nghiên cứu thiết kế tính an toàn kết cấu ôtô khách khi xẩy ra va chạm trực diện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU ÔTÔ KHÁCH KHI XẨY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỖ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU ÔTÔ KHÁCH KHI XẨY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THÀNH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ tên: ĐỖ HUYỀN TRANG Giới tính: Nam Sinh ngày: 22 – 04 – 1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 71 Nguyễn Huệ, Phường 3, Tỉnh Vĩnh Long Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: huyentrang2204@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1.Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 9/2009 Nơi học: Trường Đại Học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Đai học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2010 đến 3/2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án , luận án môn thi tốt nghiệp: Ngày nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 04/2014 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Giảng Viên i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 03 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Đỗ Huyền Trang ii LỜI CẢM ƠN Trải qua tháng nghiên cứu tiến hành thực đề tài gặp nhiều khó khăn Nếu giúp đỡ hỗ trợ từ nhiều phía suốt thời gian qua có lẽ hoàn thành tốt đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt chân thành đến: TS Nguyễn Thành Tâm người tận tình trực tiếp hướng dẫn, tư vấn hỗ trợ giải nhiều vấn đề khó khăn suốt trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Nhà Trường, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM tạo điều kiện tối đa cho hoàn thành tốt luận văn Cảm ơn gia đình đồng nghiệp không ngừng động viên, khích lệ tinh thần giúp đỡ cho nhiều thời gian qua TP.HCM, ngày 04 tháng 03 năm 2015 ĐỖ HUYỀN TRANG iii TÓM TẮT Ngày nay, phương tiện xe khách sản xuất lắp ráp Việt Nam nhiều để đáp ứng nhu cầu lại khách hàng Nhưng quy định an toàn xe khách lại đề cập đến, đặc biệt vấn đề an toàn bị động Hầu hết vụ tai nạn va chạm trực diện làm cho nhiều người chấn thương tử vong lúc dẫn đến hậu đáng tiếc cho người tài sản Do đó, nghiên cứu thiết kế tính toán kết cấu ôtô khách xảy va chạm trực diện có ý nghĩa quan trọng vô cần thiết cần quan tâm nghiên cứu cách thích đáng Trên sở mô hình CAD 2D ô tô khách, tiến hành xây dựng mô hình CAD 3D từ ứng dụng phần mềm HYPERMESH để chia lưới, thiết lập thuộc tính vật liệu, đặt điều kiện biên Đề tài ứng dụng phần mềm HYPERWORD LSDYNA để xây dựng phần tử hữu hạn mô kết cấu khung xương ô tô khách xảy va chạm trực diện Sau đó, tiến hành cải tiến kết cấu khung xương đồng thời thiết kế hấp thụ lượng hình tổ ong để hấp thụ lượng nhằm giảm lực va chạm đảm bảo không gian sống cho người ngồi xe iv ABSTRACT Today, Bus was manufactured and assembled in Vietnam very much to satisfy demand for travel of customers But the safety regulations for passenger cars is not mentioned especial is passive safety Most off traffic accidents have led to the large of life and property so the researching of structural safety of passenger cars is