Tối ưu hóa thiết kế kết cấu ô tô khách thỏa mãn tính an toàn va chạm trực diện

Dựa vào tiêu chuẩn ECE R94, ECE R66, tác giả đã xây dựng mô hình và mô phỏng phân tích tính năng an toàn kết cấu đầu ô tô khách xảy ra va chạm trực diện. Trên cơ sở mô hình phân tích phần tử hữu hạn, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu đầu ô tô khách.

44 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TỐI ƯU HĨA THIẾT KẾ KẾT CẤU Ơ TƠ KHÁCH THỎA MÃN TÍNH AN TỒN VA CHẠM TRỰC DIỆN STRUCTURAL DESIGN OPTIMIZATION FOR BUS TO SATISFY FRONTAL SAFETY Nguyễn Thành Tâm Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngày tịa soạn nhận 20/8/2015, ngày phản biện đánh giá 31/10/2015, ngày chấp nhận đăng 15/8/2016 TÓM TẮT Dựa vào tiêu chuẩn ECE R94, ECE R66, tác giả xây dựng mơ hình mơ phân tích tính an tồn kết cấu đầu tô khách xảy va chạm trực diện Trên sở mơ hình phân tích phần tử hữu hạn, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu đầu ô tô khách Sử dụng phương pháp thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thực nghiệm mơ phân tích kết cấu ô tô khách cho biến lượng thiết kế độ dày kết cấu đầu ô tô khách, ứng dụng phần mềm SPSS tiến hành phân tích hồi quy kết mô xây dựng hàm số hồi quy, dùng phần mềm MATLAB tiến hành tối ưu hóa biến lượng thiết kế Kết cho thấy, gia tốc va chạm khơng gian an tồn đảm bảo, trọng lượng kết cấu đầu xe khách sau tối ưu hóa giảm 7.9% so với kết cấu ban đầu Từ khóa: va chạm trực diện; kết cấu tơ khách; thiết kế thực nghiệm; phân tích mơ phỏng; tối ưu hóa ABSTRACT Based on standards ECE R94, ECE R66, a finite element model of bus has been developed and simulated to analyse of the front structural safety of bus when frontal impact happens An optimized design for bus structure was conducted in accordance with the FEM frontal impact analysis results Orthogonal design method was used to set up the experimental scheme on the struture of bus body with different thickness of steel tube then A series of simulation study on bus structure to satisfy frontal safety was conducted By doing the regression analysis of the simulation results by SPSS software, regression functions were established and then the design variables were maintained by MATLAB software The results showed that, the acceleration and driver living space to satisfy frontal safety condition, while the total weight of optimized bus structures was decreased by 7.9% Keywords: frontal impact; bus structure; design of experiments; analysis simulation; optimization LỜI NÓI ĐẦU Hiện xe khách phương tiện giao thông quan trọng hệ thống giao thông quốc gia, lưu lượng xe lưu hành đường ngày nhiều, dẫn đến vấn đề an tồn giao thơng trọng Theo thống kê Cục Cảnh sát Giao thông đường bộ, đường sắt tính đến đầu tháng 01 năm 2014 nước có 65.294 phương tiện vận tải hành khách từ 29 chỗ trở lên, có 1.612 xe khách giường nằm Trong năm 2013 số vụ tai nạn đường xảy 30.874 vụ, có đến 21% Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh người điều khiển tô gây 9,7% liên quan đến ô tô chở khách [1] Các vụ tai nạn diễn trực diện, bên hơng, phía sau, hay lật nghiêng; trình va chạm diễn làm biến dạng cấu trúc xe, làm thương vong hành khách bên Do đó, thiết kế giảm trọng lượng xe, đồng thời đảm bảo an toàn nhằm giảm giá thành sản phẩm tiết kiệm lượng vận chuyển trở thành điểm nóng nghiên cứu Tác giả Tian Fang Hailiang Wang sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích trạng thái tĩnh kết cấu thân xe khách, khơng nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu [2-3]; tác giả Liu Jiang tối ưu hóa kết cấu tơ khách sở phân tích hình thái dao động kết