Đặt vấn đề Tai nạn xe buýt là tai nạn thường xuyên xảy ra trên toàn thế giới.000 người bị thương và 150 người chết mỗi năm đối với tai nạn xe buýt này[1]. Tại Mỹ trong năm 2004, Cục Quản lý An toàn giao thông quốc gia báo cáo ước tính có khoảng 16.000 chấn thương và tử vong trong tai nạn xe buýt, trong số này, hơn một nữa các trường hợp tử vong xảy ra trong tai nạn này không liên quan đến va chạm[2]. Vì vậy, an toàn hành khách xe buýt là một vấn đề quan trọng trong ngành công nghiệp xe buýt, và mối quan tâm này đang dần gia tăng mỗi năm. Đảm bảo sự an toàn của hành khách xe buýt không chỉ xem xét như tiếp thị mà đã trở thành một nghĩa vụ theo quy định của tiêu chuẩn quốc tế mà hiện nay đang được ở một số quốc gia, cũng như một yêu cầu của các tổ chức chính phủ, các chủ sở hữu xe buýt.
Tiêu chuẩn khác nhau xác định các cấu trúc cứng cáp khung xương cũng khác nhau theo kiểu tai nạn: va chạm trực diện, va chạm bên hông và lật nghiêng. Theo một cuộc khảo sát của các tài liệu liên quan đến sự cố tai nạn thì hầu hết là nằm trong mô hình lật nghiêng xe buýt là nghiêm trọng nhất. Theo thống kê của Cục Cảnh Sát Giao Thông (CSGT) đường bộ, đường sắt tính đến đầu tháng 1 năm 2014 cả nước có 65.294 phương tiện vận tải hành khách từ 29 chỗ trở lên, trong đó có 1.612 xe khách giường nằm. Trong năm 2013 số vụ tai nạn đường bộ xảy ra là 30.874 vụ, trong đó có đến 21% là do người điều khiển ô tô gây ra và 9,7% liên quan đến ô tô chở khách[3].
Trên cơ sở đó, đề tài đã ứng dụng kỹ thuật máy tính CAE (Computer Aided Engineering) để xây dựng mô hình nghiên cứu để tính toán, mô phỏng tính an toàn của kết cấu khung xe ô tô khách khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu. Dựa trên kết quả mô phỏng, tiến hành thiết kế cải tiến và tối ưu hóa kết cấu khung ô tô khách nhằm đảm bảo độ bền, giảm trọng lượng và an toàn cho hành khách. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1 1. Nghiên cứu trong nƣớc Ở Việt Nam, các hướng nghiên cứu thiết kế cải tiến khung xương và chassis ô tô chủ yếu tập trung tính toán mô phỏng trạng thái bền tĩnh và tính ổn định, trong khi đó các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan tới tính năng an toàn bị động của ô tô (bao gồm va chạm trước, sau, hông, lật nghiêng, vv…) vẫn chưa được thực hiện một cách đầy đủ nhất, và hiện tại đề tài nghiên cứu về vấn đề này đang hướng tới ở một số trường Đại học cũng như doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô khách.
Cụ thể có một vài nghiên cứu liên quan như sau: - Nghiên cứu tính bền kết cấu khung xương ô tô chở khách theo tiêu chuẩn E/ECE/TRANS/505/66 bằng phần mềm ANSYS của TS. Nguyễn Khắc Huân – ĐHBK Tp. Hồ Chí Minh, năm 2010. Tác giả đã tiến hành kiểm tra khung xương ô tô khách Transinco K46 theo tiêu chuẩn ECE R66 và kết luận đạt yêu cầu không vi phạm không gian an toàn, có trọng lượng nhỏ.
- Nghiên cứu, thiết kế, cải tiến tính an toàn lật nghiêng ô tô khách trên cơ sở tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66 của thạc sĩ Đỗ Kim Hoàng – Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014. Kết quả nghiên cứu của tác giả là mô hình khung xương ban dầu bị xâm phạm không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn ECE R66, tiến hành cải tiến theo phương án là bo góc cạnh. Là nền tảng cho nghiên cứu tối ưu ở hướng phát triển của đề tài.
- Nghiên cứu, thiết kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm trực diện của thạc sĩ Đỗ Huyền Trang – Trường ĐH SPKT Tp. Hồ Chí Minh, năm 2015. Từ kết quả mô phỏng không đạt yêu cầu về không gian an toàn khi va chạm trực diện 100%, tác giả cải tiến theo hai phương án là tăng bề dày chassis của xe và phương án gắn thêm bộ hấp thụ dạng tổ ong. Nghiên cứu hướng đến phát triển bộ hấp thụ khi va chạm và nền tảng cho việc tối ưu hóa mô hình.
- Thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu của thạc sĩ Dương Chí Thiện – Trường ĐH SPKT Tp. Hồ Chí Minh, năm 2015. Tác giả tiến hành kiểm tra mô phỏng kiểm tra 2 kết cấu khung xương không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn ECE R66. Sau đó tiến hành chọn biến và tối ưu hóa ra kết quả không thông qua cải tiến.
Những đề tài ở trên nằm trong những dẫn chứng về hướng nghiên cứu trong nước về xe khung xe buýt, xe khách đang thực hiện ở các trường Đại học. Tất cả vẫn ở mức độ lý thuyết dựa trên kỹ thuật máy tính CAE để mô phỏng nên những đề tài này chưa được triển khai ở một số doanh nghiệp và ứng dụng vào thực tiễn, bởi những điều kiện khách quan của ngành ô tô trong nước và mức độ thuyết phục đối với doanh nghiệp. Vì vậy với mục đích của tác giả khi thực hiện đề tài này là dựa vào số liệu thực tế đo đạc được để xây dựng mô hình xe khách hoàn toàn mới. Đưa vào phân tích CAE và đánh giá thiết kế ban đầu của nhà sản suất, đạt hay không đạt yêu cầu về tính an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu ECE R66.
