Nghiên cứu mô phỏng đánh giá biến dạng khung sườn dòng xe sedan sau va chạm và khuyến nghị

Kết quả nghiên cứu giúp mô phỏng được trạng thái và mức độ tổn thương lên con người, từ đó có những cải tiến về kết cấu khung vỏ xe, các bộ phận an toàn chủ động nhằm giảm mức độ nguy hi

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Tai nạn giao thông hiện là vấn đề đáng quan tâm hiện nay, đó là một trong những nguyên nhân chính gây chết người hàng đầu Những tai nạn giao thông đáng tiếc để lại hậu quả đáng kể cho gia đình và xã hội Do nhu cầu vận chuyển ngày càng cao và sự tiện dụng của các phương tiện giao thông hiện nay đòi hỏi phương tiện phải đáp ứng được các yêu cầu về mặt nhu cầu đồng thời cũng phải đáp ứng tối đa về tính an toàn Theo thống kê thế giới hiện nay tổng lượng phương tiện giao thông đường bộ khoảng 1.81 tỷ và cũng như Việt nam hiện nay lượng phương tiện giao thông đường bộ hiện tại đạt mốc 5 triệu phương tiện Thể hiện ở Hình 1.1 [1]

Hình 1.1: Lượng phương tiện tham gia giao thông đường bộ tại Việt Nam [1]

Thống kê về số lượng phân khúc các dòng xe ô tô được ưa chuộng tại thị trường Việt Nam Từ những thông số thống kê ta thấy được phân khúc xe sedan nói chung được sử dụng nhiều hơn hết Hình 1.2 Theo tổng hợp ý kiến cá nhân người dùng vì những ưu điểm về mặt giá cả cạnh tranh cũng như về mặt thiết kế vận hành, phù hợp với môi trường vận hành chật hẹp, và khả năng vận hành tiết kiệm: So với các dòng

2 xe gầm cao đồ sộ như suv hay cuv thì xe sedan có mức tiêu hao nhiên liệu tiết kiệm hơn do trọng lượng nhẹ hơn Đồng thời, lượng khí thải cũng ít hơn, tiết kiệm hiệu quả mà xe sedan mang lại

Hình 1.2: Các dòng xe ô tô bán nhiều nhất Việt Nam tháng 7 năm 2022 [2]

Với lượng phương tiện giao thông nhiều như vậy thì vấn đề tai nạn giao thông có liên quan đến phương tiện sẽ không tránh khỏi Theo thống kê của cục giao thông đường bộ riêng tám tháng đầu năm 2022 cả nước xảy ra 11.450 vụ tai nạn giao thông trên toàn quốc, bình quân 1 ngày có 31 vụ tai nạn, 19 người tử vong, 20 người bị thương nặng [3] Hình 1.3

Trong đó liên quan đến xe Sedan bị tai nạn có các vụ mang tính chất nghiêm trọng Gần nhất hiện nay, một vụ tai nạn nghiêm trọng xảy ra ô tô con và xe đầu kéo làm cho người điều khiển xe ô tô con tử vong, và phương tiện ô tô con bị biến dạng nghiệm trọng sau tai nạn xảy ra [4], được thể hiện ở Hình 1.4

Hình 1.3: Các vụ tai nạn trên toàn quốc được thống kê từ năm 2017 đến 2022 [5]

Hình 1.4: Ô tô biến dạng nặng sau khi va chạm [4]

Một chiếc xe được thiết kế kết cấu khung xương bền, an toàn, hạn chế được các ảnh hưởng khi xảy ra va chạm là yếu tố cần thiết của nhà sản xuất Trong toàn bộ khung xe giường nằm, phần kết cấu đầu xe đóng vai trò rất quan trọng Khi xảy ra va chạm, toàn bộ lực va chạm là sự tác động trực tiếp phần đầu xe, hông xe, đuôi xe và vật cản Khung xương đầu xe bị biến dạng, lực va chạm gây chấn thương cho hành

4 khách hoặc tài xế trên xe Va chạm xe sedan ảnh hưởng như thế nào đến tính an toàn tổn thương con người là một vấn đề lớn đang được quan tâm hiện nay, bởi vì theo thống kê trên thị trường phân khúc xe sedan được khách hàng ưa chuộng nhiều hơn hết Trên cơ sở đó đề tài sử dụng phương pháp mô phỏng số xây dựng mô hình nghiên cứu nhằm tính toán, mô phỏng tính an toàn tổn thương con người Kết quả nghiên cứu giúp mô phỏng được trạng thái và mức độ tổn thương lên con người, từ đó có những cải tiến về kết cấu khung vỏ xe, các bộ phận an toàn chủ động nhằm giảm mức độ nguy hiểm lên các bộ phận cơ thể, giảm thiểu tối đa mức độ thương vong cho hành khách và người lái xe

Cũng trong trường hợp tương tự, khi đang lưu thông trên đường nối 2 cao tốc 5B và Pháp Vân - Cầu Giẽ (Hưng Yên), bất ngờ xe tải hạng trung và xe ôtô con dạng sedan bất ngờ tông trực diện vào nhau khiến 3 người trên chiếc xe con tử vong, trong đó có cháu nhỏ 4 tuổi Hậu quả khiến 3 người trên xe ô tô con tử vong Tại hiện trường, 2 chiếc xe ôtô tông trực diện vào nhau, đối với xe con khoang hành khách gần như biến dạng hoàn toàn phần trước xe Vụ tai nạn khiến chiếc xe ô tô bị dập nát đầu, biến dạng [6]

Hình 1.5: Hình ảnh xe tải và ô tô va chạm trực diện [6]

Các nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước: Đề tài nghiên cứu của tác giả Paul Du Bois, Clifford C Chou, Bahig B Fileta và cộng sự [7] đã đặt vấn đề nghiên cứu khả năng chịu va chạm và khả năng bảo vệ con người của phương tiện Theo nghiên cứu và thí nghiệm thì các nhà nghiên cứu thực hiện một bài kiểm tra để kiểm tra mức độ an toàn của người ngồi trong xe khi va chạm giữa các phương tiện với nhau chắc chắn sẽ xảy ra trên thực tế, một số nhà sản xuất xe đã cung cấp kế hoạch kiểm tra thiết kế của họ cho chế độ tác động này trong quá trình phát triển sản phẩm của họ tiêu chuẩn thiết kế (rào cản cứng và kiểm tra rào cản có thể biến dạng bù đắp) Về đề tài này họ đã tập trung về thiết kế cấu trúc phương tiện để quản lý năng lượng va chạm Đề tài nghiên cứu của tác giả Dhafer Marzougui và cộng sự [8] đã đặt vấn đề nghiên cứu mở rộng mô hình phần tử hữu hạn trên xe bán tải Silverado Kết quả nghiên cứu sau khi thu thập kết quả va chạm mô hình mới được Dhafer cải tiến thêm gia cố khung cửa sau khi thử mô phỏng thì mô phỏng với nhiều trường hợp va chạm khác nhau, thì với mô hình mới đạt kết quả tối ưu hơn Nhưng bản chất xe bán tải mang kích thước lớn trọng tâm cao vẫn đảm bảo tính an toàn so với các dòng xe nhỏ vì vậy mô hình vẫn chưa đánh giá cao về tính cấp thiết Đề tài nghiên cứu của tác giả A Deb và cộng sự [9] đã đặt vấn đề nghiên cứu các về thiết kế khả năng chống va chạm cho các loại xe hạng nhẹ Ở nghiên cứu này

A Deb đã nghiên cứu và đánh giá mức độ va chạm đòi hỏi phải xem xét việc lắp ráp toàn bộ thân xe và CAE (kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính) là một công cụ không thể thiếu để đánh giá và hướng dẫn thiết kế Do đó, các tính năng nổi bật trong thiết kế an toàn va chạm phía trước của một chiếc xe khung không gian bằng nhôm được thể hiện bằng cách sử dụng LS-Dyna Sau khi nghiên cứu bài báo này đưa hướng giải quyết thêm các ống nhôm chịu lực vào đầu xe, tạo cơ sở thay đổi vật liệu chịu lực cho việc cải tiến khung sườn xe Đề tài nghiên cứu của tác giả Pooja Doke và cộng sự [10] đặt vấn đề nghiên cứu mô hình hóa ý tưởng xe, công nghệ mới cho trọng lượng kết cấu giảm bớt Kết quả

6 nghiên cứu Doke tạo ra mô hình này đại diện cho các đặc điểm cấu trúc chính của thân xe và cho phép các nhà thiết kế tối ưu hóa cấu trúc về mặt khung sườn và khối lượng trong giai đoạn thiết kế ban đầu Với mô hình công nghệ mới của Doke tạo tiền đề cho việc nghiên cứu sâu hơn về khung sườn xe, bên cạnh đó với ưu điểm có thể giảm trọng lượng bản thân đồng nghĩa mô hình sẽ kèm theo hạn chế về sự hấp thụ năng lượng khi va chạm Đề tài nghiên cứu của tác giả Mr Bambach [11] đặt vấn đề nghiên cứu tăng cường hỗn hợp sợi của ống nghiền bằng thép thành mỏng để hấp thụ năng lượng va chạm trực diện Bài báo này trình bày một nghiên cứu số về ứng dụng của các ống thép cường lực bằng sợi quang cho các ống nghiền phía trước của hai phương tiện chở khách khác nhau khi va chạm trực diện Những cải tiến đáng kể về hiệu suất va chạm của xe đã được chứng minh, cũng như khả năng tăng trọng lượng nhẹ của xe Những thành phần như vậy có khả năng góp phần cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm lượng khí thải trong các đội xe chở khách trong tương lai Đề tài nghiên cứu của tác giả Carlos A Vivas-L´opez và cộng sự [12] đặt vấn đề tìm hiểu đánh giá về kiểm soát khung gầm toàn cầu Mục đích việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu sự kiểm soát động lực của phương tiện Để giải quyết vấn đề này, đã nảy sinh nhiều hệ thống điều khiển khung gầm khác nhau tập trung vào một mục tiêu cụ thể, nhưng không được thiết kế để tương tác chung với các hệ thống khác Vì tình hình này mà khái niệm Kiểm soát khung gầm toàn cầu (GCC) nó đã được đề xuất, GCC nói rằng có thể có sự tương tác của các hệ thống kiểm soát khung gầm khác nhau để đạt được mục tiêu chung, là an toàn hoặc thoải mái, tùy thuộc vào tình trạng của xe Đánh giá về các phương pháp tiếp cận khác nhau GCC Đề tài nghiên cứu của tác giả Chunke Liu, Xinping Song, Jiao Wang [13] mô phỏng thử nghiệm va chạm phía trước của ô tô, bài báo này phân tích được sự biến dạng và độ chống va đập của xe, vẫn chưa có sự cải tiến mới chỉ tập trung mô phỏng phân tích kết quả Đề tài nghiên cứu của tác giả Lauren Wood Zaseck và cộng sự [14] đã đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của tình trạng gãy xương sườn có sẵn đối với phản ứng của

7 ngực của Hiệp hội Mô hình Cơ thể Con người Toàn cầu trong tác động trực diện và xiên Các thử nghiệm với đối tượng con người sau khi chết (PMHS) thường được sử dụng để ước tính phản ứng cơ sinh học và khả năng chịu thương tích của con người khi va chạm Để sử dụng trong thử nghiệm tác động cơ sinh học, PMHS phải đáp ứng các tiêu chí lựa chọn có thể bao gồm các hạn chế về chiều cao, cân nặng, tuổi tác và tính toàn vẹn cấu trúc của bộ xương Kết quả là, nhiều PMHS ban đầu được xem xét để thử nghiệm tác động cuối cùng đã bị loại trừ, hạn chế nhóm mẫu phù hợp và tăng thời gian cũng như chi phí cần thiết để có đủ số lượng đối tượng cho một loạt thử nghiệm Trước đây, Mô hình phần tử hữu hạn toàn bộ cơ thể theo phân vị thứ 50 của Hiệp hội mô hình cơ thể người toàn cầu (GHBMC M50-O) đã chứng minh rằng tối đa 03 PERF bên hoặc hai bên không ảnh hưởng có ý nghĩa đến phản ứng của lồng ngực GHBMC đối với va chạm bên Nghiên cứu hiện tại này đã sử dụng GHBMC M50-O để khám phá ảnh hưởng của PERF đối với phản ứng của ngực khi tải trực diện và xiên Tối đa sáu PERF đã được mô phỏng trên các vùng xương sườn phía trước hoặc bên và mô hình này phải chịu tác động của tác động hình trụ phía trước hoặc xiên, dây đai an toàn phía trước hoặc dây đai an toàn phía trước và túi khí Dựa vào nghiên cứu này có thể thấy được vùng bị ảnh hưởng nhiều nhất đến người ngồi trong xe, có thể dùng mô hình để nghiên cứu về va chạm trực diện và va chạm xiên để thay đổi về mặt kết cấu xe Đề tài nghiên cứu của tác giả Weiwei Wang và cộng sự [15] đặt vấn đề nghiên cứu tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy của thanh chống va chạm có tỷ số Poisson âm trong trường hợp va chạm từ bên Kết quả nghiên cứu ông Weiwei Wang đã xem xét sự không chắc chắn của các biến thiết kế, tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy được thực hiện thêm để nâng cao tính mạnh mẽ của tối ưu hóa xác định bằng cách sử dụng phương pháp Thiết kế cho Six Sigma (DFSS) Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chùm tia chống va chạm NPR được tối ưu hóa tối ưu không chỉ có thể cải thiện khả năng bảo vệ của người lái và bên độ tin cậy mà còn đảm bảo độ tin cậy và hiệu ứng nhẹ

Cũng trong thời gian đó, tác giả Ganti Naga Alekhya và cộng sự [16],đã tiến hành một cuộc khảo sát về phân tích va chạm xe ở Ấn Độ Nội dung cuộc khảo sát: Trong những năm gần đây, mục đích quan trọng của Ngành công nghiệp ô tô đã chuyển

8 thành việc thay đổi các đặc điểm thiết kế của ô tô, chẳng hạn như khung gầm, hệ thống phanh, Bộ điều khiển túi khí (ACU), và những thứ khác Để giảm thiểu tỷ lệ tử vong ban đầu, phân tích thực nghiệm và ảo nghiên cứu động lực học của xe, vận tốc, hậu quả của một vụ va chạm xe, cảm biến va chạm và thương tích cá nhân Phân tích sự cố thực nghiệm sử dụng Thiết bị kiểm tra nhân hình (ATD), còn gọi là “hình nộm” để đảm bảo bảo vệ sâu sắc các khía cạnh thiết kế trong mức độ đáng tin cậy và khả năng tương thích với sự cố cho điện thoại di động tự động Phân tích động sử dụng thiết bị mềm tiến bộ Hyper-Crash, LS-Dyna, ANSYS Workbench và Radioss để mô phỏng nhằm chiêm nghiệm đánh giá trong thế giới thực Nghiên cứu này đóng vai trò tạo nền tảng về tầm quan trọng của phân tích va chạm đối với các trường hợp trên

Vào cùng năm, tác giả Dario Vangi [17] đặt vấn đề nghiên cứu kết cấu của xe khi va chạm Kết quả nghiên cứu tóm tắt được toàn cảnh về đặc điểm chính của kết cấu xe, tập trung vào khả năng va chạm, các khía cạnh hiện tượng của vụ va chạm sẽ được trình bày Các đường cong gia tốc, thời gian, vận tốc, thời gian và độ biến dạng, thời gian thu được trong quá trình thử nghiệm va chạm chung được báo cáo Các đường cong đặc trưng lực-biến dạng đại diện tốt cho hành vi va chạm của xe Các thông số chính ảnh hưởng đến các đường cong lực - biến dạng cũng được thảo luận, như tốc độ thử nghiệm, cấu hình va chạm Bài báo này đã tổng hợp được tổng quát về đặc điểm khi xe xảy ra va chạm có thể dùng làm cơ sở lý thuyết để nghiên cứu mô phỏng va chạm chuyên sâu Đề tài nghiên cứu của tác giả Smith Salifu và cộng sự [18] đã đặt vấn đề nghiên cứu so sánh va chạm vận tốc cao của nhôm 3105-H18 và dầm cản mũ kép bằng sợi Carbon-epoxy composite Trong bài báo này, phản ứng va đập của một chùm cản mũ đôi được làm bằng hai vật liệu khác nhau, nhôm Al (3105-H18) và composite sợi carbon-epoxy và chịu tác động ở tốc độ cao được mô phỏng bằng cách sử dụng mã phân tích phần tử hữu hạn Abaqus CAE / 2019 Phản ứng của cả hai vật liệu đã được so sánh và kết quả cho thấy rằng composite sợi carbon-epoxy hấp thụ một lượng năng lượng tương đương với nhôm trong khi va chạm và do đó, có thể được sử dụng làm dầm cản cho xe ô tô

1.2.2 Nghiên cứu trong nước: Đề tài nghiên cứu của tác giả Đặng Quý [19] đã nghiên cứu nghiên cứu và tính toán động lực học va chạm ôtô - Các biện pháp giảm tổn thất khi va chạm Dựa trên kết quả mô phỏng và tính toán ở nghiên cứu này ông rút ra được nghiên cứu và tính toán động lực học va chạm ôtô - các biện pháp giảm tổn thất khi va chạm Qua bài báo cáo này ta có được cơ sở lý thuyết về động lực học ô tô khi va chạm tạo được nền tảng cho việc tính toán thiết kế sau này Đề tài nghiên cứu của tác giả Đỗ Huyền Trang [20] đã đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế tính an toàn kết cấu ôtô khách khi xảy ra va chạm trực diện Kết quả thu được cải sự cải tiến cải tiến kết cấu khung xương đồng thời thiết kế bộ hấp thụ năng lượng hình tổ ong để hấp thụ năng lượng nhằm giảm lực va chạm và đảm bảo không gian sống cho người ngồi trong xe

Tác giả Nguyễn Thành Tâm [21] đã đặt vấn đề tối ưu hóa thiết kế kết cấu ô tô khách thỏa mãn tính an toàn khi va chạm trực diện Trên cơ sở mô hình phân tích phần tử hữu hạn, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu đầu ô tô khách Sau khi mô phỏng mô hình tác giả đã tiến hành cải tiến thêm cho mô hình các điểm kết cấu sau: Thanh hấp thụ lực và 3 mảng thép được đặt ở phần đầu khung chassis, và các thanh nối dọc dài theo khung xe Kết quả cho thấy, gia tốc va chạm và không gian an toàn được đảm bảo, trọng lượng kết cấu đầu xe khách sau khi tối ưu hóa giảm 7.9% so với kết cấu ban đầu Ta thấy được kết quả đảm bảo tối ưu, những vật liệu thiết kế cũng là vấn đề đáng quan tâm về khối lượng và kích thước lắp đặt

Tác giả NPT Lưu và cộng sự [22] đặt vấn đề nghiên cứu phân tích hiệu suất kết cấu xe khi va chạm trực diện chồng chéo nhỏ Kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu suất kết cấu của xe trong trường hợp va chạm trực diện chồng chéo nhỏ (SOFI), dựa trên mô hình mô phỏng va chạm dựa trên máy tính Mô hình xe được sử dụng trong mô phỏng SOFI theo các điều kiện thử nghiệm chồng chéo nhỏ thực tế Kết quả mô phỏng va chạm được sử dụng để phân tích hiệu suất cấu trúc xe bằng việc so sánh các phép đo va chạm với bộ hướng dẫn xếp hạng của Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc Các bộ phận nhạy cảm với một vụ va chạm chồng chéo nhỏ đã được xác nhận Tối

10 ưu hóa độ dày đã được tiến hành để tăng cường bảng điều khiển, trụ A và trụ bản lề dưới nhằm cải thiện hiệu suất kết cấu xe trong trường hợp có SOFI Các giá trị tốt nhất trong số các biến đã được chọn cho thiết kế mới Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích va chạm, kết quả của nghiên cứu trên thấy biến dạng nghiêm trọng nhất xảy ra ở trụ A Đề tài nghiên cứu của tác giả NPT Lưu và cộng sự [23] đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế tối ưu của cấu trúc xe để cải thiện xếp hạng chồng chéo nhỏ Hai mô hình phần tử hữu hạn thành phần sử dụng gia cố như cốt thép dọc và cốt thép tấm đá được phát triển để mô phỏng tác động trực diện chồng chéo nhỏ theo các điều kiện, và trường hợp thử nghiệm gần giống với thực tế Từ những mô phỏng đó rút ra kết quả mô phỏng va chạm được, dùng để đánh giá tổng thể cấu trúc khung sườn xe bằng cách so sánh xâm nhập vào khoang an toàn của xe thu được với các tiêu chuẩn xếp hạng từ Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc Phương pháp bề mặt phản ứng (RSM) được thực hiện để tối ưu hóa cấu trúc xe nhằm cải thiện xếp hạng chồng chéo nhỏ Hàm RSM đề xuất các giá trị tối ưu của các biến khi thiết kế mới Đề tài nghiên cứu của tác giả NPT Lưu và cộng sự [24] một phương pháp hiệu quả để xác định độ dày của ba thành phần để cải thiện xếp hạng cấu trúc chồng chéo nhỏ của Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc (IIHS) Bài báo này đưa ra một thiết kế cấu trúc phía trước tối ưu dựa trên mô hình mô phỏng va chạm dựa trên máy tính để cải thiện xếp hạng chồng chéo nhỏ Khi thử nghiệm va chạm chồng lấn nhỏ bắt đầu, các cấu trúc phía trước như bảng điều khiển, cột A và dầm dọc phía trước dễ biến dạng Hai mô hình thành phần gia cố, cốt thép dọc và cốt thép tấm đá, được thêm vào cấu trúc phía trước để cải thiện xếp hạng chồng lấn nhỏ Theo hướng dẫn xếp hạng của IIHS, kết quả mô phỏng va chạm được sử dụng để đánh giá cấu trúc tổng thể của khung xe bằng cách so sánh các phép đo xâm nhập vào khoang hành khách của một xe Để cải thiện xếp hạng chồng chéo nhỏ theo IIHS, phương pháp bề mặt phản hồi (RSM) được sử dụng trong các cấu trúc phía trước tối ưu Đề tài nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thành Tâm [25] đã đặt vấn đề nghiên cứu nâng cao tính an toàn con người trong ô tô khách giường nằm xảy ra va chạm trực diện Kết quả mô phỏng và nghiên cứu cho thấy được tổn thương của hành khách

11 cũng như tài xế khi xe xảy ra va chạm trực diện Đề xuất được các phương án cải tiến, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của từng phương án đối với việc giảm thiểu chấn thương cho hành khách và tài xế Lựa chọn được phương án tối ưu nhất và phù hợp nhất để đảm bảo an toàn cho tài xế và hành khách trên xe theo tiêu chuẩn ECE R94

Từ kết quả mô phỏng cho thấy sau khi cải tiến các thông số thuộc các bộ phận dây đai, túi khí và kết cấu đầu xe Tổn thương của tài xế được cải thiện giảm thiểu khả năng tử vong các thông số tổn thương lên tài xế tại bộ phận đầu và ngực luôn nằm trong khoảng giá trị an toàn mà tiêu chuẩn ECE R94 quy định

Tác giả NPT Lưu [26] đặt vấn đề nghiên cứu phân tích thân xe với tác động trực diện nhỏ, chồng chéo lên các rào cản khác nhau Bài báo này trình bày phân tích cấu trúc phương tiện trong trường hợp va chạm trực diện chồng chéo nhỏ Các mô hình mô phỏng được phát triển bằng phần mềm HyperMesh và LS-Dyna Những kết quả mô phỏng các va chạm được sử dụng cách so sánh các phép đo xâm nhập khoang hành khách, để đánh giá cấu trúc của xe theo các tiêu chuẩn được đưa ra bởi IIHS Các bộ phận dễ phá vỡ với một vụ tai nạn small-overlap đã được kiểm tra Tối ưu hóa độ dày để tăng cường bảng điều khiển, trụ A và trụ bản lề dưới nhằm cải thiện cấu trúc xe trong trường hợp có tác động phía trước nhỏ chồng lên nhau (Small-overlap frontal impact -SOFI) Nghiên cứu cho thấy thiệt hại nghiêm trọng từ kết cấu của xe Đề tài nghiên cứu của tác giả NPT Lưu và cộng sự [27] đề cập đến vấn đề nghiên cứu tác động trực diện của xe bằng cách sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trên máy tính để mô phỏng rào cản Kết quả của mô phỏng cho thấy khả năng thích ứng va chạm của xe có thể được cải thiện cao hơn nữa bằng cách cải thiện cấu trúc cục bộ của khung xe, đáng chú ý như phần tử cột A, bảng điều khiển và cột bản lề của phương tiện Tuy nhiên, để đạt được những cải tiến tốt hơn nữa phải có sự tính toán, thay đổi lớn về kết cấu của xe thử nghiệm

Nghiên cứu về phân tích hiệu suất cấu trúc xe buýt trong tác động trực diện hoàn toàn - tác động va chạm trực điện 100% [28] đã được tác giả NPT Lưu đề xuất, đặt vấn đề nghiên cứu Dựa theo các kết quả và tiêu chuẩn mà EURO NCAP xây dựng trước đó, kiểm tra, so sánh kết quả mô phỏng va chạm được sử dụng để đánh giá cấu trúc khung của xe buýt một cách tổng thể Mô hình phần tử hữu hạn xe buýt sau khi

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay có nhiều hệ thống an toàn chủ động được trang bị cho xe như: Hệ thống chống bó cứng phanh, hệ thống cân bằng điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm soát hành trình, hệ thống giữ làn đường, hệ thống túi khí an toàn… Những hệ thống trên đều được xem như là cơ bản về mặt chủ động được trang bị cho xe ô tô, nhưng với giá thị trường cho các dòng xe có giá thấp thậm chí không được trang bị những hệ thống trên, một số sẽ bị cắt giảm

13 Đặt vấn đề với những dòng xe phổ thông vẫn đảm bảo tính an toàn từ hệ thống bị động như khung sườn có thể được tinh chỉnh trong quá trình sản xuất khung sườn

Từ đó để có được những tinh chỉnh từ khung xe đặc biệt là dòng xe sedan, Nghiên cứu mô phỏng đánh giá biến dạng khung sườn dòng xe sedan sau va chạm và khuyến nghị là cần thiết và tạo tiền đề cho hướng nghiên cứu phát triển sau này, góp phần đặt vấn đề nghiên cứu sau này và đánh giá lại có thể cải thiện để sớm đưa vào nhà máy sản xuất hàng loạt.

Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của nghiên cứu này rất cụ thể, bắt đầu bằng việc lựa chọn một mô hình phần tử hữu hạn để đại diện cho xe sedan cỡ B tại thị trường Việt Nam Điều này cho thấy sự tập trung vào việc nghiên cứu và mô phỏng một mô hình cụ thể, chứ không phải một mô hình tổng quát cho tất cả loại xe sedan Mô phỏng va chạm trong các trường hợp phổ biến, như va chạm trực diện và va chạm vào hông của xe tải lớn, là một cách thực tế để đảm bảo rằng nghiên cứu này tương thích với tình hình thực tế và cần thiết để đảm bảo an toàn trong các tình huống va chạm có thể xảy ra

Mục tiêu tiếp theo là tìm ra các điểm dễ bị biến dạng trong xe sedan, đặc biệt là các vị trí dễ bị ảnh hưởng bởi va chạm Điều này cho thấy sự quan tâm đến việc xác định các vùng yếu của xe và các phần mềm phân tích có thể được sử dụng để cải thiện chúng Hơn nữa, việc tìm hiểu về các điểm kém hấp thụ lực và gây cong vênh trong xe cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hành khách Sau khi hoàn thành mô phỏng và thu thập dữ liệu, đánh giá biến dạng khung sườn xe sedan sau va chạm Tiếp đó sẽ tiến hành cải tiến mô hình phần tử hữu hạn Điều này đánh dấu một bước quan trọng trong quá trình nghiên cứu, nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất và an toàn của xe sedan

Kết quả từ nghiên cứu này sẽ có khả năng cung cấp các khuyến nghị cụ thể về cách cải thiện thiết kế và cấu trúc của xe sedan, giúp tăng khả năng chống va chạm và bảo vệ người dùng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính trong bài này là dòng xe sedan cỡ B Với đặc thù về thiết kế và kích thước của dòng này khá phù hợp và ưa chuộng tại thị trường Việt Nam

So về hiệu suất và độ tiêu hao nhiên liệu cũng ở mức trung bình, đáp ứng được nhu cầu sử dụng của khách hàng Đặc biệt về giá cả thị trường cũng phù hợp với phần lớn thu nhập của mỗi người, có thể thấy sự ưa chuộng dòng xe này tại thống kê trên

Phạm vi nghiên cứu của bài này cũng xoay quanh các vụ va chạm thường gặp giữa xe sedan với các xe khác với mức tốc độ trung bình gây nguy hiểm cho người bên trong Dưới này là mẫu xe đại diện cho xe sedan cỡ B được nghiên cứu, các thông số được thể hiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1: Thông số xe DODGE NEON

Kích thước tổng thể (D, R, C) mm 4364x1715x1480

Chiều dài cơ sở của xe mm 2642

Chiều rộng cơ sở của xe mm 1715

Khoảng sáng gầm xe mm 134

Trọng lượng toàn bộ Kg 1114

Kích thước lốp xe Thông số lốp 185/65/R14

Hình 1.6: Hình ảnh thực tế xe Dodge Neon.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên sâu dùng cho ngành ô tô, xây dựng lại mô phỏng va chạm trực diện thường xảy ra nhất hiện nay: Xe sedan va chạm trực diện 100% với các loại xe mpv, suv, pickup, sedan va chạm trực diện sedan, va chạm trực diện vào hông các xe tải (tham khảo theo tiêu chuẩn đánh giá của NHTSA)

Từ kết quả mô phỏng phân tích đưa ra, khảo sát đánh giá được sự biến dạng khung sườn xe theo từng trường hợp va chạm, kiểm tra được các chi tiết hấp thụ lực kém gây ảnh hưởng đến sự biến dạng khoang hành khách Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá về khung sườn xe sedan, đề xuất những cải tiến về thiết kế khung sườn xe để đảm bảo tính an toàn tối ưu khi xảy ra va chạm trực diện

Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm 05 chương:

 Chương 1 tổng quan về tình hình tai nạn giao thông có liên quan đến phương tiện vận tải lớn ở Việt Nam và nước ngoài Tổng hợp một số nghiên cứu về va chạm ô tô ở trong và ngoài nước Từ đó đánh giá tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu cải tiến hệ thống cản hông xe tải lớn

 Chương 2 trình bày về cơ sở lý thuyết va chạm, các tiêu chuẩn ở Việt Nam và trên thế giới, phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng máy tính trong mô phỏng va chạm

 Chương 3 tiến hành xây dựng mô hình va chạm giữa xe sedan và xe khác Chương này giới thiệu chi tiết và khảo sát các mô hình phần tử hữu hạn có sử dụng trong luận văn, các phần mềm hỗ trợ thiết kế mẫu như SolidWorks và hỗ trợ sắp đặt, mô phỏng các vị trí, trường hợp va chạm như LS-Dyna Sau đó kết quả được phân tích dựa trên các thông số quan trọng như độ chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại vị trí ghế trước

 Chương 4 trình bày kết quả biến dạng và đánh giá kết quả mô phỏng Tiến hành đánh giá kết quả cải thiện trên khung xe sedan mẫu và đưa ra khuyến nghị

 Chương 5 tóm lại bài luận văn bằng kết luận từ kết quả của các chương trước đó và đưa ra những khuyến nghị

- Tổng quan tài liệu, các công trình nghiên cứu khoa học có liên quan

- Phương pháp phân tích tổng hợp

- So sánh kết quả mô phỏng và tai nạn thực tế, đánh giá lại kết cấu khung sườn xe sau khi được cải tiến so sánh hiệu quả cải tiến và khuyến nghị.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt khoa học, đề tài này đã ứng dụng thành công cơ sở lý thuyết, mô phỏng về các điều kiện thay đổi và các trường hợp va chạm của xe sedan từ các nguồn tài liệu, bài báo, các công trình nghiên cứu khoa học trong nước và quốc tế Thành công của đề tài này cũng sẽ là nền tảng để thực hiện các bước nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cũng là cơ sở cho các nhà trường, các trung tâm nghiên cứu thiết kế, chế tạo được khung sườn xe sedan có tính cải tiến hơn, đồng thời đẩy mạnh xây dựng được phòng

17 thí nghiệm, tính toán thiết kế mô phỏng nhằm đưa ra nhiều giải pháp tốt hơn nữa trong việc xây dựng khung sườn xe sedan đảm bảo tính an toàn khi xảy ra va chạm

Qua đó cũng có thể đề xuất với cơ quan có thẩm quyền, các nhà sản xuất ô tô trong nước thực hiện những công tác tính toán, thiết kế cải tiến theo tiêu chuẩn quốc tế Đây cũng là tính cấp thiết có ý nghĩa quan trọng cho ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam, nhanh chóng thiết kế, sản xuất được một khung sườn xe tối ưu để nâng tính cạnh tranh, nội địa hóa sản phẩm để nhanh chóng hòa nhập với ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tiến tiến trên thế giới b) Về mặt thực tiễn:

Hiện nay, ô tô con là phương tiện giao thông quan trọng, nó góp phần giải quyết nhu cầu đi lại của con người trong hầu hết các lĩnh vực và nó cũng góp phần phát triển nền kinh tế đất nước Nhưng do kỹ thuật công nghệ của nước ta còn nhiều hạn chế vậy nên phần lớn xe ô tô hiện nay được nhập khẩu hoặc các hãng ô tô nước ngoài lắp đặt nhà máy lắp ráp tại Việt Nam Do đó nền kinh tế nước ta còn phụ thuộc nhiều vào ô tô và sau đó là công nghệ kỹ thuật về ngành ô tô Vì vậy đề tài “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá biến dạng khung sườn dòng xe sedan sau va chạm và khuyến nghị’’ có tính cấp thiết cần được thực hiện.

Kết luận

Chương 1 của luận văn đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu bằng cách đưa ra đối tượng nghiên cứu là mô phỏng va chạm trực diện của xe sedan cỡ B thông qua mô hình phần tử hữu hạn Qua quá trình đặt vấn đề, cho thấy được sự tăng cao về nhu cầu sử dụng ô tô, đặc biệt là dịch vụ vận chuyển hành khách và điều này đã tạo ra sự gia tăng đáng kể về số lượng xe sedan trên đường Đồng thời, vấn đề an toàn trong trường hợp va chạm của các loại xe này trở thành mối quan tâm quan trọng

Bên cạnh đó, thông qua việc thực hiện thống kê các nghiên cứu liên quan trong nước và quốc tế, phân tích và đánh giá sự kế thừa từ những nghiên cứu trước đó, giúp hiểu rõ hơn về những tiến bộ, hạn chế và hướng phát triển của đề tài trong lĩnh vực mô phỏng va chạm xe ô tô Từ những thống kê và phân tích đã chứng minh tính cấp thiết của đề tài Với sự phổ cập ngày càng rộng rãi của xe sedan, mô phỏng va chạm

18 trực diện trở thành một công cụ quan trọng để đánh giá và cải thiện an toàn trong quá trình vận hành Mục tiêu của đề tài đã được xác định rõ ràng đó là tập trung vào mô hình xe sedan cụ thể xây dựng lại các trường hợp va chạm liên quan đến thực tế Kết quả từ nghiên cứu này sẽ có khả năng cung cấp các khuyến nghị cụ thể về cách cải thiện thiết kế và cấu trúc của xe sedan, giúp tăng khả năng chống va chạm và bảo vệ người ngồi trong xe

Cuối cùng đã đánh giá ý nghĩa của đề tài về mặt khoa học và thực tiễn Qua việc kết hợp lý thuyết và ứng dụng thực tế, nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng va chạm xe ô tô mà còn mang lại giá trị quan trọng cho ngành công nghiệp ô tô và an toàn giao thông

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các tiêu chuẩn đánh giá an toàn Châu Âu EURO NCAP

Năm 1979, tại Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu về phương tiện mới đã xây dựng chương trình “Kiểm định xe ô tô mới” (New Car Assessment Program - NCAP) Chương trình này là một chương trình được chính phủ hỗ trợ và đề xuất thực hiện để kiểm tra độ an toàn của các mẫu xe mới sản xuất trong thị trường với nhiều tình huống va chạm khác nhau giữa xe mới và các vật cản, cũng như các góc độ va chạm khác nhau

Từ đó họ thu được kết quả của các kiểm định này được công bố lần đầu vào ngày 15 tháng 10 năm 1979 Với sự thành công của việc đánh giá NCAP, các tổ chức tương tự như NCAP đã được thành lập tại nhiều quốc gia trên thế giới, như EURO NCAP tại Châu Âu, ANCAP tại Úc và New Zealand, Latin NCAP tại khu vực Mỹ Latin, và C-NCAP tại Trung Quốc Các tổ chức NCAP thực hiện đánh giá gần như chính xác về mức độ an toàn của các xe trong các tình huống tai nạn tương đương với thực tế EURO NCAP được xây dựng và biết đến là một tổ chức phi lợi nhuận, hoạt động độc lập với mục tiêu chính là kiểm tra và đánh giá mức độ an toàn của các loại xe hơi mới xuất hiện trên thị trường Về việc tăng tính thực tế khi đánh giá các vụ tai nạn xe EURO NCAP sử dụng một hoặc nhiều hình nộm tùy tình huống va chạm, các hình nộm thử nghiệm này có cảm biến để ghi lại các tổn thương có thể xảy ra cho người ngồi trong xe khi có va chạm tương tự Các thử nghiệm đánh giá an toàn cho người lớn và trẻ em được tiến hành riêng biệt, sử dụng các hình nộm có kích thước, cơ chế khác nhau phản ánh được đặc tính của từng hình nộm, để thể hiện được độ tin cậy của việc kiểm tra [30]

2.1.1 Thử nghiệm kiểm tra va chạm trực diện theo tiêu chuẩn Châu Âu Đây là một bài kiểm tra của EURO NCAP về khả năng an toàn của xe sau khi xảy ra va chạm trong tình huống va chạm trực diện với diện tích va chạm chỉ chiếm 40% trên khung xe mẫu Khi xe mẫu đang di chuyển với tốc độ 64 km/h trong bài kiểm tra này, nó sẽ gặp phải một chướng ngại vật đã thiết lập sẵn theo mẫu thử nghiệm Thể hiện ở Hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình thử nghiệm va chạm trực diện theo EURO NCAP

Thu nhận từ những kết quả va chạm đó EURO NCAP sẽ tiến hành tính toán và đánh giá khả năng bảo vệ cho người ngồi trong xe, bao gồm độ bền của cấu trúc về khung xe tổng thể của xe thử nghiệm, hệ thống dây an toàn, và túi khí……

2.1.2 Thử nghiệm kiểm tra va chạm từ bên hông theo tiêu chuẩn Châu Âu

Hình 2.2: Mô hình thử nghiệm va chạm hông theo EURO NCAP

Trong thử nghiệm này của EURO NCAP, một rào cản được gắn trên một băng đẩy chạy với tốc độ 50 km/h va chạm vào bên cạnh chiếc xe thử nghiệm Một hình nộm kích thước người lớn được đặt tại ghế tài xế và một hình nộm trẻ em được đặt

21 trong ghế đi xe dành cho xe em đặt ở phía sau Thử nghiệm này đảm bảo rằng các vùng cơ thể quan trọng được bảo vệ Bài thử nghiệm này đã thúc đẩy việc củng cố cấu trúc của xe xung quanh cột B (giữa các cửa ra vào) Việc lắp đặt túi khí bên trong hoặc túi khí rèm trong xe hơi cũng như cấu trúc hấp thụ năng lượng ở ghế và cửa được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo rằng chúng có thể bảo vệ cơ thể tốt nhất thể hiện ở Hình 2.2 Thử nghiệm này kiểm tra độ an toàn của xe khi xảy ra va chạm với một chiếc xe khác ở bên hông EURO NCAP sẽ đo mức độ chấn thương của hình nộm ngồi trên xe

2.1.3 Thử nghiệm khả năng bảo vệ người đi bộ theo tiêu chuẩn Châu ÂU Ở thử nghiệm này cho ta thấy được EURO NCAP không chỉ quan tâm tới những người ngồi trên xe mà cả người đi bộ, người đi bộ có thể được bảo vệ nếu xe được trang bị đầy đủ các thiết bị an toàn Thể hiện ở Hình 2.3.

Tiêu Chuẩn ECE R94

Tiêu chuẩn ECE R94 (Economic Commission for Europe) quy định về mức độ tổn thương của con người khi xe xảy ra va chạm trực diện Xe thí nghiệm được di chuyển đâm vào một chướng ngại vật cố định, cứng, cao và rộng hơn tiết diện trước của xe Diện tích va chạm lần lượt là 40% và 100% chiều rộng của xe Khu vực thử nghiệm phải đủ lớn để chứa đường chạy, hàng rào và lắp đặt các thiết bị kỹ thuật cần thiết cho việc kiểm tra Khoảng cách từ xe đến vật cản phải đảm bảo đủ thời gian để

22 xe đạt tốc độ thử nghiệm Mặt đường phải nằm ngang và bằng phẳng Vận tốc thử nghiệm là 50 km/h, thể hiện ở Hình 2.2 [31]

Bảng 2.1: Thông số tổn thương tác động lên mô hình người thử nghiệm trong tiêu chuẩn ECE R94

Các vị trí đánh giá Giá trị đánh giá

Chỉ số đánh giá vùng đầu của người Giá trị tiêu chuẩn

Giá trị gia tốc của đầu trong thời gian 3ms(g) 80

Chỉ số đánh giá vùng cổ của người Giá trị tiêu chuẩn

Giới hạn về lực cắt ngang đối với cổ người theo chiều dương

Giá trị của giới hạn về lực căng của cổ người (kn) 3.1

Momen uốn của cổ quanh trục Y (Nm) 57

Vùng ngực Giá trị tiêu chuẩn

Giá trị tiêu chuẩn về biên độ ép lồng ngực người (mm) 50

Giá trị về tốc tương đối của thành ngực đối với cột sống người (ms) 1

Giá trị đối với vùng đầu gối và đùi của người Giá trị tiêu chuẩn

Giá trị độ trượt khớp gối của người (mm) 15

Giá trị giới hạn về lực tác động đối với xương đùi người (kN) 9.07

Giá trị vùng Chân Giá trị tiêu chuẩn

Giới hạn tác động lực lên xương ống chân (kN) 1.3

Các số liệu từ Bảng 2.1 có thể được sử dụng để đánh giá chính xác mức độ gây tổn thương lên các vùng đầu, ngực, vùng đùi và cẳng chân của hành khách khi ngồi trong xe bị tai nạn trong tai nạn.

Tiêu chuẩn đánh giá an toàn khung xe của IIHS

Đánh giá sự biến dạng của khoang hành khách của một phương tiện là một phần quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất an toàn của phương tiện sau khi xảy ra các vụ va chạm Hướng dẫn được tạo ra bởi các kết quả nghiên cứu trước đó của Viện Bảo hiểm

An toàn Đường cao tốc - Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) nhằm mục đích đánh giá hiệu suất cấu trúc của 29 phương tiện trong các vụ va chạm trực diện

Theo hướng dẫn này, mô hình được sử dụng để ghi nhận các dấu hiệu thương tích để đánh giá khả năng chịu va chạm của một chiếc xe Không chỉ có số liệu đánh giá, mà còn có tính toán về sự biến dạng ảnh hưởng vào không gian của khoang hành khách, người ngồi trên xe Mặt khác, phương pháp đánh giá này đóng vai trò quan trọng và có khả năng dự đoán nguy cơ chấn thương cho người ngồi trong xe

Hình 2.4: Bảng đánh giá an toàn khung xe xây dựng bởi IIHS [32]

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các hướng dẫn đánh giá tương tự để xem xét và so sánh hiệu suất của các thiết bị bảo vệ dưới gầm xe và cách đo hiệu suất của chúng dựa trên góc xâm nhập Các phép đo được thực hiện trên các điểm nút trong phương tiện, được sử dụng để xác định vị trí của người lái xe Các điểm này được đo trước và sau vụ va chạm, sau đó kết quả được trình bày để phân tích Có tổng

24 cộng bảy điểm chuyển động bên trong xe, trong đó hai điểm, một điểm chọn nằm trên bảng điều khiển bên dưới vô lăng bên trái và 1 điểm bên phải, được sử dụng để đo lường sự biến dạng của tấm điều khiển ảnh hưởng đến khu vực đầu gối của người lái xe hoặc hành khách bên cạnh Bốn điểm thuộc khu vực phạm vi ghế ngồi đang đánh giá, bao gồm các điểm ở chỗ để chân, bàn chân bên trái, bàn chân ở giữa và bàn chân bên phải Điểm thứ bảy nằm trên bàn đạp phanh Dựa trên các thử nghiệm này, các phương tiện sẽ được xếp loại dưới các mức đánh giá khác nhau: P (Poor), M (Marginal), A (Acceptable), G (Good) được thể hiện trong Hình 2.4 [33]

Các khái niệm và định nghĩa va chạm

Trong nghiên cứu về sự va chạm giữa các vật thể, chúng ta thường tuân theo các định luật quan trọng về động lượng và năng lượng Khi va chạm xảy ra trong một hệ thống cô lập - tức là không có tác động lực bên ngoài hệ - tổng động lượng của các vật thể trong hệ thống đó sẽ được bảo toàn Điều này có nghĩa rằng, trước và sau va chạm, tổng động lượng của các vật thể trong hệ thống sẽ không thay đổi Với điều kiện không có lực ngoại tác động lên các vật thể, động lượng của mỗi vật thể trước va chạm sẽ bằng động lượng của mỗi vật thể sau va chạm

Trong trường hợp va chạm giữa hai vật thể, độ biến thiên của động lượng của cả hai vật thể riêng lẻ sẽ có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau Tuy nhiên, trong đề tài nghiên cứu, chúng ta đặt ra giả định và mục tiêu khác Chúng ta không chỉ quan tâm đến sự bảo toàn của động lượng trong hệ thống mà còn tập trung vào sự tổn thương của con người khi xe ô tô va chạm trực diện với vật cản Mục tiêu của nghiên cứu là mô phỏng và nghiên cứu đánh giá biến dạng của khung sườn xe sedan ảnh hưởng sự tổn thương đối với con người trong các trường hợp va chạm được xây dựng mô phỏng, từ đó có thể đưa ra các đề xuất về việc nghiên cứu cải thiện lại khung sườn xe mẫu chọn khảo sát nhằm cải thiện thêm sự an toàn cho người ngồi bên trong, đồng thời giảm thiểu tối đa số ca thương vong

2.4.1 Xét mối quan hệ chuyển động giữa 2 xe

Giả sử rằng hai phương tiện di chuyển trên một trục tọa độ Ox

V1 là vận tốc của phương tiện 1

V2 là vận tốc của phương tiện 2 (V2=0)

Ta có trường hợp 1 (Hình 2.5): sự va chạm giữa hai phương tiện trong đó một phương tiện đứng yên

Hình 2.5: Trường hợp va chạm 1 trong 2 xe đứng yên

Trường hợp 2 (Hình 2.6): Sự va chạm giữa hai phương tiện di chuyển cùng chiều,

2 phương tiện đều có vận tốc

Hình 2.6: Trường hợp va chạm giữa 2 xe chuyển động cùng chiều

Trường hợp 3 (Hình 2.7): Sự va chạm giữa 2 phương tiện di chuyển ngược chiều nhau, cả 2 phương tiện điều có vận tốc

Hình 2.7: Trường hợp va chạm giữa 2 xe ngược chiều

Khi hai xe chuyển động xảy ra va chạm với nhau (va chạm đúng tâm) thì sẽ xuất hiện một năng lượng, năng lượng này gọi là năng lượng va chạm Năng lượng va chạm phụ thuộc vào tốc độ va chạm, kết cấu khung xương và vật liệu chế tạo của xe

Với vận tốc không thay đổi thì năng lượng va chạm lớn nhất khi kết cấu khung xương và vật liệu chế tạo của xe tuyệt đối cứng Nhưng thực chất trong quá trình va chạm của hai xe do sự biến dạng của kết cấu và vật liệu chế tạo nó sẽ hấp thụ một khoảng năng lượng, năng lượng này gọi là năng lượng hấp thụ

Gọi t là thời điểm hai xe bắt đầu va chạm, t’ là thời điểm kết thúc biến dạng của vật liệu và khung xương của hai xe

Theo định luật III Newton thì lực tác động lên xe 1 bằng với lực tác động lên xe

2, F là lực tác động lên xe 1 và xe 2 trong khoảng thời gian từ t đến t’ Khi đó xung lực (I) sẽ sinh ra và được xác định như sau:

F được tính đến là lực khi va chạm xảy ra

27 Ở thời điểm trước và sau khi xảy ra va chạm, áp dụng xung tuyến tính và momen động lượng cho mỗi phương tiện m v − I = m v′ (2.2) m v − I = m v (2.3)

& : lần lượt là vận tốc ban đầu của phương tiện 1 và 2

’ & : lần lượt là vận tốc sau va chạm của phương tiện 1 và 2

Chỉ xét 2 xe chuyển động trên cùng một trục và va chạm đúng tâm trong khoảng thời gian va chạm t:

Phương trình có thể viết lại: m

Từ phương trình (2.2), (2.3) và phương trình (2.4), Ta viết lại như sau:

2.4.2 Định lí của Kevin về năng lượng hấp thụ va chạm tổng hợp Định lí Kevin là phương trình hấp thụ năng lượng được hiển thị trong biểu thức (2.8) Năng lượng hấp thụ trong quá trình va chạm tỷ lệ thuận với tổng xung lực sinh ra, một nửa của tổng vận tốc tương đối trước va chạm và một nửa của tổng vận tốc tương đối sau va chạm

Lưu ý rằng P và P’ luôn dương, vì vậy biểu thức có thể được viết lại theo cách sau:

= => = (2.9) Với: P là vận tốc tương đối mà hai phương tiện va chạm

P’ là vận tốc tương đối sau khi 2 phương tiện va chạm với nhau Đối với va chạm đàn hồi hoàn toàn, không mất năng lượng, giá trị e tiến sẽ tăng lên 1,0 Đối với va chạm mà hai xe không tách ra, giá trị e tiến sẽ giảm xuống 0,0

Từ phương trình (2.2) và phương trình (2.3) có thể được viết lại như sau: v = + v (2.10) v = + v (2.11) Lấy − ta được :

Ta viết lại I như sau :

I = m (P − P ) (2.13) là hệ số khối lượng của hệ thống: m = (2.14) Thay P = e P và I vào (2.8) ta được: ΔE = (1 − e ) ( m P ) (2.15) ΔE = m P (2.16) ΔE = 1 − e ΔE (2.17) Đó là tổng năng lượng va chạm của hai xe là năng lượng mà kết cấu và vật liệu chế tạo của hai phương tiện hấp thụ khi va chạm

2.4.3 Động học và động lực học ô tô khi va chạm trực diện

Theo giả thuyết, khi xe va chạm trực diện vào các vật cản tuyệt đối và cố định, xe sẽ dừng lại mà không có bất kỳ hiện tượng dội ngược lại nào Tóm lại, chúng ta xác định rằng biến dạng đầu xe khi bị va chạm là biến dạng dẻo hoàn toàn và hệ số phản hồi ε được tính như sau: ε = (2.18)

Với: V là vận tốc phương tiện ban đầu trước khi quá trình va chạm xảy ra

V0 là vận tốc của phương tiện sau khi quá trình va chạm xảy ra

Giả sử gọi V0 là vận tốc bắt đầu và chạm và V là vận tốc sau khi va chạm thì V=0, V0 khác 0 Toàn bộ năng lượng trong thời điểm va chạm là: ε = 1/2 m V (2.19) Đối với va chạm dẻo tuyệt đối biến thành cong biến dạng, ta có định thức là: ε = 1/2 m v = ∫ (∆ , ∆ ) (2.20) Trong đó:

F: lực gây biến dạng tức thời của xe (lực gây biến dạng)

x: là độ biến dạng tức thời của đầu xe

v: là độ giảm vận tốc của xe

xmax: là độ biến dạng cực đại của đầu xe sau khi dừng sau khi quá trình va chạm xảy ra m: khối lượng tổng thể của xe

Giả sử ta có một ôtô va chạm với một vật cứng tuyệt đối thì độ lớn của biến dạng tức thời sẽ bằng độ dịch chuyển của phần thân xe không biến dạng, tức là x = x chúng ta được phương trình chuyển động của xe trong thời điểm va chạm với vật cản sẽ là: m X + F = 0 (2.21) Chúng tôi sẽ xem xét ba trường hợp liên quan đến lực biến dạng:

F  c. x (Lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào độ biến dạng, trong đó c là hằng số độ cứng của đầu xe)

F  k. x (lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng vận tốc xe , k là hệ số biến dạng đầu xe)

Theo quan điểm cơ sinh học về khả năng chịu đựng của cơ thể người, chúng tôi sẽ ký hiệu gia tốc chậm dần cực đại khi va chạm với vật cản là amax Chúng tôi thay vào đó giả thuyết rằng trong cả ba trường hợp, gia tốc chậm dần cực đại amax và vận tốc khi va chạm v0 đều giống nhau

2.4.4 Biến dạng đàn hồi và Định luật Hooke

Theo Định luật Hooke: Biến dạng tỉ đối ε của thanh rắn không những phụ thuộc vào độ lớn của lực tác dụng F mà còn phụ thuộc vào tiết diện ngang S của thanh đó Nếu lực tác dụng F càng lớn và tiết diện S càng nhỏ thì . càng lớn

Như vậy, trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối của vật rắn (đồng chất, hình trụ) tỷ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật đó

Trong đó: α: là hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất liệu vật rắn (N/m) σ: là ứng suất Đơn vị đo của σ là Pascal (Pa)

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ tải trọng Biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Hooke Đại lượng đặc trưng cho tính đàn hồi của vật rắn là hệ số phụ thuộc của biến dạng vật rắn vào ứng suất tác động lên nó Trong trường hợp ứng suất, chỉ có một thành phần σ, Mô đun đàn hồi E chính là hệ số tỷ lệ giữa ứng suất σ và biến dạng dài tương đối ε theo công thức σ = E.ε, E được gọi là mô đun đàn hồi (mô đun Young) Mô đun đàn hồi có thứ nguyên của ứng suất (lực trên diện tích)

Mô đun đàn hồi của một vật phụ thuộc vào thành phần hoá học, quá trình xử lý, điều kiện nhiệt độ Với trạng thái ứng suất pháp đơn giản, chúng được biểu diễn bằng công thức: σ = E.ε (2.23)

Với: ε: là độ biến dạng

E: là mô đun đàn hồi pháp tuyến hay mô đun Young đặc trưng cho tính đàn hồi của vật rắn Đơn vị là Pa

Kết luận

Chương 2 tập trung trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng liên quan đến đánh giá an toàn va chạm xe ô tô Trước hết, nêu rõ các tiêu chuẩn đánh giá an toàn va chạm xe ô tô theo tiêu chuẩn Châu Âu EURO NCAP Thông qua việc phân tích các tiêu chí như bảo vệ người lái, bảo vệ hành khách, và tính năng an toàn hiện đại, chúng ta nhận thức được tiêu chuẩn này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và xếp hạng an toàn của các loại xe

Tiếp theo, Chương 2 đã giới thiệu Tiêu chuẩn ECE R94 (Economic Commission for Europe), một hệ thống tiêu chuẩn quan trọng khác đối với an toàn xe ô tô Việc tìm hiểu về các yếu tố như độ bền và tính năng bảo vệ trong tiêu chuẩn này giúp ta có cái nhìn tổng thể về các yếu tố cần được xem xét trong quá trình nghiên cứu Chương này cũng tập trung vào tiêu chuẩn đánh giá an toàn khung xe theo IIHS Bằng cách thực hiện một sự phân tích chi tiết về cách IIHS đánh giá và đặt ra các tiêu chí an toàn cho khung xe, ta có thể hiểu rõ hơn về các khía cạnh quan trọng của an toàn xe ô tô

Cuối cùng, chương này cũng đã giới thiệu các khái niệm và định nghĩa liên quan đến mối quan hệ va chạm giữa hai phương tiện Việc này giúp xây dựng nền tảng lý thuyết cần thiết để hiểu rõ hơn về cơ chế và yếu tố ảnh hưởng đến an toàn trong các tình huống va chạm giữa các xe ô tô

Tóm lại, Chương 2 đã cung cấp một cơ sở lý thuyết vững chắc, làm nền tảng cho việc nghiên cứu và mô phỏng va chạm xe sedan trong chương tiếp theo

MÔ PHỎNG CÁC TRƯỜNG HỢP VA CHẠM

Các phần mềm hỗ trợ ngành ô tô

3.1.1 Phần mềm mô phỏng LS-Dyna

Hình 3.1: Logo phần mềm LS-Dyna [34]

Phần mềm LS-Dyna là một công cụ mô phỏng đa vật lý tiên tiến được phát triển bởi Công ty Cổ phần Công nghệ Phần mềm Livermore (LSTC) Nguyên gốc của LS- Dyna xuất phát từ chương trình DYNA3D, một phần mềm động phi tuyến sử dụng tích hợp thời gian rõ ràng, do Tiến sĩ John O Hallquist phát triển tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore vào năm 1976 DYNA3D đã trải qua nhiều phiên bản và cải tiến từ phiên bản đơn giản đầu tiên đến công cụ mô phỏng đa dạng và mạnh mẽ hỗ trợ nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng, kỹ thuật dân dụng, quân sự và kỹ thuật sinh học Việc phát triển LS-Dyna bắt đầu từ DYNA3D và đã dẫn đến việc thành lập Công ty Cổ phần Công nghệ Phần mềm Livermore (LSTC) vào năm 1988 để tập trung vào việc phát triển LS-DYNA LS- Dyna là một công cụ mô phỏng phổ quát và mạnh mẽ, phục vụ hầu hết các nhu cầu mô phỏng hiện nay

LS-Dyna là một chương trình mô phỏng dựa trên dòng lệnh, dễ sử dụng với một tệp thực thi duy nhất để chạy Điều này cho phép sử dụng LS-Dyna với đơn giản một trình bao lệnh, tệp thực thi, và tệp đầu vào Tệp đầu vào của LS-Dyna có định dạng

ASCII dễ đọc, cho phép sử dụng bất kỳ trình soạn thảo văn bản nào để chuẩn bị chúng Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng các sản phẩm phần mềm bên thứ ba hoặc tiền xử lý miễn phí như LS-PrePost của LSTC để xử lý tệp đầu vào Người được cấp phép LS-Dyna có quyền truy cập đầy đủ vào tất cả tính năng của chương trình, từ phân tích cơ học tĩnh tuyến tính đơn giản đến các phương pháp phân tích nhiệt và dòng chảy phức tạp Hơn nữa, họ có quyền sử dụng phần mềm LS-OPT của LSTC, một công cụ tối ưu hóa và phân tích xác suất độc lập tích hợp với LS-Dyna

* Khả năng ứng dụng LS-Dyna đối với ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô:

LS-Dyna là một phần mềm quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt trong việc đánh giá sự an toàn của thiết kế xe và tác động của va chạm đối với hành khách

Nó cho phép các công ty ô tô dự đoán một cách chính xác hành vi của xe trong tình huống va chạm và hiệu ứng của va chạm lên an toàn của người trong xe Điều này giúp họ kiểm tra và đánh giá thiết kế mà không cần tiến hành kiểm tra thực tế trên các công cụ hoặc mẫu thử nghiệm, tiết kiệm thời gian và nguồn lực tài chính quý báu

Hình 3.2: Hình nộm mô phỏng sự an toàn đối với người ngồi trong xe [35]

Các tính năng ô tô chuyên biệt của LS-Dyna:

- Mô phỏng dây an toàn

- Mô hình mô phỏng dự đoán va chạm

- Mô phỏng hệ thống túi khí

- Hình nộm thử nghiệm va chạm (Hình 3.2)

Hình 3.3: Logo phần mềm HyperMesh [36]

Hình 3.4: Giao diện chỉnh sửa chung của HyperMesh

HyperMesh là một công cụ tiền xử lý hàng đầu với độ chính xác cao, nổi bật với khả năng tạo lưới nhanh chóng và chất lượng Nó cung cấp các công cụ lắp ráp mô hình tiên tiến và hỗ trợ việc tạo và lắp ráp các mô hình phức tạp HyperMesh cũng giúp mô phỏng các chi tiết đa vật liệu thông qua các công cụ tạo, chỉnh sửa và hiển thị tiên tiến Được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới, HyperMesh tương thích với nhiều phần mềm CAD phổ biến và tích hợp dễ dàng với các phần mềm CAE khác, phù hợp cho nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp khác nhau

* Điểm nổi bật của sản phẩm

- Thuật toán tạo lưới 2D và lưới 3D liền mạch, tạo và kiểm soát lưới tự động hoặc thủ công

- Tương tác tốt với các phần mềm CAD

- Hỗ trợ các mô hình đa vật liệu – Vật liệu composite

- Tương thích với các bộ giải phổ biến hiện nay

- Quản lý các cụm chi tiết phức tạp thúc đẩy xây dựng mô hình chung

- Kiến trúc thiết kế mở

- Tạo lưới chất lượng cao và nhanh chóng

- Xây dựng mô hình và lắp ghép

- Nâng cao hiệu quả mô hình người dùng cuối

- Mô hình hóa 3D nâng cao

- Mô hình đa vật liệu

HyperMesh đơn giản hóa quá trình xây dựng và chỉnh sửa các mô hình CAE một cách hiệu quả Dành cho việc tạo mô hình 2D và 3D, HyperMesh cung cấp một loạt tính năng tạo lưới dễ sử dụng cùng với một mô-đun tạo lưới tự động mạnh mẽ Điều này cho phép người dùng có quyền truy cập vào các công cụ tạo lưới mạnh mẽ và tiện lợi để tạo ra các mô hình chi tiết và chất lượng

+ Lưới CFD cho mô phỏng lưu chất

+ Tạo lưới mô phỏng âm học

* Khả năng tương tác CAD

* Trích xuất ra các bộ giải

* Tương tác các bộ giải CAE

HyperMesh cung cấp các công cụ hỗ trợ nhập và xuất trực tiếp các bộ giải CAE phổ biến hiện nay như Abaqus, Actran, Acusolve, Adams, Ansys, CFD++, Moldex3D, Moldflow, Motionsolve, Nastran MSC, Nastran NX, Optistruct, Pam-Crash, Radioss, Samcef, Simpack, StarCD, LS-DYNA, Madyno, Marc, Fluent

Hình 3.5: Hình giao diện mẫu SolidWorks [37]

SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, đường ống, kiến trúc, và nội thất Với ứng dụng rộng rãi, nó đã trải qua nhiều phiên bản với cải tiến đáng kể về tính năng và hiệu suất, đáp ứng mọi nhu cầu thiết kế 3D chuyên nghiệp Công ty SolidWorks, thành lập vào tháng 12 năm 1993 bởi Hirschtick, đã phát triển từ trụ sở ban đầu tại Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ Với

38 mục tiêu tạo ra phần mềm 3D CAD dễ sử dụng, giá cả phải chăng và mạnh mẽ, SolidWorks đã trở thành lựa chọn của gần 6 triệu người dùng toàn cầu, bao gồm 200.000 doanh nghiệp và tập đoàn Phiên bản hiện tại bao gồm SolidWorks CAD, Drawings, và DraftSight

* Ưu điểm của phần mềm:

- Thiết kế mô hình 3D chi tiết

- Công cụ mạnh mẽ, xử lý nhanh gọn các bản thiết kế

- Thiết kế và lắp ghép các bộ phận thành sản phẩm hoàn chỉnh

- Công cụ tạo kích thước tự động

- Giao diện trực quan, dễ sử dụng

* Các chức năng chính của phần mềm SolidWorks:

+ Phân tích sự va chạm của các chi tiết

+ Phân tích thuỷ khí động học

+ Phân tích động lực học

Định hướng xây dựng mô hình và các trường hợp mô phỏng

3.2.1 Giới thiệu các mô hình cơ bản sử dụng trong nghiên cứu

3.2.1.1 Mô hình xe sedan (Mô hình chính dùng cho khảo sát)

Xe sedan DODGE Neon gần như đã xác định lại những gì cần thiết để cạnh tranh trong thị trường ô tô nhỏ kể từ khi ra mắt vào năm 1994 dưới dạng mẫu xe đầu năm

1995 Nổi bật với kiểu dáng đáng yêu, động cơ phóng to, hoạt động nhanh và nhiều chỗ cho bốn người, Neon đã trở thành tiêu chuẩn cho các nhà sản xuất đang tìm cách

39 chế tạo những chiếc ô tô nhỏ rẻ tiền Với việc bắt đầu sản xuất vào năm 1994 cho mẫu xe năm 1995, chiếc xe này được dự định thay thế Dodge Shadow, Dodge Colt, Plymouth Sundance và Plymouth Laser Được gắn nhãn hiệu là Dodge và Plymouth ở Hoa Kỳ và Canada, chiếc xe này được gọi là Chrysler Neon ở Mexico, Châu Âu và Úc Neon thế hệ đầu tiên có sẵn dưới dạng sedan bốn cửa hoặc coupe hai cửa Người mua có thể lựa chọn động cơ SOHC 2.0 lít 4 xi-lanh (có khả năng sản sinh công suất

132 mã lực và mô-men xoắn 129 ft-lbs) hoặc động cơ DOHC 2.0 lít 4 xi-lanh (có khả năng sản sinh công suất 150 mã lực và mô-men xoắn 133 ft-lbs) Ngoài ra còn có hai lựa chọn hộp số, hộp số tự động Torqueflite 3 cấp hoặc hộp số sàn 5 cấp và lựa chọn các phiên bản khác nhau, bao gồm Cơ sở, Đường cao tốc và Thể thao Neon cũng có thể báo cáo tăng tốc lên 60 dặm một giờ trong 7,6 giây và có thể đi một phần tư dặm trong 15,9 giây Do đó, Neon đã trở thành chủ lực của các buổi trình diễn ô tô SCCA và các buổi biểu diễn đua đường trường trưng bày Được báo chí coi là sát thủ xe Nhật, ở thời điểm đó Neon được khen ngợi bởi mức giá hợp lý, ngoại hình bóng bẩy, sức mạnh và tốc độ, đặc biệt là so với các đối thủ Neon là chiếc ô tô nhỏ đầu tiên do Chrysler sản xuất được bán tại Nhật Bản Nó hơi khác so với phiên bản Hoa Kỳ, có đèn báo rẽ màu hổ phách (được yêu cầu theo quy định của Nhật Bản) và khả năng lái tay phải Một điều không may (đối với các nhà sản xuất) vẫn được giữ nguyên là kích thước chiều rộng của xe không tuân thủ các quy định của Nhật Bản

Nghiên cứu này sử dụng một mô hình xe sedan dựa trên cơ sở mô hình xe sedan có sẵn, dưới dạng mô hình phần tử hữu hạn là xe sedan Dodge Neon [38] và các mô hình phần tử hữu hạn tương tự cho các loại xe khác, được phát triển bởi Trung tâm phân tích va chạm quốc gia (NCAC) và chịu sự quản lý của Cục quản lý an toàn giao thông đường cao tốc quốc gia Hoa Kỳ (NHTSA) Mô hình này đã được xây dựng chủ yếu để nghiên cứu va chạm phía trước, sử dụng dữ liệu và vật liệu đáng tin cậy, và đã được hoàn thiện cho nhiều trường hợp va chạm phía trước khác nhau, mô hình được sử dụng cho nghiên cứu thể hiện ở Hình 3.6, Hình 3.7 và Bảng 3.1 Cũng có sự kiểm tra so sánh giữa thực tế va chạm giữa mô hình xe xe thực tế để kiểm chứng độ chính xác của mô hình thể hiện ở Hình 3.8 và Hình 3.9

Bảng 3.1:Thông số của mô hình phần tử hữu hạn xe Dodge Neon

Số lượng phần tử hữu hạn 270768

Hình 3.6: Mô hình phần tử hữu hạn xe Dodge Neon [39]

Hình 3.7: Mô hình xe Dodge Neon so sánh thực tế và mô phỏng va chạm dựa trên tiêu chuẩn FHWA/NHTSA [39]

Hình 3.8: Biểu đồ so sánh gia tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

Hình 3.9: Biểu đồ so sánh vận tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

3.2.1.2 Mô hình xe pick-up

Bảng 3.2: Thông số của mô hình phần tử hữu hạn xe pick-up

Số lượng phần tử hữu hạn 58313

Dưới đây là mô hình đại diện xe pick-up dưới dạng phần tử hữu hạn sử dụng cho nghiên cứu Mô hình được nghiên cứu và xây dựng bởi NCAC lấy ý tưởng dựa trên khung mẫu xe phổ biến sử dụng tại Mỹ là xe Chevrolet C2500 được đưa vào thị trường ở những năm 2000 Mô hình cụ thể được xác định chính xác về mặt kích thước, vật liệu của từng chi tiết Đồng thời mô hình cũng sử dụng các phương trình cơ học dựa trên nguyên lý cơ học và điều kiện biên điều này cho phép tính toán sự biến dạng, năng lượng và áp suất… trong từng phần tử cấu thành Hình 3.10 Mô hình cũng đã được kiểm tra và so sánh cải thiện độ chính xác qua các năm Cũng có sự kiểm tra so sánh giữa thực tế va chạm giữa mô hình xe xe thực tế để kiểm chứng độ chính xác của mô hình thể hiện ở Hình 3.11, Hình 3.12 và Hình 3.13

Hình 3.10: Tổng thể mô hình phần tử hữu hạn xe pick-up [39]

Hình 3.11: Mô hình xe pick-up so sánh thực tế và mô phỏng va chạm [39]

Hình 3.12: Biểu đồ so sánh gia tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

Hình 3.13: Biểu đồ so sánh vận tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

Dưới đây là mô hình đại diện xe suv dưới dạng phần tử hữu hạn sử dụng cho nghiên cứu va chạm với xe sedan, Hình 3.14 Mô hình được nghiên cứu và xây dựng bởi NCAC lấy ý tưởng dựa trên khung mẫu xe Toyota Rav4 phổ biến trên thế giới, được đưa vào thị trường ở những năm 1997, được biết đến như một trong những chiếc suv tốt nhất đến thời điểm hiện tại Cũng có sự kiểm tra so sánh giữa thực tế va chạm giữa mô hình xe xe thực tế để kiểm chứng độ chính xác của mô hình thể hiện ở Hình 3.15,

Bảng 3.3: Thông số của mô hình phần tử hữu hạn xe suv

Số lượng phần tử hữu hạn 494117

Hình 3.14: Tổng thể mô hình phần tử hữu hạn xe suv [39]

Mô hình cụ thể cũng được xác định chính xác về mặt kích thước, vật liệu của từng chi tiết Đồng thời mô hình cũng sử dụng các phương trình cơ học dựa trên nguyên lý cơ học và điều kiện biên điều này cho phép tính toán sự biến dạng, năng lượng và

46 áp suất… trong từng phần tử cấu thành Mô hình cũng đã được kiểm tra và so sánh cải thiện độ chính xác qua các năm Thể hiện ở Bảng 3.3 và Hình 3.14

Hình 3.15: Mô hình xe suv so sánh thực tế và mô phỏng va chạm [39]

Hình 3.16: Biểu đồ so sánh gia tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

Hình 3.17 : Biểu đồ so sánh vận tốc khi va chạm thực tế so với mô hình [39]

3.2.1.4 Mô hình xe tải van

Dưới đây là mô hình đại diện xe tải Van dưới dạng phần tử hữu hạn sử dụng cho nghiên cứu va chạm với xe sedan, Hình 3.18 Mô hình được nghiên cứu và xây dựng bởi NCAC lấy ý tưởng dựa trên khung mẫu xe Ford Econoline, được đưa vào thị trường ở những năm 1998 và được thị trường Mỹ ưa chuộng ở những năm đó, đại diện cho một phương tiện vận tải trong đô thị

Bảng 3.4: Thông số của mô hình phần tử hữu hạn xe tải Van

Số lượng phần tử hữu hạn 300066

Hình 3.18: Tổng thể mô hình phần tử hữu hạn xe tải van [39]

Mô hình cụ thể cũng được xác định chính xác về mặt kích thước, vật liệu của từng chi tiết Đồng thời mô hình cũng sử dụng các phương trình cơ học dựa trên nguyên lý cơ học và điều kiện biên điều này cho phép tính toán sự biến dạng, năng lượng và áp suất… trong từng phần tử cấu thành Mô hình cũng đã được kiểm tra và so sánh cải thiện độ chính xác qua các năm Thể hiện ở Hình 3.18 và Bảng 3.4 Cũng có sự kiểm tra so sánh giữa thực tế va chạm giữa mô hình xe xe thực tế để kiểm chứng độ chính xác của mô hình thể hiện ở Hình 3.19, Hình 3.20 và Hình 3.21

Hình 3.19: Mô hình xe tải van so sánh thực tế và mô phỏng va chạm [39]

Hình 3.20: Biểu đồ so sánh gia tốc khi va chạm thực tế so với mô hình xây dựng

Hình 3.21 : Biểu đồ so sánh vận tốc khi va chạm thực tế so với mô hình xây dựng

Dưới đây là mô hình đại diện xe mpv dưới dạng phần tử hữu hạn sử dụng cho nghiên cứu va chạm với xe sedan, Hình 3.22 Mô hình được nghiên cứu và xây dựng bởi NCAC lấy ý tưởng dựa trên khung mẫu xe Dodge Grand Caravan , được đưa vào thị trường ở những năm 1998 và được thị trường Mỹ và châu Âu ưa chuộng ở những năm đó, đại diện cho một mẫu xe thực dụng sử dụng cho gia đình

Bảng 3.5: Thông số của mô hình phần tử hữu hạn xe mpv

Số lượng phần tử hữu hạn 300066

Hình 3.22: Tổng thể mô hình phần tử hữu hạn xe mpv [39]

Mô hình cụ thể cũng được xác định chính xác về mặt kích thước, vật liệu của từng chi tiết Đồng thời mô hình cũng sử dụng các phương trình cơ học dựa trên nguyên lý cơ học và điều kiện biên điều này cho phép tính toán sự biến dạng, năng lượng và áp suất… trong từng phần tử cấu thành Mô hình cũng đã được kiểm tra và so sánh cải thiện độ chính xác qua các năm Thể hiện ở Bảng 3.5 và Hình 3.22 Cũng có sự kiểm tra so sánh giữa thực tế va chạm giữa mô hình xe xe thực tế để kiểm chứng độ chính xác của mô hình thể hiện ở Hình 3.23, Hình 3.24 và Hình 3.25

Hình 3.23: Mô hình xe mpv so sánh thực tế và mô phỏng va chạm [39]

Hình 3.24: Biểu đồ so sánh gia tốc xe mpv khi va chạm thực tế so với mô hình

Hình 3.25 : Biểu đồ so sánh vận tốc xe mpv khi va chạm thực tế so với mô hình

3.2.1.6 Mô hình xe tải khác sử dụng trong các trường hợp va chạm

Trong nghiên cứu này cũng bổ sung các mô hình của các loại xe khác dưới dạng phần tử hữu hạn để nghiên cứu về va chạm xe sedan với các xe tải theo góc 90 độ Dựa trên những mô hình này, nghiên cứu có thể mô phỏng và phân tích một loạt các tình huống va chạm thực tế một cách chi tiết và đáng tin cậy Dưới đây là một số điểm quan trọng về việc sử dụng các mô hình xe khác nhau:

- Đa dạng hóa nghiên cứu: Sử dụng các mô hình phần tử hữu hạn của nhiều loại xe khác nhau cho phép nghiên cứu mô phỏng và phân tích va chạm trong các tình huống đa dạng Điều này quan trọng trong việc hiểu và đánh giá tất cả các khả năng va chạm có thể xảy ra trong thực tế

Kết luận

Chương 3 đã tập trung vào việc xây dựng và mô phỏng các trường hợp va chạm xoay quanh xe sedan cỡ B, nhằm tìm hiểu phản ứng của khung sườn xe sau khi xảy ra va chạm Trong quá trình nghiên cứu, các mô phỏng đã được thực hiện và thu thập dữ liệu về biến dạng khung sườn xe sedan sau va chạm Đầu tiên, xây dựng một loạt các trường hợp va chạm xoay quanh xe sedan, đặc biệt tập trung vào các góc độ và tốc độ va chạm khác nhau Quá trình này đã yêu cầu sự tiến xa của mô phỏng và khả năng mô phỏng các tình huống va chạm theo cách chính xác và đáng tin cậy Kết quả của mô phỏng đã cho thấy sự phản ứng của khung sườn xe sedan sau khi va chạm

Quan sát và đánh giá biến dạng của khung sườn xe trong từng trường hợp va chạm, từ đó thu được dữ liệu quan trọng về hiệu suất và an toàn của xe sedan trong các tình huống giao thông khác nhau Cuối cùng, từ kết quả của va chạm và sự biến dạng của khung sườn xe, chúng tôi đã có cơ sở để đánh giá và phân tích cách khung sườn xe sedan phản ứng trong các tình huống va chạm Điều này giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về khả năng bảo vệ của khung sườn và tính an toàn của xe sedan trong trường hợp va chạm

Tóm lại, Chương 3 đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về quá trình nghiên cứu và mô phỏng va chạm xoay quanh xe sedan, kết quả mô phỏng và biến dạng của khung sườn xe Những dữ liệu này là quan trọng để cải thiện thiết kế và hiệu suất của xe ô tô trong mục tiêu giảm thiểu nguy cơ tổn thương cho hành khách sau va chạm

ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG VÀ KHUYẾN NGHỊ

Đánh giá phân tích khung sườn xe dựa trên kết quả mô phỏng kết luận

Đánh giá sự biến dạng khung sườn xe sedan theo phép đo xâm nhập khoang hành khách IIHS Instrustion Measurements theo 8 điểm khoang an toàn cho hành khách

Hình 4.1: 8 điểm khảo sát trên mô hình xe gây ảnh hưởng đến người lái

Theo các nghiên cứu trước của IIHS thì khoang hành khách bị xâm nhập và gây ảnh hưởng đến người ngồi bên trong Cụ thể có các điểm biến dạng vào khung sườn xe có các điểm như sau: Điểm 1: Foot Well (Vị trí để chân) Điểm 2: Left Toepan (Vị trí sàn bên trái) Điểm 3: Center Toepan (Vị trí sàn ở giữa)

