Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ôtô va chạm trực diện

Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ôtô va chạm trực diện

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ Quốc phòng

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Nguyễn Quang Anh

Nghiên cứu Động lực học và độ bền

của khung vỏ ôtô khi va chạm trực diện

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xe máy Quân sự, Công binh

Mã số : 62.52.36.01

Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2007

Công trình được hoàn thành tại:

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Người hướng dẫn khoa học:

1 Hướng dẫn thứ nhất: PGS TS Dư Quốc Thịnh

2 Hướng dẫn thứ hai: PGS TS Nguyễn Phúc Hiểu

Phản biện 1: PGS TS Nông Văn Vìn Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Trọng Hoan

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ

kỹ thuật cấp Nhà nước họp tại Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

* Thư viện Quốc gia

* Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

Danh mục công trình của tác giả

1 Anh Nguyen Quang, Son Tran Minh

To Calculate the Stress of Car Body by SAP2000

Proceedings 2002 JSAE Annual Congress No.66-02 Strength and

Durability of Vehicle Parts, ISSN 0919-1364, July 22-27,

YOKOHAMA, JAPAN, Page 5-8

2 Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Nguyen Phuc Hieu

Experiment Method of Passive Safety for Occupants in a case of the

Frontal Collision

Proceedings International Conference on Automotive Technology for

Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No066

3 Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Cao Hung Phi

Studying on Deployment Standards of Air Bag System in case of

Frontal Collision

Proceedings International Conference on Automotive Technology for

Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No.069

4 Nguyen Quang Anh, Du Quoc Thinh, Nguyen Phuc Hieu

Application of Digital Simulation Method to Motor Vehicle Frontal

Collision

Proceedings International Conference on Automotive Technology for

Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No102

5 Dư Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh

ứng dụng môđun LS-DYNA trong phần mềm ANSYS để tính toán ứng

suất và biến dạng khung xe chở khách 8 chỗ ngồi trong trường hợp

hai xe va chạm trực diện

Tạp chí Giao thông vận tải, Số 8/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang

34-35

6 Dư Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh

Thử nghiệm xác định biến dạng và ứng suất của khung xe Saigon Van

8 chỗ ngồi khi va chạm trực diện vào vật cản cứng ở tốc độ 20Km/h

Tạp chí Giao thông vận tải, Số 9/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang

29-31

mở đầu

1 Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay Nhà nước đã có quyết định về chiến lược phát triển ngành công

nghiệp ôtô trong đó ôtô chở khách là sản phẩm trọng điểm theo xu hướng

nội địa hóa tiến tới thiết kế và sản xuất ôtô mang thương hiệu Việt Nam

Công ty ôtô Sài Gòn được Nhà nước cho phép sản xuất và lắp ráp loại xe

chở khách 6-8 chỗ ngồi nhằm đáp ứng nhu cầu thay thế loại xe lam và xe

buýt hết niên hạn sử dụng để phục vụ cho giao thông công cộng tại Thành

phố Hồ Chí Minh và nhiều thành phố khác trong toàn quốc Để thực hiện

chương trình nội địa hoá thì việc sản xuất chế tạo khung vỏ trở thành một

vấn đề hết sức quan trọng vì nó chiếm tới 40% giá trị của xe

Mặt khác trước tình hình tai nạn giao thông ngày càng gia tăng, trong đó

tai nạn do va chạm ôtô thường gây ra những thiệt hại lớn về người và

phương tiện nên cũng đặt ra vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu

Xuất phát từ thực tế đó luận án “Nghiên cứu động lực học và độ bền

của khung vỏ xe khi va chạm trực diện” đã được chọn để nghiên cứu Đây

là một đề tài có tính thời sự cao, có ý nghĩa trong nghiên cứu và thực tiễn

sản xuất và là một vấn đề còn mới mẻ ở Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các cơ sở khoa học và thực nghiệm để xác định độ bền, độ

cứng vững của khung vỏ ôtô nhằm đảm bảo an toàn bị động cho người và xe

khi chịu tác động của va chạm trực diện, đồng thời đề xuất các kiến nghị

cho các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là loại xe minibus 6-8 chỗ Saigon Van

do Công ty ôtô Sài Gòn sản xuất và các loại xe tương đương được sản xuất

và lắp ráp tại Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa tính toán lý thuyết bằng mô phỏng số trên mô hình 3D và

nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Để hạn chế những thiệt hại khi có tai nạn, đáp ứng nhu cầu nội địa hóa

sản xuất ôtô, thì các nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm tra độ bền, độ cứng

vững của khung vỏ xe khi va chạm trực diện nhằm đảm bảo an toàn cho

hành khách và phương tiện là rất quan trọng Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở

tham khảo cho các nhà máy đề ra các giải pháp hoàn thiện kết cấu khung vỏ

xe theo hướng tăng cường an toàn cho người trên xe khi xảy ra va chạm

6 Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 4 chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam

về va chạm trực diện, các yêu cầu kỹ thuật khung vỏ xe khi va chạm trực diện và tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm Xác định mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của luận án

