Đặt vấn đề Trong thời buổi công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, ô tô là một phương tiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội. Ngoài tính yêu cầu kỹ thuật, thẩm mỹ, tiện nghi,…ô tô còn đòi hỏi tính an toàn và độ tin cậy cao đối với người sử dụng nó. Trong lĩnh vực giao thông đường bộ thì ô tô nói chung và ô tô khách nói riêng có tầm ảnh hưởng rất lớn tới việc vận chuyển hàng hóa, con người, trong đó ô tô khách là loại phương tiện giao thông công cộng giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông đô thị và lưu thông liên tỉnh… Song song với sự phát triển đó thì tai nạn giao thông cũng tăng đáng kể, chỉ trong năm 2013 số vụ tai nạn đường bộ xảy ra 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. Các vụ tai nạn diễn ra có thể là trực diện, từ bên hông hay đằng sau, quá trình va chạm diễn ra làm biến dạng cấu trúc khung xe làm tổn thương đến hành khách bên trong.
Do đó vấn đề đảm bảo an toàn cho xe và bảo vệ hành khách bên trong xe được các nhà thiết kế, sản xuất xe trên thế giới quan tâm hàng đầu. Hiện nay, đa số các nhà thiết kế chế tạo ô tô trên thế giới dựa vào tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE-R66 (Economic Commission of Erope, Regulation 66) thực hiện nghiên cứu an toàn kết cấu khung xương dưới điều kiện lật nghiêng. Tiêu chuẩn này do Uỷ Ban kinh tế Châu Âu sáng lập, phiên bản mới nhất được chỉnh lý vào cuối tháng 2 năm 2006, ECE-R66 quy định cường độ cứng khung xương ô tô khách 22 chỗ ngồi trở lên (bao gồm tài xế và phu xe). Trong bộ tiêu chuẩn này cung cấp nhiều phương pháp sát hạch tính an toàn, yêu cầu kỹ thuật rất chi tiết và thuận lợi cho nhà sát hạch, nếu không tiến hành thí nghiệm nguyên chiếc ô tô khách lật nghiêng thì tiêu chuẩn nầy cho phép nhà chế tạo lựa chọn một trong bốn phương pháp sát hạch sau đây: GVHD: TS.
Nguyễn Thành Tâm Trang 1 HVTH: Dương Chí Thiện Luan van Chương 1: Tổng quan + Lấy một đoạn thân xe tiêu biểu đại diện cho nguyên chiếc ô tô khách tiến hành thí nghiệm lật nghiêng. + Lấy một đoạn hoặc nhiều đoạn thân xe tiến hành thí nghiệm tải trọng tĩnh. + Tính toán tải trọng tĩnh đối với kết cấu khung xương ô tô khách. + Mô phỏng tính năng an toàn lật nghiêng nguyên chiếc của ô tô khách.
Điểm mấu chốt của thí nghiệm nầy là quy định trong lúc thí nghiệm và sau khi thí nghiệm, kết cấu khung xương ô tô khách phải đảm bảo đủ cường độ cứng, yêu cầu cụ thể như sau: + Sự chuyển vị bất kỳ bộ phận nào của khung xương không được xâm phạm vào không gian an toàn. + Bất kỳ bộ phận nào trong không gian an toàn đều không cho phép lồi ra bên ngoài kết cấu khung xương sau khi biến dạng. Tiêu chuẩn ECE-R66 quy định về không gian an toàn được thể hiện như Hình 1. Không gian an toàn theo mặt cắt ngang GVHD: TS.
Nguyễn Thành Tâm Trang 2 HVTH: Dương Chí Thiện Luan van Chương 1: Tổng quan Hình 1. Không gian an toàn theo mặt cắt dọc Ngoài ra tiêu chuẩn Châu Âu ECE-R66 còn quy định về khoảng cách giữa mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm trong quá trình lật nghiêng là 800(mm) thể hiện như Hình 1. Khoảng cách giữa mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm GVHD: TS. Nguyễn Thành Tâm Trang 3 HVTH: Dương Chí Thiện Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van Chương 1: Tổng quan 1.