Tổng quan nghiên cứu

Tai nạn giao thông là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và thương tật nghiêm trọng trên toàn cầu. Theo thống kê của Cục Cảnh Sát Giao Thông Việt Nam, từ năm 2022 đến giữa năm 2023, cả nước đã xảy ra khoảng 16,229 vụ tai nạn giao thông đường bộ, trong đó có hơn 9,000 người tử vong. Đặc biệt, người đi bộ là nhóm đối tượng dễ bị tổn thương nhất khi va chạm với ô tô, chịu các chấn thương nghiêm trọng như gãy xương, đứt dây chằng và tổn thương phần mềm ở chi dưới. Tại Mỹ, số người đi bộ tử vong do tai nạn giao thông năm 2022 đã tăng gần 19% so với năm 2019, đạt khoảng 7,508 người, cho thấy mức độ nghiêm trọng của vấn đề này trên toàn thế giới.

Trước thực trạng đó, luận văn tập trung nghiên cứu và cải tiến hệ thống cản trước ô tô nhằm giảm thiểu tổn thương chi dưới cho người đi bộ khi xảy ra va chạm. Mục tiêu cụ thể là phân tích kết cấu, hình dáng và vật liệu của cản trước các dòng xe phổ biến, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế tối ưu để giảm lực tác động và ứng suất lên chi dưới người đi bộ. Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn V-THUMS được tỉ lệ hóa phù hợp với vóc dáng người Việt Nam, kết hợp với các mô hình xe ô tô tiêu chuẩn để mô phỏng va chạm ở vận tốc 40 km/h. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các dòng xe Sedan, SUV, Pick-up và MPV phổ biến tại Việt Nam, với dữ liệu thu thập và mô phỏng thực hiện trong giai đoạn 2023-2024.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao an toàn giao thông, giảm thiểu thương tật và tử vong cho người đi bộ, đồng thời hỗ trợ các nhà sản xuất ô tô trong việc thiết kế các hệ thống cản trước thân thiện với người đi bộ, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như EEVC/WG17.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình V-THUMS (Total Human Model for Safety): Đây là mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng cơ thể người đi bộ với đầy đủ cấu trúc sinh học như xương, dây chằng, da, cơ và nội tạng. Mô hình được tỉ lệ hóa từ THUMS AM50th phù hợp với vóc dáng người Việt Nam, có trọng lượng 58.18 kg, gồm hơn 1.5 triệu phần tử solid và hơn 770 nghìn node, giúp mô phỏng chính xác phản ứng cơ học khi va chạm.

  • Mô hình các dòng xe ô tô: Bao gồm các dòng Sedan (Ford Taurus), Pick-up (Chevrolet Silverado), SUV (Ford Explorer) và MPV (Dodge Caravan). Các mô hình này được cung cấp bởi NHTSA với các thông số kỹ thuật và kết cấu vật liệu tương đương xe thực tế, trọng lượng dao động từ 1,560 kg đến 2,271 kg.

  • Tiêu chuẩn đánh giá chấn thương EEVC/WG17: Tiêu chuẩn này quy định các ngưỡng an toàn cho chi dưới người đi bộ khi va chạm, bao gồm góc uốn khớp gối ≤ 15°, chuyển vị cắt khớp gối ≤ 6 mm và gia tốc xương ống khuỷu ≤ 150 g. Đây là cơ sở để đánh giá mức độ an toàn của các thiết kế cản trước.

  • Lý thuyết va chạm và bảo toàn động lượng: Áp dụng các định luật Newton và thuyết thay đổi xung lượng để phân tích lực tác động, động năng hấp thụ và chuyển động sau va chạm giữa ô tô và người đi bộ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các báo cáo tai nạn giao thông trong nước và quốc tế, các tiêu chuẩn an toàn EEVC/WG17, dữ liệu mô hình phần tử hữu hạn V-THUMS và mô hình xe ô tô chuẩn NHTSA.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Catia để thiết kế lại chi tiết cản trước trên nền tảng 3D; phần mềm Hypermesh để chia lưới phần tử hữu hạn; phần mềm LS-DYNA làm bộ giải và phân tích mô phỏng va chạm. Các mô phỏng được thực hiện với vận tốc va chạm 40 km/h, vị trí va chạm trực diện, góc 90°, nhằm đánh giá lực tác động và ứng suất lên chi dưới mô hình người đi bộ.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng 9 trường hợp va chạm với 9 dòng xe khác nhau, bao gồm các phân khúc Sedan, SUV, Pick-up, MPV và xe tải 10 tấn. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2023 đến tháng 07/2024, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

  • Đánh giá kết quả: So sánh các chỉ số lực moment uốn, tổng lực tác dụng lên chi dưới với ngưỡng an toàn EEVC/WG17. Đánh giá hiệu quả cải tiến cản trước dựa trên sự giảm thiểu các chỉ số chấn thương và ứng suất phân bố trên xương đùi, xương chày và khớp gối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mức độ chấn thương chi dưới khác nhau theo dòng xe: Mô phỏng cho thấy xe Sedan có trọng tâm thấp gây ứng suất tập trung cao ở vùng cuối xương đùi và đầu gối, trong khi xe SUV với trọng tâm cao hơn tập trung ứng suất chủ yếu ở vùng xương đùi. Ví dụ, lực moment uốn cực đại tại xương đùi khi va chạm với Ford Taurus đạt khoảng 447 Nm, vượt ngưỡng an toàn.

  2. Ảnh hưởng của hình dạng và vật liệu cản trước: Cản trước nguyên bản có tiết diện nhọn và chiều cao thấp gây lực tập trung lớn lên chi dưới, làm tăng nguy cơ gãy xương và đứt dây chằng. Sau cải tiến biên dạng cản (CT2) với chiều cao tăng và vật liệu foam hấp thụ năng lượng được thay đổi, lực moment uốn và tổng lực giảm trung bình 20-35% so với cản nguyên bản.

  3. Tác động của độ dày và vật liệu cản: Mô phỏng với các độ dày khác nhau của biên dạng CT2 cho thấy độ dày 2.5 mm là tối ưu, giảm lực uốn và tổng lực lên chi dưới mà không làm tăng trọng lượng cản quá mức. Vật liệu nhựa PC-TD20 và nhôm A3003 được đánh giá có khả năng hấp thụ năng lượng tốt, giảm lực tác động lên xương đùi và xương chày khoảng 15-25% so với vật liệu thép SAPH440 truyền thống.

  4. Hiệu quả của cải tiến cản trước trong giảm chấn thương: Sau khi áp dụng cải tiến, các chỉ số chấn thương như góc uốn khớp gối, chuyển vị cắt và gia tốc xương ống khuỷu đều nằm trong giới hạn an toàn EEVC/WG17. Ví dụ, góc uốn khớp gối giảm từ mức 18° xuống dưới 15°, chuyển vị cắt giảm từ 7 mm xuống dưới 6 mm.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt về mức độ chấn thương chi dưới tùy thuộc vào loại xe và thiết kế cản trước. Các dòng xe có trọng tâm thấp như Sedan gây lực tập trung cao hơn ở vùng đầu gối, trong khi SUV và Pick-up phân bố lực đều hơn nhưng vẫn vượt ngưỡng an toàn nếu không cải tiến. Việc thay đổi hình dạng cản trước theo hướng tăng chiều cao và làm mịn bề mặt giúp giảm lực tập trung, đồng thời vật liệu foam hấp thụ năng lượng có tính đàn hồi cao làm giảm đáng kể lực tác động.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các khuyến nghị về thiết kế cản trước an toàn cho người đi bộ, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng cho thị trường Việt Nam với mô hình V-THUMS tỉ lệ hóa phù hợp vóc dáng người Việt. Việc sử dụng phần mềm LS-DYNA và Hypermesh cho phép mô phỏng chính xác các trường hợp va chạm đa dạng, cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế cản trước ô tô thân thiện với người đi bộ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh lực moment uốn và tổng lực trên 16 điểm va chạm dọc chi dưới, bảng so sánh chỉ số chấn thương trước và sau cải tiến, cũng như sơ đồ phân bố ứng suất trên xương đùi và xương chày.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế lại biên dạng cản trước: Tăng chiều cao cản trước lên khoảng 20-30 mm so với nguyên bản, làm mịn bề mặt tiếp xúc để giảm lực tập trung lên chi dưới. Chủ thể thực hiện: Các nhà sản xuất ô tô, thời gian áp dụng: 1-2 năm.

  2. Sử dụng vật liệu foam hấp thụ năng lượng có tính đàn hồi cao: Ưu tiên vật liệu nhựa PC-TD20 hoặc nhôm A3003 cho miếng foam hấp thụ năng lượng phía sau cản trước nhằm giảm lực tác động lên chi dưới. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế vật liệu và kỹ thuật ô tô, thời gian áp dụng: 1 năm.

  3. Tối ưu độ dày cản trước: Độ dày khoảng 2.5 mm được khuyến nghị để cân bằng giữa khả năng hấp thụ năng lượng và trọng lượng cản, tránh làm tăng tiêu hao nhiên liệu. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế kết cấu, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  4. Áp dụng mô hình mô phỏng V-THUMS trong đánh giá an toàn: Khuyến khích các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất sử dụng mô hình V-THUMS tỉ lệ hóa phù hợp với vóc dáng người Việt để đánh giá mức độ an toàn của các thiết kế mới. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, thời gian áp dụng: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà sản xuất ô tô và kỹ sư thiết kế: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và giải pháp thiết kế cản trước an toàn, giúp cải thiện sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế.

  2. Cơ quan quản lý an toàn giao thông: Tham khảo để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn an toàn mới cho xe ô tô nhằm bảo vệ người đi bộ hiệu quả hơn.

  3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình mô phỏng va chạm, phương pháp phân tích chấn thương và ứng dụng phần mềm kỹ thuật hiện đại.

  4. Các tổ chức đào tạo và huấn luyện an toàn giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao nhận thức về an toàn cho người đi bộ và tài xế, đồng thời phát triển các chương trình đào tạo kỹ năng lái xe an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình V-THUMS có gì đặc biệt so với các mô hình khác?
    Mô hình V-THUMS được tỉ lệ hóa phù hợp với vóc dáng người Việt Nam, bao gồm cấu trúc sinh học chi tiết như xương, dây chằng, da và cơ, giúp mô phỏng chính xác phản ứng cơ học khi va chạm, vượt trội hơn các mô hình chỉ mô phỏng chi dưới đơn giản.

  2. Tại sao lại chọn vận tốc va chạm 40 km/h để mô phỏng?
    Vận tốc 40 km/h là mức phổ biến trong các vụ tai nạn giao thông đô thị và được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn an toàn quốc tế để đánh giá mức độ chấn thương người đi bộ.

  3. Vật liệu foam hấp thụ năng lượng có vai trò gì trong cản trước?
    Foam hấp thụ năng lượng giúp giảm lực tác động truyền lên chi dưới người đi bộ bằng cách biến dạng đàn hồi và dẻo, từ đó giảm nguy cơ gãy xương và đứt dây chằng.

  4. Các chỉ số chấn thương EEVC/WG17 có ý nghĩa như thế nào?
    Các chỉ số như góc uốn khớp gối ≤ 15°, chuyển vị cắt ≤ 6 mm và gia tốc ≤ 150 g là ngưỡng an toàn để hạn chế tổn thương nghiêm trọng cho chi dưới người đi bộ khi va chạm.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các dòng xe khác không?
    Có, phương pháp mô phỏng và cải tiến cản trước có thể áp dụng cho nhiều dòng xe khác nhau, tuy nhiên cần điều chỉnh mô hình và vật liệu phù hợp với đặc điểm kết cấu và trọng tâm của từng loại xe.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng va chạm giữa ô tô và người đi bộ sử dụng V-THUMS tỉ lệ hóa phù hợp vóc dáng người Việt Nam.
  • Phân tích chi tiết kết cấu và vật liệu cản trước của các dòng xe phổ biến cho thấy ảnh hưởng lớn đến mức độ chấn thương chi dưới.
  • Cải tiến biên dạng cản trước và sử dụng vật liệu foam hấp thụ năng lượng mới giúp giảm lực tác động và ứng suất lên chi dưới, đảm bảo các chỉ số chấn thương nằm trong giới hạn an toàn EEVC/WG17.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và vật liệu cụ thể, có thể áp dụng trong thực tế nhằm nâng cao an toàn cho người đi bộ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, mở rộng mô hình cho các tình huống va chạm đa dạng và hợp tác với nhà sản xuất để ứng dụng kết quả nghiên cứu.

Hành động ngay: Các nhà sản xuất và cơ quan quản lý an toàn giao thông nên phối hợp triển khai các giải pháp cải tiến cản trước ô tô nhằm giảm thiểu thương vong cho người đi bộ, góp phần xây dựng môi trường giao thông an toàn và bền vững.