tính toán mô phỏng tối ưu khung dầm trợ lực trước ôtô

Hình 1.1: Dầm trợ lực phía trước ôtô Phân tích cấu trúc của khung thanh dầm trước ở ôtô bằng phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng rộng rãi trọng nền công nghiệp ôtô với sự hỗ trợ củ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT -o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG,TỐI ƯU KHUNG DẦM

TRƯỚC TRỢ LỰC TRONG ÔTÔ

GVHD: ThS Vũ Cơng Hịa

SVTH: Đinh Cơng Duyệt ( K0404109) Nguyễn Trung Nguyên (K0404398)

Tp HCM, Tháng 6/2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu cơng việc thay thế thanh dầm trợ lực hiện tại bằng thiết

kế tốt hơn,sử dụng vật liệu tổng hợp thay thế cho thép và tìm hiểu ảnh hưởng của thanh dầm lên động học khoang lái và tổn hại tới khoang người lái.Ý tưởng cơ bản của đề tài là thay thế vật liệu thép hiện thời bằng vật liệu tổng hợp,làm tăng năng lượng hấp thu sau va chạm, làm giảm lực tác dụng, giảm tác động tới cabin lái, và tất cả chấn động tới xe.Cố gắng làm giảm khối lượng xe mà khơng ảnh hưởng tới độ an tồn của khoang lái

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn đã tạo điều kiện để chúng em thực hiện luận văn này.Đặc biệt em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn Vũ Công Hoà đã tận tình chỉ bảo,góp ý,hướng dẫn chúng em hoàn thành luận văn tốt đẹp

Chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp đã chia sẽ những kinh nghiệm,đóng góp ý kiến,giúp đỡ chúng tôi làm luận văn

Do thời gian thực hiện giới hạn nên có thể luận văn còn nhiều thiếu xót,nhưng đó cũng là những

nỗ lực áp dụng những kiến thức đã học vào đề tài,mong quý thầy cô đánh giá ghi nhận sự nỗ lực của chúng em

Một lần nữa chúng em gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô!

Người thực hiện: Nguyễn Trung Nguyên

LỚp KU04BCKT Email: trungnguyenbkhcm@gmail.com Skype: trungnguyenbkhcm

Tài liệu tham khảo

1.Cơ học lý thuyết-Đỗ Sanh

2.Vật liệu kỹ thuật-Nguyễn Văn Dân,Nguyễn Ngọc Hà,Trương Văn Trường

3.Sức bền vật liệu-Đỗ Kiến Quốc,Nguyễn Thị Hiền Lương,Bùi Công Thành,Trần Tấn Quốc 4.Impact on composite structures-Cambride University Press

5.Environmental and Social Impact Assessment / Frank Vanclay, Daniel A Bronstein

6 Environment Impact Assessment - Theory and Practice/Peter Wathern

7.Ansys-Lsdyna user’s guide

8 Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS-Gs.Ts Nguyễn Văn Phái,

Ts.Trương Tích Thiện,Ths.Nguyễn Tường Long,Ths Nguyễn Định Giang

9 Tính kết cấu bằng phần mền ANSYS –TS.Vũ Quốc Anh,th.s PHạm Thanh Hoan

MỤC LỤC TRANG Trang bìa i

Nhiệm vụ luan văn ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách hình vẽ ix

Danh sách bảng biểu xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tầm quan trọng của luận văn

