mô phỏng va chạm trực diện trên xe ô tô con

Sử dụng phần mềm Altair HyperWorks để xây dựng bài toán mô phỏng va chạm trực diện với đối tượng là xe Honda Accord dựa theo điều kiện trên tiêu chuẩn NHTSA.. 2 Tóm tắt: “Ứng dụng ph

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về phương pháp tính toán bằng phần tử hữu hạn [1]

Phương pháp tính toán bằng phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp tính toán số để giải quyết các vấn đề liên quan đến cơ học kết cấu, nhiệt độ và dòng chảy Phương pháp này chia các vật thể phức tạp thành các phần tử nhỏ hơn, sau đó giải quyết các phương trình toán học để tính toán các giá trị của các biến trong mỗi phần tử Kết quả của các phần tử này được kết hợp để tính toán các giá trị của các biến trong toàn bộ vật thể

Phương pháp phần tử hữu hạn chỉ tìm giá trị trên mỗi phần tử (miền con) của hàm Các phần tử này được chia ra từ một miền xác định A và chúng liên kết với nhau tại các điểm trên biên của miền con được gọi là “nút” Các giá trị cần tìm của bài toán (ẩn số cần tìm) được gọi là bậc tự do và được thể hiện qua các giá trị của đạo hàm

Nguyên tắc chia miền thành các miền nhỏ

- Việc chia miền A thành các phần tử Ai phải đáp ứng theo quy tắc sau:

+ Điểm chung của hai phần tử khác nhau chỉ được nằm trên biên của chúng

+ Tất cả miền con Ai phải tạo thành một miền càng bằng miền A cho trước càng tốt + Chia miền không được có lỗ rỗng giữa các phần tử

Biên của các miền con là các điểm (nút), đường hoặc các mặt phẳng

Hình 2 1 Các dạng biên chung của các phần tử

Một số dạng phần tử hữu hạn:

- Phần tử hữu hạn có nhiều dạng như: Phần tử 1 chiều, phần tử 2 chiều, phần tử 3 chiều

- Trong mỗi dạng lại chia ra các loại khác nhau dựa theo độ biến thiên gọi là bậc Dạng phần tử thường gặp là:

Các bước thực hiện phương pháp FEM bao gồm:

Chia lưới chi tiết là chia một chi tiết phức tạp thành các phần đơn giản (phần tử), mỗi phần tử có hình dạng và kích thước nhất định Giúp cho việc xử lý ở bước tiếp theo đó dự

8 đoán được tác động của các phần đơn giản này từ đó có thể đưa ra phân tích chính xác phản ứng của phần tử phức tạp

Xác định các điều kiện biên: độ dày của vật liệu và các lực Các điều kiện biên được xác định để giải quyết các phương trình toán học

Là phân tích các phần tử hữu hạn Một số phần mềm thường dùng như “Ansys, RADIOSS, Abaqus….” Công cụ xử lí sẽ lấy thông tin từ tập tin được tạo ra ở bước 1 trong Hyperworks để tính toán Kết quả đưa ra sẽ bao gồm: chuyển vị, gia tốc, biến dạng và ứng suất…

Chúng ta sẽ xem lại được các kết quả đã được tính toán ở các trường hợp khác nhau Ở phần Hyperview ta sẽ thu được các dạng hình động và biểu đồ màu làm nổi bật được kết quả

Phương pháp FEM được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như kỹ thuật cơ khí, ô tô, kỹ thuật điện, kỹ thuật vật liệu, kỹ thuật xây dựng và kỹ thuật hóa học…

Các tiêu chuẩn va chạm

The National Highway Traffic Safety Administration viết tắt là NHTSA là cục cơ quan

An toàn giao thông quốc gia thành lập năm 1970 với mục đích cải thiện an toàn giao thông đường bộ bằng các bài thử nghiệm thực tế trên ô tô để xác định mức độ thiệt hại khi xảy ra va chạm

NHTSA đưa ra các tiêu chuẩn về khả năng chịu va đập, là khả năng bảo vệ người lái và hành khách trong trường hợp xảy ra va chạm của phương tiện đó Những tiêu chuẩn này bao gồm yêu cầu về bảo vệ người ngồi, yêu cầu về cấu trúc phương tiện và các công nghệ tránh va chạm NHTSA cũng tiến hành các thử nghiệm va chạm thực tế để có thể đưa đánh giá hiệu suất an toàn của các phương tiện và gán xếp hạng về mức độ an toàn của phương tiện đó dựa trên kết quả thu được Các tiêu chuẩn và xếp hạng được thiết kế để giúp người tiêu dùng đưa ra quyết định thông minh khi mua một phương tiện và khuyến khích các nhà sản xuất cải thiện an toàn của các phương tiện của họ

Ngoài ra, NHTSA cũng đưa ra các khuyến cáo và hướng dẫn về an toàn giao thông, bao gồm sử dụng dây an toàn, túi khí và các thiết bị an toàn khác trong phương tiện sao cho đúng cách Cơ quan này cũng đưa ra các lời khuyên về việc lái xe an toàn, bao gồm việc giữ khoảng cách an toàn với các phương tiện khác, tuân thủ tốc độ giới hạn và tránh lái xe khi mệt mỏi hoặc bị ảnh hưởng bởi chất kích thích NHTSA cũng thường xuyên cập nhật các tiêu chuẩn và hướng dẫn của mình để đảm bảo rằng các phương tiện mới nhất đáp ứng được các yêu cầu an toàn cao nhất

Các bài kiểm tra của NHTSA bao gồm:

- Va chạm trực diện phía trước: xe sẽ di chuyển với tốc độ cố định là 56km/h có 2 hình nộm ngồi bên trong và đeo dây an toàn Cho đâm thẳng vào rào chắn và lấy kết quả từ mức động tổn thương mà người nộm phải chịu để quyết định kết quả thử nghiệm

- Thử nghiệm va chạm bên hông: đặt 2 hình nộm một phía ghế lái và phía sau cũng thắt đầy đủ dây an toàn và cho va chạm bên hông phía ghế lái với vật có tốc độ 62km/h Lấy mức độ tổn thương lên phần đầu, ngực, cổ và xương chậu để đưa ra quyết định kết quả

- Thử nghiệm lật đổ: xe có 5 người ngồi bên trong và cho di chuyển trên địa hình phức tạp, và thay đổi Đo đạt các thông số và nếu 2 lốp cùng 1 bên nếu xe bị nâng lên ít nhất 5,1cm so với mặt đường thì được cho là có nguy cơ bị lật

Hình 2 5 Thử nghiệm va chạm trực diện của NHTSA

Euro NCAP (European New Car Assessment Programme) được thành lập vào năm

1997 bởi hòng thí nghiệm Nghiên cứu Giao thông của bộ giao thông Anh Quốc và có trụ sở tại Brussels, Bỉ

Euro NCAP đánh giá các mẫu xe mới trên thị trường châu Âu và cung cấp thông tin tính năng an toàn của chúng đến người tiêu dùng

Các tiêu chuẩn đánh giá bao gồm: khả năng bảo vệ người lái và hành khách, tính năng hỗ trợ lái xe, hệ thống phanh tránh va chạm và tính năng an toàn cho người đi bộ

Cụ thể hơn là Euro NCAP đánh giá các mẫu xe bằng cách sử dụng thang đánh giá 5 sao

- 1 sao là xe gần như không thể bảo vệ người trong xe khi va chạm

- 2 sao xe có hệ suất nhỏ nhất và thiếu hệ thống tránh va chạm

- 3 sao xe có hiệu suất trung bình và thiếu hệ thống tránh va chạm

- 4 sao xe có hiệu suất tốt và có thể có hoặc không có hệ thống tránh va chạm

- 5 sao là xe có hiệu suất tổng thể tốt nhất và được trang bị các công nghệ an toàn hàng đầu

Xe muốn đạt được mức đó thì phải đáp ứng được các tiêu chuẩn khắc khe bao gồm:

- Bảo vệ người lái và hành khách: Xe phải đáp ứng được các tính năng bảo vệ như túi khí, dây an toàn, hệ thống giảm chấn va đập, và khung xe phải đảm bảo chắc chắn để giảm thiểu tối đa chấn thương cho người bên trong

