Tối ưu hóa thiết kế kết cấu ô tô khách thỏa mãn tính an toàn va chạm trực diện

44 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ KẾT CẤU Ô TÔ KHÁCH 
THỎA MÃN TÍNH AN TOÀN VA CHẠM TRỰC DIỆN 
STRUCTURAL DESIGN OPTIMIZATION FOR BUS 
TO SATISFY FRONTAL SAFETY 
Nguyễn Thành Tâm 
Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh 
Ngày tòa soạn nhận bài 20/8/2015, ngày phản biện đánh giá 31/10/2015, ngày chấp nhận đăng 15/8/2016 
TÓM TẮT 
Dựa vào tiêu chuẩn ECE R94, ECE R66, tác giả đã xây dựng mô hình và mô phỏng 
phân tích tính năng an toàn kết cấu đầu ô tô khách xảy ra va chạm trực diện. Trên cơ sở mô 
hình phân tích phần tử hữu hạn, tiến hành thiết kế tối ưu kết cấu đầu ô tô khách. Sử dụng 
phương pháp thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thực nghiệm mô phỏng phân tích kết cấu ô 
tô khách cho các biến lượng thiết kế độ dày kết cấu đầu ô tô khách, ứng dụng phần mềm SPSS 
tiến hành phân tích hồi quy kết quả mô phỏng và xây dựng hàm số hồi quy, dùng phần mềm 
MATLAB tiến hành tối ưu hóa các biến lượng thiết kế. Kết quả cho thấy, gia tốc va chạm và 
không gian an toàn được đảm bảo, trọng lượng kết cấu đầu xe khách sau khi tối ưu hóa giảm 
7.9% so với kết cấu ban đầu. 
Từ khóa: va chạm trực diện; kết cấu ô tô khách; thiết kế thực nghiệm; phân tích mô phỏng; 
tối ưu hóa. 
ABSTRACT 
Based on standards ECE R94, ECE R66, a finite element model of bus has been 
developed and simulated to analyse of the front structural safety of bus when frontal impact 
happens. An optimized design for bus structure was conducted in accordance with the FEM 
frontal impact analysis results. Orthogonal design method was used to set up the 
experimental scheme on the struture of bus body with different thickness of steel tube then. A 
series of simulation study on bus structure to satisfy frontal safety was conducted. By doing 
the regression analysis of the simulation results by SPSS software, regression functions were 
established and then the design variables were maintained by MATLAB software. The results 
showed that, the acceleration and driver living space to satisfy frontal safety condition, while 
the total weight of optimized bus structures was decreased by 7.9%. 
Keywords: frontal impact; bus structure; design of experiments; analysis simulation; 
optimization. 
1. LỜI NÓI ĐẦU 
Hiện nay xe khách là một trong những 
phương tiện giao thông quan trọng trong hệ 
thống giao thông quốc gia, lưu lượng xe lưu 
hành trên đường ngày càng nhiều, dẫn đến 
vấn đề an toàn giao thông càng được chú 
trọng. Theo thống kê của Cục Cảnh sát Giao 
thông đường bộ, đường sắt tính đến đầu 
tháng 01 năm 2014 cả nước có 65.294 
phương tiện vận tải hành khách từ 29 chỗ trở 
lên, trong đó có 1.612 xe khách giường nằm. 
Trong năm 2013 số vụ tai nạn đường bộ xảy 
ra là 30.874 vụ, trong đó có đến 21% là do 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
45 
người điều khiển ô tô gây ra và 9,7% liên 
quan đến ô tô chở khách [1]. Các vụ tai nạn 
diễn ra có thể là trực diện, bên hông, phía 
sau, hay lật nghiêng; quá trình va chạm diễn 
ra làm biến dạng cấu trúc xe, do đó làm 
thương vong hành khách bên trong. Do đó, 
thiết kế giảm trọng lượng xe, đồng thời đảm 
bảo an toàn nhằm giảm giá thành sản phẩm 
và tiết kiệm năng lượng vận chuyển trở thành 
điểm nóng nghiên cứu. Tác giả Tian Fang và 
Hailiang Wang sử dụng phương pháp phần tử 
hữu hạn phân tích các trạng thái tĩnh kết cấu 
thân xe khách, nhưng không nghiên cứu tối 
ưu hóa kết cấu [2-3]; tác giả Liu Jiang tối ưu 
hóa kết cấu ô tô khách trên cơ sở phân tích 
hình thái dao động kết cấu [4]. Tác giả 
Nguyễn Thành Tâm tiến hành nghiên cứu 
tính toán tối ưu hóa kết cấu ô tô khách ở 
trạng thái bền tĩnh, tuy nhiên tác giả chưa tối 
ưu kết cấu an toàn khi xe va chạm trực diện 
[5]. 
Nghiên cứu này ứng dụng kỹ thuật CAE 
để xây dựng mô hình nghiên cứu, mô phỏng 
tính an toàn của kết cấu đầu xe ô tô khách khi 
xảy ra va chạm trực diện theo tiêu chuẩn Châu 
Âu. Dựa trên kết quả mô phỏng, tiến hành 
thiết kế cải tiến kết cấu đầu ô tô khách nhằm 
đảm bảo độ bền; sau đó sử dụng phương pháp 
thiết kế trực giao tiến hành thiết kế thí nghiệm 
mô phỏng cho các biến lượng thiết kế, sử 
dụng phần mềm SPSS phân tích và xây dựng 
phương trình hồi quy, ứng dụng phần mềm 
MATLAB tiến hành thiết kế tối ưu hóa biến 
lượng thiết kế độ dày của kết cấu ô tô khách, 
đảm bảo tính an toàn kết cấu, thực hiện nhẹ 
hóa kết cấu ô tô khách. 
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN 
TÍCH TÍNH AN TOÀN XE 
KHÁCH VA CHẠM TRỰC DIỆN 
Dựa vào mô hình CAD 3D ô tô khách 
từ nhà sản xuất, sử dụng phần mềm 
HYPERWORKS trong môi trường LS – 
DYNA tiến hành xây dựng mô hình phần tử 
hữu hạn phân tích ô tô khách. Để cho việc 
tính toán tin cậy và mô phỏng nhanh, kết cấu 
mô hình xe khách được chia lưới dạng vuông 
có kích cỡ 20 mm, sau khi chia lưới xong 
tiến hành kiểm tra chỉnh sửa chất lượng lưới 
nhằm giảm thiểu mất mát năng lượng, tăng 
độ chính xác trong quá trình tính toán mô 
phỏng. Các thanh kết cấu 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 CONSTRAINED EXTRA 
NODES OPTION. 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 cơthì gắn khối 
lượng cho mô hình. Sau khi chia lưới xong 
tiến hành chọn vật liệu, thiết lập thuộc tính 
vật liệu. Kết cấu khung xương sử dụng sắt 
Q235, kết cấu sát – xi sử dụng sắt Q345, 
thuộc tính vật liệu như ở bảng 1 [5]. 
Bảng 1. Thuộc tính vật liệu 
Tên Môdun 
đàn hồi 
(GPa) 
Hệ số 
Poisson 
Khối 
lượng 
riêng 
(kg/mm
3
) 
Ứng suất 
giới hạn 
(MPa) 
Q345 210 0,3 7,85.10
-6
 345 
Q235 210 0,3 7,85.10
-6
 235 
Mặt tường va chạm, mặt đất đặt xe sử 
dụng vật liệu cứng để mô phỏng. Tiếp xúc 
giữa các kết cấu trong xe sử dụng 
AUTOMATIC SINGER SURFACE để thiết 
lập; tiếp xúc giữa các kết cấu của xe với mặt 
đường, kết cấu xe với tường va chạm sử 
dụng AUTOMATIC SURFACE TO 
SURFACE để thiết lập, hệ số ma sát là 0.5. 
Gia tốc trọng trường là g = 9.8m/s2, vận tốc 
mô phỏng va chạm trực diện là 50 km/giờ. 
Mô hình phần tử hữu hạn ô tô khách sau khi 
xây dựng như ở hình 1. 
46 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 1. Mô hình phần tử hữu hạn kết cấu 
xe khách. 
3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ 
PHỎNG AN TOÀN VA CHẠM 
TRỰC DIỆN 
Dùng phần mềm LS-DYNA phân tích 
động thái kết cấu đầu xe khách trong quá 
trình va chạm trực diện, có thể thấy biến 
dạng kết cấu như ở hình 2. Hình 2 cho thấy, 
lúc 180 ms, kết cấu đầu xe biến dạng rất lớn, 
vượt quá không gian sống của tài xế. 
Hình 2. Biến dạng kết cấu đầu xe lúc 180 ms 
Từ kết quả mô phỏng cho thấy, độ 
cứng kết cấu đầu xe khá yếu, không đảm bảo 
được lực tác động va chạm trực diện, có thể 
là do thiết kế ban đầu hoặc sử dụng vật liệu 
cho kết cấu này không đảm bảo an toàn khi 
có va chạm. Do đó, cần thiết cải tiến kết cấu 
đầu xe thỏa mãn điều kiện va chạm trực diện 
4. CẢI TIẾN KẾT CẤU ĐẦU XE 
KHÁCH THỎA MÃN ĐIỀU KIỆN 
VA CHẠM TRỰC DIỆN 
Do kết cấu thiết kết ban đầu quá yếu, 
dẫn đến không chịu được lực va chạm, làm 
cho kết cấu biến dạng nhiều, cụ thể kết cấu 
sát – xi phần đầu xe trước và sau biến dạng 
được thể hiện ở hình 3. 
 (a) Trước biến dạng (b) Sau biến dạng 
Hình 3. Kết cấu sát – xi phần đầu xe trước 
và sau biến dạng 
Do đó, cần tiến hành gia cố kết cấu và 
mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu đạt tiêu 
chuẩn an toàn va chạm trực diện, các kết cấu 
được gia cố cụ thể như ở hình 4, được thể 
hiện như sau. 
Gia cố thêm các thanh dọc giữa liên kết 
với sát – xi đầu xe, độ dày 7.0 mm; 02 thanh 
xéo, độ dày 10 mm. Tăng độ dày sát – xi 
phần đầu xe từ 8.0 mm lên 11 mm, sàn đầu 
xe từ 4.0 mm lên 5.0 mm. Để tăng khả năng 
hấp thụ một phần năng lượng va chạm, thiết 
kế 6 thanh hấp thụ phía trước với độ dày 6.0 
mm. 
Hình 4. Cải tiến kết cấu đầu xe 
Sau khi cải tiến tiến hành mô phỏng 
kiểm nghiệm, kết quả mô phỏng cho thấy, 
kết cấu đầu xe sau khi cải tiến thỏa mãn điều 
kiện an toàn va chạm trực diện, được thể hiện 
ở hình 5. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
47 
Hình 5. Kết cấu đầu xe sau cải tiến 
Từ kết quả cải tiến như trên cho thấy, 
kết cấu biến dạng sau khi va chạm trực diện 
nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo an 
toàn cho tài xế. Tuy nhiên, việc cải tiến tăng 
độ dày theo cảm tính, không khoa học, dẫn 
đến tăng trọng lượng kết cấu, giảm khả năng 
hấp thụ năng lượng va chạm. Do đó, cần thực 
hiện phương pháp tối ưu để tối ưu hóa các 
thanh kết cấu đầu xe, nhằm giảm trọng lượng, 
tăng khả năng hấp thụ năng lượng va chạm, 
đồng thời thỏa mãn điều kiện bền. 
5. TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU ĐẦU XE 
5.1 Chọn biến lượng tối ưu hóa 
Dựa vào cách bố trí kết cấu các thanh 
dầm đầu xe, tiến hành phân chia các cụm 
thanh khung xương và sát – xi đầu xe có ảnh 
hưởng nhất đến khả năng chịu lực va đập 
thành 4 biến lượng thiết kế từ đến , các 
biến cụ thể sau: Biến gồm 6 ống giảm chấn 
phía trước; biến gồm các thanh khung sát – 
xi; biến gồm các thanh sàn đầu xe; biến 
gồm các thanh dọc giữa khung sát – xi đầu xe; 
các biến được mô tả ở hình 6. 
Hình 6. Các biến lượng thiết kế 
Do 4 biến độ dày ảnh hưởng khá lớn 
tính năng an toàn và trọng lượng kết cấu xe, 
tất cả các biến độ dày này được xem xét từ 
thực tế, cho nên chọn độ dày các biến 
nằm trong phạm vi 3.5 – 6.0 mm; độ dày các 
biến nằm trong phạm vi 7.0 – 12.0 mm 
5.2 Mô phỏng thí nghiệm trực giao 
Mục tiêu tối ưu hóa là làm cho tổng 
trọng lượng của các thanh tối ưu hóa nhỏ 
nhất, mô hình toán học của vấn đề tối ưu hóa 
cụ thể như sau: 
Biến thiết kế: 
 ( ) 
1
m in ( )
ne
e
j
j
F y M
  (1) 
S.t. D ≥ 600 mm; gia tốc a nhỏ nhất 
Trong công thức (1), F(y) là hàm số 
mục tiêu; là toàn bộ cơ số kết cấu tối ưu 
hóa; 
 là trọng lượng các cụm thanh kết cấu 
tối ưu hóa thứ j. D là khoảng không gian an 
toàn tính từ trọng tâm ghế tài xế đến phía 
trước xe. a là gia tốc đặt tại trọng tâm xe. 
Trong thí nghiệm mô phỏng này có 
tổng cộng 4 biến lượng, mỗi biến chọn 6 cấp 
độ, cấp độ của 4 biến được thể hiện ở bảng 2. 
Do đó, bảng thiết kế thí nghiệm trực 
giao ( 
 ) được thiết lập [6], cần tiến hành 
tổng cộng 6 mô phỏng kiểm tra tính an toàn 
kết cấu ô tô khách va chạm trực diện. 
Bảng 2. Cấp độ nhân tố 
Nhân tố x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 
Cấp 1 3.5 7 3.5 7 
Cấp 2 4 8 4 8 
Cấp 3 4.5 9 4.5 9 
Cấp 4 5 10 5 10 
Cấp 5 5.5 11 5.5 11 
Cấp 6 6 12 6 12 
48 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Bảng 3. Giá trị các biến thiết kế thí nghiệm 
trực giao 
STT x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 
1 3.5 8 4.5 12 
2 4 10 6 11 
3 4.5 12 4 10 
4 5 7 5.5 9 
5 5.5 9 3.5 8 
6 6 11 5 7 
Bảng 4. Giá trị mục tiêu và điều kiện sau khi 
mô phỏng thí nghiệm 
STT D /mm a /mm/ms
2
 M /kg 
1 657.731 10.0676 582.62 
2 872.517 10.6742 679.064 
3 986.198 12.269 730.607 
4 282.36 8.02 518.93 
5 696.404 10.76 570.47 
6 839.74 9.92 666.92 
5.3 Phân tích tối ưu hồi quy 
Sử dụng phương pháp phân tích hồi 
quy tiến hành phân kết kết quả thí nghiệm 
trực giao. Hồi quy mặt phản ứng bậc 2 với 
đối số s theo hình thức sau: 

s
ji
jiij
s
i
iii
s
i
ii
xxaxaxaay
1
2
1
0
 (2) 
ji ...,2,1 
Trong công thức (2), y là hàm số hồi 
quy mặt phản ứng bậc 2; a0, ai, aii, aij là các 
hệ số hồi quy; x1, x2 xj là các tham số 
thiết kế. 
Do số lần mô phỏng thí nghiệm của 
nghiên cứu này là 6, số biến thiết kế là 4, 
không thỏa mãn được điều kiện bắt buộc 
tham số hồi quy. Do đó, nghiên cứu này sử 
dụng phần mềm SPSS, đồng thời căn cứ vào 
các giá trị thí nghiệm ở bảng 3 và bảng 4 của 
6 lần thí nghiệm, sử dụng mô hình hồi quy 
mặt phản ứng bậc 2 tiến hành hồi quy các 
thông số tối ưu hóa tổng trọng lượng và 
thông số điều kiện, thu được hàm số mục tiêu 
M, gia tốc và điều kiện. Hàm số hồi quy cụ 
thể như sau (3)(4)(5): 
M=48.385+44.018 +10.838 +1.351 
+0.675 (3) 
D=-163.4+126.128 +191.207 -
50.563 -42.153 +22.731 (4) 
a=3.17+0.59 -0.949 -
0.336 +0.28 +0.099 (5) 
Sử dụng hệ số R tiến hành đánh giá độ 
tin cậy của phương trình hồi quy, độ tin cậy 
của phương trình M, D, a lần lượt là 1, 1, 1. 
Do đó, có thể cho rằng các phương trình hồi 
quy mặt phản ứng bậc 2 thỏa mãn yêu cầu 
chính xác. 
Sử dụng giải thuật di truyền trong phần 
mềm MATLAB tiến hành tối ưu hóa các biến 
thiết kế trong hàm số mục tiêu và hàm số 
điều kiện, thu được các giá trị biến độ dày 
kết cấu, khối lượng và gia tốc của vật liệu, 
được thể hiện ở bảng 5 sau. 
Bảng 5. Giá tri trọng lượng, gia tốc, khoảng không gian an toàn sau tối ưu hóa 
 D /mm a /mm/ms
2
 M /kg 
Giá trị tính toán tối ưu 4.7 9.1 5.8 9.2 755.347 8.03 621.504 
Giá trị phỏng lại 4.5 9.0 6.0 9.0 716.473 7.03 623.96 
Do độ dày của thép trên thị trường nói 
chung là 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5 
8.0, 8.5, 9.0, 9.5,..; vì vậy độ dày kết cấu xe 
dựa vào thực tế mà chọn. Do đó, nghiên cứu 
này chọn giá trị độ dày kết cấu xe phù hợp để 
mô phỏng phân tích lại tính an toàn kết cấu 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
49 
sau khi tối ưu hóa; giá trị các biến độ dày, 
khối lượng, gia tốc, khoảng không gian an 
toàn được thể hiện ở bảng 6. 
Ở bảng 6 cho thấy, độ dày các thanh 
kết cấu được tính toán phù hợp sau khi tối ưu 
hóa. Do đó, gia tốc va chạm giảm, khoảng 
không gian an toàn tài xế được đảm bảo, thỏa 
mãn điều kiện an toàn kết cấu; đặc biệt hơn, 
tổng trọng lượng của xe giảm 7.9%, thõa 
mãn yêu cầu tối ưu hóa. 
Bảng 6. Giá trị trước và sau tối ưu hóa 
STT Giá trị Trước tối ưu Sau tối ưu 
1 /mm 6.0 4.5 
2 /mm 11.0 9.0 
3 /mm 5.0 6.0 
4 /mm 7.0 9.0 
5 D /mm 716.08 716.47 
6 a /mm/ms
2
 8.12 7.03 
7 M (kg) 677.31 623.96 
6. KẾT LUẬN 
Thực hiện tăng độ dày các kết cấu đầu 
xe có thể tăng độ cứng, đảm bảo an toàn. Tuy 
nhiên sử dụng tăng giảm độ dày các kết cấu 
không khoa học làm tăng trọng lượng, hoặc 
giảm tính năng hấp thụ năng lượng va chạm 
của kết cấu, dẫn tới giảm tính năng an toàn 
cho hành khách. Nghiên cứu này dựa trên 
phương pháp thí nghiệm mô phỏng, phân tích 
hồi quy và tính toán tối ưu hóa thông qua giải 
thuật di truyền đã đem lại kết quả đáng tin 
cậy, độ dày kết cấu đầu ô tô khách được tính 
toán ngẫu nhiên và khoa học. Kết quả mô 
phỏng kiểm nghiệm cho thấy, tính năng an 
toàn được nâng cao, đồng thời trọng lượng 
kết cấu đầu xe sau khi tối ưu hóa giảm 7.9% 
so với trước lúc tối ưu hóa. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Thiêm, 2014, Ẩn họa từ xe khách giường nằm, 
te-Van-hoa-The-Thao/An-hoa-tu-xe-khach-giuong-nam-307535/ 
[2] Tian Fang, Wang Tao, Shi Qin. Finite Element Analysis for Monocoque Bus/Coach 
Body Structure. Bus & Coach Technology and Research. No 1: 17-19, 2012. 
[3] Hailiang Wang, Xianlong Jin and Zhongqin Lin. FEM Static and Dynamic Analysis of 
the Body Structure of SK6120 Low Floor City Bus. SAE Technical. 2002-01-0813. 
[4] Liu Jiang, Gui Liangjin, Wang Qingchun & Fan Zijie. Multi-objective Optimization on 
the Body Structure of Integral Bus. Automotive Engineering. 30 (2), 170-173, 2008. 
[5] Nguyễn Thành Tâm, Thiết kế tối ưu hóa kết cấu khung xương và sát – xi ô tô khách. 
Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, 31(2015): 29-35. 
[6] Liu Wen Qing. Design of Experiments. Tsinghua University. 2008. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết 
TS. Nguyễn Thành Tâm 
Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM 
Email: thanhtam1501@yahoo.com