1.2 Phương pháp tính toán

1.3 Các Tiêu chuẩn kiểm tra

1.3.1 Tiêu chuẩn IIHS

1.3.2 Tiêu chuẩn FMVSS 208

1.3.3 Tiêu chuẩn NCAP

1.4 Phương pháp kiểm tra

1.4.1 Kiểm tra chuẩn tĩnh

1.4.2 Kiểm tra va chạm

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sự chống va chạm

2.2 Vật liệu composite trong sự chống va chạm

2.3 Kiểu va chạm và cấu trúc

2.3.1 Kiểu sự cố bất ngờ

2.3.2 Kiểu phá hỏng dần

2.3.3 Kiểu phân mảnh và cắt ngang

2.3.4 Kiểu chệch đầu nối hay sự uốn bản mỏng

2.3.5 Sự gãy giòn

2.3.6 Mất ổn định cục bộ và sự uốn dần

2.4 Lý thuyết va chạm

2.4.1 Định nghĩa

2.4.2 Các đặc điểm của quá trình va chạm

2.4.3 Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va chạm

2.5 Vật liệu composite trong thanh dầm phía trước ôtô

2.5.1 Công việc liên quan trong thanh ngang phía trước xe hơi

2.5.2 Vật liệu composite

2.6 Thuật toán va chạm tiếp xúc

2.6.1 Giới thiệu

2.6.2 Phương pháp ràng buộc động học

2.6.3 Phương pháp hàm phạt

2.6.4 Phương pháp tham số phân tán

2.6.5 Thuật toán bề mặt tiếp xúc đơn trong LS-DYNA

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN KHUNG DẦM

TRỢ LỰC TRƯỚC

3.1 Điều khiển năng lượng

3.2 Hệ thống năng lượng hấp thụ cho sự va chạm

3.3 Mô hình từng đoạn của thanh trợ lực

3.4 Tính toán va chạm xe sử dụng mô hình từng đoạn trong thí nghiệm

va chạm trực diện với vật cản cứng

3.5 Mô hình dầm trợ lực composite

3.5.1 Phần tử hữu hạn thanh dầm composite

3.5.2 Đặc điểm mô hình composite

3.6 Giới hạn nghiên cứu trong thanh

3.6.1 Sự định hướng

3.6.2 Bề dày

3.6.3 Vật liệu

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHUNG DẦM TRƯỚC XE HƠI

4.1 Tiêu chuẩn FMVSS 208

4.1.1 Sự mô phỏng LSDYNA

4.1.2 Mô phỏng thanh dầm sợi cácbon

4.1.3 Mô phỏng thanh dầm sợi thủy tinh

4.1.4 Kết quả và thảo luận

4.2 Mô hình hóa trong Catia (BMW serie 3)

4.3 Mô hình hoá xe BMW serie 3 trong catia

4.3.1 Xây dựng mô hình xe từ các hình chiếu xe

4.3.2 Tạo body cho xe

4.3.3 Tạo khung xe

4.4 Tính toán mô phỏng va chạm xe

4.5 Kết quả

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI

DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH ẢNH TRANG

CHƯƠNG 1

Hình 1.1: Dầm trợ lực phía trước ôtô

Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô

Hình 1.3: Mô phỏng với LS-DYNA

Hình 1.4: Kiểu dầm mô hình nguyên bản

Hình 1.5:Bốn phần của thanh dầm kiểu nguyên bản

Hình 1.6: Va chạm lệch phía trước được kiểm tra ở vận tốc 64Km/h

Hình 1.7:Va chạm nguyên phần đầu xe được kiểm tra ở vận tốc 56Km/h

CHƯƠNG 2

Hình 2.1: Các kiểu va chạm trong va chạm ôtô

Hình 2.2: Kiểu phá hủy phân mảnh

Hình 2.3: Kiểu phá hủy chệch đầu nối

Hình 2.4: Kiểu phá hủy vết nứt giòn

Hình 2.5: Cấu trúc phía trước bằng composite

Hình 2.6: Dựa vào thí nghiệm thiết lập và theo dõi va chạm

Hình 2.7: Trục va chạm của ống composite hỗn hợp

Hình 2.8: Năng lượng đặc biệt của các vật liệu khác nhau

Hình 2.9: Nút của bề mặt lướt chính chỉ định với " x " được xem là

như nút bề mặt tự do trong phương pháp ràng buộc nút

Hình 2.10:Tham khảo và bị móp méo cấu hình

CHƯƠNG 3

Hình 3.1: Hệ thống hấp thụ năng lượng trong va chạm

Hình 3.2: Mô hình thanh dầm trợ lực ban đầu

Hình 3.3:Thanh dầm trợ lực phân đoạn

Hình 3.4: Mô hình thanh dầm trợ lực với từng đoạn bằng thép khác nhau

Hình 3.5: Xe với mô hình thanh dầm trợ lực phân đoạn

Hình 3.6: Chuổi hình ảnh va chạm trong kiểu phân đoạn

Hình 3.7: So sánh chuyển vị của xe với 2 mô hình

Hình 3.8: So sánh năng lượng hấp thụ của xe với 2 mô hình

Hinh 3.9: Đồ thị đường cong lực-chuyển vị

Hình 3.10: Lực và chuyển vị từ những hướng khác nhau

CHƯƠNG 4

Hình 4.1: Sự biến dạng trong thanh dầm sợi cacbon

Hình 4.2: Sự biến dạng trong thanh dầm sợi thủy tinh

Hình 4.4: Năng lượng bên trong của thanh dầm

Hình 4.5: Lực và chuyển vị của thanh dầm mô hình kiểu nguyên bản

Hình 4.6: Biểu đồ so sánh gia tốc trọng tâm của sợi thủy tinh,sợi cacbon

và thép trong mô hình kiểu nguyên bản

Hình 4.7: Gia tốc của xe

Hình 4.8: Năng lượng bên trong của thanh dầm

Hình 4.9: Lực và chuyển vị của kiểu phân đoạn

Hình 4.10: Biểu đồ so sánh gia tốc trọng tâm của sợi thủy tinh,

sợi cacbon và thép trong kiểu phân đoạn

Hình 4.11,12,13,14: Xe BMW serie 3

Hình 4.15: hình chiếu cạnh xe BMW serie 3

Hình 4.16: hình chiếu trước xe BMW serie 3

Hình 4.17: Hình chiếu sau BMW serie 3

Hình 4.18: Hình chiếu bằng xe BMW serie 3

Hình 4.19: Tạo các mặt có kích thước bằng kích thước xe

Hình 4.20: Áp vật liệu ,gán hình chiếu

Hình 4.21: Gán hình chiếu cạnh

Hình 4.22: Gán 4 hình chiếu xe cho 4 mặt

Hình 4.23: Đường cong 3D xe

Hình 4.24: Tạo bề mặt

Hình 4.25, 26: Body xe BMW serie 3

Hình 4.27: Khung xe

Hình 4.28: Mô hình khung xe

Hình 4.29: Body và Khung

Hình 4.30: Khung xe đơn giản

Hình 4.31: Mô hình xe trong Ansys

Hình 4.32: Định nghĩa phần tử

Hình 4.33: Hằng số

Hình 4.34: Nhập vật liệu

Hình 4.35: Vật liệu composite

Hình 4.36: Vật liệu cho tường

Hình 4.37: Chia lưới

Hình 4.38: tạo component

Hình 4.39: Mô phỏng va chạm

Hình 4.40: ứng suất Von Mises

Hình 4.41: chuyển vị

Hình 4.42: chuyển vị

Hình 4.43:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.44:ứng suất mô hình nguyên bản

Hình 4.45:Ứng suất kiểu từng đoạn composite

Hình 4.46 :Chuyển vị mô hình nguyên bản

Hình 4.47: chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.48:ứng suất va chạm offset kiểu nguyên bản

Hình 4.49: ƯS kiểu phân đoạn composite

Hình 4.50: Chuyển vị kiểu nguyên bản

Hình 4.51:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.52 :ứng suất kiểu nguyên bản

Hình 4.53:ứng suất kiểu phân đoạn composite

Hình4.54: chuyển vị kiểu nguyên bản

Hình 4.55:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.56:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.57:ứng suất mô hình nguyên bản

Hình 4.58:Ứng suất kiểu từng đoạn composite

Hình 4.59 :Chuyển vị mô hình nguyên bản

Hình 4.60: chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.61:ứng suất va chạm offset kiểu nguyên bản

Hình 4.62: ƯS kiểu phân đoạn composite

Hình 4.63: Chuyển vị kiểu nguyên bản

Hình 4.64:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

Hình 4.65 :ứng suất kiểu nguyên bản

Hình 4.66:ứng suất kiểu phân đoạn composite

Hình4.67: chuyển vị kiểu nguyên bản

Hình 4.68:chuyển vị kiểu phân đoạn composite

CHƯƠNG 5

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

BẢNG TRANG

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2

Bảng 2.1.Năng lượng hấp thụ cụ thể của các vật liệu composite

Bảng 2.2:Đặc tính vật lý của các kiểu sợi khác nhau

Bảng 2.3:Đặc tính cơ học của hệ thống chất dẽo

CHƯƠNG 3

Bảng 3.1:Thuộc tính Carbon/Epoxy

Bảng 3.2:Sự tối ưu của thanh dầm composite phía trước ôtô

Bảng 3.3:Đặc tính sợi thủy tinh Epoxy

CHƯƠNG 4

Bảng 4.1:Năng lượng hấp thụ của mô hình cổ điển ở vận tốc 48 Km/h

Bảng 4.2:Năng lượng hấp thụ của kiểu phân đoạn ở vận tốc 48 Km/h

Bảng 4.3: Hằng số

Bảng 4.4:Hằng số cho vật liệu

Bảng 4.5:Vật liệu composite

Bảng 4.6:vật liệu cho tường dùng RIGID thép cứng tuyệt đối

CHƯƠNG 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tầm quan trọng của luận văn:

Khung dầm trước là bộ phận chịu tải trọng lực chính, thành phần chịu lực tác dụng chính trong va chạm thẳng, va chạm nghiêng góc.Phần giữa thanh thường không có đồng nhất qua các tiết diện, nơi bắt đầu những vết rạn nứt.Phần lớn thanh dầm có hình vuông, chữ nhật hay hình ống số 8 Bốn thanh dọc có thể hấp thụ 70% lực va chạm biến dạng dẻo khi ôtô va đập

Hình 1.1: Dầm trợ lực phía trước ôtô Phân tích cấu trúc của khung thanh dầm trước ở ôtô bằng phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng rộng rãi trọng nền công nghiệp ôtô với sự hỗ trợ của máy tính

Xem thanh dầm trước ôtô như là một thành phần, điều này không chính xác so với thực tế của xe.Bởi vì điều kiện biên phức tạp của xe thực sự va đập cấu trúc là một hệ phức tạp, việc biểu diễn từng bộ phận là không cần thiết.Tuy nhiên,nói chung phương hướng và khả năng hấp thụ lực va chạm là cơ sở để phân tích và thiết kế thanh dầm

Hình 1.2: Vị trí dầm trợ lực phía trước ôtô

Hình 1.3: Mô phỏng với LS-DYNA

1.2 Phương pháp tính toán:

Sử dụng vật sợi tổng hợp làm tăng khả năng hấp thụ lực va đập, giảm chấn động, lực tác dung tới buồng lái,giảm trọng lượng xe, tăng độ bền, độ cứng của xe

SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

Những công việc cần làm trong đề tài:

Khung dầm trước xe

Mô hình gốc Mô hình từng đoạn

Kết hợp cả hai mô hình dựa vào kết quả thí nghiệm từ NCAC

Mô hình tổng hợp

Giới hạn nghiên cứu khung dầm tìm ra vật liệu, độ dày, sự định hướng

Biến dạng và chuyển vị thu được

Giảm thiệt hại khoang người lái

- Bắt đầu với việc chia thanh dầm thành nhưng đoạn, modun với những độ cứng thép khác nhau

- Kết hợp 2 mô hình: mô hình gốc với mô hình từng đoạn

- Mô hình vật liệu tổng hợp của thanh dầm

- Sau khi thay thế thanh dầm: vật liệu mới, lớp, sự định hướng, bề dày.Tìm cách tối ưu làm cực đại khả năng bền

- Kết hợp mô hình gốc với mô hình từng phần được mô phỏng dựa vào các tiêu chuẩn kiểm định: FMVSS 208, NCAP, và IIHS

- Sự hấp thu năng lượng và gia tốc được chú ý làm giảm trong các trường hợp

Hình 1.4: Kiểu dầm mô hình nguyên bản

Part 1 Part2

Part 3 Part 4

Hình 1.5: Bốn phần của thanh dầm nguyên bản

1.3 Các Tiêu chuẩn kiểm tra:

1.3.1 Tiêu chuẩn IIHS

Sự thử hoàn toàn trực diện không chắc mà sử dụng hàng rào cứng rắn, Viện đường lối bảo hiểm sự an toàn sử dụng một hàng rào biến dạng được cho sự phân tích tác động Sự thử được thực hiện với 40% bề ngang của xe với tốc độ 40 mph Hàng rào biến dạng được, được làm bằng tầng ong nhôm, hút một số năng lượng và 40% bề ngang của xe dẫn tới chuyển đổi của toàn bộ tác động trên đúng một góc của xe Kết quả là xe gãy nếp hơn và những sự thử như vậy truyền đạt những vết thương nặng cho người sử dụng vì những xâm nhập lớn trong không gian người sử dụng Trong xe đến những sự cố của xe, nó không chắc rằng sẽ làm xe biến dạng trong theo trục phương hướng, từ đây hàng rào biến dạng được với 40% bề ngang của xe đúng với cuộc sống thực sự Những hình nộm được ngồi trong ghế của người điều khiển và đằng trước cái ghế hành khách (chỉ là cái ghế của người điều khiển trong tiêu chuẩn IIHS), và xe được gặp hàng rào tại 64 Km/h (40 mph), để đo và ước lượng lực tác động trên cái đầu, ngực và chân của hình nộm củng như để kiểm tra điều kiện biến dạng của xe Sự thử này cho những lực đại diện liên quan trong một cục bộ đâm vào nhau tiêu biểu cho hai xe cùng khối lượng mà đang chạy với vận tốc 64 Km/h (40 mph) Vì một phần nhỏ cấu trúc chống đỡ lực của xe, tác động trên hình nộm yếu hơn lực tác động trên suốt bề ngang của xe.Tuy nhiên có sự biến dạng thân thể xe lớn hơn, làm cho nó trở nên thích hợp cho sự đánh giá của vết thương tiềm tàng gây ra bởi xâm

nhập tới người điều khiển xe

Hình 1.6: Va chạm lệch phía trước được kiểm tra ở vận tốc 64Km/h

1.3.2 Tiêu chuẩn FMVSS 208

Tiêu chuẩn này chỉ rõ những yêu cầu thực hiện cho sự bảo vệ xe và những người sử dụng trong những sự cố Mục đích của tiêu chuẩn này sẽ giảm bớt số lượng người chết khi sử dụng xe ,và tính nghiêm trọng của những vết thương, bằng việc chỉ rõ sự cố,những yêu cầu của xe dưới dạng lực và gia tốc được đo trên những hình nộm giống hình người trong những sự cố thử, và bằng việc chỉ rõ những yêu cầu thiết bị cho tích cực và dạng bị động kiềm chế hệ thống.Tiêu chuẩn này ứng dụng vào những xe khách, những xe hành khách vạn năng, vận tải và xe buýt Những xe khách (1-1-68): Vạt áo hay vòng dây và những đai an toàn cho mỗi vị trí ngồi được chỉ định Trừ trong những xe mui kéo được, sự bao phủ và đai an toàn được yêu cầu trong mỗi mặt trước ở phía ngoài vị trí ngồi

Những xe khách (1-1-72), xe hành khách đa dụng , xe buýt và xe tải Những tùy chọn A

và B chỉ có xe khách (1-1-72), những xe hành khách đa dụng và xe vận tải với một trọng lượng lớn khoảng 4536 Kg (10000 lbs) hay ít hơn, và xe buýt (chỉ cái ghế của người điều khiển) sẽ có :

A Cung cấp hệ thống bảo vệ bị động, hoặc

B Vòng lưng , dây lưng cảnh báo đáp ứng đụng xe thử nghiệm với vận tốc yêu cầu khoảng

48 km/h (30 mph) , hoặc

C Vòng lưng hoặc dây lưng và dây an toàn, chỗ dây cảnh báo; ở phía ngoài những cái ghế

sẽ có một nút ấn và một cái khóa khẩn cấp hay một cái khóa tự động để bung dây an toàn

Những xe khách (1-1-73): những yêu cầu cũng như trên trừ trên chổ dựa sẽ có một cái banh khóa khẩn cấp

Những xe hành khách và những xe buýt đa dụng những xe tải (9-1-95): vòng chia của mỗi dây an toàn trong mặt trên cái ghế hay một cái ghế mà có thể được điều chỉnh trên bề mặt sẽ có một vòng chia an toàn mà nó có thể khóa được

Mặt trước, ở phía ngoài tàu chỉ định ngồi những vị trí cho những xe khách vạn năng những

xe hành khách, những xe tải và những xe buýt như được liệt kê ở dưới với một trọng lượng xe to lớn khoảng 3856 Kg (8500 lbs.) hay trọng lượng xe ít hơn 2495 Kg (5500 lbs.) hay ít hơn Những xe khách (9-1-86), những xe hành khách đa dụng, những xe tải và những xe buýt (9-1-94): Sẽ gặp sự kiềm chế bị động pha trong những yêu cầu

Những xe hành khách và những xe buýt đa dụng những xe tải (9-1-91): Sẽ gặp 48 km/h (30 mph) cấp tốc những yêu cầu thử với những đai lưng trở nên nhanh chóng

Những xe khách (9-1-89), những xe hành khách và những xe tải đa dụng (9-1-97): Sẽ gặp những yêu cầu kiềm chế bị động

Những xe khách, những xe hành khách đa dụng, những xe tải và những xe buýt (6-22-95 cho đến 9-1-2000) xe mà không có những cái ghế phía sau hay những cái ghế phía sau quá nhỏ

để điều tiết, một cái ghế dành cho trẻ em giáp mặt phía sau được có thể trang bị với một túi không khí chuyển đổi điểm cắt cho túi không khí mặt trước bên phải hành khách phồng lên Những xe khách ( 9-1-96), xe hành khách đa dụng và những xe buýt,những xe tải (9-1-97): Sẽ gặp đúng pha yêu cầu của túi không khí

Những xe khách (9-1-97), những xe hành khách đa dụng, những xe tải và những xe buýt (9-1-98): Sẽ được trang bị với những cái túi không khí

Những xe khách, xe hành khách đa dụng, xe tải và những xe buýt (2-25-97): Sẽ được trang

Tất cả những vị trí ngồi được thiết kế xa tâm xe

Những xe khách, trừxe mui kéo được (12-11-89), xe mui kéo được (9-1-91), xe hành khách và những xe tải đa dụng với một trọng lượng xe to lớn khoảng 4536 Kg (10000 lbs) hay