Tiêu chuẩn này bao gồm:

Thứ nhất là va chạm trực diện phía trước giống với NHTSA và IIHS

Thứ hai là va chạm bên hông xe

Vật cản được sử dụng có chiều dài 500mm và rộng 1,500mm chuyển động với tốc độ 50km/h va chạm thẳng vào bên hông xe

Hình 2 6 Thử nghiệm va chạm trực diện của Euro NCAP

Hình 2 7 Thử nghiệm va chạm bên hông của Euro NCAP

- Tính năng hỗ trợ lái xe: Mẫu xe phải có các tính năng hỗ trợ lái như hệ thống cảnh báo va chạm, hệ thống giữ làn đường, hệ thống cảnh báo mất tập trung

Hình 2 8 Tính năng an toàn cho người đi bộ

- Tính năng an toàn cho người đi bộ: xe phải đảm bảo có các đặc điểm như hệ thống cảnh báo với chạm với người đi bộ, xe được thiết kế sao cho đảm bảo giảm tối thiểu chấn thương trong trường hợp xảy ra va chạm với người đi bộ

- Hệ thống phanh và an toàn tránh va chạm: xe phải đảm bảo có hệ thống phanh khẩn cấp, hệ thống phanh tự động và hệ thống tránh va chạm và hệ thống cân bằng điện tử để giảm thiểu tối đa nguy cơ tai nạn

Và các kết quả đánh giá sẽ được Euro NCAP công bố công khai và được sử dụng để đánh giá mẫu xe trên thị trường giúp cho người tiêu dùng có thể đưa ra quyết định tốt nhất khi mua xe

Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) là một tổ chức nghiên cứu và thử nghiệm xe hơi tại Hoa Kỳ Được thành lập năm 1959 có trụ sở tại Arlington, Virginia, Hoa Kỳ Nhiệm vụ của tổ chức này là Nghiên cứu và đánh gia tính an toàn của các loại xe hơi

Các tiêu chí đánh giá bao gồm:

- Đánh giá va chạm: IIHS thử nghiệm các tính năng an toàn qua các tình huống va chạm khác nhau, bao gồm va chạm trước, va chạm bên hông, va chạm sau đuôi xe Các xe được đánh giá dựa trên khả năng bảo vệ người lái và hành khách khi va chạm xảy ra

- Đánh giá tính năng an toàn: Như hệ thống phanh, hệ thống lái, khung xe và túi khí Đánh giá dựa trên khả năng bảo vệ người bên trong xe trong tình huống nguy hiểm

Giới thiệu phần mềm Altair HyperWorks [3]

Chức năng chính: Phạm vi ứng dụng của phần mềm Hyperworks cực kỳ đa dạng, liên quan tới các bài toán mô phỏng, điển hình là phân tích tuyến tính tĩnh, phân tích động lực học, phân tích nhiệt, phân tích va chạm, phân tích rung ồn…Trong đồ án lần này, nhóm sử dụng phần mềm Hyperworks để phân tích va chạm của xe

Khởi động phần mềm: Vào start menu → all program → chọn Altair hyperworks hoặc có thể click đúp chuột vào biểu tượng phần mềm ( ) trên màn hình máy tính

Hình 2 10 Màn hình giao diện hyperworks

- Mở một file có sẵn

- Lưu một file đã làm

Hình 2 11 Chức năng cơ bản

Các panel lệnh trong hyperworks

Trong Hyperworks panel có các bố trí sau:

Hình 2 13 Panel chứa các panel phụ và có mục tự chọn

Hình 2 14 Thanh công cụ Standard Views

Hình 2 15 Thanh công cụ View Controls

- Để xoay vật thể: nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp phím trái chuột để xoay

- Tuỳ chỉnh tâm quay: nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp nhấn chuột trái vào vật thể Con lăn giữa chuột:

- Phóng to/thu nhỏ vật thể: nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp lăn con lăn

- Định vị vật thể ngay giữa màn hình: Nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp nhấn vào con lăn

- Phóng to vật thể ở một vị trí bất kỳ: Nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp giữ và di chuyển con lăn vào vị trí đó

- Dịch chuyển vật thể theo phương bất kỳ: Nhấn tổ hợp phím Ctrl kết hợp giữ và di chuyển phím phải chuột để dịch chuyển

Các chế độ hiển thị mô hình

- Các phần tử trên mô hình: Element

- Mô hình hình học không gian: Geometry

Có thể sử dụng để hiển thị hoặc không hiển thị các đối tượng được chọn

- Không hiển thị các đối tượng đã lựa chọn: MASK

- Ẩn các đối tượng đang hiển thị và hiển thị các đối tượng bị ẩn: REVERSE

- Hiển thị các đối tượng bị ẩn nằm liền kề: UNMASK ADJACENT

- Hiển thị toàn bộ các đối tượng đang bị ẩn: UNMASK ALL

- Không hiển thị các đối tượng nằm ngoài phạm vi quan sát: MASK NOT SHOWN

- Thực hiện thao tác chỉ trong khu vực đã được chọn: SPHERICAL CLIPPING

- Xác định các đối tượng (đi kèm với ID number): FIND

- Hiển thị ID number của đối tượng (phần tử, node…): DISPLAY NUMBER

- Hiển thị phần tử: DISPLAY ELEMENT HANDLES

- Hiển thị kí hiệu về các lực, tải trọng được thiết lập (điều kiện biên): DISPLAY LOAD HANDLES

- Hiển thị các điểm cố định: DISPLAY FIXED POINTS

Là công cụ dùng để điều khiển các chế độ hiển thị của mô hình

Hình 2 16 Các chức năng điều chỉnh hiển thị mô hình

- Hiển thị mô hình: Geometry

- Hiển thị phần tử: Element

- Biến đổi màu sắc: Nhấn chuột phải vào màu để thay đổi

Sắp xếp dữ liệu trong HyperWorks

Trong HyperWorks, các dữ liệu như mô hình, vật liệu, và các tải trọng sẽ được sắp xếp vào các nhóm riêng biệt để dễ kiểm soát hơn trong việc quản lý dữ liệu Các đối tượng này trong phần mềm được gọi là "Collectors" và HyperWorks cung cấp nhiều loại Collector khác nhau Sau đây là một vài Collector được sử dụng phổ biến:

- Chứa các kiểu phần tử (tam giác, tứ giác…): Element

- Chứa các điều kiện về tải trọng và lực: Load

- Xác định loại Contact tiếp xúc của phần tử hay mô hình: Contact

- Xác định vật liệu của phần tử hay mô hình: Material

- Chứa các đồ thị được thiết lập: Curves

- Chứa đựng mô hình và các phần tử: Component

- Chứa 1 hay tập hợp các vật thể (phần tử, node): Sets

- Tiết diện cắt ngang của dầm: Beam Section

- Xác định các thuộc tính được gán cho mô hình hay phần tử: Property

Các bước để khởi tạo Collectors:

Click chuột phải vào khu vực trống của Model Browser → Create → chọn Collectors để tạo

Bên cạnh đó, có thể thực hiện việc sửa đổi, đổi tên, điều chỉnh số ID, thay đổi màu sắc, hoặc loại bỏ các Collector đã được tạo

Material và Property Collectors được tạo bằng cách sử dụng Material và Property Ribbons

Hình 2 18 Tạo vật liệu và thuộc tính từ Model Ribbons

THIẾT LẬP BÀI TOÁN MÔ PHỎNG VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN

Tạo dựng mô hình CAD của xe Honda Accord

Trước khi bắt đầu quá trình mô phỏng, bước đầu tiên cần phải làm là Tiền xử lý Đây là bước xây dựng mô hình hình học, xử lý hình học, chỉnh sửa lỗi về mặt hình học, chia lưới, kiểm tra chất lượng lưới…Thực hiện tốt công đoạn tiền xử lý chiếm 70% khối lượng công việc và kết quả của quá trình mô phỏng Sau bước tiền xử lý, ta sẽ tiến hành thiết lập điều kiện biên và cuối cùng là mô phỏng

