Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ôtô va chạm trực diện

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ Quốc phòng
Học viện Kỹ thuật Quân sự




Nguyễn Quang Anh




Nghiên cứu Động lực học và độ bền
của khung vỏ ôtô khi va chạm trực diện


Chuyên ngành : Kỹ thuật Xe máy Quân sự, Công binh
Mã số : 62.52.36.01



Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật



Hà Nội - 2007


Công trình đợc hoàn thành tại:
Học viện Kỹ thuật Quân sự

Ngời hớng dẫn khoa học:
1. Hớng dẫn thứ nhất: PGS. TS. D Quốc Thịnh
2. Hớng dẫn thứ hai: PGS. TS. Nguyễn Phúc Hiểu


Phản biện 1: PGS. TS. Nông Văn Vìn
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Nhật Chiêu
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan





Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ
kỹ thuật cấp Nhà nớc họp tại
Vào hồi giờ ngày tháng năm


Có thể tìm hiểu luận án tại:
* Th viện Quốc gia
* Th viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

Danh mục công trình của tác giả

1. Anh Nguyen Quang, Son Tran Minh
To Calculate the Stress of Car Body by SAP2000
Proceedings 2002 JSAE Annual Congress No.66-02 Strength and
Durability of Vehicle Parts, ISSN 0919-1364, July 22-27,
YOKOHAMA, JAPAN, Page 5-8.
2. Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Nguyen Phuc Hieu

Experiment Method of Passive Safety for Occupants in a case of the
Frontal Collision
Proceedings International Conference on Automotive Technology for
Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No066.
3. Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Cao Hung Phi
Studying on Deployment Standards of Air Bag System in case of
Frontal Collision
Proceedings International Conference on Automotive Technology for
Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No.069.
4. Nguyen Quang Anh, Du Quoc Thinh, Nguyen Phuc Hieu
Application of Digital Simulation Method to Motor Vehicle Frontal
Collision
Proceedings International Conference on Automotive Technology for
Vietnam (ICAT 2005), Hanoi October 22-24, 2005, Paper No102.
5. D Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh
ứng dụng môđun LS-DYNA trong phần mềm ANSYS để tính toán ứng
suất và biến dạng khung xe chở khách 8 chỗ ngồi trong trờng hợp
hai xe va chạm trực diện
Tạp chí Giao thông vận tải, Số 8/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang
34-35.
6. D Quốc Thịnh, Nguyễn Quang Anh
Thử nghiệm xác định biến dạng và ứng suất của khung xe Saigon Van
8 chỗ ngồi khi va chạm trực diện vào vật cản cứng ở tốc độ 20Km/h
Tạp chí Giao thông vận tải, Số 9/2007, ISSN 0866-7012, Hà Nội, trang
29-31.

1

mở đầu
1. Tính cấp thiết của luận án
Hiện nay Nhà nớc đã có quyết định về chiến lợc phát triển ngành công
nghiệp ôtô trong đó ôtô chở khách là sản phẩm trọng điểm theo xu hớng
nội địa hóa tiến tới thiết kế và sản xuất ôtô mang thơng hiệu Việt Nam.
Công ty ôtô Sài Gòn đợc Nhà nớc cho phép sản xuất và lắp ráp loại xe
chở khách 6-8 chỗ ngồi nhằm đáp ứng nhu cầu thay thế loại xe lam và xe
buýt hết niên hạn sử dụng để phục vụ cho giao thông công cộng tại Thành
phố Hồ Chí Minh và nhiều thành phố khác trong toàn quốc. Để thực hiện
chơng trình nội địa hoá thì việc sản xuất chế tạo khung vỏ trở thành một
vấn đề hết sức quan trọng vì nó chiếm tới 40% giá trị của xe.
Mặt khác trớc tình hình tai nạn giao thông ngày càng gia tăng, trong đó
tai nạn do va chạm ôtô thờng gây ra những thiệt hại lớn về ngời và
phơng tiện nên cũng đặt ra vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu.
Xuất phát từ thực tế đó luận án Nghiên cứu động lực học và độ bền
của khung vỏ xe khi va chạm trực diện đã đợc chọn để nghiên cứu. Đây
là một đề tài có tính thời sự cao, có ý nghĩa trong nghiên cứu và thực tiễn
sản xuất và là một vấn đề còn mới mẻ ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các cơ sở khoa học và thực nghiệm để xác định độ bền, độ
cứng vững của khung vỏ ôtô nhằm đảm bảo an toàn bị động cho ngời và xe
khi chịu tác động của va chạm trực diện, đồng thời đề xuất các kiến nghị
cho các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ.
3. Đối tợng nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu của luận án là loại xe minibus 6-8 chỗ Saigon Van
do Công ty ôtô Sài Gòn sản xuất và các loại xe tơng đơng đợc sản xuất
và lắp ráp tại Việt Nam.

4. Phơng pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa tính toán lý thuyết bằng mô phỏng số trên mô hình 3D và
nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán.
5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Để hạn chế những thiệt hại khi có tai nạn, đáp ứng nhu cầu nội địa hóa
sản xuất ôtô, thì các nghiên cứu tính toán thiết kế, kiểm tra độ bền, độ cứng
vững của khung vỏ xe khi va chạm trực diện nhằm đảm bảo an toàn cho
hành khách và phơng tiện là rất quan trọng. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở
tham khảo cho các nhà máy đề ra các giải pháp hoàn thiện kết cấu khung vỏ
xe theo hớng tăng cờng an toàn cho ngời trên xe khi xảy ra va chạm.
6. Bố cục của luận án
Luận án bao gồm 4 chơng.

2

Chơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam
về va chạm trực diện, các yêu cầu kỹ thuật khung vỏ xe khi va chạm trực
diện và tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm. Xác định mục tiêu,
nhiệm vụ và phơng pháp nghiên cứu của luận án.
Chơng 2: Cơ sở khoa học về va chạm trực diện của ôtô
Nghiên cứu các cơ sở khoa học của quá trình va chạm nh các mô hình
va chạm cơ học, động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện.
Chơng 3: Tính toán biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm
trực diện bằng phơng pháp phần tử hữu hạn
Xây dựng mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát ; tính toán biến dạng
và ứng suất của khung vỏ xe khi va chạm trực diện bằng phơng pháp mô
phỏng số với môđun LS-DYNA.
Chơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Trình bày về các thiết bị, phơng pháp thí nghiệm, nội dung, quy trình

thí nghiệm và tính toán xử lý kết quả.
Các nội dung chính của chơng 2, 3 đợc công bố trong các bài báo 1, 2,
3, 4, 5. Nội dung chơng 4 công bố ở bài báo số 6 trong phần danh mục các
công trình đã công bố của tác giả.
Chơng 1
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Tình hình an toàn giao thông tại Việt Nam trong những năm qua
Theo những thống kê của Cục Cảnh sát giao thông đờng bộ- đờng sắt
và Uỷ ban an toàn giao thông quốc gia [14] về tình hình tai nạn giao thông
từ năm 2001 đến năm 2006 cho thấy trung bình mỗi năm xảy ra khoảng
24.000 vụ tai nạn giao thông làm chết khoảng 11.000 ngời và bị thơng
khoảng 27.000 ngời. Đặc biệt trong những năm gần đây thờng xảy ra các
vụ tai nạn giao thông rất nghiêm trọng do va chạm giữa các xe ôtô gây ra
thiệt hại rất lớn về ngời và xe. Theo các phân tích số liệu về va chạm giữa
hai xe trong năm 2001 có thể phân loại các dạng va chạm nh sau [14] :
Bảng 1.1. Tỷ lệ % các dạng va chạm ở Việt Nam năm 2001
Dạng va chạm Số vụ tai nạn Tỷ lệ %
Va chạm trực diện 741 53,6%
Va chạm sau 108 7,8%
Va chạm bên 443 32,1%
Nóc và gầm xe 38 2,7%
Va chạm khác 52 3,8%
Tổng số 1382 100%
Theo các số liệu của một số nớc công nghiệp phát triển nh Mỹ, Đức,
Anh, Nhật trên cơ sở phân tích các tai nạn thực cho thấy [20], [18] :

3

Bảng 1.2. Tỷ lệ % các dạng va chạm ở một số nớc
Dạng va chạm Mỹ (1993)

Đức (1989)

Anh (1986) Nhật (1989)
Va chạm trực diện

51,5% 58,3% 66,7% 61,3%
Va chạm sau 3,8% 10,8% 6,3% 5,1%
Va chạm bên 29,6% 22,1% 23,1% 15%
Nóc và gầm xe 3,6% 1,6% 1% 7,1%
Va chạm khác 11,5% 7,2% 2,9% 11,5%
Tổng số 100% 100% 100% 100%
Qua số liệu thống kê trong các bảng 1.1 và 1.2 ta thấy có khoảng 50%
đến 60% số vụ va chạm ở khu vực đầu xe nên va chạm trực diện chiếm tỷ lệ
lớn nhất và gây ra những thiệt hại nặng nề nhất về ngời và phơng tiện do
đó các nhà thiết kế chế tạo và sản xuất cần phải tập trung nghiên cứu.
1.2. Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện
1.2.1. Những công trình nghiên cứu về va chạm trực diện trên Thế giới
Các nghiên cứu đợc đề cập theo từng mục đích nghiên cứu khác nhau.
1.2.1.1. Những nghiên cứu lý thuyết
* Những hớng nghiên cứu chủ yếu về tác động của va chạm trực diện đối
với khung vỏ xe trên một số vấn đề sau :
- Thống kê và phân tích các tai nạn va chạm [15], [18], [20], [33].
- Nghiên cứu động học và động lực học của xe khi va chạm trực diện
nh năng lợng hấp thụ ; vận tốc, gia tốc, thời gian va chạm [15], [26].
- Đặc tính biến dạng của khung vỏ xe khi va chạm trực diện, đặc tính
sửa chữa và các biện pháp sửa chữa khung vỏ sau va chạm [20].
- ứng dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiện đại nh PAM-CRASH,
NASTRAN, LS-DYNA để xác định biến dạng của kết cấu đầu xe, khung
dầm. Kết quả tính cho phép đánh giá đợc độ bền của kết cấu khung vỏ

cũng nh đề xuất giải pháp hoàn thiện kết cấu qua các công trình của Yong
Hu Han, Ju Su Kim [28] ; Moisey Shkolnikov [32] ; G. Morvan, Sollac [31]
- ứng dụng phơng pháp năng lợng để tối u hoá đờng truyền lực qua
sàn khoang hành khách xe con khi va chạm nhằm đảm bảo không gian
sống sót cho ngời trên xe với việc sử dụng phần mềm PAM-CRASH [31].
* Trong những năm gần đây các nghiên cứu có xu hớng đi sâu vào vấn đề
an toàn cho ngời khi va chạm và tập trung vào những hớng sau :
- Các tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm của Châu Âu (EURO-
SID) và Mỹ (US-SID) [15], [20], [33].
- Nghiên cứu động học và động lực học của ngời khi va chạm trực diện
với các yếu tố nh gia tốc của đầu, dịch chuyển của ngực, đầu gối, lực tác
dụng vào xơng chậu cũng nh ảnh hởng các yếu tố này đến tình trạng
chấn thơng và khả năng chịu đựng của ngời [28], [29], [22].

4

- Mô phỏng tác động va chạm của ngời cùng với các thiết bị an toàn
nh dây an toàn và túi khí, mức độ chấn thơng trong các trờng hợp va
chạm khác nhau từ đó xác định các yêu cầu cho hệ thống an toàn và đánh
giá hiệu quả hoạt động của dây an toàn, túi khí khi va chạm [18], [28].
1.2.1.2. Những nghiên cứu thực nghiệm
1. Thử nghiệm của Mỹ : Theo tiêu chuẩn FMVSS 208 thử nghiệm va chạm
trực diện xe vào vật cản cứng (góc 0) và va chạm của vật cản di động vào
đuôi xe (góc 0) ở tốc độ 48,3km/h với 100% chiều rộng xe [20].
Thử nghiệm va chạm chéo xe vào vật cản cứng (góc 30) và vật cản di
động va chạm chéo (góc 30) vào đuôi xe ở tốc độ 48,3km/h [20].
2. Thử nghiệm của úc : Theo tiêu
chuẩn ADR 10 thử nghiệm va
chạm trực diện xe vào vật cản cứng
là khối bê tông hoặc dàn khung

thép có độ cứng cao ở tốc độ
48km/h (hình 1.4). Sau thử nghiệm
vô lăng không đợc dịch chuyển
quá 127mm [26].
3. Thử nghiệm của Đức : Hãng
Mercedes-Benz thực hiện thử
nghiệm va chạm trực diện và va
chạm sau ở tốc độ 55km/h với 40%
chiều rộng xe (hình 1.5), thử
nghiệm này tơng đơng với va
chạm hai xe có chiều rộng từ 40%
đến 60% và chiếm 90% va chạm
thực tế hiện nay [20].
Hãng Mercedes-Benz mới đây
đã thực hiện va chạm lệch với 50%
chiều rộng xe vào vật cản có biến
dạng độ cứng tơng đơng với đầu
xe khác ở tốc độ 60km/h điều kiện
thử nghiệm gần giống thực tế (hình
1.6). Hớng dẫn mới của EU cũng
yêu cầu các mẫu xe mới của Châu
Âu cần phải thực hiện thử nghiệm
này [20].
Các hãng Mercedes-Benz, BMW đã thử nghiệm va chạm hai xe với vận
tốc 55km/h, độ lệch 50% và thu đợc những kết quả khả quan. Dạng thử
nghiệm này đã đợc một số hãng khác chấp nhận trong chiến lợc tăng
cờng an toàn của họ để thiết kế các mẫu xe mới an toàn hơn [20].


