TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT và BIẾN DẠNG KHUNG XE CHỞ KHÁCH cỡ NHỎ KHI HAI XE VA CHẠM TRỰC DIỆN

HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM TÍNH TỐN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHUNG XE CHỞ KHÁCH CỠ NHỎ KHI HAI XE VA CHẠM TRỰC DIỆN Nguyễn Quang Anh, Nguyễn Công Tuấn Đại học Công nghệ GTVT Email: quanganh_1967@yahoo.com.vn TÓM TẮT: Hiện phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ứng dụng rộng rãi lĩnh vực phân tích kết cấu Các chương trình phần mềm sở phương pháp PTHH tính tốn ứng xử kết cấu với loại tải trọng tĩnh động khác có tải trọng va chạm Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc cho phép giảm đáng kể thời gian công sức xây dựng tăng độ xác mơ hình PTHH Xe Saigon Van chỗ sản xuất công ty tơ Sài Gòn có kích thước nhỏ khả động phù hợp với giao thông công cộng Đặt vấn đề Công ty ôtô Sài Gòn (SAGACO) Chính phủ cho phép sản xuất lắp ráp ôtô chở khách chỗ ngồi Saigon Van để phục vụ cho nhu cầu vận tải hành khách hàng hóa nhẹ Loại xe với kích thước nhỏ gọn khả động nên phù hợp với giao thông công cộng thành phố, đô thị Việt Nam Do khung vỏ xe chiếm đến 40% giá trị xe nên việc thiết kế khung vỏ đóng vai trò quan trọng, chưa có quy trình tính tốn thiết kế khung vỏ đầy đủ đặc biệt tính tốn kiểm nghiệm nhằm đảm bảo an tồn bị động va chạm Qua số liệu thống kê thấy vụ nạn va chạm trực diện chiếm từ 50 đến 60% tổng số vụ nạn ơtơ nguy hiểm va chạm trực diện hai xe thường gây thiệt hại lớn người phương tiện Để đánh giá mức độ an toàn bị động kết cấu khung xe toàn kết cấu khung vỏ cần phải xác định ứng suất biến dạng khung xe va chạm trực diện hai xe Có hai phương pháp để xác định ứng suất biến dạng khung vỏ xe va chạm: đô thị Việt Nam Trong thực tế, khung vỏ xe chiếm tỷ lệ lớn giá thành xe, chưa có quy trình tính tốn hồn thiện để thiết kế khung vỏ xe, đặc biệt tính tốn thử nghiệm nhằm đảm bảo an tồn bị động va chạm Trước tình trạng tai nạn giao thơng có xu hướng gia tăng, để giảm thiệt hại cho người phương tiện tính tốn độ bền, độ cứng an toàn bị động kết cấu khung vỏ đóng vai trò quan trọng Trong báo sử dụng môđun chương trình LS-DYNA để tính tốn ứng suất biến dạng khung xe Saigon Van chỗ ngồi hai xe va chạm trực diện - Phương pháp thứ tính tốn ứng suất biến dạng mơ số với mơ hình PTHH - Phương pháp thứ hai xác định ứng suất biến dạng thực nghiệm nhờ thiết bị đo ghi tự động Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm đòi hỏi trang thiết bị đại quy trình thử nghiệm chặt chẽ nên giá thành cao điều kiện Việt Nam phương pháp khó thực [1] Hiện nay, nhờ sử dụng phần mềm phân tích kết cấu dựa sở phương pháp PTHH, việc tính tốn ứng suất biến dạng khung xe với mơ hình PTHH cho kết nhanh chóng xác Mơđun LS-DYNA cho phép mơ q trình va chạm trực diện hai xe để xác định biến dạng mức độ hư hỏng khung xe làm sở cho việc sửa chữa khung xe sau va chạm đánh giá tai nạn đường Mơ hình PTHH khung vỏ xe khảo sát Xe chở khách chỗ ngồi Saigon Van loại xe có kiểu dáng hài hòa, nội thất tiện nghi Trang 37 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM thuận lợi cho người sử dụng với số thông số kỹ thuật sau: - Kích thước xe : + Chiều dài: 3635mm + Chiều rộng: 1475mm + Chiều cao: 1895mm - Khoảng cách trục: + Vệt bánh trước: 1280mm + Vệt bánh sau: 1290mm - Số chỗ ngồi (kể người lái): người - Trọng lượng xe: 975kg - Vận tốc cực đại: 115km/h Hình 2: Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát - Công suất cực đại: 39kw Mảng đuôi xe Mảng đầu xe - Tổng tải trọng 1555kg Mảng sườn trái Mảng sườn phải Nóc xe Mảng sàn xe Việc xây dựng mơ hình khung vỏ xe khảo sát dựa giả thiết sau : - Kết cấu khung vỏ xe xem đối xứng qua mặt phẳng đối xứng dọc xe - Trọng lượng thân khung vỏ xe coi tải trọng phân bố Hình 1: Tổng quan xe Saigon Van Khung vỏ xe kết cấu không gian phức tạp để mơ xác khung vỏ xe khảo sát, thuận tiện cho tính tốn xử lý số liệu cần sử dụng kỹ thuật phân mảnh cấu trúc theo nguyên tắc sau: - Trong kết cấu khung vỏ xe chủ yếu sử dụng phần tử dạng vỏ dầm Dùng mặt cắt chuẩn có thơng số vật liệu mặt cắt tương