Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô tô, xe máy là phương tiện di chuyển rất phổ biến mà mọi người thường sử dụng hàng ngày. Tuy nhiên, việc lái xe cũng đem lại nhiều tai nạn giao thông, khiến cho nhiều người bị thương và tài sản bị thiệt hại. Vì vậy, việc thiết kế ô tô để đảm bảo an toàn là vấn đề quan trọng mà chúng ta cần quan tâm.
Theo số liệu thống kê của Bộ Công an, trong những năm gần đây, số vụ tai nạn giao thông có dấu hiệu giảm nhưng không đáng kể. Nguyên nhân chính là do người lái vi phạm luật giao thông, đi quá tốc độ, chuyển làn không đúng, uống rượu bia khi lái xe, không đội mũ bảo hiểm; đường sá không an toàn, mặt đường xấu, thiếu biển báo; kỹ năng lái xe của người tham gia giao thông còn hạn chế; và các yếu tố thời tiết như mưa, bão, sương mù,. Số liệu thống kê về tình hình tai nạn giao thông từ năm 2020 cho đến nay được minh họa trong Hình 1. Ước tính mỗi năm có hơn 6.000 người tử vong do tai nạn giao thông, gây ra thiệt hại nghiêm trọng về người và kinh tế.
Số liệu thống kê từ Bộ Công an 15157 12876 11193 1451011450 7140 16000 7607 14000 618610804 12000 7804 6384 10000 6700 2023 8000 6000 2022 4000 2021 2000 2020 0 Số vụ TNGT Số người chết Số người bị thương Hình 1. Biểu đồ tình hình tai nạn giao thông các năm trở đây [1] 1 Năm 2022, mỗi người dân Việt Nam trung bình kiếm được khoảng 4100 USD, tăng 400 USD so với năm trước. Đến năm 2030, mục tiêu là thu nhập trung bình mỗi người sẽ tăng gấp đôi so với hiện tại và tăng gấp 8 lần vào năm 2050. Nếu kế hoạch phát triển diễn ra như dự kiến, thu nhập cá nhân của người Việt sẽ tăng mạnh, điều này sẽ kéo theo nhu cầu sử dụng ô tô tăng cao trong các thành phố lớn.
Không chỉ có xe chạy xăng, việc sử dụng ô tô điện đang trở nên phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt sau khi VinFast giới thiệu các mẫu xe điện VF e34, VF8, VF9, VF5, VF3, VF6, VF7. Những chiếc xe điện giá rẻ này có nhiều ưu điểm như giá thành phải chăng, chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường. Trong tương lai, dự kiến xe điện giá rẻ sẽ tiếp tục phát triển và trở thành phương tiện giao thông phổ biến ở Việt Nam. Tuy nhiên, chất lượng xe cần thời gian để kiểm chứng và tính năng an toàn cần được nghiên cứu và phát triển.
Dự báo rằng tình hình giao thông ở Việt Nam sẽ trở nên phức tạp hơn do số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh, đặc biệt là ô tô cá nhân và xe máy. Mặc dù hệ thống giao thông công cộng đang được đầu tư phát triển, nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của người dân. Để khắc phục vấn đề giao thông, chúng ta cần sự hợp tác giữa các cơ quan chức năng, người tham gia giao thông và cộng đồng. Các cơ quan chức năng cần đầu tư xây dựng hạ tầng giao thông và tăng cường thông tin về an toàn giao thông.
Đặc biệt, mọi người khi tham gia giao thông cần tuân thủ luật lệ và quy tắc an toàn. Cũng cần yêu cầu các nhà sản xuất ô tô, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô trong nước, thiết kế ô tô an toàn. Thiết kế an toàn giúp bảo vệ người lái và hành khách khi có va chạm, giảm thiểu tổn thương và bảo vệ tính mạng của người ngồi trong xe. Các bộ phận hấp thụ năng lượng trong ô tô chủ yếu được chế tạo với cấu trúc thành mỏng để hấp thụ năng lượng va chạm thông qua biến dạng dẻo.
Các cấu trúc thành mỏng có khả năng hấp thụ năng lượng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vì có trọng lượng nhẹ, hiệu suất hấp thụ năng lượng cao và hành trình chịu va đập dài. Đã có rất nhiều nghiên cứu thiết kế chi tiết thanh thành mỏng với nhiều cấu trúc khác nhau nhằm làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng do va chạm của ống. Trong các nghiên cứu này, gần đây hướng nghiên cứu theo cách tiếp cận phỏng theo kết cấu 2 sinh học trong tự nhiên đã và đang thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu. Nhằm đóng góp thêm hiểu biết và khả năng ứng dụng của kết cấu phỏng sinh học cho ống hấp thụ năng lượng do va chạm.
Luận văn này đề xuất cách thiết kế phỏng sinh học theo kết cấu tự nhiên của cây xương rồng. Trong tự nhiên, bên cạnh chịu tải nén do trọng lượng của bản thân, cây xương rồng còn chịu được các tải xô ngang do gió. Điều kiện chịu tải nén xiên này tương tự với trường hợp chịu tải của ống trụ trong hộp hấp thụ năng lượng trong xe hơi khi bị va chạm xiên. Bên cạnh đó, cấu trúc thân cây xương rồng cũng bao gồm phần dạng ống thành mỏng với mặt cắt ngang dạng hình sao, bên trong ống được điền bởi vật liệu mềm hơn dạng xốp.
