Giới thiệu
An toàn cho người đi bộ đang trở thành một trong những thách thức quan trọng nhất trong kỹ thuật giao thông hiện đại. Mặc dù số ca tử vong do tai nạn giao thông toàn cầu đang có xu hướng giảm, nhưng tỷ lệ người đi bộ tử vong vẫn tiếp tục gia tăng. Theo Hiệp hội An toàn Đường cao tốc Hoa Kỳ (GHSA), năm 2022 ghi nhận 7.508 người đi bộ thiệt mạng, mức cao nhất kể từ năm 1981.
Tại Việt Nam, từ năm 2022 đến giữa năm 2023, đã có hơn 9.000 người chết và hơn 11.000 người bị thương trong các vụ tai nạn đường bộ.
Trước thực tế này, nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Văn Lang và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu về tối ưu hóa cấu trúc cản trước xe ô tô nhằm giảm thiểu mức độ chấn thương ở chi dưới khi xảy ra va chạm với người đi bộ.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích và tái thiết kế cấu trúc cản trước để hấp thụ năng lượng va chạm hiệu quả hơn. Ba yếu tố chính được đánh giá gồm:
Hình dạng (biên dạng) của cản trước,
Vật liệu chế tạo, và
Độ dày tối ưu.
Các mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm HyperMesh và LS-DYNA – những công cụ tiêu chuẩn trong mô phỏng va chạm xe.
Phương pháp
Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Toyota Camry và mô hình người đi bộ V-THUMS, mô phỏng tình huống va chạm ở vận tốc 40 km/h. Các chỉ số tổn thương được đánh giá bao gồm: mô men uốn, lực tổng hợp, và phân bố ứng suất tại xương đùi, xương chày và khớp gối.
Ba yếu tố được tối ưu:
- Hình dạng (Profile): So sánh mẫu gốc với hai mẫu cải tiến.
- Độ dày: Thử nghiệm các mức 2.0 mm, 2.5 mm, 3.0 mm và 4.0 mm.
- Vật liệu: Đánh giá ba loại nhựa (PC, PP-TD20, PCABS) và hai loại kim loại (nhôm A3003, thép SAPH440).
Kết quả chính
Mẫu Profile 2 giúp giảm đáng kể mô men uốn và lực tổng hợp tác động lên chi dưới.
Độ dày tối ưu 2.5 mm đạt hiệu quả cân bằng giữa khả năng hấp thụ va chạm và độ bền kết cấu.
Trong các vật liệu thử nghiệm, nhựa PP-TD20 cho kết quả tốt nhất về khả năng giảm lực tác động và phân tán năng lượng.
Phân tích phân bố ứng suất
Kết quả mô phỏng cho thấy cản trước tối ưu giúp giảm rõ rệt ứng suất tập trung ở vùng xương chày khi va chạm. Đồng thời, phân tích đứt dây chằng khớp gối cho thấy xác suất rách dây chằng giảm từ 25–30% so với mẫu gốc.
Hình 1: Cấu trúc chung của cản trước xe ô tô
Kết luận
Nghiên cứu khẳng định rằng phương pháp tối ưu hóa dựa trên mô phỏng phần tử hữu hạn có thể cải thiện đáng kể an toàn cho người đi bộ. Thiết kế cản trước với hình dạng cải tiến, độ dày 2.5 mm và vật liệu PP-TD20 giúp giảm trung bình 20% mức chấn thương chi dưới, mở ra hướng phát triển mới cho thiết kế an toàn xe trong tương lai.