, lý thuyết va chạm cổ điển chia va chạm ra làm 3 trường hợp:

- Va chạm mềm;

- Va chạm đàn hồi;

- Va chạm dẻo

* Các giả thiết gần đúng trong lý thuyết va chạm cổ điển [7]

Trong lý thuyết va chạm cổ điển người ta thừa nhận các giả thuyết gần đúng sau :

- Giả thuyết 1: Vùng tiếp xúc biến dạng của các vật thể là nhỏ so với diện tích bề mặt của các vật thể

- Giả thuyết 2: Trong quá trình va chạm của các vật thể do thời gian va chạm bé (t  0) nên sự thay đổi vị trí các vật thể là nhỏ cho nên bỏ qua quá trình dịch chuyển của 2 vật thể trong quá trình va chạm

- Giả thuyết 3: Các lực va chạm lớn tới mức có thể bỏ qua các lực khác

Nếu đồng thời chấp nhận cả ba giả thuyết trên thì có thể sử dụng để nghiên cứu va chạm và phục vụ cho tính toán các bài toán về va chạm đơn giản

2.1.2 Các định luật cơ bản của cơ học lý thuyết [7]

(1) Định luật biến thiên động lượng

Phát biểu định luật: “Đạo hàm của động lượng theo thời gian của vật thể va chạm thì bằng lực tác dụng lên nó”

F

dt

V M

: Vận tốc tuyệt đối của chất điểm

Dạng hữu hạn của định luật biến thiên động lượng

( ) ( 0 ) ( ' ) ' 1 ( )

0

1

t P M dt t F M V

t V

(2) Định luật về tương tác giữa tác dụng và phản tác dụng

Phát biểu định luật:

0 ( )

t P m V

t



2.2 Một số mô hình va chạm có kể tới đặc tính của vùng va chạm

Trong thực tế sự va chạm giữa các vật thể không phải là tiếp xúc điểm do vậy khi nghiên cứu va chạm cần phải kể đến đặc tính của vùng va chạm Trong phần này trình bày hai mô hình va chạm có kể đến tính tương thích rời rạc ở vùng tiếp xúc

2.2.1 Mô hình Macxoen đàn nhớt tuyến tính như hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình Macxoen đàn nhớt tuyến tính

Trong đó x là dịch chuyển tương đối của 2 vật thể; y là phần dịch chuyển do phần tử cản nhớt gây nên; x0 và y0 là độ dài của phần tử lò xo và phần tử cản nhớt khi chưa va đập Đặt (x - y) = z là phần dịch chuyển do phần tử đàn hồi gây nên

Trong đó:

- k(xy) là lực đàn hồi;

- y là lực cản nhớt

(1) Phương trình mô tả chuyển động

2

;

0

2 0

0

   

 

t Ae

Trong đó các hằng số A và  được xác định từ điều kiện đầu và

0 2

) 1

) 0 (

0 ) 0 (

V z

z

Ta có nghiệm

) sin(

0

1

d d

(4) Lực va chạm

t e

V d k





sin 1

0 2 0





sin )

1

0 0 2

1



Dạng đồ thị lực va chạm F như trên hình (2.2)

Hình 2.2: Dạng đồ thị lực va chạm

2.2.2 Mô hình đàn nhớt phi tuyến:

Lực va chạm có dạng

kx x x c

Phương trình chuyển động có dạng như sau:

k x x c x

) 0 (

0 ) 0 (

V x

x

Chia 2 vế phương trình (2.22) cho k ta được phương trình sau

0 ) 1

 x x k

c dx

x d x k

c X

x k

c Z

0



ta có

0 ) 1

 X Z dX

) 0 (

0 ) 0 (

V k

c Z

1 ln(

2

0 0

X Z

Z Z

1 3

Z X F mk

Hình 2.3: Mô hình Kelvin - Voight

Gọi x1 và x2 là dịch chuyển của vật 1 và 2, y = x1- x2 là dịch chuyển tương đối ta có thể biểu diễn lực va chạm

ky y y y

Trong đó m là khối lượng hiệu dụng

Với điều kiện đầu

) 0 (

0 ) 0 (

V V y

y

Trong đó: 