Với những phân tích ở trên, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cấu trúc thành mỏng hình sao theo nguyên tắc phỏng sinh học của cây xương rồng để tăng khả năng hấp thụ năng lượng trong va chạm là cần thiết. Tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu ngoài nước Các cấu trúc có dạng ống thành mỏng thường có khả năng hấp thụ được năng lượng cao hơn các cấu trúc khác do chúng có diện tích bề mặt lớn và khả năng biến dạng dẻo lớn. Khi bị tác động bởi lực tác dụng, các ống thành mỏng sẽ bị biến dạng, quá trình biến dạng này sẽ hấp thụ năng lượng, giúp giảm thiểu tác động của lực tác dụng lên cấu trúc.
Đây là một bài toán cổ điển đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Công trình quan trọng đầu tiên có thể kể đến như nghiên cứu của Alexander [2]. Trong nghiên cứu này, Alexander đã đưa ra mô hình lý thuyết cơ bản để mô tả quan hệ giữa lực nén và thông số hình học, thông số vật liệu của ống thành mỏng bị sập khi chịu tải trọng dọc trục. Trong đó, ông đã đề xuất một mô hình đơn giản cho ống hình trụ tròn biến dạng dẻo với các nếp gấp đối xứng trục như trên Hình 1.
Kích thước hình học của ống, lực nén F và nếp gấp được mô tả như trên hình. Để đơn giản hóa mô hình tính, [2] xem ứng xử của vật liệu là cứng – dẻo lý tưởng. Năng lượng hấp thụ trong mỗi nếp gấp gồm năng lượng biến dạng tại các khớp dẻo (plastic hinges) và do sự giãn ra/nén lại của các phần vật liệu trên hình thành nếp gấp. Mô hình nghiên cứu này cho thấy khả năng dự đoán lực nén làm ống đổ sập bằng lý thuyết rất gần với thực nghiệm.
Biến dạng dẻo đối xứng trục theo giả định của JM Alexander [2] Pugsley [3] là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên xem xét biến dạng dẻo của ống tròn với các nếp gấp không đối xứng. Nghiên cứu dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được biểu thức thực nghiệm về tải trọng cần thiết tác động đến quá trình đổ sập của ống (crushing force – lực nghiền). Johnson và cộng sự [4] đã phát triển một lý thuyết cho chế độ đổ sập không đối xứng của ống dựa trên hình dạng gấp thực tế, với vật liệu ống ở bề mặt giữa được coi là không giãn nở. Từ đó, các tác giả đã dẫn ra các phương trình để dự đoán lực nén dọc trục trung bình (mean crushing force).
Tuy nhiên, sự chính xác giữa mô hình đề xuất và kết quả thử nghiệm đối với ống nhựa PVC là không tốt so với kim loại. Guillow và cộng sự [6] cũng đưa ra sơ đồ biến dạng không đối xứng với 2 hình tam giác và 2 hình vuông lồng nhau Hình 1. Sơ đồ biến dạng không đối xứng [6] 4 Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của ống thành mỏng, từ lý thuyết đến thực nghiệm như Magee và Thornton [5], Guillow và cộng sự [6], Abramowicz và Jones [7]. Các nghiên cứu đưa ra lý thuyết gần đúng cho người thiết kế dự đoán các đặc tính hấp thụ năng lượng của một ống nhất định dưới tác động của tải trọng.
Các cấu trúc thành mỏng có thể được sản xuất bằng các phương pháp tạo hình kim loại tấm như phương pháp kéo sâu, ép đùn và tạo hình bằng hydro. Trong quá trình tạo hình, xảy ra ứng suất dư, biến cứng gia công, thay đổi độ dày và biến dạng dẻo. Các nghiên cứu của Oliveira và cộng sự [8], Karagöz & Yıldız [9] đã chỉ ra rằng quá trình hình thành mẫu có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hấp thụ năng lượng của các cấu trúc thành mỏng. Kết cấu ống trong nghiên cứu này [9] có dạng như Hình 1.
Cấu trúc thành mỏng ứng dụng trong ô tô của Karagöz & Yıldız: a) Vị trí hộp hấp thụ năng lượng trên khung xe, b) Ví dụ chi tiết của ống trụ thành mỏng trong hộp hấp thụ năng lượng [9] Ghasemabadian và cộng sự [10] đã so sánh đặc tính hấp thụ năng lượng của cốc có đường kính khác nhau, thấy rằng bằng cách tăng đường kính cốc lên 10 và 20 mm, tổng năng lượng hấp thụ và lực nghiền trung bình (mean crushing force) đã tăng đáng kể ít nhất 12% trong khi năng lượng hấp thụ trên một đơn vị khối lượng đã giảm đi lần lượt là khoảng 31% và 27% (Hình 1. Cốc thành mỏng theo thí nghiệm của Ghasemabadian và cộng sự [10] Liên quan đến khả năng hấp thụ năng lượng, một số nghiên cứu chỉ ra rằng việc lấp đầy các ống kim loại bằng đệm xốp polyurethane mật độ thấp (để mang lại sự ổn định cho thành) có thể hiệu quả hơn việc tăng độ dày của thành. Những nghiên cứu ban đầu về tính hiệu quả của phương pháp tạo đệm xốp này đã được thực hiện bởi Lampinen và Jeryan [11], kết quả cho thấy đệm xốp làm tăng khả năng chịu tải nhưng làm giảm sự biến dạng dẻo dọc trục. Reid, Reddy và Gray [12] đã tiến hành các thí nghiệm về lực nén dọc trục của các ống kim loại có tiết diện ngang hình chữ nhật có thành mỏng được lấp đầy bằng đệm xốp như hình 1.
Kết quả là khả năng hấp thụ năng lượng riêng của ống chứa đầy bọt xấp xỉ gấp đôi so với trường hợp ống rỗng.