Chương 2: Cơ sở khoa học về va chạm trực diện của ôtô

Nghiên cứu các cơ sở khoa học của quá trình va chạm như các mô hình

va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện Chương 3: Tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Xây dựng mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát ; tính toán biến dạng

và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phương pháp mô phỏng số với môđun LS-DYNA

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Trình bày về các thiết bị, phương pháp thí nghiệm, nội dung, quy trình thí nghiệm và tính toán xử lý kết quả

Các nội dung chính của chương 2, 3 được công bố trong các bài báo 1, 2,

3, 4, 5 Nội dung chương 4 công bố ở bài báo số 6 trong phần danh mục các công trình đã công bố của tác giả

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Tình hình an toàn giao thông tại Việt Nam trong những năm qua Theo những thống kê của Cục Cảnh sát giao thông đường bộ- đường sắt

và Uỷ ban an toàn giao thông quốc gia [14] về tình hình tai nạn giao thông

từ năm 2001 đến năm 2006 cho thấy trung bình mỗi năm xảy ra khoảng 24.000 vụ tai nạn giao thông làm chết khoảng 11.000 người và bị thương khoảng 27.000 người Đặc biệt trong những năm gần đây thường xảy ra các

vụ tai nạn giao thông rất nghiêm trọng do va chạm giữa các xe ôtô gây ra thiệt hại rất lớn về người và xe Theo các phân tích số liệu về va chạm giữa hai xe trong năm 2001 có thể phân loại các dạng va chạm như sau [14] :

Bảng 1.1 Tỷ lệ % các dạng va chạm ở Việt Nam năm 2001

Theo các số liệu của một số nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Anh, Nhật trên cơ sở phân tích các tai nạn thực cho thấy [20], [18] :

Bảng 1.2 Tỷ lệ % các dạng va chạm ở một số nước

Dạng va chạm Mỹ (1993) Đức (1989) Anh (1986) Nhật (1989)

Va chạm trực diện 51,5% 58,3% 66,7% 61,3%

Qua số liệu thống kê trong các bảng 1.1 và 1.2 ta thấy có khoảng 50%

đến 60% số vụ va chạm ở khu vực đầu xe nên va chạm trực diện chiếm tỷ lệ

lớn nhất và gây ra những thiệt hại nặng nề nhất về người và phương tiện do

đó các nhà thiết kế chế tạo và sản xuất cần phải tập trung nghiên cứu

1.2 Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện

1.2.1 Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện trên Thế giới

Các nghiên cứu được đề cập theo từng mục đích nghiên cứu khác nhau

1.2.1.1 Những nghiên cứu lý thuyết

* Những hướng nghiên cứu chủ yếu về tác động của va chạm trực diện đối

với khung vỏ xe trên một số vấn đề sau :

- Thống kê và phân tích các tai nạn va chạm [15], [18], [20], [33]

- Nghiên cứu động học và động lực học của xe khi va chạm trực diện

như năng lượng hấp thụ ; vận tốc, gia tốc, thời gian va chạm [15], [26]

- Đặc tính biến dạng của khung vỏ xe khi va chạm trực diện, đặc tính

sửa chữa và các biện pháp sửa chữa khung vỏ sau va chạm [20]

- ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại như PAM-CRASH,

NASTRAN, LS-DYNA để xác định biến dạng của kết cấu đầu xe, khung

dầm Kết quả tính cho phép đánh giá được độ bền của kết cấu khung vỏ

cũng như đề xuất giải pháp hoàn thiện kết cấu qua các công trình của Yong

Hu Han, Ju Su Kim [28] ; Moisey Shkolnikov [32] ; G Morvan, Sollac [31]

- ứng dụng phương pháp năng lượng để tối ưu hoá đường truyền lực qua

sàn khoang hành khách xe con khi va chạm nhằm đảm bảo không gian

sống sót cho người trên xe với việc sử dụng phần mềm PAM-CRASH [31]

* Trong những năm gần đây các nghiên cứu có xu hướng đi sâu vào vấn đề

an toàn cho người khi va chạm và tập trung vào những hướng sau :

- Các tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm của Châu Âu

(EURO-SID) và Mỹ (US-(EURO-SID) [15], [20], [33]

- Nghiên cứu động học và động lực học của người khi va chạm trực diện

với các yếu tố như gia tốc của đầu, dịch chuyển của ngực, đầu gối, lực tác

dụng vào xương chậu cũng như ảnh hưởng các yếu tố này đến tình trạng

chấn thương và khả năng chịu đựng của người [28], [29], [22]

- Mô phỏng tác động va chạm của người cùng với các thiết bị an toàn như dây an toàn và túi khí, mức độ chấn thương trong các trường hợp va chạm khác nhau từ đó xác định các yêu cầu cho hệ thống an toàn và đánh giá hiệu quả hoạt động của dây an toàn, túi khí khi va chạm [18], [28]

1.2.1.2 Những nghiên cứu thực nghiệm

1 Thử nghiệm của Mỹ : Theo tiêu chuẩn FMVSS 208 thử nghiệm va chạm trực diện xe vào vật cản cứng (góc 0º) và va chạm của vật cản di động vào

đuôi xe (góc 0º) ở tốc độ 48,3km/h với 100% chiều rộng xe [20]

Thử nghiệm va chạm chéo xe vào vật cản cứng (góc 30º) và vật cản di

động va chạm chéo (góc 30º) vào đuôi xe ở tốc độ 48,3km/h [20]

2 Thử nghiệm của úc : Theo tiêu chuẩn ADR 10 thử nghiệm va chạm trực diện xe vào vật cản cứng

là khối bê tông hoặc dàn khung thép có độ cứng cao ở tốc độ 48km/h (hình 1.4) Sau thử nghiệm vô lăng không được dịch chuyển quá 127mm [26]

3 Thử nghiệm của Đức : Hãng Mercedes-Benz thực hiện thử nghiệm va chạm trực diện và va chạm sau ở tốc độ 55km/h với 40%

chiều rộng xe (hình 1.5), thử nghiệm này tương đương với va chạm hai xe có chiều rộng từ 40%

đến 60% và chiếm 90% va chạm thực tế hiện nay [20]

Hãng Mercedes-Benz mới đây

đã thực hiện va chạm lệch với 50%

chiều rộng xe vào vật cản có biến dạng độ cứng tương đương với đầu

xe khác ở tốc độ 60km/h điều kiện thử nghiệm gần giống thực tế (hình 1.6) Hướng dẫn mới của EU cũng yêu cầu các mẫu xe mới của Châu

Âu cần phải thực hiện thử nghiệm này [20]

Các hãng Mercedes-Benz, BMW đã thử nghiệm va chạm hai xe với vận tốc 55km/h, độ lệch 50% và thu được những kết quả khả quan Dạng thử nghiệm này đã được một số hãng khác chấp nhận trong chiến lược tăng cường an toàn của họ để thiết kế các mẫu xe mới an toàn hơn [20]

Hình 1.4 Thử nghiệm của úc

Hình 1.5 Thử nghiệm va chạm tốc

độ 55km/h với 40% chiều rộng

Hình 1.6 Va chạm vào vật cản biến dạng ở tốc độ 60km/h độ lệch 50%

1.2.2 Những công trình nghiên cứu tại Việt Nam

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 của các loại tải trọng khác nhau

Trong tài liệu [6] tác giả đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính biến

dạng, ứng suất vỏ xe bằng phương pháp đặt lực lên mô hình dựa trên kết

quả thực nghiệm của nước ngoài và tính toán bằng mô phỏng va chạm bên

hai xe Các kết quả đạt được khá chính xác tuy nhiên chưa được kiểm

chứng bằng thử nghiệm nên chỉ dừng lại ở những tính toán về lý thuyết

1.3 Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện và tiêu

chuẩn an toàn cho người

1.3.1 Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện

Khả năng tự bảo vệ cho người và xe dựa trên nguyên tắc về độ cứng vững

của khoang hành khách với việc thiết kế các khu vực biến dạng kết hợp với

hệ thống bảo vệ an toàn Những tiêu chuẩn dưới đây cần được đảm bảo :

- Khả năng chuyển đổi có hiệu quả động năng thành biến dạng

- Đảm bảo không gian sống sót cho người trên xe

- Gia tốc của người khi va chạm phải thấp

Kết cấu đầu xe cần thoả mãn hai yêu cầu khi va chạm trực diện [20] :

- Là khung để truyền dòng lực nên cần phải có đủ độ bền, độ cứng vững

khi xe hoạt động

- Là khu vực biến dạng để bảo vệ khoang hành khách và người trên xe

khi va chạm trực diện thông qua việc kiểm soát và hấp thụ năng lượng

1.3.2 Tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm

Tiêu chuẩn FMVSS 208 của Mỹ quy định :

- Tiêu chuẩn chấn thương ở đầu (HIC) giới hạn là 1000 Gia tốc góc giới

hạn của đầu là 7500rad/s2

- Tiêu chuẩn an toàn ở ngực (SI) giới hạn là 1000 Mức độ nén ép vào

ngực giới hạn là 3 inches

- Tiêu chuẩn lực tác động vào bắp đùi giới hạn là 10000N

1.4 Nhiệm vụ của luận án

Luận án cần tập trung giải quyết một số vấn đề sau:

1 Thiết lập mô hình và xác định các thông số hình học đặc trưng của

mô hình bằng phần mềm thiết kế CATIA cho khung vỏ xe khảo sát

2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và các đặc trưng vật liệu của

khung vỏ xe khảo sát bằng phần mềm phân tích kết cấu ANSYS

3 Mô phỏng quá trình va chạm trực diện của xe để xác định biến dạng

và ứng suất của khung vỏ xe bằng việc ứng dụng môđun LS-DYNA trong

phần mềm ANSYS với kết quả đạt được nhanh chóng và chính xác

4 Sử dụng các thiết bị đo ghi thế hệ mới để tiến hành các phép đo và thí

nghiệm kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ đó có thể đánh giá độ

bền và an toàn bị động của khung vỏ xe khảo sát cũng như đề xuất các kiến nghị với các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Hình 1.11 Sơ đồ nghiên cứu xác định biến dạng và ứng suất

của khung vỏ xe khi va chạm trực diện

Chương 2 Cơ sở Khoa học về va chạm trực diện của ôtô 2.1 Lý thuyết va chạm và các yếu tố đặc trưng của va chạm hai vật rắn 2.1.1 Va chạm và quá trình va chạm

Va chạm là sự tiếp xúc bất thình lình giữa các vật rắn gây nên sự thay

đổi các đặc trưng cơ học của chúng Vận tốc các điểm và vận tốc góc của các vật rắn thay đổi một lượng hữu hạn trong một thời gian rất nhỏ

Đánh giá kết quả tính toán bằng phương pháp mô phỏng trên mô hình PTHH với

môđun LS-DYNA

1 So sánh kết quả ứng suất và biến dạng

2 Đánh giá độ chính xác của mô hình

3 Đề xuất, kiến nghị hoàn thiện kết cấu khung vỏ xe

Đối tượng nghiên cứu

Xe Saigon Van 8 chỗ

(SAGACO)

Nghiên cứu lý thuyết

• Yêu cầu chung của khung vỏ xe

• Lý thuyết cơ sở về va chạm ôtô

• Đường truyền tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát

• Xây dựng mô hình PTHH cho xe khảo sát và tính toán độ bền khung

vỏ xe khi va chạm trực diện

Nghiên cứu thực nghiệm

• Các dạng thực nghiệm va chạm

• Thực nghiệm va chạm trực diện của

ôtô vào vật cản cứng

• Nhận xét về độ bền của khung vỏ

xe khảo sát khi va chạm trực diện thông qua kết quả thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu thực nghiệm

• Xây dựng phương pháp thực nghiệm,

điều kiện thực nghiệm, các bước tiến hành thực nghiệm va chạm trực diện ôtô vào vật cản cứng

• Các loại thiết bị và sơ đồ khối của hệ thống thực nghiệm

• Xây dựng thuật toán xử lý số liệu thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu lý thuyết

• Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe và tiêu chuẩn an toàn cho người khi va chạm

• Các khái niệm cơ bản về va chạm

• Các mô hình nghiên cứu va chạm

• Nghiên cứu động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện

• Xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe bằng phần mềm ANSYS và mô phỏng

va chạm bằng môđun LS-DYNA

v0 τ

v0 v0n

n

G C

B

Mặt phẳng tiếp xúc chung

0

ψ

Mặt phẳng tiếp xúc chung

B'

B n G

G' v' C

C C'

vC

r' C

rC

2.1.2 Lực va chạm và xung lực va chạm

Khi hai vật rắn va chạm, các lực liên kết xuất hiện ở chỗ tiếp xúc được

gọi là lực va chạm Ký hiệu là ( )F tr Người ta thường đánh giá tác dụng của

lực va chạm qua xung lực va chạm :

0

( )

t

Pr =∫F t dtr (2.1) 2.1.3 Các yếu tố đặc trưng của va chạm hai vật rắn

2.1.3.1 Mô hình va chạm cơ học hai vật rắn

Khi hai vật rắn va chạm, ở thời điểm va

chạm sẽ tồn tại một điểm C thuộc vật rắn B

và một điểm C’ thuộc vật rắn B’ trùng với

nhau khi hai vật tiếp xúc [36]

Tại điểm tiếp xúc C trùng với C’ sẽ tồn

tại một mặt phẳng tiếp xúc chung Hướng

của véc tơ pháp tuyến nr vuông góc với mặt

phẳng tiếp xúc chung tại C Đường Cn gọi

là đường va chạm

Nếu đường nối tâm GG’ trùng với đường va chạm Cn thì là va chạm

xuyên tâm, nếu GG’ không trùng với Cn thì là va chạm lệch tâm [9], [36]

Nếu vận tốc tại điểm tiếp xúc V c

r

và V c'

r song song với đường va chạm thì gọi là va chạm thẳng Nếu Vrc và Vrc' không song song với đường va

chạm thì gọi là va chạm xiên [9]

2.1.3.2 Vận tốc tương đối ở điểm tiếp xúc [36]

Tại thời điểm bắt đầu va chạm tại điểm

tiếp xúc chung sẽ xuất hiện vận tốc tương

đối ban đầu vr0=Vrc(0)ưVrc'(0) Vận tốc

tương đối ban đầu vr gồm hai thành phần : 0

- Thành phần theo phương pháp tuyến Cn

là v on =vro nr

- Thành phần song song với mặt phẳng

tiếp xúc chung v oτ =( n x vr ro) nr

ψ0 gọi là góc xiên va chạm

2.2 Các mô hình nghiên cứu va chạm

2.2.1 Mô hình va chạm điểm

Là mô hình va chạm tiếp xúc điểm giữa các quả cầu, trong mô hình này

chỉ quan tâm đến thành phần pháp tuyến của xung lực va chạm Lực va

chạm được coi là rất lớn và tồn tại trong một thời gian rất nhỏ [36]

Hình 2.1 Mô hình va chạm

Hình 2.5 Góc xiên va chạm ψ0

2.2.2 Mô hình va chạm của các vật rắn tuyệt đối Vùng tiếp xúc giữa hai vật được xem là nhỏ so với diện tích mặt ngoài của các vật, áp lực trong vùng tiếp xúc rất lớn nhưng sẽ giảm rất nhanh ở ngoài vùng tiếp xúc Nội năng biến dạng chỉ có thể phát sinh trong một vùng nhỏ [40]

2.2.3 Mô hình va chạm có xét đến đặc tính của vùng va chạm Mô hình nghiên cứu quá trình va chạm của hai vật rắn xét đến đặc tính của vùng va chạm có thể sử dụng mô hình Kelvin-Voigt đàn nhớt phi tuyến như trong hình 2.7

C

k 1

Hình 2.7 Mô hình va chạm phi tuyến

Phương trình chuyển động : mx&+cxx&+kx=0 (2.12) Lực va chạm :

Fc

mk

Vận tốc khi kết thúc va chạm : 0

0

1 ln 1

f f

Z

Z

ư

ư

(2.23)

Hệ số hồi phục : e* =

0

f

Z Z

ư (2.24) 2.3 Động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện

2.3.1 Va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng Khi va chạm là biến dạng dẻo thì động năng sẽ hoàn toàn biến thành công biến dạng khung vỏ theo phương trình :

max 2 0 0

1

( , ) 2

X

F lực gây biến dạng, x biến dạng tức thời,

x& vận tốc biến dạng, xmax biến dạng lớn nhất của đầu xe khi xe dừng lại

Phương trình chuyển động của xe khi va chạm vào vật cản :

Hình 2.9 Mô hình động lực học của ôtô va chạm vào vật cản cứng

F

xmax

v0

M x&&

Mx& + F = 0 (2.26)

Có ba quá trình cơ bản có thể xảy ra của lực va chạm gây biến dạng :

1 Khi lực va chạm là hằng số

Khi lực va chạm là hằng số ta có : 2

max 0

1

2MV = F x (2.28) Biến dạng lớn nhất là :

2

max

1

V

= = (2.29)

2 Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng

Lực va chạm F = kx nên động năng của ôtô khi va chạm sẽ trở thành

công biến dạng :

2 max

1

2

x

max

1

2kx (2.30) Biến dạng lớn nhất : max 02

max

max

x

= = (2.34)

3 Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng

Phương trình chuyển động : M x &+ c x&=0 (2.44)

Biến dạng lớn nhất :

2

max

max

x

= = (2.40) Với amax là gia tốc va chạm lớn nhất xác định bằng thực nghiệm, theo

quan điểm cơ sinh học về khả năng chịu đựng của cơ thể người, tiêu chuẩn

FMVSS 208 (Mỹ) quy định amax = 300m/s2 [2], [15]

2.3.2 Va chạm của hai ôtô

2.3.2.1 Va chạm cùng chiều của hai ôtô

Quá trình va chạm theo hai giai đoạn : biến dạng và hồi phục, trong giai

đoạn biến dạng dẻo khối tâm hai xe sẽ chuyển động với cùng một vận tốc :

1 ' 2

ˆ

'

V

+

=

+

(2.44)

Vận tốc bật lại : 1 1 ( )

'

1 e

M

+

  (2.49)

2 2 ( )

1 e

M

+

  (2.50)

Năng lượng hấp thụ trong quá trình va chạm :

M M

+

2.3.2.2 Va chạm ngược chiều của hai ôtô

Giả thiết quá trình va chạm chỉ có biến dạng dẻo và không có giai đoạn hồi phục, hai ôtô sau va chạm sẽ chuyển động với cùng một vận tốc :

V+= 1 2

' '

+ (2.56) Năng lượng hấp thụ trong quá trình va chạm :

M M

+

(2.60) Trong chương này đã trình bày các dạng mô hình va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện, nó cho phép xác định

được các thông số cơ bản của quá trình va chạm như biến dạng, thời gian va chạm, năng lượng hấp thụ, vận tốc sau va chạm, hệ số hồi phụcº đây là cơ

sở khoa học để định hướng cho việc thiết lập mô hình tính của khung vỏ xe khảo sát, xây dựng các phương án tính toán và lựa chọn tốc độ va chạm khi mô phỏng va chạm ở chương 3 của luận án

Chương 3 tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3.1 Đặc điểm kết cấu của khung vỏ xe khảo sát

Xe chở khách 8 chỗ ngồi Saigon Van

do Công ty ôtô Sài Gòn (SAGACO) sản xuất và lắp ráp, có nguồn gốc linh kiện từ Trung Quốc theo kiểu mẫu thiết kế loại xe SC6360 của tập đoàn Changan Wuling Xe Saigon Van thuộc loại xe khung vỏ xe chịu lực kết hợp [5]

3.2 Đường phân bố tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát

Khi va chạm trực diện trong khung vỏ xe khảo sát có các đường truyền tải trọng sau :

* Một phần nhỏ tải trọng vào thanh giằng ngang trước qua cạnh trên của tấm vách bên đầu xe đến cột chéo trên trụ A và đi lên khung xương nóc xe

Hình 3.1 Hình dạng tổng thể của xe khảo sát

* Hầu hết tải trọng tác dụng vào đầu hai dầm dọc đến điểm nối giữa dầm

dọc và tháp treo trước thì phân nhánh :

- Tải trọng đi xuống theo chiều cong của dầm dọc và đi ra phía sau xe

- Một phần tải trọng qua tháp treo đến trụ A và lên cột chéo trên trụ A

Hình 3.2 Đường phân bố tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát

3.3 Chương trình phân tích kết cấu ANSYS

3.3.1 Cấu trúc của chương trình ANSYS

Phần mềm ANSYS do Công ty

phần mềm ANSYS (Mỹ) xây dựng

và phát triển,chạy trong môi trường

WINDOWS, là một gói chương trình

dựa trên cơ sở phân tích PTHH để

mô phỏng ứng xử của hệ thống hoặc

kết cấu khi chịu tác động của các

loại tải trọng khác nhau Sơ đồ cấu

trúc của phần mềm ANSYS cho

trong hình 3.9 [7], [21]

3.3.2 Khả năng ứng dụng của phần mềm ANSYS

Trong lĩnh vực phân tích kết cấu có 6 dạng bài toán có thể giải bằng

phần mềm ANSYS với các dạng tải trọng khác nhau [7], [16], [21]

* Bài toán phân tích tĩnh

* Bài toán dao động riêng

* Bài toán phân tích phản ứng hàm điều hoà

* Bài toán phân tích quá trình quá độ

* Bài toán phân tích phổ hàm ngẫu nhiên

* Bài toán phân tích ổn định

3.4 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe khảo sát bằng

chương trình ANSYS

3.4.1 Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc

Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc phải dựa trên các nguyên tắc sau [30] :

- Mô tả được đặc điểm cấu trúc chịu lực của kết cấu

- Thể hiện được phân mảnh cấu trúc theo qui trình công nghệ chế tạo

- Sự ghép nối giữa các mảnh phải đảm bảo được tính liên tục của kết cấu

và thể hiện được liên kết thực tế giữa các mảnh

Hướng va chạm

Hình 3.9 Cấu trúc chung của chương trình ANSYS [7]

3.4.2 Giả thiết và các bước xây dựng mô hình 3.4.2.1 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

- Kết cấu khung vỏ xe xem như đối xứng qua mặt đối xứng dọc xe

- Trọng lượng bản thân của khung vỏ xe được coi như tải trọng phân bố

- Kết cấu khung vỏ xe sử dụng phần tử dạng vỏ và dầm Dùng các mặt cắt chuẩn có thông số vật liệu và mặt cắt tương đương cho các phần tử 3.4.2.2 Các bước xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

Trong luận án đã sử dụng phương pháp xây dựng mô hình hình học của khung vỏ xe Saigon Van bằng phần mềm thiết kế CATIA sau đó nhập mô hình vào chương trình ANSYS nhờ khả năng kết nối trực tiếp giữa hai phần mềm này Việc chia lưới sẽ được thực hiện trong phần mềm ANSYS để tạo thành mô hình phần tử hữu hạn

1 Xác định hệ toạ độ chung Trong ANSYS có hai dạng hệ tọa độ : hệ tọa độ phần tử và hệ tọa độ tổng thể Luận án đã sử dụng hệ tọa độ tổng thể, hệ tọa độ này có tính chất mặc định và không thay đổi trong quá trình tính toán Thông thường mặt phẳng XOZ của hệ tọa độ tổng thể là mặt phẳng đối xứng dọc của xe

2 Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe Saigon Van

Hình 3.11 Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát

Việc phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát dựa trên cơ sở các nguyên tắc được trình bày trong phần 3.4.1 và thực hiện phân mảnh cấu trúc theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà sản xuất [5] Theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà sản xuất, khung vỏ xe Saigon Van có thể phân thành 6 mảng lớn nối ghép với nhau bằng các mối hàn như trên hình 3.11

3 Thiết lập các nút, lưới, và gán các phần tử trên các mảnh cấu trúc

a Xác định các nút Phân bố số lượng các nút trên khung vỏ xe khảo sát cho trong bảng 3.2

1 - Mảng đuôi xe

2 - Mảng đầu xe

3 - Mảng sườn trái

4 - Mảng sườn phải

5 - Nóc xe

6 - Mảng sàn xe

1

3

5

4

1

2

5 3

6

4

Bảng 3.2 Phân bố các nút trên khung vỏ xe

Số nút Thứ

tự Tên mảnh cấu trúc Ký hiệu mảnh Từ Đến Số lượng nút

7 Khung và lốp xe 07 37523 68499 30977

b Gán các phần tử

Bảng 3.3 Thông số các loại mặt cắt của phần tử BEAM

Mô men quán tính

Loại

mặt

cắt

Diện tích

mặt cắt

(mm2) I

X (mm4) IY (mm4)

Diện tích chịu cắt (mm2) S

X (mm3) SY (mm3)

6

7

8

9

10

11

12

876

328

408

406

176

216

228

2713752

334053

176224

77275

16339

119552

180044

3511177

401213

1238856

1317097

97299

90472

66956

21160

6699

7155

5046

1407

2891

2925

22554

4832

4084

2734

814

2316

2869

25292

5242

9898

10092

1826

2046

1843

5 Mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe Saigon Van

Hình 3.17 Lưới các nút của khung vỏ xe

3.5 Phương pháp năng lượng để xác định biến dạng và ứng suất của

khung vỏ xe khi va chạm trực diện

3.5.1 Phương pháp năng lượng trong tính toán va chạm

Phương trình bảo toàn năng lượng trong quá trình va chạm [27] :

T + U = T0 + W (3.14)

Trong đó T là động năng của hệ ; U là năng lượng biến dạng gồm năng

lượng biến dạng đàn hồi và công biến dạng dẻo ; T0 là động năng ban

đầu của hệ ; W là công của ngoại lực tác dụng lên hệ

Cơ sở của phương pháp năng lượng là mô phỏng số quá trình va chạm của xe Luận án đã sử dụng môđun LS-DYNA trong ANSYS để mô phỏng quá trình va chạm trực diện của khung vỏ xe khảo sát Năng lượng tiếp xúc trong một bước thời gian tính toán tại mỗi bề mặt tiếp xúc biểu diễn bằng phương trình [25] :

1 2

n

+ +

  (3.15) Trong đó EC là năng lượng tiếp xúc trong mỗi bước thời gian ; k, m là số lượng nút ở các bề mặt tiếp xúc ; ∆ là lực tương tác giữa nút i của một Fi

bề mặt với bề mặt tiếp xúc còn lại ; ∆ là chuyển vị của nút i trên một ui

bề mặt trong mỗi bước thời gian

Biến dạng theo các phương trục tọa độ [25] :

x = u ; y = u ; z = u

∂ ∂ ∂ (3.22) 3.5.2 Các giả thiết khi mô phỏng va chạm

- Hướng va chạm không thay đổi trong quá trình va chạm

- Thời gian va chạm là rất nhỏ nên có thể xem như khối lượng của xe không thay đổi trong quá trình va chạm

- Xem như dịch chuyển của khung vỏ xe sau khi kết thúc va chạm nhỏ

- ảnh hưởng của hệ thống treo, hệ thống lái đến biến dạng của khung vỏ

xe là nhỏ trong quá trình va chạm

- Bỏ qua ma sát của bánh xe với mặt đường, lực phanh tại bánh xe trước khi va chạm (tốc độ của xe không đổi trước khi va chạm)

Xây dựng mô hình hình học khung

vỏ xe bằng chương trình CATIA Chuyển mô hình hình học khung

vỏ xe từ CATIA vào ANSYS

Xây dựng mô hình PTHH của khung

vỏ xe khảo sát trong ANSYS

Mô phỏng quá trình va chạm trực diện với bước thời gian xác định KếT QUả

TíNH TOáN Hiển thị và in ra kết quả tính

Định nghĩa thuộc tính vật liệu

Chọn dạng bài toán phân tích

Chọn kiểu phần tử và thông

số hình học của phần tử Xác định tải trọng và các

điều kiện ràng buộc

Hình 3.18 Sơ đồ thuật toán mô phỏng va chạm trực diện của xe

Do kết cấu khung vỏ xe khá đa dạng và phức tạp nên việc xây dựng mô

hình PTHH của nó rất khó khăn, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nên

trong luận án đã sử dụng mô hình các xe giống nhau cho việc mô phỏng quá

trình va chạm trực diện hai xe để tính biến dạng và ứng suất khung vỏ

3.5.3 Phương án đặt tải

Thông số đầu vào bài toán mô phỏng va chạm vào vật cản cứng và va

chạm cùng chiều hai xe là động năng của xe gây va chạm T = 1/2MV2 Đối

với bài toán hai xe va chạm ngược chiều là giá trị tổng động năng của cả hai

xe Trong khoảng thời gian va chạm chia thành các bước tính với mỗi bước

tăng thời gian là 0,001s

3.5.4 Một số kết quả tính toán ứng suất và biến dạng khung vỏ xe

3.5.4.1 Xe va chạm vào vật cản cứng tốc độ 50km/h, 100% chiều rộng xe

a Biến dạng của vỏ xe b ứng suất của vỏ xe

c Biến dạng của khung d ứng suất của khung

Hình 3.19 Mô hình mô phỏng

va chạm của xe vào vật cản Hình 3.28 Mô hình mô phỏng va chạm ngược chiều hai xe

Nút

58395

e Chuyển vị của nút 58395 Hình 3.20 Kết quả tính ứng suất và biến dạng

Kết quả mô phỏng trong LS-DYNA với các trường hợp va chạm trực diện

là biến dạng, ứng suất dưới dạng hình vẽ, biểu đồ phân bố, đồ thị và các dạng số liệu tương ứng

3.5.4.2 Hai xe va chạm thẳng ngược chiều vận tốc mỗi xe 25km/h, độ lệch 40% (khối lượng xe thứ nhất gấp hai xe thứ hai)

a Biến dạng của vỏ xe b ứng suất của vỏ xe

c Biến dạng của khung d ứng suất của khung

Nút

42058