Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM ĐÂM XUYÊN CHO THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM MŨ BẢO HIỂM THEO QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA THE APPLICATION FINITE ELEMENT METHOD TO SIMULATE THE TEST OF PIERCING TO THE HELMETTESTING EQUIPMENT ACCORDING TO TECHNICAL NATIONAL STANDARDS Trần Đức Đạt1a,Trịnh Thái Xiêm1b, Lê Thành Nhân2c, Nguyễn Vinh Dự1d, Phạm Sơn Minh3e Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ TP HCM Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP HCM Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a tddat.skhcn@tphcm.gov.vn; bttxiem@rttc.com.vn c d lethanhnhan@hotec.edu.vn; nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn; eminhps@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Trong báo này, nhóm tác giả ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tối ưu hoá trình tính toán, thiết kế Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp tổng quát hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp toán kỹ thuật khác Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng kết cấu khí, chi tiết ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, , đến toán lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường, Với trợ giúp ngành công nghệ thông tin hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp tính toán thiết kế chi tiết cách dễ dàng Các kết đạt làm sở cho trình chế tạo, thực nghiệm, từ làm tiền đề cho việc sản xuất thiết bị thay thiết bị ngoại nhập, đồng thời góp phần nâng cao lực quản lý nhà nước chất lượng mũ bảo hiểm Từ khóa: phương pháp phần tử hữu hạn, nón bảo hiểm, quy chuẩn kỹ thuật ABSTRACT In this article, the authors have applied finite element method (FEM) to optimize the process of calculation and design Finite element method (FEM) is a very general and effective to various technical problems From the analysis of stress state, deformation in the mechanical structure, details in the automotive, aircraft, ships, building frame, girders, etc., to the problem of field theory such as: theory of heat transfer, mechanic fluids, resilient gas, electro-magnetic,… With the help of the Information Technology and CAD systems, more complex structures have been calculated and detailed design easily The achieved results as a basis for process manufacturing, experimentation; that is the premise of production equipment in order to replace imported equipment and also contributing to improve the government management ability of quality helmet Key words: Finite Element Method (FEM),helmets, technical standards ĐẶT VẤN ĐỀ Tai nạn giao thông đường vấn đề sức khỏe cộng đồng nguyên nhân hàng đầu gây tử vong thương tích giới Mỗi năm có gần 1,2 triệu người chết hàng triệu người bị thương tích hay tàn tật tai nạn giao thông, số tai nạn liên quan đến xe máy chiếm đến 70% Phần lớn tỷ lệ tử vong thương tích nghiêm trọng chấn thương đầu [6] Đội mũ bảo hiểm tai nạn xảy chứng minh làm giảm nguy chấn thương nghiêm trọng đến 69% giảm nguy tử vong đến 42% [5] 834 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Việc kiểm soát chất lượng mũ bảo hiểm nâng cao hiệu cho việc giảm chấn thương đầu thương tích nghiêm trọng Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị thử nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam, kiểm tra tiêu quan trọng quy định quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam mũ bảo hiểm cho người mô tô, xe máy vấn đề cấp thiết CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Động Động vật thể thực chuyển động thường gặp [2]: • Vật chuyển động tịnh tiến: Mvc2 (1) 1 Mvc2 + J cpω 2 (2) K tt = v c - vận tốc điểm khối tâm vật • Vật chuyển động dạng tổng quát: = K J cp – mômen quán tính khối lượng vật thể trục tức thời qua khối tâm 2.1.2 Thế Thế lực lò xo: Từ công thức: A( M , M1= ) k (∆ldau ) − (∆lcuoi )  (3) Ta có: VM= A( M ,O= ) Trong đó: k (∆lM ) − (∆lO )  (4) ∆l M - biến dạng lò xo vị trí khảo sát ∆l O - biến dạng lò xo vị trí ban đầu 2.2 Cơ sở thiết lập hệ Trong báo này, phương trình Lagrange sử dụng để xác định phương trình dao động hệ nhóm xây dựng có từ đến bậc tự Kí hiệu q , q , q ,…, q n toạ độ suy rộng hệ có nhiều bậc tự Phương trình vi phân chuyển động hệ toạ độ suy rộng gọi phương trình Lagrange, có dạng sau:  d  ∂K  ∂K = Q1   − dt  ∂q1  ∂q1   d  ∂K  ∂K = Q2   − dt  ∂q2  ∂q2    d  ∂K  ∂K = Qn   − dt  ∂qn  ∂qn  835 (5) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó:  ∂r  Q1 = ∑ Fk k  ∂q1 k   ∂rk  Q2 = ∑ Fk  ∂q2  k    ∂rk  Qn = ∑ Fk ∂qn  k (6) Các Q , Q , , Q n lực suy rộng tương ứng với toạ độ suy rộng q , q , …, q n Để lập biểu thức tính lực suy rộng ta thực sau: Để xác định biểu thức lực suy rộng thứ s, (Q s chẳng hạn), ta cho toạ độ suy rộng q s di chuyển ảo δq s , toạ độ suy  rộng khác không thay đổi Trường hợp lực tác dụng lên hệ, Fk , lực có thế, lực suy rộng lực tính từ biểu thức V nó: ∂V ∂V ∂V Q1 = − − − ; Q2 = ; ; Qn = ∂q1 ∂q2 ∂qn (7) Nếu hệ lực tác dụng lên hệ chứa số lực lực lực suy rộng gồm thành phần: lực suy rộng lực lực suy rộng lực thế: Qs = QsV + QsR ; s= 1÷ n (8) Lực suy rộng lực có thế: ∂V QsV = − s= ; 1, n ∂qs (9) Trong đó: V – hàm tổng cộng tất lực QsR - lực suy rộng lực thế, tính tính Q s vừa trình  bày Chỉ lưu ý lực Fk lúc chứa lực Trường hợp số lực tác dụng lên hệ có lực có thế, áp dụng biểu thức viết lại dạng: d  ∂K  dt  ∂qs  ∂K ∂V = − + QsR ; − ∂qs  ∂qs s= 1, n (10) L gọi hàm Lagrange (hay hàm thế) biểu thức viết lại:  d  ∂L  ∂L = Q1R   − dt  ∂q1  ∂q1   d  ∂L  ∂L = Q2R   − dt  ∂q2  ∂q2    d  ∂L  ∂L = QnR   − dt  ∂qn  ∂qn  (11) Ta có phương trình phụ thuộc vào toạ độ mà không phụ ∂V thuộc vận tốc, tức = Nếu tất lực tác dụng lên hệ lực vế phải ∂qs hệ phương trình 836 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ HÌNH HOÁ Trong báo này, tác giả sử dụng phương pháp thay khối lượng để mô hình hoá nón bảo hiểm Phương pháp dựa gần giả định gần ban đầu dạng dao động y(x) Phương pháp thay khối lượng phương pháp dựa sở đơn giản hoá sơ đồ khối lượng Theo phương pháp tiến hành thay khối lượng phân bố tập trung kết cấu thành thành khối lượng tập trung với khối lượng đặt số điểm đặt biệt Thay khối lượng theo cách: • Phân bố khối lượng phân bố theo nguyên tắc đòn bẩy Theo cách này, khối lượng phân bố đoạn thay khối lượng đặt hai đầu đoạn - Sau chọn sơ đồ khối lượng, tiến hành toán hữu hạn bậc tự với việc giải phương trình tần số, thu tần số cần thiết - Nón bảo hiểm gồm có: lớp nhựa cứng, lớp xốp giữa, lớp đệm Cơ hệ nón bảo hiểm thể hình bên Hình Cơ hệ phép thử đâm xuyên nón bảo hiểm Trong đó: m , m , m - khối lượng lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS đầu thử k , k , k - hệ số đàn hồi lò xo lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS đầu thử c , c , c - hệ số giảm chấn lớp nhựa cứng ABS, lớp xốp EPS đầu thử Quy trình thử đâm xuyên a Thiết bị Thiết bị thử gồm phần sau đây: Dạng đầu thử kim loại gỗ cứng có gắn kim loại, phần chỏm cầu dạng đầu thử có bán kính cầu 82,5 mm ± 0,5 mm, chiều cao nhỏ 133 mm Phía đỉnh dạng đầu thử có gắn lõi chì Dạng đầu thử gắn chặt lên giá đỡ cứng vững[1],[7] Đầu đâm xuyên có dạng hình côn phần phía dưới, phần có thông số theo quy định sau: - Khối lượng : 3,0 kg ± 0,045 kg; - Góc côn : 60 0± 0,5 0; - Bán kính đầu : 0,5 mm ± 0,1 mm; Hệ thống dẫn hướng đâm xuyên: ray dài, thẳng, có độ ma sát 5% đáp ứng đủ hành trình rơi khối rơi 837 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV b Tiến hành thử Nón thử đội chặt lên dạng đầu thử, buộc chặt quai đeo (hoặc dùng dây buộc bên cho cố định mẫu thử với dạng đầu thử không ảnh hưởng đến vị trí thử đâm xuyên đỉnh nón) Đầu đâm xuyên thả rơi tự từ vị trí thẳng đứng cách điểm thử đâm xuyên đỉnh nón thử khoảng cách 2000 mm ± mm Phạm vi thử đâm xuyên giới hạn bán kính 30 mm ± mm xung quanh đỉnh nón MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA NÓN BẢO HIỂM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Các bước thực hiện: Bước 1: Đưa mô hình 3D tinh giản từ SolidWorks sang ANSYS Workbench Hình Mô hình thử nghiệm phép thử đâm xuyên ANSYS Workbench Bước 2: Thiết lập thông số - Vận tốc ban đầu (trước va chạm) : -6.26 m/s (theo phương Y) - Gia tốc trọng trường : -9.8066 m/s2 (theo phương Y) - Liên kết lớp nhựa ABS lớp xốp EPS: Bonded - Thông số vật liệu nón bảo hiểm lấy theo bảng 1[3,4]: Bảng Thông số vật liệu ABS EPS E = 1.7 Gpa Poisson = 0.35 Khối lượng riêng = 1030 kg/m3 E = 2480 kPa Poisson = 0.0864 Khối lượng riêng = 15 kg/m3 Bước 3: Chia lưới mô hình Hình Mô hình chia lưới ANSYS Workbench 838 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bước 4: Tiến hành giải: Thiết lập phần mềm theo hai phương pháp: Phương pháp vật lý, Phương pháp giải tích Bước 5: Xuất kết quả: kết biến dạng tổng, biến dạng có hướng, ứng suất tương đương nhằm kiểm tra độ bền khả chịu đâm xuyên nón bảo hiểm BÀN LUẬN KẾT QUẢ 1.40E-03 1.20E-03 1.00E-03 8.00E-04 6.00E-04 4.00E-04 2.00E-04 0.00E+00 1.25E-03 1.13E-03 9.39E-04 7.51E-04 5.63E-04 3.76E-04 1.88E-04 2.00E-04 1.80E-04 1.50E-04 1.20E-04 9.00E-05 6.00E-05 3.00E-05 1.18E-38 [m] 5.1 Kết biến dạng tổng [s] a) b) Hình 4: Kết mô biến dạng tổng a - Kết biến dạng tổng phép thử đâm xuyên b - Các giá trị biến dạng tổng theo thời gian phép thử đâm xuyên Nhận xét: - Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên từ ~0s đến 200 µs - Các giá trị lớn độ biến dạng tổng tăng theo thời gian, thay đổi đột ngột Các giá trị nhỏ lớn có độ lệch ngày lớn theo thời gian - Giá trị biến dạng lớn 1.25 mm thời điểm 200 µs 5.2 Kết biến dạng có hướng 5.00E-05 -5.00E-05 1.18E-38 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 1.60E-04 1.80E-04 2.00E-04 [m] 0.00E+00 -1.00E-04 [s] a) b) Hình 5: Kết mô biến dạng có hướng a- Kết biến dạng có hướng phép thử đâm xuyên b- Biểu đồ giá trị biến dạng theo hướng theo thời gian 839 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nhận xét: - Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên từ ~0s đến 200 µs - Các giá trị nhỏ lớn có độ lệch lớn theo thời gian 5.3.Kết ứng suất tương đương a) 2.00E-04 1.80E-04 1.60E-04 4.00E-05 1.18E-38 0.00E+00 2.00E-05 1.00E+07 1.40E-04 2.00E+07 1.20E-04 3.00E+07 1.00E-04 4.00E+07 5.65E+07 5.05E+07 4.43E+07 3.83E+07 3.17E+07 2.52E+07 1.90E+07 1.15E+07 5.97E+06 8.00E-05 5.00E+07 6.00E-05 6.00E+07 b) Hình 6: Kết mô ứng suất tương đương a- Kết ứng suất tương đương phép thử đâm xuyên b- Biểu đồ ứng suất tương đương Nhận xét: - Khoảng thời gian va chạm đâm xuyên từ ~0s đến 200 µs; - Các giá trị nhỏ lớn có độ lệch lớn theo thời gian; - Các giá trị lớn độ biến dạng tổng tăng theo thời gian, thay đổi đột ngột; - Vùng chịu tác động ứng suất tương đương phép thử nhỏ tập trung xung quanh vùng chịu tác động mũi đâm xuyên Các kết tính toán cho trường hợp đâm xuyên thỏa điều kiện bền theo điều kiện đặt ra, nhiên trình mô ảo chưa sát với thực tế KẾT LUẬN Việc ứng dụng phương pháp phân tử hữu hạn tính toán, mô thử nghiệm va đập đâm xuyên, hỗ trợ lớn cho trình tính toán, thiết kế thử nghiệm Trong nghiên cứu này, kết từ mô phương pháp phần tử hữu hạn giúp ta đánh giá tính xác thực độ tin cậy chúng làm sở cho việc chế tạo thiết bị phục vụ cho quản lý nhà nước Nghiên cứu đạt số kết bước đầu sau: - Kết biến dạng tổng xảy vùng diện tích nhỏ, không lan rộng vùng diện tích lớn Giá trị biến dạng không lớn - Kết biến dạng có hướng (theo phương Y) có phân bố không đồng đều, vùng bị ảnh hưởng lan rộng Giá trị độ biến dạng có hướng (theo phương Y) nhỏ so với giá trị độ biến dạng tổng khoảng thời gian Giá trị biến dạng có hướng không lớn LỜI CẢM ƠN Nhóm thực xin chân thành cảm ơn ủng hộ tài trợ kinh phí Sở Khoa học Công nghệ TP HCM 840 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quy chuẩn quốc gia mũ bảo hiểm cho người mô tô xe máy, Bộ Khoa học Công nghệ, 2008 [2] Trần Công Nghị - Ngô Kiều Nhi, Dao động kỹ thuật, NXB Đại học Quốc Gia TP HCM, 2010 [3] Tiêu chuẩn mũ bảo vệ cho người mô tô xe máy (TCVN 5756:2001) [4] Tiêu chuẩn mũ bảo hiểm cho trẻ em tham gia giao thông mô tô xe máy (TCVN 6979:2001) [5] Cẩm nang an toàn giao thông đường cho nhà hoạch định kế hoạch người thực thi, NXB WHO, 2006 [6] PGS.TS Nguyễn Thị Thiềng nhóm nghiên cứu, Báo cáo Điều tra hành vi thái độ đội mũ bảo hiểm người tham gia giao thông Quỹ Phòng chống thương vong Châu Á tài trợ [7] Hướng dẫn sử dụng thiết bị va đập hấp thu xung động THÔNG TIN CÁ NHÂN ThS Trần Đức Đạt Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học Công nghệ TP HCM Email: tddat.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 090 825 2054 KS Trịnh Thái Xiêm Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học Công nghệ TP HCM Email: ttxiem@rttc.com.vn Điện thoại: 090 921 2004 KS Lê Thành Nhân Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP HCM Email: lethanhnhan@hotec.edu.vn Điện thoại: 090 889 1197 ThS Nguyễn Vinh Dự Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ Sở Khoa học Công nghệ TP HCM Email: nvdu.skhcn@tphcm.gov.vn Điện thoại: 091 851 4951 TS Phạm Sơn Minh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Email: minhps @hcmute.edu.vn Điện thoại: 093 822 6313 841