Nghiên cứu va chạm giữa ôtô và rào chắn

Đề tài này tập trung nghiên cứu và tính toán động học, động lực học va chạm giữa ôtô và rào chắn trong mặt phẳng và không gian. Xây dựng mô hình va chạm giữa ôtô và rào chắn, sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng mô hình va chạm. Đánh giá kết quả mô phỏng mô hình với dữ liệu thử nghiệm thực tế. Nội dung chính của đề tài bao gồm những vấn đề sau: Xây dựng mô hình va chạm giữa ôtô với rào chắn trong mặt phẳng và trong không gian Nghiên cứu, tính toán động học, động lực học phẳng mô hình Mô phỏng mô hình trong mặt phẳng bằng phần mềm Matlab

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

LỜI NÓI ĐẦU 7

1 Đặt vấn đề 7

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

3 Phương pháp nghiên cứu 8

4 Nội dung chính của đồ án tốt nghiệp 8

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Tình hình tai nạn giao thông đường bộ hiện nay 1

1.1.1 Hiện trạng tai nạn giao thông trên thế giới 1

1.1.2 Hiện trạng tai nạn giao thông tại Việt Nam 1

1.2 Khái quát về rào chắn an toàn đường bộ 4

1.2.1 Giới thiệu chung 4

1.2.2 Các loại rào chắn và chức năng 5

1.2.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật rào chắn 10

1.3 Va chạm xe 15

1.3.1 Định nghĩa 15

1.3.2 Nguyên nhân 15

1.3.3 Những vấn đề của tổn thương giao thông đường bộ 15

1.4 Thử nghiệm va chạm giữa xe với hộ lan tôn lượn sóng [10] 16

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 2

1.4.1 Giới thiệu 16

1.4.2 Kết quả thử nghiệm 20

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VA CHẠM GIỮA ÔTÔ VÀ RÀO CHẮN 27

2.1 Mô hình va chạm xe trong mặt phẳng 27

2.1.1 Động học phẳng phương tiện 27

2.1.2 Động lực học phẳng phương tiện 31

2.1.3 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn trong mặt phẳng (2D) 32 2.1.4 Tham số tính toán và thành lập mô hình 35

2.2 Mô hình va chạm xe trong không gian (mô hình 3D) 40

2.2.1 Động học phương tiện không gian 40

2.2.2 Động lực học chuyển động của xe trong không gian 46

2.2.3 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn trong không gian (3D) 48 CHƯƠNG III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52

3.1 Mô phỏng va chạm xiên giữa ôtô và rào chắn 52

3.1.1 Mô tả tóm tắt thiết lập thí nghiệm và thông tin xe 52

3.1.2 Kết quả mô phỏng 55

3.2 Mô phỏng va chạm trực diện giữa ôtô và rào chắn 63

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ TNGT ĐB giai đoạn 1999 – 2000 2

Hình 1.2 TNGT ĐB trên 10.000 dân 3

Hình 1.3 Biểu đồ số người chết vì TNGT ĐB trên 10.000 PTCG ĐB 4 Hình 1.4: Rào chắn bên đường 6

Hình 1.5 Rào chắn giữa 6

Hình 1.6 Lan can cầu 7

Hình 1.7 Water – filled barriers 7

Hình 1.8 Hộ lan cáp 8

Hình 1.9 Cấu trúc tiêu chuẩn của lan can dẫn hướng tiêu chuẩn S – hộ lan tôn sóng, D – thanh giằng, P – cột trụ đỡ 9

Hình 1.10 Rào chắn bê tông 9

Hình 1.11 Đường người đi bộ trên cầu 10

Hình 1.12 Các lan can đường ôtô điển hình 12

Hình 1.13 Bản vẽ hộ lan tôn lượn sóng 14

Hình 1.14 Cách bố trí hộ lan trước thử nghiệm 16

Hình 1.15 Chi tiết của hộ lan tôn lượn sóng 17

Hình 1.16 Hình ảnh hộ lan được hoàn thành trước thử nghiệm 18

Hình 1.17 Thông số ôtô thử nghiệm 18

Hình 1.18 Ôtô trước thử nghiệm 20

Hình 1.19 Quỹ đạo sau va chạm của thử nghiệm 21

Hình 1.20 Hư hại hộ lan sau thử nghiệm 22

Hình 1.21 Ôtô sau thử nghiệm 23

Hình 1.22 Tóm tắt kết quả thử nghiệm 24

Hình 1.23 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía trên và phía trước) 24

Hình 1.23 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía trên và phía trước) 25

Hình 1.24 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía sau) 26

Hình 2.1 Biểu diễn xe nguyên khối 27

Hình 2.2 Biểu diễn xe trong chuyển động phẳng 28

Hình 2.3 Thân xe trong hệ tọa độ xe B(Cxyz) 32

Hình 2.4 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn trong mặt phẳng biểu diễn cho va chạm giữa xe với rào chắn 33

Hình 2.5 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn biểu diễn va chạm xe với rào chắn trong mặt phẳng 34