Việc xây dựng mô hình CAD để phục vụ cho mục đích mô phỏng có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như là vẽ bằng các phần mềm CAD như AUTOCAD, SOLIDWORKS…ngoài ra có thể sử dụng các mô hình có sẵn và chỉnh sửa theo yêu cầu của bài toán Do đó nhóm em sử dụng mô hình CAD của xe Honda Accord 1993 có kích thước gần giống với xe thực tế: 4700 – 1695 – 1390 (mm)

Hình 3 1 Mô hình CAD Honda Accord 1993

- Các thông số CAD của xe: 4699 – 1718 – 1424 (mm)

Hình 3 2 Chiều dài của mô hình

Hình 3 3 Chiều cao của mô hình

Hình 3 4 Chiều rộng của mô hình

Ngoài ra, việc xác định đơn vị đầu vào để tính toán xuyên suốt quá trình mô phỏng va chạm là cần thiết vì tạo được tính thống nhất về đơn vị cho toàn bộ mô hình Tất cả đều phải tuân thủ theo hệ đơn vị đầu vào được quy định Việc nhập thông số vật liệu đầu vào sẽ được khai báo bằng card BEGIN_CARD: Solver → Create → Control Card → Begin_Card

Hệ đơn vị mà nhóm sử dụng: Khối lượng (Mg – Ton), chiều dài (mm), thời gian (s), lực (Newton)

Hình 3 5 Đơn vị đầu vào của mô hình

Kiểm tra tính liên kết của mô hình

Mô hình phần tử hữu hạn rất lớn và phức tạp Do đó, có thể xuất hiện hiện tượng các mặt phẳng của mô hình không liên kết với nhau, bị rách hoặc hở (các chi tiết bị rời nhau) Nếu không khắc phục điều này, dẫn đến việc đặt điều kiện biên và tải trọng sai dẫn đến sai kết quả mô phỏng Việc cần làm là phải tìm ra các khe hở, phần tử bị rách và liên kết chúng lại với nhau

Vào thanh công cụ Tool → edges → comps: chọn tất cả các thành phần của mô hình

- Find edges: Để tìm các cạnh không được liên kết – cạnh màu đỏ

- Preview equiv: Tìm các phần tử chưa liên kết

- Equivalence: Tiến hành kết nối các phần tử chưa liên kết lại với nhau

Hình 3 6 Các cạnh chưa được liên kết (đường màu đỏ)

Hình 3 7 Các cạnh khi được liên kết (xanh lá cây)

Hình 3 8 Các phần tử chưa liên kết (Preview equiv)

Hình 3 9 Liên kết các phần tử lại với nhau

Hình 3 10 Kiểm tra tính liên kết của mô hình

Kiểm tra hướng của phần tử

Trên một bề mặt, các phần tử phải cùng một hướng với nhau (cùng hướng âm hoặc cùng hướng dương), các phần tử khác hướng nhau trên cùng mặt phẳng sẽ ảnh hưởng tới kết quả đầu ra

Vào thanh công cụ: Tool → normal → displayed 2D elems: Chọn tất cả phần tử của mô hình

- Color display: Hiển thị hướng của phần tử dựa theo màu sắc

Hình 3 11 Kiểm tra hướng của mô hình

Hình 3 12 Các phần tử có hướng ngược nhau

Hình 3 13 Hướng của phần tử sau khi được chỉnh sửa

Phân loại các thành phần của xe

Quá trình chỉnh sửa và mô phỏng bài toán cực kì phức tạp, đòi hỏi sự chính xác và cẩn thận Phân loại rõ ràng các thành phần của xe Honda Accord giúp cho việc chia lưới và tính toán dễ dàng được kiểm soát Ngoài ra, quá trình sau khi mô phỏng có thể xảy ra lỗi, việc phân loại component còn giúp cho việc kiểm tra lỗi hạn chế đi được những sai sót

Mô hình CAD của Honda Accord được chia thành 12 component khác nhau và được phân loại màu sắc rõ ràng, các component này bao gồm các mặt phẳng 2D (surface)

Hình 3 14 Các component của xe sau khi được chia ra

Chia lưới theo phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình

Vì nhóm sử dụng phiên bản Student Edition của phần mềm Altair Hyperworks 2022, nên sẽ có một số hạn chế của phần mềm Điểm hạn chế lớn nhất đó chính là giới hạn node

28 được sử dụng là 100.000 node và điều này ảnh hưởng đến quá trình chọn kích thước lưới bởi vì khi kích thước lưới càng nhỏ thì mật độ phần tử càng dày đặc, dẫn đến số node sẽ tăng nhưng bù lại kết quả bài toán sẽ chính xác hơn Do đó nhóm em quyết định size lưới cho mô hình là Element size = 20mm để đáp ứng giới hạn node của phần mềm Việc sử dụng nhiều node hơn so với giới hạn sẽ khiến bài toán không chạy được

Vì tất cả thành phần cấu tạo nên xe đều ở dạng Surface (dạng tấm 2D) nên loại lưới nhóm chọn để chia lưới cho toàn bộ mô hình là lưới 2D

- Vào thanh công cụ: 2D → automesh Hoặc sử dụng phím tắt “F12”

- Surfs: Lựa chọn bề mặt để chia lưới

- Element size: 20mm – kích thước lưới

- Interactive: Có thể chỉnh sửa mật độ phần tử của lưới sau khi chia lưới xong

- Mesh type: mixed – kiểu lưới hỗn hợp, bao gồm phần tử tứ giác và tam giác

- Map: size – skew: giữ cho các phần tử có cùng kích thước nhiều nhất có thể

Hình 3 15 Xác định bề mặt (surface) cần chia lưới

- Sau khi chia lưới, có thể tuỳ chỉnh mật độ phần tử của lưới bằng density

- Mesh style: Chia lưới theo một hình dạng nhất định như hình tứ giác, tam giác, ngũ giác Chọn kiểu phần tử sẽ là dạng phần tử tam giác, tứ giác hay hỗn hợp

Hình 3 17 Tuỳ chỉnh hình thức chia lưới, loại phần tử

- Thực hiện chia lưới cho toàn bộ mô hình xe Honda Accord thoả mãn các tiêu chí: + Hạn chế ít phần tử tam giác nhất có thể

+ Giữ cho các phần tử có cùng kích thước nhiều nhất có thể

+ Chia lưới mịn và đều

+ Kích thước lưới phải đồng đều trên cùng 1 surface

Chia lưới là công việc đòi hỏi độ chính xác cao và tốn nhiều thời gian Chia lưới sai sẽ làm tăng thời gian mô phỏng, giảm Time Step của bài toán và bài toán sẽ không hội tụ được dẫn đến quá trình mô phỏng thất bại và gặp lỗi

Sau khi chia lưới xong, kết quả thu được bao gồm 92794 phần tử trong đó số phần tử tam giác là 2808 phần tử, tứ giác là 89986 phần tử

Kiểm tra chất lượng lưới

Sau quá trình chia lưới, bước tiếp theo là tiến hành kiểm tra chất lượng lưới dựa vào các tiêu chuẩn:

- Warpage: Độ lệch của phần tử so với mặt phẳng

- Aspect: Tỉ lệ cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của cạnh phần tử

- Jacopian: Độ chênh lệch phần tử với hình dạng lý tưởng (tam giác vuông cân, hình vuông)

- Min length: Kích thước phần tử nhỏ nhất

- Max length: Kích thước phần tử lớn nhất

- Min angle: Góc lớn nhất của phần tử tam giác/ tứ giác

- Max angle: Góc nhỏ nhất của phần tử tam giác/ tứ giác

Vào thanh công cụ: Tool → Check elems hoặc sử dụng phím tắt “F10”

Hình 3 19 Các tiêu chí kiểm tra chất lượng lưới

31 Ở đây yếu tố quan trọng nhất cần phải để ý đến là Min length Bởi vì đây là yếu tố ảnh hưởng đến Time Step của mô hình và Time Step ảnh hưởng tới tốc độ chạy bài toán cũng như độ hội tụ của bài toán Nhóm em đưa ra tiêu chuẩn cho Min length không được nhỏ hơn 3mm Các phần tử vi phạm tiêu chuẩn này sẽ được tiến hành chỉnh sửa và chia lưới lại

