TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT và BIẾN DẠNG KHUNG XE CHỞ KHÁCH cỡ NHỎ KHI HAI XE VA CHẠM TRỰC DIỆN

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHUNG XE CHỞ KHÁCH
CỠ NHỎ KHI HAI XE VA CHẠM TRỰC DIỆN
Nguyễn Quang Anh, Nguyễn Công Tuấn
Đại học Công nghệ GTVT
Email:
TÓM TẮT:
Hiện nay phương pháp phần tử hữu hạn
(PTHH) được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực
phân tích kết cấu. Các chương trình phần mềm
trên cơ sở của phương pháp PTHH có thể tính
toán ứng xử của kết cấu với các loại tải trọng tĩnh
và động khác nhau trong đó có tải trọng va
chạm..Kỹ thuật phân mảnh cấu trúc cho phép
giảm đáng kể thời gian và công sức xây dựng
cũng như tăng độ chính xác của mô hình PTHH.
Xe Saigon Van 8 chỗ được sản xuất bởi công ty ô
tô Sài Gòn có kích thước nhỏ và khả năng cơ
động rất phù hợp với giao thông công cộng trong

1. Đặt vấn đề
Công ty ôtô Sài Gòn (SAGACO) đã được
Chính phủ cho phép sản xuất và lắp ráp ôtô chở
khách 8 chỗ ngồi Saigon Van để phục vụ cho nhu
cầu vận tải hành khách và hàng hóa nhẹ. Loại xe
này với kích thước nhỏ gọn và khả năng cơ động
nên rất phù hợp với giao thông công cộng tại các
thành phố, đô thị của Việt Nam. Do khung vỏ xe
chiếm đến 40% giá trị xe nên việc thiết kế khung

vỏ đóng một vai trò rất quan trọng, hiện nay vẫn
chưa có một quy trình tính toán thiết kế khung vỏ
đầy đủ đặc biệt là các tính toán và kiểm nghiệm
nhằm đảm bảo an toàn bị động khi va chạm. Qua
các số liệu thống kê có thể thấy các vụ tại nạn va
chạm trực diện chiếm từ 50 đến 60% tổng số vụ
tại nạn ôtô trong đó nguy hiểm nhất là va chạm
trực diện của hai xe thường gây ra những thiệt hại
lớn về người và phương tiện. Để đánh giá được
mức độ an toàn bị động của kết cấu khung xe
cũng như toàn bộ kết cấu khung vỏ cần phải xác
định được ứng suất và biến dạng khung xe khi va
chạm trực diện hai xe. Có hai phương pháp để
xác định ứng suất và biến dạng của khung vỏ xe
khi va chạm:

đô thị của Việt Nam. Trong thực tế, khung vỏ xe
chiếm tỷ lệ lớn trong giá thành xe, hiện nay vẫn
chưa có quy trình tính toán hoàn thiện để thiết kế
khung vỏ xe, đặc biệt là những tính toán và thử
nghiệm nhằm đảm bảo an toàn bị động khi va
chạm. Trước tình trạng tai nạn giao thông có xu
hướng gia tăng, để giảm thiệt hại cho con người
và phương tiện thì những tính toán về độ bền, độ
cứng và an toàn bị động của kết cấu khung vỏ
đóng một vai trò rất quan trọng. Trong bài báo
này đã sử dụng môđun chương trình LS-DYNA để
tính toán ứng suất và biến dạng khung xe Saigon
Van 8 chỗ ngồi khi hai xe va chạm trực diện.

- Phương pháp thứ nhất là tính toán ứng
suất và biến dạng bằng mô phỏng số với mô hình
PTHH.
- Phương pháp thứ hai là xác định ứng suất
và biến dạng bằng thực nghiệm nhờ các thiết bị đo
ghi tự động.
Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm đòi
hỏi các trang thiết bị hiện đại và quy trình thử
nghiệm chặt chẽ nên giá thành rất cao do đó trong
điều kiện của Việt Nam hiện nay phương pháp này
khó có thể thực hiện được [1].
Hiện nay, nhờ sử dụng các phần mềm
phân tích kết cấu dựa trên cơ sở của phương
pháp PTHH, việc tính toán ứng suất và biến dạng
của khung xe với mô hình PTHH cho kết quả
nhanh chóng và chính xác.
Môđun LS-DYNA cho phép mô phỏng quá
trình va chạm trực diện của hai xe để xác định
biến dạng cũng như mức độ hư hỏng của khung
xe làm cơ sở cho việc sửa chữa khung xe sau va
chạm và đánh giá tai nạn trên đường.
2.

Mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát

Xe chở khách 8 chỗ ngồi Saigon Van là loại
xe có kiểu dáng hài hòa, nội thất khá tiện nghi và

Trang 37

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

thuận lợi cho người sử dụng với một số thông số
kỹ thuật cơ bản như sau:
- Kích thước xe :
+ Chiều dài: 3635mm
+ Chiều rộng: 1475mm
+ Chiều cao: 1895mm
- Khoảng cách trục:
+ Vệt bánh trước: 1280mm
+ Vệt bánh sau: 1290mm
- Số chỗ ngồi (kể cả người lái): 8 người
- Trọng lượng xe: 975kg
- Vận tốc cực đại: 115km/h

Hình 2: Phân mảnh cấu trúc khung vỏ xe khảo
sát.

- Công suất cực đại: 39kw

1. Mảng đuôi xe

2. Mảng đầu xe

- Tổng tải trọng 1555kg

3. Mảng sườn trái

4. Mảng sườn phải

5. Nóc xe

6. Mảng sàn xe

Việc xây dựng mô hình của khung vỏ xe
khảo sát dựa trên những giả thiết sau :
- Kết cấu khung vỏ xe xem như đối xứng
qua mặt phẳng đối xứng dọc xe.
- Trọng lượng bản thân của khung vỏ xe
được coi như tải trọng phân bố.

Hình 1: Tổng quan xe Saigon Van
Khung vỏ xe là một kết cấu không gian rất
phức tạp do đó để mô phỏng chính xác khung vỏ
xe khảo sát, thuận tiện cho tính toán và xử lý số
liệu cần sử dụng kỹ thuật phân mảnh cấu trúc
theo các nguyên tắc sau:

- Trong kết cấu khung vỏ xe chủ yếu sử
dụng phần tử dạng vỏ và dầm. Dùng các mặt cắt
chuẩn có thông số vật liệu và mặt cắt tương
đương cho các phần tử.
Xây dựng mô hình hình học của khung vỏ
xe Saigon Van thực hiện bằng phần mềm thiết kế
CATIA sau đó nhập vào chương trình ANSYS để
chia lưới phần tử. Mô hình PTHH của toàn bộ kết
cấu khung vỏ và của khung xe được tách riêng
biểu diễn trên hình 3 [2].

- Mô tả được đặc điểm cấu trúc chịu lực của
kết cấu.
- Thể hiện được phân mảnh cấu trúc theo
quy trình công nghệ chế tạo.
- Sự ghép nối giữa các mảnh phải đảm bảo
được tính liên tục của kết cấu và thể hiện được
liên kết thực tế giữa các mảnh.
Theo quy trình công nghệ lắp ráp của nhà
sản xuất, khung vỏ xe Saigon Van có thể phân
thành 6 mảnh lớn nối ghép với nhau bằng các mối
hàn như trên hình 2.
Hình 3: Mô hình PTHH của khung vỏ xe khảo sát.

Trang 38


HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

3. Phương pháp tính ứng suất và biến
dạng của khung xe khảo sát
Môđun LS-DYNA do công ty Livermore
Software Technology Corporation (Mỹ) xây dựng,
môđun này có thể kết nối và tích hợp trong
chương trình ANSYS. Phương pháp giải cơ bản
của môđun này là phân tích ứng xử của kết cấu
theo bước thời gian dưới tác dụng của tải trọng.
Thuật toán của môđun này cho phép giải các bài
toán động lực học biến dạng lớn của kết cấu hoặc

bài toán động lực học tiếp xúc phức tạp có xét đến
quá trình truyền nhiệt giữa các bề mặt tiếp xúc. Sơ
đồ cấu trúc chung của phần mềm ANSYS được
biểu diễn trong hình 4 [3],[5].

un 1 

un1  un 

2

un 

un 1

2

t
 un 1

2

(2)

t

Trong đó t là bước thời gian và là một giá trị
cố định, bước thời gian có thể xác định theo công
thức : t



lmin
c

(3)

Với lmin là kích thước của phần tử nhỏ nhất
và c tính theo công thức :

c=
Trong đó :

E
1   2  

(4)

E là môđun đàn hồi của vật

liệu;  là khối lượng riêng;  là hệ số Poisson
thường chọn  = 0,3 với vật liệu thép.
Từ đó ta có thể xác định được biến dạng
theo các phương trục tọa độ theo công thức:

fx =
Trong đó
Hình 4: Cấu trúc chung của phần mềm ANSYS
Khi mô phỏng va chạm năng lượng tiếp xúc
trong một bước thời gian tại mỗi bề mặt tiếp xúc

biểu diễn bằng phương trình:

ECn1

m
k

 ECn   Fi1.ui1   Fi 2 .ui2 
i 1
 i 1


Trong đó :

ECn ; ECn1

n

1
2

xúc ở bước thời gian n và n+1;k, m là số lượng
1

là lực

tương tác giữa nút thứ i của bền mặt 1 với bề mặt
2; Fi

2

là lực tương tác giữa nút thứ i của bền

mặt 2 với bề mặt 1;

ui1

là chuyển vị nút thứ i

của bề mặt 1 trong một bước thời gian;

ui2

(5)

f x , f y , f z là biến dạng theo

các phương trục toạ độ [4].
Khi mô phỏng quá trình va chạm trực diện
của hai xe có thể dựa trên một số giả thiết sau :

- Hướng va chạm của hai xe không thay
(1) đổi trong quá trình va chạm.

là năng lượng tiếp

nút ở các bề mặt tiếp xúc 1 và 2; Fi

u
u

u
; fy =
; fz =
x
y
z

là

chuyển vị nút thứ i của bề mặt 2 trong một bước
thời gian.
Với việc sử dụng khái niệm hiệu trung bình
theo thời gian thì giá trị vận tốc và chuyển vị nút
được xác định theo công thức :

- Xem như dịch chuyển của hai xe sau quá
trình va chạm là nhỏ (không xét đến động lực học
của xe sau khi kết thúc va chạm).
- Ảnh hưởng của hệ thống treo, lái đến
biến dạng của khung xe là nhỏ trong toàn bộ quá
trình va chạm.
- Bỏ qua ma sát giữa bánh xe với mặt
đường, lực phanh tại bánh xe trước khi va chạm
(coi như tốc độ của xe không đổi trước khi va
chạm).
Trong bài báo này thực hiện tính toán cho
trường hợp hai xe va chạm trực diện vận tốc xe
thứ nhất 20km/h, vận tốc xe thứ hai 30km/h, độ
lệch va chạm 40% đây là trường hợp thường xảy
ra trong thực tế. Thông số đầu vào của bài toán là

Trang 39


HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

giá trị tổng động năng của hai xe va chạm trực
diện :

1
1
T  MV12  MV22 . Trong thời gian va
2
2

chạm ta chia thành nhiều bước tính với mỗi bước
tăng thời gian là 0,001s. Do việc xây dựng mô
hình PTHH của khung vỏ xe đòi hỏi khá nhiều thời
gian và công sức nên trong nghiên cứu này đã sử
dụng mô hình tính với hai xe giống nhau và có
cùng khối lượng. Mô hình mô phỏng va chạm trực
diện của hai xe biểu diễn trong hình 5.

Hình 7: Phân bố ứng suất trên khung

Hình 5: Mô hình mô phỏng va chạm hai xe
4. Kết quả tính toán

Hình 8: Chuyển vị của nút 44721

Kết quả mô phỏng trong LS-DYNA với
phương án tính toán trên là biến dạng; ứng suất
dưới dạng biểu đồ phân bố, đồ thị và các dạng số
liệu tương ứng. Với môđun phân tích và xử lý kết
quả POST1 và POST26 trong bài báo đưa ra một
số đồ thị và biểu đồ phân bố đối với xe va chạm
vận tốc 20km/h.

Hình 9: Ứng suất của nút 44721
Nút 44721 nằm ở dầm dọc bên phải cách đầu
dầm 80 mm.

Hình 6: Phân bố biến dạng của khung

Qua kết quả tính toán có thể thấy biến dạng
động lực học lớn nhất của dầm dọc khung xe là
155 mm. Dựa vào biểu đồ phân bố ứng suất và
biến dạng của khung xe có thể xác định mức độ
hư hỏng của khung là khá lớn, vùng chịu ảnh
hưởng của tác động va chạm cần phải sửa chữa
khoảng 80cm.
Do điều kiện của Việt Nam hiện nay, việc thực
hiện thực nghiệm va chạm giữa hai xe rất khó
khăn và đòi hỏi chi phí rất lớn, nên các tác giả đã

