Nghiên cứu và xây dựng phương pháp thiết kế cơ cấu đàn hồi bistable dựa trên phần tử hữu hạn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN THIÊN SƠN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DƯNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Cơ CẤU ĐÀN HỒI BISTABLE DựA TRÊN PHẦN TỬ HỮU HẠN Ngành: KỸ THUẬT KHÍ Mã ngành: 8520103 LUẬN VĂN THẠC sĩ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: T.s Trần Ngọc Đăng Khoa Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PSG.TS Nguyễn Đức Nam - Chủ tịch Hội đồng TS Đào Thanh Phong - Phản biện TS Nguyễn Viễn Quốc - Phản biện PGS.TS Đỗ Xuân Phú - ủy viên TS Ao Hùng Linh - Thư ký (Ghi rô họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA/VIỆN BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỊ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ Họ tên học viên:Trần Thiên Sơn MSHV: 20125891 Ngày, tháng, năm sinh: 14/05/1997 Nơi sinh:Tiền Giang Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành: 8520103 I TÊN ĐÈ TÀI: Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết ké cấu đàn hồi bistable dựa phần tử hữu hạn NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ đề tài tập trung vào việc nghiên cứu phương pháp thiết kế cấu đàn hồi Bistable dựa phần tử hữu hạn Việc nghiên cứu tạo giải thuật chia lưới tự động cho cấu Bistable giúp việc thiết kế cấu trở nên tối ưu so với phương pháp thiết kế truyền thống Nội dụng đề tài tập trung vào việc tạo phương pháp mới, giải thuật cho việc chia lưới tự động cho cấu Bistable từ ứng dụng cho phương pháp tối ưu hóa thiết kế II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/02/2023 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/08/2023 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến Sĩ Trần Ngọc Đăng Khoa Tp Hồ Chỉ Minh, ngày tháng năm 2023 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ KHÍ LỜI CẢM ƠN Kính gửi Thầy/Cơ Ban giám hiệu, Tôi xin hân hoan gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy/Cơ tồn thể Ban giám hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Với hướng dẫn ủng hộ tận tâm Thầy Trần Ngọc Đăng Khoa, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Đầu tiên, tơi muốn biểu dương lòng tận tụy kiến thức sâu sắc Thầy Khoa Với bảo Thầy Khoa, tơi có hội nắm vững kiến thức chuyên môn phát triển khả nghiên cứu Thầy dành nhiều thời gian cơng sức để hỗ trợ tôi, từ việc nhận xét, gợi ý, đến việc định hướng giúp đỡ trình thực luận văn Tơi thật cảm kích học quý báu mà Thầy cung cấp cho Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu mang đến môi trường học tập nghiên cứu thân thiện, đồng thời tạo điều kiện tốt để tơi phát triển hồn thiện luận văn Sự quan tâm đầu tư Ban giám hiệu thực tạo động lực mạnh mẽ để tiến xa đường học tập Lời cảm ơn diễn tả hết lịng biết ơn lịng tơn kính mà tơi dành cho Thầy Khoa tồn ban giám hiệu Tơi tha thiết hy vọng thành công cống hiến nhỏ Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cám ơn! Trân trọng, Trần Thiên Sơn TÓM TẮC LUẬN VĂN THẠC sĩ Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế cấu mem bistable cách sử dụng phần tử hữu hạn Mục tiêu nghiên cứu tạo giải thuật để thiết ké cấu mềm bistable, cho phép giữ vị trí bền vững hai trạng thái Bistable Để đạt mục tiêu này, nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để mô tối ưu hóa cấu mềm Một loạt khảo sát phần tử thiết ké phần tử đàn hồi sử dụng để mơ tính chất học cấu mem bistable Sau trình tối ưu hóa mơ phỏng, kết cho thấy phương pháp thiết kế cho phép cấu mềm bistable đạt hiệu suất ổn định cao so với phương pháp truyền thống Ngoài kết thực nghiệm cho thấy cấu chế tạo theo phương pháp có tỉ lệ sai số thấp so với kết mô Nghiên cứu cung cấp tảng cho việc phát triển cấu mềm bistable với ứng dụng ngành công nghiệp y học 11 ABSTRACT This thesis focuses on researching and developing a method for designing bistable soft mechanisms using finite element elements The objective of the study is to create a new algorithm for designing bistable soft