TẠPCHi CÚNG THBỮNS ỨNG DỤNG PHẦN MEM LS DYNA TRONG THIẾT KÊ KHUNG SƯỜN Ô TÔ KHÁCH • PHAN VÀN TUÂN TĂNG TẤN MINH TÓM TẮT Phần mềm Ls Dyna được sử dụng để mô phỏng các bài toán vật lý cơ bản do hãng Liv[.]
TẠPCHi CÚNG THBỮNS ỨNG DỤNG PHẦN MEM LS-DYNA TRONG THIẾT KÊ KHUNG SƯỜN Ơ TƠ KHÁCH • PHAN VÀN TN - TĂNG TẤN MINH TÓM TẮT: Phần mềm Ls-Dyna sử dụng để mơ tốn vật lý hãng Livermore Software Technology Corporation (LSTC) nghiên cứu phát triển Với khả giải toán động lực học phi tuyến, Ls-Dyna sử dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp ô tô, tàu thủy, xây dựng, quân sự, Bài báo trình kết nghiên cứu ứng dụng phần mềm Ls-Dyna để xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn mơ tính an tồn kết cấu đầu xe khách va chạm với lan can cầu Để nâng cao tính an tồn giảm tổn thương cho hành khách, cấu hấp thụ lượng thiết kê thêm lắp đặt cản đầu xe Kết mô cho thấy lắp thêm hấp thụ lượng va chạm gia tốc va chạm tâm xe giảm lượng động thời gian kết thúc mô giảm Từ khóa: hấp thụ lượng, phân tích mơ phỏng, thiết kế ô tô khách, ứng dụng LS-DYNA Đặt vấn đề Ls-Dyna phần mềm mô toán vật lý hãng Livermore Software Technology Corporation (LSTC) nghiên cứu phát triển Với khả giải toán động lực học phi tuyến, Ls-Dyna sử dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp ô tô, tàu thủy, xây dựng, quân sự, Các ưu diểm phần mềm LSDYNA bao gồm: - Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn để mô vấn đề phức tạp giới thực; đặc biệt ngành công nghiệp kỹ thuật, ô tô, hàng không vũ trụ, sản xuất quân - Phần mềm hoạt động tảng như: Windows OS, Unix, Linux Mac OS 354 SỐ - Tháng 4/2022 - Có thể sử dụng để thực mơ tốn kỹ thuật tĩnh động - Có thể thực phân tích tượng dao động nước, phân tích phá hủy vật liệu, phân tích truyền nhiệt Phần mềm LS-Dyna đời mở rộng tính Từ đó, LS-Dyna trở thành công cụ mạnh đáp ứng hầu hết yêu cầu mơ tốn động lực học Đơi với vấn đề liên quan đến kết cấu cơng trình cầu, hầm, LSDyna sử dụng số tốn, như: - Mơ tương tác chuyển động ô tô kết cấu cầu (vehicle - bridge interaction) - Mơ tốn va chạm tô, tàu hỏa, xà lan với lan can, trụ cầu (impact analysis) KHOA HỌC-KỸ THUẬT - Mô tác động vụ nổ với kết cấu, Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng phần mềm LS - DYNA để xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn mơ nhằm phân tích tính an tồn kết cấu đầu xe khách va chạm với lan can cầu góc 300 biểu diễn Hìnhl Hình 1: MỊ hình mơ xe lan can cầu (1) Tổng quan nghiên cứu Trong năm gần đây, có số nhóm tác giả ngồi nước thực cơng trình nghiên cứu liên quan đến an tồn tơ có va chạm xảy Tác giả Nguyễn Quang Anh nghiên cứu động lực học độ bền khung vỏ ô tô va chạm trực diện đề xuất kiến nghị để hoàn thiện kết cấu khung vỏ Tuy nhiên, cải tiến liên quan chưa thực [2], Tác giả Muhammand Aamir Hasan nghiên cứu phân tích so sánh biến dạng kết cấu thiệt hại người ngồi ttong xe xảy va chạm trực diện vào mặt tường cột Tuy nhiên, tác giả chưa đưa đề xuất cải tiến cụ thể nhằm giảm tổn thương người [3], Tác giả Nguyễn Thành Tâm nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung sườn sắt-xi tơ khách, chưa có nghiên cứu cải tiến kết cấu đầu ô tô khách [4] Tác