(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÁ ÐƯỢC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢI TIẾN TÍNH NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG VA CHẠM TRỰC DIỆN CỦA XE KHÁCH NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 SKC004979 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÁ ĐƢỢC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢI TIẾN TÍNH NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƢỢNG VA CHẠM TRỰC DIỆN CỦA XE KHÁCH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60520116 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÁ ĐƢỢC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢI TIẾN TÍNH NĂNG HẤP THỤ NĂNG LƢỢNG VA CHẠM TRỰC DIỆN CỦA XE KHÁCH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THÀNH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN BÁ ĐƢỢC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/08/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Quảng Trị Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 88 Trương Văn Thành, P.Hiệp Phú, Q9, HCM Điện thoại nhà riêng: 0167.457.8483 Điện thoại quan: E-mail: dh07ot@gmail.com Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 10/ 2010 Nơi học: Trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ kỹ thuật ô tô Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 23/06/2010, TP HCM III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 10/ 2010 đến i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 09 năm 2016 (ký tên ghi rõ họ tên) NGUYỄN BÁ ĐƯỢC ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thành Tâm, người định hướng giải vấn đề khoa học tận tình hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn tập thể đồng nghiệp công tác trung tâm dạy nghề Phước Lộc tạo điều kiện giúp đỡ cho thực luận văn Tôi xin cảm ơn tất q Thầy, Cơ tham gia giảng dạy chương trình đào tạo thạc sĩ kĩ thuật khí động lực trang bị cho tơi kiến thức bổ ích suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân quan tâm, động viên giúp đỡ cho suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 09 năm 2016 Học viên: NGUYỄN BÁ ĐƯỢC iii TÓM TẮT Dựa vào tiêu chuẩn ECE R94 ECE R66 ứng dụng phần mềm LS - DYNA xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn mơ phân tích tính an tồn kết cấu đầu ô tô khách xảy va chạm trực diện Căn vào vấn đề tồn kết cấu đầu xe, tiến hành đưa phương án thiết kế hấp thụ lượng va chạm trực diện đặt trước đầu xe nhằm giảm lực va đập, giảm tổn thương hành khách xảy va chạm trực diện, đồng thời mô kiểm nghiệm tính an tồn kết cấu Kết mơ cho thấy, kết cấu đầu xe sau cải tiến thỏa mãn điều kiện an toàn Kết quả, thiết kế hấp thụ lượng đặt trước đầu xe gia tốc va chạm giảm 14%, tăng tính an tồn cho hành khách Từ khóa: va chạm trực diện, kết cấu tơ khách, phân tích mơ phỏng, cải tiến ABSTRACT The finite element model of was developedand LS – DYNA software was use to simulate structural safety of the bus when frontal impact happens Based on the existing structural problems of the car, proceed given the design plans of the energy absorbing frontal collisions before the car set to reduce impact force, reduce passenger injuries occur and direct touch, test and simulate the structural safety features Result, the design of energy absorbing front of the car is set accelerator collisions decreased by 14%, increased safety features for passengers Keywords: Structural passenger cars, frame car, design of experiments, analysis simulation, fimprovement iv MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract iv Mục lục v Danh mục ký hiệu từ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình xi Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tình hình tai nạn giao thông 1.2 Nghiên cứu nước 1.2.1 Nghiên cứu nước 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Phạm vi nghiên cứu 1.7 Nội dung nghiên cứu Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM 2.1 Cơ sở lý thuyết va chạm 2.1.1 Va chạm 2.1.2 Lực va chạm xung lực va chạm 2.1.3.1 Đặc tính biến dạng không đổi đầu trước xe (f = const) .10 2.1.3.2 Đặc tính biến dạng tuyến tính đầu trước xe F. c.x 10 v 2.1.3.3 Lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng F k.x 11 2.1.3.4 Biến dạng đàn hồi định luật hooke 12 2.1.3.5 Định luật poisson 13 2.1.3.6 Giới hạn bền hệ số an toàn vật liệu 14 2.2 Ứng dụng phần mềm vào nghiên cứu 16 2.2.1 Phần mềm hypermesh 16 2.2.2 Phần mềm hyperview 17 2.2.3 Phần mềm ls – dyna 17 Chƣơng XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KHUNG XƢƠNG Ô TÔ KHÁCH GHẾ NGỒI TRÊN PHẦN MỀM 18 3.1 Mơ hình tổng thể tơ khách (3d) 18 3.2 Mơ hình tổng thể tô khách (2d) 19 3.3 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn 19 3.3.1 Chỉnh sửa mô hình từ file cad 3d hypermesh 19 3.3.2 Chia lưới mơ hình khung xương xe khách 20 3.3.3 Kiểm tra chỉnh sửa lưới mơ hình khung xương xe khách 22 3.3.3.1 Kiểm tra chất lượng lưới 22 3.3.3.2 Chỉnh sửa lưới 22 3.3.4 hàn lưới 23 3.3.5 Chọn vật liệu đặc tính cho mơ hình 24 3.3.5.1 Chọn vật liệu 24 3.3.5.2 Tạo đặc tính cho mơ hình 25 3.3.6 Gắn khối lượng mơ hình xe khách 26 3.3.7 Tạo liên kết thành phần mô hình 29 3.3.7.1 Tạo set nodes 29 3.3.7.2 Tạo set part 29 3.3.7.2 Xác định trọng tâm mơ hình xe khách 30 3.3.7.3 Tạo tiếp xúc toàn xe với mặt đường, vật cản 31 3.3.7.4 Xác định chiều trọng lực 34 vi 3.3.8 Gán điều kiện biên 38 3.3.8.1 Thiết lập vận tốc 38 3.3.8.2 Thiết lập thông số 38 CHƢƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TÍNH AN TỒN KẾT CẤU ĐẦU XE KHÁCH GHẾ NGỒI VÀ PHƢƠNG PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤU ĐẦU XE KHI XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN 43 4.1 Kết trình va chạm trực diện chưa gắn hấp thụ lượng trực diện 43 4.1.1 Quá trình va chạm trực diện phía trước 43 4.1.2 Chuyển vị xe va chạm trực diện lúc chưa cải tiến 44 4.1.3 Vận tốc xe va chạm trực diện lúc chưa cải tiến 45 4.1.4 Gia tốc xe va chạm trực diện lúc chưa cải tiến 46 4.2 Phương pháp cải tiến mơ hình q trình va chạm trực diện 47 4.3 Bộ hấp thụ lượng va chạm trực diện 48 4.3.1 Bộ hấp thụ lượng va chạm trực diện gắn cho ô tô khách .48 4.3.2 Cấu tạo hấp thụ lượng va chạm trực diện cho ô tô khách 49 4.3.2.1 Đầu piston 49 4.3.2.2 Đệm cao su 49 4.3.2.3 Trụ piston 50 4.3.2.4 Xylanh 50 4.3.2.5 Thanh giảm chấn 51 4.3.2.6 Cản trước giảm chấn 51 4.4 Kết trình va chạm trực diện gắn hấp thụ lượng va chạm trực diện 53 4.4.1 Qua trình va chạm trực diện phía trước 53 4.4.2 Chuyển vị xe va chạm trực diện có hấp thụ 53 4.4.3 Vận tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ 54 4.4.4 Gia tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ 55 vii thêm hấp thụ lượng va chạm trực diện Khi gần xảy va chạm khí piston đẩy ra, piston đẩy hết cố định Khi xảy va chạm lực va chạm hấp thụ biến dạng cản trước, giảm chấn piston Trong đó, piston đóng vai trị giảm chấn lớn Bộ hấp thụ lượng va chạm trực diện gồm phận: Đầu piston, đệm cao su, trụ piston, xylanh, giảm chấn cản trước 4.3.2 Cấu tạo hấp thụ lƣợng va chạm trực diện cho tơ khách 4.3.2.1 Đầu piston Hình 4.8: Cấu tạo ống giảm chấn Đầu piston thiết kế hình 4.8 phần đầu piston gắn với cản trước xe để tăng thêm độ cứng vững cho cản trước Khi xảy va chạm đầu piston hấp thụ phần lực va chạm 4.3.2.2 Đệm cao su 49 Hình 4.9: Cấu tạo đệm cao su Đệm cao su thiết kế hình hình 4.9 có đệm bố trí sát mục đích làm kín 4.3.2.3 Trụ piston Hình 4.10: Cấu tạo piston Piston thiết kế hình 4.10, piston làm vật liệu có khả hấp thụ dao động cao xảy va chạm piston hấp thụ dao động biến dạng Một đầu piston gắn với đầu piston đầu lại gắn với xyanh 4.3.2.4 Xylanh 50 Hình 4.11: Cấu tạo xylanh Xylanh thiết kế hình 4.11 đầu gắn vào chassis đầu lại gắn với piston Trên thân xylanh có thiết kế để đưa dầu vào để đẩy piston xảy va chạm Khi piston hết trên thân xylanh thiết kế cấu chốt để xảy va chạm piston khơng thể thụt vào mà bị biến dạng 4.3.2.5 Thanh giảm chấn Hình 4.12: Cấu tạo giảm chấn Thanh giảm chấn làm kim loại có khả hấp thụ va chạm cao để xảy va chạm hấp thụ lực va chạm triệt tiêu lực va chạm Thanh giảm chấn làm loại sắt ống 4.3.2.6 Cản trƣớc giảm chấn 51 Cản trước giảm chấn làm sắt ống tổ ong để hấp thụ dao động tốt Cản trước có biên dạng giống biên dạng cản tơ khơng có gắn hấp thụ lượng va chạm trực diện chia làm phấn, phần gắn với giảm chấn, phần gắn với ống giảm chấn Khi chuẩn bị xảy va chạm piston ống giảm chấn phần cản trước đẩy phía trước để hấp thụ lực va chạm Hình 4.13: Tấm cản trước cấu Hình 4.14: Cấu tạo cản trước sắt ống tổ ong Tấm cản làm sắt ống tổ ong để lúc xảy va chạm ngồi nhiệm vụ cản cịn hấp thụ dao động va chạm để đảm bảo an tồn cho tài xế hành khách xe Kết trình va chạm trực diện gắn hấp thụ lượng trực diện Quá trình va chạm trực diện phía trước 52 4.4 Kết q trình va chạm trực diện gắn hấp thụ lƣợng va chạm trực diện 4.4.1 Qua trình va chạm trực diện phía trƣớc Hình 4.15: Mơ 180ms với va chạm phía cải tiến a) b) Hình 4.16: Biến dạng Chassis va chạm phía cải tiến a) Trước xảy va chạm b) Sau xảy va chạm 4.4.2 Chuyển vị xe va chạm trực diện có hấp thụ 53 Hình 4.17: Chuyển vị xe va chạm trực diện có hấp thụ Chuyển vị xe trình va chạm thể hình 4.17 Hình 4.17 cho thấy, chuyển vị xe trình biến dạng tăng nhanh từ giá trị đến 830 mm Từ giá trị chuyển vị cho thấy đầu xe bị biến dạng nhiều khơng ảnh hưởng đến khơng gian an tồn tài xế 4.4.3 Vận tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ Hình 4.18: Vận tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ Vận tốc xe va chạm thể hình 4.18 Hình 4.18 cho thấy, xe xảy va chạm, vận tốc giảm dần theo thời gian Giá trị vận tốc lúc đầu khoảng 14 mm/ms 54 chưa xảy va chạm vận tốc gần không đổi, xảy va chạm vận tốc giảm nhanh 4.4.4 Gia tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ Hình 4.19: Gia tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ Gia tốc xe va chạm thể hình 4.19 Hình 4.19 cho thấy, xe xảy va chạm, gia tốc tăng dần theo thời gian, đầu xe mềm, lúc bắt đầu va chạm gia tốc nhỏ Khi xe biến dạng đến kết cấu cứng bên đầu xe gia tốc tăng dần Hình 4.19 cho thấy, vận tốc lớn gia tốc va chạm lớn Gia tốc có hấp thụ giảm rõ rệt so với hấp thụ 4.5 So sánh kết va chạm trƣớc sau gắn thêm hấp thụ lƣợng va chạm trực diện 4.5.1 So sánh chuyển vị xe trƣớc sau gắn thêm hấp thụ lƣợng va chạm trực diện 55 Hình 4.20: Chuyển vị xe va chạm trực diện có hấp thụ khơng có hấp thụ Chuyển vị xe có khơng có hấp thụ trình va chạm thể hình 4.20 Hình 4.20 cho thấy, chuyển vị xe q trình biến dạng có khơng có hấp thu lượng va chạm trực diện 4.5.2 So sánh vận tốc xe trƣớc sau gắn thêm hấp thụ lƣợng va chạm trực diện 56 Hình 21: Vận tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ khơng có hấp thụ Vận tốc xe có khơng có hấp thụ q trình va chạm thể hình 4.21 Hình 4.21 cho thấy, vận tốc xe trình biến dạng khác có khơng có hấp thu lượng va chạm trực diện Lúc bắt đầu va chạm, gia tốc biến thiên giảm dần chậm, nhiên sau thời gian va chạm vận tốc giảm nhanh, kết cấu đầu xe mềm, nên vận tốc va chạm giảm chậm, xe biến dạng đến kết cấu cứng phía sau vận tốc giảm nhanh 4.5.3 So sánh gia tốc xe trƣớc sau gắn thêm hấp thụ lƣợng va chạm trực diện 57 Hình 4.22: Gia tốc xe va chạm trực diện có hấp thụ khơng có hấp thụ Gia tốc xe có khơng có hấp thụ lượng chạm trực diện thể hình 4.22 Hình 4.22 cho thấy có hấp thụ gia tốc giảm Khi chưa có hấp thụ gia tốc 17.3 mm/ms , gắn thêm hấp thụ gia tốc 14.8 mm/ms Như vậy, gắn thêm hấp thụ gia tốc giảm 14% so với không lắp thêm hấp thụ lượng va chạm trực diện 58 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Bộ hấp thụ lượng thiết kế gắn đầu xe dạng bị động nhằm hấp thụ lực tác động sinh từ trình va chạm Nghiên cứu dựa vào tiêu chuẩn ECE R94 ECE R66 tiến hành nghiên cứu tính an tồn xe khách xảy va chạm trực diện Từ kết phân tích, mơ qua trình va chạm trực diện với vật cản chiếm diện tích bể rộng mặt xe với vận tốc 50km/h cho thấy kết khung xương ban đầu đảm bảo tính an tồn theo tiêu chuẩn va chạm trực diện nhiên gia tốc va chạm lớn Khi gắn thêm cấu hấp thụ lượng va chạm trực diện mô cho thấy kết kiểm nghiệm thỏa điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn ECE R94 ECE R66 Gia tốc va chạm có hấp thụ so với khơng có hấp thụ giảm 14 % 5.2 Hƣớng phát triển Trong thời gian có hạn đề tài thực mô phân tích kết cấu đầu xe xảy va chạm trực diện, kết phân tích cho thấy, đầu xe biến dạng lớn, nguy hiểm cho tài xế hành khách Để đảm bảo an toàn xảy va chạm, đề tài cần thực nghiên cứu sau: Nghiên cứu sâu cải tiến để cấu hấp thụ lượng va chạm trực diện cấu tạo, vật liệu, cách bố trí để hấp thụ lực va chạm lớn Nghiên cứu phương pháp điều khiển cấu hấp thụ lượng va chạm trực diện để việc điều khiển xác, nhanh chóng tiện lợi Thiết kế cải tiến, tối ưu an toàn kết cấu khung xương ô tô khách xảy va chạm trực diện Nghiên cứu mơ phân tích tổn thương hành khách xảy va chạm trực diện nhằm kiểm chứng cải tiến khung xương xe khách 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://vnmedia.vn/VN/xa-hoi/thoi-su/kinh-hoang-so-nguoi-chet-vi-tai-nan- giao- thong-2014-23-3311511.html; http://www.tinmoi.vn/Tai-nan-giao-thong-tai-Viet-Namo-muc-trung-binh-nhung-rat-nghiem-trong-01521842.html [2] Knowledge for tomorrow automotive, safety companion 2012 [3] Nguyễn Quang Anh (2007), Nghiên cứu động lực học độ bền khung vỏ ô tô va chạm trực diện, nguồn từ trang Web: http://123doc.vn/document/1288011-nghiencuu-dong-luc-hoc-va-do-ben-cua-khung-vo-oto-va-cham-truc-dien.htm [4] GVC.MSc Đặng Quý, Nghiên cứu tính tốn động lực học va chạm tơ, biện pháp giảm tổn thất va chạm, nguồn từ trang Web: [5] Web: Nguồn tham khảo tính chất vật lý vật liệu từ trang http://thuvienvatly.com/tai-lieu/neohacker/sgk-vat-ly-10/GTDT/Bai hoc/Bai35.Bien dang co VR.htm [6] Nguồn tham khảo liệu từ trang Web: http://vi.wikipedia.org/wiki/hệ số Poisson [7] Nguyễn Hữu Lộc (2012), Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, Tp Hồ Chí Minh [8] Nguồn tham khảo tính chất vật lý vật liệu từ trang Web: http://thuvienvatly.com/tai-lieu/neohacker/sgk-vat-ly-10/GTDT/Bai hoc/Bai35.Bien dang co VR.htm [9] Nguồn tham khảo liệu từ trang Web: https://sites.google.com/site/thietkemaycomvn/home/tinh-toan-toi-uu-hoa-trongansysworkbench [10] Nguyễn Thành Tâm (2005), Thiết kế cải tiến kết cấu xe ô tô khách thỏa mãn điều kiện an tồn va chạm trực diện, Tạp Chí Phát Triển Khoa Học Công Nghệ, tập 18, số K7 60 [11] Nguyễn Thành Tâm (2005), Thiết kế tối ưu hóa kết câu khung xương sát – xi ô tô khách, Khoa Học Kỹ Thuật Giáo Dục, 31:29-35 61 ... cải tiến hấp thụ lượng va chạm trực diện ô tô khách xảy va chạm trực diện theo tiêu chuẩn Châu Âu Dựa kết mô chưa cải tiến, tiến hành nghiên cứu thiết kế cải tiến tính hấp thụ lượng va chạm trực. .. - Tiến hành mô có gắn hấp thụ lượng va chạm trực diện để lấy kết so sánh với chưa có hấp thụ lượng va chạm Đánh giá kết 1.6 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế hấp thụ lượng va chạm trực diện ô tô khách. .. lượng va chạm trực diện gắn đầu xe nhằm giảm lực va chạm trực diện để đảm bảo an toàn cho tài xế hành khách xe xảy va chạm - Nghiên cứu thiết kế hấp thụ lượng va chạm trực diện gắn đầu ô tô khách