Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô. Các thiết bị an toàn cho người sử dụng ô tô luôn đặt lên hàng đầu. Chẳng hạn như: túi khí bảo vệ con người khi va chạm, hệ thống ABS để kiểm soát hệ thống phanh.
Tất cả các thiết bị trên nhằm mục đích bảo vệ con người tốt nhất khi sử dụng ô tô. Đặc biệt các nghiên cứu về khung vỏ xe ô tô cỡ nhỏ hấp thụ năng lượng khi va chạm được kiểm tra rất chặt chẽ ở các công ty ô tô lớn trên thế giới. Các tiêu chuẩn được quy định rất nghiêm ngặt đối với sự hấp thụ năng lượng khi xảy ra va chạm. Các cuộc nghiên cứu về vật liệu, mẫu mã thiết kế luôn được đa dạng hóa nhằm tối ưu kết cấu.
Sự kết hợp giữa tối ưu hóa kết cấu cùng với nhiều loại vật liệu khác nhau tại các vị trí khác nhau luôn tạo nên một bộ khung vỏ ô tô đảm bảo chắc chắn và hấp thụ năng lượng tốt nhất. Xương cản được sử dụng làm giảm sốc và hấp thụ năng lượng. Chúng được gắn vào phía trước, phía sau xe cơ giới và liên kết với chassis xe. Xương cản đóng vai trò chống va chạm bằng cách hấp thụ năng lượng theo hướng dọc trục.
Các ô tô hạng nặng luôn được trang bị các cản phía sau nhằm bảo vệ an toàn cho các xe cỡ nhỏ khi xảy ra va chạm. Nhưng các vụ tai nạn trên thế giới luôn xảy ra hàng giờ. Trong số các vụ va chạm đó thì va chạm trực diện giữa ô tô cỡ nhỏ vào phía sau ô tô tải nặng luôn gây ra các thiệt hại lớn nhất. Đặc biệt các ô tô tải nặng không trang bị hoặc có trang bị cản bảo vệ phía sau không đảm bảo an toàn khi xảy ra va chạm hầu như đều gây tử vong cho người ngồi trên ô tô cỡ nhỏ phía sau.
Ngày nay, thị trường ô tô Việt Nam tăng trưởng rất nhanh, các ô tô nhập khẩu rất nhiều. Hầu hết các ô tô hạng nặng đều nhập chassis, cản bảo vệ phía sau được lắp đặt tại các xưởng đóng thùng không đảm bảo an toàn. Bên cạnh đó hệ thống giao thông không đáp ứng kịp so với sự tăng trưởng thị trường ô tô. Các vụ tai nạn giao thông phía 1 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ sau xe cỡ nhỏ và ô tô tải nặng luôn là nổi ám ảnh.
Các vụ tai nạn không chỉ gây ra các thiệt hại về của cải, vật chất mà còn gây ra các thương vong thậm chí là tử vong.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới. Một trong những mục tiêu chính của nhà sản xuất ô tô du lịch hiện nay là sản xuất những xe hạng nhẹ và đặc biệt hơn là phải an toàn đối với người ngồi trên ô tô. Cấu trúc của xe phải hấp thụ được năng lượng khi xảy ra va chạm. Hấp thụ năng lượng là bài toán trọng tâm cần phải giải quyết đối với nghiên cứu về va chạm ô tô [1-2].
Bouchet [3] đã thử nghiệm khác biệt sự hấp thụ năng lượng giữa ống tròn bằng nhôm và ống tròn hỗn hợp nhôm và composite. Kết quả ở hình 1.1 ống nhôm có lớp composite bên ngoài chịu lực hơn ống nhôm không có lớp bảo vệ bên ngoài khoảng 30% ở điều kiện tĩnh. 1: Thử nghiệm hấp thụ năng lượng của ống nhôm và ống nhôm có lớp bọc compoxit bên ngoài. Mozafari [4] đã làm thử nghiệm cản hấp thụ năng lượng có thể kiểm soát của ống lượn sóng hai mặt dưới nghiền trục, trong bài báo này các ống đã được thử nghiệm và đưa ra các kết quả sử dụng cản bằng các ống lượn sóng như hình 1.2, bằng các vật 2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ liệu hợp kim nhôm Al 6060-T6 hoặc CF1263 hỗn hợp carbon/epoxy tốt hơn so với cản bằng vật liệu nhôm truyền thống.
Ống lượn sóng 2 mặt 14 nếp gấp có khả năng hấp thụ lực cao hơn 330% và 32% so với ống 1 nếp gấp hoặc ống thẳng cổ điển. Với vật liệu composite carbon/epoxy CF1263 có năng lượng hấp thụ riêng cao gấp 5.9 lần so với nhôm. 2: Ống nhôm được thử nghiệm Tanlak và cộng sự [5] đã mô phỏng va chạm chiếc xe đâm vào một hàng rào biến dạng với độ lệch 40% với tốc độ 64 km/h bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu là để tối đa hóa khả năng hấp thụ năng lượng của cản trước.
Mô hình thử nghiệm đụng trực diện nhằm để tìm hình dạng tối ưu của cản trước hình 1.3, các bài kiểm tra trong điều kiện tải trọng tuân thủ tiêu chuẩn EuroNCAP. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể so với hình dạng cản hiện hữu. Năng lượng hấp thụ bề mặt cản đã cải thiện lớn hơn 16% so với hiện hữu và khả năng hấp thụ năng lượng va chạm ở tốc độ thấp có sự cải thiện đáng kể. 3 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hình 1.
3: Hình dạng của cản được mô phỏng Reddy và cộng sự [6] đã sử dụng công cụ LS-Dyna để mô phỏng sự hấp thụ năng lượng của các hình học dạng hộp 12 cạnh khác nhau hình 1.4 và phương pháp thực nghiệm. Thử nghiệm CAE mô phỏng về va chạm xe đầy đủ để đánh giá mức giảm tổng thể của các thông số về khả năng va chạm phản ánh sự an toàn của người sử dụng hình 1. 4: Mô phỏng hình dạng hộp 12 cạnh trên LS Dyna và thực nghiệm 4 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hình 1. 5: Mô phỏng va chạm trực diện ô tô cỡ nhỏ trên LS Dyna.
Ahameda cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu phuộc giảm chấn từ tính hình 1.6 gắn trên cản trước nhằm giúp giảm tổn thất và biến dạng của ô tô con. Ở đây rung động được kiểm soát bằng cường độ của từ trường. Rung động tạo ra trong quá trình va chạm được hấp thụ một phần bởi từ trường và còn lại do tác động của lò xo. Mục đích là để hạn chế dòng chảy của chất lỏng, hấp thụ lực va chạm gấp 20 đến 50 lần so với giảm chấn thuỷ lực bình thường.
6: Phuộc giảm chấn từ tính gắn ở cản trước. Ossiandera cùng với cộng sự [8] đã đánh giá chiều cao cản trước của xe SUV và xe Pickup phù hợp có thể giảm nguy cơ tử vong một chút so với những người bị đâm với xe SUV hoặc xe bán tải khác. Khore cùng cộng sự [9] đã sử dụng phần mềm LS-Dyna và công cụ chia lưới của Altair Hyper. Mô hình hóa trên Pro-E để mô phỏng các va chạm của cản sau với các xe cỡ nhỏ hình 1.
Phương pháp này giúp tiết kiệm chi phí khi trước khi thử nghiệm sản phẩm. 5 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hình 1. 7: Mô phỏng va chạm trên phần mềm LS Dyna Min LI [10] đã đề cập đến vấn đề giải quyết các khiếm khuyết của cản sau ô tô tải và hấp thụ năng lượng, một mô hình cản sau có thể tháo rời gắn trên ô tô tải được thiết kế sử dụng phần mềm PRO/E và ANSYS/LS-DYNA và mô phỏng như hình 1. Kết quả cho thấy, thiết bị hấp thụ năng lượng có thể được phân hủy năng lượng va chạm dùng một lần, giảm dần lực va chạm và dần dần hấp thụ năng lượng, về cơ bản tránh việc khoang hành khách chui vào đuôi ô tô tải.