ít hơn (9-1-91): Sẽ được trang bị thiết bị bao phủ và buộc chặt nguyên vai tại mỗi sự giáp mặt phía trước, ở phía ngoài vị trí chỗ ngồi chỉ định

1.3.3 Tiêu chuẩn NCAP

Chương trình định giá Ôtô mới NHTSA (NCAP) sử dụng một hàng rào cứng rắn và chiều rộng của xe được đâm sầm vào hàng rào cứng rắn với vận tốc 35 mph Từ chiều rộng trực diện đầy đủ đâm vào nhau trong hàng rào cứng rắn sự biến dạng của xe có phần định nghĩa mẫu.NHTSA và OSA hiện thời sử dụng thủ tục này cho va chạm tác động trực diện toàn bộ

chiều rộng của họ NCAP của châu Âu và Úc sử dụng sự thử này cho đến 1997, khi họ chấp nhận sự thử sự cố mầm trực diện hiện thực hơn, đã được dùng bởi IIHS trong nước Mỹ Những hình nộm được ngồi trong người điều khiển và đối diện cái ghế hành khách Về sau, những nhà nghiên cứu đo và ước lượng tác động trên cái đầu, ngực, và chân của hình nộm.Sự thử này cung cấp những lực giảm tốc độ rất cao tới những hình nộm thử và đặc biệt được thỏa mãn cẩn thận tới những sự đánh giá của hệ thống bảo vệ người sử dụng như những đai lưng và những cái túi không khí Ghi chú, tuy nhiên, thiệt hại tới bản thân xe thì không phải được đánh giá

Hình 1.7: Va chạm nguyên phần đầu xe được kiểm tra ở vận tốc 56Km/h

1.4 Phương pháp kiểm tra:

Có nhiều phương pháp khác nhau mà ta có thể mang ra để kiểm tra:

1.4.1 Kiểm tra chuẩn tĩnh:

Trong kiểm tra chuẩn tĩnh, mẫu vật kiểm tra được đụng vào với một vận tốc cố định Kiểm tra chuẩn tĩnh có thể không là một sự mô phỏng thực tế của điều kiện va chạm bởi vì trong điều kiện va chạm thực tế, cấu trúc phải chịu tốc độ va chạm gia tăng, từ tốc độ va chạm ban đầu đến sự ngừng lại sau cùng

Sau đây là một vài thuận lợi của kiểm tra chuẩn tĩnh:

- Kiểm tra chuẩn tĩnh đơn giản và dễ dàng để điều khiển

- Sau quá trình va chạm, va chạm thử đòi hỏi dụng cụ rất đắt tiền, trong khi toàn bộ quá trình xảy

ra trong một phần của giây.Do đó kiểm tra chuẩn tĩnh sử dụng để nghiên cứu những máy hỏng trong composite, được lựa chọn bởi một tốc độ va chạm thích hợp

Điều bất lợi chủ yếu trong kiểm tra chuẩn tĩnh:

- Kiểm tra chuẩn tĩnh không có thể là mô phổng thật của điều kiện va chạm thực tế vì

vật liệu chắc chắn là tỷ lệ biến dạng chính xác

1.4.2 Kiểm tra va chạm:

Tốc độ phá hủy gia tăng từ tốc độ va chạm ban đầu đến lúc dừng lại khi mẫu vật đã hấp thụ năng lượng

Điều thuận lợi của kiểm tra va chạm:

- Nó là một mô phỏng thật của điều kiện va chạm vì nó đưa vào phép tính toán tỷ lệ độ nhạy áp lực của vật liệu

Điều bất lợi của kiểm tra va chạm :

- Trong kiểm tra va chạm, quá trình va chạm xảy ra trong một phần của giây.Vì thế, nó được đề nghị rằng va chạm phải được nghiên cứu bằng camera tốc độ cao

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự chống va chạm:

Sự chống va chạm của cấu trúc trong xe là khả năng của xe chống lại năng lượng va chạm

và để ngăn ngừa những vết thương của người sử dụng trong một tai nạn Xe cộ ngày nay có khả năng chịu đựng áp lực va chạm hơn bao giờ hết.Mặc dù vậy vẫn còn khoảng 30000 người chết trong những tai nạn giao thông ở Mỹ hàng năm, hầu hết chúng xảy ra trong những vụ đâm vào nhau.Xe phải được thiết kế sao cho, tại những tốc độ bậc cao những người sử dụng nó không trải qua một mạng lưới giảm tốc lớn hơn 20g Cấu trúc bảo vệ cần phải được thiết kế theo cách như vậy làm cho cấu trúc xe như để hấp thụ năng lượng tác động lên người điều khiển xe, mà có thể gây ra thương tổn nội tạng nghiêm trọng, đặc biệt làm chấn thương bộ não

Điều cần thiết cho việc gia tăng khả năng chịu đựng, thiết kế gọn hơn,yêu cầu sự phát triển

có hiệu quả hơn, hệ thống giảm xóc và bộ phận truyền động năng lượng tốt hơn.Khung phụ và dầm ngang bên dưới cung cấp độ bền đáng kể cho thành phần dầm dọc bên dưới đầu xe để chịu sức ép có hiệu quả.Họ cũng có thể sử dụng tải va đập chuyển động đến những đường không được đúc của xe trong trường hợp lực ngang hay áp lực ngang, chúng đóng góp khả năng hấp thụ năng lượng cao và hiệu quả

Khả năng chịu đựng của vật liệu được biểu hiện trong điều kiện hấp thụ năng lượng đặc biệt của nó, Es= S/D,ở đây D là tỷ trọng của vật liệu composite và S có nghĩa là ứng suất nén.Để bảo vệ người sử dụng trong một vụ va chạm, một cấu trúc phải dựa vào tính bền và độ cứng hơn nhiều với việc tối ưu.Hơn nữa,cấu trúc nên được sụp đổ trong một khu vực biến dạng

dễ phân biệt và giữ lực tốt bên dưới gia tốc nguy hiểm.Mặc dù vậy,khi lượng năng lượng hấp thụ bằng với vùng bên dưới áp lực đường đàn hồi, hai tiêu chuẩn kể trên thì mâu thuẩn với nhau,vì thế có nghĩa là nó không chỉ quan trọng để biết có bao nhiêu năng lượng được hấp thụ, mà còn biết nó hấp thụ như thế nào …, lực quán tính chuyển từ điểm tác động sang bảng chống đỡ như thế nào.Thành ra ,thêm vào đó để thiết kế cấu trúc có thể ổn định bền vững và cân bằng mỏi, cấu trúc phải được thiết kế cho phép hấp thụ năng lượng lớn nhất trong suốt quá trình va chạm

Hiện nay những va chạm ôtô xảy ra mỗi giờ trên khắp thế giới và đa số chúng đều rất nguy hiểm Kiểu va chạm tác động trực diện là một trong nhiều kiểu va cham khốc liệt nhất.Hình 4 cho thấy sự so sánh số lượng của những kiểu va chạm khác khác liên quan.Nó cho thấy tác động trực diện nhiều hơn mọi tác động khác

