Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp

Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN SỸ TÀI

TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CỦA MÔ HÌNH MŨ

AN TOÀN CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN SỸ TÀI

TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CỦA MÔ HÌNH MŨ

AN TOÀN CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: NGUYỄN SỸ TÀI

Đề tài luận văn: Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung Luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 15 tháng 10 năm

2019 với các nội dung sau:

- Cắt bỏ bớt mục 2.4 “Một số bài toán sử dụng trong bài toán phần tử hữu hạn”ở trang 19 đến trang 22;

- Bổ sung phạm vi nghiên cứu của đề tài ở trang 07;

- Chuẩn hóa thuật ngữ “BHLĐ” bằng thuật ngữ “ATVSLĐ” ở phần Mở đầu

- Chỉnh sửa các lỗi đánh máy và lỗi trình bày trong luận văn

Ngày tháng năm 2019

TS Trần Đình Long Nguyễn Sỹ Tài

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TS Trần Ích Thịnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LỜI CAM ĐOAN

Tên học viên: Nguyễn Sỹ Tài

Mã số học viên: CB170266

Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Viện Đào tạo Sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội

Tên đề tài: “Tính toán độ bền của mô hình mũ an toàn công nghiệp”

Lời cam đoan của học viên:

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong nội dung luận văn là do tôi thực hiện nghiên cứu tại Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Đình Long

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2019

Học viên

Nguyễn Sỹ Tài

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Trần Đình Long

đã tận tâm hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới lãnh đạo và đồng nghiệp tại đơn vị công tác đã quan tâm, ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập

MỤC LỤC

Danh mục các bảng và hình ảnh………… ……… 3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.……… 5

MỞ ĐẦU……… ……… 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Các báo cáo và thống kê về sự ảnh hưởng của mũ ATCN đến NLĐ 9

1.1.1 Tình hình trong nước 9

1.1.2 Tình hình nước ngoài 10

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến mũ ATCN 13

1.3.1 Nghiên cứu trong nước 13

1.3.2 Nghiên cứu nước ngoài 16

1.4 Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử Mũ ATCN 17

1.4.1 Yêu cầu kỹ thuật 17

1.4.2 Chỉ tiêu kỹ thuật và yêu cầu đối với Mũ ATCN 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP 24

PHẦN TỬ HỮU HẠN 24

2.1 Khái niệm chung của phương pháp 24

2.2 Nội dung của phương pháp 24

2.3 Ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn 25

2.3.1 Trình tự phân tích giải bài toán theo phương pháp PTHH 25

2.3.2 Các phần tử cơ bản 27

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MŨ ATCN VÀ SỬ DỤNG 30

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN 30

3.1 Xây dựng mô hình 3D mũ ATCN bằng phần mềm CATIA 30

3.2 Phân tích độ bền mô hình Mũ ATCN bằng phần mềm ANSYS 32 3.3 Mô hình hóa 3D và quy trình giải các bài toán cho Mũ ATCN 35

3.3.1 Mô hình 3D Mũ ATCN 35

3.3.2 Các bước giải bài toán 37

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN MŨ BẰNG PHẦN MẦM ANSYS 38

VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM 38

4.1 Các bước đặt điều kiện ban đầu 38

4.1.1 Đưa mô hình 3D mũ ATCN vào môi trường Ansys 38

4.1.2 Gán dữ liệu ban đầu: vật liệu, đơn vị… 38

4.1.3 Đặt tải trọng và ràng buộc cho mô hình phân tích 39

4.1.4 Tiến hành chia lưới cho mô hình 40

4.2 Giải các bài toán 41

4.2.1 Bài toán va đập giảm chấn 41

4.2.2 Bài toán đâm xuyên 44

4.2.3 Bài toán ép ngang 46

4.3 So sánh với kết quả thực nghiệm 51

4.3.1 Giới thiệu về Hệ thống thử nghiệm Mũ ATCN 51

4.3.2 So sánh kết quả thực nghiệm 52

4.3.2.1 So sánh kết quả độ bền va đập 52

4.3.2.2 So sánh kết quả độ bền đâm xuyên 55

4.3.2.3 So sánh kết quả độ bền ép ngang 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

Danh mục bảng biểu Trang

Bảng 1 YCKT của mũ ATCN trong TCVN và một số nước trên thế giới 20

Bảng 2 YCKT và ngoại quan đo được của mũ Bullard – USA 37

Bảng 3 Thông số liên quan đến vật liệu ABS 39

Bảng 4 Tổng hợp kết quả độ bền va đập 52

Bảng 5 So sánh KQTN độ bền va đập giữa sử dụng Ansys và tại PTN 53

Bảng 6 Tổng hợp kết quả độ bền đâm xuyên 55

Bảng 7 So sánh KQTN độ bền đâm xuyên giữa sử dụng Ansys và tại PTN 55

Bảng 8 Tổng hợp kết quả độ bền ép ngang 57

Bảng 9 So sánh KQTN độ bền ép ngang giữa sử dụng Ansys và tại PTN 59

Danh mục hình ảnh Hình 1 Số liệu thống kê tai nạn lao động từ năm 2016 đến 2018 9

