Nghiên cứu nâng cao tính an toàn con người trong ô tô khách giường nằm xảy ra va chạm trực diện

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH AN TOÀN CON NGƯỜI TRONG Ô TÔ

KHÁCH GIƯỜNG NẰM XẢY RA VA CHẠM TRỰC DIỆN

THE RESEARCH INTO ENHANCING THE SAFETY OF PASSENGER

ON SLEEPER COACH IN HEAD-ON CRASHES

Nguyễn Công Thành¹, TS. Nguyễn Thành Tâm²

¹Học viên cao học trường ĐHSPKT TP.HCM

²Trường đại học Công nghiệp TP.HCM

TÓM TẮT

Hiện nay, số lượng lớn hành khách lựa chọn sử dụng xe khách giường nằm cho những

chuyến đi dài vì sự thoải mái và tiện nghi khi di chuyển. Tuy nhiên trong khoảng thời gian gần đây

xảy ra nhiều vụ tai nạn giao thông liên quan đến xe giường nằm có tính chất quan trọng gây tổn

thương đến hành khách trên xe, từ đó đòi hỏi các nhà nghiên cứu kết cấu và an toàn tổn thương

cần tối ưu hóa phần kết cấu khung gầm đầu xe và các trang bị an toàn trên xe. Và một trong những

cách thức để nâng cao tính an toàn con người khi xảy ra va chạm là thiết kế kết cấu hấp thu năng

lượng va chạm dựa trên sự thay đổi hình dạng và bề dày các thanh khung gầm phần đầu xe. Dưới

sự hỗ trợ của các phần mềm thiết kế Solidworks, phần mềm mô phỏng chia lưới HyperMesh kết

hợp MADYMO, nghiên cứu mô phỏng phân tích cho thấy các chỉ số tổn thương hành khách một

cách chính xác và tiết kiệm nguồn kinh phí đáng kể. Bài báo này sử dụng phần mềm HyperMesh

kết hợp MADYMO để mô phỏng quá trình xe khách giường nằm xảy ra va chạm trực diện và đánh

giá các chỉ số tổn thương hành khách khi đó. Tiến hành cải tiến hình dạng các thanh sắt khung

đầu xe nhằm mục đích hấp thụ tối đa năng lượng va chạm gây tổn thương đến con người. Kết quả

cho thấy các chỉ số tổn thương hành khách đã thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn Châu Âu ECE

R94.

Từ khóa: xe khách giường nằm; va chạm trực diện; mô phỏng phân tích; chỉ số tổn thương; hấp

thụ năng lượng; tiêu chuẩn Châu Âu ECE R94

ABSTRACT

In recent years, a growing number of passengers are choosing sleeper coaches for long

trips because of its comfort and convenience. However, there are many serious crashes involving

sleeper coaches, those accidents have injured and killed a lot of people. That’s why researchers

have done a lot of research on how to optimize frame and chassis of the vehicle, and passive safety

features. One of the best solutions to improve safety for passengers is to design vehicle’s frame

which can absorb collision energy based change of shapes and sizes of chassis bars at the front end

of the vehicle. Take advantage of the supports of SOLIDWORKS, HYPERMESH, and MADYMO

softwares, simulations showed exactly how and how much passengers were injured, and especially

saved costs significantly. This research had used HYPERMESH and MADYMO softwares to

simulate 100 percent head-on collision crashes of sleeper coach and evaluate injuries of passengers.

Then carrying out improvements in shapes of chassis bars at the front of the vehicle for the purpose

of absorbing most collision energy which makes passengers injured. The simulation results showed

passengers’ safety improved and met requirements of European ECE R94 standards.

Keywords: sleeper coaches; head-on collision; simulations; evaluate injuries of passengers;

absorbing; European ECE R94 standards

1. GIỚI THIỆU

Theo ủy ban an toàn giao thông quốc gia,

6 tháng đầu năm 2017 toàn quốc đã xảy ra

9.776 vụ tai nạn giao thông, làm chết 4.197

người, bị thương 7.801 người [1]. Trong đó

các vụ va chạm liên quan đến xe khách giường

nằm có tính chất đặc biệt quan trọng làm nhiều

người thương vong. Tác giả Nguyễn Thành

Tâm đã ứng dụng phần mềm LS-DYNA

nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung

xương và sát-xi ô tô khách, tuy nhiên chưa có

nghiên cứu cải tiến kết cấu đầu ô tô khách [2].