Frontal Side-Impact Rollover Rear-Impact

Hình 2.1: Các kiểu va chạm trong va chạm ôtô

2.2 Vật liệu composite trong sự chống va chạm:

Trong thiết kế xe cộ hiện đại ,vật liệu composite thì quan trọng hơn để giảm khối lượng của cấu trúc, phần chính trong sử dụng động cơ đốt trong, giảm khí thải và cải tiến tỷ số tiêu hao nhiên liệu.Mỗi ngày giá cả và nhu cầu sử dụng nhiên liệu gia tăng một cách ngẫu nhiên, thậm chí sự phát ra của hóa chất từ khí thải ôtô làm ô nhiễm môi trường và gia tăng nhiệt độ toàn cầu.Vật liệu composite giúp chúng ta trong việc giảm khối lượng cấu trúc do đó đem lại sự giảm nhiên liệu sử dụng

Composite là vật liệu được thiết kế để cung cấp độ cứng và độ bền đặc biệt cao (độ cứng và

độ bền được xác định bởi khối lượng riêng vật liệu), đó là cấu trúc hiệu quả cao, quan hệ với cấu trúc vật đã được sử dụng trước đây.Trong vật liệu composite, độ cứng và độ bền được tạo ra bởi cốt cường độ và modul cao

Vật liệu composite cốt vi sợi được sử dụng rộng rải trong nhiều cấu trúc xe cộ vận tải khác nhau bởi vì độ bền, modul cao và khả năng chịu lực cao của chúng.Nếu vật liệu composite được ứng dụng vào xe cộ, nó thì được mong đợi rằng không chỉ khối lượng của xe được giảm mà còn giảm độ ồn và dao động của xe.Khả năng để điều chỉnh vật liệu composite, thêm vào đó thuộc tính độ cứng cao đến khối lượng và độ bền, đến hệ số trọng lượng,độ bền mỏi và độ bền chống rỉ của chúng, làm cho chúng rất được quan tâm trong khả năng chống lại áp lực trong va chạm

Để đạt tới khối lượng toàn bộ và cải thiện điều kiện kinh tế nhiên liệu của xe cộ, ngày càng nhiều phần kim loại được thay thế bằng vật liệu dẽo composite.So sánh với kim loại, trong

sự nén, hầu hết vật liệu composite nhìn chung được sử dụng bởi đặt tính giòn hơn là đặt tính dẽo khi chịu áp lực.Trong khi cấu trúc kim loại sụp đổ dưới sức ép hay áp lực bởi sự uốn và sự gấp nếp nó bao gồm biến dạng dẽo tổng quát, vật liệu composite bị hỏng suốt một chuổi vết nứt trong cơ cấu bao gồm sự gãy sợi, ma trận nứt và ma trận craking, ma trận sợi debonding, sự phân lớp.Cấu trúc thực tế và chuỗi những nguy hiểm thì dựa vào rất nhiều hình dạng của cấu trúc, sự định hướng của lớp mỏng, kiểu khởi động và tốc độ ép, tất cả chúng có thể là kiểu thiết

kế phù hợp để phát triển máy móc chống lại năng lượng cao

2.3 Kiểu va chạm và cấu trúc:

2.3.1 Kiểu sự cố bất ngờ:

Kiểu sự cố bất ngờ thì không quan trọng để thiết kế cấu trúc bảo vệ.Loại sự cố này xuất hiện bởi vì những trường hợp sau:

- Khi các lớp giữa không bền và có vết nứt lớn xuất hiện

- Trong ống bao mỏng dài bởi vì cột không ổn định

- Trong ống bao gồm sự tăng cường sợi giòn, khi một bó lớp mỏng không uốn cong hoặc bẻ gảy làm cho lớp giữa đang bị nứt ít hơn bề dày của lớp

Sự cố bất ngờ được đặc trưng bởi một sự tăng đột ngột trong áp lực tới một trị số đỉnh được

đi theo sau bởi cột bên dưới một tải trọng phá hủy.Kết quả là, sự to lớn của năng lượng thực tế được hấp thụ ít nhiều và tải trọng tối đa quá cao để ngăn ngừa vết thương tới những người sử dụng

Sau đây là những lợi thế của kiểu phá hỏng dần trong việc thiết kế các cấu trúc có khả năng hấp thụ năng lượng :

- Sự hấp thu năng lượng trong va chạm tiến bộ hơn nhiều so với sự

hấp thụ năng lượng trong sự cố bất ngờ

- Một cấu trúc được thiết kế để phản ứng lại áp lực được tạo ra bằng năng lượng hấp thụ của kiểu phá hỏng dần là cao hơn so với những cấu trúc được thiết kế để phản ứng lại áp lực được tạo ra bằng năng lượng hấp thụ của sự cố bất ngờ

Sau đây là những loại hình khác nhau của kiểu phá hỏng dần:

2.3.3 Kiểu phân mảnh và cắt ngang:

- Kiểu phân mảnh được đặc trưng bởi một mặt cắt mỏng dạng nêm với

một hay nhiều các lớp ngắn và vết rạn nứt dọc mà nó thành lập nên bộ

phận của những bó lớp mỏng

- Ống gia cố sợi giòn trình bày kiểu phá hủy này

- Cơ chế hấp thụ năng lượng là những khe nứt của những bó lớp mỏng

- Khi sự phân lớp xuất hiện, chiều dài của dầm dọc và những vết rạn giữa các lớp là ít hơn của lớp mỏng

- Các cơ chế như sự phát triển những vết rạn nứt giữa các lớp và những khe nứt của bó lớp mỏng điều khiển quá trình va chạm của kiểu phân mảnh

Hình 2.2: Kiểu phá hủy phân mảnh

2.3.4 Kiểu chệch đầu nối hay sự uốn bản mỏng:

- Giữa các lớp rất dài và song song đến những vết nứt sợi mô tả kiểu chệch đầu nối Bó lớp mỏng không bị gãy

- Những cái ống gia cố sợi giòn trình bày kiểu phá hủy này

- Cơ chế hấp thụ năng lượng chính là ma trận nứt gia tăng Hai cơ chế hấp thụ năng lượng chủ yếu liên quan đến ma sát xuất hiện trong những cái ống mà nó trình bày kiểu chệch đầu nối

- Các cơ chế như giữa các lớp song song đến các sợi nứt tăng cường điều khiển quá trình va chạm của kiểu phân mảnh

Hình 2.3: Kiểu phá hủy chệch đầu nối

2.3.5 Sự gãy giòn:

- Kiểu ép gãy giòn là một sự liên kết giữa kiểu ép chệch đầu nối và sự vỡ ra từng mảnh

- Ống gia cố sợi giòn trình bày kiểu phá hủy này

- Cơ chế hấp thụ năng lượng chính là các vết rạn nứt của những bó lớp mỏng

- Khi sự gãy giòn xuất hiện, chiều dài của những vết nứt giữa các lớp mỏng nằm giữa 1 và 10 bề dày lớp mỏng

2.3.6 Mất ổn định cục bộ và sự uốn dần:

- Kiểu uốn dần được miêu tả bởi sự thành lập của kiểu uốn dọc cục bộ

- Kiểu này được trình bày bởi sợi mềm và sợi giòn được gia cố vật liệu composite

- Cơ chế giống như tính nhựa dẽo của sợi hay ma trận điều khiển của quá trình phá hủy của sự uốn dần

Hình 2.4: Kiểu phá hủy vết nứt giòn

2.4 Lý thuyết va chạm

2.4.1 Định nghĩa

Va chạm là một trường hợp đặc biệt của chuyển động cơ học, trong đó vận tốc các chất điểm của cơ hệ biến đổi hữu hạn trong thời gian rất bé khoảng 10-2-10-3 giây,… khoảng thời gian

đó được gọi là khoảng thời gian va chạm và được ký hiệu là τ

Hiện tượng va chạm được gặp nhiều trong thực tế, như rèn, dập, đóng cọc, nghiền vật liệu,…