mechanisms that can maintain stable positions in both bistable states To achieve this goal, the study applies finite element analysis method to simulate and optimize the soft mechanism A series of investigations on design elements and elastic elements are used to simulate the mechanical properties of the bistable soft mechanism After optimization and simulation, the results show that the new design method enables the bistable soft mechanism to achieve higher performance and stability compared to traditional methods Additionally, experimental results demonstrate that the mechanism fabricated using this method has low error rates compared to the simulated results This research provides a foundation for the development of bistable soft mechanisms with applications in various industries and medicine iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp thạc sĩ tơi thực viết giám sát người hướng dẫn khơng có can thiệp bên ngồi q trình nghiên cứu viết Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp thạc sĩ thực viết tơi giám sát người hướng dẫn khơng có can thiệp bên ngồi q trình nghiên cứu viết Tơi cam đoan chịu trách nhiệm chấp nhận hình phạt hậu pháp lý cam đoan không tuân thủ tin tưởng quy tắc nghiên cứu khoa học đạo đức cộng đồng học thuật Tôi cam đoan chịu trách nhiệm chấp nhận hình phạt hậu pháp lý cam đoan không tuân thủ tin tưởng quy tắc nghiên cứu khoa học đạo đức cộng đồng học thuật Người cam kết Trần Thiên Son IV MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮC LUẬN VĂN THẠC sĩ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH .X DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv MỞ ĐẲƯ 1 Tính cấp thiết Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm phần mềm mô Đối tượng nghiên cứu CH ƯƠNG TỔNG QUAN VẾ VẤN ĐÈ NGHIÊN cứu .5 1.1 Tổng quan cấu mềm Bistable 1.2 ứng dụng cấu mem Bistable 1.3 Một số nghiên cứu cấu mem Bistable CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Cơ sở lý thuyết cấu mem Bistable .12 V 2.1.1 Nguyên lý cấu mềm Bistable 12 2.1.2 Phân tích cấu tạo cấu mem Bistable 13 2.1.3 Phân tích đặc tính cấu Bistable 14 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 17 2.2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 17 2.2.2 Tổng quan quy trình phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 22 2.2.3 Mơ hình hóa hình học 23 2.2.4 Chia lưới 24 2.2.5 Thiết lập vật liệu 24 2.2.6 Thiết lập điều kiện biên tải trọng 25 2.2.7 Mô 25 2.2.8 Các phương trình giải phân tích phần tử hữu hạn 26 2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp tối ưu hóa NSGA II 38 2.3.1 Giới thiệu phương pháp tối ưu hóaNSGA II 38 2.3.2 Ưu điểm phương pháp tối ưu hóa NSGA II 39 2.3.3 Tổng quan quy trình phương pháp tối ưu hóa NSGA II 40 2.3.3.1 Khởi tạo quần thể 40 2.3.3.2 xếp hạng cá thể dựa mục tiêu khác thuật toán Nondominated Sorting 41 2.3.3.3 Tính tốn độ cơng độ phân tán cá thể dựa khoảng cách Crowding Distance 42 2.3.3.4 Lựa chọn cá thể tốt 43 2.3.3.5 Tái sinh quần thể 44 2.3.3.6 Kiểm tra tiêu chuẩn dừng 45 VI 2.3.3.7 Lặp lại bước từ bước đến bước cho hệ để tiếp tục tối ưu hóa đạt giải pháp tối ưu 46 2.4 Hướng phát triển phưong pháp NSGA II 46 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤU ĐÀN HỒI BISTABLE DựA TRÊN KỸ THUẬT CHIA LƯỚI Tự ĐỘNG 48 3.1 Tổng quan quy trình thực .48 3.2 Phưong pháp xây dựng biên dạng cấu mem Bistable 48 3.2.1 Xác định xác thông số thiết kế 48 3.2.2 Đặt thông số thiết kế vào chi tiết cấu Bistable 49 3.2.3 Xây dựng nút biên dạng cho cấu 49 3.2.4 Xây dựng đường biên 51 3.3 Phương pháp xây dựng chia lưới tự động 52 3.3.1 Tạo nút phần tử 52 3.3.2 Tạo phần tử (Tạo ô lưới) .52 3.3.3 Chia lưới cho tồn mơ hình 53 3.4 Phương pháp mô cấu mem Bistable 54 3.4.1 Đặt điều kiện biên cho cấu 54 3.4.2 Gán vật liệu 55 3.4.3 Thông qua Abaqus để chạy mô 56 3.4.4 Phân tích kết 56 3.5 Tối ưu hóa cấu mem Bistable phương pháp NSGA II 58 3.5.1 Quy trình tối ưu hóa cấu Bistable 58 3.5.2 Hàm mục tiêu 60 3.5.3 Khảo sát thông số 61 3.5.4 Lai tạo hệ 61 vii