Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ôtô va chạm trực diện
Bộ giáo dục và đào tạo Bộ Quốc phòng Học viện Kỹ thuật Quân sự Nguyễn Quang Anh Nghiên cứu Động lực học và độ bền của khung vỏ ôtô khi va chạm trực diện Chuyên ngành : Kỹ thuật Xe máy Quân sự, Công binh Mã số : 62.52.36.01 Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2007 Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự Ngời hớng dẫn khoa học: 1. Hớng dẫn thứ nhất: PGS. TS. D Quốc Thịnh 2. Hớng dẫn thứ hai: PGS. TS. Nguyễn Phúc Hiểu Phản biện 1: PGS. TS. Nông Văn Vìn Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Nhật Chiêu Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Nhà nớc họp tại Vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: * Th viện Quốc gia * Th viện Học viện Kỹ thuật Quân sự Danh mục công trình của tác giả 1. Anh Nguyen Quang, Son Tran Minh To Calculate the Stress of Car Body by SAP2000 Proceedings 2002 JSAE Annual Congress No.66-02 Strength and Durability of Vehicle Parts, ISSN 0919-1364, July 22-27, YOKOHAMA, JAPAN, Page 5-8. 2. Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Nguyen Phuc Hieu Experiment Method of Passive Safety for Occupants in a case of the Frontal Collision Proceedings International Conference on Automotive Technology for Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No066. 3. Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Cao Hung Phi Studying on Deployment Standards of Air Bag System in case of Frontal Collision Proceedings International Conference on Automotive Technology for Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No.069. 4. Nguyen Quang Anh, Du Quoc Thinh, Nguyen Phuc Hieu Application of Digital Simulation Method to Motor Vehicle Frontal Collision Proceedings International Conference on Automotive Technology for Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No102. 5. D Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh ứng dụng môđun LS-DYNA trong phần mềm ANSYS để tính toán ứng suất và biến dạng khung xe chở khách 8 chỗ ngồi trong trờng hợp hai xe va chạm trực diện Tạp chí Giao thông vận tải, Số 8/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang 34-35. 6. D Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh Thử nghiệm xác định biến dạng và ứng suất của khung xe Saigon Van 8 chỗ ngồi khi va chạm trực diện vào vật cản cứng ở tốc độ 20Km/h Tạp chí Giao thông vận tải, Số 9/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang 29-31. 1 mở đầu 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay Nhà nớc đã có quyết định về chiến lợc phát triển ngành công nghiệp ôtô trong đó ôtô chở khách là sản phẩm trọng điểm theo xu hớng nội địa hóa tiến tới thiết kế và sản xuất ôtô mang thơng hiệu Việt Nam. Công ty ôtô Sài Gòn đợc Nhà nớc cho phép sản xuất và lắp ráp loại xe chở khách 6-8 chỗ ngồi nhằm đáp ứng nhu cầu thay thế loại xe lam và xe buýt hết niên hạn sử dụng để phục vụ cho giao thông công cộng tại Thành phố Hồ Chí Minh và nhiều thành phố khác trong toàn quốc. Để thực hiện chơng trình nội địa hoá thì việc sản xuất chế tạo khung vỏ trở thành một vấn đề hết sức quan trọng vì nó chiếm tới 40% giá trị của xe. Mặt khác trớc tình hình tai nạn giao thông ngày càng gia tăng, trong đó tai nạn do va chạm ôtô thờng gây ra những thiệt hại lớn về ngời và phơng tiện nên cũng đặt ra vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu. Xuất phát từ thực tế đó luận án Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ xe khi va chạm trực diện đã đợc chọn để nghiên cứu. Đây là một đề tài có tính thời sự cao, có ý nghĩa trong nghiên cứu và thực tiễn sản xuất và là một vấn đề còn mới mẻ ở Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu các cơ sở khoa học và thực nghiệm để xác định độ bền, độ cứng vững của khung vỏ ôtô nhằm đảm bảo an toàn bị động cho ngời và xe khi chịu tác động của va chạm trực diện, đồng thời đề xuất các kiến nghị cho các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ. 3. Đối tợng nghiên cứu Đối tợng nghiên cứu của luận án là loại xe minibus 6-8 chỗ Saigon Van do Công ty ôtô Sài Gòn sản xuất và các loại xe tơng đơng đợc sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam. 4. Phơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa tính toán lý thuyết bằng mô phỏng số trên mô hình 3D và nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán. 5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn Để hạn chế những thiệt hại khi có tai nạn, đáp ứng nhu cầu nội địa hóa sản xuất ôtô, thì các nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm tra độ bền, độ cứng vững của khung vỏ xe khi va chạm trực diện nhằm đảm bảo an toàn cho hành khách và phơng tiện là rất quan trọng. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở tham khảo cho các nhà máy đề ra các giải pháp hoàn thiện kết cấu khung vỏ xe theo hớng tăng cờng an toàn cho ngời trên xe khi xảy ra va chạm. 6. Bố cục của luận án Luận án bao gồm 4 chơng. 2 Chơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam về va chạm trực diện, các yêu cầu kỹ thuật khung vỏ xe khi va chạm trực diện và tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm. Xác định mục tiêu, nhiệm vụ và phơng pháp nghiên cứu của luận án. Chơng 2: Cơ sở khoa học về va chạm trực diện của ôtô Nghiên cứu các cơ sở khoa học của quá trình va chạm nh các mô hình va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện. Chơng 3: Tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phơng pháp phần tử hữu hạn Xây dựng mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát ; tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phơng pháp mô phỏng số với môđun LS-DYNA. Chơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm Trình bày về các thiết bị, phơng pháp thí nghiệm, nội dung, quy trình thí nghiệm và tính toán xử lý kết quả. Các nội dung chính của chơng 2, 3 đợc công bố trong các bài báo 1, 2, 3, 4, 5. Nội dung chơng 4 công bố ở bài báo số 6 trong phần danh mục các công trình đã công bố của tác giả. Chơng 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1. Tình hình an toàn giao thông tại Việt Nam trong những năm qua Theo những thống kê của Cục Cảnh sát giao thông đờng bộ- đờng sắt và Uỷ ban an toàn giao thông quốc gia [14] về tình hình tai nạn giao thông từ năm 2001 đến năm 2006 cho thấy trung bình mỗi năm xảy ra khoảng 24.000 vụ tai nạn giao thông làm chết khoảng 11.000 ngời và bị thơng khoảng 27.000 ngời. Đặc biệt trong những năm gần đây thờng xảy ra các vụ tai nạn giao thông rất nghiêm trọng do va chạm giữa các xe ôtô gây ra thiệt hại rất lớn về ngời và xe. Theo các phân tích số liệu về va chạm giữa hai xe trong năm 2001 có thể phân loại các dạng va chạm nh sau [14] : Bảng 1.1. Tỷ lệ % các dạng va chạm ở Việt Nam năm 2001 Dạng va chạm Số vụ tai nạn Tỷ lệ % Va chạm trực diện 741 53,6% Va chạm sau 108 7,8% Va chạm bên 443 32,1% Nóc và gầm xe 38 2,7% Va chạm khác 52 3,8% Tổng số 1382 100% Theo các số liệu của một số nớc công nghiệp phát triển nh Mỹ, Đức, Anh, Nhật trên cơ sở phân tích các tai nạn thực cho thấy [20], [18] : 3 Bảng 1.2. Tỷ lệ % các dạng va chạm ở một số nớc Dạng va chạm Mỹ (1993) Đức (1989) Anh (1986) Nhật (1989) Va chạm trực diện 51,5% 58,3% 66,7% 61,3% Va chạm sau 3,8% 10,8% 6,3% 5,1% Va chạm bên 29,6% 22,1% 23,1% 15% Nóc và gầm xe 3,6% 1,6% 1% 7,1% Va chạm khác 11,5% 7,2% 2,9% 11,5% Tổng số 100% 100% 100% 100% Qua số liệu thống kê trong các bảng 1.1 và 1.2 ta thấy có khoảng 50% đến 60% số vụ va chạm ở khu vực đầu xe nên va chạm trực diện chiếm tỷ lệ lớn nhất và gây ra những thiệt hại nặng nề nhất về ngời và phơng tiện do đó các nhà thiết kế chế tạo và sản xuất cần phải tập trung nghiên cứu. 1.2. Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện 1.2.1. Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện trên Thế giới Các nghiên cứu đợc đề cập theo từng mục đích nghiên cứu khác nhau. 1.2.1.1. Những nghiên cứu lý thuyết * Những hớng nghiên cứu chủ yếu về tác động của va chạm trực diện đối với khung vỏ xe trên một số vấn đề sau : - Thống kê và phân tích các tai nạn va chạm [15], [18], [20], [33]. - Nghiên cứu động học và động lực học của xe khi va chạm trực diện nh năng lợng hấp thụ ; vận tốc, gia tốc, thời gian va chạm [15], [26]. - Đặc tính biến dạng của khung vỏ xe khi va chạm trực diện, đặc tính sửa chữa và các biện pháp sửa chữa khung vỏ sau va chạm [20]. - ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại nh PAM-CRASH, NASTRAN, LS-DYNA để xác định biến dạng của kết cấu đầu xe, khung dầm. Kết quả tính cho phép đánh giá đợc độ bền của kết cấu khung vỏ cũng nh đề xuất giải pháp hoàn thiện kết cấu qua các công trình của Yong Hu Han, Ju Su Kim [28] ; Moisey Shkolnikov [32] ; G. Morvan, Sollac [31] - ứng dụng