Nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách

Nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách Nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách Nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách Nghiên cứu, thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của xe khách

TỔNG QUAN

Tình hình tai nạn giao thông

Xã hội phát triển với nhu cầu ngày càng cao của con người, dẫn đến sự nâng cao không ngừng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào những tiến bộ khoa học kỹ thuật Để hội nhập vào nền kinh tế toàn cầu, việc tiếp thu các phát minh mới là cần thiết cho sự phát triển kinh tế quốc gia Ô tô trở thành phương tiện phổ biến trong nhiều ngành nghề, phục vụ cho nhu cầu của con người Tuy nhiên, ở các nước phát triển, việc sử dụng ô tô gia tăng đã gây ra ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường và tai nạn giao thông, tạo ra nhiều hệ lụy tiêu cực cho môi trường và cuộc sống.

Theo số liệu từ Cục Cảnh Sát Giao Thông, tính đến đầu tháng 1 năm 2015, Việt Nam có tổng cộng 67.294 phương tiện vận tải hành khách từ 29 chỗ trở lên, bao gồm 1.812 xe khách giường nằm.

Năm 2014, tổng số vụ tai nạn giao thông đường bộ ghi nhận là 25.322 vụ, trong đó 21% do người điều khiển ô tô gây ra và 9,7% liên quan đến ô tô chở khách.

Các vụ tai nạn giao thông có thể xảy ra theo nhiều hình thức, bao gồm va chạm trực diện, từ bên hông hoặc từ phía sau Quá trình va chạm này dẫn đến việc biến dạng cấu trúc khung xe, gây ra tổn thương nghiêm trọng cho người điều khiển và hành khách bên trong ô tô.

Nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay, nghiên cứu tính an toàn của ô tô, đặc biệt là ô tô khách, đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế Đây là một bước không thể thiếu trong chuỗi nghiên cứu nhằm đảm bảo an toàn cho người điều khiển và hành khách.

Trong ngành công nghiệp ô tô, việc tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn là rất quan trọng Các nhà nghiên cứu thiết kế và chế tạo ô tô dựa trên các quy định an toàn của cơ quan chức năng Họ thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm tính năng an toàn trước khi đưa sản phẩm vào sản xuất hàng loạt.

Nghiên cứu về va chạm trực diện của ô tô với vật cản cứng đã được tiến hành rộng rãi trên thế giới, đặc biệt tại các quốc gia có nền công nghiệp ô tô phát triển Tại Mỹ, tiêu chuẩn FMVSS 208 quy định các thử nghiệm va chạm với vật cứng ở tốc độ từ 32 km/h đến 56 km/h với 100% bề rộng, cũng như thử nghiệm va chạm với vật cản di động ở tốc độ 40 km/h với 40% bề rộng.

Theo tiêu chuẩn FMVSS 208 của Mỹ và ADR 69 của Úc, thử nghiệm va chạm trực diện được thực hiện khi xe va chạm vào vật cản cứng như khối bê tông hoặc dàn khung thép ở tốc độ 48 km/h với bề rộng va chạm đạt 100% Kết quả cho thấy sau thử nghiệm, vô lăng không dịch chuyển quá 127mm, đảm bảo an toàn cho người ngồi trong xe.

Thử nghiệm va chạm xe theo tiêu chuẩn ADR 73 vào vật cản cứng và vật cản di động va chạm trực diện ở tốc độ 56 km/h với 40% bề rộng [2]

Hình 1.2: Thử nghiệm theo tiêu chuẩn ÚC

Nhật Bản áp dụng tiêu chuẩn TRIAS 47 để thử nghiệm va chạm trực diện của xe với vật cản cứng, như khối bê tông hoặc dàn khung thép có độ cứng cao, ở tốc độ 50 km/h và bề rộng 100% Mục đích của thử nghiệm này là để kiểm tra độ an toàn cho người ngồi trong xe.

Thử nghiệm va chạm xe theo tiêu chuẩn TRIAS 47 – 4 vào vật cản cứng và vật cản di động va chạm trực diện ở tốc độ 56 km/h với 40% bề rộng [2]

Hình 1.3: Thử nghiệm theo tiêu chuẩn nhật bản

Mercedes-Benz đã thực hiện thử nghiệm va chạm trực diện ở tốc độ 56 km/h với 100% chiều rộng của xe, và đạt điểm đánh giá an toàn 5 sao trong thử nghiệm va chạm Euro NCAP mới nhất.

Hãng Mercedes-Benz nổi bật với các thử nghiệm va chạm, được công nhận là một trong những hãng xe an toàn nhất, đặc biệt trong việc bảo vệ người lái và hành khách phía sau Các tính năng bảo vệ của xe được đánh giá cao bởi tiêu chuẩn NCAP, giúp hạn chế tối đa thương vong trong các tình huống tai nạn.

1.2.2 Nghiên cứu trong nước Ở nước ta, các hướng nghiên cứu thiết kế cải tiến bộ hấp thụ va chạm trực diện của ô tô khách chủ yếu tập trung tính toán mô phỏng trạng thái bền tĩnh và tính ổn định, trong khi đó các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan tới tính năng an toàn bị động của ô tô (bao gồm va chạm trước, sau, hông, lật đổ, vv…) vẫn chưa được thực hiện rất ít và hiện tại có rất ít công trình nghiên cứu hoặc bài báo khoa học nào liên quan được đăng trên tạp chí khoa học trong nước

Nghiên cứu về công nghệ hấp thụ năng lượng va chạm trong ô tô khách hiện vẫn còn hạn chế và chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm Việc thiết kế và cải tiến bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện cho ô tô khách là rất cần thiết để ứng dụng trong nước, chính là lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu này.

Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông công cộng, đặc biệt là xe khách liên tỉnh, đang gia tăng mạnh mẽ để phục vụ vận chuyển hành khách cho các công ty, xí nghiệp và trường học Tuy nhiên, tai nạn giao thông vẫn là một vấn đề nghiêm trọng, do cả nguyên nhân chủ quan từ người tham gia giao thông và nguyên nhân khách quan như tình trạng xe cộ, chất lượng đường, thời tiết và khí hậu Theo ước tính, mỗi năm có hơn 11.000 người chết do tai nạn giao thông đường bộ, trong đó tai nạn xe khách gây ra nhiều thương vong cho hành khách Các vụ tai nạn thường xảy ra dưới nhiều hình thức, nhưng va chạm trực diện chiếm hơn 50% tổng số vụ tai nạn.

Hình 1.5: Biến dạng kết cấu khung xương ô tô sau khi va chạm trực diện

Hình 1.5 cho thấy kết cấu khung xương ô tô khách đã bị biến dạng nghiêm trọng sau va chạm trực diện, dẫn đến tổn thương nặng nề cho tài xế và hành khách Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải giảm thiểu tai nạn giao thông nhằm bảo vệ tính mạng hành khách Vì vậy, việc các nhà quản lý giao thông và các nhà nghiên cứu khẩn trương tiến hành nghiên cứu và thiết kế ô tô an toàn hơn là vô cùng cấp thiết.

Hiện nay, do các vấn đề kỹ thuật trong ngành ô tô trong nước, phương tiện giao thông chủ yếu được nhập khẩu nguyên chiếc hoặc nhập khẩu phụ kiện từ các hãng sản xuất nước ngoài để lắp ráp Điều này phản ánh nhu cầu thực tế của doanh nghiệp trong việc đáp ứng thị trường.

Nghiệp vận chuyển đang thay đổi cấu trúc xe ô tô khách để tăng sự tiện nghi cho hành khách, như thêm hàng ghế và chuyển từ ghế ngồi sang giường nằm Tuy nhiên, việc này không được thực hiện với các tính toán an toàn theo tiêu chuẩn, dẫn đến nguy cơ cao cho tài xế và hành khách Để khắc phục vấn đề này, nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật CAE (Computer Aided Engineering) nhằm cải tiến bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của ô tô khách theo tiêu chuẩn Châu Âu Dựa trên kết quả mô phỏng trước khi cải tiến, nghiên cứu tập trung vào thiết kế nâng cao tính năng hấp thụ năng lượng va chạm, đảm bảo an toàn hơn cho người sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của ô tô khách, với đối tượng nghiên cứu là mô hình khung xương của ô tô khách Universe Mục tiêu là nâng cao độ an toàn cho hành khách trong trường hợp xảy ra va chạm, thông qua việc tối ưu hóa thiết kế khung xe.

42 chỗ ngồi có sẵn do nhà sản xuất Tracomeco cung cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp bao gồm:

Nghiên cứu mô phỏng đã tiến hành phân tích kết quả để đánh giá và phát triển ý tưởng về cấu tạo của bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện gắn ở đầu xe Mục tiêu chính là giảm thiểu lực va chạm trực diện, từ đó nâng cao mức độ an toàn cho tài xế và hành khách khi xảy ra va chạm.

- Nghiên cứu thiết kế bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện gắn ở đầu ô tô khách

Tiến hành mô phỏng với bộ hấp thụ năng lượng va chạm để so sánh với tình huống không có bộ hấp thụ Đánh giá kết quả để xác định hiệu quả của bộ hấp thụ năng lượng trong việc giảm thiểu tác động va chạm.

Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế bộ hấp thụ năng lượng va chạm cho ô tô khách 42 chỗ được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn an toàn Châu Âu, nhằm tăng cường khả năng bảo vệ trong trường hợp xảy ra va chạm trực diện Bộ hấp thụ này sẽ được gắn chắc chắn vào khung xe, đảm bảo an toàn tối ưu cho hành khách và giảm thiểu thiệt hại trong các tình huống khẩn cấp.

Mô phỏng và so sánh kết quả trước và sau khi lắp đặt bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện trên ô tô khách 42 chỗ từ nhà sản xuất Tracomeco Đánh giá kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ an toàn và khả năng bảo vệ hành khách, từ đó rút ra kết luận về hiệu quả của bộ hấp thụ năng lượng trong việc giảm thiểu thiệt hại trong các vụ va chạm.

Nội dung nghiên cứu

Khảo sát, phân tích lựa chọn và xây dựng phương án thiết kế cải tiến tính năng hấp thụ năng lượng va chạm trực diện của ô tô khách

Trên cơ sở mô hình 2D tiến hành xây dựng mô hình 3D cho khung xương và chassis ô tô khách

Sử dụng phần mềm HYPERMESH để tạo mô hình phân tích phần tử hữu hạn, thiết lập các thuộc tính và vật liệu, đồng thời đặt điều kiện biên cho mô hình khung xương và chassis của ô tô khách.

Dùng phần mềm LS-DYNA mô phỏng phân tích tính an toàn khi va chạm trực diện của ô tô khách

Dùng phần mềm HYPERVIEW xuất ra file kiểm tra kết quả mô phỏng của LS- DYNA đánh giá kết quả

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

Cơ sở lý thuyết về va chạm

Va chạm là hiện tượng tiếp xúc giữa các vật rắn, dẫn đến sự thay đổi trong đặc trưng cơ học của chúng Trong quá trình va chạm, vận tốc của các điểm và vận tốc góc của các vật rắn sẽ thay đổi một cách hữu hạn trong khoảng thời gian rất ngắn.

2.1.2 Lực va chạm và xung lực va chạm

Khi hai vật rắn va chạm, lực liên kết tại điểm tiếp xúc được gọi là lực va chạm, ký hiệu là F(t) Tác dụng của lực va chạm thường được đánh giá thông qua xung lực va chạm.

2.1.3 Động học và động lực học của ô tô khi va chạm trực diện Để khảo sát các đặc tính biến dạng của xe, chúng ta đưa ra mô hình động lực học như hình 2.1 Giả thuyết cho rằng khi xe va chạm trực diện vào các vật cản tuyệt đối và cố định thì xe sẽ dừng lại mà không có hiện tượng dội ngược lại sau khi va chạm Tức là chúng ta xem biến dạng đầu xe khi va chạm là biến dạng dẻo hoàn toàn và hệ số phản hồi được tính như sau: v 0

Với: v – Vận tốc khi bắt đầu va chạm v 0 – Vận tốc sau khi va chạm với vật cản

Hình 2.1: Mô hình khi xe va chạm với vật cản

Nếu gọi v 0 là vận tốc bắt đầu va chạm và v là vận tốc sau khi va chạm với vật cản thì v = 0 và v 0 # 0

Toàn bộ động năng trong thời điểm va chạm: 2

E  đối với va chạm dẻo tuyệt đối sẽ biến thành công biến dạng, tức là:

F: Lực biến dạng tức thời (lực gây biến dạng)

x: Độ biến dạng tức thời của đầu xe

v: Độ giảm vận tốc của xe

xmax: Độ biến dạng cực đại của đầu xe sau khi dừng m: Khối lượng toàn bộ của xe

Khi ôtô va chạm với vật cản cứng tuyệt đối, độ lớn của biến dạng tức thời sẽ tương đương với độ dịch chuyển của phần thân xe không bị biến dạng, tức là x = Δx.

Phương trình chuyển động của xe trong thời điểm va chạm với vật cản sẽ là:

Chúng ta sẽ nghiên cứu 3 khả năng có thể xảy ra đối với lực biến dạng:

F   (lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào độ biến dạng, c là hằng số độ cứng của đầu xe) k x

F   (lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng, k là hệ số biến dạng của đầu xe.)

Gia tốc chậm dần cực đại cho phép khi va chạm với vật cản cứng được ký hiệu là a max, dựa trên quan điểm cơ sinh học về khả năng chịu đựng của cơ thể người Chúng ta giả định rằng trong cả ba trường hợp, gia tốc chậm dần cực đại a max đều giống nhau và vận tốc va chạm v 0 cũng có giá trị tương tự.

Sau đây là tính toán độ biến dạng cực đại của đầu xe khi va chạm cho 3 khả năng trên:

2.1.3.1 Đặc tính biến dạng không đổi của đầu trước của xe (F = const)

Từ phương trình (2.4) ta suy ra: a max m x F 

Nếu F = const thì theo (2.3) ta có: max

Từ đó tính được độ biến dạng cực đại: max

2.1.3.2 Đặc tính biến dạng tuyến tính của đầu trước của xe F.c.x

Thay lực biến dạng F.c.xvào phương trình (2.3) thì nhận được

   (2.8) Đồng thời ta cũng có: m a F max ; F max c.x max 2 (2.9)

Suy ra: c v m c a m c x max  F max  max  0

Từ đó tính được độ biến dạng cực đại: max

Khi lực biến dạng tỷ lệ thuận với độ biến dạng dẻo, độ biến dạng đạt được sẽ gấp đôi so với trường hợp khác, với cùng giá trị a max và v 0.

2.1.3.3 Lực biến dạng phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng F k.x

Bởi vì x = x cho nên phương trình chuyển động (2.4) sẽ có dạng:

Giải phương trình (2.13) chúng ta nhận được độ dịch chuyển phần không biến dạng của thân xe khi va chạm: 

Và vận tốc dịch chuyển khi va chạm:

Vận tốc biến dạng lớn nhất xv 0 là ở thời điểm ban đầu của va chạm t = 0, nếu như để thỏa mãn điều kiện xa max thì theo (2.13) cần phải có: max v 0 m a k x 

Và biến dạng cực đại ở đầu trước của xe ở trường hợp này giống với trường hợp 2.1.3.2 (đặc tính biến dạng tuyến tính)

2.1.3.4 Biến dạng đàn hồi và định luật Hooke

Theo định luật Hooke, biến dạng tỉ đối ε của thanh rắn phụ thuộc vào lực tác dụng F và tiết diện ngang S của thanh Khi lực F tăng và tiết diện S giảm, biến dạng ε sẽ tăng theo tỷ lệ ε = α.σ.

Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối của vật rắn đồng chất hình trụ tỷ lệ thuận với ứng suất tác động lên vật đó.

Với: α: là hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất liệu vật rắn (N/m) σ: là ứng suất Đơn vị đo của σ là paxcan (Pa)

Biến dạng đàn hồi là loại biến dạng mà vật thể có thể phục hồi hoàn toàn sau khi loại bỏ tải trọng Nó tuân theo định luật Hooke, trong đó mô đun đàn hồi E thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng dài tương đối ε, được biểu diễn qua công thức σ = E.ε Hệ số này phản ánh tính đàn hồi của vật rắn, cho thấy sự phụ thuộc của biến dạng vào ứng suất tác động lên nó.

Mô đun đàn hồi là đại lượng đo lường ứng suất, được tính bằng lực trên diện tích Nó phụ thuộc vào thành phần hóa học, quy trình xử lý và điều kiện nhiệt độ của vật liệu Trong trạng thái ứng suất pháp đơn giản, mô đun đàn hồi được biểu diễn bằng công thức cụ thể.

Trong đó: ε: là độ biến dạng

E: là mô đun đàn hồi pháp tuyến hay mô đun Young đặc trưng cho tính đàn hồi của vật rắn Đơn vị là Pa

Hệ số Poisson (ký hiệu là ν), được đặt theo tên nhà vật lý Siméon-Denis Poisson, là tỷ số giữa độ biến dạng hông tương đối và độ biến dạng dọc trục tương đối khi chịu tác dụng của lực.

Hình 2.2: Phương tác dụng lực lên vật rắn khi nén

Khi một đối tượng bị kéo dài, độ dài của nó tăng lên trong khi độ dày giảm Ngược lại, khi đối tượng bị nén, độ dài giảm và độ dày tăng lên Tỷ lệ giữa sự co lại và kéo dài của đối tượng này được gọi là tỷ lệ Poisson.

Hệ số Poisson của vật liệu thông thường nằm trong khoảng (-1,0 ÷ 0,5)

Hệ số Poisson của phần lớn vật liệu nằm trong khoảng (0 ÷ 0,5) với thép là 0,3 Khi vật liệu bị nén dọc trục: trans x axial y

 : biến dạng ngang (biến dạng hông); có giá trị âm nếu chịu kéo, dương nếu chịu nén axial

 : biến dạng dọc trục (có giá trị dương nếu chịu kéo, âm nếu chịu nén)

2.1.3.6 Giới hạn bền và hệ số an toàn của vật liệu

Khi một mẫu vật được làm từ một loại vật liệu chịu tác động của lực, nó sẽ bắt đầu biến dạng khi lực đạt đến một giá trị nhất định Nếu lực vượt quá giá trị F b, mẫu vật sẽ bị phá hủy hoặc biến dạng quá mức.

Thương số của Fb và tiết diện ngang S của mẫu vật liệu gọi là giới hạn bền của vật liệu làm mẫu vật [7] :

 (N/m 2 , Pa) (2.20) Ứng suất pháp và ứng suất tiếp cho phép được xác định bằng công thức: Đối với kim loại giòn

    (2.21) Đối với kim loại dẻo.

Khi chế tạo máy móc hoặc xây dựng công trình, việc chú ý đến giới hạn bền của vật liệu là rất quan trọng Cần tính toán sao cho mỗi đơn vị tiết diện ngang của vật liệu chỉ chịu lực nhỏ hơn giới hạn bền của nó một số lần nhất định Hệ số này, được gọi là hệ số an toàn, càng lớn thì công trình càng an toàn hơn.

Giá trị n thường khoảng từ 1,7 đến 10

Tiêu chuẩn an toàn va chạm trực diện

According to the Euro NCAP (European New Car Assessment Programme) standards, the testing procedures are based on developments by the European Enhanced Vehicle-safety Committee (EEVC) for legal regulations.

Ứng dụng phần mềm vào nghiên cứu

Hyperworks là phần mềm CAE nổi tiếng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng phân tích chính xác bằng phương pháp phần tử hữu hạn Phần mềm này giúp các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng, giảm chi phí và tăng năng suất, đồng thời tối ưu hóa quy trình thiết kế và sản xuất Hyperworks cung cấp giải pháp CAE toàn diện, bao gồm mô phỏng phân tích, quản lý dữ liệu tuyến tính và phi tuyến, tối ưu hóa cấu trúc, cấu trúc chất lỏng, và sự tương tác giữa các vật thể, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong các cơ cấu khác nhau.

Mô phỏng (HyperMesh, Hyperview, Hyperview player, Hypergraph, Hypercrash,

Phân tích (Radioss, Optistruct, Hyperstudy, Hypersolve, Hypershape/catia,

Kinh doanh (Altair data manager: (ADM), Altair process manager)

2.2.1 Phần mềm HyperMesh Đây là phần mềm dùng để chia lưới phần tử hữu hạn cho các mô hình hình học, đặt điều kiện biên lên mô hình để từ đó tính toán và phân tích mô hình Hiện nay, phần

HyperMesh là phần mềm ứng dụng hàng đầu thế giới trong việc chia lưới, nổi bật với giao diện trực quan và khả năng chia lưới dễ dàng Những tính năng tiện ích của nó giúp người dùng nhanh chóng tạo ra mô hình tính toán với chất lượng chia lưới tối ưu, từ đó mang lại kết quả tính toán chính xác hơn Hiện nay, HyperMesh thường được sử dụng để xây dựng mô hình hình học, chia lưới bề mặt, tự động tạo mặt trung gian và thay đổi hình dạng chi tiết trong mô hình.

Phần mềm cung cấp kết quả tính toán một cách trực quan và dễ hiểu, giúp người dùng nhanh chóng xem kết quả mô phỏng thông qua hình ảnh hiển thị Nó ghi lại quá trình mô phỏng dưới định dạng H3D, cho phép xem lại bằng chương trình Altair Hyperview miễn phí Bên cạnh đó, phần mềm còn hỗ trợ tự động hóa việc hiển thị kết quả và lập báo cáo.

Phần mềm LS-DYNA, phát triển bởi Công ty Cổ phần công nghệ phần mềm Livermore, là một công cụ mô phỏng tiên tiến và đa năng, chuyên dùng cho phân tích phản ứng động phi tuyến của cấu trúc ba chiều Với khả năng dự đoán phản ứng của nguyên mẫu trong các điều kiện thực tế, phần mềm giúp giảm thiểu thời gian thiết kế Tính năng phân tích tiếp xúc tự động cùng với các công cụ kiểm tra lỗi tích hợp sẵn đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao Hiện nay, LS-DYNA được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng, quân sự và công nghệ sinh học công nghiệp.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KHUNG XƯƠNG Ô TÔ KHÁCH GHẾ NGỒI TRÊN PHẦN MỀM

Mô hình tổng thể ô tô khách (3d)

Mô hình khung xương xe khách được thiết kế bằng phần mềm CAD 3D, bao gồm các bộ phận chính như đầu xe, khung bên trái, khung bên phải, trần và gầm, tạo nên cấu trúc vững chắc cho xe.

Khung xương xe được cấu tạo từ các bộ phận có tiết diện đa dạng, đảm bảo tính cứng vững và bền bỉ, đồng thời mang lại sự an toàn cho phương tiện khi di chuyển trên đường.

Hình 3.1: Mô hình khung xương xe khách trong môi trường Catia 3D

Sau khi hoàn thiện mô hình 3D trên phần mềm Catia, bước tiếp theo là nhập file mô hình vào phần mềm HyperMesh để tiến hành chia lưới và gán điều kiện biên.

Mô hình tổng thể ô tô khách (2d)

Mô hình xe khách ghế ngồi được thiết kế dựa trên xe khách 42 chỗ của nhà sản xuất ô tô TRACOMECO, với các thông số kỹ thuật nổi bật: chiều dài tổng thể 10.150 m, chiều rộng 2.485 m, chiều cao 3.515 m và chiều dài cơ sở 5 m.

Hình 3.3: Mô hình bên ngoài của xe khách

Mô hình khung xương 2D của xe khách bao gồm toàn bộ cấu trúc khung xương được liên kết với nhau thông qua nhiều loại thanh có tiết diện, độ dày, kích thước và hình dạng đa dạng.

Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

3.3.1 Chỉnh sửa mô hình từ file CAD 3D trong HyperMesh

Sau khi nhập mô hình file CAD 3D vào trong môi trường làm việc HyperMesh cần phải kiểm tra lại mô hình và chỉnh sửa lỗi

Hình 3.4: Mô hình khung xương đã chỉnh sửa trước khi chia lưới

3.3.2 Chia lưới mô hình khung xương xe khách

Mô hình bao gồm mặt đường, vật cản và khung xương xe, với việc chia lưới mô hình là yếu tố quan trọng để tạo ra một mô hình chất lượng trong HyperMesh Điều này giúp đảm bảo kết quả tính toán và phân tích chính xác Đầu tiên, cần chọn kiểu lưới, trong trường hợp này, lưới hỗn hợp (Mixed) với kích thước 20mm sẽ được áp dụng cho toàn bộ khung xương của ô tô khách.

Các bước chia lưới mô hình:

Bước 1) Xuất file chứa mô hình 3D trong HyperMesh đã chỉnh sửa > Từ bảng User

Profiles chọn môi trường Ls - Dyna

Hình 3.5: Mô hình 3D trong môi trường làm việc HyperMesh của xe khách

Bước 2) Tạo mặt giữa mô hình:

Từ Menu chính, chọn Geom, chọn Midsurface

Chọn chế độ Auto Midsurface, trong surf chọn All, rồi chọn Extract để tạo mặt giữa mô hình theo bảng dưới

Chọn return để quay về

Hình 3.6: Bảng điều khiển Midsurface

Bước 3) Chia lưới toàn bộ mô hình khung xương:

Bộ khung xương được chia thành 5 phần, cho phép phân chia lưới khung xương theo từng mảng Để tối ưu hóa, hãy chọn lưới có kích thước 20mmx20mm, sử dụng lưới hình hỗn hợp và kích hoạt chế độ chia lưới tự động.

Hình 3.7: Bảng điều khiển chia lưới tự động 3.3.3 Kiểm tra và chỉnh sửa lưới mô hình khung xương xe khách

3.3.3.1 Kiểm tra chất lượng lưới

Trong 2D > qualityindex > Bảng điều khiển thông số chất lượng lưới xuất hiện, tỷ lệ lưới bị lỗi càng nhỏ sẽ càng tốt

Hình 3.8: Hiện thị các lỗi lưới xấu (đỏ), không tốt (vàng), tạm được (xanh da trời) 3.3.3.2 Chỉnh sửa lưới

Trên bảng điều khiển thông số chất lượng lưới (qualityindex)

Hình 3.9: Bảng điều khiển qualityindex 3.3.4 Hàn lưới

Việc hàn lưới là rất quan trọng để đảm bảo toàn bộ lưới được liên kết chặt chẽ theo một mô hình nhất định, đồng thời tạo ra sự gắn kết vững chắc giữa các chi tiết và khung xương của xe khách, mặc dù tỷ lệ lỗi của lưới vẫn đạt yêu cầu.