Hình 2 Thống kê tai nạn lao động tại Hàn Quốc năm 2016 10

Hình 3 Hướng dẫn thao tác khi sử dụng Mũ ATCN đúng cách 11

Hình 4 Hệ thống thử nghiệm độ bền va đập Mũ ATCN tại KOSHA 11

Hình 5 Ảnh hưởng của chấn thương so với chiều cao khi tương tác mũ ATCN 12

Hình 6 Thiết bị thử nghiệm Mũ ATCN 14

Hình 7 Mũ ATCN sau khi thử nghiệm 15

Hình 8 Mũ ATCN có lớp xốp (Hàn Quốc) 15

Hình 9 Mũ ATCN không có lớp xốp (Việt Nam) 15

Hình 10 Kết cấu mũ ATCN 19

Hình 11 Các dạng hình học đơn giản của phần tử 26

Hình 12 Một số phần tử cơ bản 28

Hình 13 Phần tử khối tuyến tính, khối bậc hai và khối tứ diện 29

Hình 14 Các module thường dùng trong Catia 31

Hình 15 Giao diện phần mềm ANSYS 32

Hình 16 Xây dựng các vấu gắn cầu mũ 35

Hình 17 Mô hình 3D mũ ATCN 35

Hình 18 Bản vẽ chi tiết mô hình mũ ATCN 36

Hình 19 Mũ ATCN hãng Bullard – USA 36

Hình 20 Sơ đồ quy trình sản phẩm ở cơ sở sản xuất 37

Hình 21 Sơ đồ quy trình hướng đến cho sản phẩm 37

Hình 22 Đưa mô hình 3D mũ ATCN vào môi trường Ansys 38

Hình 23 Thông số vật liệu và khối lượng đo bằng Ansys 39

Hình 24 Đặt các ràng buộc liên kết cho mô hình mũ ATCN 40

Hình 25 Đặt các lực và tải trọng lên mô hình mũ ATCN 40

Hình 26 Kết quả chia lưới cho mô hình mũ ATCN 41

Hình 27 Kết quả độ chuyển vị sau va chạm 42

Hình 28 Kết quả phân tích ứng suất sau va chạm 43

Hình 29 Kết quả độ chuyển vị sau khi thử đâm xuyên 45

Hình 30 Kết quả ứng suất sau va chạm đâm xuyên 45

Hình 31 Kết quả độ chuyển vị ép ngang ở điều kiện F=30N, t=30s 47

Hình 32 Ứng suất đo được khi ép ngang ở điều kiện F=30N, t=30s 47

Hình 33 Kết quả độ chuyển vị tăng lực ép với tốc độ 100 N / phút tới khi đạt được 430 N và giữ lực này trong 30s 48

Hình 34 Ứng suất khi lực ép với tốc độ 100 N / phút tới khi đạt được 430 N và giữ 30s48 Hình 35 Kết quả độ chuyển vị khi lực được giảm xuống 25 N và ngay lập tức phải tăng lên 30 N và giữ lực này trong 30 giây 49

Hình 36 Ứng suất khi khi lực được giảm xuống 25 N và ngay lập tức phải tăng lên 30 N và giữ lực này trong 30 giây 49

Hình 37 Đồ thị chuyển vị quá trình ép ngang 51

Hình 38 Hình Thiết bị thử nghiệm độ bền va đập và độ bền đâm xuyên 51

Hình 39 Hình Thiết bị thử nghiệm độ bền ép ngang 52

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AT-VSLĐ : An toàn - Vệ sinh lao động

PTBVCN : Phương tiện bảo vệ cá nhân

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong sự nghiệp Công nghiệp hóa và hiện đại hóa Việt Nam hiện nay thì vấn

đề bảo đảm môi trường làm việc, sức khỏe và an toàn cho NLĐ là trách nhiệm của

cơ quan quản lý và NSDLĐ Một trong những vấn đề đó là công tác Bảo hộ lao động mà cụ thể là trang bị cho NLĐ các trang thiết bị PTBVCN để sử dụng trong quá trình làm việc cho an toàn nhằm giảm thiểu và hạn chế các nguy cơ, tai nạn trong công việc

Bảo hộ lao động thể hiện quan điểm coi con người vừa là động lực, vừa là mục tiêu của sự phát triển Một đất nước có tỷ lệ tai nạn lao động thấp, người lao động khỏe mạnh, không mắc bệnh nghề nghiệp là một xã hội luôn luôn coi con người là vốn quý nhất, sức lao động, lực lượng lao động luôn được bảo vệ và phát triển Công tác bảo hộ lao động làm tốt là góp phần tích cực chăm lo bảo vệ sức khỏe, tính mạng và đời sống người lao động, biểu hiện quan điểm quần chúng, quan điểm quý trọng con người của Đảng và Nhà nước, vai trò của con người trong xã hội được tôn trọng

Ngược lại, nếu công tác bảo hộ lao động không tốt, điều kiện lao động không được cải thiện, để xảy ra nhiều tai nạn lao động nghiêm trọng thì uy tín của chế độ, uy tín của doanh nghiệp sẽ bị giảm sút