Hình 1.4. Thử nghiệm của úc

Hình 1.5. Thử nghiệm va chạm tốc
độ 55km/h với 40% chiều rộng

Hình 1.6. Va chạm vào vật cản biến
dạng ở tốc độ 60km/h độ lệch 50%

5

1.2.2. Những công trình nghiên cứu tại Việt Nam
Trong những năm gần đây một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên
cứu trong nớc đã có nhiều nỗ lực trong việc xây dựng các cơ sở đánh giá
độ bền khung vỏ xe dới tác động của các loại tải trọng khác nhau.
Trong tài liệu [6] tác giả đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính biến
dạng, ứng suất vỏ xe bằng phơng pháp đặt lực lên mô hình dựa trên kết
quả thực nghiệm của nớc ngoài và tính toán bằng mô phỏng va chạm bên
hai xe. Các kết quả đạt đợc khá chính xác tuy nhiên cha đợc kiểm
chứng bằng thử nghiệm nên chỉ dừng lại ở những tính toán về lý thuyết.
1.3. Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện và tiêu
chuẩn an toàn cho ngời
1.3.1. Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe khi va chạm trực diện
Khả năng tự bảo vệ cho ngời và xe dựa trên nguyên tắc về độ cứng vững
của khoang hành khách với việc thiết kế các khu vực biến dạng kết hợp với
hệ thống bảo vệ an toàn. Những tiêu chuẩn dới đây cần đợc đảm bảo :
- Khả năng chuyển đổi có hiệu quả động năng thành biến dạng.
- Đảm bảo không gian sống sót cho ngời trên xe.
- Gia tốc của ngời khi va chạm phải thấp.
Kết cấu đầu xe cần thoả mãn hai yêu cầu khi va chạm trực diện [20] :
- Là khung để truyền dòng lực nên cần phải có đủ độ bền, độ cứng vững
khi xe hoạt động.

- Là khu vực biến dạng để bảo vệ khoang hành khách và ngời trên xe
khi va chạm trực diện thông qua việc kiểm soát và hấp thụ năng lợng.
1.3.2. Tiêu chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm
Tiêu chuẩn FMVSS 208 của Mỹ quy định :
- Tiêu chuẩn chấn thơng ở đầu (HIC) giới hạn là 1000. Gia tốc góc giới
hạn của đầu là 7500rad/s
2
.
- Tiêu chuẩn an toàn ở ngực (SI) giới hạn là 1000. Mức độ nén ép vào
ngực giới hạn là 3 inches.
- Tiêu chuẩn lực tác động vào bắp đùi giới hạn là 10000N.
1.4. Nhiệm vụ của luận án
Luận án cần tập trung giải quyết một số vấn đề sau:
1. Thiết lập mô hình và xác định các thông số hình học đặc trng của
mô hình bằng phần mềm thiết kế CATIA cho khung vỏ xe khảo sát.
2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và các đặc trng vật liệu của
khung vỏ xe khảo sát bằng phần mềm phân tích kết cấu ANSYS.
3. Mô phỏng quá trình va chạm trực diện của xe để xác định biến dạng
và ứng suất của khung vỏ xe bằng việc ứng dụng môđun LS-DYNA trong
phần mềm ANSYS với kết quả đạt đợc nhanh chóng và chính xác.
4. Sử dụng các thiết bị đo ghi thế hệ mới để tiến hành các phép đo và thí
nghiệm kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết, từ đó có thể đánh giá độ

6

bền và an toàn bị động của khung vỏ xe khảo sát cũng nh đề xuất các kiến
nghị với các nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ.
1.5. Phơng pháp nghiên cứu

Hình 1.11. Sơ đồ nghiên cứu xác định biến dạng và ứng suất
của khung vỏ xe khi va chạm trực diện
Chơng 2
Cơ sở Khoa học về va chạm trực diện của ôtô
2.1. Lý thuyết va chạm và các yếu tố đặc trng của va chạm hai vật rắn
2.1.1. Va chạm và quá trình va chạm
Va chạm là sự tiếp xúc bất thình lình giữa các vật rắn gây nên sự thay
đổi các đặc trng cơ học của chúng. Vận tốc các điểm và vận tốc góc của
các vật rắn thay đổi một lợng hữu hạn trong một thời gian rất nhỏ.

Đánh giá kết quả tính toán bằng phơng
pháp mô phỏng trên mô hình PTHH với
môđun LS-DYNA
1. So sánh kết quả ứng suất và biến dạng
2. Đánh giá độ chính xác của mô hình
3. Đề xuất, kiến nghị hoàn thiện kết cấu
khung vỏ xe

Đối tợng nghiên cứu
Xe Saigon Van 8 chỗ
(SAGACO)

Nghiên cứu lý thuyết
Yêu cầu chung của khung vỏ xe
Lý thuyết cơ sở về va chạm ôtô
Đờng truyền tải trọng trong
khung vỏ xe khảo sát
Xây dựng mô hình PTHH cho xe
khảo sát và tính toán độ bền khung
vỏ xe khi va chạm trực diện

Nghiên cứu thực nghiệm
Các dạng thực nghiệm va chạm
Thực nghiệm va chạm trực diện của
ôtô vào vật cản cứng
Nhận xét về độ bền của khung vỏ
xe khảo sát khi va chạm trực diện
thông qua kết quả thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu thực nghiệm

Xây dựng phơng pháp thực nghiệm,
điều kiện thực nghiệm, các bớc tiến
hành thực nghiệm va chạm trực diện ôtô
vào vật cản cứng
Các loại thiết bị và sơ đồ khối của hệ
thống thực nghiệm
Xây dựng thuật toán xử lý số liệu thực
nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu lý thuyết
Yêu cầu kỹ thuật của khung vỏ xe và tiêu
chuẩn an toàn cho ngời khi va chạm
Các khái niệm cơ bản về va chạm
Các mô hình nghiên cứu va chạm
Nghiên cứu động học và động lực học
của ôtô khi va chạm trực diện
Xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe
bằng phần mềm ANSYS và mô phỏng
va chạm bằng môđun LS-DYNA

7

v0

v0
v0n
n
G
C
B

Mặt phẳng tiếp
xúc chung
0

Mặt phẳng tiếp
xúc chung
B'
B
n
G
G'
v'
C
C
C'
v
C
r'
C
r
C
2.1.2. Lực va chạm và xung lực va chạm
Khi hai vật rắn va chạm, các lực liên kết xuất hiện ở chỗ tiếp xúc đợc
gọi là lực va chạm. Ký hiệu là
( )
F t
r
. Ngời ta thờng đánh giá tác dụng của
lực va chạm qua xung lực va chạm :
0

( )
t
P F t dt
=

r r
(2.1)
2.1.3. Các yếu tố đặc trng của va chạm hai vật rắn
2.1.3.1. Mô hình va chạm cơ học hai vật rắn
Khi hai vật rắn va chạm, ở thời điểm va
chạm sẽ tồn tại một điểm C thuộc vật rắn B
và một điểm C thuộc vật rắn B trùng với
nhau khi hai vật tiếp xúc [36].
Tại điểm tiếp xúc C trùng với C sẽ tồn
tại một mặt phẳng tiếp xúc chung. Hớng
của véc tơ pháp tuyến
n
r
vuông góc với mặt
phẳng tiếp xúc chung tại C. Đờng Cn gọi
là đờng va chạm.
Nếu đờng nối tâm GG trùng với đờng va chạm Cn thì là va chạm
xuyên tâm, nếu GG không trùng với Cn thì là va chạm lệch tâm [9], [36].
Nếu vận tốc tại điểm tiếp xúc
c
V
r
và
'
c

V
r
song song với đờng va chạm
thì gọi là va chạm thẳng. Nếu
c
V
r
và
'
c
V
r
không song song với đờng va
chạm thì gọi là va chạm xiên [9].
2.1.3.2. Vận tốc tơng đối ở điểm tiếp xúc [36]
Tại thời điểm bắt đầu va chạm tại điểm
tiếp xúc chung sẽ xuất hiện vận tốc tơng
đối ban đầu
0
(0) '(0)
c c
v V V=
r r
r
. Vận tốc
tơng đối ban đầu
0
v
r
gồm hai thành phần :