phơng pháp năng lợng để tối u hoá đờng truyền lực qua sàn khoang hành khách xe con khi va chạm nhằm đảm bảo không gian sống sót cho ngời trên xe với việc sử dụng phần mềm PAM-CRASH [31]. * Trong những năm gần đây các nghiên cứu có xu hớng đi sâu vào vấn đề an toàn cho ngời khi va chạm và tập trung vào những hớng sau : - Các tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm của Châu Âu (EURO- SID) và Mỹ (US-SID) [15], [20], [33]. - Nghiên cứu động học và động lực học của ngời khi va chạm trực diện với các yếu tố nh gia tốc của đầu, dịch chuyển của ngực, đầu gối, lực tác dụng vào xơng chậu cũng nh ảnh hởng các yếu tố này đến tình trạng chấn thơng và khả năng chịu đựng của ngời [28], [29], [22]. 4 - Mô phỏng tác động va chạm của ngời cùng với các thiết bị an toàn nh dây an toàn và túi khí, mức độ chấn thơng trong các trờng hợp va chạm khác nhau từ đó xác định các yêu cầu cho hệ thống an toàn và đánh giá hiệu quả hoạt động của dây an toàn, túi khí khi va chạm [18], [28]. 1.2.1.2. Những nghiên cứu thực nghiệm 1. Thử nghiệm của Mỹ : Theo tiêu chuẩn FMVSS 208 thử nghiệm va chạm trực diện xe vào vật cản cứng (góc 0) và va chạm của vật cản di động vào đuôi xe (góc 0) ở tốc độ 48,3km/h với 100% chiều rộng xe [20]. Thử nghiệm va chạm chéo xe vào vật cản cứng (góc 30) và vật cản di động va chạm chéo (góc 30) vào đuôi xe ở tốc độ 48,3km/h [20]. 2. Thử nghiệm của úc : Theo tiêu chuẩn ADR 10 thử nghiệm va chạm trực diện xe vào vật cản cứng là khối bê tông hoặc dàn khung thép có độ cứng cao ở tốc độ 48km/h (hình 1.4). Sau thử nghiệm vô lăng không đợc dịch chuyển quá 127mm [26]. 3. Thử nghiệm của Đức : Hãng Mercedes-Benz thực hiện thử nghiệm va chạm trực diện và va chạm sau ở tốc độ 55km/h với 40% chiều rộng xe (hình 1.5), thử nghiệm này tơng đơng với va chạm hai xe có chiều rộng từ 40% đến 60% và chiếm 90% va chạm thực tế hiện nay [20]. Hãng Mercedes-Benz mới đây đã thực hiện va chạm lệch với 50% chiều rộng xe vào vật cản có biến dạng độ cứng tơng đơng với đầu xe khác ở tốc độ 60km/h điều kiện thử nghiệm gần giống thực tế (hình 1.6). Hớng dẫn mới của EU cũng yêu cầu các mẫu xe mới của Châu Âu cần phải thực hiện thử nghiệm này [20]. Các hãng Mercedes-Benz, BMW đã thử nghiệm va chạm hai xe với vận tốc 55km/h, độ lệch 50% và thu đợc những kết quả khả quan. Dạng thử nghiệm này đã đợc một số hãng khác chấp nhận trong chiến lợc tăng cờng an toàn của họ để thiết kế các mẫu xe mới an toàn hơn [20]. Hình 1.4. Thử nghiệm của úc Hình 1.5. Thử nghiệm va chạm tốc độ 55km/h với 40% chiều rộng Hình 1.6. Va chạm vào vật cản biến dạng ở tốc độ 60km/h độ lệch 50% 5 1.2.2. Những công trình nghiên cứu tại Việt Nam Trong những năm gần đây một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu trong nớc đã có nhiều nỗ lực trong việc xây dựng các cơ sở đánh giá độ bền khung vỏ xe dới tác động của các loại tải trọng khác nhau. Trong tài liệu [6] tác giả đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính biến dạng, ứng suất vỏ xe bằng phơng pháp đặt lực lên mô hình dựa trên kết quả thực nghiệm của nớc ngoài và tính toán bằng mô phỏng va chạm bên hai xe. Các kết quả đạt đợc khá chính xác tuy nhiên cha đợc kiểm chứng bằng thử nghiệm nên chỉ dừng lại ở những tính toán về lý thuyết. 1.3. Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện và tiêu chuẩn an toàn cho ngời 1.3.1. Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện Khả năng tự bảo vệ cho ngời và xe dựa trên nguyên tắc về độ cứng vững của khoang hành khách với việc thiết kế các khu vực biến dạng kết hợp với hệ thống bảo vệ an toàn. Những tiêu chuẩn dới đây cần đợc đảm bảo : - Khả năng chuyển đổi có hiệu quả động năng thành biến dạng. - Đảm bảo không gian sống sót cho ngời trên xe. - Gia tốc của ngời khi va chạm phải thấp. Kết cấu đầu xe cần thoả mãn hai yêu cầu khi va chạm trực diện [20] : - Là khung để truyền dòng lực nên cần phải có đủ độ bền, độ cứng vững khi xe hoạt động. - Là khu vực biến dạng để bảo vệ khoang hành khách và ngời trên xe khi va chạm trực diện thông qua việc kiểm soát và hấp thụ năng lợng. 1.3.2. Tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm Tiêu chuẩn FMVSS 208 của Mỹ quy định : - Tiêu chuẩn chấn thơng ở đầu (HIC) giới hạn là 1000. Gia tốc góc giới hạn của đầu là 7500rad/s 2 . - Tiêu chuẩn an toàn ở ngực (SI) giới hạn là 1000. Mức độ nén ép vào ngực giới hạn là 3 inches. - Tiêu chuẩn lực tác động vào bắp đùi giới hạn là 10000N. 1.4. Nhiệm vụ của luận án Luận án cần tập trung giải quyết một số vấn đề sau: 1. Thiết lập mô hình và xác định các thông số hình học đặc trng của mô hình bằng phần mềm thiết kế CATIA cho khung vỏ xe khảo sát. 2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và các đặc trng vật liệu của khung vỏ xe khảo sát bằng phần mềm phân tích kết cấu ANSYS. 