Bài viết này trình bày mô phỏng phần tử hữu hạn liên quan đến hấp thu động năng va chạm của phần trước khung xương ô tô khách. Khung trước được gia cố từ những thanh có tiết diện khác nhau để cải tiến lực đỉnh và sự hấp thu động năng.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 37 SỰ VA CHẠM VÀ HẤP THU ĐỘNG NĂNG CỦA PHẦN TRƯỚC KHUNG XƯƠNG Ô TÔ KHÁCH TRƯỚC ĐỘNG LỰC HỌC VA ĐẬP CRASH BEHAVIOR AND ENERGY ABSORPTION OF BUS’S FRONT STRUCTURE UNDER DYNAMIC IMPACT Nguyễn Văn Sỹ1, Nguyễn Thành Tâm1, Trần Thăng Long2 Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Việt Nam Trường Đại học Trần Đại Nghĩa, Việt Nam Ngày soạn nhận 20/12/2016, ngày phản biện đánh giá 30/12/2016, ngày chấp nhận đăng 27/2/2017 TĨM TẮT Bài báo trình bày mơ phần tử hữu hạn liên quan đến hấp thu động va chạm phần trước khung xương ô tô khách Khung trước gia cố từ có tiết diện khác để cải tiến lực đỉnh hấp thu động Trong nghiên cứu, phần mềm LS-DYNA dùng để xác định tiết diện mặt cắt ngang mong muốn cho việc thiết kế khung trước ô tô Lực đỉnh động hấp thu hai yếu tố đánh giá cho hiệu cấu trúc trước ô tô va chạm Kết cho thấy việc sử dụng ống nhơm hình nón đa ống làm giảm lực đỉnh đến 50%, tổng động hấp thu tăng cao, khả chịu đựng cú va chạm khung trước ô tô khách cải tiến cách đáng kể Từ khóa: va chạm trực diện; khả va chạm; lực đỉnh; hấp thu động năng; cấu trúc tơ khách; ống nhơm hình nón ABSTRACT This paper presents finite element simulations for the crash behavior and the energy absorption of frontal structure of bus The frontal structure is reinforced with variable tubular cross-sections to improve the peak-force and energy absorbtion The explicit finite element code LS-DYNA is carried out by simulation to determine the desired cross-sections for the design of bus’s front structure The peak-force and the energy absorption responses during the head-on impact are the two main measurements of the frontal structure’s performance The research result shows that the use of multi-conic-aluminum tubes can reduce 50 % of the peak-force while the total absorbed energy can be greatly increased, so the crashworthiness of the bus’s front structure is significantly improved Keywords: head-on impact; crashworthiness; peak-force; energy absorption; bus structure; conic aluminum-tube GIỚI THIỆU Việc nâng cao tính an tồn tơ khách vai trị quan trọng cho nhà sản xuất tô Mức độ giảm chấn thương cho người ngồi xe trình va chạm ngày trọng Vì thúc đẩy nhà sản xuất tơ cần phải cải tiến tính va chạm xe, đặc biệt lĩnh vực ô tô khách Để đảm bảo tồn vẹn khơng gian an tồn khả hấp thu động lớn nhất, cần nghiên cứu va chạm phần trước khung xương ô tô Sự biến dạng khung trước ô tô khách xảy va chạm trực diện phụ thuộc vào hành vi phá hủy khung xương đầu xe sát-xi phía trước Điều ảnh hưởng đến chấn thương cho người ngồi xe Do sát-xi phía trước cần thiết mức tối ưu tai nạn va chạm trực diện ô tô xảy 38 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Có hai vấn đề cho việc tối ưu khung xương ô tô đáp ứng va chạm: thay vật liệu thép truyền thống vật liệu có tính phù hợp hai thiết kế tối ưu kích thước mặt cắt sát-xi Việc phân tích tính tốn sát-xi thực nhiều năm gần đây, phần lớn chúng nghiên cứu xe ô tô Xiong Zhang nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện sát-xi khác cho trình va chạm [1] Họ cho thấy việc gia cố thêm cấu trúc ống đa lỗ làm tăng khả hấp thu động Nguyễn Văn Sỹ Ahmed Elmarakbi nghiên cứu thiết kế tối ưu sát-xi hình chữ S xe chỗ ngồi, kết việc gia cố lực dọc hình chữ S điều cần thiết cho việc giảm chấn thương tai nạn va chạm trực diện [2-3] Mới nhất, tác giả Hang Feng Yin nghiên cứu ứng dụng ống nhơm hình nón điền vật liệu nhơm có mật độ khác dọc theo chiều dài ống [4] Kết cho thấy việc dùng ống hình nón tránh biến dạng cục tăng khả hấp thu động cho xe ô tô Hiện nước việc nghiên cứu tính tối ưu an toàn cho khung xe khách chưa thực nhiều Tác giả Nguyễn Thành Tâm nghiên cứu tính tốn tối ưu hóa kết cấu khung xương sát-xi ô tô khách thái bền tĩnh [5] Trọng tâm báo nghiên cứu hành vi va chạm trực diện, đặc tính hấp thu động sát-xi phía trước tơ khách Ngồi ra, phận hấp thu động thiết kế từ ống nhơm hình nón đa ống khảo sát Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn phần mềm LS-DYNA thực cho khung xe Lực đỉnh hấp thu động hai yếu tố xem hai tiêu cho thiết kế tối ưu MÔ TẢ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Mô hình phần tử hữu hạn khung xe Mục tiêu tiêu chuẩn an toàn châu Âu (ECE R94)[6]là đảm bảo khơng gian an tồn cho tài xế không bị xâm phạm vào xảy va chạm trực diện Điều có nghĩa khơng có phận xe bên ngồi xen vào khơng gian tài xế ngược lại Khoảng khơng gian quy định từ ghế ngồi tài xế tính phía trước đầu xe 600mm Mơ va chạm trực diện cách cho mơ hình xe chạy với vận tốc 50 km/giờ đường cứng tơng trực diện vào tường cứng hồn tồn hình Để giảm thời gian tính tốn phân tích, khoảng cách từ tường đến đầu xe 10mm Mơ hình xe khách xây dựng dựa mơ hình xe khách 2D cơng ty Hyundai Tracomeco sản xuất thực hiện, có khối lượng 13.250 kg, chiều dài xe 12m Hình Mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu xe khách va chạm trực diện Dựa vào vẽ Cad 2D mơ hình xe khách, xây dựng mơ hình xe khách 3D phần mềm Inventor Phần mềm HYPERWORKS môi trường LS-DYNA sử dụng xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phân tích tơ khách Để cho kết tính tốn có độ tin cậy thời gian mô ngắn, khung xương ô tô khách chia lưới dạng vng có kích cỡ 20mm Sau chia lưới, kiểm tra chỉnh sửa chất lượng lưới nhằm tăng độ xác q trình mơ giảm thiểu mát động Các khung xương liên kết với tiếp điểm, khơng liên kết tiếp điểm tiến hành hàn kết cấu Sát-xi với cầu xe liên kết phương thức liên kết cố định điểm điểm lưới 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…được gắn khối lượng cho mơ hình Tiếp đến, chọn vật liệu, thiết lập thuộc tính gán điều kiện biên cho mơ hình Kết cấu khung xương sử dụng thép Q235, sát-xi sử dụng thép Q345, thuộc tính vật liệu Bảng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mặt đất đặt xe tường va chạm sử dụng vật liệu cứng để mô Tiếp xúc kết cấu xe sử dụng tiếp xúc đơn bề mặt; tiếp xúc khung xương ô tô với mặt đường tường cứng sử dụng tiếp xúc bề mặt với bề mặt để thiết lập, hệ số ma sát 0,5 Gia tốc trọng trường g = 9,81m/s2, vận tốc mô va chạm 50km/h Mơ hình phần tử hữu hạn sau xây dựng hình 2.2 Đặc tính vật liệu Trong nghiên cứu dùng hai loại vật liệu thép nhơm có tính vật liệu khác Vật liệu thép có khối lượng riêng, mô dun đàn hồi, hệ số Poison ứng suất giới hạn ảnh hưởng đặc tính biến dạng trình bày bảng Bảng Đặc tính vật liệu Vật liệu Mơ đun đàn hồi (GPa) Hệ số poison Khối lượng riêng (kg/mm3) Ứng suất giới hạn (GPa) Thép Q235 210 0,3 7,85.10-6 0.235 Thép Q345 210 0,3 7,85.10-6 0.386 Nhôm 68.2 0.3 2,7.10-6 0.08 39 Trong đó: P lực tương tác (N) d độ biến dạng theo chiều dọc khung (m) EA động hấp thu cấu trúc (J) CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát khả va chạm phần trước khung xương ô tô khách xảy va chạm trực diện Sự biến dạng phá hủy khung xe làm từ vật liệu thép nhà sản xuất đưa phân tích Hình cho thấy trình tự biến dạng khung xương xe theo thời gian, độ biến dạng lớn phần trước khung xương 887 mmtại thời điểm 90 mili giây sau thời gian bắt đầu va chạm 2.3 Chỉ tiêu đánh giá Trong va chạm ô tô, yếu tố ảnh hưởng đến chấn thương người ngồi xe lực chấn động hay gọi lực đỉnh khả biến dạng khung xe Dựa hai yếu tố này, để phân tích tính va chạm ô tô nhiều nhà thiết kế ô tô đưa hai tiêu quan trọng nhiên cứu va chạm: lực đỉnh khả hấp thu động [7] Lực đỉnh lực tương tác lớn xe vật cản trình va chạm Động hấp thu mối liên hệ lực tương tác suốt trình va chạm với độ biến dạng cấu trúc theo thời gian Động hấp thu tính theo cơng thức: d (d) P. d Hình Trình tự biến dạng khung xe Hình hình cho thấy va chạm xảy ra, phân tán ứng suất toàn khung xương xe Tuy nhiên phần lớn ứng suất tập trung phần trước khung xương xe Điều đáng lưu ý ứng suất lớn gấp đôi so với ứng suất giới hạn vật liệu Hiện tượng biến dạng dẻo cục xuất số điểm khung xương đầu xe sát-xi Qua phân tích thấy độ cứng phần trước khung xương xe không đáp ứng lực tác động va chạm trực diện xảy 40 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình Mơ hình phân bố ứng suất khung xương xe va chạm xảy gian an toàn tài xế đảm bảo, hình Lực va đập đỉnh giảm 32% so với chưa cải tiến Động hấp thu hoàn toàn, điều thể rõ hình 7, sau thời gian va chạm 80 ms đồ thị chưa gia cố, lực va chạm mức 1000 kN đồ thị gia cố lần lực va chạm tiến mức kN Qua phân tích thấy vùng an toàn tài xế, lực đỉnh khả hấp thu động cải tiến đáng kể, nhiên lực đỉnh lớn với mức 4715 kN Hình Mơ hình biến dạng cục sát-xi va chạm 3.2 Ảnh hưởng việc gia cố lực a Gia cố lần Hình Sự biến dạng phần trước khung xương xe gia cố lần Trong phần này, ảnh hưởng việc tăng bề dày sát-xi từ 6mm lên 8mm, tăng thêm hai ống thép vng có kích thước vng 160x160x720mm, dày 5mm ống nhơm hình nón hấp thu lực có kích thước 400x160x140 mm, dày 5mm hình Hình Đồ thị lực va chạm gia cố lần b Gia cớ lần Hình5 Mơ hình gia cố phần trước khung xương Sau cải tiến mơ hình phần trước khung xương tiến hành mô kiểm nghiệm Kết mô cho thấy, không Dựa vào phương án cải tiến lần thứ tiến hành gia cố lần 2, phương án gia cố nhằm giảm tối đa lực đỉnh Thay ống nhơm hình nón đơn ống gia cớ lần ống nhơm hình nón đa ống Mỗi ống nhôm đa ống ghép ba ống nhôm đơn lồng vào nhau, ống nhơm ngắn ống nhơm ngồi, hình Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 41 a Thời điểm va chạm ms Hình Hình chiếu ống nhơm hình nón đa ống Như hình hình 10, kết mô sau cải tiến lần thảo luận rõ qua ba giai đoạn va chạm sau b Thời điểm va chạm 30 ms Giai đoạn bắt đầu va chạm (0-10 ms), hình thành lực đỉnh xảy Điểm xuất phát biến dạng xảy tất đỉnh ống nhơm, hình 10a Điều giúp cho lực đỉnh giảm đáng kể, lực đỉnh giảm 50% so với chưa cải tiến; Giai đoạn hấp thu động (10-55 ms), kết cấu ống nhơm đa ống biến dạng đồng bộ, hình thể biên độ dao động xung lực giai đoạn gần không Hiện