1

V là vận tốc của vật 1 trước và đập

V2 là vận tốc của vật 2 trước và đập

Với phương pháp tương tự như khi giải (2.13) ta có thể giải (2.29) tìm được y, thay vào (2.28) để xác định lực va chạm F

2.3 Bài toán va chạm ôtô

Bài toán va chạm của ôtô đã được đề cập trong một số tài liệu, ở đây luận văn chỉ trình bày một số vấn đề có liên quan đến bài toán va chạm trực diện của ôtô

2.3.1 Sự đâm trực diện của ôtô vào tường cứng

Trong phần này chỉ xét va đập trực diện của ôtô vào tường cứng thẳng đứng Chúng ta sẽ giải thích đặc tính biến dạng của xe có những ảnh hưởng nào đến ứng xử của xe và chúng ta sẽ mô tả cơ học chuyển dời khi va đập trực diện

2.3.1.1 Đặc tính biến dạng của ca pốt ôtô

Mô hình động lực học đơn giản của ôtô khi va đập trực diện vào tường cứng được mô tả trên hình (2.3)

Hình 2.4: Mô hình động học của ôtô khi xe đâm vào vật cản cứng

Giả định rằng ôtô khi đâm trực diện vào tường cứng tuyệt đối và đứng yên bị dừng ngay tức thì, có nghĩa là xảy ra sự va đập mềm hoàn toàn và hệ số 

=V/Vo, trong trường hợp này bằng 0, vận tốc phản xa V=0 Vận tốc đập V0, động năng tại thời điểm đập là Ek =1/2m.V02

Khi va đập biến dạng mềm hoàn toàn, động năng sẽ biến thành công biến dạng, ở đây thỏa mãn:

dx ) V , x ( V

m 2

1 E

Xmx

0 0

2

Trong phương trình (2.30) F là lực biến dạng tức thời, X là độ nén tức thời của phần đầu xe, V là độ giảm vận tốc của xe và Xmax là độ nén lớn nhất của phần đầu xe khi nó đừng lại (V=0)

Nếu xe dừng lại ở tường cứng, có nghĩa là X = X (hình 2.3) phương trình chuyển động của xe từ thời điểm xe đâm vào vật cản sẽ là:

0



F x

m (2.31) Chúng ta sẽ giải ba quá trình cơ bản có thể xảy ra của lực biến dạng:

a) F = const

b) F = c X (lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính và độ nén), c là độ cứng của phần đầu xe (mô hình MacXoen)

c) F = k X (lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng, K là hệ số giảm chấn của phần đầu xe), (mô hình Vôn – Kenvin)

Ký hiệu gia tốc chậm dần lớn nhất của ôtô khi đâm vào tường cứng là amax(từ quan điểm về cơ sinh học, thường chọn amax=300m/s2) Giả định rằng trong tất cả các trường hợp xe có một gia tốc chậm dần như nhau và cũng giả định rằng vận tốc va đập V0 ở tất cả các trường hợp cũng bằng nhau

a) Trường hợp lực F = hằng số

Từ phương trình (2.31) ta có:

max

a m

mV 2

Mặt khác: F = m.amax, do đó biến dạng lớn nhất sẽ là:

max

2 0

2 0 max

a 2

V F

mV 2

1

b) Trường hợp lực biến dạng tăng tuyến tính với độ cứng c

Nếu thay thế lực biến dạng F = c X vào phương trình (2.30) ta nhận được:

2 max

max X

2

2 max

V ma

c (2.38)

Vậy độ biến dạng lớn nhất ở đây sẽ là:

max

2 0 max max

a

V c

ma

 (2.39) Khi các lực biến dạng tăng lên một cách tuyến tính theo cái biến dạng ở cùng các giá trị của amax và b0 thì biến dạng lớn nhất Xmax lớn hơn so với

trướng hợp a) hai lần

c) Lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng

Bởi vì x =x nên phương trình chuyển động (2.31) đối với F = k x’

