Thiết kế tối ưu kết cấu thân ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66

Bài viết này trình bày quá trình thiết kế tối ưu kết cấu xe khách thỏa mãn tiêu chuẩn lật nghiêng. Trên cơ sở mô hình phần tử hữu hạn phân tích tính năng an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu khung xương ô tô khách.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thiết kế tối ưu kết cấu thân ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66 Optimal design for frame structure of buses to satisfy rollover safety based on ECE R66 standard Nguyễn Thành Tâm Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Email: nguyenthanhtam@iuh.edu.vn Tel: +84- 0283.8940 390-241; Mobile: 0909301810 Tóm tắt Từ khóa: Kết cấu tơ khách, Phân tích mơ phỏng, Tiêu chuẩn ECE R66, Tối ưu hóa Bài báo trình bày trình thiết kế tối ưu kết cấu xe khách thỏa mãn tiêu chuẩn lật nghiêng Trên sở mơ hình phần tử hữu hạn phân tích tính an tồn lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu khung xương ô tô khách Sử dụng phương pháp thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thực nghiệm mơ phân tích tính an tồn ô tô khách xảy lật nghiêng cho biến lượng thiết kế độ dày kết cấu khung xương, 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, kết cấu khung xương sau tối ưu thỏa mãn u cầu khơng gian an tồn tiêu chuẩn ECE R66, trọng lượng kết cấu sau tối ưu giảm 10,9% so với ban đầu, thực nhẹ hóa trọng lượng ô tô khách Abstract Keywords: Bus structure, Simulation analysis, ECE R66 standard, Optimization This paper describes the design for optimization of buses structure to satisfy the rollover safety Based on the finite element model, we analyzed the bus rollover safety according to ECE R66 standard, and designed the optimization for bus frame structure Orthogonal design method was used to establish the experimental simulation scheme for analysis of bus safety in rollover scenarios with different thicknesses of steel tube The SPSS software was used to conduct regression analysis on simulation results and establishing regression functions, the design variables were optimized by MATLAB software The results showed that, after optimizing the frame structures in accordance with ECE R66, the total weight of optimized bus structures was decreased by 10.9%, thus accomplished the lightweight design of bus body Ngày nhận bài: 02/8/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Hiện nạn xe khách gây thường xuyên, va chạm trực diện, bên hơng, phía sau, đặc biệt va chạm lật nghiêng làm khung xương biến dạng xâm phạm vào không gian an toàn gây thương vong lúc nhiều hành khách Do vấn đề đảm bảo an tồn cho hành HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 khách bên xe nhà nghiên cứu quan tâm hàng đầu, từ tiêu chuẩn an tồn kỹ thuật ô tô đời nhằm bắt buộc công ty sản xuất ô tô thực thiết kế đạt chuẩn, có tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng ECE R66 Ủy ban kinh tế Châu Âu sáng lập Tác giả Tomas Wayhs Tech sử dụng phần mềm LS-DYNA để tiến hành mơ tính an tồn kết cấu khung xương ô tô khách điều kiện lật nghiêng, dựa kết mô tiến hành phân tích đưa phương án thiết kế cải tiến nhằm thỏa mãn theo yêu cầu tiêu chuẩn quy định, chưa thực tối ưu hóa kết cấu [1]; Tác giả Yu-Cheng Lin sử dụng phần mềm HYPERMESH 7.0 để xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho đoạn xe, sau dùng phần mềm LS-DYNA 970 để phân tích kết mơ lật nghiêng Tác giả tiến hành so sánh kết thí nghiệm kết mơ phỏng, điều chỉnh mơ hình phần tử hữu hạn thông số kỹ thuật kết mơ thí nghiệm gần nhau, chưa tối ưu hóa kết cấu [2]; Tác giả Nguyễn Thành Tâm tiến hành nghiên cứu cải tiến kế cấu thân xe khách thỏa mãn tính an tồn lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66, nhiên tác giả chưa tối ưu kết cấu [3] Nghiên cứu dựa vào tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R66, sử dụng thông số vật liệu chế tạo khung, tiết diện mơ hình phân tích tính