tượng biến dạng cục không xảy ra, ứng suất phân tán tồn khung xương, hình 10b -10c; Giai đoạn bắt đầu ngừng va chạm (55- 90 ms), trình hấp thu động giảm dần Điều thể rõ hình 9, đường cong lực giảm khơng ứng suất phân bố khung xương giảm so với giai đoạn 2, hình 10d.Kết cho thấy động tơ hấp thu hồn tồn thông qua khung xương c Thời điểm va chạm 50 ms d Thời điểm va chạm 55 ms Hình 10 Trình tự biến dạng, phân bố ứng suất sát-xi phận hấp thu lực Hình Đồ thị lực va chạm sau cải tiến lần KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày phân tích mơ va chạm trực diện cho toàn khung xương xe khách Một kết rõ ràng mang tính ứng dụng cao Mơ hình mơ cho phép xác định giá trị 42 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh biến dạng ứng suất điểm khung xương xe thời điểm q trình va chạm Kết mơ cịn biểu diễn ứng suất toàn khung xương xe Có thể thấy phần sát-xi trước khung xương đầu xe vùng có ứng suất tập trung lớn Đây sở quan trọng để tính tốn độ bền, an tồn bị động khung vỏ xe q trình thiết kế, chế tạo hồn thiện kết cấu khung vỏ đánh giá xác tai nạn thực đường Ngoài ra, nghiên cứu cịn trình bày kết việc ứng dụng cấu trúc ống nhơm hình nón đa ống khung xương đầu xe khách nhằm đáp ứng an toàn hành khách Kết cho thấy ngồi đảm bảo khơng gian an tồn cho tài xế cịn giảm lực đỉnh lên đến 50% so với ban đầu Đây số cao, ứng dụng vào thực tế để thử nghiệm sản xuất ứng dụng vào nước ta Đặc biệt tình hình tai nạn giao thơng xe khách nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiong Zhang, Theoretical prediction and numerical simulation of multi-cell square thin-walled structures; Thin-Wall Structures 4, 1185-1191, 2006 [2] Ahmed Elmarakbi, Crash analysis and energy absorption characteristics of S-shaped longitudinal members; Thin-Wall Structures, 68, 65-74, 2013 [3] Nguyin-Wall StrOptimisation design of reinforced S-shaped frame structure under axial dynamic loading International Journal Crashworthiness; 19, 385-393, 2014 [4] H.F Yin, Multiobjective crashworthiness optimization design of functionally graded foam-filled tapered tube based on dynamic ensemble metamodel Materials design; 55,747–757, 2014 [5] Nguy–757, 2014.craThiết kế tiết kế, 2014.crashworthiness optimization design o, Ttiết kếKhoa hkế, 2014.craKhoa hkế, 20, 29-35, 2015 [6] ECE R94, Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants in the event of a frontal collision Official Journal of the European Union, 2010 [7] HS Kim, New extruded multi-cell aluminum profile for maximum crash energy absorption and weight efficiency Thin Wall Structures; 40(4), 311–327, 2002 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Văn Sỹ Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM Email: synguyen2@gmail.com ... cong lực giảm không ứng suất phân bố khung xương giảm so với giai đoạn 2, hình 10d.Kết cho thấy động ô tô hấp thu hồn tồn thơng qua khung xương c Thời điểm va chạm 50 ms d Thời điểm va chạm 55... nón hấp thu lực có kích thước 400x160x140 mm, dày 5mm hình Hình Đồ thị lực va chạm gia cố lần b Gia cố lần Hình5 Mơ hình gia cố phần trước khung xương Sau cải tiến mơ hình phần trước khung xương. .. gọi lực đỉnh khả biến dạng khung xe Dựa hai yếu tố này, để phân tích tính va chạm tơ nhiều nhà thiết kế ô tô đưa hai tiêu quan trọng nhiên cứu va chạm: lực đỉnh khả hấp thu động [7] Lực đỉnh lực