very necessary Based on 2D CAD models of passenger cars, we construct 3D CAD models after that , using HYPERMESH software to mesh, set attributes and make binding conditions This thesis uses HYPERWORD and LSDYNA sofware to construct finite element and simulate skeleton structure of passenger cars when it happen frontal collision After that, we improve the skeleton of it and use thin steel panels to absorb energy to ensuring living space for people to sit inside of the car v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình an toàn giao thông Việt Nam năm qua 1.2 Những công trình nghiên cứu va chạm trực diện 1.2.1.Những công trình nghiên cứu va chạm trực diện giới 1.2.1.1.Những công trình nghiên cứu lý thuyết 1.2.1.2 Những nghiên cứu thực nghiệm 1.2.2 Những công trình nghiên cứu nước 1.3 Yêu cầu kỹ thuật khung vỏ xe va chạm trực diện tiêu chuẩn an toàn cho người 1.3.1 Yêu cầu kỹ thuật khung vỏ xe va chạm trực diện 1.3.2 Tiêu chuẩn an toàn cho người va chạm 1.4 Tính cấp thiết đề tài 1.5 Mục tiêu đề tài 1.6 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu phương pháp nghiên cứu 1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 1.6.3 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Nội dung nghiên cứu Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VA CHẠM TRỰC DIỆN CỦA Ô TÔ vi 2.1 Nghiên cứu tính toán va chạm trực diện ô tô với vật cản 2.1.1 Va chạm 2.1.2 Đặc tính biến dạng đầu trước xe va chạm 2.1.2.1 Đặc tính biến dạng không đổi đầu trước xe 11 2.1.2.2 Đặc tính biến dạng tuyến tính đầu trước xe 11 2.1.2.3 Lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng 12 2.1.3 Chuyển động người ngồi xe va chạm trực diện ô tô vật cản cứng 13 2.2 Nghiên cứu tính toán va chạm trực diện hai ô tô 14 2.2.1 Cơ học va chạm trực diện hai ô tô 14 2.2.2 Hiệu suất hệ thống chống va chạm ô tô 16 Chương III XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU KHUNG VÀ XƯƠNG ÔTÔ KHÁCH 18 3.1 Giới thiệu phần mềm HYPERWORK 18 3.2.Phần mềm LS – DYNA 24 3.2.1 Giới thiệu chung LS – DYNA 24 3.3.Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung sườn ô tô khách ghế ngồi 25 3.3.1 Đặc điểm kết cấu khung vỏ xe khảo sát 25 3.3.2 Mô hình tổng thể ôtô khách 2D 25 3.3.3 Đường phân bố tải trọng khung vỏ xe khách khảo sát 33 3.4 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 34 3.4.1 Lưu đồ mô trình va chạm trực diện xe khách 34 3.4.2 Xuất chỉnh sửa mô hình CAD HYPERMESH 35 3.4.3 Chia lưới mô hình 37 3.4.4 Kiểm tra chỉnh sửa lưới mô hình khung xương xe khách 38 3.4.5 Kiểm tra chất lượng lưới 40 3.4.6 Hàn lưới 41 3.4.7 Chọn vật liệu đặc tính cho mô hình 42 3.4.8 Gắn khối lượng mô hình xe khách 44 vii 3.4.9 Xác định vị trí giả định tài xế để phân tích tác động 48 3.4.10 Tạo liên kết thành phần mô hình 49 3.4.12 Tạo tiếp xúc toàn xe với mặt đường, vật cản 53 3.4.13 Xác định chiều trọng lực 55 3.4.14 Kiểm tra khối lượng xe khách 57 3.4.15 Gán điều kiện biên 58 3.5 Kết luận 62 Chương IV NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN AN TOÀN KẾT CẤU ÔTÔ KHÁCH KHI XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN 63 4.1 Mô phân tích biến dạng 63 4.1.1 Quá trình mô 