- Thành phần theo phơng pháp tuyến Cn
là
.
on o
v v n
=
r r

- Thành phần song song với mặt phẳng
tiếp xúc chung
( ).
o o
v n x v n

=
r r r


0
gọi là góc xiên va chạm.
2.2. Các mô hình nghiên cứu va chạm
2.2.1. Mô hình va chạm điểm
Là mô hình va chạm tiếp xúc điểm giữa các quả cầu, trong mô hình này
chỉ quan tâm đến thành phần pháp tuyến của xung lực va chạm. Lực va
chạm đợc coi là rất lớn và tồn tại trong một thời gian rất nhỏ [36].
Hình 2.1. Mô hình va chạm
Hình 2.5. Góc xiên va chạm

0

8

2.2.2. Mô hình va chạm của các vật rắn tuyệt đối
Vùng tiếp xúc giữa hai vật đợc xem là nhỏ so với diện tích mặt ngoài
của các vật, áp lực trong vùng tiếp xúc rất lớn nhng sẽ giảm rất nhanh ở
ngoài vùng tiếp xúc. Nội năng biến dạng chỉ có thể phát sinh trong một
vùng nhỏ [40].
2.2.3. Mô hình va chạm có xét đến đặc tính của vùng va chạm
Mô hình nghiên cứu quá trình va chạm của hai vật rắn xét đến đặc tính
của vùng va chạm có thể sử dụng mô hình Kelvin-Voigt đàn nhớt phi tuyến
nh trong hình 2.7.
B B'
C
k
1
V

2
V


Hình 2.7. Mô hình va chạm phi tuyến
Phơng trình chuyển động :
0
mx cxx kx
+ + =
&& &
(2.12)
Lực va chạm :

3
(1 )
Fc
X Z
mk
=
(2.22)
Vận tốc khi kết thúc va chạm :
0
0
1
ln
1
f
f
Z
Z Z
Z

=






(2.23)
Hệ số hồi phục : e
*
=

0
f
Z
Z
(2.24)
2.3. Động học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện
2.3.1. Va chạm trực diện của ôtô vào vật cản cứng
Khi va chạm là biến dạng dẻo thì động
năng sẽ hoàn toàn biến thành công biến dạng
khung vỏ theo phơng trình :
max
2
0
0
1
( , )
2
X
T MV F x x dx
= =

&
(2.25)
F lực gây biến dạng, x biến dạng tức thời,
x
&
vận tốc biến dạng, x
max
biến dạng lớn nhất
của đầu xe khi xe dừng lại.

Phơng trình chuyển động của xe khi va
chạm vào vật cản :
Hình 2.9. Mô hình động
lực học của ôtô va chạm
vào vật cản cứng
F
x

max

v

0

M
x
&&


9


+ 0
Mx F
=
&&
(2.26)
Có ba quá trình cơ bản có thể xảy ra của lực va chạm gây biến dạng :
1. Khi lực va chạm là hằng số
Khi lực va chạm là hằng số ta có :

2
max
0
1
.
2
MV F x
=
(2.28)
Biến dạng lớn nhất là :
2
2
0
max
0
max
1

2 2
V
x MV
F a
= = (2.29)
2. Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào biến dạng
Lực va chạm F = kx nên động năng của ôtô khi va chạm sẽ trở thành
công biến dạng :

max
2
0

0
1
.
2
x
MV kx dx
=

=
2
max
1
2
kx
(2.30)
Biến dạng lớn nhất :
2
max 0
max
max


Ma
V
x
k a
= = (2.34)
3. Khi lực va chạm phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc biến dạng
Phơng trình chuyển động :
0

M x c x
+ =
&& &
(2.44)
Biến dạng lớn nhất :
2
0 0
max
max


MV V
x
c a
= = (2.40)
Với amax là gia tốc va chạm lớn nhất xác định bằng thực nghiệm, theo
quan điểm cơ sinh học về khả năng chịu đựng của cơ thể ngời, tiêu chuẩn
FMVSS 208 (Mỹ) quy định amax = 300m/s
2
[2], [15].
2.3.2. Va chạm của hai ôtô
2.3.2.1. Va chạm cùng chiều của hai ôtô
Quá trình va chạm theo hai giai đoạn : biến dạng và hồi phục, trong giai
đoạn biến dạng dẻo khối tâm hai xe sẽ chuyển động với cùng một vận tốc :

1 2
'


'

MV M V
V
M M

+
=
+
(2.44)
Vận tốc bật lại :
(
)
1 1
1 2
'
1 e
*
'

M
V V V V
M M

+
= +
+



(2.49)

(
)
2 2
1 2
1 e
*
'
M
V V V V
M M

+
= + +
+



(2.50)

10

Năng lợng hấp thụ trong quá trình va chạm :
2 2
2 2
1 2
0
. ' 1
( ) 1-e 1-e
* *
2( ') 2

M M
T E V V mv
M M

= = =
+



(2.54)
2.3.2.2. Va chạm ngợc chiều của hai ôtô
Giả thiết quá trình va chạm chỉ có biến dạng dẻo và không có giai đoạn
hồi phục, hai ôtô sau va chạm sẽ chuyển động với cùng một vận tốc :

V
+
=
1 2
1 2
'
'
MV M V
V V
M M

+ +
+
= =
+
(2.56)

Năng lợng hấp thụ trong quá trình va chạm :

2 2 2
1 2 1 2
0
. ' 1 1
( + ) ( + )
2( ') 2 2
M M
T E V V m V V mv
M M

= = = =
+
(2.60)
Trong chơng này đã trình bày các dạng mô hình va chạm cơ học, động
học và động lực học của ôtô khi va chạm trực diện, nó cho phép xác định
đợc các thông số cơ bản của quá trình va chạm nh biến dạng, thời gian va
chạm, năng lợng hấp thụ, vận tốc sau va chạm, hệ số hồi phục đây là cơ
sở khoa học để định hớng cho việc thiết lập mô hình tính của khung vỏ xe
khảo sát, xây dựng các phơng án tính toán và lựa chọn tốc độ va chạm khi
mô phỏng va chạm ở chơng 3 của luận án.
Chơng 3
tính toán biến dạng và ứng suất của
khung vỏ xe khi va chạm trực diện
bằng phơng pháp phần tử hữu hạn
3.1. Đặc điểm kết cấu của khung vỏ xe khảo sát
Xe chở khách 8 chỗ ngồi Saigon Van
do Công ty ôtô Sài Gòn (SAGACO) sản
xuất và lắp ráp, có nguồn gốc linh kiện từ

Trung Quốc theo kiểu mẫu thiết kế loại xe
SC6360 của tập đoàn Changan Wuling. Xe
Saigon Van thuộc loại xe khung vỏ xe chịu
lực kết hợp [5].
3.2. Đờng phân bố tải trọng trong
khung vỏ xe khảo sát
Khi va chạm trực diện trong khung vỏ xe khảo sát có các đờng truyền
tải trọng sau :
* Một phần nhỏ tải trọng vào thanh giằng ngang trớc qua cạnh trên của
tấm vách bên đầu xe đến cột chéo trên trụ A và đi lên khung xơng nóc xe.

Hình 3.1. Hình dạng tổng
thể của xe khảo sát

11

* Hầu hết tải trọng tác dụng vào đầu hai dầm dọc đến điểm nối giữa dầm
dọc và tháp treo trớc thì phân nhánh :
- Tải trọng đi xuống theo chiều cong của dầm dọc và đi ra phía sau xe.
- Một phần tải trọng qua tháp treo đến trụ A và lên cột chéo trên trụ A.