giả Zhang Weigang nghiên cứu thiết kế cải tiến khung sườn sắt-xi xe khách xảy va chạm trực diện cách thiết kế hấp thu lượng loại ống thép Tuy nhiên va đập, gia tốc ứng suất lớn dễ phá vỡ kết cấu sắt-xi xe khách [4], Ơ tơ khách đóng vai trị phương tiện quan trọng phổ biến Việt Nam Chính thế, thiết kế tơ có độ an tồn cao ln nhà sản xuât hành khách đặc biệt quan tâm Trong phạm vi viết này, nhóm nghiên cứu ứng dụng phần mềm LS-DYNA để mô phân tích biến dạng cản trước đầu xe, gia tốc động ô tô khách xảy va chạm với lan can cầu Trên sở kết cấu hữu xe, đề xuất thiết kế thêm hấp thụ lượng va chạm đặt trước đầu xe nhằm làm giảm lực va đập, từ giảm tổn thương cho hành khách xe xảy va chạm Giải pháp thực Thiết kế lan can cầu cách phần mềm SOLIDWORK theo tiêu chuẩn 22 TCN dựa vào mơ hình CAD 3D tơ khách Hyundai County 29 chỗ Sau đó, sử dụng phần mềm HYPERWORKS mơi trường LS-DYNA tiến hành xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn phân tích tơ khách dãy phân cách Để cho việc tính tốn tin cậy mô nhanh, kết cấu ô tô khách chia lưới dạng vng có kích cỡ 20 mm Sau chia lưới xong tiến hành kiểm ưa chỉnh sửa chất lượng lưới nhằm tăng độ xác trình mơ giảm thiểu mát lượng Các kết câu liên kết với tiếp điểm, không liên kết tiếp điểm tiến hành hàn kết cấu Sườn xe với cầu xe liên kết phương thức CONSTRAINED-EXTRA-NODES -OPTION Các phận có khối lượng hành khách, ghế ngồi, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy, hệ thống điều hịa khơng khí, cửa kính, động cơ, đơn giản hóa cách gắn khơi lượng cho mơ hình mà khơng thể hình dạng kết cấu chúng Sau chia lưới xong tiến hành chọn vật liệu, thiết lập thuộc tính gán điều kiện biên cho mơ hình Kết cấu khung xương sử dụng sắt Q235, kết cấu sườn xe sử dụng sắt Q345, thuộc tính vật liệu Bảng Mặt đất đạt xe sử dụng vật liệu cứng để mô Tiếp xúc kết cấu xe sử dụng AUTOMATIC-SINGER-SURFACE để thiết lập Tiếp xúc kết cấu xe với mặt đường kết cấu xe với lan can cầu va chạm sử dụng AƯTOMATIC_SURFACE_TO -SURFACE để thiết lập với hệ số ma sát 0,5 Gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2, vận tốc xe va chạm 70 km/h Việc tạo góc 300 hợp mơ hình lan can cầu mơ hình xe khách phần mềm HYPERMESH cách vào Tool » rotate Mơ hình phần tử hữu hạn sau xây dựng trình bày Hình SỐ - Tháng 4/2022 355 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Bảng Đặc tính vật liệu dùng nghiên cứu Vật liệu Mô dun đàn hồi (Gpa) Hệ số Poisson Khối lượng riêng (kg/mm3) ứng suấtgiởi hạn (Mpa) Q235 210 0,3 7,85.10-6 235 Q345 210 0,3 7,85.10-6 345 Hình 2: Mơ hình kết cấu xe khách lan can cầu Kết mô thảo luận 4.1 Kết mơ khơng có cấu hấp thụ lượng Để làm sở cho việc lựa chọn thiết kế cấu hấp thụ lượng va chạm cho xe so sánh kết đạt sử dụng cấu hấp thụ lượng, nhóm nghiên cứu tiến hành sử dụng phần mềm LS-DYNA mơ để phân tích động học biến dạng kết cấu đầu ô tô khách trình va chạm với lan can cầu góc 300 với thời gian mơ 200 ms tốc độ va chạm 70 km/h Kết mơ thể Hình Từ kết cho thấy xe chuyển động với vận tốc 70 km/h va chạm với lan 35Ĩ Số - Tháng 4/2022 can cầu góc 300, thời điểm ms đầu tiên, cản bên trái ô tô khách bắt đầu va chạm với tơn sóng Khi đó, tơn sóng cản bên trái xe