- Time Step (∆𝑡) là khoảng thời gian cần thiết để thông tin (ứng suất, biến dạng, sóng áp suất) truyền qua khoảng cách nhỏ nhất của một phần tử (Min length) Time Step chịu tác động bởi hai yếu tố đó là: Kích thước lưới nhỏ nhất của phần tử 𝑙 𝑐 (Min length) và tốc độ âm thanh 𝑐, và được tính dựa trên công thức sau:

- Trong đó, tốc độ âm thanh không thay đổi Do đó muốn thay đổi Time Step, phải thay đổi Min length Ngoài ra, Time Step càng nhỏ thì tốc độ chạy bài toán càng lâu do tốn nhiều công đoạn tính toán hơn

Hình 3 20 Các phần tử không đạt tiêu chí về Min Length

Sau khi kiểm tra cho ra kết quả là 3748 phần tử không đạt yêu cầu về min length và phần tử nhỏ nhất của mô hình có kích thước là 0.000205 mm Tiến hành chỉnh sửa lại các phần tử không đạt yêu cầu

Hình 3 21 Xác định các phần tử bị lỗi ở thân xe

Hình 3 22 Xác định các phần tử bị lỗi ở kính xe

Hình 3 23 Xác định các phần tử bị lỗi ở đầu xe (màu cam)

Hình 3 24 Tiến hành chỉnh sửa các phần tử không đạt yêu cầu (1)

Hình 3 25 Tiến hành chỉnh sửa các phần tử không đạt yêu cầu (2)

Hình 3 26 Các phần tử sau khi đã được chỉnh sửa (1)

Hình 3 27 Các phần tử sau khi đã được chỉnh sửa (2)

Hình 3 28 Kết quả kiểm tra của tiêu chí Jacopian sau khi chỉnh sửa

Hình 3 29 Kết quả kiểm tra của tiêu chí Min Length sau khi chỉnh sửa

Kết quả tất cả phần tử đều đạt yêu cầu với kích thước phần tử nhỏ nhất là 3.03 mm Đối với tiêu chí Jacopian, các phần tử đều đạt yêu cầu không nhỏ hơn 0.6

Sau khi lưới đã đạt yêu cầu, kiểm tra Time Step của mô hình Lưu ý Time Step không được nhỏ hơn 1e-08 s Time Step của mô hình là 5.111e-07 s

Hình 3 30 Kiểm tra Time Step của mô hình

Thiết lập vật liệu - Material

HyperWorks cung cấp đa dạng các loại vật liệu để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như: vật liệu tuyến tính M1_ELAST, vật liệu phi tuyến M2_PLAS_JOHNS và M36_PLAS_TAB, vật liệu composite…

Nhóm em sử dụng loại vật liệu M2_PLAS_JOHNS_ZERIL cho toàn bộ component của mô hình Nguyên nhân sử dụng vật liệu M2_PLAS_JOHNS_ZERIL là do vật liệu dùng cho khung xe và kính xe là vật liệu phi tuyến, có điểm ứng suất chảy (Yield Stress), ứng suất tối đa (Ultimate Stress) và vùng biến dạng nhựa (Plastic Strain) Ngoài ra các thông số về vật liệu được lấy từ thư viện của phần mềm Hyperwork, đối với vật liệu chính gốc thì phải mua data từ nhà sản xuất

Vật liệu cho khung xe, cửa xe, nắp capo, cản trước, cản sau, cốp xe sẽ là Steel với các thông số đầu vào:

- Khối lượng riêng: Rho_initial = 7.89e-09 (ton/mm 3 )

- Hệ số Plastic hardening exponent: c = 0.5

- Ứng suất chảy: SIGY = 200 Mpa

- Ứng suất tối đa: SIG_max0 = 420 Mpa

Trong đó: Ứng suất chảy (Yield Stress) là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không trải qua sự biến dạng vĩnh viễn Nếu ứng suất của vật liệu vượt qua giá trị này, vật liệu sẽ bắt đầu biến dạng nhựa (plastic strain) và không thể trở về hình dạng ban đầu sau khi chịu tải Ứng suất tối đa (Ultimate Stress) là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được trước bị biến dạng vĩnh viễn, khi vượt qua giá trị này, vật liệu sẽ bị biến dạng hoàn toàn, phá huỷ, đứt, gãy (Ultimate Stress > Yield Stress)

Hình 3 31 Thông số vật liệu của khung xe

Vật liệu dùng cho kính xe là Glass với các thông số đầu vào:

- Khối lượng riêng: Rho_initial = 2.5e-09 (ton/mm 3 )

- Hệ số Plastic hardening exponent: c = 0.32

- Ứng suất dẻo: SIGY = 192 Mpa

Hình 3 32 Thông số vật liệu của kính xe

Thiết lập đặc tính – Property [4]

Property được thiết lập để thêm độ dày của phần tử, cũng như ứng xử của phần tử và cách chương trình sẽ xử lý các phần tử trên mô hình như thế nào

Mô hình của nhóm được chia làm 4 đặc tính bao gồm: Khung xe, kính xe, kính chắn gió, trần xe Trong đó các thông số như Ishell, N, Ithick, Iplas, Ismtr, Ish3n được thiết lập giống nhau

Ishell: Có 3 dạng phần tử bao gồm Q4, QBAT, QEPH Trong đó phần tử Q4 có các điểm Integration Point (điểm hội tụ) ít nhất, độ chính xác không cao nhưng bù lại thời gian và chi phí lại thấp Phần tử QBAT có nhiều điểm hội tụ hơn, độ chính xác cao hơn nhưng bù lại mất nhiều thời gian và chi phí cao Cuối cùng là phần tử QEPH là sự cân bằng giữa phần tử QBAT và Q4, vừa tiết kiệm chi phí và thời gian mô phỏng, độ chính xác gần giống với phần tử QBAT, hơn nữa phần tử QEPH còn giúp hạn chế hiện tượng Hourglass – là hiện tượng các phần tử ứng xử không đúng với thực tế, phi vật lý Để quá trình mô phỏng chính xác phải thoả

38 mãn điều kiện Hourglass Energy < 10% Total Energy Vì những lý do đó, nhóm lựa chọn phần tử QEPH

Hình 3 33 Loại phần tử tứ giác và tam giác

- N: Số điểm integration point dọc theo độ dày Thick

- Ithick: Lựa chọn độ dày của phần tử có thay đổi hoặc không thay đổi trong quá trình va chạm

- Iplas: Cách phần mềm tính toán cho giai đoạn biến dạng chảy dẻo

- Ismtr: Lựa chọn chi tiết của mô hình sẽ biến dạng nhỏ hay biến dạng lớn

- Ish3n: Chọn kiểu cho phần tử tam giác Hệ thống lựa chọn dạng phần tử tam giác dựa theo dạng phần tử tiêu chuẩn C0

Bảng 3 1 Thông số về Property

Ishell = 24 QEPH 4-noded shells are best combination of cost and accuracy

Ismtr = 2 Full geometric nonlinearities with possible small strain formulation activation in Radioss Engine Ish3n = 2 Standard 3-noded shell (C0) with modification for large rotation

N = 5 Number of integration points set to 5 for accuracy in bending

Ithick = 1 Thickness change is taken into account for accuracy

Iplas =1 Iterative plasticity for good accuracy

Hình 3 34 Thông số về đặc tính của khung xe

Hình 3 35 Thông số về đặc tính của kính xe

Hình 3 36 Thông số về đặc tính của trần xe

Hình 3 37 Thông số về đặc tính của kính chắn gió

Thiết lập điều kiện biên

Tường cứng đóng vai trò làm vật cản để xe va chạm Vì nhóm mô phỏng va chạm theo phương trực diện nên tường được đặt đối diện mô hình và cách mô hình 1mm

- Normal: Hướng của tường theo chiều dương của trục Y – Ngược chiều với hướng chuyển động của xe (xe chuyển động theo chiều âm của trục Y) Nếu hướng của tường cùng chiều với lại hướng chuyển động của xe thì khi chạy bài toán, xe sẽ đâm xuyên qua bức tường mà không có va chạm