Tác giả Nguyễn Khắc Huân đã dung phần

mềm ANSYS tiến hành kiểm tra khung sương

ô tô khách Transinco K46 theo tiêu chuẩn

ECE R66 và kết luận đạt yêu cầu không vi

phạm không gian an toàn và có trọng lượng

nhỏ [3]. Tác giả Nguyễn Quang Anh nghiên

cứu tính toán động lực học của ô tô và độ bền

của khung xương khi ô tô xảy ra va chạm trực

diện [4]. Đỗ Huyền Trang đã nghiên cứu, thiết

kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra

va chạm trực diện, từ đó tác giả đã cải tiến

theo 2 phương án là tang bề dày sát-xi của xe

và gắn thêm bộ hấp thụ va chạm dạng tổ ong

đảm bảo không gian an toàn cho tài xế và hành

khách [5]. Tác giả Zhang Weigang nghiên cứu

thiết kế cải tiến khung xương và sát-xi xe

khách khi xảy ra va chạm trực diện bằng cách

thiết kế bộ hấp thụ năng lượng loại ống thép,

tuy nhiên sự va đập, gia tốc và ứng suất lớn dễ

phá vỡ kết cấu sát-xi xe.[6] Nhóm tác giả

Liu,C.K, Song và Wang đã nghiên cứu mô

phỏng quá trình va chạm của khung trước ô tô

khi va chạm bằng phần mềm LS-DYNA và

Hypermesh [7]. Tác giả Muhammand Aamir

Hassan đã nghiên cứu phân tích so sánh sự

biến dạng kết cấu và thiệt hại về người ngồi

trong xe trong các trường hợp xảy ra va chạm

trực diện, mặt tường và cột, tuy nhiên không

đề xuất hoặc cải tiến nhằm giảm tổn thương

cho hành khách [8]. Nghiên cứu này ứng dụng

kỹ thuật thiết kế mô hình bằng phần mềm

SolidWorks, xây dựng mô hình phần tử hữu

hạn bằng phần mềm Hypermesh trong môi

trường MADYMO tiến hành mô phỏng phân

tích quá trình va chạm trực diện của ô tô khách

giường nằm, đánh giá mức độ tổn thương

hành khách thông qua các chỉ số đánh giá

nguy hại các bộ phận trên cơ thể. Từ kết quả

đó tiến hành cải tiến kết khung đầu xe hấp thụ

năng lượng va chạm, hệ thống dây đai, túi khí

theo phương pháp phù hợp với thực tiễn và

tiết kiệm chi phí nhà sản xuất đảm bảo an toàn

cho tài xế và hành khách thõa mãn yêu cầu

tiêu chuẩn Châu Âu ECE R94.

Dựa vào mô hình CAD 3D xe khách

giường nằm từ nhà sản xuất, sử dụng phần

mềm Hypermesh trong mô trường làm việc

LS-DYNA tiến hành chia lưới và gán giá trị

vật liệu khối lượng các bộ phận như động cơ,

thùng nhiên liệu, hệ thống máy điều hòa

không khí, cửa kính…Vật liệu được sử dụng

cho kết cấu khung xương là sắt Q235, kết cấu

khung sát-xi sàn xe là Q345 với các thuộc tính

được thể hiện ở bảng 1 [2]

Bảng 1. Thuộc tính vật liệu

Ứng

Môđun

đàn

hồi

Khối

lượng

riêng

(kg/mm³)

suất

giới

hạn

Hệ số

Poisson

Tên

(GPa)

(MPa)

Q235

Q345

210

0,3

7,85.10^-6

235

345

Sau khi thiết lập các thông số cơ bản ban

đầu, tiến hành đưa ra giá trị tọa độ trọng tâm,

khối lượng và moment quán tính cho từng

thành phần khung xe đã được tách biệt làm cơ

sở dữ liệu làm việc cảu phần mềm Hypermesh

trong môi trường MADYMO.

