Động năng Động năng của vật thể thực hiện các chuyển động thường gặp [2]: • Vật chuyển động tịnh tiến: 2 1 2 vc - vận tốc điểm khối tâm của vật • Vật chuyển động dạng tổng quát: Jcp – m
Trang 1ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
MŨ BẢO HIỂM THEO QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA
THE APPLICATION FINITE ELEMENT METHOD TO SIMULATE THE TEST OF PIERCING TO THE HELMETTESTING EQUIPMENT ACCORDING TO
TECHNICAL NATIONAL STANDARDS
a tddat.skhcn@tphcm.gov.vn; b ttxiem@rttc.com.vn
c lethanhnhan@hotec.edu.vn; d nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn; e minhps@hcmute.edu.vn
TÓM TẮT
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tối
ưu hoá quá trình tính toán, thiết kế Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, , đến những bài toán của lý thuyết trường như:
lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường, Với sự trợ giúp của ngành công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng Các kết quả đạt được làm cơ sở cho quá trình
chế tạo, thực nghiệm, từ đó làm tiền đề cho việc sản xuất thiết bị thay thế thiết bị ngoại nhập, đồng thời góp phần nâng cao năng lực quản lý nhà nước về chất lượng mũ bảo hiểm
ABSTRACT
In this article, the authors have applied finite element method (FEM) to optimize the process of calculation and design Finite element method (FEM) is a very general and effective to various technical problems From the analysis of stress state, deformation in the mechanical structure, details in the automotive, aircraft, ships, building frame, girders, etc., to the problem of field theory such as: theory of heat transfer, mechanic fluids, resilient gas, electro-magnetic,… With the help of the Information Technology and CAD systems, more complex structures have been calculated and detailed design easily The achieved results as a basis for process manufacturing, experimentation; that is the premise of production equipment
in order to replace imported equipment and also contributing to improve the government management ability of quality helmet
Key words: Finite Element Method (FEM),helmets, technical standards
Tai nạn giao thông đường bộ là vấn đề sức khỏe cộng đồng và chính là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và thương tích trên thế giới Mỗi năm có gần 1,2 triệu người chết và hàng triệu người bị thương tích hay tàn tật do tai nạn giao thông, trong đó số tai nạn liên quan đến xe máy chiếm đến 70% Phần lớn tỷ lệ tử vong và thương tích nghiêm trọng là do chấn thương đầu [6] Đội mũ bảo hiểm khi tai nạn xảy ra được chứng minh làm giảm nguy cơ chấn
Trang 2Việc kiểm soát được chất lượng mũ bảo hiểm sẽ nâng cao hiệu quả cho việc giảm chấn thương đầu cũng như thương tích nghiêm trọng Việc nghiên cứu cơ bản và chế tạo thiết bị
thử nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể kiểm tra các chỉ tiêu quan trọng quy định trong quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam về mũ bảo hiểm cho người đi mô tô, xe máy là một vấn đề
cấp thiết
2.1.1 Động năng
Động năng của vật thể thực hiện các chuyển động thường gặp [2]:
• Vật chuyển động tịnh tiến:
2
1 2
vc - vận tốc điểm khối tâm của vật
• Vật chuyển động dạng tổng quát:
Jcp – mômen quán tính khối lượng của vật thể đối với trục tức thời qua khối tâm
2.1.2 Th ế năng
Thế năng của lực lò xo:
Từ công thức:
0 1
2
k
Ta có:
( , ) ( ) ( )
2
k
Trong đó: ∆lM - biến dạng của lò xo tại vị trí khảo sát
∆lO - biến dạng của lò xo tại vị trí ban đầu
Trong bài báo này, phương trình Lagrange được sử dụng để xác định phương trình dao động vì cơ hệ nhóm xây dựng có từ 1 đến 3 bậc tự do
Kí hiệu q1, q2, q3,…, qn là các toạ độ suy rộng của hệ có nhiều bậc tự do Phương trình
vi phân chuyển động của hệ trong các toạ độ suy rộng gọi là phương trình Lagrange, có dạng như sau:
1
2
n
Q
dt q q
Q
dt q q
Q
dt q q
(5)
Trang 3Trong đó:
1
1
2
2
k k k
k k k
k
r
q r
q
r
q
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∑
∑
∑
(6)
Các Q1, Q2, , Qn là các lực suy rộng tương ứng lần lượt với các toạ độ suy rộng q1, q2,
…, qn
Để lập biểu thức tính lực suy rộng ta thực hiện như sau: Để xác định biểu thức lực suy
rộng thứ s, (Qs chẳng hạn), ta cho toạ độ suy rộng qs một di chuyển ảo δqs, còn các toạ độ suy
rộng khác không thay đổi Trường hợp lực tác dụng lên hệ, Fk
, là lực có thế, thì lực suy rộng
của lực này sẽ tính từ biểu thức thế năng V của nó:
n
Nếu hệ lực tác dụng lên hệ chứa một số lực là lực có thế thì lực suy rộng sẽ gồm 2 thành
phần: lực suy rộng của các lực có thế và lực suy rộng của các lực không có thế:
Lực suy rộng của các lực có thế:
V s
s
V
q
∂
Trong đó: V – hàm thế năng tổng cộng của tất cả các lực có thế
R s
Q - lực suy rộng của các lực không có thế, được tính như tính Qs vừa trình bày trên Chỉ lưu ý các lực Fk
lúc này chỉ chứa các lực có thế
Trường hợp trong số các lực tác dụng lên hệ có các lực có thế, áp dụng biểu thức ở trên
viết lại được ở dạng:
R s
L được gọi là hàm Lagrange (hay hàm thế) thì biểu thức trên được viết lại:
1
2
R
R
R n
Q
Q
Q
∂ −∂ =
∂ ∂
∂ −∂ =
∂ ∂
∂ −∂ =
∂ ∂
(11)
Ta có được các phương trình trên vì thế năng chỉ phụ thuộc vào toạ độ mà không phụ
s
V q
∂ Nếu tất cả các lực tác dụng lên hệ đều là lực có thế thì vế phải của
ệ phương trình bằng 0
Trang 43 MÔ HÌNH HOÁ
Trong bài báo này, tác giả sử dụng phương pháp thay thế khối lượng để mô hình hoá nón bảo hiểm Phương pháp này dựa trên sự gần đúng là do giả định gần đúng ban đầu dạng dao động y(x) Phương pháp thay thế khối lượng là phương pháp dựa trên cơ sở đơn giản hoá
sơ đồ khối lượng Theo phương pháp này tiến hành thay thế các khối lượng phân bố và tập trung trên kết cấu thành các thành khối lượng tập trung với khối lượng ít hơn đặt tại một số điểm đặt biệt Thay thế khối lượng theo cách:
• Phân bố các khối lượng phân bố theo nguyên tắc đòn bẩy Theo cách này, khối lượng phân bố trên mỗi đoạn được thay thế bằng khối lượng đặt ở hai đầu đoạn đó
- Sau khi chọn được sơ đồ khối lượng, tiến hành như bài toán hữu hạn bậc tự do với
việc giải các phương trình tần số, thu được các tần số cần thiết
- Nón bảo hiểm gồm có: lớp nhựa cứng, lớp xốp ở giữa, lớp đệm trong cùng Cơ hệ nón
bảo hiểm thể hiện ở hình bên dưới
Hình 1 Cơ hệ phép thử đâm xuyên nón bảo hiểm
Trong đó:
m1, m2, m3 - khối lượng lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS và đầu thử
k1, k2, k3 - hệ số đàn hồi của lò xo lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS và đầu thử
c1, c2, c3 - hệ số giảm chấn của lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS và đầu thử
Quy trình thử đâm xuyên
a Thi ết bị
Thiết bị thử gồm các phần chính sau đây:
Dạng đầu thử bằng kim loại hoặc gỗ cứng có gắn kim loại, phần chỏm cầu của dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm ± 0,5 mm, chiều cao nhỏ nhất 133 mm Phía trên đỉnh dạng đầu thử có gắn một lõi chì Dạng đầu thử được gắn chặt lên một giá đỡ cứng vững[1],[7]
Đầu đâm xuyên có dạng hình côn ở phần phía dưới, phần này có các thông số theo quy định sau:
Hệ thống dẫn hướng đâm xuyên: thanh ray dài, thẳng, có độ ma sát dưới 5% và đáp ứng đủ hành trình rơi của khối rơi
Trang 5b Ti ến hành thử
Nón thử được đội chặt lên dạng đầu thử, buộc chặt quai đeo (hoặc có thể dùng dây buộc bên ngoài sao cho cố định mẫu thử với dạng đầu thử nhưng không ảnh hưởng đến vị trí thử đâm xuyên trên đỉnh nón) Đầu đâm xuyên được thả rơi tự do từ một vị trí thẳng đứng cách điểm thử đâm xuyên trên đỉnh nón thử một khoảng cách 2000 mm ± 5 mm Phạm vi thử đâm xuyên giới hạn trong bán kính 30 mm ± 1 mm xung quanh đỉnh nón
HỮU HẠN
Các bước thực hiện:
- Vận tốc ban đầu (trước khi va chạm) : -6.26 m/s (theo phương Y)
- Liên kết giữa lớp nhựa ABS và lớp xốp EPS: Bonded
- Thông số vật liệu của nón bảo hiểm được lấy theo bảng 1[3,4]:
Bảng 1 Thông số vật liệu
E = 1.7 Gpa Poisson = 0.35 Khối lượng riêng = 1030 kg/m3
E = 2480 kPa Poisson = 0.0864 Khối lượng riêng = 15 kg/m3
Trang 6Bước 4: Tiến hành giải: Thiết lập phần mềm theo hai phương pháp: Phương pháp
vật lý, Phương pháp giải tích
tương đương nhằm kiểm tra độ bền và khả năng chịu đâm xuyên của nón bảo hiểm
a - Kết quả biến dạng tổng trong phép thử đâm xuyên
b - Các giá trị biến dạng tổng theo thời gian trong phép thử đâm xuyên
Nhận xét:
- Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên là từ ~0s đến 200 µs
- Các giá trị lớn nhất của độ biến dạng tổng tăng đều theo thời gian, không có sự thay đổi đột ngột Các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có độ lệch nhau ngày càng lớn theo thời gian
- Giá trị biến dạng lớn nhất là 1.25 mm tại thời điểm 200 µs
5.2 Kết quả biến dạng có hướng
Hình 5: Kết quả mô phỏng biến dạng có hướng
a- Kết quả biến dạng có hướng trong phép thử đâm xuyên b- Biểu đồ giá trị biến dạng theo hướng theo thời gian
3.76E-045.63E-04 7.51E-049.39E-04
1.13E-03 1.25E-03
0.00E+00 2.00E-04 4.00E-04 6.00E-04 8.00E-04 1.00E-03 1.20E-03 1.40E-03
[s]
-1.00E-04 -5.00E-05 0.00E+00 5.00E-05
[s]
Trang 7Nhận xét:
- Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên là từ ~0s đến 200 µs
- Các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có độ lệch nhau càng lớn theo thời gian
Hình 6: Kết quả mô phỏng ứng suất tương đương
a- Kết quả ứng suất tương đương trong phép thử đâm xuyên
b- Biểu đồ ứng suất tương đương
Nhận xét:
- Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên là từ ~0s đến 200 µs;
- Các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có độ lệch nhau càng lớn theo thời gian;
- Các giá trị lớn nhất của độ biến dạng tổng tăng đều theo thời gian, không có sự thay đổi đột ngột;
- Vùng chịu tác động của ứng suất tương đương trong phép thử này khá nhỏ và tập trung xung quanh vùng chịu tác động của mũi đâm xuyên
Các kết quả tính toán cho trường hợp đâm xuyên thỏa điều kiện bền theo các điều kiện đặt ra, tuy nhiên quá trình mô phỏng ảo vẫn còn chưa được sát với thực tế
Việc ứng dụng phương pháp phân tử hữu hạn tính toán, mô phỏng thử nghiệm va đập và đâm xuyên, đã hỗ trợ rất lớn cho quá trình tính toán, thiết kế và thử nghiệm Trong nghiên
cứu này, các kết quả từ mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn giúp ta đánh giá tính xác thực cũng như độ tin cậy của chúng và làm cơ sở cho việc chế tạo thiết bị phục vụ cho
quản lý nhà nước Nghiên cứu đã đạt được một số kết quả bước đầu như sau:
- Kết quả biến dạng tổng chỉ xảy ra trong một vùng diện tích nhỏ, không lan rộng ra vùng diện tích lớn Giá trị biến dạng không quá lớn
- Kết quả biến dạng có hướng (theo phương Y) có sự phân bố không đồng đều, vùng bị ảnh hưởng lan rộng Giá trị độ biến dạng có hướng (theo phương Y) nhỏ hơn so với giá trị độ
biến dạng tổng trong cùng một khoảng thời gian Giá trị biến dạng có hướng không quá lớn
Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ và tài trợ kinh phí của Sở Khoa học
1.15E+07 1.90E+072.52E+07 3.17E+073.83E+07 4.43E+07 5.05E+07 5.65E+07
0.00E+00 1.00E+07 2.00E+07 3.00E+07 4.00E+07 5.00E+07 6.00E+07
Trang 8TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Quy chuẩn quốc gia về mũ bảo hiểm cho người đi mô tô và xe máy, Bộ Khoa học và Công nghệ, 2008
[2] Trần Công Nghị - Ngô Kiều Nhi, Dao động kỹ thuật, NXB Đại học Quốc Gia TP HCM,
2010
[3] Tiêu chuẩn về mũ bảo vệ cho người đi mô tô xe máy (TCVN 5756:2001)
[4] Tiêu chuẩn mũ bảo hiểm cho trẻ em khi tham gia giao thông trên mô tô và xe máy (TCVN 6979:2001)
[5] Cẩm nang an toàn giao thông đường bộ cho những nhà hoạch định kế hoạch và những người thực thi, NXB WHO, 2006
[6] PGS.TS Nguyễn Thị Thiềng và nhóm nghiên cứu, Báo cáo về Điều tra hành vi và thái độ đội mũ bảo hiểm của người tham gia giao thông do Quỹ Phòng chống thương vong Châu
Á tài trợ
[7] Hướng dẫn sử dụng thiết bị va đập và hấp thu xung động
THÔNG TIN CÁ NHÂN
1 ThS Tr ần Đức Đạt Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học và
Email: tddat.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 090 825 2054
và Công nghệ TP HCM
Email: ttxiem@rttc.com.vn Điện thoại: 090 921 2004
Email: lethanhnhan@hotec.edu.vn Điện thoại: 090 889 1197
và Công nghệ TP HCM
Email: nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 091 851 4951
Email: minhps @hcmute.edu.vn Điện thoại: 093 822 6313