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 4

Hình 2.6 Quy tắc của phương pháp tổng bình phương nhỏ nhất 38 Hình 2.7 Biểu diễn xe nguyên mẫu trong không gian 41 Hình 2.8 Một vật rẵn được gắn với hệ tọa độ B(oxyz) di chuyển tự do trong hệ tọa độ G(OXYZ) 42 Hình 2.9 Xe trong hệ qui chiếu B(Cxyz) 44 Hình 2.10 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn trong không gian

cho va chạm xe và rào chắn 49

Hình 3.1 Sơ đồ va chạm xiên giữa ôtô với rào chắn 52 Hình 3.2 Mô hình Simulink cho va chạm xe với rào chắn trong mặt phẳng 54 Hình 3.3 Hệ qui chiếu quán tính của xe và trọng tâm của nó[13] 55 Hình 3.4 Tham chiếu dữ liệu thực nghiệm theo trục X hệ qui chiếu quán tính 56 Hình 3.5 Tham chiếu dữ liệu thực nghiệm theo trục Y hệ qui chiếu quán tính 56 Hình 3.6 Đồ thị gia tốc, vận tốc, biến dạng của mô hình 2D theo

phương X 58 Hình 3.7 Đồ thị gia tốc, vận tốc, biến dạng của mô hình 2D theo

phương Y 59 Hình 3.8 Gia tốc mô hình và gia tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 60 Hình 3.9 Gia tốc mô hình và gia tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục Y hệ qui chiếu quán tính 60 Hình 3.10 Vận tốc mô hình và vận tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 61 Hình 3.11 Vận tốc mô hình và vận tốc thực nghiệm tham chiếu theo trục Y hệ qui chiếu quán tính 61 Hình 3.12 Chuyển dịch va chạm mô hình và chuyển dịch va chạm thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 62 Hình 3.13 Chuyển dịch va chạm mô hình và chuyển dịch va chạm thực nghiệm tham chiếu theo trục Y hệ qui chiếu quán tính 62 Hình 3.14 Chuyển động xe trong hệ qui chiếu quán tính 63 Hình 3.15 Gia tốc mô hình và gia tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 64 Hình 3.16 Gia tốc mô hình và gia tốc thực nghiệm tham chiếu theo trục Y hệ qui chiếu quán tính 65

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 5

Hình 3.17 Vận tốc mô hình với vận tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 65 Hình 3.18 Vận tốc mô hình với vận tốc thực nghiệm tham chiếu trong trục Y hệ qui chiếu quán tính 66 Hình 3.19 Chuyển dịch mô hình với chuyển dịch thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 66 Hình 3.19 Chuyển dịch mô hình với chuyển dịch thực nghiệm tham chiếu trong trục X hệ qui chiếu quán tính 67

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tiêu chuẩn phân cách lan can và chiều rộng 11

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 7

LỜI NÓI ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước ta là một trong những nước có tỉ lệ TNGT cao nhất thế giới, trong

đó chủ yếu là TNGT ĐB Hầu hết các vụ tai nạn thường gặp là do va chạm giữa phương tiện với nhau hoặc là va chạm giữa phương tiện với các mối nguy hiểm bên đường Trong những năm gần đây, hiện tượng các xe lao ra khỏi lòng đường gây ra tai nạn nghiêm trọng có xu hướng gia tăng, điển hình là một số vụ tai nạn

xe khách như ở Lào Cai những năm gần đây Nó cho thấy sự cần thiết của việc tính toán thiết kế các rào chắn ven đường để đảm bảo cho phương tiện không bị trượt ra khỏi lòng đường và gây ra tai nạn nguy hiểm hơn Trong những năm gần đây, việc lắp đặt rào chắn đối với các tuyến đường đã được các đơn vị và Nhà nước ta quan tâm và triển khai lắp đặt rộng rãi

Đề tài này tập trung nghiên cứu và tính toán động học, động lực học va chạm giữa ôtô và rào chắn trong mặt phẳng và không gian Xây dựng mô hình

va chạm giữa ôtô và rào chắn, sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng

mô hình va chạm Đánh giá kết quả mô phỏng mô hình với dữ liệu thử nghiệm thực tế

Nội dung chính của đề tài bao gồm những vấn đề sau:

Xây dựng mô hình va chạm giữa ôtô với rào chắn trong mặt phẳng và trong không gian

Nghiên cứu, tính toán động học, động lực học phẳng mô hình

Mô phỏng mô hình trong mặt phẳng bằng phần mềm Matlab

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu va chạm giữa ôtô với rào chắn, tìm hiểu các thông

số sau va chạm như vận tốc, gia tốc, biến dạng của xe So sánh, đánh giá kết quả

mô phỏng của mô hình với dữ liệu thực nghiệm Qua đó, thấy được tính xác

KỸ THUÂT AN TOÀN GIAO THÔNG 8

thực của mô hình mô phỏng, áp dụng mô hình để mô phỏng với những thông số đầu vào khác nhau, có thể thay thế được những cuộc thử nghiệm tốn kém

3 Phương pháp nghiên cứu

-Xây dựng mô hình va chạm giữa xe với rào chắn trong mặt phẳng và trong không gian

- Tham khảo thử nghiệm va chạm thực tế, thu thập số liệu

- Nghiên cứu phần mềm Matlab, sử dụng phần mềm mô phỏng lại va chạm giữa xe và rào chắn trong mặt phẳng dựa vào mô hình

