T p chí Khoa h c Cơng ngh , S 45B, 2020 T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN TR N TR NG Khoa Cơng ngh khí ng i h c Cơng nghi p Thành ph H Chí Minh trantrongnhan@iuh.edu.vn Tóm t t.T tin c p c a nh ng ng hình bào ng h p xiên c nghiên c u báo i v i c u trúc này, ch s tin c y va p c thu th p b ng cách s d ng HYPERMESH / LS-DYNA c b ng cách k t h p response surface (RS) Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) M i pháp t g nh t Pareto front K t qu c a nghiên c u tham kh o cho vi c thi t k c bào có kh pt T khóa: Tin c p, bào OPTIMIZATION OF MULTI-CELL SQUARE COLUMN UNDER OBLIQUE IMPACT Abstract.Crashworthiness optimization of the multi-cell square tubes subjected to oblique impact were studied in this work For these structures, crashworthiness indicators SEA and PCF are numerically obtained using finite element code HYPERMESH/LS-DYNA Pareto fronts using a combination of response surface (RS) model and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) are obtained A -called knee point) from Pareto front with maximizing the reflex angle is determined The result of this work will assist the design of multi-cell tubes with better crashworthiness performance Keyword: Crashworthiness, multi-cell column Nh ng nghiên c u v tin c p dành r t nhi n ng x c a c u trúc thành m c bi t c bào Nh ng c c áp d ng c u trúc ch u t p th ng ng d ng dành cho ngành ô tô hàng không Nh ng quan tâm ngày nhi u iv iv an toàn phá h y c a c n nh ng nghiên c u tồn di n v tốn va ch m c a nh ng c u trúc thành m ng v i nh ng ti t di n ngang khác [1-5] Tuy nhiên, m t nghiên c v tai n n xe th c t cho th y có t i 90% c u trúc thành ph n ns phá h y tr ng thái u it r ng vi c bi n d ng tr c ch có th tái t o d dàng thí nghi m phịng thí nghi m ng có thành m ng làm vi ng thi t b h p th ng hi m tr i qua tình tr ng ch u t i d c tr c thu n túy tr ng h p va ch m th c s [6] Nh ng c u trúc thành m bào làm vi t thành ph n h p th ng ch u t i va p xiên Vào th ng ph i ch u c l c d c tr c mômen u ng h p ng tr i qua s u n cong toàn ph ng h p th c a s nh i nh ng h p ch u t i khác [7] , c n xem xét tính ch c c a c it ng ý theo mô ph ng, Han Park [8] u tr ng thái ng x xiên c a ng thép vuông Nghiên c u c a h cho th y r ng s bi n d n d c tr c s c chuy n sang tr ng thái u n tồn ph n góc t i tr ng t i h n Reyes c ng s [9, 10] ti n hành nh ng thí nghi m ng vuông ch u t i tr ng xiên Nghiên c u c a h k t lu n r ng h p th gi m m nh góc t t giá tr t i h n Qi c ng s [11] nghiên c u tr ng thái ng x p c a ng th ng thành m bào b ph ng Công vi c c a h cho th y bào có hi u su p t t nh t ch u t i xiên Thêm vào i v i nh ng c c th c hi n nghiên c u c a Qi c ng s Yang Qi [12] p c a ng thành m ng hình vuông r ng y b i b t (foam) ch p xiên Song [13] u ng vuông có c a s ch p xiên b ng Song xem xét ng c a góc t i, tham s hình h c c a i h c Cơng nghi p Thành ph H Chí Minh T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN 71 c a s t n tr ng thái ng x c a c u trúc Ngồi ra, t hóa tin c c tiêu (MOD) c áp d ng cho thi t k tin c p c a c u trúc thành m ng t bào c th c hi n b i nghiên c u [4, 14, 15] Nghiên c u t p trung vào ng x c u trúc bào hìn u tiên, mơ hình ph n t h u h c thi t l p b ng HYPERMESH/ LSxem xét tr ng thái ng x c tính h p th ng c a c bào ng th ng b m t (Response c áp d ng xây d ng quan h gi a bi n thi t k ch s tin c p thu t toán di truy n NGSAc áp d nh c gi i pháp t i cùng, m t s k t lu n c rút t nghiên c u Mô ph ng (FEA) C u trúc hình vng ho c hình ch nh c s d ng nhi u c p M t nh ng lý chúng có th d dàng liên k t v i nh ng c i ng trịn có b m t cong, ng vng ho c hình ch nh t có b m t ph ng d dàng vi c liên k t v i c c thành ph phân tích trên, tin c y va p c a c u trúc thành m ng có th c ng b ng cách ng s góc ho c áp d ng c bào T khái ni