TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan một số nghiên cứu động lực học hệ thống nâng trên xe chuyên dùng
Hệ thống nâng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, vì vậy nghiên cứu về động lực học của các hệ thống này đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học toàn cầu.
Nghiên cứu của Guanglin và cộng sự (2009) sử dụng phần mềm ADAMS để phân tích đặc tính động của hệ thống nâng thùng rác kiểu có móc quay Dựa trên các thông số động lực học thu được, họ đã tiến hành phân tích phần tử hữu hạn cho hệ thống Kết quả cho thấy vị trí chịu ứng suất lớn nhất, từ đó cung cấp hướng dẫn kỹ thuật nhằm tối ưu hóa đặc tính động của hệ thống.
Kwang-Phil Park và cộng sự (2011) đã thực hiện nghiên cứu về động lực học thông qua mô phỏng động lực học của cần trục nổi và hàng hóa Nghiên cứu này đã phát triển các phương trình động lực học cho hệ thống, tập trung vào chuyển động sáu bậc tự do của cần trục nổi Họ cũng đã phân tích tác động của cần đàn hồi đối với việc nâng hàng nặng bằng cách so sánh kết quả mô phỏng giữa cần đàn hồi và cần cứng.
Jian Min Zeng và cộng sự (2011) đã thực hiện phân tích động học và động lực học của cơ cấu nâng trong hệ thống vận chuyển ống Nghiên cứu chỉ ra rằng góc quay của hệ thống nâng hạ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ nâng hạ và lực truyền động Dựa trên kết quả này, các tác giả khuyến nghị lựa chọn các tham số liên quan để phục vụ cho quá trình chế tạo.
Yan Tao-Ping (2011) đã sử dụng phương pháp đồ họa để phân tích động học và động lực học của thùng xe tự đổ loại 3201Z Tác giả đã nghiên cứu nguyên lý hoạt động, xác định kích thước, vật liệu và thông số hình học của hệ thống nâng Độ an toàn và tính hợp lý của thiết kế được kiểm tra thông qua các phép tính độ bền của thanh và lực cắt của chốt bản lề.
Ge Xu-Kun và cộng sự (2013) đã tiến hành phân tích cơ cấu nâng dựa trên nguyên mẫu ảo và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi lực tác dụng lên thanh đỡ của cơ cấu nâng theo góc nâng, được xác định từ phân tích động lực học Đồng thời, phần mềm NASTRAN đã được sử dụng để thực hiện phân tích độ bền của thanh Kết quả nghiên cứu này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho việc thiết kế và cải tiến các cơ cấu nâng.
Zhongchang Wang và cộng sự (2012) đã sử dụng phần mềm ADAMS để nghiên cứu hệ thống nâng thùng rác lên xe, giúp cải thiện hiệu suất của cơ cấu, với kết quả cho thấy lực tác dụng lên xi lanh giảm 16,5% và lực nâng giảm 15,7% so với cấu trúc không tối ưu Tương tự, Yang Xiaoying (2019) nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu tay nâng thùng rác lên xe thu gom, xây dựng mô hình và phân tích nguyên lý làm việc của phương tiện thu gom rác, đồng thời kết hợp các đặc điểm cấu tạo của thùng rác và xe chở rác Phần mềm Adams được sử dụng để phân tích mô phỏng động học và động lực học, trong khi phần mềm ANSYS được dùng để phân tích phần tử hữu hạn, từ đó tạo cơ sở cho việc tối ưu hóa kết cấu hệ thống bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM).
Md Toufiqul Islam và cộng sự (2014) đã tiến hành nghiên cứu động lực học của hệ thống nâng hình zíc-zắc (cơ cấu bốn thanh song song) thông qua mô hình 3D Nghiên cứu này đã mô hình hóa và mô phỏng cơ cấu để đánh giá các yêu cầu cụ thể như động lực học và độ chính xác vị trí Mô hình được đề xuất đã cung cấp một phương pháp chính xác và nhanh chóng để phân tích động lực học, đồng thời mang lại cái nhìn rõ ràng về kích thước và mô-men xoắn của động cơ trong quá trình chuyển động.
Hu Wenting (2013) đã thiết kế một hệ thống bàn nâng an toàn cho ô tô tải, nghiên cứu nguyên lý cơ chế và tạo mô hình các thành phần bằng phần mềm Inventor Sau khi hoàn thiện mô hình, nghiên cứu tiến hành mô phỏng động học và phân tích ứng suất, từ đó điều chỉnh mô hình dựa trên kết quả phân tích.
Anand Thorat và cộng sự (2019) đã phát triển một bàn nâng lắp đặt phía sau đuôi xe tải bằng cách sử dụng mô hình CAD 3 trong Solidworks Sau đó, sản phẩm này đã được phân tích trên Ansys Workbench 18.0 để kiểm tra độ bền của hệ thống.
Nghiên cứu của Chengqiang Zong và cộng sự (2019) đã tập trung vào tác động của việc lắp đặt bàn nâng lên khung xe, thông qua việc xây dựng mô hình ADAMS và phân tích phần tử hữu hạn của khung xe Họ đã xem xét ảnh hưởng của lực nâng đối với khung xe khi ở trạng thái đầy tải hoặc trong quá trình di chuyển Cuối cùng, một thử nghiệm thực nghiệm đã được tiến hành để xác minh kết quả Kết quả cho thấy mô phỏng gần như khớp với dữ liệu thử nghiệm thực tế và giá trị ứng suất tối đa của khung xe thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu.