0 x k x

m     (2.40) Khi giải phương trình này chúng ta sẽ nhận được dịch chuyển của phần biến dạng của ôtô:

x (2.41) Và vận tốc của biến dạng phần đầu xe là:

t m k

0 e V

x    (2.42) Tại thời điểm t = 0: vận tốc biến dạng lớn nhất t 0

m k

V

x     Để thỏa mãn điều kiện gia tốc biến dạng xmax amaxtheo phương trình (2.40) thì mamax + kV = 0

max

a

V k

m V

Nếu sự hãm lớn nhất của ôtô trong quá trình va đập được bảo đảm, nguy hiểm của các va đập lên con người được xác định bằng vận tốc va đập của hành khách lên phần nhất định của vỏ xe nằm trên đường chuyển động của nó khi va đập và phụ thuộc vào các đặc tính biến dạng của phần này

Chúng ta giả thiết rằng, các phần xác định của vỏ xe cách hành khách ở thời điểm va đập một khoảng là n (hình 2.4) ở thời điểm đầu tiên sau khi va đập cho tới thời điểm mà châm vào các phần của vỏ xe, con người sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi x’co = v0 và quãng đường chuyển động của nó sẽ là

xc = V0.t Ôtô chuyển động với gia tốc a0 = F/m hay vận tốc của xe sẽ là x’= V0 =

Hình 2.5: Chuyển động của hành

khách khi đâm xe

Hình 2.6:Biến dạng của vỏ xe sau khi hành khách va đập lên vỏ xe

0 n

a

n 2

V V

Khi khoảng cách n và gia tốc chậm dần a0 càng lớn thì vận tốc va đập vn sẽ càng lớn và các nguy hiểm của va đập càng lớn Chúng ta xem xét ở đây va đập của người vào vỏ xe với một vận tốc xác định vn (hình 2.5) Chúng ta giả thiết rằng ôtô chuyển động với gia tốc chậm dần là hằng số và vật tốc biến dạng là hằng số Lực này sẽ được chọn sao cho gia tốc chậm dần của người ac = Fc/mc(mc là khối lượng của người) không vượt quá giới hạn cho phép, ví dụ là

600m/s2 Đối với chuyển động tiếp theo của ôtô ta có:

2

0 ' 2

1 '

1 '

Chuyển động này sẽ kéo dài tại thời điểm va đập ts, khi đó vận tốc chuyển động của xe và của mọi người sẽ bằng nhau Khi hệ số chuyển đổi giữa người và xe bằng 0 thì hành khách sẽ tiếp tục chuyển động với cùng vận tốc ôtô ở thời điểm ts thì xuất hiện một lực biến dạng lớn nhất mà nó sẽ càng lớn khi hiệu Vn =

V0 - Vvn càng lớn và khi gia tốc chậm dần giới hạn càng bé Biến dạng này

không cho phép vựơt quá giá trị cho phép được đưa ra bằng khả năng biến dạng của phần vỏ xe tương ứng

2.3.2 Đâm trực diện của hai ôtô

Chúng ta xét hai ôtô có khối lượng m1 và m2 chuyển động ngược chiều với vận tốc V10 và V20 Trong trướng hợp chúng đâm vào nhau theo phương dọc trục

thì định luật về bảo toàn động năng của hệ thống trước khi đâm và sau khi đâm sẽ là:

m1V10 + m2V20 = m1V1 + m2V2 (2.49)

Ơ đây V1 và V2 là vận tốc của hai ôtô sau khi va đập Động năng của các ôtô trước khi va đập sẽ là:

2 20 2 20

2 10 1 10

2

1

; 2

1

V m E

V m

Và động năng sau khi va đập:

2 2 2 2

2 1 1 1

2

1

; 2

1

V m E

V m

Nếu chúng ta biết được hệ số nẩy của hệ thống 2 vật thể (hệ số nẩy một ôtô được xác định bằng va đập trực tiếp của ôtô vào vật cản và giá trị của nó được đưa ra bằng giá trị tuyệt đối của tỷ lệ vận tốc đội lại v và vận tốc va đập v0), thì vận tốc dội lại của từng ôtô riêng biệt sẽ được xác định bằng quan hệ:

2 1

20 10 2 20 2 10 1 1

) (

m m

V V m V m V m v

20 10 1 20 2 10 1 2

) (

m m

V V m V m V m v

m1V10 + m2V20 = (m1+m2V) (2.54) hay vận tốc của hai ôtô sau khi va đập là:

2 1

20 2 10 1

m m

V m V m V

2 1 1

1

;

1

V m E

V m

Quá trình vận tốc khi va đập trực diện của hai ôtô được minh họa trên hình

(2.5)

