Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm va chạm đầu dummy

Bài báo này nhắm đến việc tạo ra một mô hình đầu dummy ứng dụng trong nghiên cứu mô phỏng công nghiệp. Để đạt được mục tiêu này, tác giả đã xây dựng một mô hình thực tế đầu dummy được gia công từ mô hình đầu dummy 3D.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM VA CHẠM ĐẦU DUMMY RESEARCH DUMMY HEAD ON SIMULATION AND TESTING NGUYỄN TIẾN ĐẠT, TRẦN THANH TÙNG* Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: tung.tranthanh2@hust.edu.vn Giới thiệu Tóm tắt Đầu người phận thể người cần ưu tiên bảo vệ tai nạn xảy Bài báo nhắm đến việc tạo mơ hình đầu dummy ứng dụng nghiên cứu mô công nghiệp Để đạt mục tiêu này, tác giả xây dựng mơ hình thực tế đầu dummy gia cơng từ mơ hình đầu dummy 3D Mơ hình thực tế gắn cảm biến để đo gia tốc thí nghiệm va chạm Mơ hình 3D cịn mơ hình hóa thành mơ hình phần tử hữu hạn FE để đưa vào phần mềm Hyper Works, sau chạy mơ va chạm lấy gia tốc đầu Kết chạy mơ so sánh với kết thí nghiệm mơ hình đầu thực tế dummy tiêu gia tốc trọng tâm đầu Từ thảo luận để rút kết luận việc sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn đầu dummy để làm mơ tốn sau Từ khóa: Va chạm, thí nghiệm, mơ phỏng, gia tốc Abstract The head is the part of the human body that needs to be protected first in the event of an accident This paper aims to create a dummy head model applied in industrial simulation research To achieve this goal, the author has built a realistic model of the dummy head machined from the 3D dummy head model The actual model is fitted with a sensor to measure the acceleration during the crash test The 3D model is also modeled into a finite element model FE to put into Hyper Works software, then run a crash simulation to get the head acceleration The simulation results are compared with the experimental results of the actual dummy head model in terms of the head center of gravity acceleration From there, discuss to draw conclusions about the possibility of using the first finite element model dummy to simulate later problems Keywords: Crash, acceleration SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) experiment, simulation, Vấn đề thử nghiệm va chạm nhiều lĩnh vực khác như: tàu thủy, máy bay, tàu hỏa, tơ, sản phẩm bảo hộ,… để đưa đối tượng có an tồn hay khơng người sử dụng Các thử nghiệm va chạm thường phức tạp nên cần chi phí cao để thực nhiều thử nghiệm khác Những công ty đồ bảo hộ cần phải thực thử nghiệm kiểm tra chất lượng sản phẩm Các hãng xe ô tô đời mà muốn đưa xe vào thị trường cần qua thử nghiệm có thử nghiệm va chạm Ngày thiết kế xe an toàn điều quan trọng ngành công nghiệp ô tô Và dummy sử dụng dụng cụ kiểm tra độ xác cao để đo lường khả thương tích người vụ tai nạn xe Các thử nghiệm để kiểm tra phản ứng người tác động, gia tốc, biến dạng, lực momen quán tính sinh vụ tai nạn Mỗi hình nộm thiết kế để mơ hình hóa hình thức, trọng lượng khớp nối thể người Hàng trăm cảm biến đầu dị nằm hình nộm cung cấp liệu cho kỹ sư kiểm tra an tồn, đo lực vật lý xác gây cho phận thể cố cố Một mơ hình dummy thực tế thiết bị đo đạc có giá cao, kiểm tra cố thực sử dụng xe tốn lặp lại kiểm tra khó khăn Do đó, mơ máy tính phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng rộng rãi Đã có nghiên cứu trước việc xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn dummy có độ trung thực cao dummy người lớn giới tính nữ xác nhận mơ hình FE xây dựng thơng qua q trình xác định vật liệu [1] Đầu người phận thể người cần ưu tiên bảo vệ số phận chứa hệ thần kinh điều khiển phận khác thể người Vì kiểm tra thử nghiệm va chạm với đầu thực tế mô công việc cần làm Để tiếp cận khía cạnh này, tác giả xây dựng mơ hình thực tế đầu dummy mơ hình phần tử