2.4.2 Các đặc điểm của quá trình va chạm

2.4.2.1 Thời gian va chạm :

Theo định nghĩa thời gian va chạm là rất nhỏ, thực tế thời gian va chạm thường bằng 10-2giây, 10-3 giây hoặc 10-4 giây tùy thuộc vào cơ lý tính của vật va chạm.Vì thời gian va chạm là rất nhỏ nên được xem là một đại lượng vô cùng bé

ra gia tốc chuyển động của vật trong quá trình va chạm Lực đó gọi là lực va chạm ký hiệu N

Lực va chạm N khác với lực thông thường F nó chỉ xuất hiện trong quá trình va chạm, không tồn tại trước và sau va chạm

Vì gia tốc trong quá trình va chạm là rất lớn nên lực va chạm N cũng rất lớn.Thông thường lực va chạm thường lớn hơn rất nhiếu so với lực thường F Mặt khác lực va chạm lại biến đổi rất rõ trong thời gian va chạm vô cùng nhỏ nên người ta đánh giá tác dụng của nó qua xung lực

Áp dụng định lý biến thiên động lượng cho hệ trong thời gian va chạm có thể viết:

mk ∆vk = ∫ k.dt +∫ dt (k = 0,1,…,n)

Trong đó : Xung lực của lực thông thường ∫ k.dt là rất nhỏ so với xung lực va chạm

và ảnh hưởng của nó đến lượng biến đổi động lượng của hệ không đáng kể, người ta đưa ra giả thiết là bỏ qua tác dụng của lực thông thường Ta có thể viết biểu thức biến thiên động lượng của

hệ trong va chạm như sau:

Căn cứ vào mức độ hồi phục của vật ta có thể chia va chạm thành ba loại:

+ Va chạm mềm: là va chạm mà sau giai đoạn biến dạng vật không có khả năng hồi phục tức là không có giai đoạn hồi phục

+ Va chạm hoàn toàn đàn hồi: là va chạm mà sau khi kết thúc va chạm vật lấy lại nguyên hình dạng ban đầu

+ Va chạm không hoàn toàn đàn hồi: là va chạm mà sau khi kết thúc va chạm vật lấy lại một phần hình dạng ban đầu

Để phản ánh tính chất hồi phục của vật ở giai đoạn hai (giai đoạn hồi phục) ta đưa ra khái niệm hệ số hồi phục k Trong đó k bằng tỷ số giữa xung lực giai đoạn 2 và xung lực giai đoạn 1 ta có:

2 1

S k S



Hệ số khôi phục k phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp.Niutơn đã đưa ra giả thiết: Hệ số khôi phục k là hằng số trong quá trình va chạm Hệ số k chỉ phụ thuộc vào vật liệu của vật va chạm

Với khái niệm trên ta thấy ứng với va chạm mềm k=0, với va chạm hoàn toàn đàn hồi k=1 và va chạm đàn hồi nó chung 0 < k < 1

2.4.3 Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va chạm

Căn cứ vào các giả thiết và phương trình cơ bản có thể thiết lập các định lý tổng quát trong quá trình va chạm như sau:

2.4.3.1 Định lý biến thiên động lượng

Xét va chạm của một cơ hệ gồm các chất điểm M1, M2, … Mn có khối tâm C và vận tốc

S ta có:

∑ Si

k = 0 Nếu bỏ qua xung lượng của lực thì động lượng của hệ được viết

1

n e

2.4.3.2 Định lý biến thiên momen động lượng

Định lý momen động lượng đối với cơ hệ có dạng:

2.5 Vật liệu composite trong thanh dầm phía trước ôtô

Nghiên cứu trước đây cho thấy hiệu quả thiết kế và tăng cường việc sử dụng vật liệu composite vào một phần ôtô trực tiếp tác động đến sự an toàn, giảm khối lượng và khí thải của xe.Bởi vì hiệu quả thiết kế có thể hấp thụ sự biến dạng hơn và vật liệu composite có độ bền và

độ cứng đặc biệt cao và chúng cũng có đặc tính hấp thụ và làm giảm lực va chạm

2.5.1 Công việc liên quan trong thanh ngang phía trước xe hơi:

Cấu trúc thiết kế đạt được mục đích là một giới hạn công việc trong hệ thống giao thông của thiết kế ,ví dụ xe hơi ,xe tải, máy bay ,trực thăng và tàu.Mục đích của thiết kế một cấu trúc

có khả năng chịu lực là giảm năng lượng biến dạng vật liệu ,trong khi bảo vệ hành khách và hàng hóa khi va chạm.Một trong những đóng góp quan trọng nhất đến khả năng chịu lực của cấu trúc là kết cấu thành mỏng của cột mặt cắt ngang khác của cấu hình.Reid đã tìm ra lời khuyên về nguyên tắc để thiết kế động cơ mà đặc tính vật liệu có ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cấu trúc.Từ việc tìm kiếm đó sẽ đưa ra ý kiến về việc thiết kế lại và tạo ra sự tin cậy trong việc đề suất thiết kế,nơi mà việc kiểm tra có thể không đồng nhất.Nhiều việc tìm kiếm trên thanh ngang được chế tạo bằng vật liệu composite đã được báo cáo.Thornton đã điều tra vụ sụp đổ hướng tâm của đường hầm hình tròn được tạo ra từ carbon, kevlar, vi sợi thủy tinh,vật liệu composite.Ông ấy cũng đề nghị bộ phận kích hoạt cản trở sự cố bất ngờ của cấu trúc composite giòn,dễ vở và tạo ra sự hư hỏng thường trực và sự phá hủy dần của chúng.Mặc dù bộ phận kích hoạt có thể tạo ra sự hư hỏng thường trực trong ống composite ,nó là lý thuyết khó khăn tới chế tạo đường ống composite với nhiều loại kích hoạt khác nhau

Hình 2.5: Cấu trúc phía trước bằng composite

Mamalis nghiên cứu về chế tạo của một ôtô hourglass mặt cắt ngang kết cấu thanh.Kết cấu thanh được tạo bởi sợi thủy tinh ,thiết kế sử dụng trong bộ phận chắn bùn của xe để nâng cao khả năng chịu lực tại vị trí đó của xe khi chịu tải trọng động và tải trọng hướng tâm So sánh giữa lý thuyết và thực tiễn liên quan giữa tải trọng phá hỏng và sự hấp thu năng lượng ,chứng tỏ mệnh đề

lý thuyết có thể có ích cho sự dự báo năng lượng tác động đến thể tích của lớp vỏ sụp đổ

Hình 2.6: Dựa vào thí nghiệm thiết lập và theo dõi va chạm

Hình 2.7: Trục va chạm của ống composite hỗn hợp

2.5.2 Vật liệu composite:

2.5.2.1 Composite trong một phần xe hơi:

Tăng cường sự hợp lý và yêu cầu của thị trường về an toàn,trọng lượng của xe sẽ đạt đươc sự hợp lý nhất trong tương lai.Trong thời gian này sự đòi hỏi của môi trường ngày càng trở nên

mạnh hơn và khối lượng nhỏ sẽ là một phần quan trọng của chúng.Ở châu Âu, công ty xe hơi chấp nhận tăng toàn bộ 25% hiệu suất chất đốt vào năm 2005 so với năm 1990

Hiệu suất chất đốt của xe ảnh hưởng trực tiếp đến trọng lượng xe.Cấu trúc xe bằng sợi carbon thì nhẹ hơn 57% so với cấu trúc bằng thép cùng kích thước và đảm bảo bảo vệ va chạm tốt hơn, tăng độ bền va đặc tính cách âm và chịu nhiệt tốt hơn