3. Mô phỏng quá trình va chạm trực diện của xe để xác định biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe bằng việc ứng dụng môđun LS-DYNA trong phần mềm ANSYS với kết quả đạt đợc nhanh chóng và chính xác. 4. Sử dụng các thiết bị đo ghi thế hệ mới để tiến hành các phép đo và thí nghiệm kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ đó có thể đánh giá độ 6 bền và an toàn bị động của khung vỏ xe khảo sát cũng nh đề xuất các kiến nghị với các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ. 1.5. Phơng pháp nghiên cứu Hình 1.11. Sơ đồ nghiên cứu xác định biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện Chơng 2 Cơ sở Khoa học về va chạm trực diện của ôtô 2.1. Lý thuyết va chạm và các yếu tố đặc trng của va chạm hai vật rắn 2.1.1. Va chạm và quá trình va chạm Va chạm là sự tiếp xúc bất thình lình giữa các vật rắn gây nên sự thay đổi các đặc trng cơ học của chúng. Vận tốc các điểm và vận tốc góc của các vật rắn thay đổi một lợng hữu hạn trong một thời gian rất nhỏ. Đánh giá kết quả tính toán bằng phơng pháp mô phỏng trên mô hình PTHH với môđun LS-DYNA 1. So sánh kết quả ứng suất và biến dạng 2. Đánh giá độ chính xác của mô hình 3. Đề xuất, kiến nghị hoàn thiện kết cấu khung vỏ xe Đối tợng nghiên cứu Xe Saigon Van 8 chỗ (SAGACO) Nghiên cứu lý thuyết Yêu cầu chung của khung vỏ xe Lý thuyết cơ sở về va chạm ôtô Đờng truyền tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát Xây dựng mô hình PTHH cho xe khảo sát và tính toán độ bền khung vỏ xe khi va chạm trực diện Nghiên cứu thực nghiệm Các dạng thực nghiệm va chạm Thực nghiệm va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng Nhận xét về độ bền của khung vỏ xe khảo sát khi va chạm trực diện thông qua kết quả thực nghiệm Nội dung nghiên cứu thực nghiệm Xây dựng phơng pháp thực nghiệm, điều kiện thực nghiệm, các bớc tiến hành thực nghiệm va chạm trực diện ôtô vào vật cản cứng Các loại thiết bị và sơ đồ khối của hệ thống thực nghiệm Xây dựng thuật toán xử lý số liệu thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm Nội dung nghiên cứu lý thuyết Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe và tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm Các khái niệm cơ bản về va chạm Các mô hình nghiên cứu va chạm Nghiên cứu động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện Xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe bằng phần mềm ANSYS và mô phỏng va chạm bằng môđun LS-DYNA 7 v0 v0 v0n n G C B Mặt phẳng tiếp xúc chung 0 Mặt phẳng tiếp xúc chung B' B n G G' v' C C C' v C r' C r C 2.1.2. Lực va chạm và xung lực va chạm Khi hai vật rắn va chạm, các lực liên kết xuất hiện ở chỗ tiếp xúc đợc gọi là lực va chạm. Ký hiệu là ( ) F t r . Ngời ta thờng đánh giá tác dụng của lực va chạm qua xung lực va chạm : 0 ( ) t P F t dt = r r (2.1) 2.1.3. Các yếu tố đặc trng của va chạm hai vật rắn 2.1.3.1. Mô hình va chạm cơ học hai vật rắn Khi hai vật rắn va chạm, ở thời điểm va chạm sẽ tồn tại một điểm C thuộc vật rắn B và một điểm C thuộc vật rắn B trùng với nhau khi hai vật tiếp xúc [36]. Tại điểm tiếp xúc C trùng với C sẽ tồn tại một mặt phẳng tiếp xúc chung. Hớng của véc tơ pháp tuyến n r vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc chung tại C. Đờng Cn gọi là đờng va chạm. Nếu đờng nối tâm GG trùng với đờng va chạm Cn thì là va chạm xuyên tâm, nếu GG không trùng với Cn thì là va chạm lệch tâm [9], [36]. Nếu vận tốc tại điểm tiếp xúc c V r và ' c V r song song với đờng va chạm thì gọi là va chạm thẳng. Nếu c V r và ' c V r không song song với đờng va chạm thì gọi là va chạm xiên [9]. 2.1.3.2. Vận tốc tơng đối ở điểm tiếp xúc [36] Tại thời điểm bắt đầu va chạm tại điểm tiếp xúc chung sẽ xuất hiện vận tốc tơng đối ban đầu 0 (0) '(0) c c v V V= r r r . Vận tốc tơng đối ban đầu 0 v r gồm hai thành phần : - Thành phần theo phơng pháp tuyến Cn là . on o v v n = r r - Thành phần song song với mặt phẳng tiếp xúc chung ( ). o o v n x v n = r r r 0 gọi là góc xiên va chạm. 2.2. Các mô hình nghiên cứu va chạm 2.2.1. Mô hình va chạm điểm Là mô hình va chạm tiếp xúc điểm giữa các quả cầu, trong mô hình này chỉ quan tâm đến thành phần pháp tuyến của xung lực va chạm. Lực va chạm đợc coi là rất lớn và tồn tại trong một thời gian rất nhỏ [36]. Hình 2.1. Mô hình va chạm Hình 2.5. Góc xiên va chạm 0 8 2.2.2. Mô hình va chạm của các vật rắn tuyệt đối Vùng tiếp xúc giữa hai vật đợc xem là nhỏ so với diện tích mặt ngoài của các vật, áp lực trong vùng tiếp xúc rất lớn nhng sẽ giảm rất nhanh ở ngoài vùng tiếp xúc. Nội năng biến dạng chỉ có thể phát sinh trong một vùng nhỏ [40]. 2.2.3. Mô hình va chạm có xét đến đặc tính của vùng va chạm Mô hình nghiên cứu quá trình va chạm của hai vật rắn xét đến đặc tính của vùng va chạm có thể sử dụng mô hình Kelvin-Voigt đàn nhớt phi tuyến nh trong hình 2.7. B B' C k 1 V 2 V Hình 2.7. Mô hình va chạm phi tuyến Phơng trình chuyển động : 0 mx cxx kx + + = && & (2.12) Lực va chạm : 3 (1 ) Fc X Z mk = (2.22) Vận tốc khi kết thúc va chạm : 0 0 1 ln 1 f f Z Z Z Z = (2.23) Hệ số hồi phục : e * = 0 f Z Z (2.24) 2.3. Động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện 2.3.1. Va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng Khi va chạm là biến dạng dẻo thì động năng sẽ hoàn toàn biến thành công biến dạng khung vỏ theo phơng trình : max 2 0 0 1 ( , ) 2 X T MV F x x dx = = & (2.25) F lực gây biến dạng, x biến dạng tức thời, x & vận tốc biến dạng, x max biến dạng lớn nhất của đầu xe khi xe dừng lại. Phơng trình chuyển động của xe khi va chạm vào vật cản : Hình 2.9. Mô hình động lực học của ôtô va chạm vào vật cản cứng F x max v 0 M x && 9 + 0 Mx F = && (2.26) Có ba quá trình cơ bản có thể xảy ra của lực va chạm gây biến dạng : 1. Khi lực va chạm là hằng số Khi lực va chạm là hằng số ta có : 2 max 0 1 . 2 MV F x = (2.28) Biến dạng lớn nhất là : 2 2 0 max 0 max 1 2 2 V x MV F a = = (2.29) 2. Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng Lực va chạm F = kx nên động năng của ôtô khi va chạm sẽ trở thành công biến dạng : max 2 0 0 1 . 2 x MV kx dx = = 2 max 1 2 kx (2.30) Biến dạng lớn nhất : 2 max 0 max max Ma V x k a = = (2.34) 3. Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng Phơng trình chuyển động : 0 M x c x + = && & (2.44) Biến dạng lớn nhất : 2 0 0 max max MV V x c a = = (2.40) Với amax là gia tốc va chạm lớn nhất xác định bằng thực nghiệm, theo quan điểm cơ sinh học về khả năng chịu đựng của cơ thể ngời, tiêu chuẩn FMVSS 208 (Mỹ) quy định amax = 300m/s 2 [2], [15]. 2.3.2. Va chạm của hai ôtô 2.3.2.1. Va chạm cùng chiều của hai ôtô Quá trình va chạm theo hai giai đoạn : biến dạng và hồi phục, trong giai đoạn biến dạng dẻo khối tâm hai xe sẽ chuyển động với cùng một vận tốc : 1 2 ' ' MV M V V M M + = + (2.44) Vận tốc bật lại : ( ) 1 1 1 2 ' 1 e * ' M V V V V M M + = + + (2.49) ( ) 2 2 1 2 1 e * ' M V V V V M M + = + + + (2.50) 10 Năng lợng hấp thụ trong quá trình va chạm : 2 2 2 2 1 2 0 . ' 1 ( ) 1-e 1-e * * 2( ') 2 M M T E V V mv M M = = = + (2.54) 2.3.2.2. Va chạm ngợc chiều của hai ôtô Giả thiết quá trình va chạm chỉ có biến dạng dẻo và không có giai đoạn hồi phục, hai ôtô sau va chạm sẽ chuyển động với cùng một vận tốc : V + = 1 2 1 2 ' ' MV M V V V M M + + + = = + (2.56) Năng lợng hấp thụ trong quá trình va chạm : 2 2 2 1 2 1 2 0 . ' 1 1 ( + ) ( + ) 2( ') 2 2 M M T E V V m V V mv M M = = = = + (2.60) Trong chơng này đã trình bày các dạng mô hình va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện, nó cho phép xác định đợc các thông số cơ bản của quá trình va chạm nh biến dạng, thời gian va chạm, năng lợng hấp thụ, vận tốc sau va chạm, hệ số hồi phục đây là cơ sở khoa học để định hớng cho việc thiết lập mô hình tính của khung vỏ xe khảo sát, xây dựng các phơng án tính toán và lựa chọn tốc độ va chạm khi mô phỏng va chạm ở chơng 3 của luận án. Chơng 3 tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phơng pháp phần tử hữu hạn 3.1. Đặc điểm kết cấu của khung vỏ xe khảo sát Xe chở khách 8 chỗ ngồi Saigon Van do Công ty ôtô Sài Gòn (SAGACO) sản xuất và lắp ráp, có nguồn gốc linh kiện từ Trung Quốc theo kiểu mẫu thiết kế loại xe SC6360 của tập đoàn Changan Wuling. Xe Saigon Van thuộc loại xe khung vỏ xe chịu lực kết hợp [5]. 3.2. Đờng phân bố tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát Khi va chạm trực diện trong khung vỏ xe khảo sát có các đờng truyền tải trọng sau : * Một phần nhỏ tải trọng vào thanh giằng ngang trớc qua cạnh trên của tấm vách bên đầu xe đến cột chéo trên trụ A và đi lên khung xơng nóc xe. Hình 3.1. Hình dạng tổng thể của xe khảo sát 11 * Hầu hết tải trọng tác dụng vào đầu hai dầm dọc đến điểm nối giữa dầm dọc và tháp treo trớc thì phân nhánh : - Tải trọng đi xuống theo chiều cong của dầm dọc và đi ra phía sau xe. - Một phần tải trọng qua tháp treo đến trụ A và lên cột chéo trên trụ A. Hình 3.2. Đờng phân bố tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát 3.3. Chơng trình phân tích kết cấu ANSYS 3.3.1. Cấu trúc của chơng trình ANSYS Phần mềm ANSYS do Công ty phần mềm ANSYS (Mỹ) xây dựng và phát triển, chạy trong môi trờng WINDOWS, là một gói chơng trình dựa trên cơ sở phân tích PTHH để mô phỏng ứng xử của hệ thống hoặc kết cấu khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau. Sơ đồ cấu trúc của phần mềm ANSYS cho trong hình 3.9 [7], [21]. 3.3.2. Khả năng ứng dụng của phần mềm ANSYS Trong lĩnh vực phân tích kết cấu có 6 dạng bài toán có thể giải bằng phần mềm ANSYS với các dạng tải trọng khác nhau [7], [16], [21]. * Bài toán phân tích tĩnh * Bài toán dao động riêng * Bài toán phân tích phản ứng hàm điều hoà * Bài toán phân tích quá trình quá độ * Bài toán phân tích phổ hàm ngẫu nhiên * Bài toán phân tích ổn định 3.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe khảo sát bằng chơng trình ANSYS 3.4.1. Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc phải dựa trên các nguyên tắc sau [30] : - Mô tả đợc đặc điểm cấu trúc chịu lực của kết cấu. - Thể hiện đợc phân mảnh cấu trúc theo qui trình công nghệ chế tạo. - Sự ghép nối giữa các mảnh phải đảm bảo đợc tính liên tục của kết cấu và thể hiện đợc liên kết thực tế giữa các mảnh. Hớng va chạm Hình 3.9. Cấu trúc chung của ch ơng trình ANSYS [7] 12 3.4.2. Giả thiết và các bớc xây dựng mô hình 3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình - Kết cấu khung vỏ xe xem nh đối xứng qua mặt đối xứng dọc xe. - Trọng lợng bản thân của khung vỏ xe đợc coi nh tải trọng phân bố. - Kết cấu khung vỏ xe sử dụng phần tử dạng vỏ và dầm. Dùng các mặt cắt chuẩn có thông số vật liệu và mặt cắt tơng đơng cho các phần tử. 3.4.2.2. Các bớc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn Trong luận án đã sử dụng phơng pháp xây dựng mô hình hình học của khung vỏ xe Saigon Van bằng phần mềm thiết kế CATIA sau đó nhập mô hình vào chơng trình ANSYS nhờ khả năng kết nối trực tiếp giữa hai phần mềm này. Việc chia lới sẽ đợc thực hiện trong phần mềm ANSYS để tạo thành mô hình phần tử hữu hạn. 1. Xác định hệ toạ độ chung Trong ANSYS có hai dạng hệ tọa độ : hệ tọa độ phần tử và hệ tọa độ tổng thể. Luận án đã sử dụng hệ tọa độ tổng thể, hệ tọa độ này có tính chất mặc định và không thay đổi trong quá trình tính toán. Thông thờng mặt phẳng XOZ của hệ tọa độ tổng thể là mặt phẳng đối xứng dọc của xe. 2. Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe Saigon Van Hình 3.11. Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát Việc phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát dựa trên cơ sở các nguyên tắc đợc trình bày trong phần 3.4.1 và thực hiện phân mảnh cấu trúc theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà sản xuất [5]. Theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà sản xuất, khung vỏ xe Saigon Van có thể phân thành 6 mảng lớn nối ghép với nhau bằng các mối hàn nh trên hình 3.11. 3. Thiết lập các nút, lới, và gán các phần tử trên các mảnh cấu trúc a. Xác định các nút Phân bố số lợng các nút trên khung vỏ xe khảo sát cho trong bảng 3.2. 1 - Mảng đuôi xe 2 - Mảng đầu xe 3 - Mảng sờn trái 4 - Mảng sờn phải 5 - Nóc xe 6 - Mảng sàn xe 1 3 5 2 6 4 1 2 5 3 6 4 13 Bảng 3.2. Phân bố các nút trên khung vỏ xe Số nút Thứ tự Tên mảnh cấu trúc Ký hiệu mảnh Từ Đến Số lợng nút 1 Mảng đuôi xe 01 1 2457 2457 2 Mảng đầu xe 02 2458 6826 4369 3 Mảng sờn trái 03 6827 14447 7621 4 Mảng sờn phải 04 14448 22068 7621 5 Nóc xe 05 22069 28349 6281 6 Sàn xe 06 28350 37523 9174 7 Khung và lốp xe 07 37523 68499 30977 b. Gán các phần tử Bảng 3.3. Thông số các loại mặt cắt của phần tử BEAM Mô men quán tính của mặt cắt Mô men tĩnh Loại mặt cắt Diện tích mặt cắt (mm 2 ) I X (mm 4 ) I Y (mm 4 ) Diện tích chịu cắt (mm 2 ) S X (mm 3 ) S Y (mm 3 ) 6 7 8 9 10 11 12 876 328 408 406 176 216 228 2713752 334053 176224 77275 16339 119552 180044 3511177 401213 1238856 1317097 97299 90472 66956 21160 6699 7155 5046 1407 2891 2925 22554 4832 4084 2734 814 2316 2869 25292 5242 9898 10092 1826 2046 1843 5. Mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe Saigon Van Hình 3.17. Lới các nút của khung vỏ xe 3.5. Phơng pháp năng lợng để xác định biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện 3.5.1. Phơng pháp năng lợng trong tính toán va chạm Phơng trình bảo toàn năng lợng trong quá trình va chạm [27] : T + U = T0 + W (3.14) Trong đó T là động năng của hệ ; U là năng lợng biến dạng gồm năng lợng biến dạng đàn hồi và công biến dạng dẻo ; T 0 là động năng ban đầu của hệ ; W là công của ngoại lực tác dụng lên hệ. 14 Cơ sở của phơng pháp năng lợng là mô phỏng số quá trình va chạm của xe. Luận án đã sử dụng môđun LS-DYNA trong ANSYS để mô phỏng quá trình va chạm trực diện của khung vỏ xe khảo sát. Năng lợng tiếp xúc trong một bớc thời gian tính toán tại mỗi bề mặt tiếp xúc biểu diễn bằng phơng trình [25] : 1 2 1 1 1 2 2 1 1 . . n k m n n i i i i C C i i E E F u F u + + = = = + + (3.15) Trong đó E C là năng lợng tiếp xúc trong mỗi bớc thời gian ; k, m là số lợng nút ở các bề mặt tiếp xúc ; i F là lực tơng tác giữa nút i của một bề mặt với bề mặt tiếp xúc còn lại ; i u là chuyển vị của nút i trên một bề mặt trong mỗi bớc thời gian. Biến dạng theo các phơng trục tọa độ [25] : = ; = ; = x y z u u u f f f x y z (3.22) 3.5.2. Các giả thiết khi mô phỏng va chạm - Hớng va chạm không thay đổi trong quá trình va chạm. - Thời gian va chạm là rất nhỏ nên có thể xem nh khối lợng của xe không thay đổi trong quá trình va chạm. - Xem nh dịch chuyển của khung vỏ xe sau khi kết thúc va chạm nhỏ. - ảnh hởng của hệ thống treo, hệ thống lái đến biến dạng của khung vỏ xe là nhỏ trong quá trình va chạm. - Bỏ qua ma sát của bánh xe với mặt đờng, lực phanh tại bánh xe trớc khi va chạm (tốc độ của xe không đổi trớc khi va chạm). Xây dựng mô hình hình học khung vỏ xe bằng chơng trình CATIA Chuyển mô hình hình học khung vỏ xe từ CATIA vào ANSYS Xây dựng mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát trong ANSYS Mô phỏng quá trình va chạm trực diện với bớc thời gian xác định KếT QUả TíNH TOáN Hiển thị và in ra kết quả tính Định nghĩa thuộc tính vật liệu Chọn dạng bài toán phân tích Chọn kiểu phần tử và thông số hình học của phần tử Xác định tải trọng và các điều kiện ràng buộc Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán mô phỏng va chạm trực diện của xe 15 Do kết cấu khung vỏ xe khá đa dạng và phức tạp nên việc xây dựng mô hình PTHH của nó rất khó khăn, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nên trong luận án đã sử dụng mô hình các xe giống nhau cho việc mô phỏng quá trình va chạm trực diện hai xe để tính biến dạng và ứng suất khung vỏ. 3.5.3. Phơng án đặt tải Thông số đầu vào bài toán mô phỏng va chạm vào vật cản cứng và va chạm cùng chiều hai xe là động năng của xe gây va chạm T = 1/2MV 2 . Đối với bài toán hai xe va chạm ngợc chiều là giá trị tổng động năng của cả hai xe. Trong khoảng thời gian va chạm chia thành các bớc tính với mỗi bớc tăng thời gian là 0,001s. 3.5.4. Một số kết quả tính toán ứng suất và biến dạng khung vỏ xe 3.5.4.1. Xe va chạm vào vật cản cứng tốc độ 50km/h, 100% chiều rộng xe a. Biến dạng của vỏ xe b. ứng suất của vỏ xe c. Biến dạng của khung d. ứng suất của khung Hình 3.19. Mô hình mô phỏng va chạm của xe vào vật cản Hình 3.28. Mô hình mô phỏng va chạm ngợc chiều hai xe Nút 58395 16 e. Chuyển vị của nút 58395 Hình 3.20. Kết quả tính ứng suất và biến dạng Kết quả mô phỏng trong LS-DYNA với các trờng hợp va chạm trực diện là biến dạng, ứng suất dới dạng hình vẽ, biểu đồ phân bố, đồ thị và các dạng số liệu tơng ứng. 3.5.4.2. Hai xe va chạm thẳng ngợc chiều vận tốc mỗi xe 25km/h, độ lệch 40% (khối lợng xe thứ nhất gấp hai xe thứ hai) a. Biến dạng của vỏ xe b. ứng suất của vỏ xe c. Biến dạng của khung d. ứ ng suất của khung Nút 42058 [...]