Thiết kế tối ưu tính an toàn kết cấu thân xe khách 29 34 chỗ ngồi (sản xuất tại việt nam) khi xảy ra va chạm lật nghiêng

TÓM TẮT
Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu đi lại của người dân
ngày càng nhiều, để đáp ứng được nhu cầu đó xe khách là một giải pháp đặc biệt hiệu
quả. Được cho là một trong những phương tiện có độ an tồn cao khi lưu thông trên
đường tuy nhiên tại nạn giao thông vẫn xảy ra, đặc biệt là tai nạn lật nghiêng, gây
chấn thương tử vong rất nhiều hành khách cùng lúc. Vậy nên vấn đề an toàn cho hành
khách là một vấn đề được quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất.
Hiểu rõ được sự cấp thiết của vấn đề đối với xe khách hiện nay nên đề tài “
Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu thân xe khách 29/34 chỗ ngồi (sản xuất tại
Việt Nam) khi xảy ra va chạm lật nghiêng” được thực hiện. Đề tài đã ứng dụng
được kỹ thuật CAE để xây dựng mô hình và mơ phỏng q trình lật nghiêng của xe
khách 29/34 chỗ ngồi theo tiêu chuẩn ECE R66. Tiến hành thiết kế các thí nghiệm
mơ phỏng để đưa ra phương trình hồi quy bằng phần mềm SPSS. Sau đó ứng dụng
giải thuật di truyền GA trong phần mềm MATLAB để giải các phương trình hồi quy
và tìm ra được các giá trị tối ưu cho mơ hình. Sau đó tiến hành mơ phỏng kiểm nghiệm
lại tính năng an tồn kết cấu. Kết quả đạt được mơ hình khung xương giảm thêm 16,9
% khối lượng so với trước khi tối ưu đồng thời đảm bảo được độ an toàn khi xảy ra
va chạm lật nghiêng theo tiêu chuẩn châu Âu.

iv


ABSTRACT
Currently, along with economic and social development, the travel needs of the
people more and more, to meet the demand that the passenger car is a particularly
effective solution. Expected to be one of the vehicles with high safety when on the
road but traffic accidents still occur, especially accident tilt, causing fatal injuries at
the same time a lot of passengers. So the safety issue for passengers is an issue of top
concern of manufacturers.
Understanding the urgency of the problem for current passenger cars, the topic
"Optimal design for the safety of the 29/34 passenger car body structure (made

in Vietnam) in case of a tipping collision occurs. ". The research applied the CAE
technique to build a model and simulate the tilting process of the car which has 29/34
seats following the standard ECE R66. Designing simulation experiments to give the
regression equation using SPSS software. Then the application of genetic algorithms
in Matlab software GA to solve the regression equation and find the optimal values
for the model. The next step that will be conducted a simulation to test the structural
safety features Then conduct a simulation to test the structural safety features. The
results achieved an additional 16.9 % weight reduction in the skeleton model
compared to before optimization while ensuring safety when tipping collisions occur
according to European standards.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ..................................................................................... xiii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ........................................1

1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................1
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ..........................................3
1.2.1 Các nghiên cứu trong nước ................................................................................3
1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước ................................................................................4
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ............................................................................7
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................7
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................7
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................7
1.5 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................7
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM .......................8
2.1 Tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng ơ tơ khách theo tiêu chuẩn Châu Âu (ECE R66) 8

vi


2.2 Xác định trọng tâm xe ........................................................................................10
2.2.1 Xác định trọng tâm theo chiều dọc ................................................................10
2.2.2 Xác định trọng tâm theo chiều cao.................................................................11
2.2.3 Xác định độ lệch trọng tâm theo chiều ngang ................................................12
2.3 Lý thuyết biến dạng phi tuyến tính .....................................................................12
2.4 Giới hạn lật đổ của xe .........................................................................................16
2.5 Vận tốc góc khi lật .............................................................................................17
2.6 Giới thiệu các phần mềm ..................................................................................21
2.6.1 Phần mềm Solidworks......................................................................................21
2.6.2 Phần mềm Hyperworks ....................................................................................22
2.6.2.1 HyperMesh ....................................................................................................22
2.6.2.2 Hyperview .....................................................................................................23
2.6.3 Phần mềm LS-DYNA ......................................................................................24
2.6.4 Phần mềm Matlab ............................................................................................25
2.6.5 Phần mềm SPSS ...............................................................................................26

Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN XE Ô TÔ KHÁCH
VÀ MÔ PHỎNG LẬT NGHIÊNG ........................................................................28
3.1 Xây dựng mơ hình xe khách 29/34 chỗ ..............................................................28
3.1.1 Bản vẽ Cad 2D xe khách 29/34 chỗ .................................................................28
3.1.2 Bản vẽ 3D xe 29/34 chỗ ...................................................................................31
3.2 Tạo mặt giữa và chỉnh sửa mơ hình trong Hypermesh .......................................31
3.2.1 Tạo mặt giữa cho mơ hình ...............................................................................31
3.2.2. Chỉnh sửa mơ hình ..........................................................................................32
3.3 Chia lưới mơ hình và kiểm tra chất lượng lưới ...................................................33