63 4.1.2 Kết mô 66 4.2 Thiết kế cải tiến 67 4.2.1 Phương pháp cải tiến thứ 67 4.2.2 Phương pháp cải tiến lần 2: 71 4.3 So sánh giá trị gia tốc vị trí ghế người lái va chạm trực diện 75 4.4 Kết luận 77 Chương V KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 78 5.1 Kết luận 78 5.2 Kiến nghị 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Tỷ lệ % dạng va chạm Việt Nam năm 2013 Bảng 3.1 Thông số vật liệu thép 43 Bảng 3.2 Thống kê khối lượng khảo sát phận xe khách ghế ngồi: 44 Bảng 4.1 Thông số xây dựng mô hình phương pháp cải tiến thứ 68 Bảng 4.2 Thông số xây dựng mô hình phương pháp cải tiến thứ 71 Bảng 4.3 Gia tốc lớn vị trí ghế người lái va chạm 100% phía trước 76 viii Chương III XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU KHUNG VÀ XƯƠNG ÔTÔ KHÁCH Ô tô khách ngày nay, yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật độ tin cậy, tính êm dịu đặc biệt tính an toàn cho người ngồi xe phải đảm bảo phép lưu hành Vậy để thiết kế cải tiến tính an toàn ô tô khách mà tiết kiệm thời gian, tài nhân lực Thế nên, chương tiến hành nghiên cứu thiết kế xây dựng mô hình phần tử hữu hạn kết cấu khung xương ô tô khách Bằng cách ứng dụng phần mềm HYPERWORK LSDYNA chia lưới , thiết lập thuộc tính vật liệu, đặt điều kiện biên,…để tiến hành mô kết cấu khung xương ô tô khách, kiểm tra độ an toàn va chạm trực diện Từ đó, đưa Phương án cải tiến phù hợp Với việc ứng dụng phần mềm tiết kiệm thời gian chi phí 3.1 Giới thiệu phần mềm HYPERWORK HYPERWORK phần mềm CAE (Computer Aided Engineering: Ứng dụng kỹ thuật máy tính tính toán phân tích toán kỹ thuật) tiếng ứng dụng nhiều lĩnh vực với khả phân tích xác dựa phương pháp phần tử hữu hạn HYPERWORK giúp doanh nghiệp trung tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng, giảm chi phí, nâng cao suất Giúp tối ưu hóa trình thiết kế sản xuất HYPERWORK cung cấp giải pháp toàn diện mở giải pháp CAE công nghiệp, bao gồm mô phân tích, quản lý liệu tuyến tính phi tuyến, tối ưu hoá cấu trúc, cấu trúc chất lỏng, tương tác vật thể, nhiều ứng dụng cấu Các gói phần mềm HYPERWORK bao gồm: - HYPERMESH Được dùng để chia lưới phần tử hữu hạn cho mô hình hình học, đặt điều kiện biên lên mô hình để từ tính toán phân tích sản phẩm Hiện nay, 18 - HYPERGRAPH HYPERGRAPH có khả phân tích mạnh mẽ Giống với HYPERVIEW, HYPERGRAPH biết đến công cụ mạnh cho phân tích kết tinh toán vẽ đồ thị Ứng dụng đọc kết phân tích từ nhiều phần mềm tính toán khác Thuật toán thông minh HYPERGRAPH cho phép xử lý biểu thức toán học phức tạp Khả tuỳ biến để tạo hệ thống phân tích liệu đầy đủ cho tổ chức - HYPERCASH Là môi trường tiền xử lý chuyên biệt cho thiết lập mô hình cho phân tích va chạm an toàn Ứng dụng phát triển sở hợp tác chặt chẽ với nhà sản xuất, cho phép nâng cao hiệu suất tính toán, kết mô với độ xác cao Với ứng dụng này, người dùng nhanh chóng thiết lập mô hình tính toán va chạm tính toán túi ôtô, va chạm ôtô chuyển động toán liên quan đến va chạm khác Giao diện trực quan với tự động hoá trình thiết lập cho toán va chạm, toán an toàn giúp người dùng nhanh chóng thực mô với kết xác tiết kiệm thời gian - OPTISTRUCT Là ứng dụng chuyên biệt HYPERWORK