Đánh giá an toàn bị động của cabin xe tải trong giai đoạn thiết kế

ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỊ ĐỘNG CỦA CABIN XE TẢI TRONG GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ (Method to evaluate the passive safety of truck cab in period design) KS. Nguyễn Thành Công PGS. TS. Nguyễn Văn Bang KS. Vũ Ngọc Khiêm Đại học Giao thông vận tải Hà Nội Tóm tắt: Để đáp ứng yêu cầu ngày một cao về an toàn cho người lái, ngày nay, chúng ta mong muốn thiết kế được các cabin xe tải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của thế giới, đặc biệt là tiêu chuẩn ECE R-29. Cabin phải được thiết kế sao cho đảm bảo không gian an toàn cho người lái và phụ lái sau khi tai nạn xảy ra. Bài báo này đề xuất phương pháp đánh giá an toàn bị động của cabin xe tải thông qua thí nghiệm ảo theo tiêu chuẩn ECE R-29. Công việc này giúp giảm bớt thời gian và chi phí thiết kế, khi cho phép nhà thiết kế dự đoán được biến dạng của kết cấu cabin và đưa ra các giải pháp phù hợp. Abstract: With the sharp increase of concern for the occupant safety, it is desirable that the design of truck cab should meet the international safety requirements, especially the ECE R-29 standard. The cab must be designed in such a way that, adequate survival space to be guaranteed in the event of accident for the safety of the driver and co-driver. This paper proposes a method to evaluate the passive safety of truck cab under the ECE R-29 standard by the virtual testing. Since it allows designer to predict the behavior and optimize the structure performance on the very early stage of development, this method would help shorten the time and the cost of vehicle design. Keywords: Passive Safety; Numerical Simulation; Finite element modelling, ECE R-29 GIỚI THIỆU Trong quá trình thiết kế cabin, một yêu cầu quan trọng là an toàn cho người lái khi xảy ra tai nạn giao thông. Cabin phải được thiết kế sao cho đảm bảo không gian an toàn cho người lái khi tai nạn xảy ra. Có nhiều tiêu chuẩn về an toàn cho người lái khi xảy ra tai nạn, như ECE R-12; ECE R-29; ECE R-66; ECE R-95; FMVSS 204; FMVSS 208; FMVSS 216. Trong đó, tiêu chuẩn ECE R-29 quy định rõ ràng nhất về độ an toàn của cabin xe tải và là tiêu chuẩn bắt buộc đối với các xe tải trên thị trường Châu Âu. Hiện nay, tiêu chuẩn ECE R-29 cũng đang được áp dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp ôtô phát triển ở Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Hàn Quốc... Với xu hướng hội nhập quốc tế rộng và sâu, ngành công nghiệp ôtô Việt Nam không chỉ dừng lại ở mức đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước, mà cần tham gia vào thị trường khu vực và thế giới để phát triển mạnh mẽ hơn. Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật của các nước tiên tiến nói chung, tiêu chuẩn ECE R-29 nói riêng vào công tác đánh giá mức độ an toàn của ôtô là cần thiết. CÁC QUY ĐỊNH CỦA TIÊU CHUẨN ECE R-29/02 Tiêu chuẩn ECE R-29 có 2 phiên bản, ECE R-29/01 và ECE R-29/02. Từ ngày 1 tháng 10 năm 2002, các quy định về an toàn của tiêu chuẩn ECE R-29/02 chính thức có hiệu lực tại Châu Âu. Vì vậy, bài báo này chỉ đề cập tới các quy định của tiêu chuẩn ECE R-29/02, các nội dung sau đây có liên quan tới ECE R-29 được hiểu là ECE R-29/02. Theo tiêu chuẩn ECE R-29, cabin được kiểm tra độ an toàn trong các trường hợp chịu tải va đập từ phía trước (A), phía trên (B) và phía sau (C). 