đương cho phần tử Xây dựng mơ hình hình học khung vỏ xe Saigon Van thực phần mềm thiết kế CATIA sau nhập vào chương trình ANSYS để chia lưới phần tử Mơ hình PTHH toàn kết cấu khung vỏ khung xe tách riêng biểu diễn hình [2] - Mô tả đặc điểm cấu trúc chịu lực kết cấu - Thể phân mảnh cấu trúc theo quy trình cơng nghệ chế tạo - Sự ghép nối mảnh phải đảm bảo tính liên tục kết cấu thể liên kết thực tế mảnh Theo quy trình cơng nghệ lắp ráp nhà sản xuất, khung vỏ xe Saigon Van phân thành mảnh lớn nối ghép với mối hàn hình Hình 3: Mơ hình PTHH khung vỏ xe khảo sát Trang 38 HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Phương pháp tính ứng suất biến dạng khung xe khảo sát Môđun LS-DYNA công ty Livermore Software Technology Corporation (Mỹ) xây dựng, mơđun kết nối tích hợp chương trình ANSYS Phương pháp giải mơđun phân tích ứng xử kết cấu theo bước thời gian tác dụng tải trọng Thuật tốn mơđun cho phép giải toán động lực học biến dạng lớn kết cấu toán động lực học tiếp xúc phức tạp có xét đến q trình truyền nhiệt bề mặt tiếp xúc Sơ đồ cấu trúc chung phần mềm ANSYS biểu diễn hình [3],[5] un  un1  un  un  un t  un (2) t Trong t bước thời gian giá trị cố định, bước thời gian xác định theo cơng thức : t  lmin c (3) Với lmin kích thước phần tử nhỏ c tính theo cơng thức : c= Trong : E 1     (4) E môđun đàn hồi vật liệu;  khối lượng riêng;  hệ số Poisson thường chọn  = 0,3 với vật liệu thép Từ ta xác định biến dạng theo phương trục tọa độ theo công thức: fx = Trong Hình 4: Cấu trúc chung phần mềm ANSYS Khi mô va chạm lượng tiếp xúc bước thời gian bề mặt tiếp xúc biểu diễn phương trình: ECn1 m k   ECn   Fi1.ui1   Fi ui2  i 1  i 1  Trong : ECn ; ECn1 n xúc bước thời gian n n+1;k, m số lượng lực tương tác nút thứ i bền mặt với bề mặt 2; Fi lực tương tác nút thứ i bền mặt với bề mặt 1; ui1 chuyển vị nút thứ i bề mặt bước thời gian; ui2 (5) f x , f y , f z biến dạng theo phương trục toạ độ [4] Khi mơ q trình va chạm trực diện hai xe dựa số giả thiết sau : - Hướng va chạm hai xe không thay (1) đổi trình va chạm lượng tiếp nút bề mặt tiếp xúc 2; Fi u u u ; fy = ; fz = x y z chuyển vị nút thứ i bề mặt bước thời gian Với việc sử dụng khái niệm hiệu trung bình theo thời gian giá trị vận tốc chuyển vị nút xác định theo công thức : - Xem dịch chuyển hai xe sau trình va chạm nhỏ (không xét đến động lực học xe sau kết thúc va chạm) - Ảnh hưởng hệ thống treo, lái đến biến dạng khung xe nhỏ tồn q trình va chạm - Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường, lực phanh bánh xe trước va chạm (coi tốc độ xe không đổi trước va chạm) Trong báo thực tính tốn cho trường hợp hai xe va chạm trực diện vận tốc xe thứ 20km/h, vận tốc xe thứ hai 30km/h, độ lệch va chạm 40% trường hợp thường xảy thực tế Thông số đầu vào tốn Trang 39 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM giá trị tổng động hai xe va chạm trực diện : 1 T  MV12  MV22 Trong thời gian va 2 chạm ta chia thành nhiều bước tính với bước tăng thời gian 0,001s Do việc xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe đòi hỏi nhiều thời gian công sức nên nghiên cứu sử dụng mơ hình tính với hai xe giống có khối lượng Mơ hình mơ va chạm trực diện hai xe biểu diễn hình Hình 7: Phân bố ứng suất khung Hình 5: Mơ hình mơ va chạm hai xe Kết tính tốn Hình 8: Chuyển vị nút 44721 Kết mô LS-DYNA với phương án tính tốn biến dạng; ứng suất dạng biểu đồ phân bố, đồ thị dạng số liệu tương ứng Với mơđun phân tích xử lý kết POST1 POST26 báo đưa số đồ thị biểu đồ phân bố xe va chạm vận tốc 20km/h Hình 9: Ứng suất nút 44721 Nút 44721 nằm dầm dọc bên phải cách đầu dầm 80 mm Hình 6: Phân bố biến dạng khung Qua kết tính tốn thấy biến dạng động lực học lớn dầm dọc khung xe 155 mm Dựa vào biểu đồ phân bố ứng suất biến dạng khung xe xác định mức độ hư hỏng khung lớn, vùng chịu ảnh hưởng tác động va chạm cần phải sửa chữa khoảng 80cm Do điều kiện Việt Nam nay, việc thực thực nghiệm va chạm hai xe khó khăn đòi hỏi chi phí lớn, nên tác giả Trang 40 HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM tham khảo kết thực nghiệm nước cho loại xe tương tự tài liệu [6] so sánh cho thấy kết tính toán phù hợp với kết tài liệu Điều chứng tỏ mơ hình PTHH khung vỏ xe khảo sát xây dựng đảm bảo phù hợp với thực tế Khung xe phần tử tiếp nhận va chạm phần tử hấp thụ lượng va chạm chủ yếu toàn kết cấu, nên dầm dọc bị biến dạng xoắn voặn gây cong vênh dầm ngang sàn xe, sàn xe bị xé rách số vị trí liên kết hàn khung sàn Trong trường hợp gia tốc va chạm lớn khoang hành khách đạt đến amax = 272 m/s2 ; so sánh với tiêu chuẩn an toàn Mỹ FMVSS 208 [6] quy định gia tốc va chạm lớn cho phép amax = 300 m/s2 giá trị gia tốc xấp xỉ nên gây chấn thương cho người xe người lái, việc bố trí thiết bị an tồn dây an tồn, túi khí khả hoạt động chúng đóng vai trò định đến khả sống sót người xe xảy tai nạn Kết luận Kết tính tốn mơ cho phép biểu diễn phân bố biến dạng ứng suất kết cấu khung xe phần tử kết cấu khác vỏ xe, sàn xe kết sở quan trọng cho việc đánh giá mức độ hư hỏng lựa chọn phương pháp sửa chữa khung vỏ sau va chạm Ngồi bố trí thêm dàn bađơsốc trước sau xe để giảm biến dạng khung vỏ va chạm Kết tính mơ đảm bảo độ xác phù hợp với thực tế áp dụng phương pháp để tính tốn cho loại xe khác loại xe sản xuất lắp ráp Việt Nam Phương pháp mô cho phép tính tốn ứng suất biến dạng khung xe va chạm trực diện kết hợp với kết tính tốn vỏ xe đánh giá xác độ bền an tồn bị động kết cấu khung vỏ tai nạn thực đường Tài liệu tham khảo [1] Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Application of Digital Simulation Method to Motor Vehicle Frontal Collision, ICAT2005 [2] Trung tâm ứng dụng phát triển phần mềm công nghiệp (DASI) (2006), Hướng dẫn sử dụng CATIA thiết kế ba chiều, Đại học Bách khoa Hà Nội [3] Faculta of mechanical Engineering (1999), ANSYS Operation Guide Structural Analysis Guide, Hanoi University of Technology [4] John O.Hallquist (1998), LS-DYNA Theoretical Manual, California [5] Oasys LS-DYNA Enviromment: User Guide (2001), California [6] Dieter Anselm (2000), The Passenger Car Body, Munich, Germany Trang 41 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM TO CALCULATE THE STRESS AND DEFORMATION OF SMALL PASSENGER CAR FRAMEWORK IN CASE OF HEAD-ON BETWEEN TWO CARS ABSTRACT: Nowaday, finite element (FE) method is usually used in the structure analysis problem The softwares based on finite element method can determine specific behaviors of the structure corresponding to static and dynamic loads in which there is collision load Substructure techniques allow reducing considerably time and work volume and increase degree of accuracy of finite element model The Saigon Van manufactured by Saigon Automobile Company, with small size and mobility that is very suitable for the public transport in Vietnam cities and towns In fact, the body and framework make up a large rate of the vehicle value, but there still not yet any procedure for calculating sufficiently body and framework design, particularly calculations and tests in order to ensure passive safety in case of collision Confronted with the situation that traffic accidents are tending to increase, to reduce the damages of human and vehicle when the accident occurs, therefore, the calculation of body strength, durability and passive safety as well as body-framework structure play a very important role In this studies we use module LS-DYNA to calculate the stress and deformation of seats Saigon Van framework in case of frontal impact between two cars Keywords: Frontal Impact, Stress and Deformation, LS-DYNA, ANSYS Trang 42 ... cứu sử dụng mơ hình tính với hai xe giống có khối lượng Mơ hình mơ va chạm trực diện hai xe biểu diễn hình Hình 7: Phân bố ứng suất khung Hình 5: Mơ hình mơ va chạm hai xe Kết tính tốn Hình 8: Chuyển... bánh xe với mặt đường, lực phanh bánh xe trước va chạm (coi tốc độ xe không đổi trước va chạm) Trong báo thực tính tốn cho trường hợp hai xe va chạm trực diện vận tốc xe thứ 20km/h, vận tốc xe. .. công thức : - Xem dịch chuyển hai xe sau trình va chạm nhỏ (không xét đến động lực học xe sau kết thúc va chạm) - Ảnh hưởng hệ thống treo, lái đến biến dạng khung xe nhỏ tồn q trình va chạm - Bỏ