tối ưu hoá kết cấu chi tiết theo tiêu chí đưa người thiết kế tối ưu khối lượng, kích thước, tần số dao động riêng, độ rung, ồn, khả chịu lực… OPTISTRUCT giúp kỹ sư nhà thiết kế nhanh chóng phát triển sản phẩm có khối lượng nhẹ, kết cấu hiệu Bằng cách xác định kết cấu tối ưu chi tiết giai đoạn đầu trình thiết kế với thuật toán tối ưu topo, OPTISTRUCT làm cho trình thiết theo định hướng phân tích tính toán dễ dàng nhờ nâng cao hiệu suất thiết kế Ở giai đoạn thiết kế nâng cao, tối ưu kích thước, hình dạng thực OPTISTRUCT nhằm nâng cao khả nănglàm việc chi tiết OPTISTRUCT giải toán tối ưu phức tạp với hàng ngàn biến thiết kế thời gian ngắn 20 - Mô hình khung xương: Kết cấu toàn khung xương xe khách liên kết với nhiều loại kim loại (thường thép) có tiết diện, hình dạng khác - Mô hình chi tiết đầu xe: Đầu xe có ảnh hưởng lớn đến sức cản gió, độ an toàn có va chạm phía trước, tính thẩm mỹ xe - Kết cấu đầu xe: Các kim loại dạng ống hình chữ nhật, tiết diện ống 2mm Hình 3.10 Mô hình chi tiết kết cấu đầu xe khách - Mảng khung xương xe khách bên trái bên phải + Mảng khung bên trái bên phải Mỗi bên có cửa thoát hiểm với dọc ngang dài, khoang hành lý với đứng ngang, xéo gia cố đứng 26 Hình 3.11 Khung xương phía bên trái xe khách (trái) đuôi xe + Mảng khung bên phải: 27 Hình 3.22 Khung xương bên phải xe khách 28 - Mảng khung đuôi xe: Có thiết kế dạng uốn cong, bố trí với phần khung hông xe giữ kính sau Bên bố trí khoảng trống khoang động Hình 3.12 Kết cấu khung xương đuôi xe khách 29 - Mảng khung trần xe: Gồm nhiều thép thẳng hàn với theo chiều ngang dọc, gắn khớp với mảng khung xương khác Hình 3.13 Khung xương trần xe khách 30 - Mảng khung dầm sàn: Gồm liên kết theo hình dạng bên toàn khung xe, mảng khung dầm sàn có tác dụng cố định vị trí ghế ngồi, lắp đặt sàn, tạo không gian bên xe Gồm có độ dày mm Hình 3.14 Khung dầm sàn xe khách - Mảng khung xương Chassis tổng: Mảng khung đóng vai trò xương sống thể, gồm nhiều có tiết diện lớn dày so với mảng khung khác, độ dày 8mm 4mm Số lượng gồm có lớn chính: 31 dọc phía trước dọc phía sau; 28 ngang có lớn; 22 chéo gia cố đứng, ngang dọc; dọc liên kết khoang hành lý Hình 3.15 Khung xương Chassis tổng xe khách 32 3.4.8 Gắn khối lượng mô hình xe khách Trên xe khách, khung xương có nhiều phận khác để tạo hoàn chỉnh xe, chúng có khối lượng đặt vị trí, không gian khung xương Khối lượng mô hình tính toán gắn xe khách: Bảng 3.2 Thống kê khối lượng khảo sát phận xe khách ghế ngồi: STT Tên chi tiết, thiết bị Động Số lượng*khối lượng (kg) Tổng khối lượng (kg) 500 500 Hành khách 42*65 2730 Ghế 42*15 630 Hành lý 42*5 210 Hộp số 195 195 Phanh 150 150 Ly hợp 80 80 Cầu trước 350 350 Cầu sau 500 500 10 Trục quay 35 35 11 Lái 35 35 12 Phần vỏ phía trước 25 25 13 Phần vỏ phía sau 30 30 14 Lốp vỏ xe bên trái 45 45 15 Lốp vỏ xe bên phải 45 45 16 Kính trước 90 90 17 Kính sau 45 45 18 Mỗi cửa sổ bên 6*10 60 19 Máy nén 95 95 20 Giàn lạnh 115 115 44 3.5 Kết luận Mô hình thiết kế sở mô hình 2D tiến hành xây dựng mô hình 3D cho khung xương chassis ô tô khách Từ nhập vào phần mềm HYPERMESH trình nhập vào phần mềm xuất lỗi mô hình Chính điều cần chỉnh sửa, khắc phục lỗi mô