biến dạng, khoảng thời gian từ ms đến ms, động xe giảm từ 2015 kJ đến 2006 kJ trình bánh xe ma sát với mặt đường, gia tốc cực đại tâm xe 0,227 mm/ms2 Từ ms đến 200 ms khoảng thời gian vật liệu đầu xe lan can cầu biến dạng, phần lượng hấp thụ bỡi vật liệu chế tạo đầu xe với lan can cầu Khi đó, động xe tiếp tục giảm từ 2006 kJ đến 1824 kJ, gia tốc cực đại tâm xe 4,058 mm/ms2 Kết mô cho thây thời điểm 200 ms sau va chạm, kết cấu cản đầu ô tô khách biến dạng tương đối lớn thể Hình 4.2 Kết mô với câu hấp thụ lượng va chạm Nhằm tăng tính an tồn cho hành khách xe xảy va chạm với dãy phân cách góc 300 Dựa nghiên cứu sở lý thuyết va chạm lượng hap thụ, nhóm nghiên cứu đề xuất thiết Hình 4: Kết câ'u cấu hấp thụ tượng va chạm Thanh hấp thụ đỡ KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 3: Hình biến dạng kết cấu cản đầu õ tô khách thời điểm 200 ms sau va chạm va chạm liên kết với sườn xe Hình ó: Vị trí cấu hấp thụ tượng liên kết với cản đầu xe kế thêm cấu hấp thụ lượng lắp cản đầu xe nhằm hấp thụ lượng va đập để giảm thiểu tối đa gia tốc cực đại lượng động xe xảy va chạm Cơ câu hấp thụ lượng cho cản bên đầu xe kế gồm đỡ hâp thụ Trong đó, đỡ sắt kết nôi với sườn xe hấp thụ sắt kết nối với cản đầu xe thể Hình Cơ cấu hâp thụ lượng liên kết cứng với sườn xe thông qua mối ghép hàn thể Hình Các đầu tự cịn lại hấp thụ liên kết cứng với cản đầu xe thông qua mối ghép hàn (Hình 6) Sau xây dựng mơ hình xe với cấu hấp thụ lượng va chạm, khả hấp thụ lượng cấu kiểm nghiệm thông qua mô với điều kiện biên Hình 5: Vị trí cấu hấp thụ tượng SỐ7-Tháng 4/2022 357 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG thơng sơ ban đầu vào giơng trường hợp khơng có cấu hấp thụ lượng Kết mơ trình bày từ Hình đến Hình 11 Từ kết mơ cho thấy kết câ'u hấp thụ bị biến dạng va chạm xảy Chủ yếu biến dạng xoắn uốn (Hình 8) Khả hâ'p thụ lượng va chạm tương đối tốt Cụ thể là, gia tô'c trọng tâm xe chưa lấp câu hấp thụ lượng có giá trị 4,058 mm/ms2 lắp đặt cấu hấp thụ lượng giảm xuống 3,723 mm/ms2 (giảm 9%) Sự thay đổi giá trị gia tốc xe có va chạm theo thời gian thể Hình 10 Từ biểu đồ ta thấy gia tốc xe có lắp cấu hấp thụ lượng giảm rõ ràng sau thời gian va chạm khoảng 100 ms Đây thời điểm lực va chạm đủ lớn để tác động lên cấu hấp Hình 7: Hình biến dạng kết cấu cản đầu õ tơ khách có câu hấp thụ lượng thời điểm 200 ms sau va chạm Hình ơ: Hình dạng cấu hấp thụ lượng trước sau va chạm Trước biến dạng thụ lượng Song song với đó, câu hấp thụ lượng góp phần làm giảm lượng động xe sau khoảng thời gian xảy va chạm khoảng 40 ms (Hình 11) Kết thúc thời gian mơ va chạm (200 ms), động xe giảm xng cịn 1754 kJ Như vậy, so với trường hỢp xe khơng có cấu hấp thụ lượng (1824 kJ), lượng động xe có câu hấp thụ lượng giảm khoảng 4% Kết luận Mơ hình mơ va chạm tơ khách với lan can cầu xây dựng phân tích phần mềm LS-DYNA Dựa kết phân tích 358 SƠ' - Tháng 4/2022 mơ phỏng, nhóm nghiên cứu đề xuất thiết kế thêm cấu hấp thụ lượng đặt cản đầu xe, nhằm giảm tổn thương cho hành khách xe Kết mô cho thấy lắp thêm hấp thụ lượng va chạm gia tốc va chạm tâm xe giảm 9% lượng động thời gian kết thúc mô 200 ms giảm 4% ■ KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 