- Đánh giá kết quả thu được từ mô phỏng với kết quả thực nghiệm

4 Nội dung chính của đồ án tốt nghiệp

Chương I Tổng quan về đề tài

Chương II Xây dựng mô hình toán học va chạm của ôtô với rào chắn Chương III Kết quả mô phỏng mô hình va chạm trong mặt phẳng

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tình hình tai nạn giao thông đường bộ hiện nay

1.1.1 Hiện trạng tai nạn giao thông trên thế giới

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có xấp xỉ 1,3 triệu người bị chết và từ 20 đến 50 triệu người bị thương do TNGT ĐB Hai cơ quan này cảnh báo, nếu chính phủ các nước không có biện pháp ngăn chặn tình trạng này thì đến năm 2020, tai nạn giao thông sẽ đứng thứ ba trong các nguyên nhân gây tử vong ở người

Hiện nay trung bình mỗi ngày có 3.000 người chết trong các vụ TNGT trên khắp lục địa, hầu hết nạn nhân trong độ tuổi từ 15 đến 44 Những “con đường an toàn nhất” ở Tây Âu, nơi có tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông là

11 người/100.000 cư dân Trong khi ở châu Phi và các quốc gia phía Đông Địa Trung Hải có tỷ lệ trung bình là 28,3 và 23,6 người/100.000 dân

Theo WHO TNGT đang ngày càng gia tăng trên bình diện thế giới, và ngoài tổn hại nhân mạng, tác động của TNGT đối với kinh tế - xã hội cũng vô cùng lớn với mức thiệt hại ước tính 518 tỉ USD mỗi năm Trong đó, khu vực châu Á – Thái Bình Dương chiếm 60% số người tử vong do TNGT trên thế giới, WHO cảnh báo nếu tình hình không được cải thiện, số người chết vì TNGT ở khu vực này sẽ tăng 80% từ nay đến năm 2020

1.1.2 Hiện trạng tai nạn giao thông tại Việt Nam

Tại Việt Nam, trung bình hàng ngày ước tính có khoảng 30 – 35 người chết do TNGT chủ yếu là TNGT ĐB Thiệt hại do TNGT ĐB năm 2007 ước tính khoảng 2,89% GDP, tương đương 32.600 tỷ đồng

Số vụ TNGT, số người chết và bị thương liên tục gia tăng trong nhiều năm từ năm 1999 và chỉ bắt đầu giảm từ năm 2003 Tuy nhiên việc giảm này chưa ổn định và bền vững So với năm 2008, năm 2009 xảy ra 12.492 vụ TNGT

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 2

(giảm 3%), làm chết 11.516 (giảm 0.67%) và bị thương 7.914 người (giảm 1.86%) TNGT ĐB chiếm 94,12%, đứng thứ hai là TNGT đường sắt, chiếm khoảng 4% tổng số vụ TNGT

Giai đoạn 1999 – 2002 TNGT ĐB tăng liên tục ở cả 3 tiêu chí với tỷ lệ cao Trong vòng 3 năm số vụ TNGT và số người bị thương tăng gấp 1,3 lần và đặc biệt số người chết tăng gấp 1,92 lần Theo số liệu của UBATGT TNGT trong 5 năm gần đây diễn biến phức tạp, mặc dù có xu hướng giảm nhưng vẫn ở mức cao, chưa bền vững trên cả 3 tiêu chí: số vụ tai nạn, số người chết và số người bị thương

Hình 1.1 Biểu đồ TNGT ĐB giai đoạn 1999 – 2000

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 3

Từ năm 1990 đến 2011, số phương tiện cơ giới đã tăng 24,5 lần (7,6 lần với ôtô và 28 lần với xe mô tô) Tỉ lệ số vụ tai nạn và bị thương đang giảm nhanh qua các năm Tỉ lệ tử vong do TNGT trên 10.000 PTCGĐB giảm khá nhanh, năm 1990 là 14,3 nhưng đến năm 2011 còn 3,1 Tỉ lệ này ở các nước phát triển khoảng 2 người/10.000 PTCGĐB

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 4

Hình 1.3 Biểu đồ số người chết vì TNGT ĐB trên 10.000 PTCG ĐB

1.2 Khái quát về rào chắn an toàn đường bộ

1.2.1 Giới thiệu chung

Rào chắn giao thông – Traffic barriers (còn được gọi là hàng rào phân ranh giới, lan can), giữ xe bên trong đường của họ và ngăn chặn xe va chạm với các mối nguy hiểm, những trở ngại bên đường như các tòa nhà, tường rào, rãnh thoát nước… Chúng được lắp đặt ở bên đường để ngăn các xe chạy ẩu khi di chuyển qua dốc, sườn hay các vào vùng nước sâu Rào chắn được lắp đặt tại tim đường cao tốc để ngăn không cho đi vào làn đường ngược chiểu và giảm va chạm trực diện Một trong số những rào được thiết kế cho va chạm từ hai bên, được gọi là rào chắn giữa Rào chắn cũng có thể được sử dụng ở những khu vực

dễ bị tổn thương như sân trường, khu vực đi bộ[1]…

Các rào chắn thường được thiết kế để giảm thiểu chấn thương cho người ngồi trong xe, chấn thương có thể xảy ra trong các vao chạm với rào chắn giao thông Chúng được lắp đặt tại nơi mà một vụ va chạm với rào chắn có thể sẽ ít nghiêm trọng hơn so với những nguy hiểm đằng sau nó Nếu có thể, việc loại bỏ,

di chuyển hay thay đổi các mối nguy hiểm sẽ là tốt hơn so với việc bảo vệ bằng rào chắn