vii


3.3.1 Chia lưới ...........................................................................................................33
3.3.2 Kiểm tra và chỉnh sửa lưới ...............................................................................34
3.4. Thiết lập mơ hình lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66 ..................................40
3.4.1.Thiết kế mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm. ................................................40
3.4.2. Thiết kế khơng gian an tồn theo tiêu chuẩn ECE R66 ..................................43
3.5 Tạo vật liệu, các thuộc tính và điều kiện biên theo tiêu chuẩn ECE R66 ...........43
3.5.1 Tạo vật liệu cho mơ hình ..................................................................................43
3.5.2 Tạo thuộc tính vật liệu......................................................................................45
3.5.3 Gán thơng số vật liệu và thuộc tính vào đối tượng cần thiết lập ......................45
3.5.4 Thiết lập điều kiện biên theo tiêu chuẩn ECE R66 ..........................................46
3.6. Khối lượng tổng thể và đặt khối lượng lên mơ hình ..........................................46
3.6.1 Khối lượng tổng thể mơ hình ...........................................................................46
3.6.2 Đặt khối lượng lên mơ hình .............................................................................47
3.7 Tạo phương trọng lực tác dụng ...........................................................................49
3.7.1 Liên kết khơng gian an tồn với sàn xe ............................................................50
3.7.2 Tạo liên kết các đối tượng còn lại ....................................................................52
3.8 Tạo tiếp xúc xe với mặt đường và đặt vận tốc góc Omega .................................55

3.8.1 Tạo tiếp xúc cả xe với mặt đường ....................................................................55
3.8.2 Gán giá trị vận tốc góc cho mơ hình ................................................................57
3.9 Xuất tọa độ trọng tâm và tạo tín hiệu khảo sát thơng tin đầu ra. ........................58
3.9.1 Xuất tọa độ trọng tâm của xe ...........................................................................58
3.9.2 Tạo tín hiệu khảo sát thông tin đầu ra của trọng tâm: ......................................59
3.10 Thiết lập các thông số điều khiển......................................................................60
3.11 Kiểm tra lỗi trước khi đưa vào LS – Dyna mô phỏng.......................................62
viii


3.12 Xuất file trong Hypermesh và q trình chạy mơ phỏng trong LS – Dyna. .....63
3.12.1 Xuất file trong Hypermesh .............................................................................63
3.12.2 Chạy file mô phỏng trong LS – Dyna ............................................................64
3.13 Hiển thị kết quả trên Hyperview .......................................................................65
3.14 Kết luận .............................................................................................................66
Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG – THIẾT KẾ CẢI TIẾN VÀ
TỐI ƯU MƠ HÌNH KHUNG XƯƠNG ................................................................67
4.1 Giới thiệu.............................................................................................................67
4.2 Phân tích kết quả mơ phỏng khung xương ban đầu ............................................67
4.2.1 Vị trí xuất hiện ứng suất tập trung....................................................................68
4.2.2 Kết luận mơ hình ban đầu từ kết quả mơ phỏng...............................................70
4.3 Phương án thiết kế cải tiến mơ hình khung xương ban đầu ................................70
4.3.1 Tăng bề dày các thanh ......................................................................................70
4.3.2 Tối ưu hóa mơ hình khung xương ....................................................................71
4.3.3 Thiết kế thí nghiệm mơ phỏng .........................................................................73
4.4 Kết quả thu thập số liệu thí nghiệm mơ phỏng ...................................................75
4.5 Lập phương trình hồi quy thực nghiệm...............................................................75
4.5.1 Thực hiện tính tốn hồi quy .............................................................................79
4.5.2 Kết quả hồi quy trọng lượng M theo các biến x ..............................................80
4.5.3 Kết quả hồi quy của khoảng cách D1 ...............................................................81

4.5.4 Kết quả hồi quy của khoảng cách D2 ...............................................................83
4.6 Giải phương trình hồi quy bằng Matlab ..............................................................84
4.7 Chạy lại mơ phỏng để kiểm nghiệm q trình tính tốn tối ưu. .........................87
4.7.1 Hiển thị kết quả tối ưu ......................................................................................87

ix


4.7.2 So sánh đồ thị lực tác dụng trước và sau khi tối ưu .........................................88
4.8 Kết luận ...............................................................................................................89
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...........................90
5.1 Kết luận chung ....................................................................................................90
5.2 Hạn chế và hướng phát triển của đề tài ...............................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................92
PHỤ LỤC .................................................................................................................94
Phụ lục 1: Kết quả kéo nén thực nghiệm loại thép hộp mẫu 1. ................................94
Phụ lục 2: Kết quả kéo nén thực nghiệm loại thép hộp mẫu 2. ................................96
Phụ lục 3: Kết quả kéo nén thực nghiệm loại thép hộp mẫu 3. ................................98
Phụ lục 4: Kết quả kéo nén thực nghiệm loại thép hộp chữ nhật. ..........................100

x


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ECE R66

Tiêu chuẩn Châu Âu

PTHH

Phần tử hữu hạn

CAE

Kỹ thuật máy tính

t

Khoảng cách từ trọng tâm đến trục

{U}

Chuyển vị nút

{e}

Hàm trạng thái biến dạng



Ứng suất



Độ giãn dài



Hệ số poisson

M

Moment

L

Chiều dài tổng thể của xe

B

Chiều rộng cơ sở



Vận tốc góc

G, G’, G’’

Là tọa độ trọng tâm khác nhau khi xe lật

EG, EG’, EG”

Động năng trong quá trình lật đổ

J

Moment quán tính

D357, D135, D159

Loại thép dùng làm thử nghiệm

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3. 1 Thông số chất lượng lưới của mơ hình ....................................................38
Bảng 3. 2 Các tiêu chuẩn chất lượng lưới ................................................................39
Bảng 3. 3 Bảng thống kê tính chất vật liệu các loại thép .........................................44
Bảng 3. 4 Bảng đơn vị đo lường theo tiêu chuẩn .....................................................46
Bảng 3. 5 Bảng khối lượng tổng thể của mơ hình ....................................................47
Bảng 4. 1 Bảng cấp độ các nhân tố ...........................................................................74
Bảng 4. 2 Bảng giá trị các biến thiết kế thí nghiệm trực giao ..................................74
Bảng 4. 3 Kết quả thu thập số liệu thí nghiệm ........................................................75
Bảng 4. 4 Bảng thiết lập hồi quy mặt phản ứng bậc 2 của các biến. ........................76
Bảng 4. 5 Bảng hệ số tương quan R .........................................................................80
Bảng 4. 6 Bảng phương sai kết cấu tối ưu M ...........................................................80
Bảng 4. 7 Bảng tham số hồi quy ...............................................................................81
Bảng 4. 8 Bảng hệ số tương quan R .........................................................................81
Bảng 4. 9 Bảng phương sai kết cấu tối ưu D1...........................................................82
Bảng 4. 10 Bảng tham số hồi quy .............................................................................82
Bảng 4. 11 Bảng hệ số tương quan R .......................................................................83
Bảng 4. 12 Bảng phương sai kết cấu tối ưu D2.........................................................83
Bảng 4. 13 Bảng tham số hồi quy .............................................................................83
Bảng 4. 14 Kết quả các biến x, trọng lượng M, khoảng cách D1, D2 sau tối ưu ......86
Bảng 4. 15 Bảng giá trị kiểm nghiệm trước tối ưu và sau tối ưu .............................87

xii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 1. 1 Ơ tơ khách đâm vào thanh chắn rồi lật .......................................................2
Hình 1. 2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đoạn xe khi lật nghiêng ...............6
Hình 2. 1 Khơng gian an tồn theo mặt cắt ngang .....................................................9
Hình 2. 2 Khơng gian an tồn theo mặt cắt dọc .........................................................9
Hình 2. 3 Tiêu chuẩn ECE R66 để kiểm nghiệm an tồn lật nghiêng. ....................10
Hình 2. 4 Sơ đồ khối lượng phân bố trên xe theo chiều dọc ....................................10
Hình 2. 5 Đưa xe lên bàn cân ...................................................................................11
Hình 2. 6 Cân bánh xe bên trái lên bàn cân ..............................................................12
Hình 2. 7 Mối quan hệ ứng suất và biến dạng. .........................................................13
Hình 2. 8 Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu đàn hồi ..................................14
Hình 2. 9 Thí nghiệm thực tế và miền giới hạn đàn hồi. ..........................................14
Hình 2. 10 Mơ tả q trình biến dạng trượt của vật liệu ..........................................15
Hình 2. 11 Sơ đồ lực và mơ men tác dụng lên xe ....................................................16
Hình 2. 12 Xe đang đứng yên trên mặt phẳng lật.....................................................17
Hình 2. 13 Xe bắt đầu lật ..........................................................................................18
Hình 2. 14 Xe bắt đầu chạm mặt đường ...................................................................18
Hình 2. 15 Sự thay đổi trọng tâm khi lật ..................................................................19
Hình 2. 16 Động năng ban đầu .................................................................................20
Hình 2. 17 Giao diện phần mềm Solidworks ...........................................................21
Hình 2. 18 Giao diện làm việc của phần mềm Hypermesh v9.0 ..............................23
Hình 2. 19 Giao diện làm việc của phần mềm HyperView ......................................24

Hình 2. 20 Tổng giao diện làm việc của phần mềm LS-DYNA ..............................25
Hình 2. 21 Hộp thoại Start Input and Output ...........................................................25
Hình 2. 22 Giao diện làm việc phần mềm Matlab....................................................26
Hình 2. 23 Giao diện làm việc phần mềm SPSS ......................................................27
Hình 3. 1 Bản vẽ 2D kết cấu mảng chụp đầu của xe ................................................28
Hình 3. 2 Bản vẽ 2D kết cấu mảng chụp đuôi của xe. .............................................29
xiii


Hình 3. 3 Bản vẽ 2D mảng hơng trái và phải của xe ................................................29
Hình 3. 4 Bản vẽ 2D kết cấu mảng sàn xe ...............................................................30
Hình 3. 5 Bản vẽ 2D kết cấu mảng mui xe...............................................................30
Hình 3. 6 Bố trí chung sát xi.....................................................................................30
Hình 3. 7 Bản vẽ 3D xe khách 29/34 chỗ .................................................................31
Hình 3. 8 Tạo mặt giữa cho mơ hình 3D ..................................................................32
Hình 3. 9 Trước và sau khi tạo mặt giữa ..................................................................32
Hình 3. 10 Các lỗ trước và sau khi bị xóa ................................................................33
Hình 3. 11 Trước và sau khi xóa các mặt bo trịn ....................................................33
Hình 3. 12 Trước và sau khi chia lưới ......................................................................34
Hình 3.13 Vị trí các nút lưới chưa liên kết với nhau ................................................35
Hình 3. 14 Bảng hiển thị chất lượng lưới. ................................................................35
Hình 3. 15 Bảng hiển thị màu tương ứng với chất lượng lưới .................................35
Hình 3. 16 Trước và sau khi chỉnh sửa lưới .............................................................36
Hình 3. 17 Chỉnh sửa tiêu chuẩn chất lượng lưới.....................................................36
Hình 3. 18 Các thanh được liên kết với nhau bằng mối hàn ....................................37
Hình 3. 19 Kiểm tra lỗi lưới tồn bộ mơ hình ..........................................................38
Hình 3. 20 Tạo node bất kỳ với tọa độ cho trước .....................................................41
Hình 3. 21 Tạo mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm từ các node đã tạo. ...............41
Hình 3. 22 Hộp thoại xoay góc lật tới hạn ...............................................................42
Hình 3. 23 Cố định mặt phẳng lật và mặt phẳng va chạm .......................................42

Hình 3. 24 Khơng gian an tồn được thiết kế theo tiêu chuẩn ECE R66 .................43
Hình 3. 25 Tạo vật liệu cho mơ hình ........................................................................44
Hình 3. 26 Gán thơng số vật liệu ..............................................................................45
Hình 3. 27 Tạo thuộc tính vật liệu ............................................................................45
Hình 3. 28 Gán thuộc tính vật liệu ...........................................................................46
Hình 3. 29 Thiết lập khối lượng hành khách ............................................................48
Hình 3. 30 Đặt khối lượng đại diện cho kính bên mảng hơng. ................................48
Hình 3. 31 Kiểm tra khối lượng tổng thể của mơ hình. ............................................49
xiv


Hình 3. 32 Tạo đồ thị trọng lực ................................................................................50
Hình 3. 33 Liên kết các chi tiết, bộ phận trên mô hình với nhau .............................50
Hình 3. 34 Chọn các nút cần liên kết trên sàn xe. ....................................................51
Hình 3. 35 Chọn loại liên kết cho khơng gian an tồn. ............................................51
Hình 3. 36 Vào PID chọn đối tượng khơng gian an tồn .........................................52
Hình 3. 37 Thiết lập liên kết khơng gian an tồn với nút trên sàn xe. ......................52
Hình 3. 38 Kết quả liên kết khơng gian an tồn với sàn xe .....................................52
Hình 3. 39 Liên kết Bệ đỡ – Sát xi ...........................................................................53
Hình 3. 40 Liên kết Cầu xe – Mâm bánh xe.............................................................53
Hình 3. 41 Liên kết Lốp – Mâm Bánh xe .................................................................54
Hình 3. 42 Liên kết động cơ với đuôi sát xi .............................................................54
Hình 3. 43 Tạo kiểu liên kết cho Bệ đỡ với Cầu xe. ................................................55
Hình 3. 44 Hộp thoại liên kết cứng Bệ đỡ - Cầu xe .................................................55
Hình 3. 45 Liên kết Bệ đỡ - Cầu xe. .........................................................................55
Hình 3. 46 Chọn các đối tượng để tạo tiếp xúc của xe với mặt đường. ...................56
Hình 3. 47 Tạo tên thiết lập tiếp xúc. .......................................................................56
Hình 3. 48 Thiết lập tiếp xúc của xe và mặt đường. ................................................56
Hình 3. 49 Hiện kết quả thiết lập tiếp xúc. ...............................................................57
Hình 3. 50 Chọn các đối tượng để đặt vận tốc góc ...............................................57

Hình 3. 51 Gán giá trị vận tốc góc và tọa độ tâm lật ................................................58
Hình 3. 52 Xuất tọa độ trọng tâm. ............................................................................59
Hình 3. 53 Tọa độ trọng tâm xuất hiện trên mơ hình ...............................................59
Hình 3. 54 Tạo tín hiệu quan sát đầu ra....................................................................60
Hình 3. 55 Thiết lập dung lượng phân tích cho LS - DYNA ...................................60
Hình 3. 56 Thiết lập thơng số về năng lượng. ..........................................................60
Hình 3. 57 Thơng số tỷ lệ hao hụt năng lượng .........................................................61
Hình 3. 58 Thiết lập các thơng số về thời gian mơ phỏng........................................61
Hình 3. 59 Thiết lập thơng số bước thời gian ...........................................................61
Hình 3. 60 Thơng số xuất dữ liệu tính tốn mơ phỏng .............................................62
xv


Hình 3. 61 Thơng số xác định dữ liệu đầu ra trong mơ phỏng .................................62
Hình 3. 62 Kiểm tra lỗi trước khi mơ phỏng ............................................................63
Hình 3. 63 Lỗi trùng mối hàn ...................................................................................63
Hình 3. 64 Xuất file *.k để chạy mơ phỏng .............................................................64
Hình 3. 65 Hộp thoại duyệt tìm file *.k vào chạy mơ phỏng ...................................64
Hình 3. 66 Q trình mơ phỏng diễn ra và thời gian mơ phỏng cịn lại. ..................65
Hình 3. 67 Duyệt tìm file d3plot để chạy kết quả trong Hyperview. .......................65
Hình 3. 68 Kết quả được hiển thị trong Hyperview .................................................66
Hình 4. 1 Kết quả mơ phỏng khung xương ban đầu. ...............................................68
Hình 4. 2 Ứng suất tập trung của mảng hơng bên trái..............................................68
Hình 4. 3 Ứng suất tập trung của mảng hơng bên phải. ...........................................69
Hình 4. 4 Ứng suất tập trung của đầu xe. .................................................................69
Hình 4. 5 Ứng suất tập trung của mui xe. .................................................................69
Hình 4. 6 Ứng suất tập trung của đi xe. ................................................................70
Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng khung xương sau khi cải tiến .....................................71
Hình 4. 8 Đồ thị lực tác dụng sau khi cải tiến ..........................................................71
Hình 4. 9 Chọn các biến thiết kế tối ưu ....................................................................72

Hình 4. 10 Khoảng cách D theo tiêu chuẩn ..............................................................73
Hình 4. 11 Nhập dữ liệu vào SPSS...........................................................................79
Hình 4. 12 Định dạng kiểu dữ liệu trong Variable View. ........................................79
Hình 4. 13 Nhập biến M và các biến độc lập X để phân tích hồi quy......................80
Hình 4. 14 Chương trình chính trong Matlab ...........................................................84
Hình 4. 15 Chương trình con hàm mục tiêu .............................................................85
Hình 4. 16 Chương trình con hàm điều kiện ............................................................85
Hình 4. 17 Hiển thị kết quả ......................................................................................85
Hình 4. 18 Tính D1, D2 để kiểm tra từ kết quả tối ưu ...............................................86
Hình 4. 19 Kết quả hiển thị sau khi tối ưu................................................................87
Hình 4. 20 Đồ thị lực tác dụng sau khi tối ưu ..........................................................88
Hình 4. 21 Đồ thị so sánh lực tác dụng trước và sau khi tối ưu ...............................89
xvi


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế nước ta đang trên đà phát triển.
Việc đi lại giữa các vùng, miền là nhu cầu không thể thiếu được. Với yêu cầu cấp
thiết như thế đã có rất nhiều loại xe khách, lưu hành trên các loại đường để đáp ứng
nhu cầu đi lại của người dân.
Ngoài tính u cầu kỹ thuật, thẩm mỹ, tiện nghi,…ơ tơ cịn địi hỏi tính an tồn
và độ tin cậy cao đối với người sử dụng nó. Trong lĩnh vực giao thơng đường bộ thì
ơ tơ nói chung và xe khách nói riêng có tầm ảnh hưởng rất lớn tới việc vận chuyển
hàng hóa, con người, trong đó ơ tơ khách là loại phương tiện giao thông công cộng
giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông đô thị và lưu thông liên tỉnh…
Theo thống kê của Cục Cảnh Sát Giao Thông (CSGT) đường bộ - đường sắt Bộ Công
An đến đầu tháng 1 năm 2014 cả nước có 65.294 phương tiện vận tải hành khách từ
29 chỗ trở lên, trong đó có 1.612 xe khách giường nằm. Trong năm 2013 số vụ tai
nạn đường bộ xảy ra 30.874 vụ, trong đó có đến 21% là do người điều khiển ơ tơ gây

ra và 9,7% liên quan đến ô tô chở khách. Theo một báo cáo được Tổ chức Y tế thế
giới (WHO) công bố năm 2018, Việt Nam đứng thứ 2 trong khu vực Đông Nam Á
về số người chết do va chạm trên đường, với tỉ lệ 26,1/100.000 người. Thống kê trong
năm 2018 có 24.970 người thiệt mạng vì tai nạn giao thơng tại Việt Nam. Trong đó
có một số vụ tai nạn đặc biệt nghiêm trọng có liên quan đến xe khách va chạm lật
nghiêng khi tham gia giao thông gây tổn hại đến con người.
Vụ tai nạn xảy ra vào lúc 14 giờ ngày 26/7/2020 trên đường Hồ Chí Minh nhánh phía
tây, gần khu vực cầu Trạ Ang, cách Phong Nha khoảng 10 km, thuộc địa bàn H.Bố
Trạch, Quảng Bình do xe khách mất phanh đâm vào lan can bên đường và lật nghiêng
khiến 13 người tử vong và 27 người bị thương.

1


Hình 1. 1 Ơ tơ khách đâm vào thanh chắn rồi lật
Càng ngày số lượng các vụ tai nạn giao thông càng tăng lên, một phần do ý thức
của người tham gia giao thông và ảnh hưởng không nhỏ phải kể đến việc tính tốn,
thiết kế, chất lượng sản xuất của các công ty. Các vụ tai nạn diễn ra có thể là trực
diện, từ bên hơng hay đằng sau, quá trình va chạm diễn ra làm biến dạng cấu trúc
khung xe do đó làm tổn thương đến hành khách bên trong. Vấn đề an toàn của xe và
bảo vệ cho hành khách đã là một chủ đề được các công ty sản xuất quan tâm từ lâu,
nắm được yêu cầu đó các nhà nghiên cứu phần mềm đã đưa ra những phần mềm phục
vụ cho việc nghiên cứu, kiểm tra chất lượng kỹ thuật.
Trên cơ sở đó, đề tài đã vận dụng những phần mềm như Hypermesh, LS-DYNA
để nghiên cứu, mơ phỏng tính an tồn của kết cấu thân ô tô khách sử dụng khung
xương sát-xi chịu lực Monocoque 29/34 chỗ ngồi sản xuất trong nước, hiện tại chưa
có cơng trình nghiên cứu trong nước được cơng bố khi xảy ra quá trình lật nghiêng
theo tiêu chuẩn Châu Âu (ECE R66). Trên cơ sở kết quả mô phỏng, tiến hành thiết
kế cải tiến tính an tồn, nhằm đảm bảo độ bền, an toàn cho hành khách. Nghiên cứu
này cần thiết đối với ngành công nghiệp ô tô ở nước ta cũng như thế giới hiện nay.

2


1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay các đề tài nghiên cứu trong nước vẫn đang tập trung thiết kế cải tiến
khung xương, sát-xi và mô phỏng trạng thái bền tĩnh, tính ổn định của ơ tơ. Tuy nhiên
các nghiên cứu về va chạm như: lật nghiêng, va chạm trực diện, va chạm bên hông
…vv.. vẫn chưa được thực hiện một cách đầy đủ nhất, và hiện tại thì các đề tài nghiên
cứu về các loại va chạm này vẫn đang được các trường Đại học cũng như các doanh
nghiệp thực hiện. Trong đó có các đề tài như sau:
Nghiên cứu, thiết kế, cải tiến tính an tồn lật nghiêng ô tô khách trên cơ sở tiêu
chuẩn Châu Âu ECE R66 được thực hiện bởi tác giả Đỗ Kim Hoàng.[1] Kết quả nghiên
cứu của tác giả là mơ hình khung xương ban đầu bị xâm phạm không đạt yêu cầu về
tiêu chuẩn ECE R66, tiến hành cải tiến theo phương án là bo góc cạnh, đắp thêm
miếng ốp, gia tăng tiết diện, gia tăng độ dày tại các điểm có ứng suất nguy hiểm.
Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng
theo tiêu chuẩn Châu Âu được thực hiện bởi tác giả Dương Chí Thiện. [2] Tác giả tiến
hành kiểm tra mô phỏng kiểm tra kết cấu khung xương không đạt yêu cầu về tiêu
chuẩn ECE R66. Sau đó tiến hành chọn biến và tối ưu hóa ra kết quả không thông
qua cải tiến. Kết quả là trọng lượng các thanh kết cấu sau khi tối ưu hóa giảm 12,8%
và chiều cao trọng tâm giảm 5,8mm so với trước khi cải tiến.
Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu đầu xe Bus khi xảy ra va chạm trực diện
được thực hiện bởi tác giả Phạm Quang Dư.[3] Ở đề tài này từ mơ hình ban đầu mơ
phỏng khơng đạt yêu theo tiêu chuẩn châu Âu tác giả đã cải tiến theo 2 phương án:
+ Phương án 1: Sử dụng vật liệu tương đồng thiết kế các thanh tăng bền cho kết cấu
chassi phần đầu xe.
+ Phương án 2: Kế thừa phương án 1 sau đó thay đổi vật liệu ở những đối tượng được
chọn bằng nhôm và kết cấu tăng tính hấp thụ. Kết quả sau khi mơ phỏng cho thấy

phương án 2 có ưu điểm hơn và có khối lượng giảm thêm 9,812% so với trước khi
cải tiến, gia tốc từ 5,341 mm/ms2 xuống còn 4,809 mm/ms2.

3


Nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu an toàn lật nghiêng ô tô khách ghế ngồi
Universe trên cơ sở tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R66 được thực hiện bởi tác giả
Phạm Hồng Thao.[4] Tác giả đã tiến hành giảm bề dày của các thanh ( giảm được
13,5%) do kết cấu ban đầu đã dư bền. Tiếp tục thay đổi kết cấu của các thanh ở mảng
bên hông trái và bên hơng phải, các thanh ở mảng nóc và ốp miếng gia cường. Sau đó
tiến hành tối ưu mơ hình khung xương. Kết quả đạt được khối lượng sau khi tối ưu
giảm thêm được 5% so với trước khi tối ưu và tổng khối lượng của mơ hình giảm
được là 18,5% so với trước khi cải tiến.
Thiết kế tối ưu kết cấu khung xương và sát xi ô tô khách được thực hiện bởi
tác giả Nguyễn Thành Tâm.[5] Tác giả tiến hành mô phỏng và kiểm tra khung xương
khơng đạt u cầu sau đó tối ưu hóa các biến lượng thiết kế để giảm khối lượng của
khung xương. Kết quả trọng lượng kết cấu khung xương sát xi giảm 11,4% so với
kết cấu ban đầu.
Nghiên cứu tính bền kết cấu khung xương ô tô chở khách theo tiêu chuẩn
E/ECE/TRANS/505/66 được thực hiện bởi tác giả Nguyễn Khắc Huân.[6] Tác giả đã
tiến hành kiểm tra khung xương ô tô khách Transinco K46 theo tiêu chuẩn ECE R66
và kết luận đạt u cầu khơng vi phạm khơng gian an tồn, có trọng lượng nhỏ.
Tất cả những đề tài ở trên đều là những đề tài minh chứng cho việc nghiên
cứu trong nước về khung xe buýt, xe khách đang thực hiện ở các trường đại học.Tất
cả các đề tài này đều dừng lại ở mức độ lý thuyết dựa trên kỹ thuật máy tính CAE
để mơ phỏng, chưa có mơ hình thực nghiệm và chưa áp dụng vào thực tế trong sản
xuất, một phần là do điều kiện về ngành ô tô nước ta chưa phát triển mạnh cũng như
chưa thuyết phục được các doanh nghiệp. Vì vậy mục đích của tác giả khi nghiên
cứu thực hiện đề tài này là đưa ra các thông số cụ thể sau khi tính tốn áp dụng vào

việc xây dựng mơ hình xe khách mới, cũng như có mơ hình kiểm nghiệm độ cứng
khung xương của xe, đảm bảo an toàn kết cấu theo tiêu chuẩn ECE R66.
1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Đối với mỗi chiếc xe khi sản xuất đều phải đảm bảo tính năng an tồn kết cấu.
Vậy nên việc thiết kế ô tô luôn được các nhà nghiên cứu chú trọng tới, và các nhà
4


nghiên cứu thiết kế chế tạo ô tô dựa vào tiêu chuẩn an toàn của nhà chức trách thực
hiện nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm tính năng an tồn trước khi sản xuất hàng
loạt. Như tiêu chuẩn quy định cường độ cứng khung xương ô tô khi xảy ra lật (Châu
Âu ECE R66, Mỹ FMVSS 216), tiêu chuẩn đánh giá tổn thương của người ngồi trong
ô tô khi xảy ra tai nạn: (Châu Âu ECE R94.01, Mỹ FMVSS 208, Trung Quốc GB
11551-2003), tiêu chuẩn đánh giá tổn thương người đi bộ (Châu Âu 2003/102/EC).
Tùy vào mức độ thiết kế an tồn mà ơ tơ đó được xếp loại an tồn 1 sao, 2 sao,…và
cao nhất là 5 sao.
Có nhiều bài báo ở nhiều quốc gia khác nhau nghiên cứu về vấn đề an tồn lật
nghiêng, có thể kể đến những bài báo sau:
Study on Bus Rollover Crashwordthiness Based on Tube Filling Method được
thực hiện bởi nhóm tác giả: Cao Libo, Nguyễn Thành Tâm, Huang Xingang, Pang
Jiniun. [7] Đề tài sử dùng keo Epoxy AB và bột gỗ bắn vào vị trí bị biến dạng cho kết
quả mơ phỏng đạt u cầu về tính an tồn lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66.
Lightweight Design of Bus Body to Satisfy Rollover Safety được thực hiện bởi
Nguyễn Thành Tâm, Cao Libo, Shi Xiangnan, Xu Zheng.[8] Đề tài tối ưu hóa chiều
cao cột gỗ, và bề dày thép hộp. Kết quả giảm khối lượng 23,7 % so với trước tối ưu
mà không gian an tồn khơng bị xâm phạm theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66.
Effectiveness Of Ece R66 And Fmvss 220 Standards In Rollover
Crashworthiness Assessment Of Paratransit Buses được thực hiện bởi B. Gepner, C.
Bojanowski, L. Kwasniewski và J. Wekezer.[9] Đề tài của nhóm tác giả này là đánh
giá hai tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng ECE R66 và FMVSS 220 trên cùng một mơ

hình xe bt Paratransit. Kết quả đạt được khác nhau nên có kết luận khác nhau để
so sánh hai tiêu chuẩn an toàn lật nghiêng.
Numerical Simulation of Bus Rollover được thực hiện bởi Tomas Wayhs
Tech.[10] Ở đề tài này tác giả đã thực hiện mô phỏng kết cấu khung xương xe khách
khi xảy ra lật nghiêng theo tiêu chuẩn ECE R66, sau đó cải tiến và kiểm nghiệm thanh
khung xương cải tiến bằng mơ hình kéo nén, đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn châu
Âu.
5


New Optimized Bus Structure to Improve the Roll-Over Test (ECE-R66) Using
Structural Foam with High Strength Steel được thực hiển bởi Salvador Ruiz and
Pablo Cruz, Blai Sorita and Humbert Vida.[11] Trong nghiên cứu này, một giải pháp
sử dụng thép cường độ cao và bọt kết cấu đã được thiết kế để cải thiện sự hấp thụ
năng lượng và giảm trọng lượng cuối cùng của cấu trúc xe buýt.
Structural Design Optimization of the Body Section Using the Finite Element
Method được thực hiện bởi Yu-Cheng Lin và Hong-CHi Nian.[12] Trong đề tài này
tác giả đã thực hiện một phần của khung xương sau đó tiến hành kiểm nghiệm thực
tế và so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm, tiến hành điều chỉnh các thông
số kỹ thuật để kết quả gần bằng nhau. Kết quả được thể hiện ở Hình 1.1

Hình 1. 2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đoạn xe khi lật nghiêng
Từ các nghiên cứu tổng quan nêu trên, hầu như các đề tài đều thực hiện trên xe
buýt cũng như xe khách giường nằm, việc “Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu thân
xe khách 29/34 chỗ ngồi (sản xuất tại Việt Nam) khi xảy ra va chạm lật nghiêng” là
rất cần thiết.

6

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Thiết kế, tối ưu hóa kết cấu khung xương sát-xi xe khách 29/34 chỗ đảm bảo an
toàn theo tiêu chuẩn ECE R66, giảm trọng lượng, tăng khả năng hấp thụ năng lượng
va chạm.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài dựa trên mô hình khung xương ơ tơ khách 29/34
chỗ ngồi do nhà sản xuất trong nước cung cấp.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
- Phân tích trạng thái bền động của kết cấu khung xương bên hông ô tô khách
29/34 chỗ ngồi. Bỏ qua sự mất mát năng lượng khi xe chuyển động.
- Thiết kế tối ưu tính an tồn kết cấu thân xe khách khi xảy ra va chạm lật nghiêng
theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R66.
1.5 Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan các đề tài nghiên cứu về tính an tồn kết cấu thân xe khách
- Phương pháp xây dựng cơ sở lý thuyết và ứng dụng phần mềm.
- Xây dựng mô hình xe khách 29/34 chỗ từ 2D sang 3D và tiến hành phân tích
phần tử hữu hạn.
- Dùng phần mềm LS – Dyna để mơ phỏng q trình va chạm lật nghiêng và
phần mềm HyperView để hiển thị và phân tích kết quả mơ phỏng.
- Từ kết quả mơ phỏng ta tiến hành thiết kế tối ưu mơ hình khung xương, dùng
phần mềm SPSS phân tích tối ưu hồi quy và giải thuật di truyền GA trong Matlab để
tìm ra giá trị tối ưu.
- Mô phỏng, kiểm nghiệm và đánh giá lại kết quả đạt được sau khi thiết kế tối ưu
mơ hình khung xương và so sánh với tiêu chuẩn ECE R66.

7


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHẦN

MỀM
2.1 Tiêu chuẩn an tồn lật nghiêng ơ tơ khách theo tiêu chuẩn Châu Âu (ECE
R66)
Hiện nay trên thế giới đã có một số quốc gia áp dụng các tiêu chuẩn an tồn
trong thiết kế ơ tơ khách như sau:
+ Tiêu chuẩn an toàn châu Âu ECE R66 là tiêu chuẩn đánh giá cường độ cứng
kết cấu thân trên của ô tơ khách.
+ Tiêu chuẩn an tồn FMVSS 216 là tiêu chuẩn đánh giá tổn thương của người
ngồi trong ô tô khi xảy ra tai nạn.
+ FMVSS 208 là tiêu chuẩn đánh giá cường độ cứng của kết cấu phần thân trên
nhằm đảm bảo an tồn khi lật.
Trong đó đa số các nhà nghiên cứu thiết kế dựa vào tiêu chuẩn an toàn châu âu
ECE R66 để thực hiện nghiên cứu an toàn kết cấu khung xương khi xảy ra va chạm
lật nghiêng.
Theo tiêu chuẩn ECE R66 về không gian an tồn chính là khơng gian tự do bên
trong xe của tất cả hành khách cũng như tài xế. Nội dung chính của việc thiết lập
khơng gian an tồn theo tiêu chuẩn ECE R66 là: Khi xảy ra va chạm, mọi biến dạng
của khung xương xe không xâm phạm vào không gian an tồn và các phần tử nằm
bên trong khơng được vượt qua khơng gian an tồn, nếu xảy ra điều ngược lại thì sự
va chạm đã làm ảnh hưởng và gây tổn thương con người. Do đó, nó là cơ sở để xem
xét tính an tồn khi xảy ra va chạm và kết luận kết cấu khung xương xe có đạt bền
chắc hay khơng. Và dựa vào tiêu chuẩn đó khơng gian an tồn trong xe được thiết lập
với các kích thước như Hình 2.1 và Hình 2.2

8


Hình 2. 1 Khơng gian an tồn theo mặt cắt ngang

Hình 2. 2 Khơng gian an tồn theo mặt cắt dọc
Theo tiêu chuẩn ECE R66 quy định thì R là điểm chia khơng gian an tồn thành
2 phần:
+ Phần thứ nhất: khoảng cách từ sàn xe tới mặt trên ghế ngồi là 500mm ( Hình
2.1)
+ Phần thứ hai: khoảng cách từ điểm R lên tới phía trên 750mm ( Hình 2.2)
Khi xe bắt đầu lật thì tọa độ trọng tâm thay đổi theo quỹ đạo hình trịn và tâm
là trục của bánh xe. Quy định khoảng cách an toàn để xe lật ngang từ mặt phẳng lật
tới nền là 800mm [13]( Hình 2.3)

9


Hình 2. 3 Tiêu chuẩn ECE R66 để kiểm nghiệm an toàn lật nghiêng.
2.2 Xác định trọng tâm xe
2.2.1 Xác định trọng tâm theo chiều dọc
Để xác định được tọa độ trọng tâm theo chiều dọc ta cần phải có các khối lượng
phân bố trên xe như Hình 2.4

Hình 2. 4 Sơ đồ khối lượng phân bố trên xe theo chiều dọc
Xe có tồn bộ trọng lượng G
Bánh trước G1 và bánh sau G2 :
G1 = G − G2

(2.1)

Lập phương trình cân bằng moment tại điểm tiếp xúc O1 :
∑ Mo1 = G2 L − Ga = 0 ⇒ a =

G2 L

G

10

(2.2)


b = L − a = L (1 −

G2
G

)=L

G1
G

Trong đó:
a: Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm bánh xe trước
b: Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm bánh xe sau
L: Chiều dài cơ sở của xe
G: Trọng lượng toàn tải
G1: Khối lượng đặt tại cầu trước
G2: Khối lượng đặt tại cầu sau

(2.3)

2.2.2 Xác định trọng tâm theo chiều cao

Hình 2. 5 Đưa xe lên bàn cân

Đặt xe lên bàn cân như Hình 2.5, nâng cao bánh trước một khoảng H = 0,5 ÷ 1(m)
Trọng lượng xe G, trọng lượng phân bố lên cầu sau xe theo chiều thẳng đứng là G2′ .
Ta phân tích thành các trọng lượng thành phần:
Gcosα; G2′ cosα: Vng góc với mặt tiếp xúc
Gsinα; G2′ sinα: Song song mặt tiếp xúc
Lập phương trình cân bằng moment tại tâm bánh xe trước O1 :
∑ MO1 = Gcosα. a + Gsinα(hg − rb ) − G2′ cosα. L = 0

(2.4)

Thay (2.2) vào (2.4) ta có:
∑ MO1 = Gcosα.

G2 L
G

+ Gsinα(hg − rb ) − G2′ cosα. L = 0
L

G′2 −G2

G

tanα

⇒ hg = (

) + rb

(2.5)

(2.6)

11


Trong đó: α: Góc nghiêng đặt xe và α = arctg

H
L

hg : chiều cao trọng tâm xe
rb : bán kính bánh xe
2.2.3 Xác định độ lệch trọng tâm theo chiều ngang

Hình 2. 6 Cân bánh xe bên trái lên bàn cân
Cân bánh xe bên trái lên bàn cân ( Hình 2.6 ) có trọng lượng tập trung G′
Suy ra trọng lượng tập trung bánh bên phải: G′′ = G − G′
Lập phương trình cân bằng moment tại điểm tiếp xúc O2 :
c
∑ MO2 = G′ . c − G ( + e) = 0
2

⇒e

G′ −0,5.G
G

.c

(2.7)

(2.8)

Trong đó: c: chiều rộng cơ sở
Để có thể sử dụng các phương pháp phân tích tính tốn nêu trên để tìm tọa độ
trọng tâm thì ta phải có đầy đủ các thơng số về khối lượng phân bố tại các bánh xe,
cho nên ta sẽ phải sử dụng phần mềm để có thể có được tọa độ trọng tâm
2.3 Lý thuyết biến dạng phi tuyến tính
Nội dung chủ yếu của bài tốn phi tuyến về vật liệu được thể hiện ở trạng thái
làm việc của vật liệu không giống nhau trong từng giai đoạn. Điều này được thể hiện
ở quan hệ ứng suất - biến dạng ( Hình 2.7). Khi xét vật liệu làm việc trong giai đoạn
đàn hồi, quy luật thay đổi của ứng suất và biến dạng là như nhau trong mọi thời điểm.
Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng: trạng thái ứng suất và biến dạng có quan
hệ mật thiết với nhau, sự thay đổi của đại lượng này sẽ chi phối sự thay đổi của đại
12