cấu [4] Tác giả Nguyễn Thành Tâm tiến hành nghiên cứu tính tốn tối ưu hóa kết cấu ô tô khách trạng thái bền tĩnh, nhiên tác giả chưa tối ưu kết cấu an toàn xe va chạm trực diện [5] Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAE để xây dựng mơ hình nghiên cứu, mơ tính an tồn kết cấu đầu xe ô tô khách xảy va chạm trực diện theo tiêu chuẩn Châu Âu Dựa kết mô phỏng, tiến hành thiết kế cải tiến kết cấu đầu ô tô khách nhằm đảm bảo độ bền; sau sử dụng phương pháp thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thí nghiệm mơ cho biến lượng thiết kế, sử dụng phần mềm SPSS phân tích xây dựng phương trình hồi quy, ứng dụng phần mềm MATLAB tiến hành thiết kế tối ưu hóa biến lượng thiết kế độ dày kết cấu ô tơ khách, đảm bảo tính an tồn kết cấu, thực nhẹ hóa kết cấu tơ khách XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHÂN TÍCH TÍNH AN TỒN XE KHÁCH VA CHẠM TRỰC DIỆN Dựa vào mơ hình CAD 3D ô tô khách từ nhà sản xuất, sử dụng phần mềm HYPERWORKS môi trường LS – 45 DYNA tiến hành xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn phân tích tơ khách Để cho việc tính tốn tin cậy mơ nhanh, kết cấu mơ hình xe khách chia lưới dạng vng có kích cỡ 20 mm, sau chia lưới xong tiến hành kiểm tra chỉnh sửa chất lượng lưới nhằm giảm thiểu mát lượng, tăng độ xác q trình tính tốn mơ Các kết cấu liên kết với tiếp điểm, không liên kết tiếp điểm tiến hành hàn kết cấu Sát – xi với cầu xe liên kết phương thức CONSTRAINED EXTRA NODES OPTION Các phận có khối lượng hành khách, ghế ngồi, hành lý, thùng nhiên liệu, ắc quy, hệ thống điều hịa khơng khí, cửa kính, động cơ…thì gắn khối lượng cho mơ hình Sau chia lưới xong tiến hành chọn vật liệu, thiết lập thuộc tính vật liệu Kết cấu khung xương sử dụng sắt Q235, kết cấu sát – xi sử dụng sắt Q345, thuộc tính vật liệu bảng [5] Bảng Thuộc tính vật liệu Tên Mơdun Hệ số đàn hồi Poisson (GPa) Khối Ứng suất lượng giới hạn riêng (MPa) (kg/mm3) Q345 210 0,3 7,85.10-6 345 Q235 210 0,3 7,85.10-6 235 Mặt tường va chạm, mặt đất đặt xe sử dụng vật liệu cứng để mô Tiếp xúc kết cấu xe sử dụng AUTOMATIC SINGER SURFACE để thiết lập; tiếp xúc kết cấu xe với mặt đường, kết cấu xe với tường 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, vận tốc mô va chạm trực diện 50 km/giờ Mô hình phần tử hữu hạn tơ khách sau xây dựng hình 46 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình Mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu xe khách PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG AN TỒN VA CHẠM TRỰC DIỆN Dùng phần mềm LS-DYNA phân tích động thái kết cấu đầu xe khách trình va chạm trực diện, thấy biến dạng kết cấu hình Hình cho thấy, lúc 180 ms, kết cấu đầu xe biến dạng lớn, vượt không gian sống tài xế (a) Trước biến dạng (b) Sau biến dạng Hình Kết cấu sát – xi phần đầu xe trước sau biến dạng Do đó, cần tiến hành gia cố kết cấu mô kiểm nghiệm kết cấu đạt tiêu chuẩn an toàn va chạm trực diện, kết cấu gia cố cụ thể hình 4, thể sau Gia cố thêm dọc liên kết với sát – xi đầu xe, độ dày 7.0 mm; 02 xéo, độ dày 10 mm Tăng độ dày sát – xi phần đầu xe từ 8.0 mm lên 11 mm, sàn đầu xe từ 4.0 mm lên 5.0 mm Để tăng khả hấp thụ phần lượng va chạm, thiết kế hấp thụ phía trước với độ dày 6.0 mm Hình Biến dạng kết cấu đầu xe lúc 180 ms Từ kết mô cho thấy, độ cứng kết cấu đầu xe yếu, không đảm bảo lực tác động va chạm trực diện, thiết kế ban đầu sử dụng vật liệu cho kết cấu khơng đảm bảo an tồn có va chạm Do đó, cần thiết cải tiến kết cấu đầu xe thỏa mãn điều kiện va chạm trực diện CẢI TIẾN KẾT CẤU ĐẦU XE KHÁCH THỎA MÃN ĐIỀU KIỆN VA CHẠM TRỰC DIỆN Do kết cấu thiết kết ban đầu yếu, dẫn đến không chịu lực va