hình, đảm bảo tính kết nối phần tử sau chia lưới chất lượng lưới phần tử bảo đảm Sau chỉnh sữa mô hình xong ta tiến hành đặt thuộc tính vật liệu, đặt điều kiện biên… điều vô quan trọng Nó ảnh hưởng trực tiếp tới kết mô Do đó, đơn vị đo lường phải thống theo tiêu chuẩn phần mềm LS-DYNA 62 4.4 Kết luận Qua kết phân tích, mô trình va chạm trực diện xe khách cho thấy kết cấu khung xương ban đầu không bền vững Do xảy va chạm trực diện cấu trúc khung xương bị biến dạng vượt không gian an toàn, tác động làm ảnh hưởng tới hành khách bên xe, không đảm bảo tính an toàn Để đảm bảo tính an toàn cho hành khách, tính bền kết cấu khung xương, hay nói cách khác làm giảm thiệt hại người tài sản Đề tài sử dụng biện pháp cải tiến mô thực nghiệm thông qua sử dụng phần mềm mô LS-DYNA Kết cấu khung xương sau thiết kế cải tiến bị biến dạng không vượt không gian an toàn, nghĩa kết cấu khung xương sau cải tiến đảm bảo tiêu chuẩn an toàn xảy 77 Chương V KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Sau sáu tháng nghiên cứu thực đề tài, đề tài hoàn thành mục tiêu nghiên cứu cải tiến kết cấu khung xương sát xi ô tô nhằm đảm bảo an toàn xe khách va chạm trực diện Cụ thể, đề tài thực nghiên cứu sau: - Trên sở mô hình CAD 2D ô tô khách tiến hành xây dựng mô hình CAD 3D - Ứng dụng phần mềm HYPERMESH để chia lưới, thiết lập thuộc tính vật liệu, đặt điều kiện biên mô hình phần tử hữu hạn xây dựng - Ứng dụng phần mềm LS-DYNA mô an toàn kết cấu xe khách va chạm trực diện, sau tiến hành cải tiến kết cấu an toàn thiết kế hấp thụ lượng nhằm giảm lực va đập va chạm trực diện ô tô khách, đảm bảo an toàn kết cấu xe khách va chạm trực diện 5.2 Kiến nghị Trong thời gian có hạn kinh phí không cho phép, kết đề tài sở cho việc ứng dụng thiết kế chế tạo ô tô khách, tăng nội địa hóa sản phẩm nước, làm chủ công việc thiết kế xe khách nhằm đảm bảo an toàn va chạm trực diện Bên cạnh kết đạt được, đề tài cần bổ sung nghiên cứu sau: - Thiết kế tối ưu kết cấu khung xương ô tô khách xảy va chạm trực diện - Nghiên cứu mô phân tích tổn thương hành khách xảy va chạm trực diện nhằm kiểm chứng cải tiến khung xương xe khách - Áp dụng kết cải tiến đạt trình mô vào thực tế để làm tăng thêm tính an toàn cho hành khách ngồi xe khung xương xe khách, góp phần làm giảm thương vong đáng tiếc xảy va chạm tốc độ cao 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GVC.MSc Đặng Quý, Nghiên cứu tính toán động lực học va chạm ôtô, biện pháp giảm tổn thất va chạm, đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường, TP HCM 2007 [2] Teng Jing Tao, Da keche cheshen jiegou zhengmian pengzhuang youxianyuan fenxi, luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật ô tô, Trường Đại học Tây An, Trung Quốc, 05-2009 [3] William T Hollowell, Hampton C Gabler, Sheldon L Stuki, Stephen Summers, James R Hackney, NPS, updated review ofpotential test procedures for FMVSS no 208, office of vehicle safety research, October 1999 [4] Knowledge for tomorrow automotive, safety companion 2012 [5] HyperWorks Starter Manual, March 2011 [6] LS-DYNA Version 970 keyword user's manual, livermore software technology corporation, April 2003 79 S K L 0