Vật liệu composite có thể tìm thấy nhiều cơ hội trong công nghiệp ô tô như tăng cường hiệu suất chất đốt.Với 75% chất đốt tiêu thụ liên quan trực tiếp tới trọng lượng xe.Công nghiệp ô tô kỳ vọng một cải tạo ấn tượng là sử dụng từ 6 đến 8 % nhiên liệu để giảm hơn 10% trọng lượng xe.Sự biến đổi đó để giảm 20 kg khí cacbonic trên 1 kg xe trong quảng đời của xe

Thời gian đầu FRB được giới thiệu đến đội đua xe thể thức 1 McLaren vào năm 1980.Từ đó, khả năng chịu đựng của xe đua được nâng cao trên sự mong đợi.Sợi carbon được sử dụng trong công nghiệp chế tạo thân xe với khối lượng nhỏ, độ bền cao và đáp ứng được tiêu chuẩn an toàn phá hỏng cao

Báo cáo từ Mỹ và Canada dự báo rằng chất dẽo và composite sẽ được sử dụng rộng rãi trong việc tạo ra phần thân hệ thống giảm chấn, bộ phận mềm, dầm, trục động cơ và phần di chuyển của xe.Thêm vào đó, máy rotor sử dụng sự đúc chuyển nhựa (RTM) cho máy nén khí hay bơm tăng áp của xe được dùng để thay thế cho kim loại với những loại máy khác nhau

2.5.2.2 Thiệt hại trong va đập được đáp ứng trong vật liệu composite:

Một số lượng đáng kể trong viêc tìm kiếm được hội tụ vào việc nghiên cứu tỉ mỉ sự thiệt hại, khả năng chịu đựng và cách chống lại sự đặt tải trọng trong va chạm.Thiệt hại do va chạm trong vật liệu composite xảy ra khi một chủ thể bên ngoài gây ra suốt chiều dài hoặc trong mặt phẳng gẩy của kim loại.Vùng thiệt hại có thể là vùng khảo sát bề ngoài hoặc được sử dụng quang học hoặc hiển vi học điện tử,quét siêu âm va ảnh âm thanh

Thiệt hại trong va đập ở tấm mỏng composite được gắn liền với cách thức hỏng nguy hiểm: sự phân lớp, ma trận nứt và sự đút sợi.Ma trận nứt và sự phân lớp là đặt tính của ma trận nhựa.Trong khi sự đứt thì đáp ứng hơn với sợi tiêu biểu và đạt tính kỹ thuật và thường là nguyên nhân chịu lực cao

2.5.2.3 Ma trận rạn nứt:

Ma trận rạn nứt trong một composite đồng chất là nguyên nhân của ứng suất kéo và ứng suất tập trung ở bề mặt ma trận sợi.Một ứng suất kéo cao là kết quả trong một mô hình kéo dài và nặng hơn.Năng lượng tổng cộng tác động bởi ma trận nứt thì bằng với năng lượng bề mặt của sản phẩm và một phần nhỏ được tạo bởi vết nứt.Phần lớn hơn vết nứt là nguyên nhân gây nên sự đứt nhánh ,trong trường hợp này vết nứt chạy trong hướng bình thường đến hướng chung của chổ gẫy.Trong nhiều trường hợp,vùng bề mặt tạo nên bởi vết nứt lớn hơn vùng tương đương đến vết nứt nguyên thủy,tăng cường đáng kể năng lượng vết nứt Trong thực tế nó có thể tăng cường tính bền của vật liệu composite hoặc hấp thụ năng lượng thiệt hại tổng cộng trong va chạm

2.5.2 Sự phân lớp:

Sự định hướng khác của lớp có thể đẩy mạnh sự phân lớp của hai lớp gần kề vì độ cứng không khớp ở bề mặt phân giới của chúng.Vùng phân lớp chịu tác động trực tiếp bởi những thay đổi trong năng lượng của va chạm Vết nứt, nó có thể bắt đầu sự phân lớp , có thể truyền qua nhiều lớp và có thể dừng lại khi đầu vết nứt đến bề mặt ma trận sợi ở những lớp gần kề

2.5.2.5 Sự cắt sợi:

Sự cắt sợi có thể là một kết quả trực tiếp của sự truyền vết nứt theo phương vuông gốc với sợi.Nếu được duy trì liên tục , sự cắt sợi cuối cùng sẽ tạo thành một sự chia cắt hoàn chỉnh cua dát mỏng.Đạt được giới hạn biến dạng nứt trong một thành phần composite kết quả la sự cắt sợi.Về năng lượng va chạm tương tự ,do công suất cao của sợi hấp thụ năng lượng kết quả là phần nhỏ sợi bị cắt và độ bền kéo còn dư cao.Thiệt hại ma trận thứ yếu , mà nó xuất hiện sau sự nứt sợi ban đầu, cũng giảm bớt, độ bền nén còn dư tăng

2.5.2.6 Sự hấp thụ năng lượng trong vật liệu composite khác:

Vật liệu composite hấp thụ nhiều năng lượng hơn thép và nhôm.Thép có modul đàn hồi cao nhưng vẫn không hấp thụ năng lượng cao hơn.Trong vật liệu composite những loại sợi khác nhau

có độ cứng khác nhau.Ví dụ, sợi carbon thì bền hơn sợi thủy tinh, nhưng sợi thủy tinh chịu đựng lực trong một thời gian dài hơn sợi carbon.Khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu composite tạo nên một sự kết hợp duy nhất để giảm khối lượng và tăng khả năng chịu đựng cho cấu trúc xe

Hình 2.8: Năng lượng đặc biệt của các vật liệu khác nhau

2.5.2.7 Đặc tính tác động năng lượng hấp thụ của vật liệu composite:

2.5.2.7.1 Sợi

Farley báo cáo rằng trong những việc kiểm tra, chỉ đạo trên những mẫu có thể so sánh được, sợi carbon được tăng cường những cái ống hút năng lượng cao so với sợi thủy tinh hay sợi aramid.Theo số liệu trong Bảng 1.Những lý do khiến điều này liên quan đến vật lý.Những thuộc tính của những sợi, những cơ chế thất bại và những độ bền liên kết ma trận sợi toàn bộ

Farley quan sát thấy sợi thủy tinh và carbon tăng cường ống chất dẻo nhiệt rắn tăng sức

ép lên trong chế độ vỡ vụn và sự chệch đầu nối Aramid (Kevlar và Dyneema) tăng cường chất

xơ ống chất dẻo nhiệt rắn.Mặt khác,bị ép bởi một chế độ tiến bộ kiểu tạo nếp Tương tự như các kết quả đã được kiểm tra khi tác động tĩnh và nén đã được tiến hành trên than chì / epoxy,

Kevlar / epoxy và dụng cụ thủy tinh / epoxy composite ống mẫu tương ứng.Các than chì / epoxy

và thủy tinh / epoxy có ống góc nếp gấp triển lãm chế độ gãy giòn bao gồm: sự phân cắt sợi và

sự phân tách lớp, trong khi các Kevlar / epoxy có ống góc nếp gấp gảy trong một chế độ uốn Độ biến dạng thấp nhất để phá hỏng sợi thủy tinh và sợi carbon , phá hỏng khoảng 1% độ biến dạng, so với sợi aramid, phá hỏng vào khoảng 8% độ biến dạng, thuộc tính này để sự khác biệt trong hành vi ứng xử