Năng lượng bị hấp thụ khi va đập Ek (công biến dạng) theo định luật bảo

toàn năng lượng của hệ thống là:

Ek =(Ek10+Ek20)-(Ek1+Ek2)

2 2 1 2

20 2 2

10

2

1 2

1 2

1

V m m V

m V

2 1 2

20 10 2 1

2 1

) (

2 )

(

m m

m m V

V m m

m m

một chế độ va đập mềm hoàn toàn năng lượng được hấp thụ bởi hệ thống Ek

bằng động năng của hệ thống với khối lượng thu gọn Mred = m1.m2/(m1+m2),

chuyển động với vận tốc tương đối Vr

Trong quá trình vận động thì vận tốc của ôtô đầu tiên sẽ giảm đi V1, vận

tốc ôtô thứ 2 sẽ giảm đi một lượng V2, thêm vào đó sau khi va đập cả hai ôtô

sẽ chuyển động với vận tốc như nhau V Theo hình (2.5) ta có:

V1 = V10 - V

Thế V từ phương trình (2.55) chúng ta sẽ nhận được:

r

V m m

m V

2 1

2 1





 (2.60) Tương tự như vậy ta có:

r

V m m

m V

2 1

1 2





 (2.61)

Khi va đập mềm không hoàn thiện năng lượng được hấp thụ được xác định từ

biểu thức

2 2 1

2 1

1

m m

2.4 Các tiêu chuẩn an toàn cho hành khách khi chịu tác động va chạm

Việc xây dựng các tiêu chuẩn nhằm đánh giá khả năng chịu va chạm của

người để từ đó xác định mức độ chấn thương hoặc giới hạn dẫn đến tử vong khi

va chạm trực diện Để xác định các yếu tố này những phương trình được xây

dựng và nó sẽ phản ánh các tiêu chuẩn đó Các giới hạn về khả năng chịu đựng

của người được coi là một hàm theo thời gian với các lực tác động cực đại Tiêu

chuẩn an toàn FMVSS 208 của Mỹ quy định như sau [16]:

2.4.1 Tiêu chuẩn chấn thương ở đầu HIC, giới hạn 1000

1 1 2

5 , 2

t

t

t t dt g

b t

Số HIC nhận được từ đường cong Wayne State, công thức toán học trên đưa

ra quan hệ giữa gia tốc đầu người (bhead) và thời gian tác động va chạm (t) Nó

dựa trên cơ sở các nghiên cứu cơ sinh học mà bộ não người có thể chịu được với

gia tốc 80g mà không bị chấn thương trong thời gian tối đa là 3ms

Từ khi đưa vào các thử nghiệm va chạm ở Mỹ thì giới hạn của HIC là 1000

Nhiều nghiên cứu về tai nạn cho thấy chỉ số đó là tương đối thấp, nhất là đối với

những người trẻ tuổi và khỏe mạnh Theo kinh nghiệm bộ não bị chấn thương

nghiêm trọng dẫn đến tử vong khi chỉ số HIC từ 1500 đến 2000

Tuy nhiên ngoài kết quả giới hạn gia tốc của đầu trên thực tế các nghiên cứu

còn xét đến gia tốc góc của đầu và sức ép lên bộ não Gia tốc góc của đầu giới

hạn là 7500 rad/s2 với khối lượng bộ não là 1300g Lực tác động giới hạn vào cổ là 4500N

2.4.2 Tiêu chuẩn chấn thương ở ngực SI

 t  chest

dt g

b SI

0

2,5

(2.64)

Với bchest là gia tốc của ngực Giới hạn SI là 1000 Giới hạn này dựa trên

nghiên cứu cơ sinh học mà ngực có thể chịu được gia tốc 60g trong 3ms mà

không bị chấn thương, mức độ nén ép vào ngực giới hạn là 3 inches

2.4.3 Lực tác động vào bắp đùi

Khi đầu gối đập vào mặt trước hoặc mặt dưới tấm bảng các đồng hồ của xe thì phần trên của bắp đùi và khung xương chậu sẽ bị tổn thương Tiêu chuẩn

đánh giá chấn thương cho phần trên bắp đùi được xác định dọc theo bắp đùi với lực giới hạn là 10000N