m này, c u trúc bào xu t nghiên c u (Hình 1) (a): (b): Hình C bào i v i thi t k t c tiêu, ng c a tham s hình h c (chi u dày ng t chi u dài c n kh p th c nghiên c u b ng mô ph c th c hi n b ng cách s d ng HYPERMESH/LSmô ph ng it i tr ng xiên Các c u trúc ng vng có thành m ng v i t bào (xem Hình 1) Chi u dài m t c t ngang a (80 mm a dày thành ng t (1 mm t bi n thi t k T t c ng dài 250 mm C hai c u trúc c mơ hình hóa b ng cách s d ng ph n t v b n nút Belytschko-Tsay v m tích h p m t ph ng ph n t V t li u c mơ hình hóa b ng cách s d ng mơ hình v t li u # 24 (Mat_Piecewise_Linear_Plasticity) v i tính ch h m iE= 68200 MPa, ng su t i y = 80 MPa, ng su t t i h 0.3 h s n u = 173 MP, h s Poisson = 0.23 [16] Vì nhơm khơng nh y c m v i t bi n d ng, nên hi u ng b qua phân tích ph n t h u h n Ki u ti p xúc b m cs d mô ph ng s t ti p xúc gi a ph n t v tránh s thâm nh p c a n p g c t o trình bi n d ng ng th i, ki u ti p xúc nút t ng-b m t c dùng mô ph ng ti p xúc gi a c u trúc thành m ng c ng H s ma sát c s d ng cho t t c t t kh ng M = 500 kg c g n vào m u c u trúc m u th V n t p 10 m/s Góc t ° c s d ng nghiên c u nà c c th hi n Hình i h c Cơng nghi p Thành ph H Chí Minh 72 T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN P z y x L0 = 250 mm t a mơ hình tính tốn c mơ t Hình 1, t t c ng c bào Hình cho th y s bi n d ng c a hai c u trúc Khơng có bi n d ng u n cong toàn ph n xu t hi n Hình cho th th l c chuy n v n hình c a Ki i t i tr p xiên L c nghi t giá tr l n nh t, gi m m ng theo chu k xung quanh giá tr trung bình c a l c nghi ng v i s hình thành bi n d ng Ngoài ra, s gi m v giá tr c a l c nghi n ch p không xu t hi u có th gi i thích cho vi c khơng có b ng ch ng v hi ng u n cong x y ch p xiên c a nh ng c bào 3.1 C ng m p, m t s c s d ng l c nghi n c u ng h p th ng h p th riêng (SEA) [17] L c nghi n c u (PCF) l c cao nh c l c nghi n tr nên nh Nó liên quan tr c ti nm a hành khách tai n ng h p th (EA) c a c c xác nh b ng cách tích phân l c tác d i v i chuy n v : l EA P x dx , (1) c nghi n d c tr c t c th i t i chuy n v x chuy n v nghi ng h p th c tính theo cơng th c: SEA EA , m 3.2 T c (2) c tiêu d i v i v ng b m t p-ti p xúc phi n, r c bi u th c cho ch s tin c y SEA mơ hình thay th d ng b m t (RSM) [4, 14, 15] m t pháp h i quy toán h c hi u qu thi t k t c tiêu c a lo i v Vì lý an tồn c a hành khách, s gi m t c th p PCF nh Tuy nhiên, s ng d ns có hai m ct ng th i Chúng ta ph tm tt Pareto front Bài toán t c tiêu c a c ng SEA l n nh t PCF nh nh t s nh b ng NSGA-II [18] Quá trình t c th hi n Hình cho th y nh ng mơ ph ng i h c Cơng nghi p Thành ph H Chí Minh T PC A CH U T c th c hi n b i ph n m m Hypermesh K t qu mơ ph nh c hàm m BÀO HÌNH VUÔNG P XIÊN 73 c x lý b c áp d có k t qu t ng b m t Hình Tr ng thái bi n d ng c a c u trúc th l c - chuy n v c a c u trúc (FEA) (Response Surface method) hóa NSGA-II Hình Q trình t Bài tốn t c tiêu có th c thi t l p cơng th c i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh 74 T PC A CH U T Minimize s.t BÀO HÌNH VNG P XIÊN SEA ; PCF t mm , (3) 80 a 100 mm 3.3 i m Knee (Knee point) Trong nhi gi i pháp t m ti tri th ng h i thi t k ph c m t gi i pháp t c g i Knee point) t a yêu c u c a h Có m t s a ch n kho ng cách t i thi c Knee point t m t Pareto [19] ho c thu t toán i [20] Trong nghiên c u c a chúng tôi, m c phát nh Knee point b ng cách t nx m t toán h c, công Maximize s.t 360 cos a1a2 b1b2 a b 2 a , (4) 2 b B ng Ph m vi thi t k n t (mm) a(mm) SEA (kJ/kg) PCF (kN) SEA (kJ/kg) PCF (kN) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 1.25 1.5 1.75 1.25 1.5 1.75 1.25 1.5 1.75 1.25 1.5 1.75 1.25 80 80 80 80 80 85 85 85 85 85 90 90 90 90 90 95 95 95 95 95 100 100 12.914 14.174 15.024 16.169 17.035 12.374 14.04 14.814 15.938 16.416 11.272 13.27 14.25 14.538 15.492 11.003 12.662 13.424 14.238 14.918 10.412 11.755 69.331 14.135 15.806 17.04 18.355 19.372 14.481 15.805 16.928 18.094 18.371 13.214 14.392 15.219 16.223 17.18 12.638 13.619 14.915 16.008 16.752 12.337 13.554 73.385 93.419 i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh 88.068 107.114 125.74 143.022 74.315 94.116 114.467 134.261 152.533 78.93 99.949 121.595 142.777 162.284 83.773 106.08 129.035 151.289 171.756 88.422 111.748 113.662 133.311 151.463 78.791 99.808 121.127 141.625 161.44 83.498 105.921 128.896 151.251 171.731 88.596 112.382 136.743 160.211 181.684 93.609 118.335 T PC A CH U T 23 24 25 1.5 1.75 100 100 100 BÀO HÌNH VNG P XIÊN 13.003 13.519 13.681 136.175 159.917 181.906 14.821 15.649 16.114 75 143.939 168.569 191.301 y f1 f1 : a1 x b1 y c1 f : a2 x b2 y c2 360 0 f2 x Hình Góc ph n x T p thi t l i v i SEA PCF, m t lo m m u thi t k c ch n không gian thi t k (B ng 1) Nh ng phân tích v tin c c th c hi có cb m ng (RSM) c , nh ng b m ng c a SEA PCF cho c v Hình Hình cho th y b m ng c a SEA PCF ng x u mi n thi t k SEA PCF nghiêng v phía có a t nh Trong t t c b m ng, kho ng sai s i (RE) phù h 68%) Kho ng giá tr c xem ch p nh c Hình cho th y l i cho t t c b m t ng t i t t c nh ng m l y m u thi t k Hình B m ng c a Ki u I II i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh 76 T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN Hình Kho ng sai s i (RE) Các m t Pareto c a 1/SEA so v i PCF cho ki u c cv ng th i, m t Pareto hi n th m gi i pháp phân b u không gian Pareto Trên th c t , b t k m biên gi u có th m t k t qu t t lo t gi i pháp t c cung c i quy i m t s gi xu phát hi n gi i pháp t nh Knee point v i t nx xu Hình K t qu c u g i v i góc ph n x t i v i lo i ng I II l t 183.25° 185.7 Knee point c a Ki u I II ng h p va p xiên c trình bày B ng Các sai s i RE gi a k t qu mô ph ng d RSM c tóm t t B ng Sai s RE cho th y RSM xác cao Hình M t Pareto i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN 77 B ng K t qu t (mm) FEA t=1.421, a=80.056 RE (%) FEA RE (%) t=1.443, a=80.875 SEA (kJ/kN) PCF (kN) 15.165 99.023 15 347 98.885 -1.177 17.246 0.139 108.157 17.548 107.996 -1.271 0.149 K t lu n Trong nghiên c u này, t tin c p c a hai ki u xu t nghiên c u Thi t k t a c th c hi n b ng k t h p FEA, RSM NSGA-II B m t ng c a PCF SEA c thi t l p cho hai ki u c u trúc I II B m t cb NSGA-II M c gi i thi tìm gi i pháp t m t Pareto Sai s i gi a giá tr d RSM k t qu mô ph ng FEA ch p nh c K t qu c a nghiên c u s h tr cho vi c thi t k c bào ng d ng b ph n h p th p Tham kh o [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] S Hou, Q Li, S Long, X Yang, and W Li, "Crashworthiness design for foam filled thin-wall structures," Materials & Design, vol 30, no 6, pp 2024-2032, 6// 2009 Y Zhang, G Sun, G Li, Z Luo, and Q Li, "Optimization of foam-filled bitubal structures for crashworthiness criteria," Materials & Design, vol 38, no 0, pp 99-109, 6// 2012 H Yin, G Wen, S Hou, and K Chen, "Crushing analysis and multiobjective crashworthiness optimization of honeycomb-filled single and bitubular polygonal tubes," Materials & Design, vol 32, no 9, pp 44494460, 9// 2011 S Hou, Q Li, S Long, X Yang, and W Li, "Multiobjective optimization of multi-cell sections for the crashworthiness design," International Journal of Impact Engineering, vol 35, no 11, pp 1355-1367, 11// 2008 G H Daneshi and S J Hosseinipour, "Grooves effect on crashworthiness characteristics of thin-walled tubes under axial compression," Materials & Design, vol 23, no 7, pp 611-617, 10// 2002 W Chen, "Experimental and numerical study on bending collapse of aluminum foam-filled hat profiles," International Journal of Solids and Structures, vol 38, no 44, pp 7919-7944, 2001/11/01/ 2001 F Tarlochan, F Samer, A M S Hamouda, S Ramesh, and K Khalid, "Design