THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66

THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66 THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66 THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66 THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66 THIẾT kế cải TIẾN kết cấu THÂN XE KHÁCH THỎA mãn TÍNH AN TOÀN lật NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE r66

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ CẢI TIẾN KẾT CẤU THÂN XE KHÁCH THỎA MÃN TÍNH AN TOÀN LẬT NGHIÊNG THEO TIÊU CHUẨN ECE R66 DESIGN IMPROVEMENT IN BODY STRUCTURE OF BUS TO SATISFY ROLLOVER SAFETY BASED ON STANDARD ECE R66 Nguyễn Thành Tâm1a, Đỗ Kim Hoàng2b Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long a thanhtam1501@yahoo.com; bhoangdk@vlute.edu.vn TÓM TẮT Dựa vào tiêu chuẩn an toàn châu Âu ECE R66, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm LS-DYNA xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phân tích động thái kết cấu thân xe xảy lật nghiêng Trên sở vấn đề tồn tại kết cấu thân xe, đề xuất phương án cải tiến kết cấu tăng tiết diện, tăng độ dày, gia cố tại nơi biến dạng lớn; đồng thời tiến hành mô phân tích kiểm nghiệm Kết mô cho thấy, tăng tiết diện tăng đồ dày kết cấu nâng cao độ cứng Tuy nhiên, kết hợp tăng tiết diện, tăng độ dày gia cố tại nơi biến dạng lớn kết cấu đảm bảo độ cứng giảm trọng lượng xe Biến dạng kết cấu khung xương xe sau cải tiến không xâm phạm vào không gian an toàn hành khách xảy lật nghiêng, thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn Từ khóa: tiêu chuẩn ECE R66; kết cấu ô tô khách; phân tích mô phỏng, cải tiến kết cấu ABSTRACT Based on the European safety standard ECE R66, the software LS-DYNA is used to build finite element model and simulation analysis of structural dynamics of bus body structure for the case of the rollover In accordance with existingproblems of bus body structure, the bus structures were improved such as increasing cross-section, increasing the thickness, or reinforce in large deformation Also the simulation analysis were conducted Simulation results showed cross-section increasing or thickness increasing can improve structural stiffness However, combining cross-section increasing, thickness increasing and reinforcing in large deformation can increasethe stiffness of the bus body structure and reduce the weight of bus The deformation of bus body structure after inproving does not penetrate occupant living space in rollover crash and regular requirements can be met Key words: standard ECE R66; bus structure; simulation analysis, improvement design LỜI NÓI ĐẦU Ngày vận chuyển tập thể góp phần quan trọng hệ thống giao thông quốc gia, mang lại nhiều lợi ích cho xã hội, an toàn, giảm nguy ùn tắt giao thông, giảm ô nhiễm môi trường Mặc dù ô tô khách phương tiện giao thông an toàn tai nạn gây chấn thương, thương vong xảy ra, đặc biệt tai nạn lật nghiêng làm cho nhiều người chấn thương tử vong lúc Trong năm 2014, địa bàn nước xảy 25322 vụ tai nạn giao thông, bao gồm 10601 vụ tai nạn giao thông từ ít nghiêm trọng trở lên 14721 vụ va chạm giao thông, làm 8996 người chết, 6265 người bị thương 18152 người bị thương nhẹ [1] Do đó, tiến hành nghiên cứu thiết kế cải tiến tính an toàn lật nghiêng ô tô khách nhằm bảo hộ an toàn sinh mệnh hành khách có ý nghĩa quan trọng Tomas [2] sử dụng phần mềm LS-DYNA mô tính an toàn kết cấu khung xương ô tô khách điều kiện lật nghiêng, sở kết mô tiến hành phân tích chế biến dạng 365 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV kết cấu, sau cải tiến kết cấu nhằm thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn, nhiên phương án cải tiến chưa tối ưu Yu [3] nghiên cứu an toàn kết cấu khung xương ô tô khách cho đoạn xe; sử dụng phần mềm HYPERWORKS xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho đoạn xe, sau dùng phần mềm LS-DYNA mô phân tích lật nghiêng, so sánh với kết thí nghiệm cải tiến kết cấu Tác giả sử dụng phương pháp tăng độ dày kết cấu đạt độ cứng Đề tài ứng dụng kỹ thuật CAE xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phân tích kết cấu khung xương ô tô khách điều kiện lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu ECE R66 Trên sở phân tích biến dạng kết cấu, tiến hành cải tiến kết cấu đảm bảo yêu cầu độ cứng theo tiêu chuẩn XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH TÍNH AN TOÀN LẬT NGHIÊNG Ô TÔ KHÁCH Dựa vào mô hình CAD ô tô khách, sử dụng phần mềm HYPERWORKS môi trường LS-DYNA tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phân tích kết cấu ô tô khách trạng thái lật nghiêng Kết cấu thân xe khung xương chịu lực, phức tạp, cần tiến hành mô hình hoá toàn phần tử khung xương sát – xi trình tính toán mô Trong trình xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, sử dụng loại phần tử thích hợp cho toán quan trọng, định đến kết tính toán mô có gần so với mô hình thực tế hay không Do đó, kết cấu dầm sử dụng phần tử SHELL63 để xây dựng phần tử hữu hạn, kích cỡ lưới 20mm; phận có khối lượng hành khách, ghế ngồi, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy, hệ thống điều hòa không khí, cửa kính,… dùng phần tử khối lượng MASS để xây dựng; thiết lập liên kết tiếp điểm vị trí nối thanh, hàn liên kết phần tử Để trực quan trình biến dạng kết cấu gây ảnh hưởng đến tổn thương hành khách, dựa vào tiêu chuẩn an toàn châu Âu ECE R66 [4], sử dụng phần tử thể cứng có khối lượng riêng nhỏ tiến hành xây dựng không gian an toàn, đồng thời xét đến tiếp xúc không gian an toàn với kết cấu khác Sát – xi với cầu xe, không gian an toàn với sàn xe liên kết phương thức CONSTRAINED_EXTRA_NODES_OPTION Mặt va chạm, mặt đường đặt xe sử dụng vật liệu cứng để mô Tiếp xúc kết cấu xe sử dụng AUTOMATIC_SINGER_SURFACE để thiết lập; tiếp xúc bánh xe với mặt đường, kết cấu xe với mặt va chạm sử dụng AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE để thiết lập, hệ số ma sát 0,5 Gia tốc trọng trường g = 9,8m/s2 Kết cấu khung xương sử dụng sắt Q235, kết cấu sát – xi sử dụng sắt Q345, thuộc tính vật liệu bảng [5] Tên Bảng Thuộc tính vật liệu Khối lượng riêng Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson (Kg/m3) (Mpa) Ứng suất chảy (Mpa) Q235 7850 206 0,3 235 Q345 7850 210 0,3 345 Yêu cầu thực nghiệm an toàn tiêu chuẩn ECE R66 xe khách đặt bệ thử xoay lật nghiêng, cao 800 mm so với mặt va chạm, tốc độ quay lật nhỏ 5°/s (0,087 rad/s) Tiêu chuẩn cho phép mô bắt đầu lúc xe tiếp xúc với mặt va chạm, sử dụng định luật bảo toàn lượng chương trình tính toán phần mềm LSDYNA tính vận tốc xe lúc chạm đến mặt va chạm ω = 1,7 × 10−3(rad/ms), vận tốc làm vận tốc bắt đầu mô Để thể toàn trình biến dạng kết cấu ô tô khách, thiết lập thời gian mô 300ms Mô hình phân tích phần tử hữu hạn mô trình lật nghiêng xây dựng hình 366 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình PTHH lật nghiêng ô tô khách PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG KẾT CẤU LẬT NGHIÊNG Ô TÔ KHÁCH Dùng phần mềm LS-DYNA