Bảng 2.1.Năng lượng hấp thụ cụ thể của các vật liệu composite

diameter ratio

Specific Energy absorption Carbon-Epoxy

do mà ứng suất nén của sợi aramid là khoảng 20% của tensor ứng suất Ngoài ra, do tính chất mềm thiên nhiên, sợi aramid các tiến bộ tạo nếp gấp cơ chế hỏng Điều này hấp thụ năng lượng

ít hiệu quả hơn sự phá hỏng giòn

Bảng 2.2: Đặc tính vật lý của các kiểu sợi khác nhau

) Trục modul đàn hồi

(GN/m3)

Tensor ứng suất (MN/ m3) Sợi Carbon

(Modul cao)

Những điểm sau đây có thể là giá đáng chú ý về ma trận

G1C: Tạo độ bền liên lớp cao, của ma trận dẻo nóng vật chất gây ra một sự tăng trong sự hấp thụ năng lượng của vật liệu composite

Sự tăng trong sự biến dạng ma trận phá hỏng dẫn đến sự hấp thụ năng lượng cao trong những sự tăng cường sợi giòn

Thay đổi trong độ bền cứng có rất ít ảnh hưởng vào năng lượng hấp thụ

Thornton & Jeryan báo cáo cụ thể hấp thu năng lượng là một chức năng của tensile ứng suất và modun kéo của ma trận resin, và nó gia tăng với trật tự Phenolic <polyester <epoxy cho các ống sợi thủy tinh Trong khi quan sát này có thể được hợp lý, nó không chắc chắn xác minh bằng sự liên quan trực tiếp đến dữ liệu đặc tính của vật liệu (Bảng 2), bởi vì sự truyền bá trong báo cáo giá trị

Bảng 2.3: Đặc tính cơ học của hệ thống chất dẻo

(kg/m3)

Modul đàn hồi (GN/m2)

Tensor ứng suất (MN/m2)

Sợi carbon tăng cường cho ống composite với các loại khác nhau của ma trận nhiệt dẽo

đã được học.Năng lượng đặt biệt của ống dẽo nhiệt thực hiện theo trình tự PAS<PI<PEI< PEEK.Trong một nghiên cứu tương tự ,năng lượng hấp thụ của carbon / PEI (C/PEI) , carbon / polyimide (C/PI) ,carbon / polyarylsulfore (C/PAS) ,carbon / PEEK (C/PEEK) được khám phá và

so sánh với carbon / epoxy va thủy tinh / polyester.Ống dẫn nhiệt carbon chứng tỏ khả năng hấp thụ năng lượng mạnh hơn ( ES = 128-194 kJ/Kg) so với cấu trúc carbon /epoxy (ES = 110 kJ/Kg) hoặc glass/polyester ( ES = 80 kJ/Kg)

2.5.2.7.3 Sợi và ma trận liên kết:

Những sự nghiên cứu được mô tả ở trên hướng tới để liên hệ khả năng hấp thụ năng lượng của FRP tới những thuộc tính riêng lẻ của những sợi thành phần và ma trận của nó.Nó được đề xướng rằng năng lượng hấp thụ căn bản tùy thuộc vào dạng tương quan (hơn là tuyệt đối) đặc tính của sợi và ma trận Nói riêng, ông ta thông báo những giá trị liên quan đó của sợi

và sự biến dạng ma trận hỏng ảnh hưởng một cách đáng kể đến sự hấp thụ năng lượng.Nó được gợi ý rằng sự hấp thụ năng lượng cực đại đạt được từ một FRP, một ma trận vật chất với một biến dạng hỏng bậc cao so với sự tăng cường sợi cần phải được sử dụng.Điều này bảo đảm nghiền nhỏ bởi sự phân đoạn năng lượng cao

2.5.2.7.4 Hiệu quả của sự định hướng và sự ngưng trữ:

Sự định hướng của những sợi trong một lớp đã cho, và sự định hướng tương đối của những lớp liên tiếp bên trong một sản phẩm nhiều tấm, có thể ảnh hưởng một cách đáng kể đến những thuộc tính một thành phần cơ khí

Khả năng hấp thụ năng lượng khác nhau với các lớp định hướng.Các biến thể trong khả năng hấp thu năng lượng đặc biệt được quan sát để kiểm tra về [0 /]3ống carbon / epoxy

15  45 Khả năng hấp thu năng lượng đặc giảm xuống khá rõ rệt trên giới hạn này.Điều này sẽ đề nghị rằng sợi carbon hấp thụ năng lượng nhiều nhất khi khuynh hướng của họ hướng tới sự đặt tải.Tuy nhiên, nó đã được lưu ý rằng một dát mỏng bao gồm toàn bộ các sợi00 sẽ không có đặc tính hấp thụ năng lượng tốt Trong đó, sự vắng mặt của một lớp ở bên ngoài vành lớp mỏng ống (900) có thể dẫn đến hấp thu năng lượng rất thấp

Thích hợp tới những cái ống aramid/ epoxi, nó được quan sát mà quan sát những sự biến đổi nhỏ hơn trong khả năng hấp thụ năng lượng khoảng[0 /]3.Sự hấp thụ năng lượng đặc biệt nói chung tăng với việc tăng qua phạm vi 0 0

45  90 .Không có sự biến đổi quan trọng được quan sát khỏang 150  450.Khuynh hướng này đối diện đối với việc được quan sát ống carbon-epoxi

2.6 Thuật toán va chạm tiếp xúc

2.6.1 Giới thiệu

Cách sử lý của sự trượt và tác động đến bề mặt luôn là một khả năng quan trọng trong mã DYNA3D Ba phương pháp riêng biệt để xử lý điều này được thực hiện mà chúng tôi sẽ xem như phương pháp ràng buộc động học, phương pháp hàm phạt và phương pháp tham số phân tán Trong đó, cách tiếp cận đầu tiên giờ chỉ được sử dụng cho buộc dao diện.Những giá trị liên quan đến mỗi cách tiếp cận được bàn luận ở dưới

Giao diện có thể được định nghĩa trong ba kích thước bằng việc liệt kê trong một trình tự bất kì tất cả các tam giác và những đoạn tứ giác mà gồm có mỗi cạnh của bề mặt Mỗi cạnh của bề mặt được chỉ định như cạnh phụ, Và cạnh khác được chỉ định như cạnh chính Những nút nằm trong những bề mặt đó được tham chiếu tới như những nút chính và phụ tương ứng Ở phương pháp hàm phạt cân đối, phân biệt này là không liên quan, nhưng phương pháp khác nút phụ bị bắt buộc trượt trên bề mặt chính sau tác động và phải tiếp tục vào bề mặt chính cho đến lực căng phát triển giữa nút và bề mặt

Ngày nay, định nghĩa tiếp xúc tự động được thường sử dụng Trong phương pháp này bề mặt phu và chính được tạo ra nội tại trong LS - DYNA từ bộ phận ID được đưa cho mỗi bề mặt Cho

mô hình va chạm xe cộ hoàn toàn thông thường để bao gồm toàn bộ xe cộ trong một định nghĩa tiếp xúc bề mặt đơn nơi tất cả nút và yếu tố trong giao diện tương tác

2.6.2 Phương pháp ràng buộc động học

Phương pháp ràng buộc động học mà sử dụng ảnh hưởng và điều kiện phóng thích Hughes et al [ 1976 ] đã được triển khai trước tiên trong DYNA2D [Hallquist 1976b] và cuối cùng mở rộng cho ba chiều trong DYNA3D Ràng buộc được áp dụng trên cân bằng toàn cục do biến đổi của thành phần chuyển vị nút của nút phụ dọc theo bề mặt tiếp xúc Biến đổi này có ảnh hưởng loại