Tại Việt Nam, đã có nhiều nghiên cứu về động học và động lực học hệ thống nâng Nghiên cứu của Lê Hồng Chương và cộng sự (2017) tập trung vào thiết bị lắp dựng tấm bê tông nhẹ, chỉ ra rằng thời kỳ tắt máy tạo ra lực quán tính và mômen quán tính lớn nhất Đặc biệt, độ lớn của các lực này phụ thuộc vào thời gian tắt máy và khối lượng của tấm tường trên khung nâng.
Nguyễn Trung Thành và cộng sự (2017) đã nghiên cứu và đề xuất giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của cầu trục trong điều kiện tham số thích hợp Bài viết mô tả mô hình động lực học của hệ thống cầu trục trong không gian ba chiều, sử dụng phương pháp Euler - Lagrange, để phân tích các chuyển động của tải trọng theo hướng dọc, ngang và nâng hạ Họ cũng đã phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi khối lượng tải trọng và lực kéo nâng hạ đến đáp ứng của hệ thống trong miền thời gian và miền tần số thông qua các kết quả mô phỏng.
Nguyễn Đình Tùng và cộng sự (2018) đã tiến hành nghiên cứu phân tích kết cấu của cầu nâng lật xe chở sắn thông qua mô hình 3D, xem xét tác động của các lực và mô men theo các phương x, y, z trong quá trình hoạt động Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm nhằm tối ưu hóa khả năng chịu tải và dự đoán sự truyền lực cơ học trong dầm cầu nâng lật Nghiên cứu đã làm rõ kết cấu cầu nâng lật, vật liệu chế tạo, sơ đồ chịu lực, biến dạng và ứng suất trong dầm từ trạng thái tĩnh đến trạng thái giới hạn, đảm bảo an toàn khi nâng xe chở sắn lên đến góc nghiêng cho phép.
Vũ Ngọc Thương và cộng sự (2018) đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế chế tạo xe nâng người, kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Thiết bị này có khả năng nâng hạ và di chuyển nhờ sự kết hợp của cơ cấu cơ khí, thủy lực và hệ thống điện điều khiển tự động Điểm nổi bật của xe là kích thước nhỏ gọn, khả năng di chuyển linh hoạt và điều khiển không dây, mang lại sự thuận tiện trong quá trình vận hành.
Robot chữa cháy và xe chuyên dùng vận chuyển robot chữa cháy
1.2.1 Tổng quan chung về robot chữa cháy
Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 kết hợp công nghệ vật lý, công nghệ số và sinh học, tạo ra những khả năng sản xuất mới và ảnh hưởng sâu sắc đến kinh tế, xã hội toàn cầu Trong bối cảnh này, phát triển công nghệ chữa cháy và cứu nạn tự động cao là điều cần thiết.
Nghiên cứu và phát minh ra robot chữa cháy không chỉ nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian trong công tác chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ mà còn giảm thiểu nguy cơ nguy hiểm cho lực lượng làm nhiệm vụ Việc sử dụng robot giúp các nhân viên cứu hộ tiếp cận môi trường nguy hiểm một cách an toàn hơn, thực hiện các nhiệm vụ có tính rủi ro cao mà không phải trực tiếp đối mặt với nguy hiểm.
Hệ thống chữa cháy bằng Robot được thiết kế để thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng, bao gồm phân tích và xác định vị trí đám cháy, tìm kiếm và cứu nạn, giám sát các mối nguy hiểm, và kiểm soát, dập tắt đám cháy Các hệ thống Robot chữa cháy cố định như vòi nước và thiết bị báo chữa cháy tự động được triển khai tại các khu vực đông dân cư và nguy hiểm, giúp nhanh chóng xử lý các nguy cơ cháy nổ Những hệ thống này thường đơn giản và chủ yếu dựa vào các cảm biến được lắp đặt cố định.
Hệ thống chữa cháy di động bằng Robot là phương tiện điều khiển từ xa, tích hợp các công cụ như vòi phun nước hoặc bọt, cho phép di chuyển vào khu vực nguy hiểm Với sự hỗ trợ của cảm biến, camera và công nghệ tiên tiến, Robot giúp truyền thông tin và điều hướng cho người điều khiển Các chuyên gia đang thử nghiệm Robot trên không như drone và Robot trong nhà để xử lý đám cháy gần Nhiều quốc gia phát triển như Nhật Bản, Đức, Pháp và Mỹ đã triển khai Robot chữa cháy, mang lại hiệu quả cao và đảm bảo an toàn cho lực lượng cứu hỏa, đặc biệt trong việc xử lý các đám cháy liên quan đến xăng dầu, hóa chất độc hại và nhà cao tầng.
Sau động đất và sóng thần năm 2011, Chính phủ Nhật Bản đã đầu tư vào nghiên cứu Robot để dọn dẹp và khắc phục hậu quả tại các nhà máy điện nguyên tử Đồng thời, họ cũng phát triển Robot chữa cháy nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong công tác chữa cháy Hiện nay, nhiều Robot chữa cháy đã được ứng dụng thực tế, trong đó có Robot chữa cháy công trình công nghiệp đang hoạt động tại Nhật Bản.
Robot chữa cháy công trình công nghiệp, như hình 1.1, đang được sử dụng tại Nhật Bản để xử lý các tình huống cháy nổ trong những khu vực độc hại Việc sử dụng robot phun hóa chất dập lửa cho phép tiếp cận gần đám cháy hơn con người, từ đó nâng cao hiệu quả chữa cháy.
Hình 1.2 Robot chữa cháy công trình công nghiệp
Công ty công nghệ Howe and Howe tại Mỹ đã phát triển Robot Thermite, một thiết bị chữa cháy cho các công trình cao tầng, có hình dạng giống như xe tăng nhỏ Robot điều khiển từ xa này có khả năng bơm 1983 lít nước mỗi phút và được trang bị camera để hoạt động trong các tình huống nguy hiểm như cháy rừng từ khoảng cách 400m Với trọng lượng 750kg, Thermite được thiết kế như một máy nổ và có khả năng phun chất trung hòa đám cháy Hệ thống làm mát ổn định của robot sử dụng nước bơm để duy trì nhiệt độ, mặc dù lưu lượng bơm chỉ bằng 1/3 so với xe chữa cháy, nhưng hiệu suất chữa cháy lại tăng lên đáng kể Nhờ khả năng tiếp cận các khu vực nguy hiểm mà không gây nguy hiểm cho con người, Robot Thermite được coi là thiết bị tiềm năng cho việc dập tắt cháy rừng trong tương lai.
Hình 1.3 Robot Thermite chữa cháy công trình cao tầng
Robot Octavia có khả năng di chuyển qua đám cháy, thực hiện chỉ dẫn từ người chỉ huy qua ngôn ngữ ký hiệu và dập tắt lửa bằng ống dẫn khí hoặc nước Được phát triển tại Mỹ, robot này được trang bị camera hồng ngoại và có thể hiểu ngôn ngữ ký hiệu cũng như mệnh lệnh bằng giọng nói, trở thành thiết bị hỗ trợ đắc lực cho con người trong công tác chữa cháy.
Hình 1.4 Robot chữa cháy Octavia do Mỹ sản xuất
Công ty công nghệ quốc phòng QinetiQ của Anh đã phát triển 4 loại robot nhằm mục đích dập tắt các vụ cháy liên quan đến khí acetylene công nghiệp Những đám cháy này không chỉ gây nguy hiểm cho lính cứu hỏa, mà còn tiềm ẩn rủi ro ngay cả sau khi ngọn lửa đã được dập tắt Hơn nữa, các vụ cháy này buộc toàn bộ khu vực phải được phong tỏa trong vòng 24 giờ.
Hình 1.5 Robot chữa cháy QinetiQ do Anh sản xuất
Xe chữa cháy Robot được triển khai tại tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc, từ năm 2007, nhằm thực hiện nhiệm vụ tại các nhà máy hóa chất và kho chứa vật liệu nguy hiểm Robot này được điều khiển từ xa, có khả năng di chuyển với tốc độ 3,6 km/h, leo dốc 30 độ và vượt qua hàng rào cao 25 cm Điểm nổi bật của xe chữa cháy này là vòi phun nước có tầm xa lên đến 65m và khả năng tự làm mát khi nhiệt độ quá cao Ngoài ra, robot còn được trang bị đầu dò để phát hiện tín hiệu nạn nhân và camera ghi lại hình ảnh cùng âm thanh tại khu vực xảy ra cháy.
Hình 1.6 Robot chữa cháy do Trung Quốc sản xuất
Robot nặng 500 kg do công ty Shark Robotics của Pháp chế tạo, trang bị vòi phun nước điều khiển từ xa và camera độ phân giải cao với góc nhìn 360 độ, zoom 25x và khả năng chụp ảnh nhiệt Những tính năng này giúp người vận hành quan sát toàn cảnh vụ cháy và điều khiển robot hiệu quả Mặc dù tốc độ di chuyển chỉ đạt 2,2 dặm/giờ (3,5 km/h), nhưng khả năng xử lý đa dạng địa hình khiến Colossus trở thành công cụ hữu ích cho Đội Cứu hoả Paris và các đơn vị cứu hỏa khác.
Hình 1.7 Robot chữa cháy trang bị cho đội cứu hỏa Paris
Rôbốt Thor/Saffir được thiết kế để tự động chữa cháy trên tàu thủy, với khả năng di chuyển qua các tầng không ổn định và sử dụng vòi nước cũng như mở cửa Trong không gian hẹp của tàu thường chứa nhiều chất dễ cháy, việc dập tắt đám cháy là cực kỳ quan trọng Với chiều cao 177cm, robot này sử dụng hình ảnh nhiệt lập thể và cảm biến LIDAR để điều hướng và phối hợp dập tắt đám cháy cùng với sự hỗ trợ của con người Mục tiêu là để THOR hoạt động bán tự động dưới sự điều khiển từ xa Tuy nhiên, robot vẫn gặp một số hạn chế như tốc độ chậm và dễ bị hư hỏng do lửa và nước, những thách thức này đang được khắc phục để tăng cường khả năng dập tắt đám cháy nguy hiểm.
Hình 1.8 Robot chữa cháy Thor
Robot chữa cháy TAF 20 là một loại xe bánh xích sử dụng tua bin để phun nước thành màn sương lớn, giúp bao phủ diện tích rộng hơn và tiết kiệm nước Trong một số trường hợp, nước có thể được tập trung thành tia nước mạnh, đạt công suất phun lên đến 3.500 lít mỗi phút Người vận hành có thể điều khiển robot từ xa lên đến 500m, tuy nhiên, nó vẫn bị hạn chế do cần kết nối với vòi nước.
Hình 1.9 Robot chữa cháy TAF 20
Robot Fire Ox là một trong những robot tự hành hiếm hoi có khả năng chở nước, được thiết kế để ứng phó với các tình huống cháy Với chức năng ngăn chặn đám cháy, hỗ trợ tìm kiếm và cứu nạn, nó còn có thể xử lý các vật liệu nguy hiểm Fire Ox hoạt động bán tự động và có thể được điều khiển từ xa với khoảng cách lên đến 322 km Nhờ tính cơ động vượt trội, robot này có khả năng làm việc trong các tình huống nguy hiểm, giúp giảm thiểu thương vong và rút ngắn thời gian cứu hộ Nó có thể được sử dụng hiệu quả trong nhiều tình huống, bao gồm cháy rừng và cháy công trình.
Hình 1.10 Robot chữa cháy Fire Ox
Sự an toàn của nhân viên cứu hỏa và nạn nhân là ưu tiên hàng đầu, dẫn đến sự phát triển của Robot chữa cháy Các chuyên gia và công ty chữa cháy truyền thống đang nâng cao hiệu quả công tác chữa cháy, đồng thời giúp giảm thiểu thiệt hại về người.
1.2.2 Xe chuyên dùng vận chuyển robot chữa cháy
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Cơ chế thị trường cạnh tranh yêu cầu các nhà thiết kế cải thiện độ chính xác và tính năng động học của máy móc, đồng thời giảm thiểu thời gian gia công và chi phí phát triển sản phẩm Tuy nhiên, quá trình phát triển thường tốn kém về chi phí và thời gian nghiên cứu Vì vậy, hiện nay, nhiều nhà thiết kế lựa chọn sử dụng các công cụ mô phỏng và tối ưu hóa nguyên mẫu ảo, đồng thời xác nhận dữ liệu mô phỏng thông qua nguyên mẫu vật lý.
Nghiên cứu động lực học hệ thống nâng hạ, đặc biệt trong ứng dụng robot chữa cháy, đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học cả trong và ngoài nước Các công trình nghiên cứu đã mang lại kết quả đáng tin cậy và ứng dụng thiết thực, góp phần quan trọng vào quá trình tối ưu hóa kết cấu hệ thống này Việc nghiên cứu và phát triển động lực học không chỉ hỗ trợ trong việc chế tạo sản phẩm thương mại mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của robot chữa cháy trong thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích động lực học của hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy lên xe vận chuyển giúp hiểu rõ trạng thái ứng suất và biến dạng trong các kết cấu cơ khí Từ đó, có thể đưa ra phương án thiết kế tối ưu về cấu trúc và kích thước của hệ thống, phục vụ hiệu quả cho quá trình chế tạo.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tập trung vào hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy, loại Robot nhỏ gọn có khả năng di chuyển lên xuống cầu thang Dự án này thuộc chương trình trọng điểm cấp Nhà nước với mã số ĐTĐL.CN, nhằm nghiên cứu công nghệ, thiết kế và chế tạo thử nghiệm Robot chữa cháy phục vụ cho các công trình công nghiệp.
- 98/21 Kích thước Robot (dài x rộng x cao) = (1-2) (1-1,5) (0,8 -1,3), khối lượng là 400kg
Nghiên cứu này sử dụng phần mềm kỹ thuật để khảo sát động lực học và phân tích kết cấu cơ khí của hệ thống nâng hạ Robot lên xe vận chuyển, mà không thiết lập các phương trình động lực học.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các công trình khoa học, giúp tổng hợp cơ sở lý luận về động lực học và đánh giá kết cấu hệ thống nâng trong ngành công nghiệp.
Phương pháp kế thừa là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích lựa chọn, cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu đã được thực hiện cả trên thế giới và trong nước Phương pháp này hỗ trợ trong việc giải quyết các nội dung nghiên cứu cũng như cung cấp cơ sở để nhận xét và đánh giá kết quả một cách hiệu quả.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng các phần mềm thiết kế, mô phỏng và phân tích để giải quyết các nội dung của nghiên cứu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Cấu tạo và động học cơ cấu
Hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy lên xe vận chuyển được cấu thành từ các cơ cấu cơ khí đơn giản với các khâu và khớp phổ biến
Máy và cơ cấu bao gồm nhiều bộ phận chuyển động tương đối, mỗi bộ phận được gọi là khâu Khâu có thể là chi tiết máy độc lập hoặc do nhiều chi tiết ghép lại Các khâu có thể là vật rắn không biến dạng, vật rắn biến dạng (như lò xo) hoặc dây dẻo (như dây đai trong bộ truyền đai) Để tạo thành cơ cấu, các khâu được kết nối với nhau thông qua các phép nối động, giúp chúng tiếp xúc theo quy cách nhất định trong quá trình chuyển động Nối động giữa hai khâu làm giảm số bậc tự do tương đối của chúng Chỗ tiếp xúc giữa các khâu được gọi là thành phần khớp động, và sự kết hợp của hai thành phần này trong một phép nối động tạo thành khớp động, được phân loại theo nhiều cách khác nhau.
Hình 2.1 Ví dụ khớp động
Căn cứ vào số bậc tự do tương đối bị hạn chế khi nối động, khớp động được phân thành các loại từ 1 đến 5, tương ứng với việc hạn chế 1 đến 5 bậc tự do Không tồn tại khớp loại 6, vì loại này sẽ làm hai khâu ghép cứng lại với nhau, và cũng không có khớp loại 0, vì trong trường hợp đó, hai khâu hoàn toàn tách biệt trong không gian, được gọi là liên kết tự do.
Căn cứ vào đặc điểm tiếp xúc của hai khâu, khi đó ta phân khớp động thành các loại:
- Khớp cao: Nếu thành phần khớp động là các điểm hay các đường (hai khâu tiếp xúc nhau theo điểm hoặc đường);
- Khớp thấp: Nếu thành phần khớp động là các mặt (hai khâu tiếp xúc nhau theo mặt)
Hình 2.2 Các dạng khớp động
Kích thước động của khâu xác định vị trí tương đối giữa các thành phần khớp động Ví dụ, trong động cơ đốt trong, thanh truyền (2) kết nối với tay quay (1) và piston (3) qua các khớp quay, với các mặt trụ trong có đường trục song song Kích thước động của thanh truyền là khoảng cách giữa hai đường trục của các khớp quay, và mỗi khâu có thể có một hoặc nhiều kích thước động.
Hình 2.3 Ví dụ về kích thước động
2.1.2 Lược đồ động Để thuận tiện trong quá trình giải quyết bài toán phân tích động học, các khâu được biểu diễn bằng các sơ đồ đơn giản gọi là lược đồ của khâu Lược đồ khâu phải thể hiện đầy đủ thành phần khớp động và các kích thước ảnh hưởng đến tính chất động học của cơ cấu Kích thước này được gọi là kích thước động Thông thường, kích thước động là kích thước giữa tâm các thành phần khớp động trên khâu
Hình 2.4 Ví dụ về lược đồ quy ước
Để thuận tiện trong nghiên cứu cơ cấu và máy, các khớp động được biểu diễn bằng lược đồ động, giúp dễ dàng nhận diện và phân tích Những lược đồ quy ước này đóng vai trò quan trọng trong việc minh họa các khớp trong các hình vẽ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu.
Lược đồ khâu là hình thức thể hiện các khâu trong cơ cấu một cách đơn giản Nó cần phải bao gồm đầy đủ các khớp chuyển động cũng như các kích thước ảnh hưởng đến chuyển động của khâu và toàn bộ cơ cấu.
Hình 2.5 Ví dụ về lược đồ khâu
Lược đồ động của chuỗi động kín luôn có dạng một hoặc nhiều đa giác, trong khi lược đồ động của chuỗi động hở có thể chứa từ một đến nhiều đa giác, hoặc thậm chí không có đa giác nào Mỗi đỉnh của đa giác trong lược đồ chuỗi đại diện cho một khớp động, và trong các khớp của một đa giác, có thể chọn bất kỳ khớp nào làm khớp đóng kín đa giác.
2.1.3 Chuỗi động và cơ cấu
Chuỗi động là tập hợp các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động trong
1 hệ thống Chuỗi động có thể được chia thành chuỗi động phẳng, chuỗi động không gian; đồng thời là chuỗi động kín hoặc chuỗi động hở (Hình 2.6)
- Chuỗi động phẳng là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong một mặt phẳng hoặc nhiều mặt phẳng song song với nhau
- Chuỗi động không gian là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong những mặt phẳng không song song với nhau
Chuỗi động kín là loại chuỗi động mà các khâu tạo thành một hoặc nhiều chu vi khép kín Để đạt được điều này, mỗi khâu trong chuỗi phải tham gia ít nhất hai khớp động.
Chuỗi động hở là loại chuỗi động mà các khâu không hình thành một chu vi khép kín Trong chuỗi động này, có những khâu chỉ tham gia vào một khớp động duy nhất.
Hình 2.6 Ví dụ chuỗi động phẳng (a) và chuỗi động không gian (b)
Cơ cấu là một chuỗi động, trong đó một khâu được chọn làm hệ quy chiếu (gọi là giá, coi giá là cố định) Các khâu còn lại chuyển động xác định trong hệ quy chiếu này và được gọi là các khâu động Ngoài ra, cơ cấu còn được phân loại thành cơ cấu phẳng và cơ cấu không gian.
Bậc tự do của cơ cấu
Bậc tự do là số thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí và khả năng chuyển động của cơ cấu Nó phụ thuộc vào số lượng khâu, khớp và loại khớp trong cơ cấu Đối với một cơ cấu gồm giá cố định và n khâu động, tổng số bậc tự do của các khâu động khi tách rời nhau trong hệ quy chiếu gắn liền với giá được ký hiệu là W0 Đồng thời, R là tổng số các ràng buộc do các khớp tạo ra Bậc tự do của cơ cấu được tính theo công thức tổng quát, phản ánh mối quan hệ giữa số khâu, khớp và ràng buộc.
W = W0 - R (2.1) Trong đó: W0 là bậc tự do tổng cộng của các khâu động nếu để rời
R là số ràng buộc của tất cả khớp động trong cơ cấu
Để xác định W0 trong trường hợp tổng quát, cần xem xét một khâu rời trong không gian có 6 bậc tự do tương đối so với giá Do đó, nếu cơ cấu có n khâu, số bậc tự do tương đối sẽ được tính toán dựa trên số lượng khâu này.
Xác định R: Mỗi khớp động trong cơ cấu sẽ giới hạn một số bậc tự do tương ứng với số ràng buộc của khớp đó Nếu ký hiệu pi là số khớp loại i, tổng số ràng buộc trong cơ cấu có thể được tính toán dựa trên số lượng khớp này.
R = 5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1 (2.3) Thay (3-2) và 3-3) vào (3-1) ta có:
Để xác định cơ cấu chuyển động, số quy luật chuyển động độc lập cần phải bằng số bậc tự do của cơ cấu Cơ cấu 4 khâu có 1 bậc tự do, do đó chỉ cần 1 thông số độc lập (góc) để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu Cơ cấu này chỉ có 1 khả năng chuyển động độc lập, ví dụ như chuyển động của khâu 1 quay quanh điểm A Nếu dừng chuyển động này, toàn bộ cơ cấu cũng sẽ dừng lại và không còn chuyển động nào khác Khi biết trước quy luật chuyển động của một khâu, quy luật chuyển động của toàn bộ cơ cấu cũng sẽ được xác định hoàn toàn.
Cơ cấu 5 khâu trên hình 2.8-b có 2 bậc tự do, do đó chỉ một thông số độc lập (như góc) không đủ để xác định vị trí toàn bộ cơ cấu Để xác định hoàn toàn vị trí, cần thêm một thông số độc lập nữa Về chuyển động, cơ cấu này có hai khả năng chuyển động độc lập; nếu dừng một chuyển động (như khâu 1), các khâu còn lại (BCDE) vẫn có thể chuyển động Chỉ khi dừng thêm một chuyển động nữa (như khâu 4), cơ cấu mới trở nên cố định Do đó, cần biết trước hai quy luật chuyển động (của các khâu) để xác định hoàn toàn quy luật chuyển động của cơ cấu.
Phương pháp nghiên cứu động học
Phân tích động học cơ cấu nghiên cứu chuyển động của cơ cấu dựa trên quy luật chuyển động của khâu dẫn Việc xác định vị trí của các khâu và quỹ đạo điểm trên khâu trong quá trình chuyển động là bài toán vị trí Tiếp theo, cần xác định vận tốc của các điểm và vận tốc góc của khâu tại từng vị trí, cùng với quy luật vận tốc khi cơ cấu chuyển động, đây là bài toán vận tốc Cuối cùng, việc xác định gia tốc của các điểm và gia tốc góc của khâu tại từng vị trí, cùng với quy luật gia tốc khi cơ cấu chuyển động, là bước quan trọng trong phân tích động học.
Phân tích động học đóng vai trò quan trọng trong thiết kế máy, bao gồm việc xác định vị trí và quỹ tích để phối hợp chuyển động của các bộ phận, thiết kế vỏ máy và các bộ phận che chắn, cũng như bố trí không gian lắp đặt Việc xác định vận tốc là cơ sở để tính toán các đại lượng động lực học như động năng và công suất, từ đó tính toán năng lượng và điều chỉnh chuyển động của máy Ngoài ra, xác định gia tốc còn giúp tính lực quán tính, hỗ trợ giải quyết bài toán áp lực khớp động.
Phương pháp nghiên cứu động học bao gồm nhiều kỹ thuật như phương pháp giải tích, phương pháp đồ thị và phương pháp vẽ (họa đồ vectơ) Trong môn học này, chúng ta sẽ tập trung chủ yếu vào phương pháp vẽ để phân tích và hiểu rõ hơn về các khía cạnh của động học.
Phương pháp vẽ động học và phương pháp hoạ đồ véc tơ là hai phương pháp trực quan, đơn giản và dễ kiểm tra Tuy nhiên, độ chính xác của các phép tính phụ thuộc vào sai số trong quá trình dựng hình và đọc biểu đồ Phương pháp đồ thị thường cung cấp kết quả cho mối quan hệ giữa đại lượng động học và một thông số nhất định, thường là khâu dẫn.
Phương pháp họa đồ véctơ cho phép tính toán động học không liên tục tại một vị trí cụ thể của cơ cấu, trong khi phương pháp đồ thị động học thường chỉ phù hợp với khâu dẫn chuyển động có tốc độ không đổi Hình 2.9 minh họa quỹ đạo của trung điểm M trên thanh truyền AB, với tay quay OA dài 1m và thanh truyền AB dài 2,5m.
Hình 2.9 Ví dụ xác định vị trí cơ cấu bằng phương pháp vẽ
Hình 2.10 minh họa một ví dụ áp dụng phương pháp đồ thị động học để tính toán động học cho cơ cấu tay quay con trượt Trong trường hợp này, tay quay quay đều với vận tốc góc ổn định.
1 Đầu tiên vẽ đồ thị hành trình của con trượt C (SC) bằng cách chia quỹ đạo điểm
B của tay quay AB được chia thành 12 phần bằng nhau, bắt đầu từ vị trí cực hạn trái của con trượt Các vị trí tương ứng của điểm C được xác định là C1, C2,…C12 Các đoạn C1C2, C1C3,…C1C12 biểu thị chuyển vị của con trượt C so với vị trí ban đầu C1.
Hình 2.10 Phân tích động học cơ cấu bằng phương pháp đồ thị
Hình 2.11 Phân tích chuyển vị của con trượt
Lập hệ trục tọa độ vuông góc với trục hoành biểu thị thời gian một vòng quay của tay quay bằng đoạn L(mm) với tỷ lệ xích thích hợp Chia đoạn L thành 12 phần bằng nhau và tại các điểm chia 1, 2, 3, vẽ các đoạn thẳng theo phương trục tung, tương ứng với khoảng cách từ điểm C tới các vị trí cực hạn bên trái của con trượt: C1C2, C1C3, và các đoạn khác.
Khi tỷ xích của đồ thị S C = S C (t) trên trục tung là μ s, nó tương đương với tỷ xích μ t của lược đồ cơ cấu Để thể hiện mối quan hệ này, chúng ta nối tung độ của các điểm bằng đường cong trơn, tạo thành đồ thị S C.
Hình 2.12 Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc của cơ cấu
Phân tích động học cơ cấu bằng phương pháp đồ thị và họa đồ véc tơ mang lại sự trực quan và dễ hiểu, phù hợp cho việc phân tích các cơ cấu phức tạp với độ chính xác đáp ứng yêu cầu kỹ thuật thông thường Tuy nhiên, đối với những cơ cấu yêu cầu độ chính xác cao, phương pháp giải tích thường được ưu tiên Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghiệp hiện đại, cùng với việc ứng dụng rộng rãi máy vi tính, đã làm cho phương pháp giải tích trở nên phổ biến hơn bao giờ hết.
Một cách tổng quát, phân tích động học cơ cấu sử dụng phương pháp giải tích được thực hiện theo các bước sau:
Để giải quyết bài toán, đầu tiên cần thiết lập các phương trình vị trí và giải hệ phương trình này Tiếp theo, thực hiện đạo hàm cấp một theo thời gian từ các phương trình vị trí để thu được các phương trình vận tốc tương ứng, từ đó giải quyết hai phương trình vận tốc hoặc các hệ số vận tốc.
Để xác định hai thành phần gia tốc, cần giải các phương trình đạo hàm theo thời gian từ phương trình vận tốc Quá trình này có thể thực hiện một cách đơn giản hoặc thông qua các hệ số vận tốc và gia tốc đã được tính toán ở bước trước.
Bước 4: Thiết lập hệ tọa độ vật và hệ tọa độ nền cho điểm khảo sát Bước 5: Xác định các thành phần vận tốc và gia tốc, cùng với các hệ số vận tốc và gia tốc đạo hàm theo yêu cầu, bắt đầu bằng việc biểu diễn hệ tọa độ cơ sở Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp giải tích trong quá trình này.
Ưu điểm của việc sử dụng biểu thức giải tích là nó thiết lập mối quan hệ rõ ràng giữa các đại lượng, tạo nền tảng vững chắc cho việc khảo sát và phân tích bằng máy tính Hơn nữa, phương pháp này cho phép tính toán với độ chính xác cao, giúp nâng cao hiệu quả trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.
- Nhược điểm: Đối với một số cơ cấu, công thức giải tích rất phức tạp và khó kiểm tra.
Phân tích động lực học
Lý thuyết động lực học là một nhánh của cơ học lý thuyết, tập trung vào việc nghiên cứu các quy luật chuyển động của hệ thống dưới tác động của lực Trong khi tĩnh học chỉ xem xét quy luật cân bằng của vật rắn, động học nghiên cứu chuyển động về mặt hình học Động lực học cung cấp cái nhìn toàn diện về chuyển động của vật thể, thiết lập mối quan hệ quy luật giữa các đại lượng đặc trưng cho tác động của lực và các đại lượng đặc trưng cho chuyển động.
Theo động lực học, cấu tạo của máy bao gồm các bộ phận có khối lượng tập trung và bộ phận đàn hồi Khi chịu tải trọng ngoài, các bộ phận đàn hồi biến dạng, trong khi khối lượng tập trung thực hiện các chuyển động nhỏ với vận tốc khác nhau Sự chuyển động của khối lượng này ảnh hưởng đến chuyển động của các khối lượng khác Đồng thời, các bộ phận đàn hồi liên kết giữa các khối lượng cũng biến dạng theo chu kỳ, dẫn đến dao động Thành phần biến đổi của lực hoặc mô-men trong dao động đàn hồi có thể làm tăng giá trị tức thời, vượt qua tải trọng tĩnh và quán tính, gây ra quá tải và phá hủy chi tiết máy Tùy thuộc vào thông số động lực học, tải trọng động có thể lớn gấp đôi tải trọng tĩnh.
2.4.1 Phương pháp họa đồ véc tơ Đầu tiên cần hiểu nội dung bài toán phân tích lực cơ cấu gồm tính áp lực khớp động và mô men hoặc lực cân bằng khâu dẫn Việc tính áp lực khớp động tạo cơ sở cho việc tính toán sức bền của khâu và khớp, việc tính toán ma sát, bôi trơn,… tiếp tục giải quyết bài toán động lực học máy Áp lực khớp động là lực tại các khớp động khi không kể đến lực ma sát (nếu kể đến ma sát thì gọi là phản lực khớp động)
Để xác định áp lực khớp động, cần tách biệt các khâu khỏi nhau, từ đó áp lực khớp động sẽ xuất hiện, thể hiện sự tương tác giữa hai khâu tương ứng.
Tùy thuộc vào loại khớp động, các yếu tố của áp lực khớp động như giá trị, phương chiều và điểm đặt có thể được biết đến ở mức độ khác nhau Để xác định các yếu tố chưa biết, cần lập phương trình cân bằng lực hoặc mô men Việc tách số khâu và số khớp cũng phải tuân theo điều kiện tĩnh định, đảm bảo các nhóm Átxua đủ số phương trình để xác định số ẩn số, tức là số yếu tố của áp lực khớp động cần được xác định.