Tại Việt Nam, theo thống kê hàng năm, tai nạn lao động liên quan đến bộ phận Đầu do các yếu tố rơi, ngã, văng bắn vật trong quá trình lao động gây thiệt hại về thương vong cho NLĐ và ảnh hưởng đến kinh tế doanh nghiệp là vô cùng lớn Một trong những nguyên nhân chính là do chất lượng sản phẩm kém chất lượng, không được đánh giá các chỉ tiêu chất lượng từ khâu thiết kế đến sản xuất theo các quy định của nhà nước ban hành Tiếp đó là công tác kiểm tra của các phòng thử nghiệm

có chức năng kiểm định còn quá ít, sau đó là chi phí cho các lần thử nghiệm khá lớn cũng là nguyên nhân làm cho doanh nghiệp né tránh khi sản xuất đưa ra thị trường

mà không qua đánh giá kiểm tra tại các phòng thử nghiệm được nhà nước chỉ định

Còn trên thế giới tại các nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc báo cáo hàng năm của họ về tai nạn lao động đều ít hơn so với Việt Nam rất nhiều, điều

đó thể hiện qua sự nhất quán về quản lý nhà nước của họ về công tác Bảo hộ lao động Đó là công tác tuyên truyền về nhận thức của NLĐ, sau đó là sự giám sát đầu vào về chất lượng sản phẩm của doanh nghiệp, đến đầu ra là kiểm tra chứng nhận kết quả của nhà nước họ Một trong những công cụ góp phần vào việc kiểm tra, thiết kế sản phẩm cho phù hợp đạt được các chỉ số từ doanh nghiệp đến các PTN là

họ đang áp dụng các phần mềm kỹ thuật (CAE) cho quá trình hình thành và đưa sản phẩm vào sử dụng

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là giải các bài toán bền bằng phần mềm ANSYS theo các chỉ tiêu kỹ thuật được quy định theo TCVN 6407:1998 Đề tài hướng đến sử dụng phần mềm vào tính toán bền với các thông số lực tác động lên mũ ATCN để

cụ thể hoá đưa ra các số liệu kết quả và đồ thị, đồng thời là công cụ hữu hiệu và không thể thiếu trong quá trình kiểm tra khi thiết kế trên phần mềm cho doanh nghiệp, tiếp đó hướng tới xây dựng thành các PTN ảo cho quá trình kiểm tra đánh giá chất lượng của các loại PTBVCN

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mũ an toàn công nghiệp đang được sử dụng rộng rãi cho công nhân, người lao động để phục vụ quá trình làm việc và lao động hằng ngày nhằm bảo vệ khỏi các chấn thương cơ học Nội dung nghiên cứu được giới hạn trong phân tích và giải một số bài toán va chạm, lực tác dụng dựa vào phần mềm kỹ thuật Ansys và so sánh kết quả với thực nghiệm Cụ thể giải 3 bài toán sau:

- Độ bền va đập;

- Độ đâm xuyên;

- Độ bền ép ngang

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đặt ra, phương pháp nghiên cứu là sử dụng các phần mềm kỹ thuật Catia để thiết kế xây dựng mô hình của mũ an toàn công nghiệp theo

đúng quy cách, kích thước của mô hình thật Sau đó sử dụng phần mềm Ansys phân tích giải các bài toán va chạm theo TCVN 6407:1998

Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực sử dụng các phần mềm chuyên ngành vào việc phân tích, giải các bài toán kỹ thuật nhằm tổng kết và đánh giá ưu/nhược điểm của các phương pháp và cách tiếp cận hiện nay Từ đó, tập trung nghiên cứu để đưa ra nhiều phương pháp và cách giải quyết các bài toán kỹ thuật, nâng cao hiệu quả của các phương pháp này

Xây dựng quy trình và các bước để giải các bài toán kỹ thuật theo yêu cầu từ

đó đưa ra các số liệu, bảng biểu sau tính toán

So sánh thực nghiệm trên mô hình mũ an toàn công nghiệp đã tính toán để kiểm chứng các kết quả với thực tế mũ an toàn công nghiệp hiện đang được thử nghiệm thực tế tại PTN PTBVCN – Viện Khoa học An toàn và Vệ sinh lao động

Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm các phần chính sau đây: Chương 1 Trình bày tổng quan về mũ an toàn công nghiệp

Chương 2 Trình bày về cơ sở toán học của phương pháp phần tử hữu hạn Chương 3 Trình bày cơ sở xây dựng mô hình hóa mũ an toàn công nghiệp và

sử dụng phần mềm tính toán các bài toán kỹ thuật

Chương 4 Giải các bài toán kỹ thuật bằng phần mềm Ansys và so sánh thực nghiệm

Cuối cùng là kết luận với những đánh giá những mặt đã làm được và chưa làm được của luận văn Từ đó rút ra bài học kinh nghiệm và đề xuất hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các báo cáo và thống kê về sự ảnh hưởng của mũ ATCN đến NLĐ

1.1.1 Tình hình trong nước

Năm 2018, Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội thông báo rên toàn quốc đã

xảy ra 7.997 vụ tai nạn lao động (TNLĐ) làm 8.229 người bị nạn, trong đó:

- Số người chết vì TNLĐ: 1.039 người (trong đó, khu vực có quan hệ lao động:

622 người, giảm 6,6% so với năm 2017; khu vực người lao động làm việc không theo hợp động lao động: 417 người, tăng 59,16% so với năm 2017);

- Số vụ TNLĐ chết người: 972 vụ (trong đó, khu vực có quan hệ lao động: 578

vụ, giảm 10,8% so với năm 2017; khu vực người lao động làm việc không theo hợp động lao động: 394 vụ, tăng 57,6% so với năm 2017);

