Nghiên cứu mô phỏng va chạm người đi bộ và khả năng hấp thụ năng lượng của cản trước ô tô

Giới thiệu

Va chạm giữa người đi bộ và ô tô đang là mối quan tâm lớn tại các đô thị có mật độ giao thông cao. Cản trước truyền thống chủ yếu được thiết kế để hấp thụ năng lượng khi va chạm giữa xe với xe, chưa đáp ứng tốt tiêu chí bảo vệ người đi bộ.

Do đó, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng mô phỏng số và tối ưu hóa cấu trúc nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ khi xảy ra va chạm.

Phân tích động học va chạm

Khi va chạm xảy ra, người đi bộ chịu đồng thời chuyển động tịnh tiến, quay và biến dạng — phụ thuộc vào độ cao, độ cứng và biên dạng của cản trước.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng lý thuyết biến đổi động lượng và mô hình chuyển động góc để mô phỏng tương tác giữa người và xe, qua đó xác định năng lượng hấp thụ và phân bố lực trong va chạm.

Hình 1: Thông số đo lường về cản trước xe ô tô

Phương pháp mô phỏng

Sử dụng mô hình người ảo V-THUMS, nhóm tác giả đánh giá các chỉ số chấn thương như:

• Ứng suất Von-Mises,
• Mô men uốn giới hạn,
• Biến dạng đứt dây chằng (giới hạn 25%).

Các vật liệu, hình dạng và độ dày khác nhau được thử nghiệm ở cùng điều kiện va chạm để đảm bảo tính so sánh khách quan.

Kết quả nổi bật

1. Tối ưu hình dạng: Mẫu Profile 2 giúp phân bố lực đồng đều, giảm tới 15% lực tác động cực đại lên xương đùi và xương chày.
2. Hiệu quả vật liệu: Vật liệu PP-TD20 cho giá trị chấn thương thấp nhất (đùi: 140 Nm, chày: 128 Nm), vượt trội so với nhôm và thép.
3. Ảnh hưởng độ dày: Độ dày dưới 2.0 mm gây biến dạng lớn, còn trên 4.0 mm lại tăng rủi ro chấn thương. Mức 2.5–3.0 mm được xem là tối ưu.

Hình 2: Biểu đồ biểu thị độ dày của xương đùi và xương ống đồng

Đánh giá dây chằng và ứng suất

Mô phỏng cho thấy thiết kế tối ưu giảm nguy cơ đứt dây chằng đầu gối (ACL, PCL, MCL, LCL) xuống dưới ngưỡng 25%. Phân bố ứng suất Von-Mises chứng minh năng lượng va chạm được chuyển hướng khỏi vùng nguy cơ cao, giúp bảo vệ tốt hơn cấu trúc chi dưới.

Ý nghĩa nghiên cứu

Nghiên cứu góp phần vào xu hướng toàn cầu về an toàn người đi bộ, đồng thời đưa ra dữ liệu tham khảo cho:

• Các nhà sản xuất ô tô trong việc đạt chuẩn an toàn EEVC/WG17,
• Cơ quan quản lý trong xây dựng quy định bảo vệ người đi bộ,
• Giảng viên, sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thiết kế, mô phỏng va chạm.

Kết luận

Kết quả khẳng định rằng việc tối ưu hóa biên dạng, vật liệu và độ dày cản trước có thể giảm đáng kể mức độ chấn thương cho người đi bộ. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển thiết kế xe an toàn – thông minh – thân thiện con người, góp phần vào mục tiêu giao thông bền vững.