(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu an toàn lật nghiêng ô tô khách ghế ngồi universe trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn châu âu ECE r66

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỒNG THAO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU AN TỒN LẬT NGHIÊNG Ơ TƠ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TOÀN CHÂU ÂU ECE R66 NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 SKC005108 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 PHẠM HỒNG THAO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU AN TỒN LẬT NGHIÊNG Ơ TƠ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TỒN CHÂU ÂU ECE R66 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 PHẠM HỒNG THAO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU AN TỒN LẬT NGHIÊNG Ơ TƠ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TỒN CHÂU ÂU ECE R66 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: PHẠM HỒNG THAO Ngày, tháng, năm sinh: 11/03/1990 Quê quán: Quảng Ngãi Chỗ riêng địa liên lạc: P.Trường Thọ, Quận Thủ Đức, Tp.HCM Điện thoại quan: 837154304 Fax: 837154292 II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ tơ Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi học (trường, thành phố): ĐH Cơng Nghiệp Tp.HCM Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ tơ III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Tháng 9/ 2013 đến 02/ 2016 Tháng 02/ 2016 đến i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) PHẠM HỒNG THAO ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy chương trình Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, người truyền đạt cho tơi kiến thức hữu ích chun ngành Tơi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thành Tâm tận tình hướng dẫn cho tơi thời gian thực luận văn Mặc dù trình thực luận văn có giai đoạn khơng thuận lợi kiến thức chuyên môn kinh nghiệm Thầy cho biết cách tiến hành thực đề tài cách thực tế nhất, đáp ứng phạm vi nghiên cứu mà thầy đảm nhiệm hướng dẫn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Cơ Khí Xây dựng Giao thơng (Tracomeco) tạo điều kiện để tơi tiếp xúc thực tế mơ hình thiết kế mà đề tài đề cập đến Mặc dù cố gắng tiếp thu nhiều kiến thức từ thầy cô cập nhật thêm nhiều tài liệu liên quan, trình độ hạn chế thời gian thực ngắn luận văn tránh sai sót Rất mong nhận góp ý quý Thầy Cô bạn đọc để đề tài hồn thiện Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 Tháng năm 2016 Học viên : PHẠM HỒNG THAO iii TÓM TẮT Mặc dù xe khách phương tiện an toàn tai nạn gây chấn thương, thương vong xảy ra, đặc biệt tai nạn lật nghiêng chạm trực diện làm cho nhiều người chấn thương tử vong lúc Do đó, vấn đề an tồn hành khách vấn đề quan trọng nhà sản xuất xe khách Đề tài ứng dụng kỹ thuật máy tính (CAE) xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn xe khách Universe ghế ngồi Sau mơ phân tích độ cứng khung xương ban đầu mơ hình theo tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng Châu Âu ECE R66 Kết độ cứng, khối lượng khung xương ban đầu lớn Tiến hành giảm bề dày theo cách truyền thống để khung xương biến dạng chạm đến khơng gian an tồn, làm giảm khối lượng khung xương xe khách Tiếp tục cải tiến việc thay đổi thiết kế kết cấu khung xương vị trí ảnh hưởng đến biến dạng Kết cải tiến cho thấy khối lượng giảm thêm 5% Tuy nhiên, phương pháp cải tiến chưa thật tối ưu Thông qua toán tối ưu, tiến hành thiết kế thực nghiệm mơ đưa phương trình hồi quy thực nghiệm SPSS Ứng dụng giải thuật di truyền GA Matlab để giải phương trình hồi quy thực nghiệm để tìm kích thước độ dày thép tương ứng với biến thiết kế chọn với hàm mục tiêu là: tổng khối lượng biến chọn nhỏ ràng buộc điều kiện khoảng cách từ khung xương đến khơng gian an tồn phải lớn không Kết đạt tổng khối lượng biến chọn giảm 18,5% so với trước tối ưu iv ABSTRACT Although Coach/ bus is one of the safest transportation but sometime the accidents still happen, especially frontal or tilt accidents and make many people are injured and died at the same time Therefore, the issue of bus safety is an important issue for manufacturers Technical topics computer applications (CAE) modeling finite element Universe bus seats Then simulation analysis initial stiffness of skeletal models safety standard ECE R66 European tilt As a Results hardness, initial volume larger skeleton Conduct a thickness reduction in the traditional way to skeletal deformation reaches a safe space, reduce the volume of passenger car frame Continuing improvements by changing the design of the structural skeleton in positions affecting deformation Results showed improved volumes decreased by 5% However, this improved method is not really optimal Through optimization problems, conduct simulation experimental design given empirical regression equation by SPSS Application of genetic algorithms in Matlab GA to the empirical regression equation to find the size that corresponds to the thickness of steel design variables are selected with the objective function is: the total volume of the selected variables is the smallest and the binding conditions on the distance from the frame to secure the space must be greater than zero Results achieved as the total volume of the selected variables decreased 18.5% compared to the prior optimization v 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 v Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xi Danh sách bảng xvi Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Nghiên cứu nước 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu 1.7 Phạm vi nghiên cứu 1.8 Sơ đồ nghiên cứu Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Tiêu chuẩn va chạm trực diện 2.1.2 Tiêu chuẩn tính an tồn lật nghiêng ô tô khách ECE R66 2.2 Lý thuyết biến dạng phi tuyến tính vi 2.3 Xác định trọng tâm xe 13 2.3.1 Xác định trọng tâm theo chiều dọc 13 2.3.2 Xác định trọng tâm theo chiều cao 13 2.3.3 Xác định độ lệch trọng tâm theo chiều ngang 14 2.3.4 Giới hạn lật đổ 15 2.3.5 Vận tốc góc lật 17 2.3.6 Vận tốc góc ban đầu ω0 18 2.3.7 Kết luận 20 2.4 Phần mềm HyperMesh 20 2.5 Phần mềm HyperView 21 2.6 Phần mềm Ls – Dyna 22 2.7 Phần mềm SPSS 22 2.8 Phần mềm Matlab 23 Chƣơng XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN XE Ơ TƠ KHÁCH 24 3.1 Xây dựng mơ hình xe khách Universe 3D 24 3.1.1 Bản vẽ Cad 2D xe Universe 25 3.1.2 Bản vẽ 3D xe Universe Ghế ngồi 29 3.2 Tạo mặt chỉnh sửa mơ hình Hypermesh 30 3.2.1 Tạo mặt cho mơ hình 30 3.2.2 Chỉnh sửa mơ hình 31 3.3 Chia lưới mơ hình kiểm tra chất lượng lưới 31 3.3.1 Chia lưới 31 3.3.2 Chỉnh sửa kiểm tra lưới 32 3.4 Thiết lập mơ hình lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66 37 3.4.1.Thiết kế mặt phẳng lật mặt phẳng va chạm 37 3.4.2 Thiết kế khơng gian an tồn theo tiêu chuẩn ECE R66 39 3.5 Tạo vật liệu, thuộc tính gán điều kiện biên theo tiêu chuẩn ECE R66 39 3.5.1 Tạo vật liệu 39 vii x1 (mm) STT 3 3,5 4,5 4.7 Dùng SPSS lập phƣơng trình hồi quy thực nghiệm Trong trình phân tích hồi quy dạng tuyến tính khơng đạt yêu cầu hệ số tương quan R Nên tiến hành nâng bậc phương trình hồi quy cách: - Thiết lập hồi quy mặt phản ứng bậc (Bảng 4.5): - Dùng SPSS lập phương trình hồi quy phản ứng bậc Phương trình hồi quy mặt phản ứng bậc y = a0 + [12] với đối số s theo hình thức sau s ∑ai xi i=1 i = 1,2 , j Trong đó: - y hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc - a0, ai, aii, aij hệ số hồi quy - x1,x2,…,xj biến thiết kế Bảng 4.5: Bảng thiết lập hồi quy mặt phản ứng bậc biến x2 xx 6,25 12,25 16 20,25 72 Nhập vào Excel để tạo file liệu gồm Bảng 4.5 giá trị Bảng 4.4 nhập trực tiếp vào SPSS thẻ DataView (Hình 4.15) Hình 4.15: Dữ liệu tính tốn hồi quy đưa vào SPSS Tiếp theo định dạng nominal biến Variable view Hình 4.16 Hình 4.16: Định dạng kiểu liệu Variable View 4.7.1 Thực tính tốn hồi quy Trong Analyze → chọn Regression → chọn Linear, xuất hộp thoại, đưa biến phụ thuộc vào ô Dependent biến độc lập Independent → Ok (Hình 4.17) 73 Hình 4.17: Đưa biến phụ thuộc M biến độc lập X để phân tích hồi quy 4.7.2 Kết hồi quy trọng lƣợng M theo biến x1, x2, x3, x4 Hệ số tương quan R, Phương sai theo Anova tham số hồi quy thể Hình 4.18 Hình 4.18: Kết xuất từ SPSS phân tích hồi quy khối lượng M 74 Từ tham số hồi quy thu phương trình hồi quy khối lượng M sau: M =139,7 + 32,063x2 + 2,878x12 + 2,909x1 x3 − 2,647 x1 x4 +1,018x42 4.7.3 Kết hồi quy khoảng cách D1 Hệ số tương quan R, Phương sai theo Anova tham số hồi quy thể Hình 4.19 Hình 4.19: Kết xuất từ SPSS phân tích hồi quy khoảng cách D1 Từ kết tham số hồi quy thu phương trình hồi quy tương ứng theo khoảng cách D1 sau: D1 = 52,118 − 0,453x2 + 0,672x12 − 0,015x1 x3 + 0,979x1 x4 + 0,259x42 4.7.4 Kết hồi quy khoảng cách D2 75 Hệ số tương quan R, Phương sai theo Anova tham số hồi quy thể Hình 4.20 Hình 4.20: Kết xuất từ SPSS phân tích hồi quy khoảng cách D2 Từ kết tham số hồi quy thu phương trình hồi quy tương ứng theo khoảng cách D2 sau: D2 = −58,246 + 0,101x2 +1,938x12 + 2,981x1 x3 − 0,664x1 x4 + 0,474x42 Để đánh giá độ tin cậy phương trình hồi quy ta sử dụng hệ số tương quan R Kết R xuất từ SPSS phương trình M , D1, D2 1; Do đó, cho phương trình hồi quy mặt phản ứng bậc 02 thỏa mãn yêu cầu độ xác 4.8 Giải phƣơng trình hồi quy Matlab 76 Sử dụng giải thuật di truyền GA [13] vào phần mềm Matlab tiến hành tối ưu hóa biến thiết kế hàm số mục tiêu hàm số điều kiện (Hình 4.21, 4.22, 4.23, 4.24; 4.25) Kết tính tốn thu giá trị biến độ dày kết cấu, khối lượng khoảng cách tối ưu, thể Bảng 4.6 Hình 4.21: Thuật tốn chương trình Matlab Hình 4.22: Thuật tốn chương trình hàm mục tiêu 77 Hình 4.23: Thuật tốn chương trình hàm điều kiện Hình 4.24: Hiển thị kết Hình 4.25: Tính D1, D2 để kiểm tra từ kết tối ưu 78 Bảng 4.6: Giá trị tính tốn biến x, trọng lượng M, khoảng cách D sau tối ưu Giá trị Tối ưu Do độ dày thép thị trường có thơng số bề dày tiêu chuẩn: 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4, 4.5, ; độ dày kết cấu chọn theo tiêu chuẩn: x1 = 3,5 ; x2 = ; x3 = ; x4 = 5,5 4.9 Mô kiểm nghiệm q trình tính tốn tối ƣu Từ giá trị biến tìm được, đưa vào thiết lập thuộc tính biến Hypermesh sau chạy lại mơ kiểm tra (Hình 4.26) Hình 4.26: Kết hiển thị sau tối ưu Kết mơ sau tối ưu cho thấy mơ hình khung xương biến dạng sau va chạm lật nghiêng khơng cịn xâm phạm vào khơng gian an tồn Các giá trị khoảng cách khối lượng đo thông qua thực nghiệm mô đưa để đối chiếu trước sau tối ưu hóa thể trọng Bảng 4.7 79 Bảng 4.7: Bảng giá trị kiểm nghiệm trước tối ưu sau tối ưu Thứ tự Từ bảng thu thập kết mô sau tối ưu, tổng khối lượng chọn để tối ưu hóa giảm 18,5% so với trước tối ưu, đồng thời khơng gian an tồn tồn vị trí D1, D2 không bị xâm phạm, thỏa mãn điều kiện an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66 4.10 Kết luận - Đánh giá mơ hình thiết kế ban đầu dựa vào kết mô chưa đạt u cầu tính an tồn lật nghiêng theo tiêu chuẩn an toàn châu âu ECE R66 - Lập mơ hình thí nghiệm tối ưu thiết lập phương trình hồi quy mặt phản ứng bậc đạt u cầu độ xác - Giải phương trình hồi quy thực nghiệm giải thuật di truyền Matlab Mục tiêu đạt tổng khối lượng biến chọn sau ưu hóa giảm 18,5% so với trước tối ưu Khơng gian an tồn va chạm lật nghiêng không bị xâm phạm 80 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận chung Trong q trình nghiên cứu tính an tồn lật nghiêng mơ hình khung xương xe Universe ghế ngồi ban đầu, kết mô không đảm bảo điều kiện an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66 Khung xương phần thân mảng bên hông có độ cứng lớn độ dày thép cao Khối lượng khung xương nặng không cần thiết Tác giả tiến hành giảm độ dày theo cách truyền thống đối tượng mảng bên hông để biến dạng va chạm đạt tới khơng gian an tồn theo kết mô Từ kết này, tiếp tục cải tiến mơ hình khung xương vị trí ảnh hưởng lớn đến biến dạng cách thay đổi thiết kế ban đầu gia cường miếng ốp thép Kết khối lượng sau cải tiến giảm thêm 5% so với trước cải tiến Sau cải tiến để giảm thêm khối lượng, tiến hành tối ưu hóa kết cấu * mơ thí nghiệm theo mơ hình U (6 ) đưa phương trình hồi quy thực nghiệm Ứng dụng giải thuật di truyền GA Matlab tìm kích thước độ dày tối ưu biến chọn So sánh tổng khối lượng biến sau tối ưu với trước tối ưu giảm 18,5% mà khơng gian an tồn khơng bị xâm phạm theo tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng Châu Âu ECE R66 5.2 Hạn chế hƣớng phát triển đề tài Trong trình nghiên cứu, đề tài xây dựng thành cơng mơ hình phần tử hữu hạn Có thể áp dụng tiêu chuẩn an tồn vào q trình nghiên cứu mơ dựa phần mềm thay thí nghiệm thực tế, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí quản lý khoa học Việc nghiên cứu thành công đề tài nhược điểm mơ hình khung xương xe Univese Tracomeco sản xuất Điều giúp cho việc đề xuất đến phía cơng ty Tracomeco nhằm giảm chi phí vật liệu đầu vào đạt tin cậy chất lượng an toàn xe Tuy nhiên, để mang tính thuyết phục, cần xây 81 dựng kiểm tra thực nghiệm bên ngồi Đó hạn chế lớn đối đề tài yếu tố khách quan, chưa thực Nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu an toàn lật nghiêng, đối tượng khung xương, cịn khơng gian an tồn cố định Vì hướng phát triển đề tài gắn phận điều chỉnh tự động độ cao ghế ngồi hành khách, dùng piston kiểu khí nén lấy nguồn từ động Điều đồng nghĩa với việc khơng gian an tồn khơng cịn cố định mà thấp ban đầu Khi xảy va chạm lật nghiêng, phận tự động kích hoạt hạ chiều cao ghế ngồi hành khách giúp khoảng cách nguy hiểm hành khách khung xương hiệu 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Albertsson P, Falkmer T Is there a pattern in European bus and coach incidents? A literature analysis with special focus on injury causation and injury mechanisms Accid Anal Prev 2005;37:225–33 [2] National highway traffic safety administration Motor vehicle crash data from FARS and GES; 2004 [3] Ẩn họa từ xe khách giường nằm Internet: http://antg.cand.com.vn/Kinh-te-Van- hoa-The-Thao/An-hoa-tu-xe-khach-giuong-nam-307535/, 28/01/2014 [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] Đỗ Kim Hoàng (2014), Nghiên cứu, thiết kế, cải tiến tính an tồn lật nghiêng tơ khách sở tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh [6] Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Hữu Nam (2004), Thí nghiệm ô tô, Nxb Khoa học kỹ thuật, tr 84 [7] ỗ Huyền Trang (2015), Nghiên cứu, thiết kế tính an tồn kết cấu tơ khách xảy va chạm trực diện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh [8] Dương Chí Thiện (2015), Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu ô tô khách xảy va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh [9] 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 [10] Yu Cheng Lin and 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:206 [11] Liu Wen Qing (2008), Design of Experiments, Tsinghua University 83 [12] Nguyễn Thành Tâm, Cao Libo, Shi Xiangnan, Xu Zheng (2011), Lightweight Design of Bus Body to Satisfy Rollover Safety, China Mechanical Engi – neering [13] Goldberg, D.E.(1989), Genetic Algorithm in search, optimization and machine learing, Addsion – Wesley, Readiing, MA 84 ... bên hông ô tơ khách Universe ghế ngồi Thiết kế cải tiến tính an tồn tối ưu hóa kết cấu khung xương bên hông ô tô khách xảy lật nghiêng sở tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R66 1.8 Sơ đồ nghiên cứu. .. MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỒNG THAO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU AN TỒN LẬT NGHIÊNG Ơ TƠ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TOÀN CHÂU ÂU ECE R66 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG... MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỒNG THAO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU AN TỒN LẬT NGHIÊNG Ơ TƠ KHÁCH GHẾ NGỒI UNIVERSE TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN AN TOÀN CHÂU ÂU ECE R66 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG