PHÂN TÍCH TÍNH AN TOÀN kết cấu KHUNG XE KHÁCH sàn THẤP sản XUẤT tại VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN ECE r66

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU
KHUNG XE KHÁCH SÀN THẤP SẢN XUẤT
TẠI VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN CHÂU
ÂU - ECE R66

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Sỹ
SVTH: Lê Quang Nghiêm
Phạm Trương Công

Tp. HCM, tháng 05/2016

MSSV: 12072101
MSSV: 12060871


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHÂN TÍCH TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU
KHUNG XE KHÁCH SÀN THẤP SẢN XUẤT
TẠI VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN CHÂU
ÂU - ECE R66.
SVTH

:

LÊ QUANG NGHIÊM

:

PHẠM TRƯƠNG CÔNG

KHOA

:

CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

GVHD

:

NGUYỄN VĂN SỸ

CHUYÊN NGÀNH

:

CÔNG NGHỆ Ô TÔ

NGÀY NHẬN ĐỀ TÀI :

23 – 11 – 2015

NGÀY BẢO VỆ

15 – 05 – 2016

:


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giáo vên hướng dẫn)
Tên đề tài: .........................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Sinh viên thực hiện: .............................................................MSSV: ..............................
.............................................................MSSV: ..............................
Giáo viên hướng dẫn: .......................................................................................................
Cơ quan công tác : ................................................................... ĐT: .................................

PHẦN NHẬN XÉT
Tinh thần và thái độ thực hiện đồ án của sinh viên:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Kết quả thực hiện đồ án:
Ưu nhược điểm :
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

Điểm mới:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Tồn tại nếu có:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

KẾT LUẬN
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
…. ngày… tháng… năm…
GVHD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

LỜI CAM KẾT
Chúng tôi, Lê Quang Nghiêm và Phạm Trương Công cam đoan rằng những công
việc trình bày trong đồ án “PHÂN TÍCH TÍNH AN TOÀN KẾT CẤU KHUNG XE
KHÁCH SÀN THẤP SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN CHÂU
ÂU – ECE R66” là tác phẩm gốc của chúng tôi và đã không được trình bày ở bất kỳ nơi
nào khác cho bất kỳ cấp bậc học. Trong trường hợp các tài liệu tham khảo đã được sử
dụng từ sách, báo được công bố, báo cáo và các trang web, nó là hoàn toàn công nhận

phù hợp với các thông lệ tham khảo tiêu chuẩn của ngành.
Ngày 20 tháng 04 năm 2016
Sinh viên ký tên

LÊ QUANG NGHIÊM
PHẠM TRƯƠNG CÔNG

I


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Nhận thấy những lợi ích mà xe khách sàn thấp mang lại cho hệ thống giao thông
nước ta và mức độ nghiêm trọng trong các vụ tại nạn lật xe, chúng tôi thực hiện đề tài
phân tích tính anh toàn kết cấu khung xe khách sàn thấp sản xuất tại Việt Nam theo tiêu
chuẩn châu Âu ECE R66. Đề tài sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng phần tử hữu hạn
HyperMesh, phần mềm hỗ trợ tính toán như LS-DYNA và phần mềm hiển thị kết quả
mô phỏng HyperView. Trên cơ sở tính toán, phân tích độ biến dạng, khả năng chịu va
đập, sự phân bố ứng suất trên khung xe khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn an toàn
châu Âu ECE R66, đề tài đề xuất phương án cải tiến tăng độ dày các thanh chịu ứng suất
lớn để đảm bảo an toàn cho kết cấu khung xe khách sàn thấp khi xảy ra lật nghiêng, biến
dạng khung xe không xâm phạm vào không gian an toàn của hành khách, thỏa mãn các
yêu cầu của tiêu chuẩn châu Âu ECE - R66.

II

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

TRANG

LỜI CAM KẾT ........................................................................................................ I
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ................................................................................................. II
MỤC LỤC ............................................................................................................. III
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... VI
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................... X
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1
1.2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu .................................................................. 2
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 2
1.2.2. Mục đích nghiên cứu...................................................................................... 2
1.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 2
1.5. Giá trị khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 4
2.1. Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn [4] ............................................ 4
2.1.1. Quy tắc chia miền thành các phần tử........................................................... 4
2.1.2. Các dạng phần tử hữu hạn ............................................................................ 5
2.2. Giới thiệu các phần mềm hỗ trợ nghiên cứu .................................................. 6
2.2.1. Phần mềm HyperWorks ................................................................................ 6
2.2.2. Hypermesh ...................................................................................................... 7
2.2.3. HyperView ...................................................................................................... 9

2.2.4. Phần mềm LS-DYNA .................................................................................... 9
2.3. Lý thuyết vật liệu kim loại .............................................................................. 11
2.3.1. Mạng tinh thể của kim loại [5] .................................................................... 11

III


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

2.3.2. Phân loại các sai lệch trong mạng tinh thể: ............................................... 12
2.3.3. Lệch và tác dụng của lệch trong tinh thể:.................................................. 13
2.3.4. Cơ tính của vật liệu ...................................................................................... 15
2.4. Giới hạn lật đổ của ô tô trên mặt phẳng nghiêng. [7] .................................. 17
2.5. Tiêu chuẩn ECE R66....................................................................................... 18
2.5.1. Tiêu chuẩn không gian an toàn trong tiêu chuẩn ECE R66 .................... 19
2.5.2. Bố trí thử nghiệm và xác định vận tốc góc khi bắt đầu va chạm............. 20
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KHUNG XE
KHÁCH SÀN THẤP ............................................................................................. 23
3.1. Quy trình nghiên cứu ...................................................................................... 23
3.2. Xây dựng mô hình 3D ..................................................................................... 24
3.2.1. Khung xương mặt trước (đầu xe) ............................................................... 24
3.2.2. Khung xương mặt sau: ................................................................................ 28
3.2.3. Khung xương hông trái ............................................................................... 29
3.2.4. Khung xương hông phải .............................................................................. 30
3.2.5. Khung xương mui ........................................................................................ 31
3.2.6. Khung xương sàn ......................................................................................... 32
3.3. Chia lưới mô hình khung xe ........................................................................... 33
3.4. Kiểm tra, chỉnh sửa lưới và gắn kết những khung xương với nhau ........... 34

3.4.1. Kiểm tra và chỉnh sửa lưới .......................................................................... 35
3.4.2. Gắn kết khung xương .................................................................................. 37
3.5. Thiết lập vật liệu, thuộc tính và gắn điều kiện biên theo tiêu chuẩn ECE
R66 .......................................................................................................................... 37
3.5.1. Thiết lập các thông số cho vật liệu ( Material). ......................................... 38
3.5.2. Thiết lập thuộc tính vật liệu trong mô hình khung xe (Property) ........... 39
3.5.3. Gán khối lượng (tải) các chi tiết lên mô hình ............................................ 43
3.5.4. Xuất trọng tâm và tính khối lượng toàn tải của xe. .................................. 45
IV


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

3.5.5. Xây dựng mô hình thử nghiệm ................................................................... 47
3.5.6. Tạo các thẻ điều khiển ................................................................................. 55
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ............................... 57
4.1. Mô phỏng ......................................................................................................... 57
4.2. Phân tích kết quả ............................................................................................. 57
4.2.1. Hiện thị mô hình trên phần mềm HyperView ........................................... 57
4.2.2. Phân tích mô hình khung xương sau khi xảy ra va chạm ........................ 59
4.3. Phương án cải tiến ........................................................................................... 63
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................. 67
5.1. Kết luận chung ................................................................................................. 67
5.2. Hướng phát triển đề tài .................................................................................. 67
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 69

V

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Các dạng biên chung giữa hai phần tử ...................................................... 4
Hình 2.2: Dạng phần tử hữu hạn một chiều............................................................... 5
Hình 2.3: Dạng phần tử hữu hạn hai chiều ................................................................ 5
Hình 2.4: Dạng phần tử ba chiều kiểu tứ diện ........................................................... 5
Hình 2.5: Phần tử hữu hạn ba chiều lăng trụ ............................................................. 5
Hình 2.6: Phần mềm HyperWorks ............................................................................ 6
Hình 2.7: Giao diện HyperMesh................................................................................ 7
Hình 2.8: Khả năng giao tiếp của HyperMesh và các phần mềm khác ..................... 8
Hình 2.9: Tài liệu hướng dẫn trực tuyến ................................................................... 8
Hình 2.10: Giao diện phần mềm HyperView ............................................................ 9
Hình 2.11: Hộp thoại Start Input anf Output trên giao diện LS-DYNA ................. 10
Hình 2.12: Giao diện chạy chương trình của LS-DYNA ........................................ 11
Hình 2.13: Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b) và ảnh tế vi mẫu đa tinh thể sau
tẩm thực (c) ............................................................................................................. 11
Hình 2.14: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Nút trống Frenkel (a), Nút trống
chottky (b) Nguyên tử xen kẽ (c) và thay thế (d) .................................................... 12
Hình 2.15: Mô hình tạo lệch đường trong mạng tinh thể. ....................................... 13
Hình 2.16: Lệch xoắn .............................................................................................. 14
Hình 2.17: Vectơ trượt (Burgers) ............................................................................ 14
Hình 2.18: Đường cong ứng suất - biến dạng.......................................................... 15
Hình 2.19: Lực tác dụng lên vật rắn khi nén ........................................................... 16
Hình 2.20: Sơ đồ lực và momen tác dụng lên xe..................................................... 18
Hình 2.21: Không gian an toàn theo mặt cắt ngang ................................................ 19

Hình 2.22: Không gian an toàn theo mặt cắt dọc .................................................... 19
Hình 2.23: quá trình thử nghiệm lật nghiêng........................................................... 20
Hình 2.24: Xe trên mặt phẳng nằm ngang ............................................................... 21
VI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Hình 2.25: Xe bắt đầu lật ......................................................................................... 21
Hình 2.26: Bắt đầu xảy ra va chạm ......................................................................... 22
Hình 3.1: Bản vẽ 2D mặt trước ............................................................................... 24
Hình 3.2: Hộp thoại User Profiles ........................................................................... 25
Hình 3.3: Tạo Components ...................................................................................... 25
Hình 3.4: Nhập tên components .............................................................................. 26
Hình 3.5: Công cụ tạo node của HyperMesh........................................................... 26
Hình 3.6: Công cụ Translate .................................................................................... 26
Hình 3.7: Chức năng tạo mặt phẳng ........................................................................ 26
Hình 3.8: Thanh thép mới được tạo ......................................................................... 27
Hình 3.9: Các thanh thép cản trước ......................................................................... 27
Hình 3.10: Mô hình khung xương mặt trước xe ...................................................... 27
Hình 3.11: Bản vẽ 2D mặt sau xe ............................................................................ 28
Hình 3.12: Mô hình khung xương xương mặt sau................................................... 28
Hình 3.13: Bản vẽ 2D khung xương hông trái ........................................................ 29
Hình 3.14: Mô hình khung xương hông trái ............................................................ 29
Hình 3.15: Bản vẽ 2D khung xương hông phải ....................................................... 30
Hình 3.16: Mô hình khung xương hông phải ......................................................... 30
Hình 3.17: Bản vẽ 2D khung xương mui ................................................................ 31
Hình 3.18: Mô hình khung xương mui .................................................................... 32

Hình 3.19: Bản vẽ 2D sàn xe ................................................................................... 32
Hình 3.20: Mô hình khung xương sàn xe ................................................................ 32
Hình 3.21: Mô hình khung xương xe ...................................................................... 33
Hình 3.22: Công cụ chia lưới trong HyperMesh ..................................................... 33
Hình 3.23: Chia lưới mô hình khung xương hông phải ........................................... 34
Hình 3.24: Mô hình trước khi chia lưới (a) và sau khi chi lưới (b) ......................... 34
Hình 3.25: Kiểm tra lỗi lưới mô hình ...................................................................... 35
VII


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Hình 3.26: Lưới trước (a) và sau (b) khi chỉnh sửa ................................................. 36
Hình 3.27: Tìm và liên kết các nút lưới bị hở.......................................................... 36
Hình 3.28: Công cụ hàn gắn các phần tử ................................................................. 37
Hình 3.29: Hàn hông trái và mặt sau xe .................................................................. 37
Hình 3.30: Tạo vật liệu thép Q235 .......................................................................... 38
Hình 3.31: Cập nhật thông số cho vật liệu .............................................................. 39
Hình 3.32: Phân loại độ dày hông trái ..................................................................... 41
Hình 3.33: Tạo thuộc tính vật liệu ........................................................................... 41
Hình 3.34: Cập nhật vật liệu và thuộc tính .............................................................. 41
Hình 3.35: Tạo biểu đồ trọng lực ............................................................................ 42
Hình 3.36: Cập nhật đường cong trọng lực. ............................................................ 42
Hình 3.37: Thiết lập đường cong ứng suất .............................................................. 43
Hình 3.38: Cập nhật đường cong vật liệu ................................................................ 43
Hình 3.39: Gán khối lượng ...................................................................................... 45
Hình 3.40: Gán khối lượng của sổ bên phải ............................................................ 45
Hình 3.41: Công cụ tính trọng tâm và khối lượng xe .............................................. 45

Hình 3.42: Trọng tâm xe.......................................................................................... 47
Hình 3.43: Mặt lật và mặt phẳng va chạm theo tiêu chuẩn ECE R66 ..................... 48
Hình 3.44: Không gian an toàn ................................................................................ 48
Hình 3.45: Liên kết không gian an toàn với sườn xe............................................... 49
Hình 3.46: Liên kết mâm bánh xe với cầu xe .......................................................... 49
Hình 3.47: Liên kết động cơ với sườn xe ................................................................ 50
Hình 3.48: Liên kết mâm bánh xe với lốp xe .......................................................... 50
Hình 3.49: Liên kết cầu xe và sườn xe .................................................................... 50
Hình 3.50: Mô hình thử nghiệm .............................................................................. 51
Hình 3.51: Xe bắt đầu lật ......................................................................................... 52
Hình 3.52: Xe bắt đầu va chạm với mặt đường ....................................................... 52
VIII


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Hình 3.53: Cô định mặt lật và mặt phẳng va chạm ................................................. 53
Hình 3.54: Tạo tiếp xúc xe với mặt đường và mặt lật ............................................. 53
Hình 3.55: Liên kết toàn bộ xe để đặt vận tốc ......................................................... 54
Hình 3.56: Xuất giá trị động năng ........................................................................... 54
Hình 3.57: Đặt vận tốc đầu cho mô hình ................................................................. 55
Hình 3.58: Các thẻ điều khiển ................................................................................. 55
Hình 3.59: Kiểm tra lỗi trước khi mô phỏng ........................................................... 56
Hình 4.1: Kết thúc quá tình phân tích ...................................................................... 57
Hình 4.2: Mô hình được thể hiện trên HyperView .................................................. 58
Hình 4.3: Trạng thái khi bắt đầu va chạm ............................................................... 58
Hình 4.4: Trạng thái sau va chạm ............................................................................ 58
Hình 4.5: Không gian an toàn bị xâm phạm ............................................................ 59

Hình 4.6: Sự phân bố ứng suất trên khung xe sau khi lật ........................................ 59
Hình 4.7: Sự biến dạng ở hông trái .......................................................................... 60
Hình 4.8: Sự phân bố ứng suất ở hông tráí .............................................................. 60
Hình 4.9: Sự biến dạng mặt trước và mặt sau ......................................................... 61
Hình 4.10: Sự phân bố ứng suất mặt trước .............................................................. 61
Hình 4.11: Vị trí tập trung ứng suất khung xương mui ........................................... 62
Hình 4.12: Vị trí tập trung ứng suất ở sàn xe .......................................................... 62
Hình 4.13: Tách những thanh chịu ứng suất lớn và bị biến dạng nhiều .................. 63
Hình 4.14: Tạo thuộc tính mới với độ dày được tăng thêm 0,5mm ........................ 63
Hình 4.15: Khung xe trước và sau cải tiến .............................................................. 64
Hình 4.16: Sự phân bố ứng suất trên khung xe trước (a) và sau cải tiến (b) ........... 65
Hình 4.17: Khung xương hông trái trước (a) và sau (b) cải tiến ............................. 65
Hình 4.18: Khung xương mặt đầu trước (a) và sau (b) cải tiến ............................... 66
Hình 4.19: Đồ thị lực va đập ................................................................................... 66

IX


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Tiêu chuẩn chất lượng lưới ..................................................................... 35
Bảng 3.2: Đơn vị tiêu chuẩn theo LS-DYNA [8] .................................................... 38
Bảng 3.3: Thông số cơ tính thép Q235 và Q345 [9] ............................................... 38
Bảng 3.4: Thông số vật liệu sử dụng ....................................................................... 39
Bảng 3.5: Độ dày thép ............................................................................................. 40
Bảng 3.6: Thông tin các bộ phận và thuộc tính ....................................................... 42
Bảng 3.7: Khối lượng các bộ phận khảo sát trên xe [11] ........................................ 44

Bảng 3.8: Thông tin về trọng tâm và khối lượng xe ................................................ 46
Bảng 3.9: Kích thước cơ bản của mô hình .............................................................. 51
Bảng 4.1: Sự thay đổi khối lượng và chiều cao trọng tâm xe sau cải tiến............... 64

X


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, trong hệ thống giao thông Việt Nam cũng như trên thế giới, xe khách đóng
vai trò vô cùng quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa hàng
ngày. Theo tờ trình phê duyệt Cơ chế, chính sách ưu tiên, khuyến khích phát triển vận tải
hành khách gửi chính phủ năm 2014, ở Việt Nam có khoảng 106.876 xe ô tô khách các
loại, chủ yếu là loại xe sử dụng khung xe sàn cao, với các loại hình vận tải: hành khách
liên tỉnh, nội tỉnh, vận tải hành khách đô thị (taxi, xe bus, xe khách…). Đáp ứng nhu cầu
với tổng sản lượng vận tải hành khách trên toàn quốc đạt trên 2.950,1 triệu lượt khách.
Trong đó thị phần vận tải hành khách đường bộ chiếm 91,98% [1]. Có thể nhận thấy rằng
chất lượng phương tiện, cũng như dịch vụ vận tải ngày càng nâng cao rõ rệt. Tuy nhiên
trong quá trình vận hành, khai thác xe khách, đặt biệt là xe khách sàn cao (xe bus, giường
nằm,..) còn tồn tại nhiều bất cập. Thứ nhất là tình hình kẹt xe, do chất lượng đường xá
còn kém, phương tiện cơ giới không đồng bộ, mật độ dân cư và lưu lượng phương tiện
quá lớn, thêm vào đó việc xe khách đặc biệt là xe bus phải dừng đổ lâu để đón khách làm
vấn đề ùn tắc giao thông thêm trầm trọng. Thứ hai, trọng tâm các xe còn cao làm xe dễ
mất tính ỗn định ngang khi đi qua những đoạn đường nghiêng ngang, gồ ghề hay đường
có bán kính quay vòng nhỏ. Thứ ba, thiệt hại về người sau các vụ lật xe còn rất nghiêm
trọng, một phần nguyên nhân là do kết cấu khung xương chưa được đảm bảo. Vì vậy,

việc đưa ra một mẫu xe khách mới thay thế cho xe khách truyền thống phải được xem
xét nghiêm túc. Điều này trở thành một vấn đề đối với những nhà sản xuất xe khách hiện
nay, đặc biệt là trong nước chúng ta phần lớn khung xe khách nhập từ nước ngoài vấn đề
chỉ tiêu an toàn cho khung xương xe khách chưa được rõ ràng.
Ở các nước châu Âu hiện nay, xe khách sàn cao truyền thống dần được thay thế bởi
mẫu xe sàn thấp. Mẫu xe này sẽ là lựa chọn tối ưu đối với tình trạng giao thông ở nước
ta vì rút ngắn được thời gian lên xuống xe của hành khách đặc biệt là người khuyết tật,
người cao tuổi, trẻ em, … Bên cạnh đó, trọng tâm xe giảm xuống làm tăng tính ổn định
cho xe khi vận hành góp phần giảm các vụ tai nạn giao thông, đặc biệt là tai nạn lật xe.
Tuy nhiên, trước khi sản xuất và đưa vào sử dụng, ngoài đảm bảo những yêu cầu về
kỹ thuật, thẩm mỹ, … khung xe cần được kiểm nghiệm mức độ an toàn và bền vững theo

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

các tiêu chuẩn an toàn trên thế giới trong đó có tiêu chuẩn châu Âu (ECE R66) về an toàn
kết cấu ô tô khi xảy ra lật nghiêng.
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về kết cấu xe sàn thấp khi xảy ra lật
nghiêng như nghiên cứu về đặc tính xe bus sàn thấp làm bằng vật liệu tổng hợp nhiều lớp
khi xảy ra lật nghiêng và va chạm trực diện “A study on the crashworthiness and
rollover characteristics of low-floor bus made of sandwich composites” của HeeYoung Ko, Kwang-Bok Shin, Kwang-Woo Jeon và Seo-Hyun Cho [2]. Hay phân tích
tính bền vững khi lật nghiêng của xe buýt trong công trình nghiên cứu “Rollover and
roof crush analysis of low-floor mass transis bus” của Pankaj S. Deshmukh năm 2002
[3]. Ở Việt Nam, công trình nghiên cứu về kết cấu khung xe sàn thấp rất hiếm. Vì vậy,
việc đưa xe sàn thấp vào hoạt động còn nhiều khó khăn.
Thấy được vấn đề trên, chúng tôi đưa ra ý tưởng phân tích tính an toàn kết cấu khung

xe khách sàn thấp sản xuất tại Việt Nam theo tiêu chuẩn ECE R66. Dựa vào các mẫu
khung xe do nhà sản xuất SAMCO cung cấp thông qua việc sử dụng các phần mềm mô
phỏng, hỗ trợ tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn như HyperWork, LS-DYNA,
…
1.2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
1.2.1.

Đối tượng nghiên cứu

Mô hình phần tử hữu hạn khung xương xe bus sàn thấp khi đầy tải được xây dựng
dựa trên khung xe thực tế của nhà sản xuất Samco.
1.2.2.

Mục đích nghiên cứu

Phân tích tính an toàn kết cấu khung xe khách sàn thấp được khi xảy ra lật nghiêng
theo tiêu chuẩn Châu Âu - ECE R66.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên mô hình 3D.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phân tích, đánh giá độ bền của khung xe khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu
Âu – ECE R66.

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

1.5. Giá trị khoa học và thực tiễn của đề tài
Để hạn chế những thiệt hại khi tai nạn xảy ra và đáp ứng nhu cầu nội địa hóa sản
xuất khung xương ô tô khách đặc biệt đối với ô tô sàn thấp, thì việc nghiên cứu phân tích
tính an toàn kết cấu khung xe khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu là rất quan
trọng. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở tham khảo cho các nhà máy sản xuất trong nước đề
ra những giải pháp hoàn thiện khung vỏ xe theo hướng tăng cường an toàn cho người
ngồi trên xe khi xảy ra tai nạn lật nghiêng. Ngoài ra việc ứng dụng tiêu chuẩn châu Âu
vào tính toán và phân tích sẽ là bước đi quan trọng để chuyên nghiệp hóa ngành công
nghiệp sản xuất khung xe ở nước ta.

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn [4]
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số đặc biệt có hiệu quả đề tìm dạng
gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V.
Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác
định V mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm. Trong
phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi
là phần tử. Các phần tử này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần
tử gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của
đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là bậc tự do của phần tử
và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán.
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải
số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng

trong các kết cấu cơ khí các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng,
dầm cầu, … đến những bài toán lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất
lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường, … Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ
thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp đã được tính toán và thiết kế chi tiết
một cách dễ dàng.
2.1.1.

Quy tắc chia miền thành các phần tử

Việc chia miền V thành cách phần tử Ve phải thỏa mãn hai quy tắc sau:
 Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng.
Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các phần tử có thể
là các điểm, đường hay mặt.
 Tập hợp các phần tử Ve phải tạo thành các miền càng gần với miền V cho trước
càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hỏng giữa các phần tử.

Hình 2.1: Các dạng biên chung giữa hai phần tử
4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

2.1.2.

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Các dạng phần tử hữu hạn

Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, phần tử hai chiều, phần tử ba
chiều. Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử

bậc nhất) bậc hai hoặc bậc ba, … Một số dạng phần tử hữu hạn thường gặp:
Dạng phần tử một chiều:

Hình 2.2: Dạng phần tử hữu hạn một chiều
Dạng phần tử hữu hạn hai chiều:

Hình 2.3: Dạng phần tử hữu hạn hai chiều
Phần tử ba chiều:
 Phần tử tứ diện:

Hình 2.4: Dạng phần tử ba chiều kiểu tứ diện
 Phần tử lăng trụ:

Hình 2.5: Phần tử hữu hạn ba chiều lăng trụ
5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện qua ba giai đoạn:
Giai đoạn 1: Tiền xử lý (Pre-Processing)
Tiền xử lý là giai đoạn chuẩn bị (chia lưới) một chi tiết để phân tích. Dạng hình học
phức tạp được chia nhỏ thành các hình dạng đơn giản (phần tử) trong hành động chia
lưới. Điều này cho phép việc xử lý trong bước tiếp theo dự đoán được tác động bởi những
phần tử này và phân tích phản ứng của một phần phức tạp các lực và sự tương tác bên
ngoài. Phần được chia lưới sẽ được gán vật liệu, thuộc tính vật liệu, các điều kiện biên để
chuẩn bị thông tin cho giai đoạn xử lý.
Giai đoạn 2: Xử lý (Solving)

Phần xử lý thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA-Finite Element Analysis). Các
phần mềm phổ biến như Radioss, Natran, LS-Dyna, Abaqus, Ansys,…Bộ xử lý lấy thông
tin được cung cấp trong tập tin (input desk) được tạo ra trong HyperMesh ở bước 1 và
tính toán. Kết quả thu được là chuyển vị, ứng suất, biến dạng và gia tốc.
Giai đoạn 3: Hậu xử lý (Post-Processing)
Hậu xử lý là giai đoạn mà kết quả trong quá trình xử lý có được hiển thị trên
HyperView. Các đường biểu đồ màu và hình ảnh động sẽ được hiển thị làm nổi bật kết
quả, thông tin có thể được xem xét, thay thế và hiển thị dạng đồ thị.
2.2. Giới thiệu các phần mềm hỗ trợ nghiên cứu
2.2.1.

Phần mềm HyperWorks

Hình 2.6:
Hình
2.1: Phần mềm HyperWorks
HyperWorks là một trong những phần mềm CAE (Computer Aided Engineering: Ứng
dụng việc hỗ trợ tính toán phân tích trong bài toán kỹ thuật) nổi tiếng và được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực với khả năng phân tích chính xác dựa trên phương pháp phần tử hữu
hạn. Phần mềm phục vụ cho việc tính toán, mô phỏng, tối ưu hóa chi tiết, kết cấu nhằm
giảm chi phí, giảm thời gian khi sản xuất sản phẩm ra thị trường, đồng thời tăng độ tin
cậy của sản phẩm.
6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Hyperworks bao gồm 3 mảng: Mô phỏng (HyperMesh, Hyperview, Hyperview

player, Hypergraph, Hypercrash, Motionview, Hypermath), phân tích (Radioss,
Optistruct, Hyperstudy, Hypersolve, Hypershape/catia, HyperXtrude, Hyperform), kinh
doanh (Altair data manager: (ADM), Altair process manager).
Trong đề tài “Phân tích tính an toàn kết cấu khung xe khách sàn thấp sản xuất tại
Việt Nam khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu ECE R66”, chúng tôi ứng dụng
HyperMesh trong việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn. Sau quá trình phân tích tính
toán mô hình trên LS-Dyna, kết quả sẽ được hiển thị trên giao diện phần mềm
HyperView.
2.2.2.

Hypermesh

Hình 2.7: Giao diện HyperMesh
Phần mềm HyperMesh nằm trong bộ 17 module của HyperWorks là một phần mềm
chuyên dụng giúp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, đặt điều kiện biên để tính toán và
phân tích các đối tượng. HyperMesh có giao diện trực quan với cách chia và chỉnh sửa
lưới dễ dàng giúp người dùng xây dựng mô hình tính toán một cách nhanh chóng với chất
lượng lưới tốt từ đó làm tăng hiệu quả và tính chính xác cũng như độ tin cậy của quá trình
tính toán.
Để hỗ trợ cho việc phân tích tính toán mô hình phần tử hữu hạn, trong HyperMesh
tích hợp sẵn khả năng trao đổi với các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn phổ biến trên
thế giới như: LS-Dyna, Madymo, Ansys, Actran, … (Hình 2.8). Sau khi hoàn thiện, mô
7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

hình phần tử hữu hạn trong HyperMesh có thể dễ dàng chuyển sang các phần mềm trên

để tính toán.

Hình 2.8: Khả năng giao tiếp của HyperMesh và các phần mềm khác
Ngoài ra, để giúp người dùng dễ dàng sử dụng, HyperMesh cung cấp tài liệu hướng
dẫn toàn diện trong mục hỗ trợ trực tuyến (online help). Trợ giúp có thể truy cập thông
qua Menu sổ xuống hoặc sử dụng phím “H” trên bàn phím. Tài liệu hướng dẫn cung cấp
thông tin về cách sử dụng phần mềm từ cơ bản (giao diện, mở và lưu tập tin, … ) đến
chuyên sâu (tạo mặt phẳng, mặt giữa, chia lưới, kiểm tra lưới, chỉnh sửa lưới, ….).

Hình 2.9: Tài liệu hướng dẫn trực tuyến
8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

2.2.3.

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

HyperView

Hình 2.10: Giao diện phần mềm HyperView
Phần mềm HyperView, một mô đun của HyperWorks, là phần mềm sử dụng để hiển
thị, phân tích kết quả, cho phép xuất ra các thông tin, dữ liệu trong quá trình mô phỏng
dưới dạng đồ thị, hình ảnh hay video. Kết quả tính toán được thể hiện một cách trực quan
và dễ hiểu cho người dùng. Với HyperView, người dùng có thể nhanh chóng xem kết quả
mô phỏng tính toán thông qua hiển thị bằng hình ảnh về quá trình chịu tải, đồng bộ với
đồ thị về ảnh hưởng của các yếu tố ngoại lực đến sản phẩm tính. HyperView ghi lại quá
trình mô phỏng dưới định dạng H3D – định dạng có thể xem lại bằng chương trình Altair
Hyper View miễn phí. Các công cụ nâng cao trong HyperView còn cho phép tự động hoá

việc hiển thị kết quả mô phỏng và lập báo cáo.
2.2.4.

Phần mềm LS-DYNA

LS - DYNA là phần mềm đa năng mô phỏng tiên tiến được phát triển bởi Công ty
Cổ phần Công nghệ phần mềm Livermore (Livermore Software Technology
Corporation_LSTC). Chương trình phần tử hữu hạn được sử dụng để phân tích phản ứng
động phi tuyến của cấu trúc ba chiều. LS - DYNA có thể dự đoán một nguyên mẫu sẽ
phản ứng với các sự kiện thực tế, giảm thiểu thời gian dành cho thiết kế. Khả năng phân
tích tiếp xúc hoàn toàn tự động và các tính năng kiểm tra lỗi đã kích hoạt. LS-DYNA
đang được sử dụng bởi các ngành ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng, quân sự, sản xuất
và công nghệ sinh học công nghiệp. Sự tương thích và hỗ trợ hoàn toàn tự động với phần
9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

mềm HyperMesh và phát hiện lỗi của LS-DYNA cho phép người dùng trên toàn thế giới
để giải quyết thành công các bài toán khó về thiết kế, bao gồm cả vụ tai nạn phức tạp.
Kết quả mô phỏng sau khi sử dụng LS-DYNA được so sánh với dữ liệu thực nghiệm liên
tục cho khách hàng khác nhau. Những thử nghiệm rộng rãi cho người sử dụng ở một mức
độ cao và phần mềm hữu dụng trong việc sử dụng chương trình phân tích đưa ra một kết
quả mô phỏng chính xác. LS - DYNA được sử dụng để giải quyết vấn đề đa vật lý bao
gồm cơ khí, truyền nhiệt và chất lỏng hoặc là hiện tượng riêng biệt ví dụ như ứng suất
nhiệt, tương tác cấu trúc chất lỏng.
Một số hình ảnh về phần mềm LS-DYNA

Hình 2.11: Hộp thoại Start Input anf Output trên giao diện LS-DYNA
Bước 1: Tại mục Input File I =, Click chuột Browse để tìm đường dẫn, chọn file
định dạng đuôi .k, .dyn, .dat; .key, .d để đăng nhập file LS – DYNA.
Bước 2: Tại mục Output Print File O =, Click chuột Browse để chọn đường dẫn và
lưu các file sau khi chạy xong chương trình LS – DYNA.
Bước 3: Chọn Run để chương trình trong LS-DYNA bắt đầu chạy, đợi sau một thời
gian. Chú ý trong thời gian chạy có thể sẽ gặp vấn đề về lỗi, chương trình sẽ dừng, người
sử dụng cần tìm và sửa lỗi, rồi sau đó lại tiếp tục thực hiện theo bước 1.

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Hình 2.12: Giao diện chạy chương trình của LS-DYNA
2.3. Lý thuyết vật liệu kim loại
2.3.1.

Mạng tinh thể của kim loại [5]

Khái niệm mạng tinh thể: trong kim loại các nguyên tử sắp xếp có trật tự, tức là
chúng đều nằm trên những mặt phẳng song song và cách đều nhau gọi là mặt tinh thể.
Tập hợp vô số các mặt như vậy gọi là mạng tinh thể.
Tuy nhiên, trong kim loại thực tế các nguyên tử không hoàn toàn nằm ở các vị trí có
trật tự mà luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí gây nên sai lệch mạng. Trong thực
tế, không có kim loại nguyên chất tuyệt đối mà luôn tồn tại các tạp chất. Do vậy xuất hiện
các nguyên tử lạ, các nguyên tử lạ này có kích thước không tương đồng với nguyên tử
kim loại nên gây ra các sai lệch trong mạng tinh thể. Sai lệch mạng tinh thể chiếm số

lượng rất thấp (1-2% tinh thể mạng) nhưng ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của kim loại.

Hình 2.13: Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b) và ảnh tế vi mẫu đa tinh thể
sau tẩm thực (c)
11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 05/2016

2.3.2.

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN SỸ

Phân loại các sai lệch trong mạng tinh thể:

Theo kích thước của sự sắp xếp không trật tự ta phân chia sai lệch ra thành ba loại :
sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt.
 Các sai lệch điểm: là các sai lệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thông số
mạng), có dạng điểm hay bao quanh một điểm. Gồm các loại sau đây:
 Nút trống: là các nút mạng không có nguyên tử chiếm chỗ .
 Các nguyên tử nằm xen giữa các nút mạng
 Các nguyên tử lại nằm trên các nút mạng hay xen giữa các nút mạng.
Do các sai lệch mạng nên nguyên tử nằm xung quanh sai lệch nằm không đúng vị trí
quy định. Ví dụ : nút trống làm các nguyên tử xung quanh nó có xu hướng xích lại gần
nhau, nguyên tử xen giữa nút mạng làm các nguyên tử xung quanh có xu hướng bị dồn
ép lại.
Số lượng các nút trống và nguyên tử xen giữa nút mạng có xu hướng phụ thuộc vào
nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng số lượng của chúng càng nhiều, tuy nhiên không vượt quá
1-2%. Kim loại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào mạng tinh thể càng nhiều và
do đó số lượng sai lệch điểm tăng.

 Các sai lệch đường: là các sai lệch có kích thước lớn theo một chiều đo và bé theo
hai chiều đo còn lại. Nó có dạng đường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc. Lệch là dạng
sai lệch đường quan trọng nhất và có tính ổn định cao.
 Các sai lệch mặt: là các sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo
chiều đo còn lại. Nó có dạng mặt cong, mặt phẳng. Gồm các loại sau: biên giới giữa các
hạt, các mặt trượt, các mặt song tinh, mặt ngoài tinh thể.

Hình 2.14: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Nút trống Frenkel (a), Nút trống
chottky (b) Nguyên tử xen kẽ (c) và thay thế (d)
12