- Hệ số ma sát của tường: Fric = 0.2

- Slide: Chọn loại tương tác là 2 – sliding with fiction – trượt dựa theo hệ số ma sát

- Dsearch: 2000 (mm)– Các phần tử hoăc node trong phạm vi 2000 (mm) sẽ tương tác với tường

Hình 3 38 Thiết lập tường cứng và các thông số

Hình 3 39 Xác định vị trí đặt tường

3.9.2 Đường – Rigid Ground Đường được bố trí để xe chuyển động Vì sau khi va chạm, xe sẽ bị phản lực của tường đẩy về phía sau, do đó xe sẽ tiếp xúc với mặt đường Mặt đường cách mô hình 2mm

- Normal: theo chiều dương của trục Z - Hướng về phía xe

- Hệ số ma sát: Fric = 0.2

- Slide: Chọn loại tương tác là 2 – sliding with fiction – trượt dựa theo hệ số ma sát

- grnod_ID1: Chọn nhóm node car – Tất cả các node của mô hình sẽ tương tác với mặt đường trong quá trình va chạm

Hình 3 40 Thiết lập mặt đường và các thông số

Hình 3 41 Xác định vị trí đặt mặt đường

3.9.3 Thiết lập vận tốc ban đầu – INIVEL

Nhóm thực hiện mô phỏng va chạm theo tiêu chuẩn an toàn giao thông NHTSA của Hoa Kỳ Với vận tốc = 56 km/h hay 15556 mm/s

Hình 3 42 Các thông số về vận tốc ban đầu

- Grnd_ID: Tất cả các node trên mô hình sẽ có cùng vận tốc

- Vì hướng của xe là theo chiều âm của trục Y nên vận tốc = - 15556 mm/s

Hình 3 43 Hướng của vận tốc (cùng hướng với xe dọc theo chiều âm của trục Y)

3.9.4 Thiết lập gia tốc trọng trường – Gravity

Gia tốc trọng trường của Trái Đất sẽ được thiết lập vào mô hình để mô phỏng sát với thực tế nhất Gia tốc = 9.81 m/s 2 hay 9810 mm/s 2

- Vì gia tốc trọng trường luôn hướng xuống do đó gia tốc phải có giá trị âm

Hình 3 44 Đồ thị gia tốc trọng trường

Hình 3 45 Thông số gia tốc trọng trường

- Dir: Chọn phương chuyển động của gia tốc theo trục Z

- Fct_ID(T): Chọn đồ thị gia tốc đã được thiết lập

- Fscale(Y): Hệ số để nhân với đồ thị gia tốc – Chọn 1

Thiết lập Contact

Việc thiết lập contact cho mô hình đóng vai trò quan trọng tới kết quả mô phỏng Nếu không có contact, các phần tử trong mô hình sẽ đâm xuyên qua nhau mà không tương tác với nhau Trong trường hợp va chạm, xe sẽ đâm xuyên qua tường chứ không va chạm với tường

Phương pháp Penalty là phương pháp được dùng khi sử dụng contact Trong đó, hai thành phần Slave nodes và Master segments sẽ được đề cập đến Slave node là thành phần sẽ đâm vào Master segments khi thiết lập contact

Giải thích: Khi thiết lập contact, phương pháp penalty sẽ đặt phản lực (ngược với vận tốc của slave nodes đâm vào master segments) lên hai thành phần này như một lực lò xò

Nhóm sử dụng loại Contact TYPE 7 (node to surface) cho toàn bộ xe Để thiết lập contact cần xác định hai đối tượng đó là Master và Slave

Hình 3 48 Các dạng contact sử dụng cho va chạm

Mục đích của việc chọn contact TYPE 7, cụ thể ở đây là Self-contact Nodes to surface, để cho tất cả các phần tử trên xe sẽ tự tiếp xúc với nhau khi contact xảy ra vì vậy tất cả các component của xe được chọn làm Master (Surf_id) và Slave (Grnod_id)

Hình 3 49 Thiết lập thông số về contact (1)

Hình 3 50 Thiết lập thông số về contact (2)

- Istf: Xét đến ảnh hưởng của độ cứng bề mặt lên contact

- Igap: Xác định xem khoảng cách contact sẽ thay đổi hay là hằng số trong quá trình tính toán

- Idel: Quyết định hoạt động sẽ thực hiện tiếp theo đối với phần tử (giữ lại hoặc bị mất đi) nếu xét đến sự phá huỷ của vật liệu

- Fscale_gap: Hệ số dùng để nhân với khoảng cách gap giữa master và slave

- Fpen_max: Vô hiệu hoá các slave node khi hiện tượng Penetration (giải thích ở mục 3.14) xâm nhập quá sâu

- Fric: Hệ số ma sát

- Gapmin: Khoảng cách gap tối thiểu để contact được kích hoạt

Hình 3 51 Khoảng cách contact (contact gap)

Hình 3 52 Cách tính toán khoảng cách của master element và slave node

- Inacti: Lựa chọn hành động để thực hiện (xét đến hay bỏ qua) nếu xuất hiện

- Iform: Công thức để tính ma sát hoặc độ nhớt

- Irem_gap: Vô hiệu hoá node nếu kích thước phần tử nhỏ hơn giá trị khoảng cách gap trong trường hợp self-impact contact

Bảng 3 2 Các thông số thiết lập Contact TYPE 7

Istf = 4 Set stiffness of interface based on the softer of master and slave

Igap = 2 Set variable gap to take into account the true distance between parts

Idel = 2 Remove slave nodes from contact because of element deletion

Fscale_gap = 0.8 Gap scale factor

Fpen_max = 0.8 Deactivate nodes that are penetrated more than 80% of the gap

Gapmin = 0.5mm Specify minimum thickness of the model to avoid numerical issue

Typically half of the thinnest part

Inacti = 6 Remove initial penetrations where possible Elsewhere, reduce to less than 30% of the defined gap value and adjusst the gap with Inacti Iform = 2 Sliding forces are computed using stiffness parameters of the interface

Usually results in bigger time step

Irem_gap = 2 Flag for deactivating slave nodes if element size < gap value, in case of self-impact contact

Thiết lập Engine Keywords [6]

Bao gồm các thông số cần thiết để điều khiển bài toán Các engine keywords đều có một chức năng khác nhau

Hình 3 53 Các dạng Engine Keywords

Thiết lập thời gian xuất file Animation – file hoạt ảnh động (xem mục 3.12) và thời gian xuất file Time History (xem mục 3.13) được điều khiển bởi card ANIM và TFILE

- RUN: Điều khiển thời gian chạy mô phỏng

- STOP: Quá trình mô phỏng sẽ dừng lại và thực hiện hành gì tiếp theo nếu các điều kiện sau xảy ra: tỷ lệ lỗi về năng lượng, tỷ lệ về khối lượng, tỷ lệ về khối lượng node

- MON: Cung cấp một khoảng ước lượng về thời gian của CPU mà mỗi bộ xử lý phải tiêu thụ

- PRINT: Thiết lập tần số để in ra các kết quả đầu ra (hình 3.67 mục 3.16.2)

- VERS: Khai báo về phiên bản Radioss sử dụng (Radioss2020 Format).

Thiết lập File Animation

File Animation được dùng để thiết lập hoạt ảnh động cho mô hình

Hình 3 54 Animation File Để mô hình ứng xử đúng thì số lượng file Animation đề xuất cần được xuất ra là 20 tới

50 khung hình /Anim/DT - thời gian để xuất ra file Animation và được tính theo công thức sau:

- Final Time - thời gian chạy mô phỏng

- n – Số lượng file animation muốn xuất ra

Hình 3 55 Thiết lập thời gian xuất file Animation

Thời gian mô phỏng là 0.25s Nhóm em muốn xuất ra 50 file Animation để ứng xử của mô hình đúng nhất Do đó, áp dụng công thức trên tính được thời gian xuất ra file Animation là 0.25/50 = 0.005s Thời gian xuất file Animation được quy định bởi card Anim/DT.

