ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỊ ĐỘNG CỦA CABIN XE TẢI TRONG GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ

Chia sẻ: Nguyen Hoang Hung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

159
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 THI ẾT K Ế (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 ng ười lái, ngày nay, chúng ta mong muốn thiết kế được các cabin xe tải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn c ủa th ế gi ới, đ ặc bi ệt là tiêu chuẩn ECE R-29. Cabin phải được thiết kế sao cho đảm bảo không gian an toàn cho ng ười lái và phụ lái sau khi tai nạn xảy ra. Bài báo này đề xuất phương pháp đánh giá an toàn bị đ ộng của cabin xe t ải thông qua thí nghi ệm ảo theo tiêu chuẩn ECE R-29. Công việc này giúp giảm b ớt th ời gian và chi phí thi ết k ế, khi cho phép nhà thiết kế dự đoán được biến dạng của kết cấu cabin và đưa ra các giải pháp phù h ợp. 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 1. GIỚI THIỆU Trong quá trình thiết kế cabin, một yêu cầu quan trọng là an toàn cho ng ười lái khi x ảy ra tai nạn giao thông. Cabin phải được thiết kế sao cho đảm bảo không gian an toàn cho ng ười lái khi tai nạn xảy ra. Có nhiều tiêu chuẩn về an toàn cho người lái khi x ảy ra tai n ạn, nh ư ECE R-12; ECE R-29; ECE R-66; ECE R-95; FMVSS 204; FMVSS 208; FMVSS 216. Trong đó, tiêu chu ẩn ECE R- 29 quy định rõ ràng nhất về độ an toàn của cabin xe tải và là tiêu chu ẩn b ắt bu ộc đ ối v ới các xe t ải trên thị trường Châu Âu. Hiện nay, tiêu chuẩn ECE R-29 cũng đang đ ược áp d ụng r ộng rãi t ại các nước công nghiệp ôtô phát triển ở Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Hàn Quốc... Với xu hướng h ội 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 th ế giới đ ể phát tri ển m ạnh mẽ hơn. Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng các tiêu chuẩn an toàn k ỹ thu ật c ủa các n ước tiên ti ến nói chung, tiêu chuẩn ECE R-29 nói riêng vào công tác đánh giá mức độ an toàn của ôtô là cần thi ết. 2. 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 hi ệu l ực t ại Châu Âu. Vì vậy, bài báo này chỉ đề cập tới các quy định của tiêu chu ẩn ECE R-29/02, các n ội 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 m ặt. 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 gh ế xe kho ảng 50 +5/-0 mm. R-point là vị trí trọng tâm của tài xế khi ngồi trên ghế, đã được quy định bởi nhà s ản xu ất. Lấy trọng lượng con lắc là 1570kg, trọng lượng riêng của thép là 7850kg/m3 ta xác đ ịnh đ ược kích thước con lắc là 2500x800x100mm. Đối với xe tải trọng tải dưới 7 tấn, năng lượng cung cấp cho con l ắc là 30KJ. V ới xe trên 7 tấn, năng lượng cung cấp cho con lắc là 45KJ. 1
Độ bền nóc cabin (B) P = Tải trọng trục trước P ≤ 100 kN Va ch ạm B phía trước (A) E = 30 kJ tải trọng ≤ 7 tấn Độ bền E = 45 kJ vách sau (C) tải trọng > 7 tấn C Điểm R P = 2 kN/ tấn tải trọng A 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 t ải trọng trục trước, t ối đa là 100kN sẽ đè lên nóc cabin. Tải trọng này được phân bố đều trên bề mặt của nóc xe. Kê các v ật r ắn t ại 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 đ ều lên toàn b ộ vách sau cabin, phía trên khung xe. Chú ý: không được mở cửa xe trong thời gian tiến hành th ử nghi ệm. 2.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm: Cabin được thiết kế để giảm thiểu chấn thương cho 230 người lái khi tai nạn xảy ra. Sau khi trải qua các th ử 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 819 tiêu chuẩn ECE R29) lên ghế ngay ngắn. Nếu hình nhân không chạm vào các vùng biến dạng trong buồng lái thì cabin thiết k ế đảm bảo an toàn. Bảng1: Kích thước hình nhân tiêu chuẩn ECE R-29. H-point tới K/c từ mặt H-point tới K/c từ lưng đỉnh đầu ghế tới đỉnh đầu gối ghế tới đầu 505 479 đầu gối 819 900 479 595 H-Point tới sàn Chiều dày ngực Độ rộng vai Hình 2. Kích thước hình nhân 505 230 435 theo tiêu chuẩn ECE R-29 3. 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 ki ện n ước ta. Vì vậy trong bài báo này sử dụng phương pháp mô phỏng thử nghiệm an toàn cabin b ằng ph ương 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 thi ết k ế, khi cho phép nhà thiết kế dự đoán được biến dạng của kết cấu cabin và đưa ra biện pháp c ải ti ến tr ước 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 d ạng l ớn của vật liệu bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên tích phân th ời gian th ực (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. 2
Biểu thức tổng quát của tích phân thời gian thực có dạng: { Dn+1} = f ( { D } ,{ D&} ,{ D&&} ,{ D n n n n −1 } ,...) Trong đó: { D} - 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) t ừ các đi ều kiện biên ban đầu. Phương trình động lực học tại thời điểm tn được viết như sau : M� � � .{ u& � &(n) } = { F( ext n ) } − { F( n ) } int (1) Trong đó: [M] - ma trận khối lượng; { u&&} - vectơ gia tốc; { F } ext - vectơ ngoại lực và lực khối; {F } int - vectơ nội lực; n - bước tích phân. Vectơ nội lực tại một nút a được xác định qua biểu thức: F int ( = Σ �BTσ n d Ω + F hg + F cont Ω ) (2) Trong đó F hg là lực cản theo hiệu ứng hourglass [10]; F cont 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: { u&& } = � � .( { F } − { F } ) −1 (n) M� � ext (n) int (n) { u& ( ) } = { u& ( ) } + { u&&( ) } 0.5 n +1 0.5 n −1 n ∆t( n) (3) { u } = { u } + { u& ( n +1) (n) 0.5( n +1) } ∆t 0.5( n +1) ∆t0.5( n +1) = 0.5 � ∆t( n ) + ∆t( n +1) � � � Trong đó: ∆ t - bước thời gian; { u& } và { u} lần lượt là vectơ vận tốc và chuyển vị. Đưa vào các điều kiện biên cần thiết, giải hệ phương trình trên, thu được k ết quả là chuyển vị, biến d ạng, n ội lực, ứng suất. Phương pháp tích phân thời gian thực có ưu điểm là không ph ải thành l ập và tính nghịch đảo ma trận độ cứng, do đó quá trình tính toán t ốn ít b ộ nh ớ máy tính. Tuy nhiên, ph ương pháp này lại bị hạn chế bởi bước thời gian, nên thời gian tính toán có thể t ương 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 k ết 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 Môđun tiếp Môđun đàn hồi Hệ số Poisson Trọng lượng (MPa) tuyến (MPa) (MPa) 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 3
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 Hình 8: Chuyển vị trong va chạm phía trước trước Hình 9: Phân bố ứng suất trong thử độ bền nóc Hình 10: Chuyển vị trong thử độ bền nóc 4
Hình 11: Phân bố ứng suất trong thử độ bền vách Hình 12: Chuyển vị trong thử độ bền vách sau sau Hình 13: Biểu đồ ứng suất một số nút theo thời Hình 14: Biểu đồ gia tốc một số nút theo thời gian phân tích gian phân tích 4. KẾT LUẬN Dựa vào các kết quả tính toán, có thể xác định được biến d ạng của cabin trong quá trình th ử 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 đ ể t ối ưu hóa đ ộ an toàn cho cabin thiết kế. Việc mô phỏng trên máy tính còn đặc biệt hữu dụng trong giai đo ạn phát tri ển s ản ph ẩm, v ới sự đa dạng về số lượng và chủng loại thử nghiệm, giúp giảm đáng k ể thời gian và giá thành thi ết kế ôtô. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Văn Bang, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2004-35-89 TĐ,Thiết k ế sản xuất lắp ráp ôtô tải tự đổ trọng tải 14000 KGF [2] ECE R-29, “Protection of occupants of the cab of commercial vehicle” [3] Horst Raich - DaimlerChrysler AG, Stuttgart, Germany, Safety Analysis of the New Actros Megaspace Cabin According to ECE-R29/02 [4] 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) [5] 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) [6] 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) [7] Aleksandra Krusper, Influences of the Forming Process on the Crash Performance – Finite Element Analysis, Master Thesis, Chalmers University of Technology, May 2003 [8] Florian Kramer, Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen, Springer 2006. [9] Ulrich Seiffert, Lothar Wech, Automotive Safety Handbook, SAE International 2003. [10] John O.Hallquist, LS-DYNA Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation 2006 5