86 Điểm 4: Right Toepan (Vị trí sàn bên phải) Điểm 5: Brake Pedal (Vị trí bàn đạp phanh Điểm 6: Right Ip (Vị trí bảng điều khiển dưới vô lăng bên trái) Điểm 7: Left IP (Vị trí bản điều khiển dưới vô lăng bên phải) Điểm 8: Door (Vị trí 1 điểm trên cửa xe )

Hình 4.2: Biểu đồ đo 8 điểm an toàn khoang hành khách dựa trên kết quả mô phỏng từ trường hợp va chạm 1 đến trường hợp 7, Hình 3.31

Hình 4.3: Biểu đồ đo 8 điểm an toàn khoang hành khách dựa trên kết quả mô phỏng từ trường hợp va chạm 8 đến trường hợp 12, Hình 3.32

Từ 12 trường hợp mô phỏng trên cho thấy được kết quả xâm nhập khoang hành khách sau các vụ va chạm Thực hiện phép đo xâm nhập khoang hành khách dựa trên kết quả mô phỏng ta có 2 biểu đồ thể hiện mức độ xâm lấn vào khoang hành khách theo IIHS như Hình 4.2, Hình 4.3

Bảng 4.1: Giá trị biến dạng 8 điểm an toàn khoang hành khách theo IIHS theo trường hợp thử nghiệm

Từ kết quả khảo sát sự xâm nhập khoang hành khách dựa trên đồ thị ta thấy được:

- Ở các trường hợp từ va chạm từ 1 đến 7 (Va chạm trực diện 100% giữa xe sedan và xe khác) ta thấy được trường hợp 4 và 6 có tổng số biến dạng lần lượt là 2169 và 2355 mm Riêng trường hợp 7 do khối lượng chênh lệch lớn giữa xe sedan và xe đầu kéo nên kết quả va chạm khảo sát được gần như xe bị biến dạng hoàn toàn về mặt kết cấu

- Ở trường hợp va chạm xe sedan vào hông xe khác ta thấy được trường hợp 10 có tổng số biến dạng lớn nhất là 2264 mm

Từ cơ sở dữ liệu này khoanh vùng cải thiện các trường hợp nêu trên, có kết quả va chạm lớn nhất gây ảnh hưởng đến vùng an toàn khoang hành khách:

- Trường hợp 4: xe sedan va chạm với xe pick-up tốc độ 56 km/h

- Trường hợp 6: xe sedan va chạm với xe tải van tốc độ 56 km/h

- Trường hợp 10: xe sedan va chạm vào hông xe tải 16 tấn, tốc độ 56 km/h

Bảng 4.2: Tổng kết các trường hợp biến dạng lớn nhất

Trường hợp va chạm Khoảng biến dạng (mm)

TH 4 xe sedan va chạm với xe pick-up 2169

TH6 xe sedan va chạm với xe tải van 2355

TH10 xe sedan va chạm vào hông xe tải 16 tấn 2264

Đề xuất cải tiến, so sánh kết quả và khuyến nghị

Cải thiện khung gầm của mẫu sedan đòi hỏi một loạt các bước cụ thể Đầu tiên, chúng ta cần xem xét kỹ thiết kế hiện tại của khung gầm để phát hiện và đánh giá bất kỳ điểm yếu hoặc vùng cần cải thiện nào Để làm điều này, chúng ta có thể sử dụng mô phỏng máy tính và thử nghiệm vật lý để đánh giá sức mạnh, độ bền và ổn định của khung xe

Các phát hiện từ quá trình này sẽ hình thành cơ sở cho việc thực hiện các điều chỉnh và cải thiện thiết kế khung gầm Cải tiến khung gầm có thể bao gồm việc sử dụng các vật liệu chất lượng cao hơn, tối ưu hóa hình dạng khung gầm hiện có và áp dụng các biện pháp gia cố bổ sung tại các vị trí quan trọng Một phương pháp khác có thể là triển khai một thiết kế khung gầm hoàn toàn mới và cải tiến hơn Tuy nhiên, điều này thường đòi hỏi một cuộc đại tu lớn hơn của chiếc xe, nhưng có thể dẫn đến khung gầm vững chắc hơn Bất kể phương pháp được áp dụng, việc điều chỉnh và cải thiện khung gầm đều phải được kiểm tra kỹ càng để đảm bảo rằng nó tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và không gây ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống an toàn trong xe Điều này đòi hỏi sự kết hợp của mô phỏng máy tính, thực nghiệm thực

89 tế và đánh giá trên đường để đảm bảo rằng các cải tiến trên khung gầm mang lại sự nâng cao mong muốn về an toàn Chúng tôi chắc chắn rằng việc sửa đổi khung gầm này sẽ đạt được những cải thiện đáng kể, và từ các vị trí được cải tiến Nghiên cứu đã xác định rằng việc sửa đổi khung gầm của xe sedan để cải thiện khả năng hấp thụ lực và giảm xâm lấn vào khoang hành khách sẽ mang lại những cải thiện đáng kể đối với tính an toàn và hiệu suất của xe trong các tình huống va chạm

Sau khi thực hiện việc cải thiện dầm dọc trước và mẫu tăng cường cấu trúc hấp thụ lực phía trên dầm dọc, nghiên cứu đã chọn lại 3 trường hợp đã được kiểm tra ban đầu, đó là những trường hợp có kết quả sau va chạm khoang hành khách bị xâm lấn nhiều nhất, để tiến hành điều chỉnh và kiểm tra lại kết quả Quá trình này có các bước cụ thể như sau:

1 Lựa chọn lại 3 trường hợp va chạm nghiêm trọng nhất: Trước hết, nghiên cứu đã lựa chọn 3 trường hợp va chạm mà trong đó khoang hành khách bị xâm lấn nhiều nhất sau va chạm Đây là các tình huống quan trọng và đáng quan ngại trong việc đảm bảo an toàn của người lái và hành khách

2 Điều chỉnh và áp dụng mô hình đã cải thiện: Sau khi chọn lại các trường hợp va chạm, nghiên cứu đã thực hiện điều chỉnh và áp dụng mô hình xe sedan đã được cải thiện với khung gầm được điều chỉnh Điều này bao gồm việc tích hợp các cải tiến về dầm dọc trước và cấu trúc hấp thụ lực vào mô hình

3 Thực hiện mô phỏng và phân tích lại: Sau khi mô hình đã được điều chỉnh và áp dụng vào các trường hợp va chạm, nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng lại các tình huống này Quá trình này đặc biệt quan trọng để đánh giá xem những cải tiến đã tạo ra sự thay đổi đáng kể trong kết quả sau va chạm, đặc biệt là trong việc giảm xâm lấn vào khoang hành khách

4 So sánh kết quả: Cuối cùng, nghiên cứu đã so sánh kết quả sau va chạm của các trường hợp đã được điều chỉnh với những trường hợp ban đầu Điều này giúp xác định rõ ràng sự cải thiện và hiệu quả của việc sửa đổi khung gầm và cấu trúc hấp thụ lực

Việc lựa chọn lại các trường hợp va chạm quan trọng và tiến hành điều chỉnh, sau đó kiểm tra lại kết quả, là một phần quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và

90 đáng tin cậy của các cải tiến đã thực hiện Nó giúp nghiên cứu chứng minh một cách rõ ràng rằng sự cải thiện của khung gầm và cấu trúc hấp thụ lực đã có tác động tích cực đến tính an toàn và hiệu suất của xe trong các tình huống va chạm

4.2.1 Cải tiến mô hình theo định hướng

Hình 4.4: Phản ứng của dầm dọc trong quá trình va chạm

Hình 4.5: Phản ứng của kết cấu hấp thụ lực phía trên trong quá trình va chạm

Từ những kết quả mô phỏng của mô hình phần tử hữu hạn, đáng chú ý ở các trường hợp ảnh hưởng đến khoang hành khách nhiều nhất, theo Bảng 4.2 Ta thấy được phần dầm dọc của xe và kết cấu hấp thụ lực trên dầm dọc có vai trò hấp thụ va chạm chưa

91 hiệu quả và dễ bị uốn cong từ đó gây ra việc xâm lấn vào khoang hành khách sau khi va chạm xảy ra Đặt vấn đề nghiên cứu chỉnh sửa dầm dọc trước của khung xe

Phần trình bày này mô tả quá trình cải thiện dầm dọc trước của khung xe trong mô hình phần tử hữu hạn của chiếc xe sedan để giảm thiểu ảnh hưởng đến khoang hành khách sau va chạm Dưới đây là những bước cụ thể và quá trình chi tiết được thực hiện trong quá trình nghiên cứu:

1 Thiết kế mẫu ốp tăng cường hấp thụ lực dầm dọc chính và mẫu hấp thụ lực bổ sung gắn vào kết cấu hấp thụ lực bằng SolidWorks: Đầu tiên, nghiên cứu đã sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mẫu ốp tăng cường và cho mẫu hấp thụ lực bổ sung vào kết cấu hấp thụ lực trên dầm dọc Mẫu ốp này được tạo để gia cố và tăng khả năng hấp thụ lực của dầm dọc chính của xe Thiết kế phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng ốp này sẽ phản ứng hiệu quả trong các tình huống va chạm trực diện xảy ra đối với phương tiện

2 Sử dụng HyperMesh để định dạng và chia lưới cho 2 mẫu thử: Tiếp theo, nghiên cứu đã sử dụng phần mềm HyperMesh để xử lý mẫu 3D và thực hiện quá trình định dạng và chia lưới Việc này đảm bảo rằng mẫu thử có đủ độ chi tiết và mật độ mạng lưới phù hợp để cho phép mô phỏng chính xác và đáng tin cậy tương đương mẫu thử phản ứng hiệu quả so với thực tế

Kết luận

Chương 4 của nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá và cải thiện khung sườn của xe sedan dựa trên kết quả mô phỏng ở Chương 3 Đầu tiên, sử dụng kết quả mô phỏng từ chương trước nhằm cung cấp cơ sở cho phân tích về hiệu suất của khung sườn xe sedan sau khi trải qua va chạm Tiếp theo, kết hợp những thông số này với phương pháp đánh giá 8 điểm an toàn của IIHS để đề xuất các cải tiến có thể được thực hiện trên khung xe mẫu Phân tích này giúp xác định những vùng yếu trong khung sườn và đề xuất các biện pháp tối ưu hóa để tăng khả năng chịu va chạm của xe cụ thể hai đối tượng cải thiện là dầm dọc xe và kết cấu hấp thụ lực phí trên dầm dọc

Cuối cùng, chúng tôi thực hiện mô phỏng kiểm tra lại với mô hình phần tử hữu hạn của xe sedan mới, sử dụng những cải tiến được đề xuất từ kết quả phân tích trước đó Mục tiêu là đánh giá hiệu suất của khung xe sau khi thực hiện các cải tiến và xác nhận rằng những thay đổi này có thể cải thiện khả năng an toàn của xe trong trường hợp va chạm

Chương 4 là bước quan trọng trong quá trình phát triển và cải thiện xe sedan, giúp tối ưu hóa khung sườn để đảm bảo an toàn và hiệu suất tối đa trong điều kiện va chạm Và từ những kết quả đạt được từ những cải tiến mới trên khung xe sedan đã chỉnh sửa cũng đề xuất các nghiên cứu sau này liên quan đến các chi tiết trên để đưa vào mô hình xe thực tế