Hình 3.2. Đờng phân bố tải trọng trong khung vỏ xe khảo sát
3.3. Chơng trình phân tích kết cấu ANSYS
3.3.1. Cấu trúc của chơng trình ANSYS
Phần mềm ANSYS do Công ty

phần mềm ANSYS (Mỹ) xây dựng
và phát triển, chạy trong môi trờng
WINDOWS, là một gói chơng trình
dựa trên cơ sở phân tích PTHH để
mô phỏng ứng xử của hệ thống hoặc
kết cấu khi chịu tác động của các
loại tải trọng khác nhau. Sơ đồ cấu
trúc của phần mềm ANSYS cho
trong hình 3.9 [7], [21].
3.3.2. Khả năng ứng dụng của phần mềm ANSYS
Trong lĩnh vực phân tích kết cấu có 6 dạng bài toán có thể giải bằng
phần mềm ANSYS với các dạng tải trọng khác nhau [7], [16], [21].
* Bài toán phân tích tĩnh
* Bài toán dao động riêng
* Bài toán phân tích phản ứng hàm điều hoà
* Bài toán phân tích quá trình quá độ
* Bài toán phân tích phổ hàm ngẫu nhiên
* Bài toán phân tích ổn định
3.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe khảo sát bằng
chơng trình ANSYS
3.4.1. Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc
Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc phải dựa trên các nguyên tắc sau [30] :
- Mô tả đợc đặc điểm cấu trúc chịu lực của kết cấu.
- Thể hiện đợc phân mảnh cấu trúc theo qui trình công nghệ chế tạo.
- Sự ghép nối giữa các mảnh phải đảm bảo đợc tính liên tục của kết cấu
và thể hiện đợc liên kết thực tế giữa các mảnh.
Hớng va
chạm

Hình 3.9. Cấu trúc chung của
ch
ơng trình ANSYS [7]


12

3.4.2. Giả thiết và các bớc xây dựng mô hình
3.4.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình
- Kết cấu khung vỏ xe xem nh đối xứng qua mặt đối xứng dọc xe.
- Trọng lợng bản thân của khung vỏ xe đợc coi nh tải trọng phân bố.
- Kết cấu khung vỏ xe sử dụng phần tử dạng vỏ và dầm. Dùng các mặt
cắt chuẩn có thông số vật liệu và mặt cắt tơng đơng cho các phần tử.
3.4.2.2. Các bớc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn
Trong luận án đã sử dụng phơng pháp xây dựng mô hình hình học của
khung vỏ xe Saigon Van bằng phần mềm thiết kế CATIA sau đó nhập mô
hình vào chơng trình ANSYS nhờ khả năng kết nối trực tiếp giữa hai phần
mềm này. Việc chia lới sẽ đợc thực hiện trong phần mềm ANSYS để tạo
thành mô hình phần tử hữu hạn.
1. Xác định hệ toạ độ chung
Trong ANSYS có hai dạng hệ tọa độ : hệ tọa độ phần tử và hệ tọa độ
tổng thể. Luận án đã sử dụng hệ tọa độ tổng thể, hệ tọa độ này có tính chất
mặc định và không thay đổi trong quá trình tính toán. Thông thờng mặt
phẳng XOZ của hệ tọa độ tổng thể là mặt phẳng đối xứng dọc của xe.
2. Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe Saigon Van

Hình 3.11. Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát
Việc phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo sát dựa trên cơ sở các
nguyên tắc đợc trình bày trong phần 3.4.1 và thực hiện phân mảnh cấu trúc
theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà sản xuất [5]. Theo quy trình công
nghệ lắp ráp của nhà sản xuất, khung vỏ xe Saigon Van có thể phân thành 6
mảng lớn nối ghép với nhau bằng các mối hàn nh trên hình 3.11.
3. Thiết lập các nút, lới, và gán các phần tử trên các mảnh cấu trúc
a. Xác định các nút
Phân bố số lợng các nút trên khung vỏ xe khảo sát cho trong bảng 3.2.
1 - Mảng đuôi xe
2 - Mảng đầu xe
3 - Mảng sờn trái
4 - Mảng sờn phải
5 - Nóc xe
6 - Mảng sàn xe
1

3

5

2

6

4

1

2

5

3

6

4


13

Bảng 3.2. Phân bố các nút trên khung vỏ xe
Số nút Thứ
tự
Tên mảnh
cấu trúc
Ký hiệu
mảnh
Từ Đến Số lợng nút

1 Mảng đuôi xe 01 1 2457 2457
2 Mảng đầu xe 02 2458 6826 4369
3 Mảng sờn trái 03 6827 14447

7621
4 Mảng sờn phải 04 14448

22068

7621
5 Nóc xe 05 22069

28349

6281
6 Sàn xe 06 28350

37523

9174
7 Khung và lốp xe 07 37523

68499

30977
b. Gán các phần tử
Bảng 3.3. Thông số các loại mặt cắt của phần tử BEAM
Mô men quán tính
của mặt cắt
Mô men tĩnh Loại
mặt
cắt

Diện tích
mặt cắt
(mm
2
)
I
X
(mm
4
)

I
Y
(mm
4
)

Diện tích
chịu cắt
(mm
2
)
S
X
(mm
3
)

S
Y

(mm
3
)

6
7
8
9
10
11
12
876
328
408
406
176
216
228
2713752
334053
176224
77275
16339
119552
180044
3511177
401213
1238856
1317097
97299

90472
66956
21160
6699
7155
5046
1407
2891
2925
22554
4832
4084
2734
814
2316
2869
25292
5242
9898
10092
1826
2046
1843
5. Mô hình phần tử hữu hạn của khung vỏ xe Saigon Van
Hình 3.17. Lới các nút của khung vỏ xe
3.5. Phơng pháp năng lợng để xác định biến dạng và ứng suất của
khung vỏ xe khi va chạm trực diện
3.5.1. Phơng pháp năng lợng trong tính toán va chạm
Phơng trình bảo toàn năng lợng trong quá trình va chạm [27] :
T + U = T0 + W (3.14)

Trong đó T là động năng của hệ ; U là năng lợng biến dạng gồm năng
lợng biến dạng đàn hồi và công biến dạng dẻo ; T
0
là động năng ban
đầu của hệ ; W là công của ngoại lực tác dụng lên hệ.

14

Cơ sở của phơng pháp năng lợng là mô phỏng số quá trình va chạm
của xe. Luận án đã sử dụng môđun LS-DYNA trong ANSYS để mô phỏng
quá trình va chạm trực diện của khung vỏ xe khảo sát. Năng lợng tiếp xúc
trong một bớc thời gian tính toán tại mỗi bề mặt tiếp xúc biểu diễn bằng
phơng trình [25] :

1
2
1 1 1 2 2
1 1
. .
n
k m
n n
i i i i
C C
i i
E E F u F u
+
+
= =
= + +

(3.15)
Trong đó E
C
là năng lợng tiếp xúc trong mỗi bớc thời gian ; k, m là số
lợng nút ở các bề mặt tiếp xúc ;
i
F

là lực tơng tác giữa nút i của một
bề mặt với bề mặt tiếp xúc còn lại ;
i
u

là chuyển vị của nút i trên một
bề mặt trong mỗi bớc thời gian.
Biến dạng theo các phơng trục tọa độ [25] :
= ; = ; =


x y z
u u u
f f f
x y z


(3.22)

3.5.2. Các giả thiết khi mô phỏng va chạm
- Hớng va chạm không thay đổi trong quá trình va chạm.
- Thời gian va chạm là rất nhỏ nên có thể xem nh khối lợng của xe
không thay đổi trong quá trình va chạm.
- Xem nh dịch chuyển của khung vỏ xe sau khi kết thúc va chạm nhỏ.
- ảnh hởng của hệ thống treo, hệ thống lái đến biến dạng của khung vỏ
xe là nhỏ trong quá trình va chạm.
- Bỏ qua ma sát của bánh xe với mặt đờng, lực phanh tại bánh xe trớc
khi va chạm (tốc độ của xe không đổi trớc khi va chạm).
Xây dựng mô hình hình học khung
vỏ xe bằng chơng trình CATIA
Chuyển mô hình hình học khung
vỏ xe từ CATIA vào ANSYS
Xây dựng mô hình PTHH của khung
vỏ xe khảo sát trong ANSYS
Mô phỏng quá trình va chạm trực
diện với bớc thời gian xác định
KếT QUả
TíNH TOáN
Hiển thị và in ra kết quả tính
Định nghĩa thuộc
tính vật liệu
Chọn dạng bài
toán phân tích
Chọn kiểu phần tử và thông
số hình học của phần tử
Xác định tải trọng và các
điều kiện ràng buộc

Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán mô phỏng va chạm trực diện của xe

15

Do kết cấu khung vỏ xe khá đa dạng và phức tạp nên việc xây dựng mô
hình PTHH của nó rất khó khăn, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nên
trong luận án đã sử dụng mô hình các xe giống nhau cho việc mô phỏng quá
trình va chạm trực diện hai xe để tính biến dạng và ứng suất khung vỏ.


3.5.3. Phơng án đặt tải
Thông số đầu vào bài toán mô phỏng va chạm vào vật cản cứng và va
chạm cùng chiều hai xe là động năng của xe gây va chạm T = 1/2MV
2
. Đối
với bài toán hai xe va chạm ngợc chiều là giá trị tổng động năng của cả hai
xe. Trong khoảng thời gian va chạm chia thành các bớc tính với mỗi bớc
tăng thời gian là 0,001s.
3.5.4. Một số kết quả tính toán ứng suất và biến dạng khung vỏ xe
3.5.4.1. Xe va chạm vào vật cản cứng tốc độ 50km/h, 100% chiều rộng xe

a. Biến dạng của vỏ xe b. ứng suất của vỏ xe

c. Biến dạng của khung d. ứng suất của khung
Hình 3.19. Mô hình mô phỏng
va chạm của xe vào vật cản
Hình 3.28. Mô hình mô phỏng

va chạm ngợc chiều hai xe
Nút
58395

16

e. Chuyển vị của nút 58395
Hình 3.20. Kết quả tính ứng suất và biến dạng
Kết quả mô phỏng trong LS-DYNA với các trờng hợp va chạm trực diện
là biến dạng, ứng suất dới dạng hình vẽ, biểu đồ phân bố, đồ thị và các
dạng số liệu tơng ứng.
3.5.4.2. Hai xe va chạm thẳng ngợc chiều vận tốc mỗi xe 25km/h, độ lệch
40% (khối lợng xe thứ nhất gấp hai xe thứ hai)
a. Biến dạng của vỏ xe b. ứng suất của vỏ xe
c. Biến dạng của khung d.
ứ
ng suất của khung
Nút
42058

17


e. Chuyển vị của nút 42058
Hình 3.29. Kết quả tính ứng suất và biến dạng
3.5.5. Nhận xét về kết quả tính toán
- ở những tốc độ va chạm cao từ 40km/h đến 50km/h biến dạng của
khung và vỏ xe là khá lớn, trong một số trờng hợp biến dạng lớn nhất đã
vợt quá khoảng cách từ mặt ngoài đầu xe đến vách ngăn khoang hành
khách là 310mm và xâm nhập vào khoang hành khách nh các trờng hợp :
+ Va chạm vào vật cản tốc độ 50km/h biến dạng lớn nhất u = 475mm
(trờng hợp 1).
+ Va chạm vào vật cản tốc độ 40km/h biến dạng lớn nhất u = 383mm

(trờng hợp 2).
+ Va chạm hai xe ngợc chiều vận tốc xe thứ nhất 20km/h, xe thứ hai
30km/h, 100% chiều rộng xe u = 325mm (trờng hợp 10).
+ Va chạm hai xe ngợc chiều vận tốc mỗi xe 25km/h, 40% chiều rộng
(khối lợng xe thứ nhất gấp đôi xe thứ hai) u = 404mm (trờng hợp 11).
+ Va chạm hai xe ngợc chiều vận tốc xe thứ nhất 20km/h, xe thứ hai
30km/h , 40% chiều rộng u = 370mm (trờng hợp 12).
Biến dạng này sẽ gây chấn thơng ở chân, đầu gối và nguy hiểm đến tính
mạng của ngời lái và ngời ở hàng ghế đầu. Mặt khác ở tốc độ va chạm
50km/h vào vật cản vô lăng bị dịch chuyển về phía sau 165mm vợt quá giá
trị cho phép theo tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu là 127mm rất nguy hiểm đến
tính mạng ngời lái, với các trờng hợp 2 và 11 dịch chuyển vô lăng là
73mm và 94mm cha vợt quá giá trị cho phép nhng cũng gây chấn
thơng nguy hiểm cho ngời lái.
- Trong một số trờng hợp gia tốc va chạm có giá trị :

18

+ Trờng hợp 1 : a
max
= 578 m/s
2

+ Trờng hợp 2 : a
max
= 412 m/s
2

+ Trờng hợp 11 : a
max

= 301 m/s
2

Tiêu chuẩn Mỹ quy định a
max
= 300 m/s
2
, các gia tốc này vợt quá cho
phép nên sẽ gây ra chấn thơng nặng cho ngời trên xe nhất là ngời lái do
đó trên xe cần phải có đầy đủ thiết bị an toàn nh dây an toàn và túi khí.
- Kết quả tính cũng cho thấy phần đầu dầm dọc và mặt đầu của vỏ xe là
vùng tập trung ứng suất và biến dạng cần đợc tăng cờng, gia cố cục bộ.
Mặt khác kết quả tính cũng cho phép đánh giá đợc mức độ h hỏng của kết
cấu khung vỏ để có thể lựa chọn các phơng pháp sửa chữa sau va chạm.
Chơng 4
nghiên cứu thực nghiệm
4.1. Các dạng thử nghiệm va chạm trực diện
* Thử nghiệm va chạm trực diện : Bao gồm thử nghiệm va chạm thẳng
hoặc chéo xe vào vật cản cứng, thử nghiệm va chạm xe vào vật cản có biến
dạng, thử nghiệm va chạm xe vào cột [20].
* Thử nghiệm va chạm sau : Vật cản cứng di động va chạm thẳng hoặc
chéo vào đuôi xe (xe đứng yên) [20].
* Thử nghiệm va chạm ngợc chiều hai xe, thờng là va chạm lệch [20].
* Thử nghiệm nén tĩnh để đánh giá sơ bộ độ bền va chạm của đầu xe
hoặc dầm dọc, nó cho phép xác định sự dịch chuyển và khả năng chịu tải
của các bộ phận kết cấu, nơi tạo thành các bản lề biến dạng dẻo [51].
4.2. Thí nghiệm va chạm trực diện của xe vào vật cản cứng
4.2.1. Mục đích thí nghiệm
- Đo biến dạng lớn nhất của khung và vỏ xe. ứng suất tại một số điểm đo
trên dầm dọc, vỏ xe. Đo gia tốc va chạm của khoang hành khách bằng một