Để đảm bảo chúng được an toàn và hiệu quả, các rào chắn giao thông trải qua các thử nghiệm tai nạn quy mô và mô phỏng đầy đủ, trước khi được phê

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 5

duyệt cho sử dụng cho các mục đích thông thường Chương trình thử nghiệm được thiết kế để xác định hiệu suất, và một mức độ bảo vệ thích hợp cho người tham gia giao thông

Những mối nguy hiểm bên đường phải được đánh giá cho sự nguy hiểm

họ đặt ra đối với lái xe ôtô dựa trên kích thước, hình dạng, độ cứng và khoảng cách từ mép đường Chẳng hạn như một số đoạn đường, việc lắp đặt rào chắn bảo vệ sẽ tạo ra một mối đe dọa lớn hơn đối với người ngồi trong xe so với việc không lắp đặt

Khi việc lắp đặt rào chắn là cần thiết, sự tính toán cẩn thận được hoàn thành để xác định chiều dài cần thiết Các tính toán tính đến tốc độ, lưu lượng giao thông, khoảng cách từ mép đường tới mối nguy hiểm, và khoảng cách từ mép đường tới rào chắn

1.2.2 Các loại rào chắn và chức năng

 Theo chức năng của rào chắn

Rào chắn bên đường [2] : được sử dụng để bảo vệ giao thông khỏi các

chướng ngại vật bên đường hoặc các mối nguy hiểm như sườn dốc đủ để gây tai nạn lật xe, các vật thể cứng như trụ cầu, và vực nước Rào chắn bên đường cũng

có thể đượng sử dụng ở giữa đường để ngăn các xe va chạm với các môi nguy

hiểm trong phạm vi giữa đường

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 6

Hình 1.4: Rào chắn bên đường

 Rào chắn giữa [3] : được sử dụng để ngăn chặn việc chiếc xe vượt qua giới

hạn giữa và đâm vào chiếc xe đang tới gây ra một vụ va chạm đối đầu

Hình 1.5 Rào chắn giữa

 Lan can cầu [4] : được thiết kế để hạn chế xe rơi xuống đường, sông, hay

đường sắt bên dưới từ vụ va chạm bên của cầu Nó thường là cao hơn so với hàng rào bên đường, để ngăn xe tải, xe buýt, người đi bộ và xe đạp tốt

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 7

hơn Lan can cầu thường là hệ thống ống thép hay lan can bê tông thép và

rào chắn

Hình 1.6 Lan can cầu

 Rào chắn công trình [5] : được sử dụng để bảo vệ giao thông từ các mối

nguy hiểm trong khu vực làm việc Tính năng phân biệt của chúng là chúng có thể được di chuyển khi điều kiện thay đổi trong các công trình đường bộ Hai loại phổ biến được sử dụng: rào chắn bê tông tạm thời và rào chắn đầy nước (thùng chắn nước – water filled barrier)) Gồm các hộp nhựa cốt thép được đặt ở những nơi cần thiết, liên kết với nhau để tạo

thành một hàng dọc, sau đó được đổ đầy với nước

Hình 1.7 Water – filled barriers

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 8

 Theo độ cứng của rào chắn

Những rào chắn này được chia làm 3 nhóm, dựa trên khả năng làm chệch hướng khi bị đâm bởi phương tiện và khả năng chống lại tác động lực

- Hệ thống mềm [6] : bao gồm hộ lan cáp và hộ lan tôn lượn sóng Chúng

được gọi là hệ thống mềm vì chúng sẽ làm võng khoảng 1,6 – 2,6m khi bị đâm bởi các xe chở khách thông thường hay các xe tải hạng nhẹ Năng lượng va chạm được tiêu tán nhờ vào sức căng trong các day cáp hay thanh chắn, cột trụ,

ma sát giữa xe và hệ thống dây cáp hay các tấm tôn sóng Loại này thường được

sử dụng rộng rãi hơn các loại khác (loại cứng) vì chúng gây ra phản lực nhỏ hơn khi xe va đập vào Loại này có tác dụng giữ phương tiện giao thông lại hơn là

dẫn hướng lái vì chúng sử dụng các cột đỡ “yếu” (có thể biến dạng)

Hình 1.8 Hộ lan cáp

- Hệ thống nửa cứng [7] : bao gồm các dầm sắt dẫn hướng dạng hộp, cột trụ

được lắp đạt bên ngoài tôn sóng Dầm thrie tương tự như tôn lượn sóng nhưng

nó có 3 đỉnh thay vì 2 Chúng làm võng đi 0,91 – 1.83m, hơn hệ thống cứng nhưng ít hơn so với hệ thống mềm Năng lượng va chạm tiêu tán thông qua biến dạng của các yếu tố thanh chắn, cột trụ, thân xe, ma sát giữa xe và hệ thống Hệ

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 9

thống dầm hộp cũng lan truyền lực va chạm trên một số cột trụ do độ cứng của ống thép

Hình 1.9 Cấu trúc tiêu chuẩn của lan can dẫn hướng tiêu chuẩn S – hộ lan tôn

sóng, D – thanh giằng, P – cột trụ đỡ

- Hệ thống cứng: thường được xây bằng bê tông cốt thép Một rào chắn bê

tông vĩnh viễn sẽ chỉ bị làm chệch hướng một khoảng không đáng kể khi bị đâm bởi một chiếc xe Thay vào đó, hình dạng của một rào chắn bê tông được thiết

kế để chuyển hướng một chiếc xe vào con đường song song với rào chắn Điều

đó có nghĩa là chúng được sử dụng để bảo vệ giaot thông khỏi các mối nguy

hiểm rất gần phía sau hàng rào, và thông thường đòi hỏi bảo dưỡng rất nhỏ

Hình 1.10 Rào chắn bê tông

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 10

1.2.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật rào chắn

a Tiêu chuẩn thiết kế lan can cầu theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN

272 – 05

Lan can phải được bố trí dọc theo các mép kết cấu để bảo vệ cho xe và người đi bộ Việc bố trí lan can kết hợp giữa đường cho phương tiện và người đi

bộ được thể hiện như hình sau:

Hình 1.11 Đường người đi bộ trên cầu

Đối với các lan can đường bộ, các tiêu chuẩn về khoảng trống lớn nhất giữa các lan can C, tổng bề rộng các thanh lan can ∑𝐴 đối với các khoảng các thụt vào khác nhau của cột S phải được lấy theo Bảng 1 Định nghĩa của các thông số này đối với các lan can điển hình được mô tả trong hình 1.12

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 11

Bảng 1 Tiêu chuẩn phân cách lan can và chiều rộng

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 12

Hình 1.12 Các lan can đường ôtô điển hình

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 13

b Tiêu chuẩn kĩ thuật hộ lan tôn sóng

Dải phân cách tôn sóng theo tiêu chuẩn AASHTO (Mỹ) hoặc theo tiêu chuẩn 22TCN của Bộ giao thông vận tải Việt Nam Cấu tạo gồm 1 đến 2 lớp tôn lượn sóng được lắp đặt song song với mặt đường bởi hệ cột bằng thép có đệm giữa tấm lượn sóng với cột

Hộ lan tôn sóng được sản xuất bằng tôn tấm thông thường có chiều dài 3m32 khi bước cột 3m, 2m32 khi bước cột 2m

Vật liệu dùng để chế tạo tôn lượn sóng có cơ tính phù hợp với qui định sau:

- Thép CT38 có chiều dày 3mm hoặc các mác thép tương đương có cơ tính: giới hạn bền kéo > 370MPa; giới hạn chảy > 215MPa; độ dãn dài > 18%

- Trường hợp sử dụng mác thép có độ bền cao hơn, có cơ tính: giới hạn kéo

> 540MPa; giới hạn chảy > 290MPa; độ dãn dài > 19% thì chiều dày bản tôn lượn sóng là 2,5mm

Hộ lan tôn lượn sóng và các chi tiết đều được tạo màng phủ chống rỉ bằng

mạ kẽm điện phân dày 0,2µm hoặc mạ kẽm nóng dày 55µm hoặc 2 lớp sơn chống rỉ và 3 lớp sơn phủ bề dày mỗi lớp sơn từ 30 đến 50µm Màu sắc, kiểu dáng lớp sơn phủ theo quy định xiên 450 đỏ dày 10cm xen kẽ trắng 20cm, hình dáng bên ngoài và bề mặt lớp mạ, lớp sơn phải phù hợp đủ độ bền, bề dày, độ đồng nhất không bị bong, không có bọt

Thông số, kích thước cơ bản:

+ Bước cột 2m: chiều dài tấm sóng là L = 2,320m, chiều cao H = 0,310m + Bước cột 3m: chiều dài tấm sóng là L = 3,320m, chiều cao H = 0,310m + Bước cột 4m: chiều dài tấm sóng là L = 4,320m, chiều cao H = 0,310m

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 14

+ Bước cột 5m: chiều dài tấm sóng là L = 5,320m, chiều cao H = 0,310m

+ Bước cột 6m: chiều dài tấm sóng là L = 6,320m, chiều cao H = 0,310m

Hình 1.13 Bản vẽ hộ lan tôn lượn sóng

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 15

1.3 Va chạm xe

1.3.1 Định nghĩa

Thuật ngữ va chạm xe ôtô cũng được biết đến như một vụ tai nạn giao thông (va chạm xe có động cơ, tai nạn ôtô, va chạm giao thông đường bộ) đề cập đến thuật ngữ chung được sử dụng cho một vụ tai nạn giao thông liên quan đến

va chạm hay tác động giữa các xe với nhau , va chạm giữa phương tiện với những mối nguy hiểm bên đường, người đi bộ, hay động vật[9]

Mối nguy hiểm bên đường là một vật cản cố định bên đường có thể làm tăng xác xuất của va chạm xe hay chấn thương, tử vong của người dân bên đường Các vật cản cố định này bao gồm cây, cột điện, cột đèn giao thông, hàng rào, rãnh, thanh chắn…) hộp thư và công trình thoát nước[10]