... chuẩn va chạm của Quốc tế và Việt Nam, có thể kết luận rằng kết cấu khung vỏ xe Saigon Van đủ khả năng đảm bảo đợc độ bền và an toàn khi lu thông tại các đô thị của Việt Nam có vận tốc lu thông trung bình từ 20km/h đến 25km/h 5 Luận án đã góp phần vào những tính toán độ bền của khung vỏ khi va chạm, tuy nhiên để hoàn thiện hớng nghiên cứu mở rộng của luận án có thể tiến hành thử nghiệm va chạm của xe... có biến dạng (độ cứng tơng đơng với độ cứng của đầu xe khác) và nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố đến quá trình va chạm nh ảnh hởng của quá trình phanh xe, quay xe sau khi va chạm, va chạm trực diện chéo vv II Kiến nghị của luận án - Cần tăng kích thớc mặt cắt của thanh giằng ngang trớc, chế tạo gân phía trong vỏ mặt đầu xe và tạo mặt cắt hộp phần đầu dầm dọc để giảm biến dạng khi va chạm - Bố trí... vào vật cản có biến dạng, thử nghiệm va chạm xe vào cột [20] * Thử nghiệm va chạm sau : Vật cản cứng di động va chạm thẳng hoặc chéo vào đuôi xe (xe đứng yên) [20] * Thử nghiệm va chạm ngợc chiều hai xe, thờng là va chạm lệch [20] * Thử nghiệm nén tĩnh để đánh giá sơ bộ độ bền va chạm của đầu xe hoặc dầm dọc, nó cho phép xác định sự dịch chuyển và khả năng chịu tải của các bộ phận kết cấu, nơi tạo thành... biến dạng và ứng suất trên toàn bộ khung vỏ xe và từng phần tử của khung vỏ, có thể thấy phần đầu của dầm dọc khung xe và mặt đầu của vỏ xe là những vùng tập trung ứng suất và biến dạng (va chạm vào vật cản V = 50km/h biến dạng vỏ xe u = 475mm, biến dạng dầm dọc khung xe u = 293mm; va chạm ngợc chiều hai xe v = 50km/h lệch 40% biến dạng vỏ xe u = 404mm, biến dạng dầm dọc khung xe u = 173mm ) đây là những... với các trờng hợp 2 và 11 dịch chuyển vô lăng là 73mm và 94mm cha vợt quá giá trị cho phép nhng cũng gây chấn thơng nguy hiểm cho ngời lái - Trong một số trờng hợp gia tốc va chạm có giá trị : Chơng 4 nghiên cứu thực nghiệm 4.1 Các dạng thử nghiệm va chạm trực diện * Thử nghiệm va chạm trực diện : Bao gồm thử nghiệm va chạm thẳng hoặc chéo xe vào vật cản cứng, thử nghiệm va chạm xe vào vật cản có biến... dẻo [51] 4.2 Thí nghiệm va chạm trực diện của xe vào vật cản cứng 4.2.1 Mục đích thí nghiệm - Đo biến dạng lớn nhất của khung và vỏ xe ứng suất tại một số điểm đo trên dầm dọc, vỏ xe Đo gia tốc va chạm của khoang hành khách bằng một điểm đo trên sàn xe khi va chạm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết - Qua thử nghiệm có thể xây dựng quy trình và tổ chức thực nghiệm va chạm cho các loại xe chở... toàn và túi khí - Kết quả tính cũng cho thấy phần đầu dầm dọc và mặt đầu của vỏ xe là vùng tập trung ứng suất và biến dạng cần đợc tăng cờng, gia cố cục bộ Mặt khác kết quả tính cũng cho phép đánh giá đợc mức độ h hỏng của kết cấu khung vỏ để có thể lựa chọn các phơng pháp sửa chữa sau va chạm 3.5.5 Nhận xét về kết quả tính toán - ở những tốc độ va chạm cao từ 40km/h đến 50km/h biến dạng của khung và vỏ. .. toán độ bền, an toàn bị động của khung vỏ xe trong quá trình thiết kế, chế tạo và hoàn thiện kết cấu khung vỏ cũng nh đánh giá chính xác các tai nạn thực trên đờng 3 Với việc sử dụng thiết bị đo hiện đại và các cảm biến có độ nhạy cao cho phép đo chính xác biến dạng và ứng suất tại một điểm trên kết cấu khung vỏ, thực nghiệm đã thực hiện đo biến dạng và ứng suất tại 32 điểm đo trên dầm dọc và vỏ xe... điểm đo với các tốc độ va chạm khác nhau Trên hình 4.14 biểu diễn kết quả biến dạng và ứng suất với tốc độ va chạm 20km/h của điểm đo số 1 ở đáy dầm dọc bên phải (nhìn từ đầu xe) Hình 4.15 Gia tốc va chạm ở tốc độ 20km/h 4.2.5 So sánh giữa kết quả tính toán và kết quả thử nghiệm Trên hình 4.17 biểu diễn so sánh đồ thị biến thiên ứng suất tại điểm đo số 1 trên dầm dọc ở tốc độ va chạm 20km/h Hình 4.17... vách ngăn khoang hành khách là 310mm và xâm nhập vào khoang hành khách nh các trờng hợp : + Va chạm vào vật cản tốc độ 50km/h biến dạng lớn nhất u = 475mm (trờng hợp 1) + Va chạm vào vật cản tốc độ 40km/h biến dạng lớn nhất u = 383mm (trờng hợp 2) + Va chạm hai xe ngợc chiều vận tốc xe thứ nhất 20km/h, xe thứ hai 30km/h, 100% chiều rộng xe u = 325mm (trờng hợp 10) + Va chạm hai xe ngợc chiều vận tốc mỗi . chạm nh các mô hình va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện. Chơng 3: Tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phơng pháp phần. chạm Các mô hình nghiên cứu va chạm Nghiên cứu động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện Xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe bằng phần mềm ANSYS và mô phỏng va chạm bằng môđun. = 0 f Z Z (2.24) 2.3. Động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện 2.3.1. Va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng Khi va chạm là biến dạng dẻo thì động năng sẽ hoàn toàn biến