Luận văn ThS: Nghiên cứu an toàn người lái trong va chạm ô tô - ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ phân tích chi tiết an toàn người lái trong va chạm ô tô. Mô phỏng va chạm, đánh giá chấn thương theo tiêu chuẩn an toàn quốc tế.

• Tác giả: Hoàng Trọng Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Mô Phỏng Va Chạm Ô Tô: Phân Tích An Toàn Người Lái
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Quát Về Mô Phỏng Va Chạm Ô Tô

Mô phỏng va chạm ô tô là một công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Phương pháp này sử dụng phần tử hữu hạn để tái hiện lại quá trình va chạm theo các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như NHTSA. Mô phỏng kỹ thuật giúp các kỹ sư xử lý dữ liệu phức tạp, tính toán nhanh chóng và chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất phát triển sản phẩm. Với sự tiến bộ của công nghệ máy tính, mô phỏng va chạm trở thành công cụ không thể thiếu để đánh giá an toàn của các hệ thống bảo vệ như túi khí, dây đai an toàn. Điều này đặc biệt quan trọng khi các hãng xe phát triển những mẫu xe mới, đặc biệt là những dòng xe điện ngày càng phổ biến, nhằm đảm bảo sự an toàn tối đa cho người lái và hành khách.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Mô Phỏng Va Chạm

Mô phỏng va chạm giúp các nhà sản xuất ô tô đánh giá hiệu quả của hệ thống an toàn mà không cần thực hiện những bài kiểm tra thực tế tốn kém. Qua mô phỏng, kỹ sư có thể dự đoán các chấn thương có thể xảy ra, kiểm tra độ bền của khung xe, và tối ưu hóa các tính năng bảo vệ. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế.

1.2. Tiêu Chuẩn Đánh Giá An Toàn

Các tiêu chuẩn như NHTSA (Cơ quan An toàn Giao thông Quốc gia Mỹ) và IIHS (Viện Bảo hiểm An toàn Đường bộ Mỹ) cung cấp các quy định cụ thể về các bài kiểm tra va chạm. Những tiêu chuẩn này bao gồm các chỉ số như HIC (Head Injury Criterion) để đánh giá mức độ chấn thương đầu, và các thông số khác đo lường tác động lên cơ thể người lái và hành khách trong quá trình va chạm.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu Va Chạm Ô Tô

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là nền tảng của mô phỏng va chạm hiện đại. Phương pháp này chia nhỏ các vật thể phức tạp thành hàng triệu phần tử nhỏ để phân tích chuyển động và biến dạng. Phần mềm như HyperWorks của Altair cung cấp các công cụ mạnh mẽ để xây dựng mô hình, chia lưới và thiết lập các điều kiện biên. Bộ giải Radioss xử lý các phương trình phức tạp và tính toán kết quả. Có hai phương pháp chính trong mô phỏng: Explicit dùng cho các bài toán động học phức tạp như va chạm, và Implicit dùng cho các bài toán tĩnh hoặc bán động. Sự kết hợp các công cụ này cho phép các kỹ sư tái hiện lại chính xác quá trình va chạm và đánh giá an toàn một cách toàn diện.

2.1. Công Nghệ Phần Tử Hữu Hạn

Phần tử hữu hạn cho phép mô hình hóa chi tiết các cấu trúc phức tạp của xe như khung sườn, phanh, và các hệ thống khác. Mỗi phần tử được gán các tính chất vật liệu cụ thể, giúp tính toán ứng suất, biến dạng và năng lượng hấp thụ. Độ chính xác của mô phỏng phụ thuộc vào chất lượng lưới và các thông số vật liệu được nhập vào.

2.2. Các Bài Toán Mô Phỏng Chính

Bài toán va chạm xe hơi bao gồm mô phỏng biến dạng khung xe, chuyển động của người lái, và hoạt động của các hệ thống bảo vệ. Bài toán bung túi khí tập trung vào thời gian, áp lực, và hiệu quả bảo vệ của túi khí. Các bài toán này thường là phi tuyến tính, yêu cầu các phương pháp tính toán tiên tiến và sức mạnh xử lý cao.

III. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Va Chạm

Quá trình xây dựng mô hình mô phỏng va chạm bao gồm nhiều bước phức tạp. Đầu tiên, cần tạo và chỉnh sửa mô hình CAD của xe để đảm bảo tính chính xác hình học. Tiếp theo, chia lưới khuyết lưới chi tiết để đạt độ chính xác cao, đặc biệt ở những vùng quan trọng như khu vực va chạm. Gán vật liệu phù hợp cho từng phần của xe dựa trên các đặc tính cơ học thực tế. Xây dựng connector để kết nối các phần tử và định nghĩa các ràng buộc. Cuối cùng, xuất mô hình phần tử hữu hạn để sử dụng trong bộ giải. Quá trình này đòi hỏi chuyên môn cao và hiểu biết sâu về vật liệu, động lực học và các tiêu chuẩn an toàn.

3.1. Thiết Kế Và Chuẩn Bị Mô Hình

Tạo mô hình CAD chính xác là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mô hình phải bao gồm đầy đủ các chi tiết của xe như khung, cửa, ghế, và các hệ thống an toàn. Chỉnh sửa mô hình để loại bỏ các lỗi hình học và đảm bảo khả năng mô phỏng tốt. Tiền xử lý kỹ lưỡng giúp tránh các lỗi tính toán sau này.

3.2. Chia Lưới Và Gán Vật Liệu

Chia lưới quyết định độ chính xác và thời gian tính toán của mô phỏng. Các vùng quan trọng như phía trước xe cần lưới mịn hơn. Gán tính chất vật liệu như độ cứng, mật độ, độ bền cho từng vùng dựa trên các dữ liệu kỹ thuật thực tế của xe. Kiểm tra chất lượng lưới để đảm bảo không có lỗi hình học ảnh hưởng đến kết quả.

IV. Đánh Giá An Toàn Người Lái Và Kết Quả Mô Phỏng

Đánh giá an toàn người lái là mục tiêu chính của mô phỏng va chạm. Quá trình này sử dụng mô hình dummy (mô hình người lái giả) có các cơ cấu gần giống cơ thể người thật để mô phỏng tác động của va chạm. Kết quả mô phỏng bao gồm nhiều chỉ số quan trọng như chỉ số HIC (đánh giá chấn thương đầu), độ thâm nhập của phanh vào buồng lái, và các chỉ số khác. Túi khí và dây đai an toàn được đánh giá hiệu quả thông qua thời gian bung, áp lực, và khả năng giảm chấn thương. Các biểu đồ năng lượng cho thấy cách năng lượng được hấp thụ và phân tán trong quá trình va chạm. Những kết quả này giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế xe để đạt mức an toàn cao nhất.

4.1. Mô Hình Dummy Và Vị Trí Người Lái

Mô hình dummy là đại diện ảo của cơ thể người, có cấu trúc xương, cơ, và các mô mềm gần giống con người. Vị trí ngồi, độ cao, và các tham số cá nhân của dummy phải được thiết lập chính xác theo tiêu chuẩn. Hệ thống ghế và dây đai an toàn cũng được mô phỏng chi tiết để đánh giá hiệu quả bảo vệ trong va chạm.

4.2. Chỉ Số An Toàn Và Đánh Giá Chấn Thương

Chỉ số HIC (Head Injury Criterion) đo lường mức độ chấn thương đầu dựa trên gia tốc và thời gian tác động. Các chỉ số khác bao gồm độ thâm nhập, ứng suất, và biến dạng tại các vùng cơ thể khác nhau. Những kết quả này so sánh với các giới hạn tiêu chuẩn để đánh giá mức độ an toàn tổng thể của người lái trong va chạm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT ĐẺ TÀI NGHIÊN CỨC. 11 Pat van dé.1 Lich sit nghién cứu an toản trên ô tổ. wl L12 Xu bung nghién cau an toàn trên ôỏ.2 Péi eng nghién ee 2 13 _ Tổng quanvẻgiãi pháp mỏ phỏng 3 13.1 Bộphan mém HyperWorks.

3 132 Bộ giải Altair Radios 6 1.4 _ Mục tiêu của để tài nghiễn cứu. 7 Kết luận chương L. HH Han HH guên 7 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

H HH HH nghe § 2,1,1 Phương pháp phẩn tấ hữu hạn. - 8 2,1⁄2 Phuong phap Explicitva Implicit - - 9 2,143.2 Một số bài toán mô phống,. 2,2,1 Bài toán Luyện tính tinh. 17 2/2,2 Hài toán phi tuyển tính.

Bài toán va chạm xe bơi.1 Tại sao phải mô phông va chạm xe hơi. 24 — Bàiloán bung túi khí 24.1 Tại sao phải muô phống bài toán bung túi khí. Mô hình túi khi được sử đụng trong mỗ phỏng, 3.5 Cáo liên chuẩn đánh giá an toàn trên xe hơi.1 Co quan an toan giao thông quốc gia Mỹ - NHTISA.2 Viện Hão hiểm antoán dường bộ Mỹ - HH: 3.6 — Tiêu chuẩn đánh giá tín khí. 2,6,1 Thâm định túi khí người Hải ‘Tham định túi khí hành khách.3_ Thẩm định Lúi khí bên.4- Thâm định tái khí rèm Kết luận chương2 - 29 CHƯƠNG 3.

XÂY DỰNG BÀI TOÁN VÀ CHẠM Ô TÔ 3.1 Xây đựng mỏ hình phân tử hữu hạn.11 Tạo vả chỉnh sữa CAD. ii seer BO 3,1,2 Chia lưới và chỉnh sữa lưới - 31 3,13. Gámn vật liệu - - 35 32 Tao comnector. Xuâtra mô hình phần tử hữu hạn.

- - _Ò38 Kết luận chương, 3 38 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG BÀI TOÁN BUNG TÚI KHÍ TRÊN XE HƠI.1 Tổng quan về phan mềm ITyperCrash. seooeeoeeooeeoesoooooee 39 41⁄2 Uuđiểm - - S38 4⁄2 — Các đạng gấp túi khí trong HyperCrash. Thiết lập bài toán bang túi khí trên phần mềm HyperMesii,.

42 Kết luận Chương 4: 45 CHƯƠNG 5. THIẾT LẬP MÔ HINH NGƯỜI LÁI.1 Tổng quanvêmô hình dunmy 5.1 Mô hinh dummy làgi.2 Tai sao phai sử dụng mô hình Dunnny. 5,13 Cac loai mé hith dummy 3.4 M6 hinh dummy trong dé tai.2 Thiết lập vị tri ngwoi lai - Dummy positioning. 48 53 Thiết lập hệ thống đây đại an toan - Seatbelt System S48 5.4 Mô phỏng biến dạng ghế lái - Seat Deformer.

- 51 Két luan chwong 5. ĐÁNH GIÁ KẾT ỢU.1 Đánh giá kết quả tính toán mô phống. cào sec 34 6,1,1 Phâm tích sự biển dang của loàn hộ phương liện -.2 Để thị năng lượng.4 Quá trình va chạm của dirnmy.6 Thời gian bung và áp suất túi khí "-ˆ 6,17 Chỉsố HIC - Head Injuy Criterion. „61 61,8 Mức độ xâm nhập của sản xe theo Ligu chun IIHS @ 6,19 Chânthương cổ người lãi - 63 6.10 Chân thương dủi người lái.

8 62 Một số phương án cải liền tính zm toàn thụ động trên ô lô -Sò-64 3,13. Gámn vật liệu - - 35 32 Tao comnector. Xuâtra mô hình phần tử hữu hạn. - - _Ò38 Kết luận chương, 3 38 CHƯƠNG 4.

XÂY DỰNG BÀI TOÁN BUNG TÚI KHÍ TRÊN XE HƠI.1 Tổng quan về phan mềm ITyperCrash. seooeeoeeooeeoesoooooee 39 41⁄2 Uuđiểm - - S38 4⁄2 — Các đạng gấp túi khí trong HyperCrash. Thiết lập bài toán bang túi khí trên phần mềm HyperMesii,. 42 Kết luận Chương 4: 45 CHƯƠNG 5.

THIẾT LẬP MÔ HINH NGƯỜI LÁI.1 Tổng quanvêmô hình dunmy 5.1 Mô hinh dummy làgi.2 Tai sao phai sử dụng mô hình Dunnny. 5,13 Cac loai mé hith dummy 3.4 M6 hinh dummy trong dé tai.2 Thiết lập vị tri ngwoi lai - Dummy positioning. 48 53 Thiết lập hệ thống đây đại an toan - Seatbelt System S48 5.4 Mô phỏng biến dạng ghế lái - Seat Deformer. - 51 Két luan chwong 5.

ĐÁNH GIÁ KẾT ỢU.1 Đánh giá kết quả tính toán mô phống. cào sec 34 6,1,1 Phâm tích sự biển dang của loàn hộ phương liện -.2 Để thị năng lượng.4 Quá trình va chạm của dirnmy.6 Thời gian bung và áp suất túi khí "-ˆ 6,17 Chỉsố HIC - Head Injuy Criterion. „61 61,8 Mức độ xâm nhập của sản xe theo Ligu chun IIHS @ 6,19 Chânthương cổ người lãi - 63 6.10 Chân thương dủi người lái. 8 62 Một số phương án cải liền tính zm toàn thụ động trên ô lô -Sò-64 Hinh 6.

Tục tổng hợp lie dung vào cỗ người lái 63 Tình 6 Moomen tác dụng lên cỗ người lái. - - 683 Hình 6 23 Lực tổng hợp láo dụng lên đủi người lái. Thay đổi độ dây khung phia din xe - 64 Hình 6 25. Gia tốc tại dẫu người lải.cceiiee 65 Hình 6 26 Đánh giá biển dạng và thâm nhập cửa sàn vào khoang lải 65 Hình 6 27.

Gia tốc tại dâu người lái. Luc idng hep lác dụng vào có người lái - - 66 Hình 6. 29 Moomen tac dung lên cổ người lái. Hình 6 30 Lực tổng hợp tác dụng lên đủi người lái.

Gia tốc tại đầu người lải. Lực tổng hợp tác dụng vào có người lải. 33 Moomen tác dụng lên cỗ người lải. 34 Lực téng hop tac dung lên đủi người lải.

sec 69 62,1 Phương ám cải liền kếi câu hấp thụ năng hượng 6.2 Phương án câi tiên túi khí 6 6.3 Phương án cải tiến dây đai an toàn. coi 7 Kết luận chương 6 69 KET LUAN. TAT LIEU THAM KHAO. Thiết lập solf-conlaet và contaet của túi khí với vô lăng 45 Tình 4 16.

Thidt lap Contrel Volume - - 45 Tĩnh 5 1. Mé hinh dummy Flybrid IL - AT Hinh 5 2. Mô hình phần tử hữu han dummy. Thiết lập vị tri dummy.

Chon vi Ii H point céa dumuny. Mô hình dummy trén xe. Thiết lập đây đại an toàn.7 Setup day dai an toan than trên. Dây đại an toàn thân đưới Hinh 5 9.

Thông số vật liên day dai an toàn Hình Š 10 Hệ thống dây đai am loàn người lắi Hình Š 11 Chon mé hirih dummy va ghé lai Hình 5 12. Két qua ghé lai bién dang .13 Thé hién mat cat. ghé bién dang - Tình 5. Nhập kết quả biến dạng ghế lái vào mồ hình.

Mô hình ghế lái biến dạng trong mô hình Hình 6. Biển đạng của toàn bộ xe 34 Hinh 6.2 ĐĐ thị năng lượng ve chạm trực diện toàn bộ xe.3 Xe va cham tai thoi điểm 1 - Os 55 Tình 6. 4 Xe va chạm tại thời điểm t=0. 5 Xe và chạm tại thời điểmL 0.

6 Ứng suất trên khung tai t= 0. Ứng suất trên toàn xe tai tt 0. 8 Vị tí khung có ứng suất lớn nhất 37 Tình 6. Người lái tại thời điểmL 0s - - 57 Tình 6.

10 Người lãi tại thời điểmt 0. 11 Người lái tại thời điểm t~0. 12 Người lái tại thời điểm L 0. 13 Đỗ thị gia tốc tổng hợp tại vị trí dầu người lải.

14 Gia tốc tại phần ngự của người lái. 15 Bắt đầu kích hoạt bung túi khi từ 0. Túi khi bung hoàn toàn tại 0. Áp suất khi túi khí bung của N - - Hình 6.

Áp suất tủi khi khi mô phỏng. 19 Gia tốc tại vi trí đầu người lái. Sự thâm nhập của sàn của khoang người lái. Gámn vật liệu - - 35 32 Tao comnector.

Xuâtra mô hình phần tử hữu hạn. - - _Ò38 Kết luận chương, 3 38 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG BÀI TOÁN BUNG TÚI KHÍ TRÊN XE HƠI.1 Tổng quan về phan mềm ITyperCrash. seooeeoeeooeeoesoooooee 39 41⁄2 Uuđiểm - - S38 4⁄2 — Các đạng gấp túi khí trong HyperCrash.

Thiết lập bài toán bang túi khí trên phần mềm HyperMesii,. 42 Kết luận Chương 4: 45 CHƯƠNG 5. THIẾT LẬP MÔ HINH NGƯỜI LÁI.1 Tổng quanvêmô hình dunmy 5.1 Mô hinh dummy làgi.2 Tai sao phai sử dụng mô hình Dunnny. 5,13 Cac loai mé hith dummy 3.4 M6 hinh dummy trong dé tai.2 Thiết lập vị tri ngwoi lai - Dummy positioning.

48 53 Thiết lập hệ thống đây đại an toan - Seatbelt System S48 5.4 Mô phỏng biến dạng ghế lái - Seat Deformer. - 51 Két luan chwong 5. ĐÁNH GIÁ KẾT ỢU.1 Đánh giá kết quả tính toán mô phống. cào sec 34 6,1,1 Phâm tích sự biển dang của loàn hộ phương liện -.2 Để thị năng lượng.4 Quá trình va chạm của dirnmy.6 Thời gian bung và áp suất túi khí "-ˆ 6,17 Chỉsố HIC - Head Injuy Criterion.

„61 61,8 Mức độ xâm nhập của sản xe theo Ligu chun IIHS @ 6,19 Chânthương cổ người lãi - 63 6.10 Chân thương dủi người lái. 8 62 Một số phương án cải liền tính zm toàn thụ động trên ô lô -Sò-64 3,13. Gámn vật liệu - - 35 32 Tao comnector. Xuâtra mô hình phần tử hữu hạn.

- - _Ò38 Kết luận chương, 3 38 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG BÀI TOÁN BUNG TÚI KHÍ TRÊN XE HƠI.1 Tổng quan về phan mềm ITyperCrash. seooeeoeeooeeoesoooooee 39 41⁄2 Uuđiểm - - S38 4⁄2 — Các đạng gấp túi khí trong HyperCrash. Thiết lập bài toán bang túi khí trên phần mềm HyperMesii,.

42 Kết luận Chương 4: 45 CHƯƠNG 5. THIẾT LẬP MÔ HINH NGƯỜI LÁI.1 Tổng quanvêmô hình dunmy 5.1 Mô hinh dummy làgi.2 Tai sao phai sử dụng mô hình Dunnny. 5,13 Cac loai mé hith dummy 3.4 M6 hinh dummy trong dé tai.2 Thiết lập vị tri ngwoi lai - Dummy positioning. 48 53 Thiết lập hệ thống đây đại an toan - Seatbelt System S48 5.4 Mô phỏng biến dạng ghế lái - Seat Deformer.

- 51 Két luan chwong 5. ĐÁNH GIÁ KẾT ỢU.1 Đánh giá kết quả tính toán mô phống. cào sec 34 6,1,1 Phâm tích sự biển dang của loàn hộ phương liện -.2 Để thị năng lượng.4 Quá trình va chạm của dirnmy.6 Thời gian bung và áp suất túi khí "-ˆ 6,17 Chỉsố HIC - Head Injuy Criterion. „61 61,8 Mức độ xâm nhập của sản xe theo Ligu chun IIHS @ 6,19 Chânthương cổ người lãi - 63 6.10 Chân thương dủi người lái.

8 62 Một số phương án cải liền tính zm toàn thụ động trên ô lô -Sò-64 DANIEMUC BANG BIE Bang 1. | Thông số của xe ba Bang 5. Gia tốc max vá mùn trong thời gian 0,025 0,061 Bảng 6. 1 Bằng liêu chuẩn cÌ ï số HIC tính trong 36ms.

2 Giam dé day của kết cầu khung phản đầu xe 64 Bang 6.3 Thay dỗi tiết diện van xã túi khi. Tục tổng hợp lie dung vào cỗ người lái 63 Tình 6 Moomen tác dụng lên cỗ người lái. - - 683 Hình 6 23 Lực tổng hợp láo dụng lên đủi người lái. Thay đổi độ dây khung phia din xe - 64 Hình 6 25.

Gia tốc tại dẫu người lải.cceiiee 65 Hình 6 26 Đánh giá biển dạng và thâm nhập cửa sàn vào khoang lải 65 Hình 6 27. Gia tốc tại dâu người lái. Luc idng hep lác dụng vào có người lái - - 66 Hình 6. 29 Moomen tac dung lên cổ người lái.

Hình 6 30 Lực tổng hợp tác dụng lên đủi người lái. Gia tốc tại đầu người lải. Lực tổng hợp tác dụng vào có người lải. 33 Moomen tác dụng lên cỗ người lải.