Hình 1. Mô hình được tách biệt

2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

PHÂN TÍCH XE GIƯỜNG NẰM VA

CHẠM TRỰC DIỆN

Hình 2. Ma trận moment quán tính

Dữ liệu ma trận moment quán tính xuất ra

từ Hypermesh có dạng như hình 2, từ bảng

thông số xuất ra ta cần quan tâm đến các giá

trị thành phần I_xx, I_yy, I_zz, I_xy, I_yz, I_xztrong ma

trận. Từ các dữ liệu thu được tiến hành xây

dựng mô hình đa thể cứng khung xe. Trong

bài báo này chỉ có phần khung đầu xe là phần

tử hữu hạn .Điều kiện biên được thiết lập như

sau : vận tốc khi xảy ra va chạm là v=13.9m/s,

gia tốc trọng trường g=9.81m/s²và hệ số ma

sát giữa bánh xe và đường là 0.2. Các bộ thành

phần cấu thành mô phỏng va chạm là đường

tường, mặt đất, khung xe đa thể cứng sử dụng

SURFACE.ELLIPSOID, SURFACE.LANE,

phần tử hữu hạn đầu xe FE.MODEL, các tọa

độ phần tử element và node được lấy từ phần

mềm Hypemesh, độ dày phần khung sát-xi xe

ban đầu là 8mm, khung đầu xe là 2mm. Tiến

hành kiểm tra đánh giá khả năng xâm phạm

không gian an toàn theo tiêu chuẩn ECE R66

trước khi có sự tham gia mô phỏng của hình

nộm Dummy Hybrid III 50th và các hệ thống

an toàn bị động dây đai, túi khí dành cho cả

tài xế và hành khách. Thay đổi bề dày các

thanh khung gầm thõa mãn không gian an

toàn ECE R66.

Hình 4. Vùng không gian an toàn bị

xâm phạm

Hình 5. Kết cấu khung sát-xi gầm khi va

chạm

Xét thấy phần không gian an toàn bị xâm

phạm do kết cấu các thanh khung sát-xi gầm

khi va chạm bị biến dạng nhiều do bề dày

không đủ vững chắc và hình dạng các thanh

khi va chạm có xu hướng bị biến dạng bất lợi.

Tác giả tiến hành thay đổi bề dày phần sát-xi

gầm là 11mm và vẫn giữ nguyên loại vật liệu

như ban đầu. Kết quả không gian an toàn đã

được đảm bảo, từ đó tác giả lựa chọn bề dày

11mm cho các sự mô phỏng phân tích

Hình 3. Mô hình đầu xe phần tử hữu

hạn

Kết quả kiểm tra đảm bảo không gian an

toàn theo tiêu chuẩn ECE R66 với phần sát-xi

khung gầm có bề dày 8mm và khung đầu xe

2mm, Kết quả cho thấy vùng không gian an

toàn bị xâm phạm.

Hình 6. Không gian an toàn được đảm

bảo

Hình 10. Chia lưới kết cấu đầu xe cải

tiến

Hình 7. Biến dạng sát-xi gầm khi va

chạm

3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH AN

TOÀN TỔN THƯƠNG HÀNH

KHÁCH

Nhận thấy khi tăng độ dày các thanh sắt

sát-xi gầm lên 11mm không gian an toàn được

đảm bảo, song bên cạnh đó khi quan sát phần

khung gầm đầu xe biến dạng, các thanh sắt

không hấp thụ tốt năng lượng khi va chạm mà

biến dạng bất lợi. Từ đó tác giả nghiên cứu có

ý tưởng thay đổi biên dạng 4 thanh sát-xi

khung gầm để có khả năng hấp thụ năng lượng

va chạm đồng thời vẫn đảm bảo được khoảng

không gian an toàn.

3.1 Phân tích mô phỏng tổn thương trong

trường hợp không có hệ thống an toàn

Sau khi tiến hành mô phỏng quá trình

va chạm trực diện, sử dụng phần mềm

MADYMO Protocol Rating đánh giá tổn

thương cùa hành khách và tài xế theo tiêu

chuẩn ECE R94. Qua các chỉ số tổn thương

đầu HIC





^2,5



t₂

1

HIC = max

a(t)dt

t −t

(1)

(

)

2

1



t₂−t₁









t₁

Trong đó:

-

t_1,t₂là hai thời điểm có sự thay đổi về

giá trị gia tốc lớn nhất

-

t₂-t₁



36ms

Hình 8. Biên dạng thanh sắt được cải

tiến

a(t) : hàm của gia tốc theo thời gian.

Gia tốc theo thời gian chính là gia tốc tại tâm

đầu người nộm

Trong trường hợp này cả hành khách và tài xế

đều không được trang bị bất kì hệ thống an

toàn nào. Đây là tình huống thường gặp trong

thực tế.

Hình 9. Thông số kích thước thanh được

cải tiến.

Hình 11. Kết quả mô phỏng khi không dùng

hệ thống an toàn

Kết quả phân tích tổn thương trong bảng 2 cho

thấy hành khách và tài xế đều bị đa chấn

thương. Hầu hết các chỉ số tổn thương của

hành khách và tài xế lớn hơn gấp nhiều lần giá

trị tiêu chuẩn cho phép, đặc biệt là các chấn

thương nghiêm trọng ở phần đầu, cổ, ngực

Bảng 2. Kết quả giá trị tổn thương trường

hợp không được trang bị hệ thống an toàn

3.3 Nghiên cứu nâng cao tính an toàn tổn

thương người

Nhằm tăng tính an toàn cho hành khách và

tài xế khi xảy ra va chạm. Từ việc nghiên

cứu cơ sở lý thuyết va chạm về hấp thụ năng

lượng, tác giả tiến hành thay đổi thông số các

thông số: góc đặt khóa cài dây đai bụng,

chiều cao con trượt dây đai vai, bề dày vật

liệu 4 thanh khung gầm cải tiến và thời điểm

kích hoạt túi khí khi xảy ra va chạm thông

qua các biến X_1,X_2,X_3,X_4.Trong lần thí

nghiệm này có tổng cộng 4 biến lượng. Tác

giả tiến hành thay đổi giá trị các biến nhằm

hướng đến mục đich giảm thiểu sự tổn

thương, đảm bảo các giá trị tổn thương nhỏ

hơn giá trị tiêu chuẩn cho phép, thõa mãn

tiêu chuẩn an toàn Châu Âu ECE R94 đã đề

ra

3.2 Phân tích mô phỏng tổn thương khi

hành khách và tài xế được trang bị hệ

thống an toàn

Trong trường hợp này, tiến hành sử dụng dây

đai 3 điểm dành cho hành khách, tài xế được

trang bị hệ thống an toàn theo quy định bao

gồm dây đai an toàn và túi khí trước

Hình 12. Kết quả mô phỏng va chạm trong

trường hợp trang bị hệ thống an toàn

Kết quả giá trị tổn thương bảng 3 cho thấy

phần đầu, cổ của hành khách đảm bảo an toàn,

tuy nhiên giá trị ép lồng ngực còn lớn hơn giá

trị tiêu chuẩn, có thể gây tổn thương lên con

người. Đối với tài xế khi được trang bị đầy đử

các trang thiết bị an toàn như dây đai an toàn

và túi khí ngực, các chỉ số tổn thương đã được

giảm xuống nhiều, tuy nhiên vẫn còn một số

các giá trị lớn hơn tiêu chuẩn cho phép, nguy

cơ tử vong ở mức cao.

Bảng 3. Kết quả giá trị tổn thương trường

hợp trang bị hệ thống an toàn

-0.177x₁x₂+52,618x₃x₄

Bảng 4. Bảng thiết lập hồi quy mặt phản ứng

Tiếp theo tiến hành tối ưu hóa các biến đưa

ra các giá trị có lợi nhất về mức độ an toàn

bằng phương pháp thuật toán di chuyền GA

trong phần mềm Matlab được kết quả như

hình 13 các biến được tối ưu:

-

X₁=8.6478

X₂=117.8719

X₃=96.53

X₄=0.0345

Hình 13. Các biến X_1,X_2,X_3,X₄được lựa

chọn thí nghiệm tối ưu

Sau khi thay đổi các giá trị các biến lượng

X_1,X_2,X_3,X₄cho các lần thí nghiệm tối ưu với

2 giá trị điều kiện là:

Hình 14. Kết quả hiển thị

-

Chỉ số HIC₃₆< 1000

Giá trị gia tốc đầu a_3ms< 80

Kết quả giá trị tổn thương ở bảng 4 cho thấy

bộ phận hấp thụ năng lượng đã phát huy chức

năng, các giá trị tổn thương phần đầu và ngực

của tài xế được cải thiện rõ rệt nằm trong mức

an toàn giảm thiểu khả năng tử vong.

Bảng 5. Kết quả giá trị tổn thương sau khi

cải tiến

Trong đó:

- y là hàm số hồi quy mặt phản ứng bậc 2.

- a₀, a_i, a_ii, a_ijlà các hệ số hồi quy

- x₁,x₂,…,x_jlà các biến thiết kế.

Sử dụng phần mềm SPSS kết hợp phương

pháp phân tích hồi quy tuyến tính thiết lập

phương trình hồi quy phản ứng bậc 2 thông

qua bảng 4 là giá trị các biến. Qua đó được các

phương trình hồi quy các chỉ số điều kiện đề

ra:

2

HIC=6420.626 – 97.578x₃+ 0.023x₂

331067.457x₄-6.576x₁x₂+2091.447x₃x₄

+

2

a_{3ms =}180.66-2.387x₃+0.001x₂+34282.986x₄

Sau cải tiến gia tốc đầu tài xế khi xảy ra va

chạm được giảm đáng kể so với trường hợp

trước khi tối ưu

của hành khách cũng như tài xế khi xe xảy ra

va chạm trực diện. Đề xuất được các phương

án cải tiến, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả

của từng phương án đối với việc giảm thiểu

chấn thương cho hành khách và tài xế. Lựa

chọn được phương án tối ưu nhất và phù hợp

nhất để đảm bảo an toàn cho tài xế và hành

khách trên xe theo tiêu chuẩn ECE R94.

Từ kết quả mô phỏng cho thấy sau khi cải

tiến các thông số thuộc các bộ phận dây đai,

túi khí và kết cấu đầu xe. Tổn thương của tài

xế được cải thiện giảm thiểu khả năng tử vong.

các thông số tổn thương lên tài xế tại bộ phận

đầu và ngực luôn nằm trong khoảng giá trị an

toàn mà tiêu chuẩn ECE R94 quy định

Hình 15. Biểu đồ gia tốc đầu tài xế khi xảy

ra va chạm trong 2 trường hợp trước và sau

khi tối ưu

4. KẾT LUẬN

Mô phỏng và phân tích được tổn thương

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Minh Châm. 9 tháng đầu năm, hơn 16.000 vụ tai nạn giao thông trên cả nước. Internet :

http://vovgiaothong.vn/duong-tin/9-thang-dau-namhon-16-000-vu-tai-nan-giao-thong-tren-ca-

nuoc/134145

[2] TS.Nguyễn Thành Tâm. Thi ế t k ế t ối ưu kế t c ấu khung xương và sát -xi ô tô khách , 2015.

[3] TS.Nguyễn Khắc Huân. Nghiên cứu tính bền kết cấu khung xương ô tô chở khách theo tiêu

chuẩn E/ECE/TRANS/505/66, 2010.

[4] NCS. Nguyễn Quang Anh. Nghiên cứu động lực học và độ bền của khung vỏ ô tô va chạm

trực diện, 2007.

[5] Ths. Đỗ Huyền Trang . Nghiên cứu, thiết kế tính an toàn kết cấu ô tô khách khi xảy ra va

chạm trực diện, 2015

[6] Zhang Weigang. Simulation of bus safety body structure, 2006,

[7] Liu, C.K., Song, X.P. and Wang, J. (2014), Simulation Analysis of Car Front Collision Based

on LS-DYNA and Hyper Works. Journal of Transportation Technologies, 4, 337-342.

[8] Muhammad Aamir Hassan. Comparison of structural damage and occupant injuries

corresponding to a vehicle collision onto a pole versus a flat barrier, - University of

Engineering and technology Karachi, Pakistan, 2002.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Nguyễn Công Thành

Đơn vị: Trường Cao đẳng kỹ thuật Cao Thắng

Điện thoại: 09345 49 475

Email: [email protected]n

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.