Chương 1: Tổng quan 1. Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1. Các nghiên cứu trong nƣớc Hiện nay thì tình hình nghiên cứu thiết kế cải tiến khung xương và chassis ô tô khách chủ yếu tập trung tính toán mô phỏng trạng thái bền tĩnh và ổn định ô tô. Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng và phân tích liên quan đến tính năng an toàn ô tô như: Va chạm trực diện, sau, hông, lật nghiêng, xuyên, vv.vẫn chưa được thực hiện.
Cho đến thời điểm hiện nay thì vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào hoặc bài báo liên quan đăng trên tạp trí khoa học trong nước. Do đó để đảm bảo an toàn cho con người khi xảy ra tai nạn, vì vậy việc nghiên cứu thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE- R66 cho là rất cần thiết. Đây cũng chính là lý do chủ nhiệm đề tài lựa chọn nghiên cứu này. Các nghiên cứu ngoài nƣớc Đối với các hãng sản xuất xe trên thế giới việc đầu tiên các hãng quan tâm đó chính là tính năng an toàn (gồm có an toàn chủ động và an toàn bị động).
Đối với nghiên cứu về tính năng an toàn bị động các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô phải dựa vào tiêu chuẩn an toàn của nhà chức trách quy định để đánh giá mức độ an toàn trước khi cho sản xuất hàng loạt. Như tiêu chuẩn quy định cường độ cứng khung xương ô tô khi xảy ra va chạm lật nghiêng (Châu Âu ECE-R66[1], Mỹ FMVSS 216), tiêu chuẩn đánh giá tổn thương của người ngồi trong ô tô khi xảy ra tai nạn trước: (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/ECE). 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. Trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE-R66, cùng với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật CAE (Computer Aided Engineering) mà các nhà nghiên cứu thiết kế GVHD: TS.
Nguyễn Thành Tâm Trang 4 HVTH: Dương Chí Thiện Chương 1: Tổng quan chế tạo ô tô trên thế giới đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu về khả năng chịu va đập của kết cấu khung xương ô tô khách dưới điều kiện lật nghiêng. Các nghiên cứu cụ thể như sau: Tác giả Tomas Wayhs Tech đã sử dụng phần mềm LS-DYNA để tiến hành mô phỏng tính an toàn kết cấu khung xương ô tô khách dưới điều kiện lật nghiêng[2], dựa trên kết quả mô phỏng tiến hành phân tích và đưa ra phương án thiết kế cải tiến nhằm thỏa mãn theo yêu cầu tiêu chuẩn quy định. Kết quả nghiên cứu cụ thể như Hình 1. Kết quả mô phỏng biến dạng kết cấu khung xương ô tô khách Tác giả Yu-Cheng Lin nghiên cứu an toàn kết cấu khung xương ô tô khách cho một đoạn xe[3].
Tác giả đã sử dụng phần mềm HYPERMESH 7.0 để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho một đoạn xe sau đó dùng phần mềm LS-DYNA 970 để phân tích kết quả mô phỏng lật nghiêng một đoạn ô tô khách. Tác giả tiến hành so sánh kết quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng, tiến hành điều chỉnh mô hình phần tử hữu hạn và các thông số kỹ thuật cho đến khi kết quả mô phỏng và thí nghiệm gần bằng nhau, kết quả thể hiện ở Hình 1. Nguyễn Thành Tâm Trang 5 HVTH: Dương Chí Thiện Chương 1: Tổng quan Hình 1. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm an toàn lật nghiêng cho đoạn xe 1.
Mục đích nghiên cứu + Từ bản thiết kế 2D do nhà sản suất cung cấp ta tiến hành xây dựng mô hình 3D cho ô tô khách 45 chỗ ngồi đầy đủ, chi tiết có thể chế tạo. + Thực hiện các thí nghiệm về thông số vật liệu dùng để phục vụ mô phỏng, chế tạo khung xương và chassis. + Ưng dụng kỹ thuật CAE để xây dựng và phân tích mô hình phần tử hữu hạn ô tô khách theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66. + Sử dụng phần mềm LS-DYNA để mô phỏng tính an toàn lật nghiêng ô tô khách, dùng phần mềm HYPERVIEW để hiển thị và phân tích kết quả, tiến hành thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu khung xương ô tô khách theo tiêu chuẩn.
Đối tƣợng nghiên cứu + Nghiên cứu kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66 + Phân tích cơ chế biến dạng kết cấu khung xương ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng. Trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng tiến hành tối ưu hóa mô hình khung xương. Nguyễn Thành Tâm Trang 6 HVTH: Dương Chí Thiện Chương 1: Tổng quan 1. Phạm vi nghiên cứu + Nghiên cứu thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu khung xương ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66.
Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài đã kết hợp 2 phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Ngoài việc sử dụng cơ sở lý thuyết ô tô xác định các thông số để thiết lập mô hình theo tiêu chuẩn, thì đề tài còn sử dụng các cơ sở lý thuyết nghiên cứu khác như, lý thuyết về biến dạng phi tuyến của vật liệu, lý thuyết về phần tử hữu hạn và lý thuyết về tối ưu hóa. + Phương pháp nghiên cứu mô phỏng thực nghiệm: Dựa trên kết quả mô phỏng từ phần mềm LS-DYNA và phân tích trên phần mềm HYPERVIEW tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu khung xương ô tô khách theo tiêu chuẩn. Nội dung nghiên cứu Nội dung chủ yếu của đề tài này chính là nghiên cứu thiết kế tối ưu tính an toàn về kết cấu khung xương ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng và ứng dụng vào thực tế để chế tạo, trong quá trình thực hiện đề tài có thể chia làm các nội dung cụ thể như sau: 1. Từ mô hình Cad 3D do nhà sản xuất cung cấp, ứng dụng kỹ thuật CAE để tiến hành xây dựng mô hình và phân tích phần tử hữu hạn.
Dùng phần mềm LS-DYNA để mô phỏng qúa 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 thiết kế tối ưu mô hình khung xương, dùng phần mềm SPSS phân tích tối ưu hồi quy và giải thuật di truyền trong MATLAB để tìm ra giá trị tối ưu nhất. 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 Châu Âu ECE-R66. Nguyễn Thành Tâm Trang 7 HVTH: Dương Chí Thiện Chương 1: Tổng quan 1.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn + Ý nghĩa khoa học: Về mặt ý nghĩa khoa học thì đề tài này đã ứng dụng thành công kỹ thuật CAE để thiết kế tính toán an toàn theo tiêu chuẩn quy định. Thành công của đề tài là nền tản cho chủ nhiệm đề tài thực hiện các bước nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cũng là cơ sở cho Nhà Trường và các Trung Tâm nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô trong nước từng bước xây dựng phòng thí nghiệm, thiết kế, tính toán, mô phỏng tính an toàn kết cấu, khả năng chịu va đập và hấp thụ năng lượng kết cấu, đánh giá sự tổn thương con người theo tiêu chuẩn quốc tế. Qua đó, đề xuất với cơ quan có thẩm quyền về thiết kế ô tô trong nước thực hiện các tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế đề ra. Đây cũng chính là tính cấp thiết có ý nghĩa quan trọng cho ngành kỹ thuật ô tô trong nước nhanh chóng thực hiện được chiến lượt nội địa hóa sản phẩm, để hòa nhập với ngành kỹ thuật ô tô tiên tiến trên thế giới.
+ Ý nghĩa thực tiễn: Hiện nay ở nước ta ô tô khách là phương tiện giao thông quan trọng nó giải quyết vấn đề về giao thông liên tỉnh. Nhưng do nghành kỹ thuật ô tô nước ta còn hạn chế về kỹ thuật và công nghệ nên đa số các phương tiện giao thông như (xe khách, xe buýt) chủ yếu là nhập ngoại nguyên chiếc, hoặc nhập các linh kiện từ các hãng sản xuất ô tô nước ngoài về lắp ráp, như công ty ô tô Trường Hải, Tracomesco, Samco. Ngoài ra do nhu cầu sử dụng của các doanh nghiệp mà các hãng lắp ráp ô tô trong nước tiến hành hoán đổi kết cấu, như tăng kích thước thùng xe, chuyển từ ghế ngồi sang giường nằm,…Trong quá trình cải tiến không tính toán tính năng an toàn theo tiêu chuẩn, làm cho các xe mất tính năng an toàn kết cấu khi xảy ra tai nạn Vì vậy, sự thành công của đề tài có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc thiết kế tính toán tính năng an toàn kết cấu của xe theo đúng tiêu chuẩn quy định để bảo vệ tính mạng cũng như tài sản của con người. Nguyễn Thành Tâm Trang 8 HVTH: Dương Chí Thiện Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phần mềm ứng dụng Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 2.
Giới thiệu Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay, việc ứng dụng các phần mềm vào nghiên cứu khoa học ngày càng trở nên phổ biến và đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế chế tạo ô tô. Các hướng nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô trong nước nói riêng và trên thế giới nói chung hiện nay đều ứng dụng kỹ thuật CAE để xây dựng nên các mô hình và phân tích phần tử hữu hạn để từ đó tìm ra hướng thiết kế cải tiến tốt nhất. Trong phần nghiên cứu này tác giả cũng đã sử dụng 5 phần mềm vào quá trình nghiên cứu thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66, các phần mềm bao gồm: HYPERMESH, HYPERVIEW, LS-DYNA, SPSS, MATLAB. Lý thuyết biến dạng phi tuyến tính.
Nội dung chủ yếu của bài toán phi tuyến về vật liệu được thể hiện ở trạng thái làm việc của vật liệu không giống nhau trong từng giai đoạn. Điều này được thể hiện ở quan hệ ứng suất – biến dạng. Khi xét vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, quy luật thay đổi của ứng suất và biến dạng là như nhau trong mọi thời điểm. Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng: trạng thái ứng suất và biến dạng có quan hệ mật thiết với nhau, sự thay đổi của đại lượng này sẽ chi phối sự thay đổi của đại lượng khác.