Sự va chạm và hấp thu động năng của phần trước khung xương ô tô khách trước động lực học va đập

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
37 
SỰ VA CHẠM VÀ HẤP THU ĐỘNG NĂNG CỦA PHẦN TRƯỚC 
KHUNG XƯƠNG Ô TÔ KHÁCH TRƯỚC ĐỘNG LỰC HỌC VA ĐẬP 
CRASH BEHAVIOR AND ENERGY ABSORPTION OF BUS’S FRONT 
STRUCTURE UNDER DYNAMIC IMPACT 
Nguyễn Văn Sỹ1, Nguyễn Thành Tâm1, Trần Thăng Long2 
1 Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Việt Nam 
2
 Trường Đại học Trần Đại Nghĩa, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 20/12/2016, ngày phản biện đánh giá 30/12/2016, ngày chấp nhận đăng 27/2/2017 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày mô phỏng phần tử hữu hạn liên quan đến hấp thu động năng va 
chạm của phần trước khung xương ô tô khách. Khung trước được gia cố từ những thanh có 
tiết diện khác nhau để cải tiến lực đỉnh và sự hấp thu động năng. Trong nghiên cứu, phần 
mềm LS-DYNA được dùng để xác định tiết diện mặt cắt ngang như mong muốn cho việc thiết 
kế khung trước ô tô. Lực đỉnh và động năng hấp thu là hai yếu tố đánh giá chính cho hiệu quả 
của cấu trúc trước của ô tô khi va chạm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng ống nhôm hình 
nón đa ống có thể làm giảm lực đỉnh đến 50%, trong khi tổng động năng hấp thu cũng tăng 
cao, do đó khả năng chịu đựng cú va chạm của khung trước ô tô khách được cải tiến một 
cách đáng kể. 
Từ khóa: va chạm trực diện; khả năng va chạm; lực đỉnh; hấp thu động năng; cấu trúc ô tô 
khách; ống nhôm hình nón. 
ABSTRACT 
This paper presents finite element simulations for the crash behavior and the energy 
absorption of frontal structure of bus. The frontal structure is reinforced with variable tubular 
cross-sections to improve the peak-force and energy absorbtion. The explicit finite element 
code LS-DYNA is carried out by simulation to determine the desired cross-sections for the 
design of bus’s front structure. The peak-force and the energy absorption responses during the 
head-on impact are the two main measurements of the frontal structure’s performance. The 
research result shows that the use of multi-conic-aluminum tubes can reduce 50 % of the 
peak-force while the total absorbed energy can be greatly increased, so the crashworthiness 
of the bus’s front structure is significantly improved. 
Keywords: head-on impact; crashworthiness; peak-force; energy absorption; bus structure; 
conic aluminum-tube. 
1. GIỚI THIỆU 
Việc nâng cao tính an toàn ô tô khách 
đang là một vai trò quan trọng cho những nhà 
sản xuất ô tô. Mức độ giảm chấn thương cho 
người ngồi trên xe trong quá trình va chạm 
ngày càng chú trọng. Vì thế đã thúc đẩy các 
nhà sản xuất ô tô cần phải cải tiến tính va 
chạm của xe, đặc biệt trong lĩnh vực ô tô 
khách. Để đảm bảo sự toàn vẹn không gian 
an toàn và khả năng hấp thu động năng lớn 
nhất, cần nghiên cứu sự va chạm của phần 
trước khung xương ô tô. 
Sự biến dạng khung trước ô tô khách khi 
xảy ra va chạm trực diện phụ thuộc vào hành 
vi phá hủy của khung xương đầu xe và sát-xi 
phía trước. Điều này ảnh hưởng đến chấn 
thương cho người ngồi trong xe. Do đó sát-xi 
phía trước cần được thiết kế đến mức tối ưu 
khi tai nạn va chạm trực diện của ô tô xảy ra. 
38 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Có hai vấn đề chính cho việc tối ưu khung 
xương ô tô đáp ứng va chạm: một là thay vật 
liệu thép truyền thống bằng những vật liệu có 
cơ tính phù hợp và hai là thiết kế tối ưu kích 
thước mặt cắt của sát-xi. Việc phân tích tính 
toán sát-xi đã được thực hiện nhiều trong 
những năm gần đây, trong đó phần lớn chúng 
được nghiên cứu trên xe ô tô con. Xiong 
Zhang đã nghiên cứu ảnh hưởng của tiết diện 
sát-xi khác nhau cho quá trình va chạm [1]. 
Họ cho thấy rằng việc gia cố thêm cấu trúc 
ống đa lỗ làm tăng khả năng hấp thu động 
năng. Nguyễn Văn Sỹ và Ahmed Elmarakbi 
cũng đã nghiên cứu thiết kế tối ưu sát-xi hình 
chữ S trên xe 7 chỗ ngồi, kết quả việc gia cố 
lực trên thanh dọc hình chữ S là điều cần thiết 
cho việc giảm chấn thương trong tai nạn va 
chạm trực diện [2-3]. Mới đây nhất, tác giả 
Hang Feng Yin đã nghiên cứu ứng dụng ống 
nhôm hình nón điền vật liệu nhôm có mật độ 
khác nhau dọc theo chiều dài ống [4]. Kết quả 
cho thấy rằng việc dùng ống hình nón có thể 
tránh được biến dạng cục bộ và tăng khả năng 
hấp thu động năng cho xe ô tô. Hiện tại trong 
nước chúng ta việc nghiên cứu tính tối ưu an 
toàn cho khung xe khách chưa được thực hiện 
nhiều. Tác giả Nguyễn Thành Tâm nghiên 
cứu tính toán tối ưu hóa kết cấu khung xương 
và sát-xi ô tô khách thái bền tĩnh [5]. 
Trọng tâm của bài báo này là nghiên cứu 
hành vi va chạm trực diện, đặc tính hấp thu 
động năng của sát-xi phía trước ô tô khách. 
Ngoài ra, bộ phận hấp thu động năng được 
thiết kế từ những ống nhôm hình nón đa ống 
cũng được khảo sát. Phương pháp phân tích 
phần tử hữu hạn trên phần mềm LS-DYNA 
được thực hiện cho cả khung xe. Lực đỉnh và 
sự hấp thu động năng là hai yếu tố được xem 
như hai chỉ tiêu cho sự thiết kế tối ưu. 
2. MÔ TẢ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU 
HẠN 
2.1 Mô hình phần tử hữu hạn khung xe 
Mục tiêu của tiêu chuẩn an toàn châu Âu 
(ECE R94)[6]là đảm bảo không gian an toàn 
cho tài xế không bị xâm phạm vào khi xảy ra 
va chạm trực diện. Điều này có nghĩa là 
không có bộ phận nào của xe ở bên ngoài xen 
vào không gian tài xế và ngược lại. Khoảng 
không gian đó được quy định từ ghế ngồi của 
tài xế tính về phía trước đầu xe là 600mm. 
Mô phỏng va chạm trực diện bằng cách cho 
mô hình xe chạy với vận tốc 50 km/giờ trên 
nền đường cứng và tông trực diện vào bức 
tường cứng hoàn toàn như hình 1. Để giảm 
thời gian tính toán khi phân tích, khoảng cách 
từ bức tường đến đầu xe là 10mm. Mô hình 
của xe khách được xây dựng dựa trên một mô 
hình xe khách 2D do công ty Hyundai 
Tracomeco sản xuất thực hiện, có khối lượng 
là 13.250 kg, chiều dài của xe là 12m. 
Hình 1. Mô hình phần tử hữu hạn của kết 
cấu xe khách va chạm trực diện 
Dựa vào bản vẽ Cad 2D của mô hình xe 
khách, xây dựng mô hình xe khách 3D trên 
phần mềm Inventor. Phần mềm 
HYPERWORKS trong môi trường 
LS-DYNA được sử dụng xây dựng mô hình 
phần tử hữu hạn phân tích ô tô khách. Để cho 
kết quả tính toán có độ tin cậy và thời gian 
mô phỏng ngắn, khung xương ô tô khách 
được chia lưới dạng vuông có kích cỡ 20mm. 
Sau khi chia lưới, kiểm tra chỉnh sửa chất 
lượng lưới nhằm tăng độ chính xác trong quá 
trình mô phỏng và giảm thiểu mất mát động 
năng. Các thanh khung xương được liên kết 
với nhau bằng cùng tiếp điểm, nếu không 
liên kết được cùng tiếp điểm thì tiến hành 
hàn kết cấu. Sát-xi với cầu xe được liên kết 
bằng phương thức liên kết cố định điểm trên 
điểm lưới. Các bộ phận có khối lượng như 
hành khách, ghế ngồi, hành lý, thùng nhiên 
liệu, ắc quy, hệ thống điều hòa không khí, 
cửa kính, động cơđược gắn khối lượng cho 
mô hình. Tiếp đến, chọn vật liệu, thiết lập 
thuộc tính và gán điều kiện biên cho mô hình. 
Kết cấu khung xương sử dụng thép Q235, 
sát-xi sử dụng thép Q345, thuộc tính vật liệu 
như Bảng 1. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
39 
Mặt đất đặt xe và bức tường va chạm 
được sử dụng vật liệu cứng để mô phỏng. 
Tiếp xúc giữa các kết cấu trong xe sử dụng 
tiếp xúc đơn bề mặt; tiếp xúc giữa khung 
xương ô tô với mặt đường và tường cứng sử 
dụng tiếp xúc bề mặt với bề mặt để thiết lập, 
hệ số ma sát là 0,5. Gia tốc trọng trường g = 
9,81m/s
2
, vận tốc mô phỏng va chạm là 
50km/h. Mô hình phần tử hữu hạn sau khi 
xây dựng như ở hình 1. 
2.2 Đặc tính vật liệu 
Trong nghiên cứu này chúng tôi dùng 
hai loại vật liệu thép và nhôm có cơ tính vật 
liệu khác nhau. Vật liệu thép có khối lượng 
riêng, mô dun đàn hồi, hệ số Poison và ứng 
suất giới hạn ảnh hưởng của đặc tính biến 
dạng được trình bày như trong bảng 1. 
Bảng 1. Đặc tính vật liệu 
Vật 
liệu 
Mô 
đun 
đàn hồi 
(GPa) 
Hệ số 
poison 
Khối 
lượng 
riêng 
(kg/mm3) 
Ứng 
suất 
giới hạn 
(GPa) 
Thép 
Q235 
210 0,3 7,85.10-6 0.235 
Thép 
Q345 
210 0,3 7,85.10-6 0.386 
Nhôm 68.2 0.3 2,7.10-6 0.08 
2.3 Chỉ tiêu đánh giá 
Trong va chạm ô tô, yếu tố ảnh hưởng 
đến chấn thương người ngồi trong xe là lực 
chấn động hay còn gọi là lực đỉnh và khả 
năng biến dạng khung xe. Dựa trên hai yếu tố 
này, để phân tích tính va chạm của ô tô nhiều 
nhà thiết kế ô tô đưa ra hai chỉ tiêu quan 
trọng trong nhiên cứu va chạm: lực đỉnh và 
khả năng hấp thu động năng [7]. Lực đỉnh là 
lực tương tác lớn nhất giữa xe và vật cản 
trong quá trình va chạm. Động năng hấp thu 
là mối liên hệ giữa lực tương tác trong suốt 
quá trình va chạm với độ biến dạng của cấu 
trúc theo thời gian. 
Động năng hấp thu có thể được tính theo 
công thức: 
0
(d) .
d
P d 
Trong đó: 
P là lực tương tác (N) 
d là độ biến dạng theo chiều dọc của 
khung (m) 
EA là động năng được hấp thu của cấu 
trúc (J) 
3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1 Khảo sát khả năng va chạm của phần 
trước khung xương ô tô khách khi xảy 
ra va chạm trực diện 
Sự biến dạng và phá hủy khung xe được 
làm từ vật liệu thép do nhà sản xuất đưa ra và 
được phân tích. Hình 2 cho thấy trình tự biến 
dạng khung xương xe theo thời gian, độ biến 
dạng lớn nhất tại phần trước khung xương 
887 mmtại thời điểm 90 mili giây sau thời 
gian bắt đầu va chạm. 
Hình 2. Trình tự biến dạng khung xe 
Hình 3 và hình 4 cho thấy khi va chạm 
xảy ra, sự phân tán ứng suất trên toàn bộ 
khung xương xe. Tuy nhiên phần lớn ứng suất 
tập trung tại phần trước khung xương xe. 
Điều đáng lưu ý là ứng suất lớn gấp đôi so 
với ứng suất giới hạn của vật liệu. Hiện tượng 
biến dạng dẻo cục bộ xuất hiện tại một số 
điểm trên khung xương đầu xe và trên sát-xi. 
Qua phân tích trên chúng ta thấy độ cứng 
phần trước khung xương xe không đáp ứng 
lực tác động khi va chạm trực diện xảy ra. 
40 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 3. Mô hình phân bố ứng suất trên 
khung xương xe khi va chạm xảy ra 
Hình 4. Mô hình biến dạng cục bộ trên sát-xi 
khi va chạm 
3.2 Ảnh hưởng của việc gia cố lực 
a. Gia cố lần 1 
Trong phần này, ảnh hưởng của việc tăng 
bề dày của sát-xi từ 6mm lên 8mm, tăng 
thêm hai ống thép vuông có kích thước 
vuông 160x160x720mm, dày 5mm và ống 
nhôm hình nón hấp thu lực có kích thước 
400x160x140 mm, dày 5mm như hình 5. 
Hình5. Mô hình gia cố phần trước khung 
xương 
Sau khi cải tiến mô hình phần trước 
khung xương tiến hành mô phỏng kiểm 
nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy, không 
gian an toàn của tài xế được đảm bảo, hình 6. 
Lực va đập đỉnh giảm được 32% so với chưa 
cải tiến. Động năng được hấp thu hoàn toàn, 
điều này được thể hiện rõ như trên hình 7, 
sau thời gian va chạm 80 ms trên đồ thị chưa 
gia cố, lực va chạm vẫn còn ở mức 1000 kN 
nhưng trên đồ thị gia cố lần 1 lực va chạm 
tiến về mức 0 kN. Qua phân tích trên chúng 
ta thấy vùng an toàn của tài xế, lực đỉnh và 
khả năng hấp thu động năng được cải tiến 
đáng kể, tuy nhiên lực đỉnh vẫn còn khá lớn 
với mức 4715 kN. 
Hình 6. Sự biến dạng phần trước khung 
xương xe khi gia cố lần 1 
Hình 7. Đồ thị lực va chạm khi gia cố lần 1 
b. Gia cố lần 2 
Dựa vào phương án cải tiến lần thứ 1 tiến 
hành gia cố lần 2, trong phương án gia cố 
này nhằm giảm tối đa lực đỉnh. Thay ống 
nhôm hình nón đơn ống như ở gia cố lần 1 
bằng ống nhôm hình nón đa ống. Mỗi ống 
nhôm đa ống được ghép ba ống nhôm đơn 
lồng vào nhau, ống nhôm trong ngắn hơn ống 
nhôm ngoài, như hình 8. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
41 
Hình 8. Hình chiếu của ống nhôm hình nón 
đa ống 
Như trên hình 9 và hình 10, kết quả mô 
phỏng sau khi cải tiến lần 2 được thảo luận rõ 
qua ba giai đoạn va chạm như sau. 
Giai đoạn bắt đầu va chạm (0-10 ms), sự 
hình thành lực đỉnh xảy ra. Điểm xuất phát 
biến dạng xảy ra trên tất cả đỉnh các ống 
nhôm, như hình 10a. Điều này giúp cho lực 
đỉnh giảm đáng kể, lực đỉnh giảm 50% so 
với chưa cải tiến; Giai đoạn hấp thu động 
năng (10-55 ms), kết cấu ống nhôm đa ống 
biến dạng đồng bộ, hình 9 thể hiện biên độ 
dao động xung lực trong giai đoạn này gần 
như bằng không. Hiện tượng biến dạng cục 
bộ không xảy ra, ứng suất phân tán hầu như 
trên toàn bộ khung xương, hình 10b -10c; 
Giai đoạn bắt đầu ngừng va chạm (55- 90 
ms), quá trình hấp thu động năng giảm dần. 
Điều này thể hiện rõ trên hình 9, đường 
cong lực giảm về không và ứng suất phân bố 
trên khung xương giảm so với giai đoạn 2, 
như hình 10d.Kết quả cho thấy động năng 
của ô tô được hấp thu hoàn toàn thông qua 
khung xương. 
Hình 9. Đồ thị lực va chạm sau khi cải tiến 
lần 2 
a. Thời điểm va chạm 6 ms 
b. Thời điểm va chạm 30 ms 
c. Thời điểm va chạm 50 ms 
d. Thời điểm va chạm 55 ms 
Hình 10. Trình tự biến dạng, sự phân bố ứng 
suất của sát-xi và bộ phận hấp thu lực 
4. KẾT LUẬN 
Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày 
phân tích mô phỏng va chạm trực diện cho 
toàn bộ khung xương xe khách. Một kết quả 
khá rõ ràng và mang tính ứng dụng rất cao. 
Mô hình mô phỏng cho phép xác định giá trị 
42 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
biến dạng và ứng suất tại các điểm trên 
khung xương xe ở bất kỳ thời điểm nào 
trong quá trình va chạm. Kết quả mô phỏng 
còn biểu diễn được ứng suất trên toàn bộ 
khung xương xe. Có thể thấy phần sát-xi 
trước và khung xương đầu xe là những vùng 
có ứng suất tập trung lớn nhất. Đây là những 
cơ sở quan trọng để tính toán độ bền, an 
toàn bị động của khung vỏ xe trong quá 
trình thiết kế, chế tạo và hoàn thiện kết cấu 
khung vỏ cũng như đánh giá chính xác các 
tai nạn thực trên đường. 
Ngoài ra, nghiên cứu này còn trình bày 
kết quả của việc ứng dụng cấu trúc ống nhôm 
hình nón đa ống trên khung xương đầu xe 
khách nhằm đáp ứng an toàn hành khách. Kết 
quả cho thấy ngoài đảm bảo không gian an 
toàn cho tài xế còn giảm lực đỉnh lên đến 
50% so với ban đầu. Đây là một con số khá 
cao, có thể ứng dụng vào thực tế để thử 
nghiệm và sản xuất ứng dụng vào nước ta. 
Đặc biệt tình hình tai nạn giao thông xe 
khách ở nước ta như hiện nay. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Xiong Zhang, Theoretical prediction and numerical simulation of multi-cell square 
thin-walled structures; Thin-Wall Structures. 4, 1185-1191, 2006 
[2] Ahmed Elmarakbi, Crash analysis and energy absorption characteristics of S-shaped 
longitudinal members; Thin-Wall Structures, 68, 65-74, 2013 
[3] Nguyin-Wall StrOptimisation design of reinforced S-shaped frame structure under axial 
dynamic loading. International Journal Crashworthiness; 19, 385-393, 2014. 
[4] H.F Yin, Multiobjective crashworthiness optimization design of functionally graded 
foam-filled tapered tube based on dynamic ensemble metamodel. Materials design; 
55,747–757, 2014. 
[5] Nguy–757, 2014.craThiết kế tiết kế, 2014.crashworthiness optimization design o, Ttiết 
kếKhoa hkế, 2014.craKhoa hkế, 20, 29-35, 2015. 
[6] ECE R94, Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the 
protection of the occupants in the event of a frontal collision. Official Journal of the 
European Union, 2010. 
[7] HS. Kim, New extruded multi-cell aluminum profile for maximum crash energy absorption 
and weight efficiency. Thin Wall Structures; 40(4), 311–327, 2002. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Nguyễn Văn Sỹ 
Trường Đại học Công nghiệp Tp. HCM 
Email: synguyen2@gmail.com