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

1 Trong chương này trình bày các cơ sở lý thuyết của bài toán va chạm nói

chung cũng như việc ứng dụng cho bài toán va chạm trực diện của ôtô nói

riêng

2 Trên cơ sở đó đã thiết lập các mô hình tính toán va chạm ôtô, đặc biệt là va

chạm trực diện Chương này tập trung vào việc xác định hàm lực va chạm phụ

thuộc theo thời gian, khối lượng, vận tốc và gia tốc trong quá trình va chạm

3 Để đánh giá được mức độ an toàn cho hành khách khi mô phỏng va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng, tác giả đã đưa ra một số tiêu chuẩn thực nghiệm của Mỹ và Châu âu

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH

3.1 Giới thiệu chung về sử dụng phần mềm LabVIEW kết hợp với phần mềm Solidworks

3.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm LabVIEW

LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) là một môi trường

lập trình phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ hoạ, thường được sử dụng cho các mục đích đo lường, kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển các tham số của

thiết bị

Trong năm 1983, NI bắt đầu nghiên cứu tìm kiếm một cách thức để tối thiểu hóa thời gian cần thiết để lập trình một hệ thống thiết bị Thông qua sự nỗ lực này mà công cụ ảo LabVIEW với Front Panel trực quan và Block Diagram tân tiến đã ra đời LabVIEW version 1 được đưa ra năm 1986 chỉ dùng trên hệ Macintosh Tuy nhiên Mac đã không được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng và công cụ đo lường Chức năng đồ họa của nó hỗ trợ tốt nhất cho kỹ thuật của LabVIEW cho tới khi hệ thống thông dụng hơn có thể hỗ trợ Năm 1980 NI đã viết lại LabVIEW kết hợp với nhiều công nghệ phần mềm mới với những đóng góp phản hồi sau nhiều năm của những người sử dụng Quan trọng hơn nữa LabVIEW 2 còn được nâng cấp làm cho tốc độ của các VI ngang bằng với các chương trình viết bằng ngôn ngữ C và được cấp bằng sáng chế cho những đổi mới trong công nghệ LabVIEW

Sử dụng môi trường mô phỏng 3D trong LabVIEW là một giải pháp hiệu quả cho các kỹ sư và các nhà khoa học có thể xây dựng được hệ thống của mình mà không phải tốn quá nhiều thời gian Khác với các ngôn ngữ lập trình khác, LabVIEW là ngôn ngữ lập trình đồ họa, để tạo được các khối hình 3D người thiết kế chỉ cần sử dụng các hàm khối có sẵn trong thư viện mà không cần phải nhớ các câu lệnh phức tạp như các ngôn ngữ khác Đồng thời giao diện và kết quả mô phỏng trực quan, có thể tùy chỉnh một cách dễ dàng sẽ giúp cho các nhà thiết kế thể hiện được ý tưởng của mình một cách nhanh chóng và hiệu quả LabVIEW ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đo lường công nghiệp, thí nghiệm và giáo dục cũng như trong các ứng dụng tự động hóa dựa trên cơ sở lập trình đồ họa (graphical programming) Khác với lập trình văn bản (text programming) lập trình đồ họa trực giác hơn Tuy nhiên LabVIEW vẫn hỗ trợ lập trình văn bản Trong LabVIEW có rất nhiều hàm dùng để phân tích, thiết kế và biểu diễn dữ liệu bằng đồ thị và các dụng cụ đo lường ảo phong phú

LabVIEW có nhiều công cụ và các môđun khác nhau làm cho LabVIEW có chức năng tính toán mạnh ngang với Matlab Simulink trong lập trình phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển, xử lý số liệu, nhận dạng hệ thống, toán học, mô phỏng và nhiều chức năng khác Ngoài ra, LabVIEW còn hỗ trợ rất nhiều phần cứng như bảng giao diện dữ liệu vào ra (bảng nhận dữ liệu, DAQ, data acquisition), bus truyền thông dữ liệu CAN dùng trong đo lường và tự động hóa

do NI sản xuất Giao tiếp dữ liệu với phần cứng của các hãng khác cũng như có thể thực hiện được nhờ vào số lượng lớn các bộ điều khiển mềm (drivers) và hỗ trợ các tiêu chuẩn giao tiếp như CAN bus, OPC, Modbus, GPIB Môđun