of thin wall structures for energy absorption applications: Enhancement of crashworthiness due to axial and oblique impact forces," Thin-Walled Structures, vol 71, no 0, pp 7-17, 10// 2013 D C Han and S H Park, "Collapse behavior of square thin-walled columns subjected to oblique loads," Thin-Walled Structures, vol 35, no 3, pp 167-184, 11// 1999 A Reyes, M Langseth, and O S Hopperstad, "Crashworthiness of aluminum extrusions subjected to oblique loading: experiments and numerical analyses," International Journal of Mechanical Sciences, vol 44, no 9, pp 1965-1984, 9// 2002 A Reyes, M Langseth, and O S Hopperstad, "Square aluminum tubes subjected to oblique loading," International Journal of Impact Engineering, vol 28, no 10, pp 1077-1106, 11// 2003 C Qi, S Yang, and F Dong, "Crushing analysis and multiobjective crashworthiness optimization of tapered square tubes under oblique impact loading," Thin-Walled Structures, vol 59, no 0, pp 103-119, 10// 2012 i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh 78 T PC A CH U T [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] BÀO HÌNH VNG P XIÊN S Yang and C Qi, "Multiobjective optimization for empty and foam-filled square columns under oblique impact loading," International Journal of Impact Engineering, vol 54, no 0, pp 177-191, 4// 2013 J Song, "Numerical simulation on windowed tubes subjected to oblique impact loading and a new method for the design of obliquely loaded tubes," International Journal of Impact Engineering, vol 54, no 0, pp 192-205, 4// 2013 S Chen, H Yu, and J Fang, "A novel multi-cell tubal structure with circular corners for crashworthiness," Thin-Walled Structures, vol 122, pp 329-343, 2018/01/01/ 2018 L Zhang, Z Bai, and F Bai, "Crashworthiness design for bio-inspired multi-cell tubes with quadrilateral, hexagonal and octagonal sections," Thin-Walled Structures, vol 122, pp 42-51, 2018/01/01/ 2018 S P Santosa, T Wierzbicki, A G Hanssen, and M Langseth, "Experimental and numerical studies of foamfilled sections," International Journal of Impact Engineering, vol 24, no 5, pp 509-534, 5// 2000 A G Hanssen, M Langseth, and O S Hopperstad, "Static and dynamic crushing of circular aluminium extrusions with aluminium foam filler," International Journal of Impact Engineering, vol 24, no 5, pp 475507, 5// 2000 F Usta, Z Eren, H Kurtaran, H S Türkmen, Z Kazanc1, and Z Mecitoglu, "Crashworthiness Optimization of Nested and Concentric Circular Tubes Using Response Surface Methodology and Genetic Algorithm %J Latin American Journal of Solids and Structures," vol 15, 2018 G Sun, G Li, S Zhou, H Li, S Hou, and Q Li, "Crashworthiness design of vehicle by using multiobjective robust optimization," (in English), Structural and Multidisciplinary Optimization, vol 44, no 1, pp 99-110, 2011/07/01 2011 J Branke, K Deb, H Dierolf, and M Osswald, "Finding Knees in Multi-objective Optimization," in Parallel Problem Solving from Nature - PPSN VIII, vol 3242, X Yao et al., Eds (Lecture Notes in Computer Science: Springer Berlin Heidelberg, 2004, pp 722-731 Ngày nh n bài: 09/10/2019 Ngày ch p nh i h c Công nghi p Thành ph H Chí Minh 01/04/2020 ... dài 250 mm C hai c u trúc c mơ hình hóa b ng cách s d ng ph n t v b n nút Belytschko-Tsay v m tích h p m t ph ng ph n t V t li u c mô hình hóa b ng cách s d ng mơ hình v t li u # 24 (Mat_Piecewise_Linear_Plasticity)... nghiên c u nà c c th hi n Hình i h c Cơng nghi p Thành ph H Chí Minh 72 T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN P z y x L0 = 250 mm t a mơ hình tính tốn c mơ t Hình 1, t t c ng c bào Hình cho th y s bi n...T PC A CH U T BÀO HÌNH VNG P XIÊN 71 c a s t n tr ng thái ng x c a c u trúc Ngoài ra, t hóa tin c c tiêu (MOD) c áp d ng cho thi t k tin c p c a c u trúc thành m ng t bào