phân tích động thái kết cấu xe khách trình va chạm lật nghiêng, thấy biến dạng kết cấu hình Hình cho thấy, lúc 300 ms, kết cấu khung xương biến dạng lớn, vượt không gian an toàn hành khách Hình 2.Biến dạng khung xương lúc 300ms Hình hình thể kết cấu biến dạng phận liên kết ngang sàn xe, hông dưới, trụ đứng xiêng hông xe Do thiết kế ban đầu vị trí liên kết chưa cứng vững, đồng thời giá trị độ dày dùng vật liệu chưa hợp lý, dẫn đến độ cứng uốn không đủ, kết cấu tại số vị trí biến dạng nghiêm trọng Ngoài ra, tại vị trí liên kết hông với ngang sàn xe, kết cấu ngang sàn xe biến dạng ít, tại vị trí liên kết dọc hông dưới, trụ đứng đáy xe trụ đứng hông xe biến dạng lớn Có thể nói độ cứng kết cấu dọc hông dưới, trụ đáy trụ hông không thỏa mãn yêu cầu tính an toàn lật nghiêng ô tô khách Hình Biến dạng cục mặt hông Hình cho thấy nơi liên kết trụ đứng sau mặt hông, trụ đứng cửa sổ hông biến dạng uốn lớn, cường độ cứng kết cấu chưa thỏa mãn yêu cầu tính an toàn va chạm lật nghiêng ô tô khách Hình thể biến dạng tại nơi liên kết dọc cửa với ngang đỉnh xe (như thích 1); ngang đỉnh xe với dọc (như thích 2), dọc cửa phát sinh biến dạng xoắn nghiêm trọng, tại vị trí liên kết dọc với ngang đỉnh xe phát sinh biến dạng lớn 367 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (a) Mặt hông trước (b) Mặt hông sau Hình Hình thể biến dạng kết cấu mặt bên hông xe Hình Hình thể biến dạng kết cấu đầu xe PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN KẾT CẤU THÂN Ô TÔ KHÁCH Sử dụng phương pháp gia tăng độ dày, tăng tiết diện kết cấu khung xương để nâng cao tính tính an toàn va chạm lật nghiêng xe khách, tăng trọng lượng thân xe, mà tăng trọng tâm xe, làm giảm tính ổn định chuyển động xe Ngoài phương pháp trên, sử dụng phương pháp gia cố độ cứng cục kết hợp tăng độ dày tăng tiết diện lựa chọn tốt Nghiên cứu thực cải tiến liên quan nhằm so sánh, đánh giá ưu nhược điểm, lựa chọn phương án tối ưu để ứng dụng sản xuất, thể sau Phương án 1, tăng độ dày độ cứng kết cấu đảm bảo an toàn lật nghiêng Kết phân tích mô cho thấy, gia tăng độ dày từ mm lên mm kết cấu có biến dạng lớn thỏa mãn tính an toàn, trọng lượng xe lúc 10500 kg, chiều cao trọng tâm 1304 mm Phương án 2, gia tăng tiết diện kết cấu có biến dạng lớn độ cứng thỏa mãn điều kiện lật nghiêng Kết mô cho thấy, phương án giảm trọng lượng trọng tâm xe so với phương án 1, trọng lượng xe 10270 kg, trọng tâm xe 1289 mm Phương án 3, tiến hành gia tăng độ dày, tăng tiết diện gia cố cục tại nơi kết cấu có biến dạng lớn, cụ thể sau: Ở phần hông xe, hình cho thấy, tại vị trí biến dạng lớn chủ yếu tập trung vào nơi liên kết kết cấu Do đó, kết cấu tại vị trí tiến hành gia cố bo góc, đắp thêm miếng ốp; đồng thời kết cấu có vị trí 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 tăng tiết diện từ 40x60 mm lên 40x70 mm; tại vị trí 3, gia tăng tiết diện từ 30x50 mm, 30x40 mm lên 40x50 mm 368 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (a) Hông trái xe (b) Hông phải xe Hình Kết cấu khung xương hông trái, phải xe trước sau cải tiến Ở phần đầu xe, hình cho thấy, kết cấu vị trí số 1, 2, có ứng suất biến dạng lớn tiến hành tăng tiết diện từ 30x40 mm lên 40x40 mm; đồng thời tăng độ dày từ mm lên 2,5 mm (a) Trước cải tiến (b) Sau cải tiến Hình Kết cấu khung xương đầu xe trước sau cải tiến Ở phần đuôi xe, hình cho thấy, tiến hành tăng tiết diện kết cấu có vị trí 1, 2, từ 30x40 mm lên 40x60 mm, đồng thời tăng độ dày từ 2,0 mm lên 4,0 mm; tại ngang có vị trí 7, tăng cường thêm