Thiết lập File output – Time History

Thiết lập Time History để xuất dữ liệu đầu ra sau khi kết thúc quá trình mô phỏng Dữ liệu được xuất ra được trình bày trên phần mềm HyperGraph dưới dạng đồ thị Có rất nhiều tuỳ chọn để xuất dữ liệu đầu ra tuỳ vào mục đích khác nhau

Hình 3 56 Các dạng dữ liệu đầu ra

Hình 3 57 Xuất kết quả đầu ra của Contact và Part

Nhóm em thiết lập Time History cho phần Contact, ACCEL, Node, Part Khi quá trình mô phỏng hoàn toàn, các dữ liệu này sẽ được sử dụng để xuất đồ thị theo nhiều mục đích khác nhau như: tổng năng lượng, chuyển vị, vận tốc, gia tốc…

Hình 3 58 Tuỳ chọn các kết quả để xuất đồ thị

Thời gian để xuất file Time History sẽ được khai báo cùng với file Animation qua card Anim/TFile Thời gian xuất file Time History được đề xuất = FinalTime/1000 và thời gian mô phỏng là 0.25s nên thời gian xuất file Time History = 0.25/1000 = 0.00025.

Kiểm tra Penetration – Interaction

Interaction (sự giao nhau) là hiện tượng hai lưới sẽ đâm vào nhau ngay thời điểm khi chia lưới xong

Hình 3 59 Hiện tượng Intersection (vùng màu đỏ/xám)

Penetration (sự xâm nhập) là hiện tượng hai lưới ban đầu chưa đâm vào nhau, nhưng khi gán độ dày (Thick) vào thì sẽ chồng lên nhau Tóm lại, Penetration là sự chồng chất về độ dày vật liệu của các phần tử dạng tấm

Hình 3 60 Hiện tượng Penetration ban đầu

Hình 3 61 Hai lưới khi chưa gán độ dày

Hình 3 62 Hai lưới khi được gán độ dày (xuất hiện Penetration)

Việc xuất hiện Penetration là không thể tránh khỏi khi thực hiện bước chia lưới và gán độ dày vật liệu Tuy vậy, chúng ta có thể thiết lập các tuỳ chọn để xử lý Penetration như thế nào nhờ vào việc thiết lập Contact Trong đó, thông số về Inacti cần được quan tâm vì ảnh hưởng đến việc xử lý Penetration do đó không cần thiết phải khắc phục Penetration ban đầu

Intersection phải được xử lý gọn gàng và không nên tồn tại bất kì Intersection nào trên mô hình vì có thể ảnh hưởng tới ứng xử của phần tử Intersection có thể được xử lý bằng cách đẩy hai phần tử ra xa nhau cho đến khi hết hiện tượng Intersection

Hình 3 63 Kết quả Intersection và Penetration

Kết quả sau khi chỉnh sửa, Intersection đã được xử lý hoàn toàn và chỉ còn Penetration.

Chạy thử mô hình trước khi mô phỏng

Sử dụng model checker để chạy thử mô hình trước khi bắt đầu mô phỏng Mục đích của việc này để kiểm tra lỗi của mô hình và từ đó tiến hành chỉnh sửa, khắc phục Sau khi kiểm tra xong, tiến hành chạy mô phỏng

- Mở ModelChecker, sau đó bấm Run để tiến hành chạy thử

Hình 3 64 Chạy thử mô hình bằng ModelChecker

Hình 3 65 Kết quả sau khi chạy thử

- Kết quả thu được không có lỗi xảy ra, chỉ có các lưu ý (có thể bỏ qua vì không ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng)

Chạy mô phỏng va chạm

3.16.1 Quá trình chạy mô phỏng

Sau khi thực hiện công đoạn tiền xử lý và thiết lập điều kiện biên, ta tiến hành quá trình mô phỏng

- Vào thanh công cụ: Chọn Analysis → Radioss Chọn tệp tin để lưu lại các thông tin từ quá trình mô phỏng, sau đó tiến hành chạy

Hình 3 67 Màn hình loading quá trình mô phỏng (1)

Hình 3 68 Màn hình loading quá trình mô phỏng (2)

- Một hộp thoại sẽ xuất hiện ngay sau khi chạy chương trình Bên trong chứa các thông tin liên quan thời hoạt động mô phỏng bao gồm Time Step, Energy Error, thời gian còn lại của quá trình mô phỏng…

- Nếu xảy ra lỗi, quá trình mô phỏng tự động chấm dứt “Solver Failed”, đồng thời hiển thị thông báo nguyên nhân xảy ra lỗi, thời gian chạy đến khi chấm dứt quá trình mô phỏng

Hình 3 69 Quá trình mô phỏng xảy ra lỗi

- Vì bài toán va chạm ô tô rất phức tạp và chứa số lượng phần tử và node rất lớn, do đó cần nhiều thời gian để chương trình xử lý thông tin, khởi tạo các file Animation, file Time History, xuất dữ liệu thành dạng hình ảnh…

- Tổng thời gian mô phỏng va chạm ô tô của nhóm là 6 tiếng 54 phút

3.16.2 Tập hợp file chứa thông tin liên quan đến bài toán

Trong khoảng thời gian phần mềm chạy chương trình, Hyperworks sẽ tự động xuất ra các file chứa thông tin liên quan đến quá trình mô phỏng, các file này được chia ra làm hai loại là: Starter File và Engine File

- Starter File chứa thông tin về các dữ liệu đầu vào của bài toán bao gồm: Đơn vị đầu vào, thông tin về vật liệu, số lượng node, số lượng phần tử tam giác, tứ giác, các component của mô hình

- File có định dạng: filename_0000.rad

- Ngoài Starter File, còn có Starter Output file chính là file chứa các lỗi và cảnh báo của mô hình Người dùng có thể chỉnh sửa các lỗi được hiển thị trong file

- File có định dạng: filename_0000.out

- Engine File chứa thông tin liên quan đến thời gian mô phỏng, thời gian xuất file Animation, thời gian xuất file Time History…

- File có định dạng: filename_0001.rad

Engine Output File chứa thông tin về thời gian bắt đầu chạy chương trình và thời gian kết thúc Ngoài ra còn có thông tin về Time Step, Energy Error, Internal Energy (nội năng), Năng lượng động học tịnh tiến (K-Engine T), Năng lượng động học quay (K-Engine R), Mass Error, Total Mass, Mass Added

Hình 3 73 Thông tin về năng lượng

Hình 3 74 Thời gian chạy chương trình

- Người dùng nhận biết được chương trình đã chạy thành công hay chưa nhờ vào dòng chữ “NORMAL TERMINATION” được hiển thị trong engine output file

- File có định dạng: filename_0001.out

3.16.3 Kết thúc quá trình mô phỏng

Kết thúc quá trình mô phỏng, Hyperworks sẽ xuất toàn bộ các file Animation đã được lựa chọn sẵn, file Time History, file HyperView, Engine file, Starter file

Hình 3 75 Các định dạng file được xuất ra

- File dùng để chạy video trên Hyperview để xem hoạt ảnh động của mô hình có định dạng: filename.h3d

- File dùng để xuất đồ thị output trên Hypergraph có định dạng: filenameT01

- File Animation có định dạng: filenameA001 → A051 (có tổng cộng 50 file

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình ảnh quá trình va chạm

4.1.1 Va chạm dựa theo yêu tố về ứng suất

Hình 4 1 Ứng suất của xe trước khi va chạm

Hình 4 2 Ứng suất của xe khi vừa va chạm (Đầu xe)

Hình 4 3 Ứng suất của xe trong quá trình va chạm

Hình 4 4 Ứng suất của xe sau khi va chạm

Trước khi va chạm, xe chưa chịu tác động từ bên ngoài (tường cứng) nên vẫn duy trì trạng thái ban đầu, không có sự thay đổi về ứng suất và biến dạng của xe

Khi xảy ra va chạm, xe chịu một lực va chạm lớn từ tường cứng, lực này tác động lên phần đầu khung xe của ô tô một cách đột ngột, làm cho vật liệu xuất hiện ứng suất và biến dạng đột ngột Điều đó gây ra ảnh hưởng đến cấu trúc và hình dạng ban đầu của ô tô Ứng suất tối đa tập trung ở vị trí cản xe (phần va chạm với tường) với giá trị lớn nhất = 420 Mpa

