NGHIÊN cứu THIẾT kế cải TIẾN TÍNH AN TOÀN kết cấu đầu ô tô KHÁCH

Nghiên cứu này ứng dụng kỹ thuật CAE tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng phân tích tính an toàn kết cấu đầu ô tô khách; trên cơ sở kết quả phân tích tính an toàn tiến hàn

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢI TIẾN TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU ĐẦU Ô TÔ KHÁCH

KHI XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN

TS Nguyễn Thành Tâm Khoa Công nghệ Động lực, Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Nghiên cứu này xây dựng mô hình phần tử hữu hạn ô tô khách, dùng phần mềm LS – DYNA tiến hành mô phỏng phân tích tính an toàn kết cấu đầu ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện 40%, 100% Phân tích kết quả mô phỏng cho thấy, kết cấu đầu ô tô khách sau khi va chạm bị biến dạng rất lớn, chèn

ép không gian an toàn người lái Căn cứ vào vấn đề tồn tại kết cấu đầu xe, tiến hành đưa ra các phương

án thiết kế cải tiến, đồng thời mô phỏng và kiểm nghiệm Kết quả mô phỏng cho thấy, tại vị trí biến dạng thêm các thanh trợ lực và hấp thu năng lượng va chạm thì đầu xe biến dạng ít, gia tốc va chạm giảm, bảo đảm tính an toàn cho hành khách

Từ khóa: va chạm trực diện, kết cấu ô tô khách, phân tích mô phỏng, cải tiến

SIMULATION RESEARCH STRUCTURE SAFETY FIRST CUSTOMER CAR SEAT WHEN

FRONTAL COLLISION

Dr Nguyễn Thành Tâm (Automotive Engineering Faculty, Industrial University of Ho Chi Minh City)

ABSTRACT

In this paper, build model the finite element for passenger car, use LS - DYNA software to calculating analyzing, simulating safety structural passenger car head when the collision frontal happens 40%, 100% The simulation results analysis shows structure head passenger car after the collision large deformation, tamponade safety space of the driver Aimed at existing problems of the passenger car structure, conducting make the improvement options, simultaneously simulation and test The simulation results show that the distortion at the locations the head passenger car in add bars power assist less distortion, accelerator collision reduced, meet requirements design

Keywords: Structural passenger cars, frame car, design of experiments, analysis simulation, improvement

1 Giới thiệu

Hiện nay, an toàn giao thông là vấn đề nhứt nhói đặt lên vai nhà quản lý và thiết kế giao thông, tai nạn giao thông rình rập xảy ra, số vụ xảy ra ngày một tăng và nghiêm trọng Theo thông kê tình hình an toàn giao thông tại Việt Nam trong những năm 2001 đến năm 2006 cho thấy trung bình mỗi năm xảy ra khoảng 24.000 vụ tai nạ giao thông làm chết khoảng 11.000 người và bị thương khoảng 27.000 người [4] Các loại hình tai nạn giao thông bao gồm va chạm trực diện, va chạm sau, va chạm mặt bên,vv; vụ tai nạn giao thông làm nhiều người chết phải kể đến là tai nạn xe chở nhiều người như xe khách Tỉ lệ các loại hình tai nạn giao thông ở Việt Nam được thể hiện ở bảng 1

Bảng 1: Tỷ lệ % các dạng va chạm tai nạn giao thông ở Việt Nam

Dạng va chạm Số tai nạn Tỷ lệ %

Va chạm trực diện 741 53,6

Va chạm sau 108 7,8

Va chạm bên 443 32,1

Va chạm khác 52 3,8

Theo số liệu thống kê của một số nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Anh,vv, tỉ lệ các loại hình tai nạn giao thông ở các nước được thể hiện ở bảng 2 [4]:

Bảng 2: Tỷ lệ % các dạng va chạm tai nạn giao thông ở một số nước

(1993)

Đức (1989)

Anh (1986)