9: Kết cấu cản đầu xe khơng có có câu hấp thụ lượng Khơng có câu hấp thụ lượng Có cấu hấp thụ lượng Hình 10: Đồ thị so sánh gia tốc trọng tâm xe có khơng có cấu hấp thụ tượng Hình 10: Đồ thị so sánh gia tốc trọng tâm xe có khơng có cấu hấp thụ lượng Time (msì TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Tuấn Ngọc (2013) Giới thiệu phần mềm LS-DYNA ứng dụng mô rung động đá khoan phá mìn thi cơng hầm giao thơng đường Truy cập https://fr.scribd.com/document/ 427054744/8a-Mr-Ngoc-Qlkt2 SỐ - Tháng 4/2022 359 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Nguyễn Quang Anh (2007) Nghiên cứu động lực học độ bền khung vỏ ô tô va chạm trực diện Luận án tiến sĩ, Học viện Kỹ thuật quân Muhammad Aamir Hassan (2002) Comparison ofstructural damage and occupant injuries corresponding to a vehicle collision onto a pole versus a flat barrier Thesis of Bachelor of Engineering, N.E.D University of Engineering and Technology Nguyễn Thành Tâm (2015) Thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung xương sát - xi tô khách Nhà xuất Khoa học Giáo dục kỹ thuật Ngày nhận bài: 15/2/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 6/3/2022 Ngày chấp nhận đăng bài: 16/3/2022 Thông tin tác giả: PHAN VĂN TUÂN TĂNG TẤN MINH Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh APPLYING THE LS-DYNA SOFTWARE IN DESGINING THE CHASSIC FRAME OF PASSENGER CARS • PHAN VAN TUAN' • TANG TAN MINH’ ’School of Engineering and Technology Tra Vinh University ABSTRACT: Ls-Dyna software, which is commonly applied to simulate basic physics problems, is a product of Livermore Software Technology Corporation (LSTC) As Ls-Dyna software is able to solve nonlinear dynamics problems, this software has been widely used in different fields such as automobile, shipbuilding, construction, military, etc This paper present the research results of using Ls - Dyna software to build a finite element modeling and analyze the safety features of the passenger car’s head structure when the car collides with bridge guard rails To enhance the safety for passengers, an energy-absorbing device is designed and installed to the front lower bumper of the car Simulation results show that when the collision absorber is mounted, the vehicle acceleration caused by the collision at the center of gravity of the vehicle as well as the kinetic energy of the vehicle at the end of the simulation decreases Keywords: energy absorption, modeling analysis, passenger car design, Ls - Dyna application 3Ó0 So - Tháng 4/2022 ... cứu thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung sườn sắt-xi tơ khách, chưa có nghiên cứu cải tiến kết cấu đầu ô tô khách [4] Tác giả Zhang Weigang nghiên cứu thiết kế cải tiến khung sườn sắt-xi xe khách. .. chọn thiết kế cấu hấp thụ lượng va chạm cho xe so sánh kết đạt sử dụng cấu hấp thụ lượng, nhóm nghiên cứu tiến hành sử dụng phần mềm LS- DYNA mơ để phân tích động học biến dạng kết cấu đầu ô tô khách. .. khoảng 4% Kết luận Mơ hình mô va chạm ô tô khách với lan can cầu xây dựng phân tích phần mềm LS- DYNA Dựa kết phân tích 358 SƠ'' - Tháng 4/2022 mơ phỏng, nhóm nghiên cứu đề xuất thiết kế thêm cấu