- Phần đầu xe chịu ứng suất lớn nhất là do diện tích tiếp xúc giảm Ứng suất 𝜎 được tính bằng cách chia lực tác động F cho diện tích tiếp xúc A: 𝜎 = 𝐹

𝐴 Vì vậy khi va chạm, phần đầu xe bị biến dạng và thay đổi kích thước, do đó diện tích tiếp xúc

68 giảm Khi diện tích giảm, ứng suất tăng lên Ngược lại, phần thân và đuôi xe chịu biến dạng và kích thước thay đổi nhỏ, diện tích tiếp xúc giảm không đáng kể (gần như không thay đổi) vì vậy ứng suất nhỏ hơn phần đầu xe

Quá trình va chạm kết thúc, phần đầu xe không thể quay lại hình dạng ban đầu vì trải qua một biến dạng lớn và vượt qua vùng ứng suất tối đa (Ultimate Stress) mà vật liệu có thể chịu được Trong khi phần thân xe, đuôi xe chịu biến dạng và ứng suất (vùng màu xanh dương) nhỏ hơn giá trị ứng suất chảy (Yield Stress), biến dạng nhựa (Plastic Strain), ứng suất tối đa (Ultimate Stress) của vật liệu (xem mục 3.7), do đó vẫn có thể vật liệu có thể duy trì trạng thái ban đầu

Hình 4 5 Ứng suất khu vực sàn xe, khoang người lái khi va chạm

Nhận xét: Căn cứ vào các node được đánh dấu trên hình và các giá trị ứng suất Ta nhận thấy rằng, khu vực sàn xe chứa phần tử có ứng suất cao nhất là 3.992x10 2 Mpa < 420 Mpa (giá trị Ultimate Stress), nên khu vực sàn xe vẫn đảm bảo điều kiện bền, không bị phá huỷ hoàn toàn do đó không ảnh hưởng nghiêm trọng đến người lái bên trong Tuy vậy, do ứng suất của các phần tử này đã vượt qua giới hạn ứng suất chảy (Yield Stress) có giá trị bằng 200 Mpa (xem mục 3.8) nên các phần tử này sẽ bị biến dạng nhựa, không thể quay trở về hình dạng ban đầu

Hình 4 6 Ứng suất phần đuôi xe khi va chạm

Nhận xét: Căn cứ vào các node được đánh dấu trên hình và các giá trị ứng suất Ta nhận thấy rằng, vì là khu vực ít chịu ảnh hưởng từ va chạm nhất, nên các giá trị ứng suất nhỏ, vẫn đảm bảo điều kiện bền của khung xe Khung xe không bị phá huỷ hoàn toàn, và sau khi chịu tải vẫn có thể quay về hình dạng ban đầu

Kết quả về ứng suất là phù hợp với yêu cầu của bài toán Đồng thời hình ảnh ứng xử của va chạm giống với thực tế

4.1.2 Va chạm dựa theo yếu tố về chuyển vị

Hình 4 7 Chuyển vị của xe trước khi va chạm

Hình 4 8 Chuyển vị của xe khi vừa va chạm

Hình 4 9 Chuyển vị của xe trong quá trình va chạm

Hình 4 10 Chuyển vị của xe sau khi va chạm

Như ta đã biết chuyển vị (Displacement) là một vector mô tả sự thay đổi vị trí của một đối tượng, bao gồm cả hướng và khoảng cách (do đó kết quả chuyển vị có thể âm)

Trước khi va chạm, xe không chịu tác động từ tường, nên các phần tử trong xe không thay đổi vị trí dẫn đến chuyển vị lúc này bằng 0 Sau khi va chạm, khung xe bị biến dạng, điều này gây ra sự thay đổi vị trí của phần tử trong xe nên làm biến thiên giá trị chuyển vị

Những hình ảnh trên mô tả tổng thể chuyển vị theo 3 phương X, Y, Z Sau đây ta đi vào chi tiết chuyển vị của xe xét theo các phương chuyển động khác nhau

Hình 4 11 Chuyển vị trước khi va chạm (phương trục Z)

Ta đi sâu vào phân tích phần đầu khung xe và có trục toạ độ XYZ như trên hình, ban đầu khi chưa va chạm, chuyển vị có giá trị = 0 Quy ước, chuyển vị có giá trị dương khi cùng chiều với trục Z, giá trị âm khi ngược chiều với trục Z

Hình 4 12 Chuyển vị khi xảy ra va chạm (phương trục Z)

Hình 4.12 mô tả sự thay đổi vị trí của các phần tử đầu khung xe khi xảy ra va chạm, bao gồm ứng xử và các node được đánh dấu để lấy kết quả chuyển vị

Nhận xét: Khi xảy ra va chạm, các node ở cản xe (node 62801, 65015) có giá trị chuyển vị âm, điều này có nghĩa rằng ở vị trí này các phần tử có xu hướng dịch chuyển ngược chiều với trục Z và thay đổi khoảng cách so với lúc ban đầu một đoạn = -1.565x10 2 (mm) Trong khi đó, các node ở khu vực gần sàn xe, khu vực người lái (node 26806, 26867) có giá trị chuyển vị dương, điều này có nghĩa rằng ở vị trí này các phần tử có xu hướng dịch chuyển cùng chiều với trục Z và thay đổi khoảng cách so với lúc ban đầu một đoạn = 2.954x10 2 (mm)

Hình 4 13 Đoạn dịch chuyển được đánh dấu (màu đỏ) (phương Z)

Hình 4 14 Chuyển vị trước khi va chạm (phương trục Y)

Tương tự giống phương trục Z, ban đầu khi chưa va chạm, chuyển vị có giá trị = 0

Hình 4 15 Chuyển vị khi xảy ra va chạm (phương trục Y)

Nhận xét: Khi xảy ra va chạm, các node ở cản xe (node 63925, 63928) và khu vực gần sàn xe, khu vực người lái (node 68062, 68113) có giá trị chuyển vị âm, điều này có nghĩa rằng ở vị trí này các phần tử có xu hướng dịch chuyển ngược chiều với trục Y và thay đổi khoảng cách so với lúc ban đầu các đoạn lần lượt là -1.729x10 2 (mm) và -6.617x10 2 (mm)

Hình 4 16 Đoạn dịch chuyển được đánh dấu (màu đen) (Phương trục Y)

- Thêm vào đó, vì xe chuyển động theo phương trục Y, nên giá trị chuyển vị ở khu vực phần đầu xe sẽ nhỏ hơn khu vực thân xe, đuôi xe Điều này là do sự thay đổi vị

Đồ thị kết quả mô phỏng

4.2.1 Đồ thị về năng lượng

Hình 4 17 Đồ thị về năng lượng

Hình 4 18 Giá trị về năng lượng

Kết quả về năng lượng Hourglass: Từ đồ thị năng lượng trên, nhận thấy tổng năng lượng Hourglass = 0 và thoả mãn điều kiện Hourglass Energy < 10% TE – Total Energy

Kết quả về động năng của xe (Kinetic Energy):

- Trước khi va chạm, xe đang chuyển động với vận tốc v = 56km/h và giá trị về động năng được tính theo công thức 𝐾 = 1

2 𝑚 𝑣 2 (trong đó m là khối lượng của xe)

- Khi xảy ra va chạm, xe chịu biến dạng cơ học do tác động với tường Điều này làm cho một phần động năng biến đổi thành thế năng, năng lượng nhiệt, tiêu tán ra ngoài môi trường và làm giảm động năng của xe Hơn nữa, khi va chạm động năng còn gây ra những tác động mạnh lên cấu trúc của vật liệu Điều này giải thích cho sự biến dạng của vật liệu là do phần động năng này biến đổi thành nhiệt năng làm suy giảm tính chất cơ học của vật liệu, và tạo ra áp lực lên vật liệu gây ra biến dạng

- Trong quá trình va chạm cho đến khi kết thúc, vận tốc của xe giảm dần, nên động năng sẽ giảm dần đáng kể Vì vậy, kết luận được kết quả về động năng đúng với thực tế

Kết quả nội năng của xe (Internal Energy):

- Trước khi va chạm, xe chưa bị biến dạng nên nội năng không trải qua sự biến đổi đáng kể nào