1.3.2 Nguyên nhân

Nhiều yếu tố khác nhau dẫn đến nguy cơ của va chạm phương tiện, nó có thể bao gồm hư hỏng thiết bị, thiết kế đường bộ hay bảo trì đường bộ kém Một hành vi của người lái, kĩ năng lái hay hư hỏng và tốc độ hoạt động cũng là một nhân tốc khác có thể dẫn đến va chạm xe Thiết kế xe và môi trường giao thông cũng là những yếu tố trong va chạm xe

1.3.3 Những vấn đề của tổn thương giao thông đường bộ

Tai nạn giao thông đường bộ là một thách thức lớn trong mọi tầng lớp ngày này Nó là một hệ thống phức tạp và nguy hiểm mà mọi người đối phó mỗi ngày Những vụ va chạm xe là một trong những tai nạn giao thông dẫn đến tử vong hoặc thương vong của cư dân, người đi bộ, động vật hoặc dẫn đến thiệt hại

to lớn cho tài sản hoặc thiết bị an toàn bên đường

Tổn thương giao thông gây ra nhiều người còn sống sót phải sống với những tàn tật ngắn hạn hoặc vĩnh viễn, điều đó có thể dẫn đến một sự hạn chế liên tục trong hoạt động thể chất của họ, hậu quả tâm lý hoặc suy giảm chất lượng cuộc sống Người ta tính toán hàng triệu chi phí sử dụng ở bệnh viện

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 16

trong nhiều tuần mỗi năm sau những vụ va chạm và có thể không bao giờ có được khả năng như trước khi những vụ va chạm xảy ra Khoảng 50 triệu người

bị thương trên toàn thế giới mỗi năm và ước tính có khoảng 1,2 triệu người bị chết bởi tai nạn đường bộ Theo dự báo những con số này sẽ tăng khoảng 65% trong 2 thập kỉ tới Điều nay cho thấy nên có cam kết mới để phòng ngừa

Các vụ tai nạn giao thông để lại hậu quả xấu cho kinh tế ở các nước có thu nhập thấp thì chi phí trực tiếp của tổn thương va chạm giao thông ước tính vào khoảng 1% của tổng sản phẩm quốc dân (GNP) trong nền kinh tế Nó là khoảng 1,5% ở những nước có thu nhập trung bình và 2% ở những nước có thu nhập cao Chi phí trực tiếp của tai nạn toàn cầu ước tính vào khoảng 518 tỷ USD

1.4 Thử nghiệm va chạm giữa xe với hộ lan tôn lượn sóng [10]

Thử nghiệm va chạm với chiếc xe bán tải với trọng lượng 2000kg, đâm vào

hộ lan với vận tốc 100km/h, góc va chạm là 25° Mục đích của thử nghiệm là xác định độ bền của hộ lan trong việc chặn và chuyển hướng xe thử nghiệm Ngoài ra, thử nghiệm còn kiểm tra sự ổn định của xe và sự tương thích hình học với rào chắn

Hình 1.14 Cách bố trí hộ lan trước thử nghiệm

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 17

Hình 1.15 Chi tiết của hộ lan tôn lượn sóng

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 18

Hình 1.16 Hình ảnh hộ lan được hoàn thành trước thử nghiệm

Hình 1.17 Thông số ôtô thử nghiệm

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 19

Thông số kích thước (mm):

Khối lượng (kg): M1 = 1090

M2 = 910

MT = 2000

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 20

Hình 1.18 Ôtô trước thử nghiệm

1.4.2 Kết quả thử nghiệm

 Mô tả thử nghiệm

Chiếc xe chạy với tốc độ 101,84km/h, va chạm với hệ thống hộ lan tại vị trí cách cột 11 636mm về phía ngược chiều chuyển động của xe tại góc va chạm là 24.87° Ngay sau va chạm, tác động bên được ghi nhận trong cột 10, 11 và 12, tại 0.029s, chiếc xe bắt đầu chuyển hướng Tại 0.072s, lốp trước bên phải bị lái vào hộ lan, làm biến dạng tôn sóng giữa cột 11 và cột 12, và tại thời điểm 0.129s, lốp trước bên phải tiếp xúc với cột 12, gây thiệt hại nghiêm trọng tới bánh xe và hệ thống treo Do vậy, hộ lan kéo xuống bởi các trụ lệch hướng Khi bánh xe bị hư hại nghiệm trọng, chiếc xe bay trên không trung đi trên hộ lan bị võng trong vùng lân cận cột 13 Tuy nhiên, theo thời gian, chiếc xe đã sớm bị chặn và chuyển hướng

Trong khi trên không trung, chiếc xe bị mất tiếp xúc với hộ lan tại thời điểm 0.535s, ở tốc độ 62.35km/h và góc văng ra là 9.67° Khi nó thoát khỏi hệ thống, lốp sau bên phải tiếp xúc với hộ lan Hệ thống phanh trên xe được sử dụng sau khi xảy ra va chạm 3.05s, sau đó xe dừng lại ở vị trí cách điểm va chạm 70.2m và 7.3m phía sau hộ lan

 Hư hại của hệ thống thử nghiệm

Hự hại của hộ lan tôn sóng được thể hiện trong hình 1.192 và hình 1.20 Các cột trụ 10 đến 16 bị chuyển dịch sang bên với chuyển dịch lớn nhất đo được

là 380mm tại cột 13 Cột 12 đã bị tách ra khỏi tôn sóng nhưng tôn sóng vẫn được gắn với cột 13, nó được gắn tại một mối nối Độ dài của tiếp xúc giữa xe với hộ lan là 5.2m