2.1 Va chạm từ phía trước Thử nghiệm này mô phỏng sự biến dạng của cabin khi va chạm với vật cản ở trước mặt. Cho con lắc rắn kích thuớc mặt bên 2500x800mm, trọng lượng 1500±250kg va chạm vào cabin ở vị trí sao cho độ cao trọng tâm của nó thấp hơn điểm R-Point trên ghế xe khoảng 50 +5/-0 mm. R-point là vị trí trọng tâm của tài xế khi ngồi trên ghế, đã được quy định bởi nhà sản xuất. Lấy trọng lượng con lắc là 1570kg, trọng lượng riêng của thép là 7850kg/m3 ta xác định được kích thước con lắc là 2500x800x100mm. Đối với xe tải trọng tải dưới 7 tấn, năng lượng cung cấp cho con lắc là 30KJ. Với xe trên 7 tấn, năng lượng cung cấp cho con lắc là 45KJ. Hình 1. Thử nghiệm an toàn cabin theo tiêu chuẩn ECE R29/02 2.2 Thử nghiệm độ bền nóc cabin Thử nghiệm này mô phỏng quá trình lật xe, khi đó toàn bộ tải trọng trục trước, tối đa là 100kN sẽ đè lên nóc cabin. Tải trọng này được phân bố đều trên bề mặt của nóc xe. Kê các vật rắn tại các vị trí của giảm chấn để chúng không biến dạng khi chất tải. 2.3 Thử nghiệm độ bền vách sau cabin Thử nghiệm này mô phỏng sự va chạm của mặt trước thùng vào vách sau cabin.Vách sau cabin phải chịu được tải trọng 2kN/ mỗi tấn tải trọng của xe. Tải trọng tác dụng đều lên toàn bộ vách sau cabin, phía trên khung xe. Chú ý: không được mở cửa xe trong thời gian tiến hành thử nghiệm. 2.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm: Cabin được thiết kế để giảm thiểu chấn thương cho người lái khi tai nạn xảy ra. Sau khi trải qua các thử nghiệm trên, vùng không gian an toàn trong cabin được hình thành (vùng giới hạn bởi các biến dạng). Đặt hình nhân lái xe (theo tiêu chuẩn ECE R29) lên ghế ngay ngắn. Nếu hình nhân không chạm vào các vùng biến dạng trong buồng lái thì cabin thiết kế đảm bảo an toàn. Bảng1: Kích thước hình nhân tiêu chuẩn ECE R-29. H-point tới đỉnh đầu K/c từ mặt ghế tới đỉnh đầu H-point tới đầu gối K/c từ lưng ghế tới đầu gối 819 900 479 595 H-Point tới sàn Chiều dày ngực Độ rộng vai 505 230 435 Hình 2. Kích thước hình nhân theo tiêu chuẩn ECE R-29 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ AN TOÀN CABIN XE TẢI TRÊN MODULE LS-DYNA Việc thử nghiệm an toàn cabin trên thực tế rất tốn kém, khó thực hiện ở điều kiện nước ta. Vì vậy trong bài báo này sử dụng phương pháp mô phỏng thử nghiệm an toàn cabin bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên module LS-DYNA của chương trình ANSYS. Hiện nay, việc mô phỏng va chạm của ôtô và thử nghiệm an toàn trên máy tính đóng vai trò tiên quyết trong giai đoạn thiết kế. Công việc này giúp giảm bớt thời gian và chi phí thiết kế, khi cho phép nhà thiết kế dự đoán được biến dạng của kết cấu cabin và đưa ra biện pháp cải tiến trước khi đưa vào sản xuất. 3.1 Thuật toán của module LS-DYNA Tiền xử lý (Preprocessor): Module LS-DYNA của phần mềm ANSYS tính toán biến dạng lớn của vật liệu bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên tích phân thời gian thực (Explicit Time Integration). Hậu xử lý (Postprocessor): đọc các file nhị phân sinh ra bởi chương trình tính toán LS-DYNA và cho phép vẽ biểu đồ chuyển vị, ứng suất và biến dạng theo thời gian. Biểu thức tổng quát của tích phân thời gian thực có dạng: Trong đó: - vectơ chuyển vị. Các chỉ số n+1, n, n-1 tương ứng để chỉ bước tích phân tiếp theo, hiện tại và trước đó. Vì vậy, tích phân thời gian thực cho phép xác định được chuyển vị (n+1) từ các điều kiện biên ban đầu. Phương trình động lực học tại thời điểm tn được viết như sau : (1) Trong đó: [M] - ma trận khối lượng; - vectơ gia tốc; - vectơ ngoại lực và lực khối; - vectơ nội lực; n - bước tích phân. Vectơ nội lực tại một nút a được xác định qua biểu thức: (2) Trong đó là lực cản theo hiệu ứng hourglass [10]; là lực tiếp xúc; B là ma trận biến dạng-chuyển vị tương ứng với tọa độ cực của chuyển vị tại nút a. Để tính vận tốc và chuyển vị ở thời điểm tn+1 ta dùng tích phân thời gian thực: (3) Trong đó: Dt - bước thời gian; và lần lượt là vectơ vận tốc và chuyển vị. Đưa vào các điều kiện biên cần thiết, giải hệ phương trình trên, thu được kết quả là chuyển vị, biến dạng, nội lực, ứng suất. Phương pháp tích phân thời gian thực có ưu điểm là không phải thành lập và tính nghịch đảo ma trận độ cứng, do đó quá trình tính toán tốn ít bộ nhớ máy tính. Tuy nhiên, phương pháp này lại bị hạn chế bởi bước thời gian, nên thời gian tính toán có thể tương đối lâu. 3.2 Mô phỏng thử nghiệm an toàn cabin xe tải theo ECE R-29 Trong bài báo này, mô hình tính toán được xây dựng từ kết cấu của cabin KAMAZ 53229 (hình 3) và được mô hình hóa trong module LS-DYNA của phần mềm ANSYS (hình 4). Bảng 2: Cơ tính của thép làm vỏ cabin Giới hạn chảy (MPa) Môđun tiếp tuyến (MPa) Môđun đàn hồi (MPa) Hệ số Poisson Trọng lượng riêng (kg/m3) 200 763 2,1.105 0.31 7850 Mô hình vật liệu: + Con lắc được giả thiết là cứng tuyệt đối. + Cơ tính của thép làm vỏ cabin như bảng 2. Mô hình phần tử: + Con lắc được xây dựng là phần tử khối rắn 2500x800x100mm. + Vỏ cabin là phần tử tấm vỏ Belytschko-Tsay với chiều dày là 1,2 mm. Điều kiện biên: + Con lắc có vận tốc ban đầu v= 7,57 m/s. + Cabin được giữ chặt theo những cạnh bên hông và dưới đáy. + Thời gian mô phỏng va chạm là 4.10-2 s Hình 3. Mô hình hình học cabin KAMAZ 53229 Hình 4. Mô hình phần tử hữu hạn cabin Hình 5: Mô hình thử va chạm từ phía trước Hình 6: Mô hình thử độ bền nóc cabin 3.3 Kết quả tính toán Sau khi sử dụng module LS-DYNA của phần mềm ANSYS để giả bài toán va chạm, thu được những kết quả như sau: Hình 7: Phân bố ứng suất trong va chạm phía trước Hình 8: Chuyển vị trong va chạm phía trước Hình 9: Phân bố ứng suất trong thử độ bền nóc Hình 10: Chuyển vị trong thử độ bền nóc Hình 11: Phân bố ứng suất trong thử độ bền vách sau Hình 12: Chuyển vị trong thử độ bền vách sau Hình 13: Biểu đồ ứng suất một số nút theo thời gian phân tích Hình 14: Biểu đồ gia tốc một số nút theo thời gian phân tích KẾT LUẬN Dựa vào các kết quả tính toán, có thể xác định được biến dạng của cabin trong quá trình thử nghiệm an toàn bị động. Nhà thiết kế có thể dự đoán được biến dạng của cabin trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau, và đưa ra các điều chỉnh về kết cấu, vật liệu của cabin để tối ưu hóa độ an toàn cho cabin thiết kế. Việc mô phỏng trên máy tính còn đặc biệt hữu dụng trong giai đoạn phát triển sản phẩm, với sự đa dạng về số lượng và chủng loại thử nghiệm, giúp giảm đáng kể thời gian và giá thành thiết kế ôtô. TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Nguyễn Văn Bang, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2004-35-89 TĐ,Thiết kế sản xuất lắp ráp ôtô tải tự đổ trọng tải 14000 KGF ECE R-29, “Protection of occupants of the cab of commercial vehicle” Horst Raich - DaimlerChrysler AG, Stuttgart, Germany, Safety Analysis of the New Actros Megaspace Cabin According to ECE-R29/02 S.K.Patidar, V.Tandon, R.S. Mahajan and S.Raju - The Automotive Research Association of India, Pune, India, Practical Problems in Implementing Commercial Vehicle Cab Occupant Protection Standard ECE R-29 (SAE Paper No. 2005-26-041) Julian Neves Tonioli, I. J. Castro, R. R. Ripoli and M. A. Argentino - debis Humaitá IT Services Latin America L.T.D.A, Computational Simulation of the ECE R-29 Safety Test (SAE Paper No 2000-01-3524) Ivo de Castro Jr., Michael Jokuszies, Paul Altamore, W. Lee, Simulation of Occupant Response in the ECE R29 SafetyTest (SAE Paper No 2001-01-3845) Aleksandra Krusper, Influences of the Forming Process on the Crash Performance – Finite Element Analysis, Master Thesis, Chalmers University of Technology, May 2003 Florian Kramer, Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen, Springer 2006. Ulrich Seiffert, Lothar Wech, Automotive Safety Handbook, SAE International 2003. John O.Hallquist, LS-DYNA Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation 2006