- Khi xảy ra va chạm, nội năng thay đổi do các biến đổi nhiệt độ trong vật liệu và biến đổi về cấu trúc của xe Một phần động năng chuyển đổi thành nhiệt năng, tăng nhiệt độ của vật liệu, làm tăng nội năng Ngoài ra, va chạm gây ra biến dạng cấu trúc của vật liệu, các momen và lực tác động làm cho các liên kết giữa các nguyên tử và phân tử trong vật liệu thay đổi, làm tăng nội năng

- Kết quả nội năng tăng dần trong quá trình va chạm đến khi kết thúc, một phần động năng được sử dụng để tăng nhiệt độ, làm biến dạng cấu trúc của xe, phá vỡ các liên kết trong vật liệu, uốn cong kim loại và gây ra thay đổi về nội năng Điều này dẫn đến nội năng tăng, kết luận được kết quả về nội năng đúng với thực tế

Kết quả năng lượng contact (Contact Energy):

- Năng lượng contact trong quá trình va chạm giữa xe và tường liên quan đến các yếu tố cơ bản như ứng suất, lực ma sát, nhiệt độ, biến dạng, tính đàn hồi của vật liệu

Do đó, khi xảy ra va chạm, năng lượng contact tăng dần và ổn định

4.2.2 Đồ thị về vận tốc

Hình 4 19 Đồ thị về vận tốc

Hình 4 20 Giá trị về vận tốc

Nhận xét: Xét phương chuyển động của xe theo trục Y Ban đầu xe chuyển động theo chiều âm của trục Y với vận tốc không đổi = -15556 mm/s (xem mục 3.9.3), sau đó vận tốc của xe giảm dần do quá trình va chạm Sau khi kết thúc va chạm, xe bị đẩy lùi bằng một phản lực ngược chiều chuyển động (do mô hình chỉ bao gồm khung xe, không có các hệ thống khác như: hệ thống phanh, hệ thống lái…) - dẫn đến sự tăng về vận tốc như trên đồ thị

Hình 4 21 Vận tốc phần đầu xe (theo phương Y)

- Vì là mô phỏng va chạm trực diện, nên phần đầu xe chịu tác động từ va chạm nhiều nhất, do đó ngay tại thời điểm xảy ra va chạm, vận tốc xe giảm đột ngột Điều này giải thích cho việc ứng suất ở phần đầu xe lớn nhất, vì vận tốc thay đổi đột ngột, dẫn đến động năng thay đổi đột ngột và tạo áp lực lớn lên đầu xe

Hình 4 22 Vận tốc phần đuôi xe (theo phương Y)

- Không giống như phần đầu xe, phần đuôi xe chịu va chạm ít nhất, điều đó làm cho vận tốc không giảm mạnh mà giảm dần đều một cách tuyến tính

4.2.3 Đồ thị về gia tốc

Hình 4 23 Đồ thị gia tốc phần đầu xe (theo phương trục Y)

Nhận xét: Đầu xe là phần đầu tiên tiếp xúc với tường Ban đầu xe chuyển động với vận tốc không đổi = -15556 mm/s (xe chuyển động theo chiều âm của trục Y) nên gia tốc của

79 xe bằng 0 Khi xảy ra va chạm (vào thời điểm t = 0.00025s), vận tốc đầu xe giảm đột ngột dẫn đến sự thay đổi về gia tốc, giá trị gia tốc tăng đột biến dựa theo công thức: 𝑎 = ∆𝑣

- Gia tốc đạt cực đại ≈ - 5.1498x10 7 (mm/s 2 ) (gia tốc cùng dấu với vận tốc) khi vừa xảy ra va chạm và sau đó giảm dần cho đến khi kết thúc

Hình 4 24 Vận tốc phần đầu xe

Hình 4 25 Đồ thị gia tốc phần đuôi xe (theo phương trục Y)

Nhận xét: Đuôi xe chịu ít tác động từ quá trình va chạm hơn Khi chưa va chạm, xe chuyển động với vận tốc không đổi, nên không có sự thay đổi về gia tốc Sau khi va chạm,

80 phần đầu xe sẽ chịu va chạm đầu tiên sau đó mới truyền đến phần đuôi xe, nên vận tốc không giảm đột ngột mà giảm dần, dẫn đến đồ thị gia tốc của phần đuôi xe không tăng đột ngột như ở phần đầu xe mà tăng dần.

Đánh giá

Kết quả về ứng xử của mô hình tương đối giống với thực tế, phần đầu xe chịu biến dạng nhiều nhất

Kết quả về ứng suất, giá trị tối đa của ứng suất = 420 N/mm 2 tập trung ở phần đầu khung xe cho thấy quá trình xe va chạm làm biến dạng vật liệu phần đầu khung xe và dẫn đến hư hỏng hoàn toàn, không thể phục hồi lại hình dạng ban đầu Trong khi đó ứng suất ở phần khoang người lái, sàn xe vẫn đảm bảo điều kiện an toàn bên trong người lái, vật liệu chưa bị phá huỷ Phần đuôi xe chịu biến dạng ít nhất nên có ứng suất nhỏ nhất

Kết quả về chuyển vị, khi va chạm, các phần tử trong xe bị biến dạng, từ đó dịch chuyển và thay đổi vị trí Chuyển vị ở phần đầu xe nhỏ nhất vì vị trí thay đổi ít, trong khi phần thân và đuôi xe dịch chuyển một đoạn lớn hơn nên có chuyển vị cao hơn

Kết quả năng lượng Sự biến đổi động năng và nội năng của xe là phù hợp Khi một phần động năng biến đổi thành nhiệt năng và một phần áp lực lên xe làm thay đổi cấu trúc vật liệu của khung xe

Kết quả về vận tốc và gia tốc Đồ thị vận phù hợp, vận tốc xe giảm do va chạm Đồng thời gây sự biến đổi về gia tốc, gia tốc ở đầu xe tăng mạnh.

Tổng kết: Kết quả đã phân tích ứng suất, chuyển vị, biến dạng tại vùng va chạm và cho thấy vùng chuyển vị và giá trị biến dạng ở đầu khung xe lớn làm khung xe bị hỏng hoàn toàn Lựa chọn thay đổi kết cấu khung xe hoặc sử dụng vật liệu khác như thép hợp kim, nhôm, vật liệu composite sẽ giảm chuyển vị và biến dạng của thân xe, tăng độ bền khung xe khi va chạm Vì các vật liệu này có cường độ và độ cứng tốt, nhẹ hơn thép thông thường, giúp giảm tải trọng của xe, từ đó giảm động năng; ngoài ra còn có tính đàn hồi cao dẫn đến khả năng hấp thụ năng lượng cao, giảm lực tác động lên khung xe và hành khách Nhưng cần phải xem xét về việc thay thế các vật liệu này vì chi phí sản xuất cao

Ngoài ra, tăng độ dày của khung xe được coi là một cách để gia tăng độ bền của xe, tăng độ dày sẽ tăng độ cứng, sức chịu tải của khung xe, giúp xe duy trì hình dạng, ổn định

Tuy nhiên phải được cân nhắc kĩ lưỡng để cân bằng về chi phí, hiệu suất của xe vì làm tăng trọng lượng Cần phải tối ưu hoá cấu trúc, thiết kế toàn diện của xe để mang lại cải thiện về hiệu suất đáng kể mà không tăng trọng lượng quá mức Tăng độ dày yêu cầu quá trình sản xuất và gia công phức tạp, điều đó tăng tài nguyên sản xuất Cuối cùng tăng độ dày mà không cân nhắc đến khả năng quản lý năng lượng có thể làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng từ va chạm, làm tăng áp lực tuyền tải vào hành khách

Các kết quả nhóm thu được từ quá trình mô phỏng va chạm phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu độ bền của thân xe Vì khi xe ô tô gặp va chạm, các lực tác động lên cấu trúc của xe, gây ra ứng suất, chuyển vị, và biến dạng Các cơ sở dữ liệu này được dùng để đánh giá độ bền của thân xe, xác định cách thức cấu trúc của xe phản ứng khi bị va chạm, từ đó tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu tổn thất và cung cấp một không gian an toàn cho người lái và hành khách