Phương pháp hàn giữa các nút lưới được áp dụng nhằm đảm bảo tính chặt chẽ cho cấu trúc, đồng thời giúp ngăn ngừa ảnh hưởng từ sự thay đổi vật liệu của các chi tiết.

Lưới cần được hàn tại các vị trí kết nối giữa các chi tiết, nơi mà các lưới và nút lưới không liên kết với nhau tại điểm tiếp xúc giữa các chi tiết và các mảng khung xương.

Hình 3.10: Vị trí cần hàn lưới giữa 2 chi tiết

Hình 3.11: Các nút lưới đã được hàn với nhau 3.3.5 Chọn vật liệu và đặc tính cho mô hình

Việc lựa chọn vật liệu cho khung xương xe khách là yếu tố quan trọng quyết định độ bền vững của khung, đồng thời giúp giảm trọng lượng xe, nâng cao tính an toàn và tiết kiệm chi phí sản xuất.

Chọn vật liệu cho các mảng khung xương giúp xác định khối lượng của khung xương thông qua các phép tính của phần mềm, khi người dùng nhập những giá trị cần thiết cho loại vật liệu tương ứng.

Hình 3.12: Bảng thiết lập các thông số về vật liệu Thiết lập vật liệu:

Sử dụng vật liệu có tính đàn hồi, cứng, dẻo như thép và cao su

Vật liệu có tính đàn hồi, dẻo được thiết lập theo MATL1 là *MAT_ELASTIC cho lốp xe

Vật liệu cứng được thiết lập theo MATL20 là *MAT_RIGID cho vật cản, đường, cầu xe

Vật liệu có tính đàn hồi như thép được thiết lập theo MATL24 là

*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY cho khung xương xe khách và mâm bánh xe

Bảng 3.1: Thông số vật liệu sử dụng trong mô hình

Khối lƣợng riêng ρ (kg/mm 3 ) [Rho] Ứng dụng MATL trong HperMesh Ứng suất giới hạn σ b (MPa) [SIGY]

Bảng 3.2: Thông số vật liệu trong HyperMesh khi kiểm tra bằng chức năng

3.3.5.2 Tạo đặc tính cho mô hình

Đặc tính của mô hình trong HyperMesh bao gồm việc xác định các tính chất và bề dày cho các thành phần đã tạo Quá trình này giúp cập nhật đầy đủ dữ liệu vào các Components, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế.

Hình 3.13: Thiết lập tạo đặc tính cho Components 3.3.6 Gắn khối lƣợng trên mô hình xe khách

Trên một chiếc xe khách, bên cạnh bộ khung xương, còn có nhiều bộ phận khác góp phần hoàn thiện cấu trúc xe Các bộ phận này không chỉ có khối lượng đáng kể mà còn được bố trí ở những vị trí cụ thể trên bộ khung xương.

Khối lƣợng mô hình tính toán đƣợc gắn trên xe khách:

Bảng 3.3: Thống kê khối lượng khảo sát các bộ phận trên xe khách ghế ngồi

STT Tên chi tiết, thiết bị Số lượng*khối lượng (kg) Tổng khối lượng (kg)

14 Lốp vỏ xe bên trái 45 45

15 Lốp vỏ xe bên phải 45 45

Tổng khối lượng xe khách không tải 6499

Tổng khối lượng xe khách có tải 9859

Xác định vị trí và gắn khối lƣợng trên xe:

28 Ở đây ta gắn khối lượng cho cửa thoát hiểm, mỗi cửa có khối lượng thực tế là 6 kg và khối lượng được quy về một điểm

Gắn khối lượng bằng phương pháp hàn Nodes

Hình 3.14: Mô hình và bảng điều khiển Masses

Tiếp tục chọn Nodes cần đặt khối lượng vừa tạo, nhập giá trị khối lượng là 6 vào mục mass, rồi chọn Create

Chọn các Nodes cần đặt khối lượng trên mô hình lưới, sau đó nhập giá trị khối lượng 6 vào mục mass và nhấn Create để hoàn tất.

Hình 3.15: Thiết lập khối lượng trên mô hình lưới

Node đặt khối lượng trên lưới

3.3.7 Tạo liên kết giữa các thành phần trong mô hình

Tạo liên kết giữa các loại vật liệu khác nhau Liên kết giữa cầu xe với mâm xe và lốp xe sau khi Set Nodes

Hình 3.16: Chức năng hiện thị nhóm liên kết được tạo giữa cầu và mâm xe trước

Để liên kết cầu xe với mâm xe cho các đối tượng không thể hàn do khác vật liệu, cần thực hiện theo các bước tương tự như các nhóm liên kết khác.

3.3.7.2 Tạo Set Part Ở đây ta cần tạo liên kết cho toàn bộ trên một chiếc xe

Hình 3.17: Bảng điều khiển khi tạo Set Part

Để tạo liên kết cho một chiếc xe, hãy nhấn vào ô Comps để chọn các đối tượng cần thiết, sau đó bấm Select và chọn Create để hoàn tất quá trình tạo liên kết mới.