an tồn lật nghiêng xe khách nghiên cứu trước [3] làm đối tượng nghiên cứu tối ưu, sử dụng phương pháp thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thí nghiệm mơ lật nghiêng 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 tơ khách, đảm bảo tính an tồn kết cấu, thực nhẹ hóa kết cấu tơ khách U CẦU KHƠNG GIAN AN TỒN Tiêu chuẩn ECE R66 (Economic Commission of Europe, Regulation 66) quy định kiểm tra an toàn kết cấu khung xương xe điều kiện lật nghiêng [4] Tiêu chuẩn Uỷ ban Kinh tế Châu Âu sáng lập, phiên chỉnh lý vào cuối tháng năm 2006 Tiêu chuẩn quy định khoảng cách mặt phẳng lật xe mặt phẳng va chạm 800 mm, xe đứng yên mặt phẳng lật, nghiêng mặt phẳng từ từ với vận tốc góc khơng 50/s (0,087 rad/s) xe bắt đầu lật đổ, hình ECE R66 quy định kết cấu thân xe biến dạng sau kiểm tra va chạm lật nghiêng không xâm phạm vào không gian an tồn; phận khơng gian an tồn khơng cho phép lồi bên kết cấu khung xương sau biến dạng Quy định kích thước khơng gian an tồn thể hình Hình Q trình thí nghiệm va chạm lật nghiêng xe khách HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) (b) Hình (a) Mặt cắt ngang; (b) Mặt cắt dọc CHỌN THÔNG SỐ KẾT CẤU TỐI ƯU HĨA Dựa vào cách bố trí kết cấu dầm xe, tiến hành phân chia cụm khung xương có ảnh hưởng đến khả chịu lực xe lật nghiêng thành biến thông số kết cấu thiết kế từ đến , thể hình Biến gồm cửa trước chắn gió trái phải phía trước đầu xe, biến gồm trụ đứng trái phải phía trước hơng xe, biến gồm 18 trụ hông trái phải xe, biến gồm dọc trái phải hông xe, biến gồm trụ đứng trái phải phía sau hơng xe, biến gồm 10 trụ đứng cửa sổ trái phải hông xe, biến gồm đà ngang trần xe > Hình Các thơng số kết cấu tối ưu hóa HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Do biến độ dày ảnh hưởng lớn đến độ cứng trọng lượng kết cấu xe, tất biến độ dày xem xét từ thực tế, chọn độ dày biến , , , , nằm phạm vi - 5mm; Nghiên cứu định nghĩa lượng xâm nhập kết cấu thân xe với không gian an toàn D; chọn khoảng cách nhỏ trụ đứng thân xe với không gian an tồn tính tốn D, trụ đứng phía trước hơng xe D1, trụ đứng phía sau hông xe D2 Giá trị âm biểu thị xâm nhập, giá trị dương biểu thị chưa xâm nhập, thể hình (a) (b) Hình (a) Khơng gian an tồn; (b) Các thơng số điều kiện MƠ PHỎNG 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: Biến thiết kế: y = (x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7) ( )= s.t D1  , D2  ≤ x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 ≤ Trong đó, F(y) hàm số mục tiêu; toàn số kết cấu tối ưu hóa; trọng lượng cụm kết cấu tối ưu hóa thứ j Trong thí nghiệm mơ có tổng cộng biến thơng số kết cấu, biến chọn cấp độ, Do đó, bảng thiết kế thí nghiệm trực giao (4 ) thiết lập [5], cần tiến hành tổng cộng 16 mô kiểm tra an tồn kết cấu lật nghiêng tơ khách Bảng Cấp độ nhân tố Nhân tố Cấp Cấp Cấp Cấp /mm /mm /mm /mm /mm /mm /mm HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Giá trị thơng số thiết kế thí nghiệm trực giao STT 10 11 12 13 14 15 16 /mm 5 5 /mm 5 2 4 3 /mm 4 2 4 5 3 5 /mm 3 4 5 2 4 3 2 5 /mm 3 3 2 3 3 /mm 3 2 3 2 3 /mm 3 2 2 3 3 2 2 3 Bảng Giá trị mục tiêu điều kiện sau mô STT 10 11 12 13 14 15 16 M/kg 416,6 440,4 506,2 450,2 506,3 501,3 339,2 413,9 463,4 498,9 419,9 429,4 340,1 400,6 518,6 605 /mm 9,2 42,7 91,9 11,9 25,1 7,8 -56,5 19,5 6,8 80 19,5 18,2 -35,7 -1,1 37,7 132,9 D /mm -37,3 -73,5 -16 -73,3 -40 -51 -80,8 -88,9 -34,4 -33,4 -63 -55,5 -95,9 -59,8 -42,1 -6,4 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: = + + = 1,2 … , + HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 , Trong đó, y hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc 2; … , tham số thiết kế , , , hệ số hồi quy; Do số lần mơ thí nghiệm nghiên cứu 16, số thông số kết cấu thiết kế 7, 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 giá trị thu từ kết mô bảng 16 lần thí nghiệm, sử dụng mơ hình hồi quy mặt phản ứng bậc tiến hành hồi quy thơng số tối ưu hóa tổng trọng lượng thơng