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 21

Hình 1.19 Quỹ đạo sau va chạm của thử nghiệm

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 22

Hình 1.20 Hư hại hộ lan sau thử nghiệm

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 23

Hình 1.21 Ôtô sau thử nghiệm

 Số liệu hư hại

Dữ liệu từ gia tốc kế đặt tại trọng tâm của xe được số hóa để đánh giá rủi ro

và được tính toán như Theo hướng dọc, vận tốc va chạm là 7.28 m/s tại thời điểm 0.193s, giảm gia tốc cao nhất là -7.76g từ 0.214 đến 0.224s, và gia tốc trung bình lớn nhất là 7.01s giữa 0.114 và 0.164s Theo hướng ngang, vận tốc va chạm là 5.21m/s tại thời điểm 0.161s, giảm gia tốc cao nhất là -6.54g từ 0.209 đến 0.219s, và gia tốc trung bình lớn nhất -6.29g giữa 0.115 và 0.165s

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 24

Hình 1.22 Tóm tắt kết quả thử nghiệm

Hình 1.23 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía trên và phía trước)

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 25

Hình 1.23 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía trên và phía trước)

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 26

Hình 1.24 Hình ảnh trình tự của thử nghiệm (nhìn từ phía sau)

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 27

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VA CHẠM

GIỮA ÔTÔ VÀ RÀO CHẮN

2.1 Mô hình va chạm xe trong mặt phẳng

2.1.1 Động học phẳng phương tiện

Một chiếc xe nguyên khối có thể được giả định như một hộp phẳng di chuyển trên một mặt phẳng nằm ngang (được trình bày tại một cuốn sách của Jazar[11]) Trong hình dưới đây, một hộp phẳng được gắn với hệ tọa độ xe (hệ tọa

độ địa phương) B(cxy) tại tâm của hình khối khi nó di chuyển trong mặt phẳng

X – Y của hệ qui chiếu quán tính (hệ tọa độ cầu) Véc tơ đơn vị I và j được cố định trong hệ qui chiếu quán tính G(OXY), trong khi véc tơ đơn vị e1 và e2 được

cố định trong hệ tọa độ xe B(cxy) Véc tơ đơn vị e1 và e2 chia chuyển động với vật thể và thay đổi theo thời gian

Hình 2.1 Biểu diễn xe nguyên khối

Một chiếc xe trong một chuyển động phẳng có thể được minh họa rõ nét hơn trong hình 2.2 Hệ qui chiếu quán tính G được gắn vào mặt phẳng và hệ tọa

xe B được gắn với xe tại tâm C Z và trục z là song song với nhau, và định hướng của hệ tọa độ B được biểu thị bằng góc định hướng 𝜓 giữa X và trụ x Véc tơ vị trí quán tính của tâm khối hình là dG

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 28

Hình 2.2 Biểu diễn xe trong chuyển động phẳng

 Chuyển đối giữa hệ tọa độ xe và hệ qui chiếu quán tính

Một ma trận biến đổi 𝑅𝐵𝐺 được sử dụng để tìm phương trình chuyển động (EOM) của xe trong mặt phẳng hệ tọa độ của nó bằng cách biểu thị EOM hệ qui chiếu quán tính trong hệ tọa độ B của xe Tương tự chúng ta có thể áp dụng để

ma trận biến đổi để chuyển đổi hệ tọa độ của xe sang hệ qui chiếu quán tính

𝑹𝑩𝑮 = [

𝐜𝐨𝐬 𝜓 − 𝐬𝐢𝐧 𝜓 𝟎𝐬𝐢𝐧 𝜓 𝐜𝐨𝐬 𝜓 𝟎

 Vận tốc của xe trong hệ qui chiếu quán tính

Vận tốc tại tâm của xe đối với điểm O của hệ tọa độ cầu được xác định như

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 29

𝒙̇𝑩 – vận tốc của vật thể theo trục hoành của hệ tọa độ xe

𝒚̇𝑩 – vận tốc của vật thể theo trục tung của hệ tọa độ xe

i – véc tơ đơn vị theo trục X của hệ tọa độ cầu

j – véc tơ đơn vị dọc theo trục Y của hệ tọa độ cầu

Sử dụng ma trận biến đổi (phương trình 1) vận tốc của xe trong hệ tọa độ

xe có thể được biến đổi sang hệ tọa độ cầu Vận tốc tại tâm của xe đối với điểm

O của hệ tọa độ cầu được viết như phương trình (3) hay được thể hiện như trong phương trình (4) cho chuyển động phẳng

] = [

𝐜𝐨𝐬 𝜓 − 𝐬𝐢𝐧 𝜓 𝟎𝐬𝐢𝐧 𝜓 𝐜𝐨𝐬 𝜓 𝟎

] [

𝑣𝑥

𝑣𝑦0] (4)

Trong đó:

𝑉𝑋 – vận tốc của xe theo trục X trong hệ tọa độ cầu

𝑉𝑌 – vận tốc của xe theo trục Y trong hệ tọa độ cầu

𝜓 – góc chệch

𝑣𝑥 – vận tốc của xe theo trục x trong hệ tọa độ xe

𝑣𝑦 – vận tốc của xe theo trục y trong hệ tọa độ xe

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 30

 Gia tốc của xe trong hệ qui chiếu quán tính

Gia tốc tại tâm của hình khối đối với điểm O của hệ tọa độ cầu được xác định qua phương trình (5), nó có thể được thể hiện ở phương trình (6) cho chuyển động trong mặt phẳng Vận tốc góc 𝜔 của vật thể phải được xem xét để xác định gia tốc của vật đối với điểm O Chuyển động của vật thể bị giới hạn trong mặt phẳng và véc tơ vận tốc góc hướng theo trục z, chiều hướng ra phía ngoài vuông góc với mặt phẳng X – Y

𝑮𝒂𝑩 = 𝒙̈𝑩𝒊 + 𝒚̈𝑩𝒋 (5)

Trong đó:

𝑮𝒗𝑩 – gia tốc của vật thể đối với điểm O trong hệ tọa độ cầu

𝒙̈𝑩 – gia tốc của vật thể theo trục x của hệ tọa độ địa phương

𝒚̈𝑩 – gia tốc của vật thể theo trục y của hệ tọa độ địa phương

𝒊 – véc tơ đơn vị theo trục X của hệ tọa độ cầu

𝒋 – véc tơ đơn vị dọc theo trục Y của hệ tọa độ cầu

Theo Jazar[11], gia tốc tại tâm của xe với điểm O trong tọa độ cầu được biểu diễn dưới dạng véc tơ như phương trình 6, sử dụng ma trận biến đổi

[

𝑉̇𝑋𝑉̇𝑌0] = [

(𝑣̇𝑥 − 𝜓̇𝑣𝑦) cos 𝜓 − (𝑣̇𝑦 + 𝜓̇𝑣𝑥) sin 𝜓(𝑣̇𝑦 + 𝜓̇𝑣𝑥) cos 𝜓 + (𝑣̇𝑥 − 𝜓̇𝑣𝑦) sin 𝜓

0

] (6)

Trong đó:

𝑉̇𝑋 – gia tốc của xe theo trục X của hệ tọa độ cầu

𝑉̇𝑌 – gia tốc của xe theo trục Y của hệ tọa độ cầu

𝑣̇𝑥 – gia tốc của xe theo trục x của hệ tọa độ địa phương

𝑣̇𝑦 – gia tốc của xe theo trục y của hệ tọa độ địa phương

𝜓 – góc lệch

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 31

𝜓̇ = 𝜔𝑍 vận tốc góc của xe theo trục z vuông góc với mặt phẳng

2.1.2 Động lực học phẳng phương tiện

Để diễn tả động lực học phẳng phương tiện, một tọa độ địa phương của xe B(Cxyz) được gắn với chiếc xe tại tâm C để thể hiện EOM cho phương tiện, được trình bày trong hình 2.3 Trục hoành có hướng về phía trước và là một trục dọc đi qua C Trục tung y là hướng ngang sang trái từ điểm nhìn của lái xe Trục

z vuông góc với mặt phẳng ngang và ngược chiều với gia tốc trọng trường (g) theo Jazar[11] Các phương trình chuyển động của xe trong tọa độ địa phương được trình bày bằng việc sử dụng các định luật về chuyển động của Newton như trong phương trình (7), (8), (9):

F𝐶𝐺 = 𝑅𝐵𝐺𝐹𝐶𝐵 (10) Trong đó:

F𝐶𝐺 – véc tơ lực trong hệ tọa độ cầu

𝑅𝐵𝐺 – ma trận biến đổi

𝐹𝐶𝐵 – véc tơ lực trong hệ tọa độ địa phương viết như phương trình (7), (8), (9)

SVTH: HOÀNG VĂN TUẤN 32

Hình 2.3 Thân xe trong hệ tọa độ xe B(Cxyz)

[

𝐹𝑋

𝐹𝑌

0] = m * [

𝑉̇𝑋𝑉̇𝑌0] = m * [

(𝑣̇𝑥 − 𝜓̇𝑣𝑦) cos 𝜓 − (𝑣̇𝑦 + 𝜓̇𝑣𝑥) sin 𝜓(𝑣̇𝑦 + 𝜓̇𝑣𝑥) cos 𝜓 + (𝑣̇𝑥 − 𝜓̇𝑣𝑦) sin 𝜓

0

]

(11) Trong đó:

𝐹𝑋 – véc tơ lực tổng thể của xe theo trục X của hệ tọa độ cầu

𝐹𝑌 – véc tơ lực tổng thể của xe theo trục Y của hệ tọa độ cầu

m – khối lượng xe

2.1.3 Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn trong mặt phẳng (2D)

Một mô hình động lực học với 3 bậc tự do được xây dựng cho xe mô hình trong chuyển động phẳng[11] Mô hình động lực học có thể được áp dụng để tìm hiểu cách vận hành của một chiếc xe

Mô hình khối lượng – lò xo – giảm chấn 2D được trình bày trong hình 2.4

Nó bao gồm một lò xo có hệ số đàn hồi 𝐾𝑥[N/m], được lắp song song với một

bộ giảm chấn có hệ số giảm chấn 𝐶𝑥[N/m] với một khối vật có khối lượng m[kg] theo hướng trục hoành Một lò xo khác có hệ số đàn hồi 𝐾𝑦[N/m] mắc song song