Nghiên cứu sự an toàn của người lái trong quá trình va chạm ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu an toàn người lái q trình va chạm tơ HỒNG TRỌNG ĐẠT Dat.HT211335M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thanh Tùng Trường: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 4/2022 Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung mơn tơ xe chun dụng nói riêng Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Thanh Tùng giúp đỡ, cho em lời khuyên hữu ích người truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học để em hoàn thành luận văn Em xin chúc thầy có thật nhiều sức khoẻ truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học cho hệ học viên Do thời gian nghiên cứu kiến thức thân hạn chế nên mong đóng góp thầy để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Hiện tiến ngành khoa học máy tính, việc ứng dụng phần mềm mơ kỹ thuật lĩnh vực công nghiệp xe ngày phổ biến Phần mềm mô kỹ thuật công cụ giúp hỗ trợ xử lý số liệu, hình ảnh, tính tốn cho kết nhanh xác nhằm hỗ trợ người kỹ sư, giúp tiết kiệm thời gian, nâng cao hiệu suất, suất làm việc Đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô lại q trình va chạm tơ theo tiêu chuẩn NHTSA có đủ mơ hình túi khí, người lái, dây đai an toàn Sử dụng phần mềm HyperCrash phần mềm HyperMesh hãng Altair để mơ hình hố theo mơ hình phần tử hữu hạn xe, người lái hệ thống an toàn thụ động như: túi khí, dây đai an tồn thiết lập tốn sau dùng giải Radioss để mơ Từ xây dựng tốn tính tốn mơ tốn va chạm tơ đầy đủ cho kết ứng suất khung toàn xe, đồ thị lượng, gia tốc, áp suất túi khí, thời gian bung túi khí, đánh giá chấn thương người lái mức độ an toàn người lái trình va chạm bao gồm số HIC, mức độ thâm nhập sàn vào khoang người lái, chấn thương đùi, cổ Bài tốn mơ va chạm với mơ hình đầy đủ người lái, túi khí, hệ thống ghế người lái, dây đai an tồn nhiều hãng xe trọng nghiên cứu trình phát triển xe Đặc biệt xu hướng phát triển xe ô tô điện ngày mạnh, hãng nghiên cứu khả an toàn mẫu xe xe xảy va chạm để đảm bảo an toàn cho người lái hành khách xe Trong trình thực luận văn thời gian lực hạn chế nên em chưa thể mô đầy đủ người ngồi xe Vì vậy, tương lai em mơ trường hợp có thêm mơ hình hành khách xe đánh giá mức độ an toàn toàn người ngồi xe trình va chạm Hà Nội, ngày 17 tháng 04 năm 2022 Học viên thực (ký, ghi rõ họ tên) Hoàng Trọng Đạt MỤC LỤC CHƯƠNG KHÁI QUÁT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề Lịch sử nghiên cứu an toàn ô tô Xu hướng nghiên cứu an tồn tơ 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Tổng quan giải pháp mô Bộ phần mềm HyperWorks Bộ giải Altair Radioss 1.4 Mục tiêu đề tài nghiên cứu Kết luận chương I CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp Explicit Implicit Lý thuyết học 13 2.2 Một số tốn mơ 17 Bài tốn tuyến tính tĩnh 17 Bài tốn phi tuyến tính 18 2.3 Bài toán va chạm xe 18 Tại phải mô va chạm xe 18 2.4 Bài tốn bung túi khí 19 Tại phải mô tốn bung túi khí 19 Mơ hình túi khí sử dụng mô 19 2.5 Các tiêu chuẩn đánh giá an toàn xe 22 Cơ quan an toàn giao thông quốc gia Mỹ - NHTSA 23 Viện Bảo hiểm an toàn đường Mỹ - IIHS 24 2.6 Tiêu chuẩn đánh giá túi khí 25 Thẩm định túi khí người lái 25 Thẩm định túi khí hành khách 26 Thẩm định túi khí bên 27 Thẩm định túi khí rèm 28 Kết luận chương 29 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TỐN VA CHẠM Ơ TƠ 30 3.1 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn 30 Tạo chỉnh sửa CAD 30 Chia lưới chỉnh sửa lưới 31 Gán vật liệu 35 3.2 Tạo connector 36 3.3 Điều kiện biên 36 3.4 Xuất mơ hình phần tử hữu hạn 38 Kết luận chương 38 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TỐN BUNG TÚI KHÍ TRÊN XE HƠI 39 4.1 Tổng quan phần mềm HyperCrash 39 Khả làm việc: 39 Ưu điểm 39 4.2 Các dạng gấp túi khí HyperCrash 39 4.3 Gấp túi khí 40 4.4 Thiết lập tốn bung túi khí phần mềm HyperMesh 42 Kết luận Chương 4: 45 CHƯƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH NGƯỜI LÁI 46 5.1 Tổng quan mơ hình dummy 46 Mô hình dummy 46 Tại phải sử dụng mô hình Dummy 46 Các loại mơ hình dummy 46 Mơ hình dummy đề tài 48 5.2 Thiết lập vị trí người lái - Dummy positioning 48 5.3 Thiết lập hệ thống dây đai an toàn - Seatbelt System 49 5.4 Mô biến dạng ghế lái - Seat Deformer 51 Kết luận chương 5: 53 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG CẢI TIẾN 54 6.1 Đánh giá kết tính tốn mơ 54 Phân tích biến dạng toàn phương tiện 54 Đồ thị lượng 54 Ứng suất 56 Quá trình va chạm dummy 57 Gia tốc 58 Thời gian bung áp suất túi khí 59 Chỉ số HIC - Head Injury Critertion 61 Mức độ xâm nhập sàn xe theo tiêu chuẩn IIHS 62 Chấn thương cổ người lái 63 Chấn thương đùi người lái 63 6.2 Một số phương án cải tiến tính an tồn thụ động ô tô 64 Phương án cải tiến kết cấu hấp thụ lượng 64 Phương án cải tiến túi khí 65 Phương án cải tiến dây đai an toàn 67 Kết luận chương 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ hình CAD xe Hình Mơ hình FEM xe Hình Meshing Hypermesh Hình Tối ưu hóa giải OptiStruct Altair Inspire Hình Mô va chạm xe với giải Radioss Hình Tối ưu hóa thiết kế Altair Inspire Hình Các ứng dụng Altair Feko Hình Mơ động điện với Altair FluxMotor Hình Một số toán giải pháp khác Hyperworks Hình 10 Mô thả rơi điện thoại Hình 11 Mơ va chạm xe Hình 12 Mơ vụ nổ thùng chứa xăng Hình 13 Mơ bung túi khí Hình So sánh kết thử nghiệm thực tế mơ FEM……… Hình 2 Máy thử nghiệm kéo vật liệu 14 Hình Đường cong stress – strain 14 Hình Đồ thị so sánh Engineering True stress-strain 15 Hình Mơ va chạm phần mềm ngồi thực tế 19 Hình Mơ hình túi khí phía trước người lái 20 Hình Mơ hình túi khí gấp vơ lăng 20 Hình Túi khí hành khách - Hình học 2D Túi khí FE phẳng 21 Hình Túi khí hành khách sau gấp 21 Hình 10 Túi khí bên trước sau gấp 21 Hình 11 Mơ hình túi khí rèm bên trước gấp 22 Hình 12 Mơ hình túi khí rèm bên gấp 22 Hình 13 NHTSA – Va chạm xe trực diện 23 Hình 14 NHTSA – Va chạm bên 23 Hình 15 NHTSA – Va chạm cột bên 24 Hình 16 IIHS – Đâm góc phía bên người lái 24 Hình 17 IIHS – Va chạm góc phía bên ghế phụ 24 Hình 18 IIHS - Va chạm bên 25 Hình 19 IIHS – Test độ bền xe 25 Hình 20 Setup thả rơi vật từ cao va chạm với túi khí người lái 25 Hình 21 Túi khí người lái vật thả rơi va chạm 26 Hình 22 Kết test mơ kiểm định túi khí người lái 26 Hình 23 Setup thả rơi vật từ cao va chạm với túi khí hành khách 26 Hình 24 Túi khí hành khách vật thả rơi va chạm 27 Hình 25 Kết test mơ kiểm định túi khí hành khách 27 Hình 26 Setup thả rơi vật từ cao va chạm với túi khí hành khách 27 Hình 27 Túi khí bên vật thả rơi va chạm 28 Hình 28 Kết test mơ kiểm định túi khí bên 28 Hình 29 Setup thả rơi vật từ cao va chạm với túi khí rèm 28 Hình 30 Túi khí rèm vật thả rơi va chạm 29 Hình 31 Kết test mô kiểm định túi khí rèm 29 Hình Mơ hình mặt chi tiết xe………………………… 30 Hình Chỉnh sửa đơn giản hóa hình học 30 Hình 3 Chia lưới 2D cho chi tiết mơ hình 31 Hình Nhấn phím tắt F10 để kiểm tra tiêu chuẩn lưới 33 Hình Chia lưới tồn mơ hình xe 34 Hình Check normal cho mơ hình 35 Hình Tạo connector cho chi tiết mơ hình 36 Hình Phần tử Rigid kết nối hệ thống treo bánh xe ô tô 36 Hình Mặt đường xiếp xúc với bánh xe 37 Hình 10 Vật cản tường cứng trực diện 100% 37 Hình 11 Vận tốc tồn xe 37 Hình 12 Khối lượng người ngồi ghế lái 37 Hình 13 Đặt điều kiện tiếp xúc chi tiết mơ hình 38 Hình 14 Kiểm tra penetration intersection 38 Hình 15 Xuất file phần tử hữu hạn 38 Hình Phần tử 1D gấp, chia lưới HyperCrash………………… 40 Hình Túi khí người lái thực tế 40 Hình Tạo hình học 1D cho túi khí 41 Hình 4 Nhập file FEM vào phần mềm HyperCrash 41 Hình Sử dụng cơng cụ AirBag Folder sau nhập thơng số túi khí 41 Hình Phần tử 1D túi khí 42 Hình Túi khí sau gấp xong 42 Hình Túi khí sau chia lưới 42 Hình Export file file FEM giải Radioss 42 Hình 10 Mơ hình túi khí vơ lăng xe 43 Hình 11 Vật liệu tính chất vật liệu túi khí 43 Hình 12 Thơng số khí bên túi khí 44 Hình 13 Hàm khối lượng bơm vào túi khí 44 Hình 14 Hàm nhiệt độ bơm vào túi khí 44 Hình 15 Thiết lập self-contact contact túi khí với vơ lăng 45 Hình 16 Thiết lập Control Volume 45 Hình Mơ hình dummy Hybrid III………………………………………….47 Hình Mơ hình phần tử hữu hạn dummy 48 Hình Thiết lập vị trí dummy 49 Hình Chọn vị trí H point dummy 49 Hình 5 Mơ hình dummy xe 49 Hình Thiết lập dây đai an tồn 50 Hình Setup dây đai an toàn thân 50 Hình Dây đai an toàn thân 50 Hình Thơng số vật liệu dây đai an tồn 51 Hình 10 Hệ thống dây đai an toàn người lái 51 Hình 11 Chọn mơ hình dummy ghế lái 52 Hình 12 Kết ghế lái biến dạng 52 Hình 13 Thể mặt cắt ghế biến dạng 52 Hình 14 Nhập kết biến dạng ghế lái vào mơ hình 53 Hình 15 Mơ hình ghế lái biến dạng mơ hình 53 Hình Biến dạng tồn xe…………………………………………….54 Hình Đồ thị lượng va chạm trực diện toàn xe 54 Hình Xe va chạm thời điểm t = 0s 55 Hình Xe va chạm thời điểm t=0.05s 55 Hình Xe va chạm thời điểm t = 0.1s 55 Hình 6 Ứng suất khung t = 0.1s 56 Hình Ứng suất toàn xe t = 0.1s 56 Hình Vị trí khung có ứng suất lớn 57 Hình Người lái thời điểm t=0s 57 Hình 10 Người lái thời điểm t=0.02s 58 Hình 11 Người lái thời điểm t=0.05s 58 Hình 12 Người lái thời điểm t=0.1s 58 Hình 13 Đồ thị gia tốc tổng hợp vị trí đầu người lái 58 Hình 14 Gia tốc phần ngực người lái 59 Hình 15 Bắt đầu kích hoạt bung túi