chạm, làm cho kết cấu biến dạng nhiều, cụ thể kết cấu sát – xi phần đầu xe trước sau biến dạng thể hình Hình Cải tiến kết cấu đầu xe Sau cải tiến tiến hành mô kiểm nghiệm, kết mô cho thấy, kết cấu đầu xe sau cải tiến thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm trực diện, thể hình Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 47 thực tế, chọn độ dày biến nằm phạm vi 3.5 – 6.0 mm; độ dày biến nằm phạm vi 7.0 – 12.0 mm 5.2 Hình Kết cấu đầu xe sau cải tiến Mơ thí nghiệm trực giao Mục tiêu tối ưu hóa làm cho tổng trọng lượng tối ưu hóa nhỏ nhất, mơ hình tốn học vấn đề tối ưu hóa cụ thể sau: Từ kết cải tiến cho thấy, kết cấu biến dạng sau va chạm trực diện nằm giới hạn cho phép, đảm bảo an Biến thiết kế: toàn cho tài xế Tuy nhiên, việc cải tiến tăng ( ) độ dày theo cảm tính, khơng khoa học, dẫn đến tăng trọng lượng kết cấu, giảm khả e hấp thụ lượng va chạm Do đó, cần thực m in F ( y )   M j j 1 phương pháp tối ưu để tối ưu hóa kết cấu đầu xe, nhằm giảm trọng lượng, S.t D ≥ 600 mm; gia tốc a nhỏ tăng khả hấp thụ lượng va chạm, đồng thời thỏa mãn điều kiện bền ne TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU ĐẦU XE 5.1 Chọn biến lượng tối ưu hóa Dựa vào cách bố trí kết cấu dầm đầu xe, tiến hành phân chia cụm khung xương sát – xi đầu xe có ảnh hưởng đến khả chịu lực va đập thành biến lượng thiết kế từ đến , biến cụ thể sau: Biến gồm ống giảm chấn phía trước; biến gồm khung sát – xi; biến gồm sàn đầu xe; biến gồm dọc khung sát – xi đầu xe; biến mơ tả hình (1) Trong công thức (1), F(y) hàm số mục tiêu; tồn số kết cấu tối ưu hóa; trọng lượng cụm kết cấu tối ưu hóa thứ j D khoảng khơng gian an tồn tính từ trọng tâm ghế tài xế đến phía trước xe a gia tốc đặt trọng tâm xe Trong thí nghiệm mơ có tổng cộng biến lượng, biến chọn cấp độ, cấp độ biến thể bảng Do đó, bảng thiết kế thí nghiệm trực giao ( ) thiết lập [6], cần tiến hành tổng cộng mơ kiểm tra tính an tồn kết cấu tô khách va chạm trực diện Bảng Cấp độ nhân tố Hình Các biến lượng thiết kế Do biến độ dày ảnh hưởng lớn tính an toàn trọng lượng kết cấu xe, tất biến độ dày xem xét từ Nhân tố x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm Cấp 3.5 3.5 Cấp 8 Cấp 4.5 4.5 Cấp 10 10 Cấp 5.5 11 5.5 11 Cấp 6 12 12 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 48 Bảng Giá trị biến thiết kế thí nghiệm trực giao STT x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 3.5 4.5 12 10 11 4.5 12 10 5.5 5.5 3.5 6 11 Bảng Giá trị mục tiêu điều kiện sau mơ thí nghiệm STT D /mm a /mm/ms2 M /kg 657.731 10.0676 582.62 872.517 10.6742 679.064 986.198 12.269 730.607 282.36 8.02 518.93 696.404 10.76 570.47 839.74 9.92 666.92 5.3 Phân tích tối ưu hồi quy Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy tiến hành phân kết kết thí nghiệm trực giao Hồi quy mặt phản ứng bậc với đối số s theo hình thức sau: s y  a0   s xi  i 1  s a ii x i  i 1  a ij x i x j (2) i j i  1, , j Trong công thức (2), y hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc 2; a0, ai, aii, aij hệ số hồi quy; x1, x2… xj tham số thiết kế Do số lần mơ thí nghiệm nghiên cứu 6, số biến thiết kế 4, không thỏa mãn điều kiện bắt buộc tham số hồi quy Do đó, nghiên cứu sử dụng phần mềm SPSS, đồng thời vào giá trị thí nghiệm bảng bảng lần thí nghiệm, sử dụng mơ hình hồi quy mặt phản ứng bậc tiến hành hồi quy thông số tối ưu hóa tổng trọng lượng thơng số điều kiện, thu hàm số mục tiêu M, gia tốc điều kiện Hàm số hồi quy cụ thể sau (3)(4)(5): M=48.385+44.018 +10.838 +1.351 +0.675 (3) D=-163.4+126.128 +191.207 50.563 -42.153 +22.731 (4) a=3.17+0.59 -0.949 0.336 +0.28 +0.099 (5) Sử dụng hệ số R tiến hành đánh giá độ tin cậy phương trình hồi quy, độ tin cậy phương trình M, D, a 1, 1, Do đó, cho phương trình hồi quy mặt phản ứng bậc thỏa mãn yêu cầu xác Sử dụng giải thuật di truyền phần mềm MATLAB tiến hành tối ưu hóa biến thiết kế hàm số mục tiêu hàm số điều kiện, thu giá trị biến độ dày kết cấu, khối lượng gia tốc vật liệu, thể bảng sau Bảng Giá tri trọng lượng, gia tốc, khoảng khơng gian an tồn sau tối ưu hóa D /mm a /mm/ms2 M /kg Giá trị tính tốn tối ưu 4.7 9.1 5.8 9.2 755.347 8.03 621.504 Giá trị lại 4.5 9.0 6.0 9.0 716.473 7.03 623.96 Do độ dày thép thị trường nói chung 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5 8.0, 8.5, 9.0, 9.5, ; độ dày kết cấu xe dựa vào thực tế mà chọn Do đó, nghiên cứu chọn giá trị độ dày kết cấu xe phù hợp để mơ phân tích lại tính an tồn kết cấu Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh sau tối ưu hóa; giá trị biến độ dày, khối lượng, gia tốc, khoảng khơng gian an tồn thể bảng Ở bảng cho thấy, độ dày kết cấu tính tốn phù hợp sau tối ưu hóa Do đó, gia tốc va chạm giảm, khoảng khơng gian an tồn tài xế đảm bảo, thỏa mãn điều kiện an toàn kết cấu; đặc biệt hơn, tổng trọng lượng xe giảm 7.9%, thõa mãn yêu cầu tối ưu hóa Bảng Giá trị trước sau tối ưu hóa STT Giá trị Trước tối ưu Sau tối ưu /mm 6.0 4.5 /mm 11.0 9.0 /mm 5.0 6.0 /mm 7.0 9.0 D /mm 716.08 716.47 8.12 7.03 677.31 623.96 a /mm/ms M (kg) 49 KẾT LUẬN Thực tăng độ dày kết cấu đầu xe tăng độ cứng, đảm bảo an toàn Tuy nhiên sử dụng tăng giảm độ dày kết cấu không khoa học làm tăng trọng lượng, giảm tính hấp thụ lượng va chạm kết cấu, dẫn tới giảm tính an tồn cho hành khách Nghiên cứu dựa phương pháp thí nghiệm mơ phỏng, phân tích hồi quy tính tốn tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền đem lại kết đáng tin cậy, độ dày kết cấu đầu tơ khách tính tốn ngẫu nhiên khoa học Kết mô kiểm nghiệm cho thấy, tính an tồn nâng cao, đồng thời trọng lượng kết cấu đầu xe sau tối ưu hóa giảm 7.9% so với trước lúc tối ưu hóa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Nguyễn Thiêm, 2014, Ẩn họa từ xe khách giường nằm, http://antg.cand.com.vn/Kinhte-Van-hoa-The-Thao/An-hoa-tu-xe-khach-giuong-nam-307535/ Tian Fang, Wang Tao, Shi Qin Finite Element Analysis for Monocoque Bus/Coach Body Structure Bus & Coach Technology and Research No 1: 17-19, 2012 Hailiang Wang, Xianlong Jin and Zhongqin Lin FEM Static and Dynamic Analysis of the Body Structure of SK6120 Low Floor City Bus SAE Technical 2002-01-0813 Liu Jiang, Gui Liangjin, Wang Qingchun & Fan Zijie Multi-objective Optimization on the Body Structure of Integral Bus Automotive Engineering 30 (2), 170-173, 2008 Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung xương sát – xi ô tô khách Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, 31(2015): 29-35 Liu Wen Qing Design of Experiments Tsinghua University 2008 Tác giả chịu trách nhiệm viết TS Nguyễn Thành Tâm Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Email: thanhtam1501@yahoo.com ... kế tối ưu hóa biến lượng thiết kế độ dày kết cấu ô tô khách, đảm bảo tính an tồn kết cấu, thực nhẹ hóa kết cấu tơ khách XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHÂN TÍCH TÍNH AN TỒN XE KHÁCH VA CHẠM TRỰC DIỆN Dựa vào... thiết kế ban đầu sử dụng vật liệu cho kết cấu không đảm bảo an tồn có va chạm Do đó, cần thiết cải tiến kết cấu đầu xe thỏa mãn điều kiện va chạm trực diện CẢI TIẾN KẾT CẤU ĐẦU XE KHÁCH THỎA MÃN... hữu hạn kết cấu xe khách PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG AN TỒN VA CHẠM TRỰC DIỆN Dùng phần mềm LS-DYNA phân tích động thái kết cấu đầu xe khách trình va chạm trực diện, thấy biến dạng kết cấu hình