Trang 40


HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

tham khảo kết quả thực nghiệm của nước ngoài
cho các loại xe tương tự trong tài liệu [6] và so
sánh cho thấy kết quả tính toán là khá phù hợp với
kết quả trong tài liệu. Điều này chứng tỏ mô hình
PTHH của khung vỏ xe khảo sát đã xây dựng đảm
bảo phù hợp với thực tế.
Khung xe là phần tử tiếp nhận va chạm đầu
tiên và là phần tử hấp thụ năng lượng va chạm
chủ yếu trên toàn bộ kết cấu, nên các dầm dọc còn
bị biến dạng xoắn voặn gây ra cong vênh các dầm
ngang và sàn xe, sàn xe có thể bị xé rách ở một số
vị trí liên kết hàn giữa khung và sàn.
Trong trường hợp này gia tốc va chạm lớn
nhất trong khoang hành khách đạt đến là amax =
272 m/s2 ; nếu so sánh với tiêu chuẩn an toàn của
Mỹ FMVSS 208 [6] quy định gia tốc va chạm lớn
nhất cho phép là amax = 300 m/s2 thì giá trị gia tốc
này là xấp xỉ nên có thể gây ra các chấn thương
cho người trên xe nhất là người lái, vì vậy việc bố
trí các thiết bị an toàn như dây an toàn, túi khí... và
khả năng hoạt động của chúng sẽ đóng vai trò
quyết định đến khả năng sống sót của người trên
xe khi xảy ra tai nạn.
5. Kết luận
Kết quả tính toán bằng mô phỏng cho phép
biểu diễn phân bố biến dạng và ứng suất trên kết
cấu khung xe cũng như các phần tử kết cấu khác
như vỏ xe, sàn xe... các kết quả này là cơ sở quan

trọng cho việc đánh giá mức độ hư hỏng cũng như
lựa chọn phương pháp sửa chữa khung vỏ sau va
chạm. Ngoài ra có thể bố trí thêm dàn bađơsốc ở

trước và sau xe để giảm biến dạng của khung vỏ
khi va chạm.
Kết quả tính bằng mô phỏng đảm bảo độ
chính xác và phù hợp với thực tế vì vậy có thể áp
dụng phương pháp này để tính toán cho các loại
xe khác nhất là đối với các loại xe được sản xuất
và lắp ráp tại Việt Nam.
Phương pháp mô phỏng cho phép tính toán
ứng suất và biến dạng của khung xe khi va chạm
trực diện nhưng nếu kết hợp với các kết quả tính
toán vỏ xe thì có thể đánh giá chính xác được độ
bền và an toàn bị động của kết cấu khung vỏ cũng
như các tai nạn thực trên đường.
Tài liệu tham khảo
[1]. Du Quoc Thinh, Nguyen Quang Anh, Application
of Digital Simulation Method to Motor Vehicle Frontal
Collision, ICAT2005.
[2]. Trung tâm ứng dụng và phát triển phần mềm
công nghiệp (DASI) (2006), Hướng dẫn sử dụng
CATIA trong thiết kế ba chiều, Đại học Bách khoa Hà
Nội.
[3]. Faculta of mechanical Engineering (1999),
ANSYS Operation Guide Structural Analysis Guide,
Hanoi University of Technology.
[4]. John O.Hallquist (1998), LS-DYNA Theoretical
Manual, California.

[5]. Oasys LS-DYNA Enviromment: User Guide
(2001), California.
[6]. Dieter Anselm (2000), The Passenger Car
Body, Munich, Germany.

Trang 41


HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

TO CALCULATE THE STRESS AND DEFORMATION
OF SMALL PASSENGER CAR FRAMEWORK IN CASE
OF HEAD-ON BETWEEN TWO CARS
ABSTRACT:
Nowaday, finite element (FE) method is
usually used in the structure analysis problem.
The softwares based on finite element method
can determine specific behaviors of the structure
corresponding to static and dynamic loads in
which there is collision load. Substructure
techniques allow reducing considerably time and
work volume and increase degree of accuracy of
finite element model. The Saigon Van
manufactured by Saigon Automobile Company,
with small size and mobility that is very suitable
for the public transport in Vietnam cities and
towns. In fact, the body and framework make up a
large rate of the vehicle value, but there still not

yet any procedure for calculating sufficiently body
and framework design, particularly calculations
and tests in order to ensure passive safety in case
of collision. Confronted with the situation that
traffic accidents are tending to increase, to reduce
the damages of human and vehicle when the
accident occurs, therefore, the calculation of body
strength, durability and passive safety as well as
body-framework structure play a very important
role. In this studies we use module LS-DYNA to
calculate the stress and deformation of 8 seats
Saigon Van framework in case of frontal impact
between two cars.

Keywords: Frontal Impact, Stress and Deformation, LS-DYNA, ANSYS.

Trang 42