khí từ 0.002s 59 Hình 16 Túi khí bung hồn tồn 0.025s 60 Hình 17 Áp suất túi khí bung NHTSA 60 Hình 18 Áp suất túi khí mơ 60 Hình 19 Gia tốc vị trí đầu người lái 61 Hình 20 Sự thâm nhập sàn khoang người lái 62 Hình 10 Người lái thời điểm t=0.02s Hình 11 Người lái thời điểm t=0.05s Hình 12 Người lái thời điểm t=0.1s Gia tốc Gia tốc cần quan tâm phần đầu, ngực người lái để đánh giá mức độ an toàn trình va chạm Hình 13 Đồ thị gia tốc tổng hợp vị trí đầu người lái 58 Hình 14 Gia tốc phần ngực người lái Giá tốc lớn thời điểm tức thời Gia tốc Giá trị lớn (mm/s2) Thời điểm (s) 503332 0,0035s Nhận xét: Từ đồ thị gia tốc theo chiều X,Y,Z gia tốc tổng hợp với bảng số liệu, ta thấy vùng có biến đổi gia tốc nhiều khoảng thời gian từ 0,0025s đến 0,061s Thời gian bung áp suất túi khí Túi khí bắt đầu bung vào 0.002s tơ bắt đầu xảy va chạm gia tốc giá trị lớn Thời gian túi khí bung hồn tồn 0.023s 0.002s đến 0.025s Thời gian bung túi khí lớn 0.002s so với với thử nghiệm KSS, NHTSA [11] Hình 15 Bắt đầu kích hoạt bung túi khí từ 0.002s 59 Hình 16 Túi khí bung hồn tồn 0.025s Khi túi khí bung ta cần quan tâm đến áp suất túi khí khu bung Kết áp suất lớn bung túi khí tốn sấp sỉ áp suất thử nghiệm KSS 0.22MPa [11] Hình 17 Áp suất túi khí bung NHTSA Hình 18 Áp suất túi khí mơ 60 Chỉ số HIC - Head Injury Critertion HIC (Head Injury Critertion) số đánh giá chấn thương đầu, thước đo khả chấn thương đầu phát sinh từ tác động Theo định luật II Newton lực F = m.a Mức độ gia tốc cao dẫn đến lực tác động vào đầu, não, cổ quan trọng khác phải chịu lớn HIC định nghĩa hàm tốc độ chuyển đổi thời gian sau [19]: HIC= maxt2 ,t1 �(t2 − t1) �     t2 −t1 2.5 t PT 6.2 ∫t1 a(t)dt� � t1: thời gian bắt đầu khoảng có gia tốc lớn t2: thời gian kết thúc khoảng có gia tốc lớn t2-t1 ≤ 36ms a(t): gia tốc trung bình đầu q trình va chạm tính theo g Gia tốc đo dummy dùng để tính tốn số chấn thương đầu người Hiện theo tiêu chuẩn đánh giá chấn thương đầu số chấn thương đầu có khoảng thời gian xét 36ms [21] Bảng Bảng tiêu chuẩn số HIC tính 36ms Loại dummy Đàn ơng Phụ nữ Từ 6-18 Từ 3-6 Từ 1-3 Dưới trưởng trưởng tuổi tuổi tuổi tuổi thành thành Giới hạn 1000 HIC36 1000 900 750 650 600 Hình 19 Gia tốc vị trí đầu người lái Từ đồ thị gia tốc tổng hợp vị trí đầu người lái, ta thấy vùng có gia tốc lớn từ khoảng 0,025s đến 0,061s khoảng thời gian xe va chạm với tường Dưới bảng giá trị gia tốc xác định từ kết va chạm 61 Giá trị (mm/s2) Khoảng thời gian (s) Gia tốc lớn 547888 0,025 – 0,061 Gia tốc nhỏ 200000 Bảng Gia tốc max thời gian 0,025s – 0,061s Ta tính giá trị gia tốc trung bình khoảng thời gian 0,025s - 0,061s: a(t)= 3.5.105 (mm/s2) = 37g Đánh giá kết quả: 0,025 2,5 37dt� �= 300 ∫ 0,025−0,061 0,061 HIC= maxt2 ,t1 �(0,025 − 0,061) � PT 6.3 Ta thấy số HIC= 300 < 1000 (HIC theo tiêu chuẩn NTHSA), kết cho ta thấy mức độ chấn thương đầu người lái nằm giới hạn tiêu chuẩn người lái đảm bảo an toàn Mức độ xâm nhập sàn xe theo tiêu chuẩn IIHS Đánh giá biến dạng sàn sử dụng phương pháp đánh giá xâm nhập theo tiêu chuẩn IIHS [11] Đánh giá chia thành loại Tốt (