điểm đo trên sàn xe khi va chạm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý
thuyết.
- Qua thử nghiệm có thể xây dựng quy trình và tổ chức thực nghiệm va
chạm cho các loại xe chở khách 6-8 chỗ cũng nh các loại xe khác sản xuất
tại Việt Nam.
4.2.2. Thiết bị đo và sơ đồ thực nghiệm đo
4.2.2.1. Cảm biến điện trở TML (Nhật Bản)
Cảm biến điện trở của hãng TML có u
điểm quán tính nhỏ, có thể đo cả tĩnh và
động, giá thành tơng đối rẻ [41]. Với mục
đích đo biến dạng và ứng suất động tại một
số điểm đo trên dầm dọc và vỏ xe có thể
dùng cảm biến điện trở FRS-2-11.

1. Trục 1
2. Trục 2 : 90
3. Trục 3 : 45
Hình 4.1. Cả
m biến FRS
-
2
-
11

1

3

2

19

4.2.2.2. Cảm biến gia tốc ADXL330 [39]
Cảm biến gia tốc ADXL330 của hãng Analog
Divices (Mỹ) có u điểm nh độ nhạy cao, kích thớc
và khối lợng nhỏ, có thể đo đợc gia tốc va chạm
hoặc dao động vv do đó luận án đã sử dụng cảm biến
này để xác định gia tốc va chạm theo ba phơng tại
một điểm đo trên sàn khoang hành khách.
4.2.2.3. Thiết bị đo SDA-830C [42]
Thiết bị đo ghi số liệu SDA-830C của
hãng TML (Nhật Bản) là thiết bị đo đa dụng
có thể tơng thích với nhiều phần mềm
chơng trình và sử dụng cho nhiều loại đầu
đo với những đại lợng đo khác nhau. Thiết
bị này có 8 kênh đo.
4.2.2.4. Sơ đồ thực nghiệm đo
1. Xe thử nghiệm là xe Saigon Van 8 chỗ.
2. Các điểm đo biến dạng và ứng suất bằng cảm biến FRS-2-11 gồm 24
điểm trên hai dầm dọc và 6 điểm trên vỏ xe.


Hình 4.4. Một số điểm đo trên dầm dọc và vỏ xe
3. Bố trí điểm đo gia tốc tại vị trí giữa sàn xe khoang hành khách bằng
cảm biến gia tốc ADXL 330, đo gia tốc theo ba phơng, các thành phần gia
tốc có thể tổng hợp thành gia tốc va chạm theo công thức :

2 2 2

x y z
a a a a
= + +
(4.6)

Hình 4.2. Cảm biến
gia tốc ADXL330

Hình 4.3. Thiết bị SDA-830C

20










Hình 4.6. Vị trí điểm đo gia tốc va chạm khoang hành khách
4. Sơ đồ khối hệ thống các thiết bị đo biểu diễn trong hình 4.7.

Hình 4.7. Sơ đồ khối hệ thống thiết bị đo
4.2.3. Các thiết bị thực nghiệm và các bớc thực nghiệm
4.2.3.1. Các thiết bị thực nghiệm
Sơ đồ của thử nghiệm va chạm biểu diễn trên hình 4.9.
1
1. Xe va chạm
2. Xe kéo
3. Dẫn huớng dây cáp
4. Vật cản va chạm
5. Thiết bị đo
6.Dây dẫn điện
7. Điểm đo
7
2
3
6
5
4

Hình 4.9. Sơ đồ thử nghiệm va chạm
Xe kéo sử dụng xe Mekong Star 95 loại 7 chỗ do Công ty liên doanh
Mekong lắp ráp trong những năm 90. Vật cản va chạm chế tạo bằng bê tông
cốt thép, có khối lợng khoảng 5,5tấn. Mác bê tông 300 (cờng độ khoảng
Điểm đo

gia tốc

Cảm biến điện trở

FRS-2-11
Cầu đo và KĐĐA

một chiều

Máy đo SDA-830C

Cảm biến gia tốc

ADXL 330

Bộ chuyển đổi A/D

Máy tính xách tay

Nguồn điện 220V

21

250KG/cm
2
). Để vật cản không bị dịch chuyển hoặc trợt khi va chạm, phía
sau vật cản có giá chống bằng các thanh thép góc L100x100x5. Hộp dẫn
hớng dây cáp chế tạo bằng thép và đợc hàn vào vật cản va chạm.
Đờng thử nghiệm có chiều rộng 8m, chiều dài khoảng 500m trải bê
tông nhựa bằng phẳng tại cụm công nghiệp Nguyên Khê do Tổng Công ty
Công nghiệp ôtô - Bộ GTVT quản lý.
4.2.3.2. Các bớc tiến hành thực nghiệm

Bớc 1. Chuẩn bị thí nghiệm :
- Chế tạo vật cản, giá chống vật cản và định vị với nền đờng thử nghiệm
- Chế tạo và định vị hộp dẫn hớng dây cáp vào vật cản va chạm
- Chuẩn bị xe kéo, xe thí nghiệm. Bố trí sân bãi thử nghiệm hợp lý
Bớc 2. Định chuẩn cho thiết bị đo
Bớc 3. Dán các loại cảm biến, lắp đặt thiết bị đo
Bớc 4. Cài đặt phần mềm hệ thống
Bớc 5. Kiểm tra và điều khiển phần cứng thu thập số liệu
Bớc 6. Tiến hành thí nghiệm với các tốc độ va chạm khác nhau
Bớc 7. Phân tích xử lý kết quả
Có bốn chế độ tốc độ thử nghiệm là 5km/h, 10km/h, 15km/h và 20km/h.
4.2.4. Một số kết quả thí nghiệm
Việc phân tích, xử lý số liệu đo đợc thực hiện bằng phần mềm
MATLAB. Các xử lý này tập trung vào việc lọc lấy các đặc trng ngẫu
nhiên nhằm xác định chính xác biến dạng và ứng suất ở các điểm đo với các
tốc độ va chạm khác nhau.
Trên hình 4.14 biểu diễn kết quả biến dạng và ứng suất với tốc độ va
chạm 20km/h của điểm đo số 1 ở đáy dầm dọc bên phải (nhìn từ đầu xe).

a. Biến dạng của điểm đo 1 b. ứng suất của điểm đo 1
Hình 4.14. Kết quả biến dạng và ứng suất của điểm đo 1
Kết quả đo gia tốc gồm gia tốc theo ba phơng và gia tốc tổng hợp với
tốc độ va chạm 20km/h biểu diễn trong hình 4.15.

22


Hình 4.15. Gia tốc va chạm ở tốc độ 20km/h
4.2.5. So sánh giữa kết quả tính toán và kết quả thử nghiệm
Trên hình 4.17 biểu diễn so sánh đồ thị biến thiên ứng suất tại điểm đo

số 1 trên dầm dọc ở tốc độ va chạm 20km/h.