hữu hạn mơ toàn va chạm phần mềm Hyperworks 173 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Mơ hình thực tế đầu dummy gắn cảm biến đo tiến hành thí nghiệm lấy kết đo Mơ hình phần tử hữu hạn mơ giống hồn tồn q trình thí nghiệm thực tế xuất kết đo Khảo sát kết hai mơ hình, qua đánh giá mức độ tin cậy mơ hình phần tử hữu hạn Từ sử dụng để làm nhiều mơ sau kiểm tra an toàn khác kiểm tra an tồn tơ, an tồn túi khí, kiểm tra an toàn cho mũ bảo hiểm hay kiểm tra an toàn đồ bảo hộ Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp tổng quát hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp toán kỹ thuật khác Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng kết cấu khí, chi tiết tơ, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu,… đến toán lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện - từ trường, Với trợ giúp ngành Công nghệ thông tin hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp tính toán thiết kế chi tiết cách dễ dàng [2] Cơ sở phương pháp làm rời rạc hóa miền xác định tốn, cách chia thành nhiều miền hay phần tử Các phần tử liên kết với điểm nút chung Trong phạm vi phần tử nghiệm chọn hàm số xác định thông qua giá trị chưa biết điểm nút phần tử gọi hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân phần tử Tập tất phần tử có ý đến điều kiện liên tục biến dạng chuyển vị điểm nút liên kết phần tử Kết đẫn đến hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số giá trị hàm xấp xỉ điểm nút Giải hệ phương trình tìm giá trị hàm xấp xỉ điểm nút phần tử, nhờ hàm xấp xỉ hồn tồn xác định phần tử Một toán phần tử hữu hạn ngày muốn giải phải trải qua hai công đoạn: Pre-processing post-processing Pre-processing q trình tiền phân tích gồm cơng việc chia lưới thiết lập điều kiện biên cho mô hình Post-processing q trình giải, phân tích xử lý kết Q trình từ xây dựng mơ hình tính tốn xử lý kết giới thiệu rõ phần sau 174 2.2 Phương pháp Explicit - toán va chạm Phương pháp Expicit phương pháp sử dụng phân tích số để thu giá trị số gần nghiệm phương trình vi phân thường phần phụ thuộc thời gian [3] Phương pháp Expicit ứng dụng cho toán động diễn thời gian ngắn (nhỏ giây), toán va chạm tức thời, vận tốc lớn va chạm xe hơi, thả rơi, tốn có nhiều liên kết phức tạp, tính đến phá hủy Phương trình cân động lực học tức thời viết dạng: [ ] + + { }={ ( )} Trong đó: M - Ma trận khối lượng; C - Ma trận giảm chấn; K - Ma trận độ cứng Các đại lượng chuyển vị, vận tốc gia tốc xác định từ điều kiện ban đầu chuyển vị vận tốc theo thời gian Tất đại lượng khác lấy từ đại lượng quan trọng ứng suất phần tử, biến dạng dẻo, lực tương tác lượng động năng, Các phần mềm giải phương trình cân động sử dụng cho vấn đề phi tuyến tính cao dùng phương pháp Expicit Một số ưu điểm quy trình quan trọng dẫn đến thuật tốn dễ dàng lập trình, khơng u cầu quy trình đảo ngược ma trận phù hợp với phương pháp tính tốn song song nhanh Phần mềm Hyperworks sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn phần mềm sử dụng phương pháp Explicit để tính tốn tốn va chạm Xây dựng tốn 3.1 Xây dựng tốn Mơ hình thực tế đầu dummy gia cơng từ vẽ 3D mơ hình đầu dummy tác giả Nguyễn Tiến Phú thuộc Lab Simulation & Control, Bộ môn ô tơ xe chun dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Bản vẽ 3D xây dựng dựa mơ hình Hybrid Dummy III, với kế thừa thông tin từ báo quốc tế vẽ “Hybrid III 50th percentile male” [6] Mơ hình thực tế đầu dummy gồm có 14 chi tiết bao gồm cụm chi tiết lắp ráp lớn phần đầu phần cổ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 phương pháp in 3D với vật liệu nhựa TPU đặc 20%, nhựa PLA đặc 20% Hình Bản vẽ lắp 2D Bảng Các chi tiết đầu dummy TT Tên chi tiết Số lượng Da sọ sau Sọ sau Da sọ trước Sọ trước Đế lắp cảm biến Khớp nối cổ Ụ cao su Khớp nối cổ Đĩa 10 Dây nối cổ 11 Đĩa cao su 12 Đĩa 13 Đĩa 14 Bệ đỡ cổ Bảng Cách gia công vật liệu chi tiết Cách TT Tên chi tiết gia Vật liệu Da sọ sau In 3D Nhựa PLA Sọ sau In 3D Nhựa PLA Da sọ trước In 3D Nhựa PLA Sọ trước In 3D Nhựa PLA Đế lắp cảm biến In 3D Nhựa PLA Khớp nối cổ In 3D Nhựa PLA Hình Bản vẽ lắp 3D Hình Mơ hình lắp ráp sau gia cơng Mạch đo gia tốc kết nối cảm biến gia tốc Mpu6050 với Arduino Nano Các chân hàn nối mạch với PCB đục lỗ hai mặt công Ụ cao su In 3D Nhựa TPU Khớp nối cổ Cơ khí Nhơm 6061 Nhơm 6061 Đĩa Cơ khí 10 Dây nối cổ Cơ khí Thép C45 Hình Sơ đồ mạch đo gia tốc 11 Đĩa cao su In 3D Nhựa TPU 12 Đĩa Cơ khí Nhơm 6061 13 Đĩa Cơ khí Nhơm 6061 14 Bệ đỡ cổ Cơ khí Nhơm 6061 Arduino công cụ để điều khiển thiết bị điện tử Lựa chọn Arduino nano để làm mạch điện đầu dummy thiết kế Arduino nano nhỏ gọn kích thước 18,5 x 43 (mm), phù hợp với không gian bên mơ hình đầu dummy Cảm biến gia tốc Mpu6050 cảm biến trục đo gia tốc theo trục tịnh tiến, trục Mơ hình sử dụng hai cách gia cơng gia cơng khí sử dụng đồ gá, máy phay, máy tiện, máy khoan, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 175 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 quay [4] Kích thước: 20,2 x 15,5 (mm) Cảm biến dummy lắp vào điểm trùng với trọng tâm đầu, dựa theo kích thước Vật liệu đưa vào mô giống với vật liệu làm mơ hình thực tế 3.3 Thí nghiệm mô va chạm Bài kiểm nghiệm thực tế lắc đơn va chạm vào đầu dummy Đây toán đơn giản, phù hợp với điều kiện thực hiện, dễ dàng tính tốn thơng số Hình Vị trí lắp đặt cảm Hình Vị trí lắp đặt biến vẽ cảm biến thực tế Cơng cụ sử dụng để lập trình cho arduino đọc giá trị cảm biến phần mềm Arduino IDE [5] Giá trị đo được gửi từ Arduino IDE tới File Excel gồm thời gian gia tốc a theo ba phương X, Y, Z (ax, ay, az) tiện ích PLX-DAQ Gia tốc tổng tính theo cơng thức: = + + Hình Con lắc đơn Con lắc chế tạo phương pháp in 3D nhựa in PLA, với độ đặc 100% kéo thả va chạm vào vị trí trán đầu dummy Thông số đầu vào kiểm tra: · Khối lượng lắc: 15gam; · Đường kính lắc: 30mm; · Chiều dài dây treo: 370mm; · Góc thả ban đầu: 900; 3.2 Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng phần mềm HyperWork hãng Altair Ở toán này, mơ hình có độ dày tương quan với chiều dài chiều rộng nên ta chọn loại phần tử chia lưới phần tử 3D với kích thước lưới Kích thước lưới đảm bảo kích thước chia lưới khơng q nhỏ dẫn đến kết xác thời gian tính tốn lâu kích thước lưới lớn dẫn đến thời gian tính tốn nhanh kết khơng xác · Điểm va chạm với đầu trùng với vị trí cân lắc đơn, vị trí va chạm cách đỉnh đầu dummy 50mm Bảng Thông số vật liệu thép C45 Thông số Modul đàn hồi E (Mpa) Khối lượng riêng (g/mm3) Hệ số poisson Giá trị 210000 7,85.10-9 0,3 Bảng Thông số vật liệu nhựa PLA 20% Thông số Modul đàn hồi E (Mpa) Khối lượng riêng (g/mm3) Hệ số poisson Giá trị 4400 4,25.10-11 0,3 Bảng Thông số vật liệu nhựa TPU đặc 20% Thông số Modul đàn hồi E (Mpa) Khối lượng riêng (g/mm3) Hệ số poisson 176 Giá trị 2410 9,6.10-10 0,3897 Hình Thí nghiệm thực tế Vận tốc lắc điểm bắt đầu va chạm vào đầu dummy tính theo cơng thức bảo tồn lượng: = Từ thơng số đầu vào trên, thay số tính vận tốc v = 2,748m/s Vận tốc đầu vào cho tốn mơ phỏng, vận tốc lắc va chạm vào đầu dummy Con lắc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn với vật liệu thực tế thơng số đầu vào Vị trí lấy gia tốc mô va chạm trùng với điểm đặt cảm biến lấy gia tốc kiểm nghiệm thực tế SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Thơng số vật liệu lắc - nhựa PLA đặc 100% Thông số Giá trị Modul đàn hồi E (Mpa) Khối lượng riêng (g/mm3) 4400 1,05.10-9 Hệ số poisson 0,3 Kết giá trị gia tốc cực đại thí nghiệm thực tế 22,36m/s2, mô 24,10m/s2, với sai khác 6,9% Đây sai khác chấp nhận (