8: Mô phỏng xe con va chạm cản sau bằng phần mềm LS Dyna Ali Osman Atahan [11] bằng phương pháp thực nghiệm đã đánh giá 4 mẫu cản bảo vệ sau xe hạng nặng với chiều cao 560 mm và 480 mm so với mặt đất ở điều kiện mặt bằng hình 1. Thực nghiệm trên các loại xe khác nhau với vận tốc 48, 56 và 65 km/h. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cản sau có chiều cao gầm sáng 560 mm không bảo vệ tốt theo tiêu chuẩn FMVSS 223. Cản sau có chiều cao gầm sáng 480 mm tuân thủ chuẩn FMVSS 223 nhưng không bảo vệ được khoang hành khách khi xảy ra va chạm nặng.
6 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hình 1. 9: Các kiểu cản sau ô tô tải (a) Cản sau có thanh chống phía trước cao 560 hoặc 480 mm, (b) Cản sau cao 480 mm có thanh chặn ngang và (c) Cản sau nghiêng cao 560 mm. Bodapati [12] đã mô phỏng và thực nghiệm cản sau sử dụng dây cáp như hình 1. Bằng phương pháp này hạn chế được sự xâm nhập khoang hành khách tốt.
10: Mô phỏng và thực nghiệm 7 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Lu xue và Jikuang Yang [13] đã mô phỏng cản sau có gắn thiết bị thủy lực và tấm đệm hình 1.11, cản này có thể điều chỉnh được chiều cao từ 480 mm xuống còn 40 mm khi xảy ra va chạm. Cản mới có hiệu suất giảm chấn và hấp thụ năng lượng tốt hơn. Trong điều kiện được quy định bởi tiêu chuẩn quốc gia, năng lượng hấp thụ các thành phần có thể hấp thụ 77% tổng năng lượng va chạm và đỉnh tăng tốc của MB trong thử nghiệm ảo của cản mới là 22,8g, thấp hơn 40% so với kiểm tra cái chung. 11: Mô hình thử nghiệm cản sau dùng giảm chấn thủy lực, cản điều chỉnh được chiều cao khi xảy ra va chạm.
Cao và cộng sự [14] đã sử dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng công cụ LS-Dyna để mô phỏng va chạm phía sau theo thay đổi của gia tốc xe. Khối lượng xâm nhập và sự xâm lấn dưới tốc độ bù khác nhau hình 1.12, từ các kết quả này đã cung cấp được tài liệu tham khảo về các điểm yếu của cản sau và cải thiện cản sau ô tô tải. 8 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hình 1. 12: Mô phỏng với các tỉ lệ bù khác nhau.
George Rechnitzer [15] cùng cộng sự đã mô phỏng và thử nghiệm cản sau ở tốc độ 50 km/h. 13: Mô hình thử nghiệm va chạm phía sau. Hai rào cản gần như giống hệt nhau đã được chế tạo và lắp cho hai ô tô tải gần như giống hệt nhau. Các rào cản lần đầu tiên được thử nghiệm với lực tĩnh hình 1.13, sử dụng quy trình trong ECE-R58.
Các bài kiểm tra được thực hiện với ba mẫu ô tô 9 Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ giống nhau có khối lượng 1420 kg. Kết quả đã đưa ra yêu cầu chiều cao cản sau là 400 mm, chiều rộng 100 mm tính từ mép ngoài, hấp thụ năng lượng tối thiểu 50kJ. Roger [16] cùng cộng sự đã mô phỏng một chiếc ô tô nhẹ đâm vào rào cản dưới gầm ô tô tải được phát triển bằng cách sử dụng một mô hình người 3D hình 1.