ngang có tiết diện 30x40 mm, độ dày 4,0 mm; tại có vị trí 4, 5, tăng cường ngang có tiết diện ,50x50 mm, độ dày 4,0 mm; đồng thời gia cố tại góc liên kết kết cấu vị trí số Tăng độ dày kết cấu phần mặt đuôi xe từ 2,0 mm lên 2,5 mm (a) Trước cải tiến (b) Sau cải tiến Hình Kết cấu khung xương đuôi xe trước sau cải tiến 369 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ở phần đỉnh xe, hình cho thấy, tăng tiết diện kết cấu có vị trí 1, từ 30x40 mm lên 40x40 mm; đồng thời tăng toàn độ dày kết cấu đỉnh xe từ 2,0 mm lên 2,5 mm Hình Kết cấu khung xương đỉnh xe trước sau cải tiến Từ phương án cải tiến cho thấy, phương án cải tiến kết cấu thỏa mãn yêu cầu tính an toàn va chạm lật nghiêng ô tô khách theo tiêu chuẩn châu Âu ECE R66, kết cấu thân xe biến dạng thể hình 10 Tuy nhiên phương án thể tính ưu việt, trọng lượng trọng tâm xe giảm so với phương án phương án 2, thông số so sánh thể bảng Hình 10 Kết cấu mô an toàn lật nghiêng sau cải tiến Bảng So sánh thông số phương án thiết kế cải tiến Chưa cải tiến Phương án Phương án Phương án Khối lượng 9622 (kg) 10500 (kg) 10270 (kg) 10177 (kg) Trọng tâm 1208 (mm) 1304 (mm) 1289 (mm) 1248 (mm) KẾT LUẬN Nghiên cứu dựa vào tiêu chuẩn an toàn châu Âu ECE R66 để tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn thực nghiên cứu tính an toàn va chạm lật nghiêng ô tô khách Thông qua phân tích mô cho thấy, độ cứng kết cấu phần thân xe nhỏ, biến dạng lớn, dẫn đến kết cấu thân xe xâm phạm không gian an toàn hành khách Trên sở mô kết biến dạng, nhóm nghiên cứu đề xuất ba phương án cải tiến kết cấu xe Kết mô cho thấy, so sánh phương án phương án 2, phương án có tính ưu việt, giảm trọng lượng trọng tâm xe Kết cải tiến cho thấy, tính an toàn lật nghiêng xe khách nâng cao, thỏa mãn yêu cầu không gian an toàn hành khách theo tiêu chuẩn 370 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục thống kê, tai nạn giao thông, 2014, từ nguồn http://gso.gov.vn/Default.aspx?tabid=382&ItemID=14187 [2] Tomas, W T., Ignacio, I., Agenor, D D M J., Numerical simulation of bus rollover SAE Technical 2007, Paper Number 2007-01-2718 [3] Yu, C L., Hong, C N., Structural design optimization of the body section using the finite element method SAE Technical 2006, Paper Number 2006-01-0954 [4] ECERegulation Nations,22Feb2006 No.66,Agreement,E/ECE/TRANS/505,Rev.1/Add.65/Rev.1,United [5] Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung xương sát – xi ô tô khách Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, 2015, 31(2015): 29-35 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Nguyễn Thành Tâm, Khoa Công nghệ Động lực, Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh; thanhtam1501@yahoo.com; Điện thoại: 0909301810 KS Đỗ Kim Hoàng, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long; hoangdk@vlute.edu.vn; Điện thoại: 0902827480 371 ... kết cấu phần thân xe nhỏ, biến dạng lớn, dẫn đến kết cấu thân xe xâm phạm không gian an toàn hành khách Trên sở mô kết biến dạng, nhóm nghiên cứu đề xuất ba phương án cải tiến kết cấu xe Kết. .. tăng toàn độ dày kết cấu đỉnh xe từ 2,0 mm lên 2,5 mm Hình Kết cấu khung xương đỉnh xe trước sau cải tiến Từ phương án cải tiến cho thấy, phương án cải tiến kết cấu thỏa mãn yêu cầu tính an toàn. .. công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV kết cấu, sau cải tiến kết cấu nhằm thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn, nhiên phương án cải tiến chưa tối ưu Yu [3] nghiên cứu an toàn kết cấu khung xương ô tô khách