Va chạm trực diện

51,5 58,3 66,7

Va chạm sau 3,8 10,8 6,3

Va chạm bên 29,6 22,1 23,1 Nóc và gầm 3,6 1,6 1

Va chạm khác 11,5 7,2 2,9 Tổng số 100 100 100

Theo số liệu thống kê ở bảng 1 và bảng 2 cho thấy, khoảng 50% đến 60% số vụ là va chạm trực diện, chiếm tỷ lệ lớn nhất, gây ra thiệt hại nặng nề nhất Do đó, nghiên cứu thiết kế cải tiến tính an toàn

kết cấu đầu ô tô khách là khâu quan trọng trong quá trình thiết kế ô tô Shen Fu Lin ứng dụng các phần

mềm phân tích kết cấu hiện đại như ANSYS, LS – DYNA phân tích kết cấu đầu, dầm xe khách Kết quả tính toán phân tích cho phép đánh giá được độ bền khung xương và đề xuất phương pháp cải tiến về kết cấu [2] Trong những năm gần đây, một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu trong nước đã có nhiều nỗ lực trong việc xây dựng các cơ sở đánh giá độ bền khung vỏ xe dưới tác động ở các loại tải trọng khác nhau, nhưng chỉ dừng lại chỉ dừng lại ở tính toán lý thuyết [4] Nghiên cứu này ứng dụng kỹ thuật CAE tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng phân tích tính an toàn kết cấu đầu ô

tô khách; trên cơ sở kết quả phân tích tính an toàn tiến hành cải tiến kết cấu nhằm tăng tính an toàn cho hành khách

2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xương ô tô khách

2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm va chạm

Quá trình xây dựng mô hình và mô phỏng dựa theo tiêu chuẩn đảm bảo không gian an toàn buông lái của xe khi xảy ra va chạm trực diện ECE R94, 96/79/EC của Euro NCAP (European New Car Assessment Programme) với thủ tục kiểm tra dựa trên những phát triển bởi Ủy ban an toàn châu Âu EEVC (European Enhanced Vehicle - safety Committee) cho pháp luật [6]

Thí nghiệm chiếc xe sẽ được di chuyển với vận tốc thử nghiệm là 50 km/h đâm vào một chướng ngại vật cố định, cứng, cao và rộng hơn tiết diện trước của xe Chiếc xe được thử nghiệm va chạm trực diện với 40%, 100% chiều rộng của xe vào chướng ngại vật [2]

Hạn chế thiết kế nội thất lấn sâu vào không gian bên trong, cũng như thay đổi vị trí của các bàn đạp sao cho người lái có được khoảng cách an toàn tốt nhất khi tai nạn diễn ra

2.1 Xây dựng mô hình

Mô hình thử nghiệm xe khách được tham khảo từ xe khách 42 chỗ của nhà sản xuất ô tô TRACOMECO với chiều dài tổng thể L = 10.150 m, chiều rộng tổng thể B = 2.485 m, chiều cao tổng thể H = 3.515 m, chiều dài cơ sở l = 5 m

Trên cơ sở ứng dụng phần mềm Catia xây dựng cấu trúc khung xương xe khách gồm các mảng được gắn với nhau: Đầu, khung bên trái, bên phải, nóc, sàn và chassis

Khung xương xe được thiết kế với các bộ phận khung với nhiều loại thanh thép dạng ống, có tiết diện hình chữ nhật Bỏ qua việc xây dựng các bộ phận như vỏ, động cơ, kính, truyền động, Để hạn chế mức

độ phức tạp của mô hình

Hình 2.1 Mô hình 3D khung xương xe khách

Sử dụng phần mềm HyperMesh chỉnh sửa, chia lưới trên mô hình xe khách 3D và xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của khung xe khách Tạo mô hình mặt đường, vật cản bằng cách sử dụng chức năng hình học như Nodes, lines, Trasnlate trên giao diện HyperMesh Chia lưới cho mô hình mặt

đường, vật cản theo kiểu lưới Mixed, kích thước lưới là 200mm

Các bước xây dựng mô hình phần tử hữu hạn:

2.1 Chia lưới mô hình khung xương xe khách

Từ bảng User Profiles chọn môi trường Ls - Dyna Nhập mô hình xe khách CAD 3D vào môi

trường HyperMesh, thực hiện tạo mặt giữa cho mô hình khung xương xe khách

Chọn kiểu lưới hỗn hợp (Mixed) với kích thước 20 mm trên toàn bộ khung xương ô tô khách

2.2 Kiểm tra chất lượng lưới và chỉnh sủa lưới lỗi

Từ bảng điều khiển thông số chất lượng lưới qualityindex, tỷ lệ lưới bị lỗi càng nhỏ sẽ càng tốt Thực hiện thao tác sửa lưới bị lỗi trên giao diện HyperMesh [5], [7] Sau đó, sử dụng check elems

panel để thực hiện việc kiểm tra chất lượng với các tiêu chuẩn phụ thuộc vào kích thước lưới