- Số người bị thương nặng: 1.939 người (trong đó, khu vực có quan hệ lao động: 1.684 người, tăng 0,18% so với năm 2017; khu vực người lao động làm việc không theo hợp động lao động: 255 người, tăng 8,97% so với năm 2017);

- Nạn nhân là lao động nữ: 2.667 người (trong đó, khu vực có quan hệ lao động: 2.489 người, tăng 7,42% so với năm 2017; khu vực người lao động làm việc không theo hợp động lao động: 178 người, giảm 56,58% so với năm 2017)

Hình 1 Số liệu thống kê tai nạn lao động từ năm 2016 đến 2018

1.1.2 Tình hình nước ngoài

Hàn Quốc được biết đến là một nước phát triển, đối với an toàn trong lao động

họ xem đó là một chính sách cần thiết và luôn được chú trọng hàng đầu Hiện nay nói về PTBVCN thì Hàn Quốc được biết đến là nước đang cung cấp nhiều sản phẩm nổi tiếng và chất lượng trên thị trường trong đó có Việt Nam như: COV, HANKO…Chính vì vậy song song với việc phát triển thị trường thì vấn đề nghiên cứu cơ sở khoa học và xây dựng phương pháp, công bố các chỉ số được các cơ quan quản lý Hàn Quốc rất chú trọng

Năm 2018, Sung Hun Kim 1, Changwon Wang 2, Se Dong Min 3 and Seung Hyun Lee 4 [24], đã công bố về công trình “Nghiên cứu hệ thống quản lý mũ ATCN cho công nhân trong ngành xây dựng bằng cảm biến gia tốc ba trục” Báo cáo này đưa ra về tình trạng tai nạn lao động do tai nạn dẫn đến tử vong do chấn thương bộ phận đầu ở năm 2017 tăng 4,5%, nguyên nhân là do sử dụng mũ ATCN không đúng cách

Hình 2 Thống kê tai nạn lao động tại Hàn Quốc năm 2016

Qua đó cơ quan Bộ lao động và Bộ Y tế tại Hàn Quốc đã xây dựng nhiều chỉ tiêu, tiêu chuẩn và các khuyến nghị cảnh báo, hướng dẫn thực hiện đúng về cách sử dụng mũ ATCN

Hình 3 Hướng dẫn thao tác khi sử dụng Mũ ATCN đúng cách

Tại Hàn Quốc thì KOSHA được biết đến là đơn vị duy nhất có chuyên môn về an toàn lao động và họ có chức năng được phép thử nghiệm các chất lượng PTBVCN trong

đó có mũ ATCN

Hình 4 Hệ thống thử nghiệm độ bền va đập Mũ ATCN tại KOSHA

Nước Mỹ cũng được biết đến là một quốc gia có nhiều chính sách quan trọng về sự

an toàn cho người lao động, các PTBVCN do Mỹ sản xuất đều có một quy trình nghiêm ngặt và kinh phí để sử dụng nó cũng không hề nhỏ

Năm 2016, Sang Chul Kim 1, Young Sun Ro 2, Sang Do Shin 3 và Joo Yeong Kim 4 [25] tại tạp chí “Sức khỏe cộng đồng” có bài viết nói về tác dụng phòng ngừa tai nạn liên quan đến chấn thương sợ não khi không dùng mũ ATCN Báo cáo này đưa ra con số so sánh tỉ lệ tai nạn sọ não gây chết người liên quan đến phần đầu tại Hàn Quốc là 20%, còn tại Mỹ là 14% trên tổng số người chết do tai nạn mỗi năm

Hình 5 Ảnh hưởng của chấn thương so với chiều cao khi tương tác mũ ATCN

1.2 Các quy định liên quan đến mũ ATCN

An toàn lao động, luôn là một vấn đề được xã hội và nhiều ban ngành quan tâm An toàn để sản xuất ra của cải vật chất nhưng sản xuất ra của cải vật chất thì phải an toàn Đó luôn là khẩu hiệu mà người lao động phải nhớ Bên cạnh những biện pháp về kỹ thuật đảm bảo, một biện pháp cuối cùng và không thể thiếu đó là sử dụng phương tiện bảo vệ cá nhân và mũ an toàn công nghiệp là một trong những phương tiện đó Bởi mũ an toàn công nghiệp là phương tiện bảo vệ cá nhân có công dụng đặc biệt dùng để bảo vệ đầu người lao động khỏi chấn thương do các vật rơi hoặc một số yếu tố nguy hiểm khác gây ra như điện, hóa chất do vậy cần quan tâm tới chất lượng của mũ an toàn công nghiệp

Chính vì vậy hiện nay có nhiều văn bản được các cơ quan quản lý nhà nước ban hành và đang có hiệu lực áp dụng liên quan đến các quy định về chỉ tiêu kỹ thuật, yêu cầu đối với mũ an toàn công nghiệp Cụ thể:

- Thông tư Số: 04/2014/TT-BLĐTBXH ban hành ngày 12 tháng 02 năm 2014 quy định về “Hướng dẫn việc thực hiện chế độ trang bị phương tiện bảo vệ cá nhân”, trong đó có quy định bắt buộc các đối tượng sử dụng Mũ an toàn công nghiệp trong các công việc cụ thể;