3.3.7.2 Xác định trọng tâm của mô hình xe khách

Mọi vật thể trong môi trường đều chịu tác động của trọng lực và có một trọng tâm G Trọng tâm G luôn hướng theo chiều của trọng lực, tức là từ trên xuống dưới.

Hình 3.18: Hộp thoại hiện thị các thông số tính toán của mô hình trong HyperMesh

Sau đó nhập tọa độ như bảng điều khiển sau:

Hình 3.19: Nhập tọa độ trọng tâm trong bảng điều khiển Nodes

Để tìm tọa độ trọng tâm của xe khách, bạn cần nhập các tọa độ x, y, z Cuối cùng, hãy chọn "create node" để tạo điểm, và điểm này sẽ là tọa độ trọng tâm mà bạn cần xác định.

Hình 3.20: Tọa độ trọng tâm G mô hình xe khách

Liên kết trọng tâm xe với toàn bộ xe

Hình 3.21 Tọa độ trọng tâm gắn kết với xe 3.3.7.3 Tạo tiếp xúc giữa toàn bộ xe với mặt đường, vật cản

Các bước tạo tiếp xúc:

Step 1: Access the Interfaces section, where the control panel appears as shown in Figure 3.22 In the "name" field, enter the desired name for the contact to be created Select "SurfaceToSurface" as the type for surface contact, choose the "Card image" mode, and then click "Create" to finalize the process.

Vị trí tọa độ trọng tâm

Vị trí tọa độ trọng tâm Thanh liên kết

Hình 3.22: Bảng điều khiển chức năng tạo tiếp xúc Interfaces

Bước 2) Trên thanh công cụ pull – down Menu, chọn Tools > Create Cards > CONTACT > *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE

Hình 3.23: Thiết lập tạo tiếp xúc giữa các bề mặt của đối tượng

Sau đó bảng hộp thoại đăng nhập tên nhóm cần tạo xuất hiện, ta đặt tên rồi click

Hình 3.24: Bảng nhập tên đối tượng cần tạo tiếp xúc

Hình 3.25: Bảng thiết lập thông số cho bề mặt tiếp xúc

Bước 3) Click vào Return để xuất hiện bảng sau:

Hình 3.26: Bảng thiết lập đối tượng chính và phụ khi tao tiếp xúc

Trong mục master, chọn Sets > click vào ô màu vàng, viền xanh rồi chọn đối tượng

Set Part của xe vừa tạo > select > update

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU ĐẦU XE KHÁCH GHẾ NGỒI VÀ PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤU ĐẦU XE KHI XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN

Phương pháp cải tiến mô hình trong quá trình va chạm trực diện

Qua kết quả mô phỏng ban đầu các hình 4.1, hình 4.2 và hình 4.3 cho thấy:

Quá trình va chạm diễn ra trong thời gian rất ngắn, chỉ tính bằng milisecond (ms), khiến mắt thường không thể nhận thấy Do đó, việc quan sát sự biến dạng của cấu trúc khung xương xe khách là cần thiết để hiểu rõ hơn về hiện tượng này.

Trong và sau va chạm, khung xương đầu xe bị biến dạng nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến không gian an toàn của người lái Các thanh kim loại có xu hướng uốn, gãy và đẩy mạnh về phía buồng lái, gây ra tác động nguy hiểm.

Để giảm thiểu tác động của va chạm đến các cấu trúc khung xương lân cận, cần có những cải tiến hiệu quả Việc lắp đặt bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện là giải pháp cần thiết nhằm giảm thiểu biến dạng do va chạm gây ra.

4.3 Bộ hấp thụ năng lƣợng va chạm trực diện

4.3.1 Bộ hấp thụ năng lƣợng va chạm trực diện đƣợc gắn cho ô tô khách

Do kết cấu ban đầu có độ cứng yếu, nó không chịu được lực va chạm, dẫn đến biến dạng nhiều Vì vậy, cần thiết kế bộ hấp thụ dao động gắn ở đầu xe Khi chưa va chạm, bộ này sẽ được điều khiển lùi vào trong, giữ hình dạng đầu xe bình thường Khi có nguy cơ va chạm, cơ cấu sẽ điều khiển 2 ống giảm chấn tiến về phía trước và khóa piston lại để ngăn không cho piston bị đẩy ngược khi va chạm xảy ra Bộ hấp thụ dao động sẽ hấp thụ lực va chạm, giảm hư hỏng cho đầu xe và đảm bảo an toàn cho tài xế và hành khách.

Hình 4.7: Bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện cho ô tô khách

Cơ cấu hấp thụ năng lượng va chạm trực diện được thiết kế dựa trên biến dạng của đầu xe, như thể hiện trong Hình 4.7 Khi không có va chạm, cơ cấu sẽ ở vị trí ban đầu, với cản phía trước giống như cản của ô tô không có gắn thêm thiết bị nào.

Hệ thống hấp thụ năng lượng va chạm trực diện bao gồm 49 bộ phận, trong đó khí piston được đẩy ra khi gần xảy ra va chạm Khi piston được đẩy ra hết, nó sẽ được cố định Lực va chạm sẽ được hấp thụ thông qua sự biến dạng của cản trước, 6 thanh giảm chấn và piston, với piston đóng vai trò là bộ phận giảm chấn chính.

Bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện gồm các bộ phận: Đầu piston, đệm cao su, trụ piston, xylanh, các thanh giảm chấn và cản trước

4.3.2 Cấu tạo bộ hấp thụ năng lƣợng va chạm trực diện cho ô tô khách

Hình 4.8 minh họa cấu tạo của ống giảm chấn, trong đó đầu piston được kết nối với cản trước của xe, giúp gia tăng độ cứng vững cho cản Khi có va chạm, đầu piston sẽ đảm nhận vai trò hấp thụ một phần lực tác động, góp phần bảo vệ xe khỏi hư hại.

Hình 4.9: Cấu tạo của đệm cao su Đệm cao su được thiết kế như hình hình 4.9 có 2 tấm đệm được bố trí sát nhau mục đích là làm kín

Hình 4.10: Cấu tạo của piston

Piston được thiết kế để hấp thụ dao động cao khi xảy ra va chạm, giúp nó biến dạng mà không gây hư hại Một đầu của piston được kết nối với đầu piston, trong khi đầu còn lại được gắn với xyanh.

Hình 4.11: Cấu tạo của xylanh

Xylanh được thiết kế với một đầu gắn vào chassis và đầu còn lại gắn với piston Thân xylanh có cơ cấu để đưa dầu vào, giúp đẩy piston ra khi xảy ra va chạm Khi piston đã được đẩy ra hoàn toàn, cơ cấu chốt trên thân xylanh sẽ ngăn không cho piston thụt vào, đảm bảo rằng piston sẽ bị biến dạng trong trường hợp va chạm.

Hình 4.12: Cấu tạo của thanh giảm chấn

Thanh giảm chấn được chế tạo từ các thanh kim loại có khả năng hấp thụ va chạm hiệu quả, giúp giảm thiểu lực tác động khi xảy ra va chạm Loại vật liệu chính được sử dụng để sản xuất thanh giảm chấn là sắt ống, mang lại độ bền và khả năng triệt tiêu lực va chạm tốt.

Cản trước giảm chấn được chế tạo từ sắt ống tổ ong, giúp hấp thụ dao động hiệu quả Cấu trúc cản trước tương tự như cản ô tô không có bộ hấp thụ năng lượng va chạm, nhưng được chia thành ba phần: hai phần gắn với thanh giảm chấn và một phần gắn với ống giảm chấn Khi va chạm xảy ra, piston của ống giảm chấn cùng một phần cản trước sẽ được đẩy ra phía trước để hấp thụ lực va chạm.

Hình 4.13: Tấm cản trước trong cơ cấu

Hình 4.14: Cấu tạo của tấm cản trước bằng sắt ống tổ ong

Tấm cản bằng sắt ống tổ ong không chỉ có chức năng cản va mà còn giúp hấp thụ dao động trong trường hợp xảy ra va chạm, từ đó đảm bảo an toàn tối đa cho tài xế và hành khách trong xe.

Kết quả của quá trình va chạm trực diện khi gắn bộ hấp thụ năng lượng trực diện

Quá trình va chạm trực diện phía trước

4.4 Kết quả quá trình va chạm trực diện khi gắn bộ hấp thụ năng lƣợng va chạm trực diện

4.4.1 Qua trình va chạm trực diện phía trước

Hình 4.15: Mô phỏng ở 180ms với va chạm phía khi đã cải tiến

Hình 4.16: Biến dạng Chassis khi va chạm phía khi đã cải tiến a) Trước khi xảy ra va chạm b) Sau khi xảy ra va chạm

4.4.2 Chuyển vị của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ b) a)

Hình 4.17: Chuyển vị của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ

Trong quá trình va chạm, chuyển vị của xe tăng nhanh từ 0 đến 830 mm, như thể hiện trong hình 4.17.

Từ giá trị chuyển vị cho thấy là đầu xe vẫn bị biến dạng nhiều nhưng không ảnh hưởng đến không gian an toàn của tài xế

4.4.3 Vận tốc của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ

Hình 4.18: Vận tốc của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ

Khi xe va chạm, vận tốc giảm dần theo thời gian, như thể hiện trong hình 4.18 Giá trị vận tốc ban đầu khoảng 14 mm/ms.

55 khi chưa xảy ra va chạm thì vận tốc gần như không đổi, khi xảy ra va chạm thì vận tốc giảm nhanh

4.4.4 Gia tốc của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ

Hình 4.19: Gia tốc của xe khi va chạm trực diện khi có bộ hấp thụ

Gia tốc khi xe va chạm được thể hiện qua hình 4.19, cho thấy rằng gia tốc tăng dần theo thời gian do đầu xe mềm Ban đầu, gia tốc khá nhỏ, nhưng khi xe biến dạng đến kết cấu cứng bên trong, gia tốc bắt đầu tăng lên Hình 4.19 cũng chỉ ra rằng vận tốc càng lớn thì gia tốc va chạm càng cao Đặc biệt, gia tốc khi có bộ hấp thụ giảm rõ rệt so với khi không có bộ hấp thụ.

4.5 So sánh kết quả va chạm trước và sau khi gắn thêm bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện

4.5.1 So sánh chuyển vị của xe trước và sau khi gắn thêm hấp thụ năng lượng va chạm trực diện

Kết quả quá trình va chạm trực diện khi gắn bộ hấp thụ năng lượng va chạm trực diện