2.3 Hàn lưới

Việc hàn lưới rất quan trọng, vì toàn bộ lưới phải được liên kết với nhau trên một mô hình cũng như đảm bảo sự gắn kết giữa các chi tiết và liên kết rắn của khung xương xe khách, mặc dù tỷ lệ lỗi của lưới đạt yêu cầu

Hình 2.2 Cần hàn lưới để tạo liên kết chi tiết

Ta sử dụng phương pháp hàn Spotweld, theo cách hàn giữa các nút lưới using nodes, để đảm bảo

tính chặt chẽ, không bị ảnh hưởng khi có sự thay đổi về vật liệu của các chi tiết

Lưới cần hàn tại các vị trí liên kết của các chi tiết, tại đó các lưới, nút lưới không liên kết với nhau tại nơi tiếp xúc giữa các chi tiết, các mảng khung xương

Hình 2.3 Các nút lưới được hàn với nhau

2.4 Chọn vật liệu

Từ việc chia lưới mô hình, thiết lập các thành phần (Components) trên mô hình như các bộ phận khung xương xe Chọn Material để tạo vật liệu Sử dụng vật liệu có tính đàn hồi, cứng, dẻo như thép,

cao su Vật liệu có tính đàn hồi, dẻo được thiết lập theo MATL1 là MAT ELASTIC cho lốp xe Vật liệu cứng được thiết lập theo MATL20 là MAT RIGID cho vật cản, đường, cầu xe Vật liệu có tính đàn hồi như thép được thiết lập theo MATL24 là MAT PIECEWISE LINEAR PLASTICITY cho khung xương

xe khách, và mâm bánh xe

2.5 Tạo đặc tính cho mô hình

Tạo đặc tính cho mô hình bằng cách chọn Properties để xác định tính chất, bề dày, … cho các thành phần (Components) đã được tạo trước trong HyperMesh Từ đó có thể cập nhật các dữ liệu vào

Components đầy đủ

Tra cứu vật liệu và thiết lập đặc tính cho mô hình, trong đó độ dày của cấu trúc khung xương mảng đầu, khung bên trái, phải, nóc là 2mm, mảng sàn là 4mm Cấu trúc mảng chính Chassis dày 8mm đảm bảo sự cứng vững, bền, ổn định và an toàn khi xe chạy trên đường

2.6 Tạo liên kết giữa các thành phần trong mô hình

Tạo liên kết giữa các chi tiết có vật liệu khác nhau bằng cách tạo Set Nodes

Từ Tools, chọn Create Cards, tạo liên kết giữa trục xe với dầm và mâm với lốp xe băng cách chọn CONSTRAIND EXTRA NODES SET

Vị trí đầu người lái

Vị trí đầu người lái

Hình 2 4 Tạo liên kết giữa trục với bệ đỡ

2.7 Tạo tiếp xúc giữa toàn bộ xe với mặt đường, vật cản

Trong chức năng Interfaces chọ kiểu tiếp xúc SurfaceToSurface (tiếp xúc bề mặt) Trong Tools, chọn Create Cards, chọn tiếp phương pháp tiếp xúc theo kiểu CONTACT AUTOMATIC SURFACE

TO SURFACE, lấy các giá trị của hệ số ma sát là 0,15

2.8 Xác định chiều trọng lực

Chiều trọng lực hay phương phản lực tác dụng của tải trọng xe lên đường Các bước để tạo chiều

trọng lực tác dụng lên mặt đường Trong Tools chọn Create Cards, LOAD với chiều trọng lực là

LOAD BODY Z

Tạo đối tượng định vị hay cố định đối với vật cản, đường Trong Analysis chọn Constraints,

chọn đối tượng là mặt đường, vật cản

2.9 Gắn khối lượng bằng phương pháp chọn Nodes trên vị trí lưới

Mặc dù đã bỏ qua các bộ phận nhằm làm đơn giản quá trình mô phỏng nhưng cần nhập các giá trị khối lượng của những bộ phận đầy đủ cho mô hình giống như chiếc xe khách thực tế

Trong 1D chọn masses, xác định vị trí các bộ phận của xe và chọn Nodes để gắn khối lượng

Hình 2.4 Khối lượng đặt trên mô hình lưới

2.10 Xác định vị trí trên ghế ngồi của người lái để phân tích tác động

Khi xảy ra va chạm trực diện thì người lái và toàn bộ hành khách trong xe sẽ chịu tác động do sự thay đổi vận tốc Khi đó cơ thể sẽ va chạm với thành phần nội thất trong xe Chịu ảnh hưởng lớn nhất là người lái do độ biến dạng khung đầu xe làm không gian an toàn nơi người lái bị thu hẹp Trong bài báo này, xét tại vị trí của ghế người lái về gia tốc va chạm, đồng thời đảm bảo không gian an toàn buồng lái