số điều kiện, thu hàm số mục tiêu M hàm số ràng buộc D , D Hàm số hồi quy cụ thể sau: − 4,434 − 2,078 + 20,014 − 0,063 = 243,05 + 1,058 + 2,572 + 4,246 − 8,385 − 0,718 + 7,766 − 1,99 + 20,076 + 9,646 − 10,399 − 16,764 = −109,417 + 0,107 + 8,169 + 35,113 + 4,739 − 7.794 − 1.836 + 32,113 − 2,875 − 15,852 + 1,159 + 11,342 − 13,655 + 15,216 − 20,224 − 30,752 = −132,225 + 0,493 − 1,472 − 2,938 + 4,376 − 1,464 + 0,859 + 6,205 − 5,687 − 7,815 − 0,308 + 2,37 + 9,464 − 3.389 − 0,688 + 9.651 Sử dụng hệ số R tiến hành đánh giá độ tin cậy phương trình hồi quy, độ tin cậy phương trình M, D D 0,999, 0,999 0,999 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 thơng số kết cấu thiết kế hàm số mục tiêu hàm số điều kiện, thu giá trị biến độ dày kết cấu, khối lượng khoảng cách tối ưu Bảng Giá trị độ dày khung xương, khối lượng, khoảng cách sau tối ưu Giá trị Tối ưu Mô /mm /mm /mm /mm /mm /mm /mm 3,6 3,5 3,66 3,5 3,69 3,67 3,69 3,6 3,5 3,6 3,5 M/kg 519 532,8 /mm 97 112,2 D /mm 0,01 8,9 Do độ dày thép thị trường nói chung 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5, ; 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 mô phân tích lại tính an tồn kết cấu sau tối ưu hóa; giá trị biến độ dày, khối lượng, khoảng cách thể bảng Nhằm kiểm nghiệm lại độ bền khung xương xe sau tối ưu hóa, tiến hành mơ lại biến tối ưu, kết sau mô cho thấy khoảng cách D >0 D2 >0 thỏa mãn điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn, đồng thời trọng lượng kết cấu sau tối ưu hóa giảm 10,9% so với trước tối ưu Kết đánh giá thể hình bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Kết mơ sau tối ưu hóa nhìn từ phía trước Bảng Bảng so sánh giá trị trước sau tối ưu Thứ tự Giá trị Trước tối ưu Sau tối ưu /mm 3,5 /mm 3,5 /mm 4 /mm 4,5 /mm 3,5 /mm 3,5 /mm 4,5 3,5 598,5 532,8 M/kg /mm 110 112,2 10 D /mm 9,3 8,9 KẾT LUẬN Tăng độ dày kết cấu khung xương đảm bảo an toàn thân xe cứng vững điều kiện lật nghiêng Tuy nhiên cách làm tăng khối lượng xe, hấp thụ lượng kết cấu giảm, tăng chiều cao trọng tâm xe dẫn đến tăng tổn thương hành khách Bài tốn chọn biến thiết kế thí nghiệm mô phỏng, xây dựng hàm mục tiêu hồi quy dùng giải thuật di truyền tính tốn tối ưu giá trị thông số kết cấu độ dày cho giá trị tối ưu tin cậy khoa học Kết tối ưu cho thấy, biến dạng kết cấu thân xe sau va chạm xe lật nghiêng không xâm phạm vào khơng gian an tồn, thỏa mãn tiêu chuẩn ECE R66, đồng thời trọng lượng sau tối ưu giảm 10,9% so với trước tối ưu hóa HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tomas WT, Ignacio I, Agenor D D M J, Numerical simulation of bus rollover In: SAE Technical Paper Number 2007 – 01 – 2718 Warrendate, PA: (2007) [2] Yu C L, Hong C N, Structural design optimization of the body section using the finite element method In: SAE Technical Paper Number 2006 – 01 – 0954 Warrendate, PA: (2006) [3] Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế cải tiến kết cấu thân xe khách thỏa mãn tính an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ IV, 2015 [4] ECE-R66 E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1, Uniform Technical Prescriptions Coneeming the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Supertstructure 2006, Untied Nations [5] Liu Wen Qing, Design of Experiments, 224, Tsinghua University  ... kế cấu thân xe khách thỏa mãn tính an tồn lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66, nhiên tác giả chưa tối ưu kết cấu [3] Nghiên cứu dựa vào tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R66, sử dụng thông... MATLAB tiến hành thiết kế tối ưu hóa biến lượng thiết kế độ dày kết cấu tơ khách, đảm bảo tính an tồn kết cấu, thực nhẹ hóa kết cấu tơ khách U CẦU KHƠNG GIAN AN TỒN Tiêu chuẩn ECE R66 (Economic... 2018 khách bên xe nhà nghiên cứu quan tâm hàng đầu, từ tiêu chuẩn an tồn kỹ thuật ô tô đời nhằm bắt buộc công ty sản xuất ô tô thực thiết kế đạt chuẩn, có tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng ECE R66