- QCVN 06:2012/BLĐTBXH do Ban soạn thảo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về

Mũ an toàn công nghiệp biên soạn, Cục An toàn lao động trình duyệt, Bộ Khoa học và Công nghệ thẩm định và được ban hành theo Thông tư số 04/2012/TT - BLĐTBXH ngày 16 tháng 02 năm 2012 của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội

- TCVN 2603 – 87 quy định về yêu cầu “Mũ bảo hộ lao động cho công nhân hầm lò”

- TCVN 6407 : 1998 tương đương với ISO 3873 : 1977 quy định về “yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử cho mũ an toàn công nghiệp”

- Thông tư 28/2012/TT-BKHCN ngày 12/12/2012 của Bộ KHCN quy định về hướng dẫn “Công bố hợp quy mũ bảo hộ lao động”

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến mũ ATCN

1.3.1 Nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam chất lượng của mũ an toàn công nghiệp trong nhiều năm nay được quan tâm như đã ban hành các tiêu chuẩn TCVN 2603-1987 và TCVN 6407-

1998, nay các chỉ tiêu chất lượng được qui định trong qui chuẩn QCVN 06:2012/BLĐTBXH, do Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội ban hành, để giám sát chất lượng mũ, sau đây có một số nghiên cứu liên quan tới mũ an toàn công nghiệp:

Năm 1985, KS Nguyễn Quốc Chính và cộng sự [2], đã nghiên cứu mũ chống chấn thương sọ não Kết quả của nghiên cứu đã đề xuất được hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật cho mũ, phù hợp với điều kiện của Việt Nam Xây dựng đồng bộ hệ thống thiết bị thử các chỉ tiêu kỹ thuật của mũ Ví dụ sử dụng lực kế và hệ thống cảm biến để đo độ giảm chấn của mũ đảm bảo độ tin cậy cao để xác định thời gian bắt cháy của thân mũ thay cho xác định tốc độ bắt cháy của vật liệu

Năm 2003, TS Lưu Văn Chúc và cộng sự [1], đã xây dựng hệ thống đánh giá chất lượng mũ an toàn công nghiệp hiện đại tương đương với hệ thống đánh giá chất lượng của các nước như Nhật, Hàn Quốc Cụ thể đã xây dựng hệ thống thiết bị bao gồm các thiết bị sau: Thiết bị đo độ bền va đập, giảm chấn và đâm xuyên với dải đo: 1-10kN, sai số≤7%, thiết bị đo độ bền cháy, thiết bị đo độ cứng ép ngang

Do đó việc giám sát chất lượng của mũ an toàn công nghiệp đã được thực thi trong vài năm gần đây

Hình 6 Thiết bị thử nghiệm Mũ ATCN

Năm 2010, Nguyễn Thị Thu Thủy và cộng sự [6], xây dựng được qui trình thực nghiệm xác định thời gian sử dụng mũ an toàn công nghiệp sử dụng ngoài trời

ở Việt Nam và đã xác định được thời gian sử dụng của một số loại mũ phổ biến dùng hiện nay

Hình 7 Mũ ATCN sau khi thử nghiệm

Năm 2009, TS Phạm Thị Bích Ngân [3], và các cộng sự đã đề cập đến khả năng chống nóng của 2 loại mũ bảo hộ lao động: màu trắng và màu xanh Phía trong

mũ có một lớp xốp mỏng (khoảng 2 cm) có tác dụng chống nóng

Hình 8 Mũ ATCN có lớp xốp (Hàn Quốc)

Hình 9 Mũ ATCN không có lớp xốp (Việt Nam)

1.3.2 Nghiên cứu nước ngoài

Năm 1986, Hickling [14], đã nghiên cứu 12 yếu tố có thể ảnh hưởng tới việc bảo vệ đầu người đội mũ khi làm việc đó là: độ bền thời tiết, tính chất nhiệt, độ bền

va đập/giảm chấn, phân bố khối lượng, mức độ vừa vặn, cỡ và kiểu dáng, độ vừa vặn và sự duy trì hoạt động, thể tích của mũ, yếu tố tầm nhìn, các yếu tố tốc độ và

âm thanh, tính tương hợp của mũ

Năm 1989, Nagata [17] đề xuất các yêu cầu cho một chiếc mũ được đội trong suốt mùa hè đó là:

- Vật liệu sản xuất mũ phải phản xạ tốt bức xạ nhiệt từ mặt trời, ví dụ, màu trắng hoặc với một bề mặt phẳng và nhẵn

- Hệ số truyền nhiệt thấp cho các vật liệu làm thân mũ;

- Thông gió hoặc không gian mái vòm đủ rộng để ngăn chặn sự gia tăng nhiệt

độ và độ ẩm giữa thân mũ và đầu

Năm 1976, Fonseca [11], nghiên cứu ảnh hưởng của khe thông gió trong mũ ATCN tới truyền nhiệt bay hơi Tác giả xác định rằng tổng diện tích bao phủ đầu cần thiết giảm từ 67% đến 47% làm tăng đáng kể truyền nhiệt bay hơi Thêm vào

đó, lợi ích của hệ thống thông gió không tồn tại khi một không gian không lớn tồn tại giữa vỏ mũ và đầu

Năm 1988, Abeysekera và Shahnavaz [7], nghiên cứu những lợi ích của mũ ATCN thông gió trong cả ở phòng thí nghiệm và ở khu khai thác Trong nghiên cứu này, mũ thông gió đã được nhận thấy là ít nóng hơn và do đó đổ mồ hôi ít hơn so với mũ không có thông gió

Năm 2009, M.T Halimi và cộng sự [15] đã mô phỏng số về tính chất trao đổi nhiệt và độ ẩm của mũ an toàn công nghiệp Để giúp người thiết kế tối ưu hóa các tính chất nhiệt của mũ, ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt và độ dày lớp lót vào nhiệt độ vi khí hậu của mũ

1.4 Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử Mũ ATCN

1.4.1 Yêu cầu kỹ thuật

Mũ ATCN hiện nay rất đa dạng về chủng loại và mẫu mã để phù hợp với từng công việc Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng mũ ATCN là vô cùng lớn, lượng lao động này chủ yếu là các ngành xây dựng, cơ khí, viễn thông Mũ ATCN được cung cấp ra thị trường hiện nay do một số cơ sở sản xuất trong nước như: doanh nghiệp Thuỳ Dương, doanh nhiệp chế tạo uông Bí và nhập khẩu từ nước ngoài như: COV (Hàn Quốc), 3M (Mỹ) Mũ ATCN sản xuất ở trong nước hay nhập khẩu đều phải đảm bảo các yếu tố sau:

 Vật liệu làm mũ

Yêu cầu đối với vật liệu làm mũ

- Vật liệu làm thân mũ cần có độ bền cơ lý cao, phải giữ được tính chất này trong suốt thời gian sử dụng

- Vật liệu làm mũ không được là chất có độc, không bị phân hủy do tác dụng của mồ hôi, các dung dịch tẩy rửa tạo ra các chất độc trong khoảng không giữa mũ, không gây kích thích khi tiếp xúc với da

- Vật liệu làm mũ phải bền với xăng dầu, dầu khoáng, các chất điện phân (axit, kiềm…), nước nóng và các dung dịch thử

- Vật liệu thân mũ khi cháy cần không được bắn tung tóe, tạo giọt, tốc

độ chảy của mẫu vật liệu thân mũ không quá 50mm/phút

- Vật liệu làm thân mũ không được tạo tia lửa điện khi va chạm với kim loại

- Vật liệu tạo mũ cần bền, hoặc kỵ nước

- Vật liệu thân mũ có tính chất cách điện cao

Vật liệu làm mũ thường là polyethylene tỷ trọng cao (PEHD), Acrylonitrin butadien styren (ABS), Polyester cốt sợi thuỷ tinh, polyamit (PA), Polycacbonat (PC)… Tuy nhiên nhựa ABS và PEHD được sử dụng nhiều nhất Các loại mũ ATCN của Hàn Quốc, Nhật, Trung Quốc, Đài Loan, … chủ yếu được làm bằng hai loại nhựa trên Ở Việt Nam, các nhà sản xuất thường không công bố vật liệu làm

mũ, song theo nhãn mác dán trên một vài loại mũ, vật liệu sử dụng cũng thường được giới thiệu là ABS

 Kết cấu mũ hiện nay

Trong tiêu chuẩn thì kết cấu mũ cần phải:

- Mũ phải thuận tiện không cản trở tới thao tác của người lao động

- Mũ cần có kết cấu hoàn chỉnh (phải có 3 bộ phận cơ bản: thân mũ, các bộ phận bên trong, quai mũ)

- Thân mũ phải có hình bầu dục, những chi tiết đưa ra cần uốn tròn.Cho phép bên ngoài thân mũ có một số cạnh cứng

- Cần thiết bị bên trong bao gồm bộ giảm chấn, vành đệm đầu, các khóa và dây điều chỉnh Các chi tiết này cần phải tháo mở được, điều chỉnh được độ rộng hẹp, nông sâu sao cho vừa với đầu (theo cỡ đầu)

- Mũ cần được sản xuất theo nhiều cỡ khác nhau (cỡ mũ chính là độ dài theo chu vi của cầu mũ được tính bằng cm)

- Trọng lượng mũ hoàn chỉnh không được quá 400-450g

- Mức độ giảm thị trường do mũ không được quá 8%

- Lưỡi trai mũ không được dài quá 55mm và góc nghiêng từ 20-320

- Mũ phải an toàn với năng lượng va đập là 50J

- Mũ phải đảm bảo phân bố đều tải trọng va đập khắp bề mặt tiếp xúc với đầu Độ giảm chấn của mũ phải…

- Thân mũ không được có các chi tiết dẫn điện, mũ phải bền điện……

- Khoảng không vành khuyên (khoảng không giữa vành đai mũ và thân mũ) không được nhỏ hơn 5mm và lớn hơn 25mm

- Khoảng không an toàn (khoảng không giữa cầu mũ với đỉnh mũ) không được nhỏ hơn 25mm Khi thử độ bền va đập, khoảng không an toàn không được nhỏ hơn 5mm

Hình 10 Kết cấu mũ ATCN

1.4.2 Chỉ tiêu kỹ thuật và yêu cầu đối với Mũ ATCN

Mũ an toàn công nghiệp là phương tiện bảo vệ cá nhân có công dụng đặc biệt dùng để bảo vệ đầu người lao động khỏi chấn thương do các vật rơi hoặc một số yếu tố nguy hiểm khác gây ra như điện, hóa chất

Yêu cầu kỹ thuật trong các tiêu chuẩn được thể hiện bằng một loạt các chỉ tiêu, nhóm các chỉ tiêu như sau:

- Nhóm các chỉ tiêu về kết cấu:

+ Khe hở thẳng đứng

+ Khe hở xung quanh

+ Chiều sâu bên trong

+ Khối lượng

+ Độ giảm thị trường (ở số ít tiêu chuẩn)

+ Độ bền của băng chịu lực (ở số ít tiêu chuẩn)

+ Độ bền hoá chất (ở số ít tiêu chuẩn)

Các chỉ tiêu bắt buộc áp dụng cho tất cả các mũ ATCN, các chỉ tiêu lựa chọn chỉ áp dụng cho các loại mũ có các đòi hỏi riêng về tính năng bảo vệ Bảng 2 chỉ ra yêu cầu kỹ thuật của mũ ATCN trong các tiêu chuẩn của Việt Nam và một số nước:

Bảng 1 YCKT của mũ ATCN trong TCVN và một số nước trên thế giới

TT Chỉ tiêu kỹ

thuật

Mức đạt

TCVN 2603-

87

OCT 12.4.087-

80

OCT 12.4.128 -83

ANSI

Z89.1-

1986

Hàn Quốc 12-1995

TCVN 6407.199

8 (ISO 3873- 1977)

I Các chỉ tiêu về kết cấu, vật liệu

Không bị

hư hỏng khi chịu va đập

80J  0,2

Không bị

hư hỏng khi chịu

va đập 80J

-

Không bị

hư hỏng khi chịu

va đập m: 3,6kg h: 1,524m

va đập 50J

Ftr 5kN năng lượng va đập 50J

T0-500C,

400C

Ftr 5kN năng lượng va đập 50J

Ftr4450N vật va đập

m = 5kg

h  1m

Ftr4450N

m =3,6kg h: 1,524m

Ftr5kN

m = 5kg

h 1m -

100C

500C,

200C

 2 65%

 5

3 Độ bền đâm

xuyên

Mũi đâm xuyên 30J không chạm đầu

Mũi đâm xuyên 30J không chạm đầu

Mũi đâm xuyên 30J không chạm đầu

m:1,875kg h: 730mm sâu đâm xuyên

10mm, 15mm

m:0,45kg h:3,048m sâu đâm xuyên

 9,5mm

11,1mm

m=3

kg h=1

m Mũi đâm xuyê

n khôn

g chạ

m đầu

III Các chỉ tiêu bảo vệ để lựa chọn

1 Độ bền điện Ir1,0mA

(U:2,2kV)

Ir 0,5mA (U: 400V)

Ir 3mA (U:2,2kV, 1ph )

Ir  9mA (U: 20kV, 3ph)

Ir 10mA ( 20kV)

Ir1,2 m

A (U: 1200V)

100N

Biế

n dạn

g 40m

m

15m

m

dư (430N)

-

H2SO4

NaOH, Xăng, Dầu

Chú thích:

- TCVN 2603- 87: Mũ BHLĐ cho công nhân mỏ hầm lò

- OCT 12.4.087 80 Mũ cho thợ xây dựng, yêu cầu kỹ thuật

- OCT 12.4.128 83 Mũ bảo vệ, yêu cầu kỹ thuật chung và phương pháp thử

- ANSI Z89.1- 1986 Safety helmet

- tiêu chuẩn hàn quốc 12/1995

- TCVN 6407 - 1998 mũ an toàn công nghiệp

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Khái niệm chung của phương pháp

Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp số, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của

nó Tuy nhiên PP PTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền xác định V mà chỉ trong từng miền con (phần tử) thuộc miền xác định V Do đó phương pháp này rất thích hợp với hàng loạt bài toán vật lý và kỹ thuật trong đó có hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau Phương pháp ra đời từ trực quan phân tích kết cấu, rồi được phát biểu một cách chặt chẽ và tổng quát như một phương pháp biến phân

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau bởi các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PP PTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền

2.2 Nội dung của phương pháp

Phương pháp phần tử hữu hạn có nội dung như sau: Để giải một bài toán biên trong miền V, ta chia thành một số hữu hạn các miền con (j = 1, , n) sao cho hai

miền con bất kì không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn

Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài toán biên ban đầu trong một không gian hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền V Có thể chọn cơ sở của không gian này gồm các hàm số ψ1(x), , ψn(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần tử ở gần nhau Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được tìm dưới dạng:c1ψ1(x) + + cnψn(x), trong đó các ck là các số cần tìm

Thông thường người ta đưa việc tìm các ck về việc giải một phương trình đại

số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số đường song song nằm sát với đường chéo chính là khác không) nên dễ giải Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền

có dạng hình học phức tạp Phương pháp phần tử hữu hạn có thể dùng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình

2.3 Ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lí thuyết đàn hồi và dẻo, cơ học chất lỏng, cơ học vật rắn, cơ học thiên thể, khí tượng thuỷ văn, v.v

Phương pháp phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể

Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn cũng được dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, như trong vật lý plasma, các bài toán về truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trường điện từ