Xây dựng trên mô hình ghế người lái với 3 Node để giả lập cho các vị trí như đầu, trọng tâm, mặt ghế ngồi của người lái Trong Analysis, chọn Output Block, chọn Node cần khảo sát

Hình 2.5 Vị trí người lái trên xe khách

2.11 Kiểm tra khối lượng xe khách và đặt điều kiện biên

Trong Tool chọn mass calc để tính khối lượng cho mô hình, thanh phần của mô hình Tổng khối

lượng xe khách có tải là 9859kg

Thiết lập điều kiện biên:

Trong Tools, chọn Create Cards,rồi chọn INITIAL, INITIAL VELOCITY, chọn tiếp

GENERATION, đặt tên Van toc

Node đặt khối lượng trên lưới

Vị trí trọng tâm

Ghế người lái Mặt ghế

người lái

Vị trí đầu người lái

Chọn các thông số đầu vào cho quá trình tính toán phân tích mô phỏng trên LS – DYNA Trong

Analysis, chọn Control Cards, sau đó chọn các bảng điều khiển: KEYWORD, CONTROL

ENERGY, CONTROL HOURGLASS, CONTROL TERMINATION, DATABASE BINARY D3PLOT, CONTROL TIMESTEP, DATABASE OPTION

Hình 2.6 Xây dựng mô hình trên HyperMesh

3 Phân tích kết quả mô phỏng tính an toàn va chạm trực diện ô tô khách

Từ mô hình phần tử trên HyperMesh hoàn chỉnh, tiếp tục nhập mô hình chạy trên LS – DYNA, phần mềm này có chức năng tính toán, phân tích mô phỏng và phát hiện lỗi một cách tự động theo thời gian tùy vào cấu hình máy, tính phức tạp của mô hình

Kết quả mô phỏng được thể hiện trên phần mềm HyperView sau tính toán, phân tích gồm: độ biến dạng vật liệu, ứng suất, năng lượng va chạm, gia tốc, vận tốc trong quá trình mô phỏng va chạm

Quá trình mô phỏng với tổng thời gian 180ms (0,18s), khoảng thời gian để xuất dữ liệu 6ms/lần Mức độ hao hụt năng lượng nhỏ hơn 1% so với tổng năng lượng va chạm

Hình 3.1 Xe và vật cản 40% phía trước

Hình 3.2 Xe và vật cản 100% phía trước

Hình 3.3 Va chạm chưa cải tiến ở 0ms

Hình 3.4 Sau va chạm 40% chưa cải tiến

Hình 3.5 Biến dạng Chassis trước (trái) và sau (phải) va chạm 40% khi chưa cải tiến

Hình 3.6 Va chạm 100% chưa cải tiến

Hình 3.7 Biến dạng Chassis khi va chạm 100% phía trước chưa cải tiến Kết quả mô phỏng của mô hình chưa cải tiến (nguyên bản) theo hình 3.4 và hình 3.6 cho thấy sau khi va chạm, toàn bộ khung xương đầu xe khách thử nghiệm 2 trường hợp va chạm 40%, 100% phía trước xe khách với vật cản đều bị biến dạng nghiêm trọng và lấn sâu đến không gian hành khách sau ghế người lái

Va chạm 40% phía trước với vật cản: Độ biến dạng lớn hơn và thấy rõ tại phía đặt vật cản như hình 3.4 và hình 3.5, đồng thời các thanh phía không có vật cản cũng bị uốn, kéo cong về phía có vật cản

Va chạm 100% phía trước với vật cản: lực va chạm được phân bố đều, do bề mặt tiếp xúc khi va chạm là toàn bộ phía trước đầu xe khách nên độ biến dạng ít hơn so với va chạm 40% nhưng không gian buồng lái bị chiếm và vẫn ảnh hưởng sâu đến không gian hành khách sau người lái

Không gian đầu

xe bị biến dạng nghiêm trọng

Chassis bị biến dạng

Buồng lái hoàn toàn bị biến dạng

Chassis bị biến dạng đều 2 bên

Hình 3.8 Phân tích yếu tố va chạm đầu xe với vật cản cố định Với kết quả mô phỏng ban đầu, tầm ảnh hưởng của vụ va chạm là rất nghiêm trọng do năng lượng

va chạm rất lớn, được tính theo công thức động năng, lực va chạm là hằng số [4]:

𝑊đ=1

2𝑚𝑣2 = 𝐹 ∆𝑋𝑚𝑎𝑥 Trong đó:

m là khối lượng xe

v là vận tốc chuyển động của xe

F lực biến dạng tức thời

ΔXmax độ biến dạng cực đại của đầu xe sau khi dừng va chạm

Để hạn chế biến dạng khung xương đầu xe cần có phương pháp cải tiến nhằm hấp thụ năng lượng

va chạm đồng thời giảm ảnh hưởng của thay đổi gia tốc trong va chạm đến con người trên xe

4 Phương án cải tiến kết cấu đầu ô tô khách

4.1 Chương trình cải tiến

 Phương án cải tiến thứ nhất: Tăng bề dày các thanh biến dạng đảm bảo độ bền

Tăng bề dày chassis phía trước từ 8mm lên 40mm để đạt độ bền khi va chạm Lúc đó khối lượng tổng khối lượng xe khách có tải xe sẽ là 10976kg

Nếu xét đến tính kính tế, khối lượng xe thì phương án cải tiến thứ nhất chưa đạt, ngoài ra an toàn của con người trên xe còn phụ thuộc vào gia tốc va chạm, nếu bộ khung xương thiết kế cứng, khi va chạm gia tốc sẽ tăng, rất nguy hiểm đến người trong xe

Hình 4.1 Chassis phía trước đảm bảo bền 40mm

 Phương án cải tiến thứ hai: Thêm các thanh trợ lực và tăng bề dày, các hấp thụ năng lượng

Theo cấu trúc khung xương ban đầu, từ kết quả biến dạng cấu trúc đầu xe và chassis phía trước

Do đó, cần tạo thêm các thanh gắn phía trước của chassis có tác dụng hấp thụ một phần năng lượng va chạm, đồng thời có thay đổi mới trong kết cấu chassis phía trước so với chassis phương án cải tiến thứ nhất, cần thiết kế thêm các thanh gia cố, thực hiện qua nhiều lần mô phỏng thu được kết quả đạt yêu cầu khi tăng độ dày chassis phía trước từ 8mm lên 14mm

F

Δv

m.a

Hình 4.2 Các thanh hấp thụ lực và gia cố chassis trước

Hình 4.3 Chassis và sàn xe đã được cải tiến

4.2 Đánh giá kết quả sau cải tiến về độ biến dạng cấu trúc khung xương và độ an toàn sau khi cải tiến

Hình 4.4 Mô phỏng ở 180ms va chạm 40% phía trước với vật cản sau cải tiến

Hình 4.5 Biến dạng Chassis trước (a) và sau (b) va chạm 40% phía trước sau cải tiến

Kết quả mô phỏng va chạm 40% phía trước đầu xe sau cải tiến trong các hình 4.4 và hình 4.5 cho thấy biến dạng khung xương rất ít so với chưa cải tiến Không gian an toàn của người lái an toàn

Hình 4.6 Mô phỏng ở 180ms va chạm 100% phía trước với vật cản sau cải tiến

6 thanh hấp thụ lực

4 thanh nối dài

3 mảng thép phẳng

Chassis trước có

độ dày 14mm

Chassis sau có

độ dày 8mm

Sàn xe có độ dày 5mm

Thanh hấp thụ lực dày 8mm

Không gian buồng lái

ít biến dạng và đảm bảo không gian an toàn

Chassis ít bị biến dạng

Không gian buồng lái ít biến dạng và đảm bảo không gian an toàn Các thanh gia

cố (xanh)

Hình 4.7 Biến dạng Chassis trước (trái) và sau (phải) va chạm 100% phía trước sau cải tiến Kết quả mô phỏng va chạm 100% phía trước đầu xe sau cải tiến trong các hình 4.6 và hình 4.7 cũng thấy biến dạng khung xương an toàn so với ban đầu Không gian an toàn người lái đảm bảo và ít biến dạng hơn so với va chạm 40% sau khi cải tiến

4.3 So sánh giá trị gia tốc

 So sánh giá trị gia tốc tại vị trí ghế người lái va chạm trực diện 40% phía trước

Hình 4.8 Đồ thị gia tốc tại vị trí đầu ghế người lái va chạm 40% phía trước

Hình 4.9 Giá trị gia tốc tại vị trí trọng tâm ghế người lái va chạm 40% phía trước

Độ biến dạng được hạn chế

49,

6

134

62,3 124,3