Nghiên cứu ngoài nƣớc Hiện nay, nghiên cứu tính an toàn ô tô trên thế giới (bao gồm an toàn chủ động và an toàn bị động) là khâu nghiên cứu quan trọng không thể thiếu trong chuỗi nghiên cứu thiết kế ô tô, nhằm đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn quy định. Đối với nghiên cứu an toàn bị động, các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô dựa vào tiêu chuẩn an toàn của nhà chức trách thực hiện nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm tính năng an toàn trước khi sản xuất hàng loạt. Như tiêu chuẩn quy định cường độ cứng khung xương ô tô khi xảy ra lật (Châu Âu ECE R66, Mỹ FMVSS 216), tiêu chuẩn đánh giá tổn thương của người ngồi trong ô tô khi xảy ra tai nạn: (Châu Âu ECE R94.01, Mỹ FMVSS 208, Trung Quốc GB 11551-2003), tiêu chuẩn đánh giá tổn thương người đi bộ (Châu Âu 2003/102/EC). Tùy vào mức độ thiết kế an toàn mà ô tô đó được xếp loại an toàn 1 sao, 2 sao,…và cao nhất là 5 sao.
Có nhiều bài báo ở nhiều quốc gia khác nhau nghiên cứu về vấn đề an toàn lật nghiêng, có thể kể đến những bài báo sau: 1. Study on Bus Rollover Crashwordthiness Based on Tube Filling Method (năm 2011) – của nhóm tác giả: Cao Libo, Nguyễn Thành Tâm, Huang Xingang, Pang Jiniun. Đề tài sử dùng keo Epoxy AB và bột gỗ bắn vào vị trí bị biến dạng cho kết quả mô phỏng đạt yêu cầu về tính an toàn lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66. Lightweight Design of Bus Body to Satisfy Rollover Safety (năm 2011) – Nguyễn Thành Tâm, Cao Libo, Shi Xiangnan, Xu Zheng.
Đề tài tối ưu hóa chiều cao cột gỗ, và bề dày thép hộp. Kết quả giảm khối lượng 23,7 % so với trước tối ưu mà không gian an toàn không bị xâm phạm theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66. Effectiveness Of Ece R66 And Fmvss 220 Standards In Rollover Crashworthiness Assessment Of Paratransit Buses (2013). Được đăng trên Tạp chí Quốc tế và Công nghệ Ô tô ở Mỹ năm 2014.
Đề tài của nhóm tác giả này là đánh giá hai tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng ECE R66 và FMVSS 220 trên cùng một mô hình xe buýt Paratransit. Kết quả đạt được khác nhau nên có kết luận khác nhau để so sánh hai tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng. Các nghiên cứu ở nước ngoài sau khi mô phỏng trên phần mềm, thì công đoạn cuối cùng là kiểm nghiệm thực tế. Công việc này phải được tiến hành để có kết quả so sánh giữa thực tế và lý thuyết.1 thể hiện một kiểm nghiệm thực tế về an toàn lật nghiêng xe khách theo tiêu chuẩn ECE R66.
Kiểm nghiệm thực tế lật nghiêng ô tô khách 1. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình phân tích phần tử hữu hạn thông qua ứng dụng kỹ thuật CAE (Computer Aided Engineering). 4 Trên cơ sở kết quả phân tích mô phỏng về an toàn lật nghiêng của mô hình thiết kế ban đầu, tiến hành cải tiến sau đó tối ưu hóa về độ dày kết cấu hướng tới mục tiêu nghiên cứu là khối lượng khung xương sau tối ưu phải nhỏ hơn khối lượng trước khi tối ưu nhưng vẫn đảm bảo không gian an toàn không bị xâm phạm. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài dựa trên mô hình khung xương ô tô khách Hyundai Universe 47 chỗ ngồi do nhà sản xuất Tracomeco cung cấp.
Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp bao gồm: - Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng lý thuyết phân tích phần tử hữu hạn và lý thuyết tối ưu hóa vào trong nghiên cứu. - Nghiên cứu mô phỏng: Trên cơ sơ phân tích kết quả mô phỏng tiến hành đánh giá cải tiến và tiến hành tối ưu hóa kết cấu. Nội dung nghiên cứu - Ứng dụng kỹ thuật CAE để tiến hành xây dựng mô hình xe khách Universe từ 2D sang 3D và tiến hành phân tích phần tử hữu hạn. - Dùng phần mềm LS – Dyna để mô phỏng quá trình va chạm lật nghiêng và phần mềm HyperView để hiện thị và phân tích kết quả mô phỏng.
- Từ kết quả mô phỏng ta tiến hành cải tiến và thiết kế tối ưu mô hình khung xương, dùng phần mềm SPSS phân tích tối ưu hồi quy và giải thuật di truyền GA trong Matlab để tìm ra giá trị tối ưu. - Mô phỏng, kiểm nghiệm và đánh giá lại kết quả đạt được sau khi thiết kế tối ưu mô hình khung xương và so sánh với tiêu chuẩn ECE R66. Phạm vi nghiên cứu Phân tích trạng thái bền động của kết cấu khung xương bên hông ô tô khách Universe ghế ngồi. Thiết kế cải tiến tính an toàn và tối ưu hóa kết cấu khung xương bên hông ô tô khách khi xảy ra lật nghiêng trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R66.
Sơ đồ nghiên cứu Hình 1.2: Sơ đồ nghiên cứu 6 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM 2.