Hình 4.17. So sánh đồ thị ứng suất giữa số liệu tính và thử nghiệm
So sánh kết quả biến dạng lớn nhất của dầm dọc theo tính toán lý thuyết
và thử nghiệm ở tốc độ va chạm 20km/h :
Kết quả tính toán : 97,8mm Kết quả thực nghiệm : 88mm
Sai khác giữa kết quả tính và thử nghiệm là 11,14%.

23

Bảng 4.3. Tỷ lệ chênh lệch giữa hai bộ số liệu đo và tính toán
ứng suất trên khung vỏ xe
ứng suất nén lớn nhất
(N/mm
2
)
ứng suất kéo lớn nhất
(N/mm
2
)

Điểm
đo
Tính toán

Thử nghiệm

Sai lệch
(%)
Tính toán

Thử nghiệm

Sai lệch
(%)
1
3
7
11
15
16
19
24
28
32
-70,19
-340,52
-191,21
-555,06
-649,21
-36,48
-103,92
-120,09
-7,48
-976,18

-87,17
-280,77
-166,62
-478,38

-781,41
-44,02
-84,17
-103,85
-6,35
-1116,15
24,19
21,28
14,76
16,03
11,16
17,13
23,47
15,64
17,79
12,53
115,15
42,35
11,88
8,76
641,82
74,67
20,93
5,06
1263,67
1259,82

95,73
50,55
13,91

7,72
539,07
60,94
23,79
4,07
1097,8
1453,41
20,27
16,22
14,60
13,46
19,06
22,53
12,04
24,32
15,11
13,32
Kết quả tính toán và thực nghiệm có sự sai khác do khi thiết lập mô hình
tính có sử dụng một số giả thiết nên sẽ có những khác biệt nhất định so với
mô hình thực của xe và đờng thử nghiệm. Tuy nhiên qua phân tích có thể
khẳng định thử nghiệm khá phù hợp với những kết quả tính toán trên mô
hình PTHH, tỷ lệ sai lệch giữa hai bộ số liệu ở một số điểm đo từ 11% đến
25%, điều đó chứng tỏ mô hình tính là hợp lý và phù hợp với thực tế.
Kết luận và kiến nghị
I. Kết luận
1. Luận án đã xây dựng mô hình PTHH khung vỏ xe và mô phỏng quá trình
va chạm trực diện của xe Saigon Van 8 chỗ bằng các phần mềm hiện đại
nh CATIA, môđun LS-DYNA với số lợng nút phần tử khá lớn (xấp xỉ
70.000 nút). Kết quả tính toán phù hợp với thực tế do đó có thể ứng dụng
phân tích PTHH cho các loại xe khác đợc chế tạo và lắp ráp tại Việt

Nam với kết quả đạt đợc nhanh chóng và chính xác. Qua kết quả tính
có thể thấy biến dạng của kết cấu khung vỏ đặc biệt là vỏ xe khá lớn,
một số trờng hợp đã xuất hiện biến dạng lớn ở vách ngăn khoang hành
khách (xe va chạm vào vật cản V = 50km/h biến dạng vách ngăn u =
165mm ; V = 40km/h, u = 73mm ; va chạm ngợc chiều hai xe v =
50km/h lệch 40%, u = 94mm ) mặt khác với một số trờng hợp gia tốc
va chạm vợt quá tiêu chuẩn FMVSS 208 (Mỹ) cho phép là 300m/s
2
(xe
va chạm vào vật cản cứng V = 50km/h, a = 578m/s
2
; V = 40km/h, a =
412m/s
2
). Biến dạng và gia tốc sẽ gây nguy hiểm và chấn thơng
nghiêm trọng cho ngời trên xe nhất là ngời lái.
2. Mô hình mô phỏng cho phép xác định giá trị biến dạng và ứng suất tại
các điểm trên khung vỏ xe ở bất kỳ thời điểm nào trong quá trình va

24

chạm. Kết quả tính bằng mô phỏng còn biểu diễn đợc trờng phân bố
biến dạng và ứng suất trên toàn bộ khung vỏ xe và từng phần tử của
khung vỏ, có thể thấy phần đầu của dầm dọc khung xe và mặt đầu của vỏ
xe là những vùng tập trung ứng suất và biến dạng (va chạm vào vật cản
V = 50km/h biến dạng vỏ xe u = 475mm, biến dạng dầm dọc khung xe u
= 293mm; va chạm ngợc chiều hai xe v = 50km/h lệch 40% biến dạng
vỏ xe u = 404mm, biến dạng dầm dọc khung xe u = 173mm ) đây là
những cơ sở quan trọng để tính toán độ bền, an toàn bị động của khung
vỏ xe trong quá trình thiết kế, chế tạo và hoàn thiện kết cấu khung vỏ

cũng nh đánh giá chính xác các tai nạn thực trên đờng.
3. Với việc sử dụng thiết bị đo hiện đại và các cảm biến có độ nhạy cao cho
phép đo chính xác biến dạng và ứng suất tại một điểm trên kết cấu khung
vỏ, thực nghiệm đã thực hiện đo biến dạng và ứng suất tại 32 điểm đo
trên dầm dọc và vỏ xe trong điều kiện gần với các giả thiết trên mô hình
tính để so sánh với số liệu tính toán. Ngoài ra thực nghiệm cũng đã tiến
hành đo gia tốc va chạm của khoang hành khách, kết quả đo là cơ sở ban
đầu để tính toán thiết kế hệ thống an toàn trên xe khi va chạm nh dây
an toàn và túi khí.
4. Qua so sánh số liệu tính toán và số liệu thực nghiệm tại một số điểm đo
trên kết cấu khung vỏ cho thấy chênh lệch giữa hai bộ số liệu nằm trong
khoảng từ 11 đến 25%. Điều này cho phép khẳng định mô hình tính lý
thuyết là đủ tin cậy và phù hợp với thực tế. Các kết quả trên cũng phù
hợp với những tiêu chuẩn va chạm của Quốc tế và Việt Nam, có thể kết
luận rằng kết cấu khung vỏ xe Saigon Van đủ khả năng đảm bảo đợc độ
bền và an toàn khi lu thông tại các đô thị của Việt Nam có vận tốc lu
thông trung bình từ 20km/h đến 25km/h.
5. Luận án đã góp phần vào những tính toán độ bền của khung vỏ khi va
chạm, tuy nhiên để hoàn thiện hớng nghiên cứu mở rộng của luận án có
thể tiến hành thử nghiệm va chạm của xe với vật cản có biến dạng (độ
cứng tơng đơng với độ cứng của đầu xe khác) và nghiên cứu ảnh
hởng của một số yếu tố đến quá trình va chạm nh ảnh hởng của quá
trình phanh xe, quay xe sau khi va chạm, va chạm trực diện chéo vv
II. Kiến nghị của luận án
- Cần tăng kích thớc mặt cắt của thanh giằng ngang trớc, chế tạo gân
phía trong vỏ mặt đầu xe và tạo mặt cắt hộp phần đầu dầm dọc để giảm
biến dạng khi va chạm.
- Bố trí dàn bađơsốc trớc và sau xe để giảm biến dạng cho khung vỏ.
Trên xe cần phải trang bị dây an toàn và túi khí để đảm bảo an toàn cho
ngời khi va chạm ở tốc độ cao.

- Để đánh giá đợc đầy đủ và chính xác an toàn bị động của ngời khi
va chạm, trong quá trình thử nghiệm cần bố trí ngời giả trên xe.