(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hệ thống điều khiển ghế an toàn tích hợp cho trẻ em trên xe ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GHẾ AN TỒN TÍCH HỢP CHO TRẺ EM TRÊN XE Ơ TƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 8520116 SKC008003 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ HOÀNG PHƢƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GHẾ AN TỒN TÍCH HỢP CHO TRẺ EM TRÊN XE Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THÀNH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/ 2023 i ii iii iv v vi vii viii LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ tên: Vũ Hồng Phương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1995 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Nam Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 359B/3 ấp Dốc Mơ 2, xã Gia Tân 1, Huyên Thống Nhất, Tỉnh Đồng Nai Điện thoại quan: 02512612241 Điện thoại di động: 0988889440 Fax: Email:vuphuong19091995@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1.Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2014 đến 2018 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Công Nghệ Đồng Nai Ngành học: Công nghệ kỹ thuật ô tơ Tên đồ án: Hệ thống chuẩn đốn điện động Ngày nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: tháng 07/2018 trường Đại học Công Nghệ Đồng Nai Người hướng dẫn: Ths Hồ Xuân Trường ix lập INITIAL.NODE_VEL nhằm giúp toàn điểm đầu xe đạt vận tốc ổn định trước va chạm Hình 3.36: Tạo vận tốc cho xe Bước 3: Đặt điều kiện tiếp xúc Đầu tiên tiếp xúc mặt đường bánh xe, ta sử dụng CONTACT.MB_MB để thiết lập điều kiện tiếp xúc đa thể rắn mặt đường bánh xe CONTACT.MB_FE để thiết lập tiếp xúc tường mơ hình đầu xe Hình 3.37: Tạo điều kiện tiếp xúc mặt đường bánh xe Bước 4: Tạo thông số OUTPUT thời gian mơ ` Tại dịng CONTROL.OUTPUT, chọn ANIMATION, tab Attributes  EXTENDED  ON, WRITE_FORMAT  MAD để xuất file giúp ta xem lại q trình mơ phỏng, số an toàn người trẻ em ngồi xe 53 Hình 3.38: Cài đặt tối ưu hiệu xuất máy tính Thiết lập CONTROL.ALLOCATION hình để khai thác hết khả máy tính nhằm rút ngắn thời gian mơ 3.3 Tạo mơ hình ngƣời lớn trẻ em ngồi xe Mơ hình người nộm phần mềm MADYMO chuyên gia xây dựng dựa vào tiêu chuẩn Châu Âu nhằm đảm bảo chúng có chuyển động chân thật mơ va chạm Do đó, ta cần mở lên thư viện phần mềm thêm vào file vào Từ thư viện phần mềm MADYMO đường dẫn C:\Program Files \Madymo\madymo_75\share\dbs\dummies\3d\d_q06yel_usr.xml, sau tiến hành copy SYTEM.MODEL Q6_child_sys sang file Frontal_impact.xml, đổi lại ID cho khơng trùng lặp với ID có sẵn, dịng CRDSYS_OBJECT.MB ta chọn lại BODY GHESAU/GHE_TRE_EM hiệu chỉnh toạ độ cho người nộm ngồi lên ghế Tiếp nhấn vào Tool  Joint Positioning chọn System Model người nộm cần chỉnh vị trí Để chỉnh lại vị trí khớp cho phù hợp với ghế trẻ em xe khách 29/34 chỗ, ta cần thay đổi thông số D1, D2, d3, R1, R2, R3,… sau thay đổi vị trí khớp click OK để áp dụng Ví dụ khớp AnkleL_jnt khớp mắt cá bên trái, ElbowR_jnt khớp khuỷu tay bên phải Sau đặt điều kiện tiếp xúc cho người nộm với ghế trẻ em CONTACT.MB_MB 54 Hình 3.39: Mơ hình người nộm lấy thư viện Hình 3.40: Mơ hình tiếp xúc người nộm trẻ em với ghế tích hợp 3.4 Xây dựng mơ hình dây đai Trong mơ hình dây đai an tồn ta cần xác định yếu tố: -Vị trí dây đai bao gồm toạ độ điểm cố định dây đai vào khung xe -Phần tử hữu hạn dây đai bao gồm dây đai bắt chéo qua vai dây đai bắt ngang hông trẻ em -Đặc tính dây đai bao gồm vật liệu, bề dày, hàm đặc tính chưa va chạm có va chạm Kể từ phiên MADYMO 7.5 trở đi, hệ thống dây đai bảo vệ người lớn trẻ em tạo độc lập trực tiếp phần mêm mà qua phần mềm 55 khác hỗ trợ Hyper Mesh để chỉnh sửa phần tử hữu hạn trước nhập lại MADYMO Do đó, ta cần lấy hệ thống dây đai từ thư viện chép vào file mô phỏng, chỉnh lại toạ độ khớp sau dùng lệnh Belt Fitting phần mềm để chỉnh dây đai khớp với mơ hình trẻ em Để tiết kiệm thời gian, ta nên sử dụng hệ thống đai từ thư viện thay tạo từ đầu Từ file a_frontalel.xml, ta copy SYSTEM.MODEL Belts FUNTION CONTACT.MB_FE vào file xe khách 29/34 chỗ, chỉnh ID cho phù hợp sửa lại BODY toạ độ thành phần JOINT.* hệ thống dây đai an tồn Hình 3.41: Hệ thống dây đai thư viện Hình 3.42: Các JOINT cần chỉnh sửa vị trí 56 Chƣơng MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM GHẾ AN TỒN TÍCH HỢP TRÊN XE KHÁCH 4.1 Mơ phân tích kết cấu bền 4.1.1 Kết độ bền kết cấu ghế tích hợp Dựa vào phần mềm LS-DYNA với tốc độ 50km / h, kết mơ hình 4.1 Ứng suất tối đa ghế chân ghế 178 MPA Nó đạt giá trị nhỏ 254 MPa ứng suất cho phép, thỏa mãn điều kiện độ bền kết cấu b) Ứng suất a) Chuyển vị Hình 4.1: Ứng suất cực đại va chạm Để nhận xét độ bền kết cấu ghế tích hợp, phải mô ghế điều kiện va chạm trực diện để kiểm tra ứng suất chuyển vị ghế theo phương dọc xe Hình 4.1 cho thấy phân bố ứng suất ghế trẻ em trình va chạm xảy Kết có phần chân ghế xảy tượng biến dạng ứng suất cục Cần lưu ý ứng suất lớn dọc ghế nhỏ ứng suất giới hạn cho phép vật liệu Dựa vào kết mơ hình 4.1 phân tích nêu độ cứng ghế tích hợp đáp ứng lực tác động lên ghế theo phương dọc trục xe 57 4.2 Kết tổn thƣơng Dựa vào phần mềm MADYMO mô trẻ em ngồi xe buýt thể hình 4.3 cho thấy ghế thiết kế để sử dụng cho trẻ em người lớn, nâng trẻ trọng tâm dây đai an toàn người lớn Điều cho thấy trẻ ngồi không tâm dây an tồn Hình 4.4, dây đai bị lệch sang bên vai trùng với đầu trẻ em gây hậu khó lường tai nạn trực diện xảy a) Trẻ em tuổi b) Trẻ em tuổi c) Trẻ em 10 tuổi d) Người lớn Hình 4.2 Mức độ cao thấp trẻ em người lớn ngồi ghế tích hợp 58 Hình 4.3: Ghế tích hợp Hình 4.4: Ghế khơng tích hợp Hình 4.5 cho thấy kết mơ phân tích, với xe chưa thiết kế ghế tích hợp, trẻ em ngồi ghế người lớn, dù thắt dây an toàn tiếp xúc bên vai phải Tuy nhiên, sau va chạm phần đầu trẻ em rời khỏi dây đai dẫn đến va chạm vào kết cấu ghế gây chấn thương nặng vùng đầu a) Giữa trình va chạm b) Cuối trình va chạm Hình 4.5: Quá trình va chạm khơng có ghế tích hợp 59 Hình 4.6 cho thấy ghế an tồn tích hợp nâng trẻ em lên với trọng tâm Sau va chạm, hệ thống giữ trẻ em không rời khỏi ghế giữ an toàn cho phần đầu thân trẻ em Hình 4.6: Q trình va chạm với ghế tích hợp 4.3 So sánh khơng có ghế trẻ em có ghế trẻ em 4.3.1 Dùng phần mềm Protocol Rating để phân tích tổn thƣơng - Trƣờng hợp 1: Mơ khơng có ghế an tồn tích hợp Sau sử dụng mô phần mềm MADYMO PROTOCOLRATIN để tính tốn giá trị thương tật trẻ em Kết thương tích trẻ em hình 4.7 trẻ khơng sử dụng ghế tích hợp, tỷ lệ tổn thương vùng đầu 87%, lực cắt dương cổ 2%, lực cắt âm cổ 83% Lực giới hạn căng cổ 147%, vượt số an tồn theo tiêu chuẩn ECE R94 60 Hình 4.7: Chỉ số an tồn khơng có ghế tích hợp Hình 4.8: Chỉ số an tồn với ghế tích hợp 61 - Trƣờng hợp 2: Mơ có ghế an tồn tích hợp Hình 4.8 cho thấy giá trị thương tật sử dụng ghế tích hợp Ghế cũ 87% so với ghế cải tiến giảm chấn thương đầu xuống 24%, ghế cũ 83% so với ghế cải tiến giảm lực giới hạn cắt âm cổ 14%, ghế cũ 147% so với ghế cải tiến giảm lực giới hạn căng cổ 85% So với ghế không cải tiến, giá trị chấn thương đầu trẻ em giảm 63%, lực cắt âm cổ giảm 69%, lực giới hạn căng cổ giảm 62% đáp ứng số an toàn theo tiêu chuẩn ECE R94 Kết luận, hệ thống ghế tích hợp an tồn sử dụng cho trẻ em người lớn 62 Chƣơng KẾT LUẬN 5.1 Tổng kết Nghiên cứu hoàn thành mục tiêu đề Cụ thể, đề tài đạt kết mong muốn Lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp để đánh giá khả an toàn trẻ em xe xảy va chạm trực diện ECE R94, không gian an tồn ECE R66 Xây dựng mơ hình trẻ em ngồi xe khách 29/34 chỗ phần mềm MADYMO với khung đầu xe phần tử hữu hạn, phần cịn lại dạng đa thể cứng Mơ phân tích tổn thương trẻ em tài xế xe xảy va chạm trực diện Đề xuất phương án thử nghiệm đánh giá hiệu lứa tuổi trẻ em việc giảm thiểu chấn thương cho trẻ em Nghiên cứu thiết kế dựa theo ghế xe khách sau tiến hành thiết kế cải tiến ghế mơ Kết mơ ghế tích hợp đảm bảo độ bền kết cấu an toàn cho trẻ em So với ghế không cải tiến, giá trị chấn thương đầu trẻ em sử dụng ghế tích hợp giảm 63%, lực giới hạn cắt âm cổ giảm 69% lực giới hạn căng cổ giảm 62% Điều chứng minh ghế an tồn tích hợp lựa chọn tốt cho trẻ em để bảo vệ khỏi bị thương xe đáp ứng tiêu chuẩn ECE R94 Từ kết mô cho thấy sau thiết kế ghế ngồi tích hợp cho trẻ em thơng số thuộc phận thể trẻ em Tổn thương trẻ em cải thiện rõ rệt giảm thiểu khả tử vong thông số tổn thương lên trẻ em phận đầu ngực nằm khoảng giá trị an toàn mà tiêu chuẩn ECE R94 quy định 5.2 Giới hạn phát triển đề tài Dựa theo nghiên cứu va chạm xe khách từ nghiên cứu tổn thương trẻ em ngồi xe khách Đây lĩnh vực nghiên cứu có liên kết kết cấu bền tính an tồn trẻ em ngồi xe Thì đề tài đưa 63 phương pháp mục đích nhằm giảm tổn thương đến trẻ em xe Đề tài giới hạn mức độ cải tiến thiết kế ghế tích hợp cho trẻ em sau mô dựa phần mềm Luận văn cao học GVHD: TS Nguyễn Thành Tâm HVTH: Vũ Hoàng Phương MSHV: 2080526 tiến hành mô kết Nghiên cứu dừng lại việc đưa ý kiến đề xuất chưa tiến hành thực nghiệm Sau mơ phân tích cho thấy ảnh hưởng kết cấu phần ghế tích hợp dây đai an toàn đến thể trẻ em lớn Vì để tăng tính an tồn trẻ em xảy va chạm, yêu cầu phải xác phù hợp với độ tuổi, nghiên cứu thử nghiệm phương pháp với phần mềm chuyên dùng đảm bảo sau mơ để đánh giá khả an toàn để đưa vào thực tế Do kiến thức thời gian có hạn nên mơ hình xây dựng cịn nhiều hạn chế thiếu sót xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho ghế tích hợp, chưa xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho phận lại Do xảy va chạm trực diện, có phần đầu xe ghế bị biến dạng, dẫn đến kết q trình mơ chưa hồn tồn xác Do tác giả kiến nghị nhà nghiên cứu xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho tồn xe để mơ đạt kết xác so với thực tế Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu dừng lại phần mô kết cấu bền an toàn trẻ em ngồi xe khách va chạm trực diện Trong tương lai đề xuất nhà nghiên thử nghiệm tổn thương hành khách sau: - Va chạm 30% Với bề ngang đầu xe - Va chạm hông xe - Va chạm vào lươn đường 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyen Thanh Tam, Thiết kế tối ưu kết cấu khung xương sát-xi ô tô khách, trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2015 Nguyen Khac Huan, Nghiên cứu tính bền kết cấu khung xương ô tô chở khách theo tiêu chuẩn E/ECE/TRANS/505/66 phần mềm ANSYS, trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2010 Nguyen Quang Anh, Nghiên cứu động lực học độ bền khung vỏ ô tô va chạm trực diện, trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2007 Do Huyen Trang, Nghiên cứu, thiết kế tính an tồn kết cấu tơ khách xảy va chạm trực diện, trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2015 https://en.wikipedia.org/wiki/Euro_NCAP, E.I Stockman, I., Safety for Children in Cars: Focus on Three Point Seatbelts in Emergency Events 2016: Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden Jakobsson, L., U Lechelt, and E Walkhed The balance of vehicle and child seat protection for the older children in child restraints in Protection of Children in Cars 10th International Conference 2012 Frej, D and P Grabski, The impact of the unbalanced rear wheel on the vibrating comfort of the child seat Transportation research procedia, 2019 40: p 678-685 Boberg, S and T Fredrikson, Child Comfort in Rear Seats of Cars: A seating comfort study of how to improve and evaluate older children’s perceived comfort when riding on a belt-positioning booster 2017 65 10 Baranowski, P., et al., A child seat numerical model validation in the static and dynamic work conditions Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2015 15(2): p 361-375 11 Björnstig, U., J Björnstig, and A Eriksson, Passenger car collision fatalities–with special emphasis on collisions with heavy vehicles Accident analysis & prevention, 2008 40(1): p 158-166 12 Ma, S., et al., Seat belt and child seat use in Lipetskaya Oblast, Russia: frequencies, attitudes, and perceptions Traffic injury prevention, 2012 13(sup1): p 76-81 13 Savino, G., et al., Inevitable collision states for motorcycle-to-car collision scenarios IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2016 17(9): p 2563-2573 14 Schneider, L., et al., Effects of a seat-integrated mobilization system during passive driver fatigue Accident Analysis & Prevention, 2021 150: p 105883 15 Weizhong, N., L Jinxin, and P Shengjuan, Influence of collision location and speed on the car body security in pole side impact of a passenger car Journal of Automotive Safety and Energy, 2016 7(01): p 55 16 Zheng, F., et al., Evaluation on safety of passenger car collision and safety design of car body collision Tianjin Auto, 2006 17 Tingvall, C., Children in cars Some aspects of the safety of children as car passengers in road traffic accidents Acta Paediatrica Scandinavica Supplement, 1987 339: p 1-35 18 Henary, B., et al., Retraction: Car safety seats for children: rear facing for best protection 2017, BMJ Publishing Group Ltd 66 S K L 0