2.3.1 Trình tự phân tích giải bài toán theo phương pháp PTHH

Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát

Trong bước này, miền khảo sát V được chia thành các miền con 𝑉𝑒 hay thành các phần tử có hình dạng thích hợp

Với bài toán cụ thể thì số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kích thước các phần tử phải được xác định rõ Số điểm nút mỗi phần tử không được lấy một các tủy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn

Các phần tử thường có dạng hình học đơn giản như hình dưới đây (hình 12):

Hình 11 Các dạng hình học đơn giản của phần tử

Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

Vì đại lượng cần tìm là chưa biết, nên ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn giản đối với tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các điều kiện tiêu chuẩn hội tụ, và thường được chọn ở dạng đa thức

Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo một tập hợp giá trị và có thể có cả các đạo hàm của nó tại các nút phần tử  q e

Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử

 K e và véc tơ tải  P e

Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân, Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phương trình phần tử:  K e. q e =  P e

Bước 4 : Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình tương thức mà kết quả là hệ

 P : là véc tơ các số hạng tự do tổng thể (hay véc tơ tải tổng thể)

Rồi sử dụng các điều kiện biên của bài toán, mà kết quả nhận được là hệ phương trình sau: *

Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là phương trình để giải

Bước 5 : Giải hệ phương trình đại số

Mỗi phần tử có các đặc trưng sau: họ phần tử, bậc tự do, số nút v.v Tên của mỗi

phần tử sẽ thể hiện đặc trưng của phần tử theo những mặt trên

- Họ phần tử

Một trong những khác biệt lớn nhất đối với các họ phần tử là loại hình học giả định của mỗi họ sử dụng

Có các họ phần tử sau: họ phần tử khối, họ phần tử vỏ, họ phần tử dầm, họ phần tử thanh v.v Mỗi họ phần tử đều có những đặc trưng khác nhau, được sử dụng trong các kết cấu khác nhau

Hình 12 Một số phần tử cơ bản

- Bậc tự do

Bậc tự do (DOF) là những biến cơ bản trong tính toán phân tích Đối với một tính toán mô phỏng chuyển vị - ứng suất thì các bậc tự do là dịch chuyển tại mỗi nút Một số họ phần tử, chẳng hạn như dầm và vỏ, có bậc tự do là các chuyển động quay Với một mô phỏng truyển nhiệt bậc tự do là nhiệt độ tại mỗi nút Do đó, đòi hỏi việc sử dụng phần tử khác nhau với một phân tích ứng suất khác nhau, thì bậc tự

 Phần tử có các nút ở các đỉnh của nó, chẳng hạn như khối 8 nút (hình 18.a)

sử dụng phép nội suy tuyến tính theo mỗi hướng và được gọi là phần tử tuyến tính hay phần tử bậc nhất

 Phần tử với các nút ở giữa mặt bên, như khối 20 nút (hình 18.b) sử dụng phép nội suy bậc hai và được gọi là phần tử bậc hai

 Phần tử khối tứ diện với các nút giữa mặt bên như phần tử tứ diện 10 nút (hình18.c) sử dụng một thay đổi phép nội suy bậc hai và được gọi là phần tử bậc hai thay đổi

Hình 13 Phần tử khối tuyến tính, khối bậc hai và khối tứ diện

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MŨ ATCN VÀ SỬ DỤNG

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN

3.1 Xây dựng mô hình 3D mũ ATCN bằng phần mềm CATIA

Phần mềm Catia là phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế các chi tiết của người kĩ sư thiết kế Ngoài ra Catia còn cung cấp các chức năng lắp ghép các chi tiết máy rời rạc thành các cụm chi tiết, một cơ cấu máy hay một máy cơ khí hoàn chỉnh Người sử dụng phần mềm Catia có thể mô phỏng chuyển động của cụm chi tiết, cơ cấu hay máy cơ khí đã lắp ráp một ở trên một cách sinh động

Sự chuyển đổi giữa các môi trường làm việc trong Catia hết sức linh hoạt bằng cách sử dụng thanh Start giúp cho người thiết kế cảm thấy thoải mái và tiết kiệm được nhiều thời gian

Với những phần mềm thiết kế cơ khí khác như Pro/E, Solid Edge, Solid Work, Để bắt đầu lắp ráp các chi tiết máy đã thiết kế bạn cần thực hiện các thao tác như thoát file của chi tiết bạn đang thiết kế và tạo một file lắp ráp mới rất mất thời gian Đối với Catia, ngay khi bạn đang làm việc trong môi trường thiết kế chi tiết mà bạn muốn chuyển đổi sang môi trường lắp ráp thì bạn chỉ việc chọn thanh công cụ Start và sau đó chọn môi trường lắp ráp chi tiết là bạn đã thực hiện bước tạo file lắp ráp rất nhanh chóng và linh hoạt Hoặc khi muốn mô phỏng chuyển động của cơ cấu đã lắp ráp bạn cũng chỉ việc thực hiện thao tác tương tự như ở trên để vào môi trường mô phỏng chuyện động Ngoài ra bạn có thể thấy được những chức năng, tính năng thiết kế và mô phỏng của Catia khi bạn sử dụng nó

Catia có nhiều module lớn chia thành nhiều module nhỏ khác nhau: