Tính Toán Tối Ưu Kết Cấu Thân Máy Tiện Dựa Vào Giải Thuật Di Truyền.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY 605204 Tp Hồ Chí Minh, 2013 S K C 0 0 3 9 5 9 TÍ[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG TÍNH TỐN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN S K C 0 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG TÍNH TỐN TỐI ƢU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hƣớng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 23 tháng 11 năm 1982 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Thừa Thiên – Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 133 Ấp Láng Me 2, Xuân Đông, Cẩm Mỹ, Đồng Nai Điện thoại: 0903.370.414 E-mail: lanhuongxd@yahoo.com Điện thoại quan: 0618.860856 II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2001 đến 2/ 2006 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu sợi Cacbon dạng với nhựa Epoxy Ngƣời hƣớng dẫn: Thạc sĩ Lê Linh III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 2006 đến Khoa khí, trƣờng Trung cấp Kỹ thuật Công nghiệp Đồng Nai XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Giảng dạy Ngày 20 tháng năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2013 CẢM TẠ Trƣớc hết tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Ngọc Phƣơng, thầy hƣớng dẫn giúp đỡ định hƣớng, tiếp cận khai thác tài liệu nhƣ động viên tơi q trình thực đề tài Xin đƣợc cảm ơn đến tất thầy cô giáo giảng dạy hƣớng dẫn tơi tồn khóa học Xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Phịng Đào tạo tạo điều kiện cho đƣợc học tập nghiên cứu trƣờng Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Trung cấp Kỹ thuật Cơng nghiệp Đồng Nai, lãnh đạo Khoa khí trƣờng điều kiện thuận lợi cho q trình hồn thành luận văn Cuối tơi muốn cảm ơn tới gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ thời gian qua TĨM TẮT Ngày nay, sản phẩm máy cơng cụ thị trƣờng phong phú đa dạng nhằm đáp ứng thị hiếu, yêu cầu ngƣời tiêu dùng Chính cạnh tranh dẫn đến việc liên tục cải tiến tính năng, cơng dụng, chất lƣợng, mẫu mã sản phẩm So với trƣớc đây, sản phẩm phải thỏa mãn về: độ bền, ổn định, làm việc khơng ồn, tiết kiệm vật liệu, tốn nhiên liệu, lƣợng,…Tuy nhiên, năm gần đây, ngồi u cầu cần phải thêm yêu cầu khác nhƣ: tính thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian, phù hợp ngƣời sử dụng, thân thiện với mơi trƣờng Luận văn“ Tính tốn tối ƣu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di truyền” đƣợc thực Mục đích nghiên cứu tính tốn tìm giải thuật từ giải thuật di truyền để tối ƣu đƣợc kết cấu thân máy tiện, đáp ứng yêu cầu tối ƣu hình dáng, tiết kiệm không gian, gọn nhẹ, mà đáp ứng yêu cầu kỹ thuật máy thông qua khảo sát kết cấu thân máy tiện, tìm hiểu lý thuyết độ tin cậy áp dụng vào toán tối ƣu kết cấu thân máy, nghiên cứu giải thuật bàit tốn tối ƣu tìm hiểu giải thuật di truyền Từ áp dụng giải thuật di truyền tối ƣu thân máy tiện cho dạng thân máy khác nhƣ máy phay, máy bào, máy khoan… SUMMARY Today, products of machine tool on the market are very rich and varied to meet the tastes and requirements of the consumers This competition has led to the continuous improvement of features, usage, quality and design of products.Compared with the past, the product had to satisfy in: strength, stability, quiet working, material saving, less fuel and energy However, in recent years, apart from the above requirements, other demands of machine tool are aesthetic, compact, space-saving, suitable for user and friendly with environment Thesis "Calculate, optimize body structure of the lathe based on genetic algorithms" iscarried out The purpose of this research topic is calculation and finds out the new algorithm from genetic algorithm to optimize the lathe to meet the requirements for optimal shape, spacesaving, compact, which still meets the technical requirements of the machine via the survey of the lathe’s body structure, learn reliability theory applied to optimization problem of machine’s body structure, research algorithms of optimization problems and study genetic algorithms Since then apply genetic algorithm of optimizing lathe’sbody structure for the body structureof other types machine such as machine milling, planers, machine drilling,… MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách ký hiệu chữ viết tắt x Danh sách hình xi Danh sách bảng xii TỔNG QUAN Chƣơng I: 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Tổng quan nghiên cứu nƣớc 1.3.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.3.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.5 Nhiệm vụ giới hạn luận văn Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết độ tin cậy 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Tổng quan q trình phân tích độ tin cậy 2.2 Bài toán tối ƣu theo độ tin cậy 2.2.1 Bài toán tối ƣu 2.2.2 Bài toán tối ƣu theo độ tin cậy 2.2.3 Phƣơng pháp giải toán tối ƣu theo độ tin cậy 2.3 Kết cấu toán tối ƣu kết cấu 2.3.1 Kết cấu 2.3.2 Bài toán tối ƣu kết cấu 10 2.3.3 Các dạng toán tối ƣu kết cấu 11 2.4 Các giải thuật tối ƣu 12 2.4.1 Giải thuật tìm giá trị xác 12 2.4.2 Giải thuật tìm giá trị tối ƣu dựa vào đạo hàm 14 2.4.3 Giải thuật tiến hóa 15 2.4.4 Monte Carlo 17 Chƣơng III: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 3.1 Giới thiệu giải thuật di truyền 19 3.2 Trình tự giải thuật di truyền 20 3.2.1 Mã hóa 20 3.2.2 Hàm thích nghi 21 3.2.3 Chọn lọc cá thể 21 3.2.4 Lai ghép 21 3.2.5 Đột biến 23 3.2.6 Điều kiện dừng giải thuật 24 3.3 Xử lý ràng buộc giải thuật di truyền 24 3.4 Cấu trúc thuật giải di truyền tổng quát 25 3.5 Nhâ ̣n xét giải thuật di truyền 26 Chƣơng IV: KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN 4.1 4.2 Tổng quan máy Tiện 27 4.1.1 Các kiểu máy Tiện 27 4.1.2 Hình dạng chung bên ngồi máy tiện 28 Thân máy 28 4.2.1 Thân máy 28 4.2.2 Một số hình dáng thân máy tiện cỡ trung bình 32 4.3 Vật liệu thân máy 33 4.4 Tính tốn thân máy theo phƣơng pháp truyền thống 34 4.5 4.4.1 Chọn sơ đồ tính tốn thân máy 34 4.4.2 Xác định lực tác dụng lên thân máy tiện 35 4.4.3 Tính biến dạng thân máy 37 Hạn chế 40 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TÍNH TỐN TỐI ƢU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN Chƣơng V: 5.1 Các bƣớc tính tốn tốn tối ƣu thân máy dựa vào giải thuật di truyền 42 5.2 Chọn máy 44 5.3 Các định thông số 44 5.3.1 Thông số máy tiện 5.3.2 5.4 44 Tính tốn tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục thân máy 47 Giải toán 51 5.4.1 Các biến thiết kế (thơng số tính tốn) 51 5.4.2 Chọn hàm mục tiêu 51   3729 56 (332  H  h  4 ) Ở máy tiện, độ chuyển vị dao y0 biến dạng thân máy phải thỏa điều kiện sau:[3] y0≤[y0] Với [y0] độ chuyển vị cho phép dao biến dạng thân máy, chọn [y0]=0,04÷0,07mm Độ chuyển vị dao y0 biến dạng thân máy đƣợc tính: y0 = y + φC (4.16) C khoảng cách từ đƣờng tâm thân máy đến đƣờng nối liền mũi tâm máy tiện 5.4 φ góc xoắn thân máy tiết diện đặt dao Giải tốn 5.4.1 Các biến thiết kế (thơng số tính tốn) - Chiều cao thân máy H - Chiều rộng thân máy B - Bề dày thân máy  - Bề rộng sƣờn b - Chiều cao sƣờn h 5.4.2 Chọn hàm mục tiêu Tính tốn thân máy tiến hành theo độ bền theo độ cứng vững Nhƣng độ cứng vững tiêu quan trọng để đánh giá khả làm việc thân máy Do đó, ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp tính tốn theo độ cứng vững để đánh giá biến dạng thân máy dƣới tác dụng tải trọng Vậy để đạt độ cứng vững lớn độ võng phải nhỏ Theo mục 4.6.3, ta có hàm sau: f ( H , B,  , h, b)  3.4(8( H  72 B  8695 )  3(bh  60 h  900 ))  (bh  60 h  900 ).( H  72 B  8695 ) 65 Trong đó: - Chiều cao thân máy H - Chiều rộng thân máy B - Bề dày thân máy  - Bề rộng sƣờn b - Chiều cao sƣờn h 5.4.3 Xác định hệ ràng buộc Dùng độ chuyển vị dao để đƣa vào hệ ràng buộc Theo [3] độ chuyển vị cho phép dao biến dạng thân máy, chọn [y0]= 0,07mm 3.4(8( H  72 B  8695 )  3(bh  60 h  900 )) 3729 56 + 260 – 0,07≤0 (bh  60 h  900 ).( H  72 B  8695 ) (332  H  h  4 ) 8≤  ≤ 30 100≤B≤250 150≤ H≤ 300 100≤ h≤ 200 50≤ b ≤ 100 5.4.4 Dùng giải thuật di truyền để giải toán Giải thuật di truyền đƣợc cơng ty Mathworks tích hợp sẵn vào cơng cụ toolbox phần mềm Matlab với tên hàm “ga” Vì để giải tốn tối ƣu ta cần thiết lập hàm mục tiêu, hàm ràng buộc khai báo biến, sau gọi hàm “ga” công cụ toolbox phần mềm Matlab để thực việc tính tốn Bảng liệu thơng số tính tốn: Bảng 5.1: Dữ liệu thơng số tính tốn B H  b h f(x1,x2,x3,x4,x5) x1 x2 x3 x4 x5 y Sau tính tốn ta giải thuật di truyền ta có bảng kết sau: 66 Bảng 5.2: Kết tính GA y B 0.0044 5.5 154.3944 H  b h 193.9385 29.95 99.810 193.0806 So sánh với phƣơng pháp tính tay - Theo [11] ta tính chiều dày sơ  thân máy tiện nhƣ sau:[1] 2l  B  H (4.17)  =10 Trong đó: - Chiều cao thân máy H - Chiều rộng thân máy B - Bề dày thân máy  Theo [18] ta tính đƣợc B, H dựa vào công thức: H = (4.18) B Chọn B=200   =108mm Ta có kết nhƣ sau: Bảng 5.3: Kết tính tay 5.6 B H  200 150 108 Giải thuật Quy hoạch tuyến tính Với hàm mục tiêu ràng buộc Ta dùng phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính có kết nhƣ bảng sau 67 Bảng 5.4: Kết tính từ phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính: y B 0.0050 118.3368 H  b h 190.9274 30.0000 100.0000 190.0956 Đánh giá kết thu đƣợc 5.7 Kết thực tế máy Tiện Charles Swing sau giải ba phƣơng pháp: giải thuật di truyền, quy hoạch tuyến tính, tính tay ta có bảng sau: Bảng 5.5: So sánh kết Phƣơng pháp tính GA y 0.0044 B 154.3944 193.9385 Bằng tay Quy hoạch tuyến tính 0.0050 H  29.95 b h 99.810 193.0806 200 150 108 118.3368 190.9274 30.0000 100.0000 190.0956 230 285 15 80 120 Máy tiện Charles Swing Trong đó: - Chiều cao thân máy H - Chiều rộng thân máy B - Bề dày thân máy δ - Chiều cao sƣờn h - Bề rộng sƣờn b - y độ võng 68 Theo bảng 5.5 ta thấy giải thuật GA có ƣu điểm trội so với phƣơng pháp tính tay: - Thực GA cho kết xác - Thời gian thực nhanh - Giá trị đạt đƣợc gần với giá trị thực tế - Tính đƣợc nhiều biến So với phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính Kết đạt đƣợc nói gần giống Tuy nhiên độ võng phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính cao so với GA Mà mục tiêu đƣa độ võng giá trị nhỏ Vì GA cho kết tối ƣu Bảng 5.6: Sai lệch % tính tốn GA thực tế máy tiện Charles Swing: y B  32.872% H  b h  31.951%  99.67%  24.76%  60.83% Dựa vào bảng so sánh 5.6 trên, ta thấy rằng: kích thƣớc B, H giảm đáng kể so với thực tế máy tiện Dù ba kích thƣớc cịn lại  , b, h tăng Nhƣng yếu tố quan trọng năm yếu tố B, H Vì hai yếu tố làm giảm đƣợc trọng lƣợng kết cấu máy Đây yếu tố mà quan tâm 69 KẾT LUẬN Chƣơng VI: 6.1 Kết luận - Khảo sát kết cấu thân máy tiện - Tìm hiểu lý thuyết độ tin cậy áp dụng vào tốn tối ƣu kết cấu thân máy - Tìm hiểu giải thuật giải toán tối ƣu - Tìm hiểu giải thuật di truyền - Lựa chọn giải thuật thích hợp cho tốn tối ƣu kết cấu thân máy tiện - Xây dựng giải thuật di truyền áp dụng giải toán kết cấu thân máy tiện - Đƣa đƣợc lƣu đồ giải thuật cho tốn tối ƣu thân máy tiện - Giải thành cơng toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện - So sánh với phƣơng pháp khác để thấy ƣu điểm giải thuật di truyền 6.2 Hạn chế - Luận văn dừng lại tối ƣu thân máy tiện, chƣa nghiên cứu nhiều dạng máy khác - Chỉ áp dụng giải thuật di truyền, chƣa phối hợp đƣợc nhiều giải thuật khác - Chƣa xác định đƣợc tham số nhƣ quần thể, số lƣợng cá thể quần thể, phƣơng pháp chọn lọc, lai ghép, đột biến ảnh hƣởng nhƣ đến độ hội tụ giá trị tối ƣu thu đƣợc giải thuật 6.3 Hƣớng phát triển Vấn đề tối ƣu hóa kết cấu thân máy vấn đề thời đƣợc nghiên cứu phát triển Đặc biệt máy công cụ đời mới, máy CNC đa chức đòi hỏi kết cấu máy đơn giản nhƣng độ tin cậy cao, tiết kiệm ngun vật liệu, thân thiện với mơi trƣờng Vì vậy: 70 - Phát triển nghiên cứu để áp dụng cho máy khác nhƣ: máy phay, máy bào - Xây dựng giải thuật di truyền để áp dụng cho số cụm chi tiết máy khác - Xét thêm điều kiện chế tạo, lắp ráp vào trình thiết kế - Tìm hiểu giải toán tối ƣu kiểu dáng - Kết hợp số giải thuật khác nhằm giảm thời gian thực hay tăng độ hội tụ kết 71 PHỤ LỤC Một số file code Matlab Code Matlab cho giải thuật di truyền  Hàm mục tiêu (fitness.m): function y = fitness(x) % H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); y = (3.4*( 8*(x(1)*x(2) + 72*x(3) - 8695)+ 3*(x(4)*x(5) - 60*x(5) + 900))) / ((x(4)*x(5) - 60*x(5) + 900)*(x(1)*x(2) + 72*x(3) - 8695));  Hàm ràng buộc (constraint.m): function [c, ceq] = constraint(x) H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); c1 = fitness(x) + (3729.56*260)/((332+4*H+h+4*deta)*deta^3) - 0.07; c2 = -fitness(x); c = [c1; c2]; ceq = [];  Giải thuật di truyền (hàm “ga”) (MainGA.m): clc, clear all 72 ObjectiveFunction = @fitness; nvars = 5; % Number of variables "H,deta,B,b,h" % H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); LB = [150 100 50 100]; UB = [300 30 200 100 200]; % Lower bound % Upper bound ConstraintFunction = @constraint; % % 'Generation',100 options = gaoptimset('Generation',1000,'PopulationSize',1000,'PlotFcns',@gaplotbestin div,'Display','iter'); [x,fval,exitflag] = ga(ObjectiveFunction,nvars,[],[],[],[],LB,UB,ConstraintFunction,options); Kế t quảGiải thuật di truyền (ga) : Best max Stall f-count f(x) constraint Generations 53000 0.633826 0 105000 0.00633718 0 157000 0.00440709 0 Generation Optimization terminated: average change in the fitness value less than options.TolFun and constraint violation is less than options.TolCon 73 >> x x = 193.9385 29.9513 154.3944 99.8101 193.0806 >> fval fval = 0.0044 Code Matlab cho giải thuật quy hoa ̣ch tuyế n tính  Giải thuật quy hoạch tuyến tính (hàm “fmincon”) (MainFMINCON.m):  Hàm mục tiêu (fitness.m): function y = fitness(x) % H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); y = (3.4*( 8*(x(1)*x(2) + 72*x(3) - 8695)+ 3*(x(4)*x(5) - 60*x(5) + 900))) / ((x(4)*x(5) - 60*x(5) + 900)*(x(1)*x(2) + 72*x(3) - 8695));  Hàm ràng buộc (constraint.m): 74 function [c, ceq] = constraint(x) H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); c1 = fitness(x) + (3729.56*260)/((332+4*H+h+4*deta)*deta^3) - 0.07; c2 = -fitness(x); c = [c1; c2]; ceq = []; clc, clear all ObjectiveFunction = @fitness; % H = x(1); deta = x(2); B = x(3); b = x(4); h = x(5); LB = [150 100 50 100]; UB = [300 30 200 100 200]; % Lower bound % Upper bound ConstraintFunction = @constraint; x0 = [190 110 100 190]; options = optimset('Algorithm','active-set'); [x,fval,exitflag] = fmincon(ObjectiveFunction,x0,[],[],[],[],LB,UB,ConstraintFunction,options); Giải thuật Quy hoạch tuyến tính (phi tuyến) options = optimset('Algorithm','active-set'); 75 [x,fval,exitflag] = fmincon(ObjectiveFunction,x0,[],[],[],[],LB,UB,ConstraintFunction,options); Kết quả: Optimization terminated: directional derivative predicts change in objective value less than options.TolFun and maximum constraint violation is less than options.TolCon x = 190.9274 30.0000 118.3368 100.0000 fval = 0.0050 76 190.0956 BẢNG TRA Bảng 1: Hê ̣ số và số mũ công thƣ́c tin ́ h lƣ̣c cắ t Bảng 2: Hê ̣ số điề u chin̉ h tin ́ h lƣ̣c cắ t phu ̣ thuô ̣c vào vâ ̣t liê ̣u gia công Bảng 3: Hê ̣ số mũ 77 78