Quy trình tính toán cho bài toán phân tích lực cơ cấu bắt đầu bằng việc xác định các nhóm tĩnh định xa khâu dẫn trước Để giải quyết vấn đề này, cần viết và giải phương trình véc tơ của hệ cân bằng, trong đó nên đặt các lực trên cùng một khâu và hai thành phần của một lực liên tiếp nhau.
Cuối cùng, áp lực khớp động được tái nhóm nối với khâu dẫn, đại diện cho tất cả các lực tác động vào khâu dẫn Mô men cân bằng cần được tính toán để cân bằng với mô men của áp lực khớp động và các lực khác Đây là cơ sở để tính toán áp lực khớp động giữa giá và khâu dẫn Mô men cân bằng có thể được tính bằng nhiều phương pháp, trong đó hai phương pháp từ việc tính áp lực khớp động và từ công suất của các ngoại lực là thuận lợi nhất.
Hình 2.13 minh họa ví dụ phân tích động lực bằng họa đồ véc tơ, trong đó bỏ qua trọng lượng các thanh Đầu tiên, cơ cấu được tách thành một nhóm tĩnh định (2, 3) và khâu dẫn 1, sau đó đặt các lực và mô men như R03, R12, R21, R01, P2, P3 và Mcb Trong đó, R03, R12, R21 là các áp lực tại các khớp động, Mcb là mô men cân bằng tại khâu dẫn, còn P2 và P3 là lực công tác được đặt tại trung điểm và vuông góc với các khâu 2 và 3.
Hình 2.13 Phân tích lực cơ cấu bằng phương pháp họa đồ véc tơ
- Phương trình cân bằng lực trên nhóm tĩnh định:
2.4.2 Phương pháp phân lực trực tiếp Đây là một phương pháp khác để tính áp lực khớp động, hoặc dùng để trực tiếp nghiệm lại kết quả tính áp lực khớp động theo điều kiện tĩnh định Cơ sở của phương pháp phân lực trực tiếp là nguyên lý cộng tác dụng độc lập của các ngoại lực, hay còn gọi là nguyên lý cộng tác dụng của hệ lực: “tác dụng tổng hợp của hệ lực truyền sang các vật gây liên kết đúng bằng tổng tác dụng của từng lực riêng biệt truyền sang các vật ấy” Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ phân tích lực cho cơ cấu Cu lít Áp lực khớp động được tính bằng phương pháp phân lực trực tiếp và tính mô men cân bằng đặt lên khâu dẫn khi biết ngoại lực P3 hướng thẳng đứng xuống dưới tại điểm B3
Hình 2.14 Phân tích lực cơ cấu bằng phương pháp phân lực trực tiếp
2.4.3 Phương pháp lập mô hình toán
Thông thường, mô hình toán mô tả dịch chuyển của cơ hệ được lập dưới dạng các phương trình vi phân (PTVP) Có nhiều phương pháp để lập PTVP cho cơ hệ, bao gồm phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp hệ con và phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào mô hình cơ học của cơ hệ Đối với các cơ hệ hôlônôm, giữ và dừng, nơi có các điều kiện ràng buộc được mô tả bằng phương trình liên kết không chứa các yếu tố vận tốc và thời gian, phương pháp áp dụng phương trình Lagranger loại II thường được sử dụng.
Phương trình Lagranger hạng II có dạng tổng quát như sau:
Trong hệ thống, T đại diện cho hàm động năng, trong khi Π biểu thị hàm thế năng Ngoài ra, Ф là hàm hao tán, Qi là lực suy rộng và q ij là các tọa độ suy rộng của hệ.
Sau khi xác định các hàm động năng, thế năng, năng lượng hao tán và các lực suy rộng theo tọa độ, ta áp dụng vào phương trình Lagrange hạng II để nhận được một hệ phương trình vi phân riêng phần (PTVP) Số lượng PTVP trong hệ tỷ lệ thuận với số lượng khối lượng qui đổi trong mô hình Qua phương pháp giải tích, một hệ PTVP có thể chuyển đổi thành một PTVP bậc cao, với số bậc phụ thuộc vào số lượng PTVP trong hệ.
Trong thiết kế kỹ thuật, phân tích động lực học là yêu cầu thiết yếu để nghiên cứu chuyển động của mô hình dưới tác động của các lực Phân tích này giúp xác định các lực gây ra chuyển động cho cơ cấu và các lực tác động lên các chi tiết, bộ phận của nó.
Phân tích động lực học là một công việc phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao và xác định đầy đủ các lực tác dụng lên mô hình Các kỹ sư không thể thực hiện phân tích này một cách thủ công, mà cần sự hỗ trợ từ phần mềm chuyên dụng Việc sử dụng phần mềm phân tích động lực học giúp người dùng dễ dàng mô phỏng chuyển động và phân tích các mô hình thiết kế một cách hiệu quả.
Trong môi trường mô phỏng động lực học, quá trình mô phỏng được xây dựng dựa trên các hàm chuyển động như vị trí, vận tốc và gia tốc theo thời gian, đồng thời xem xét ảnh hưởng của các ngoại lực Chức năng mô phỏng cho phép mô hình lắp ráp và cơ cấu hoạt động một cách chính xác, phản ánh đúng hoạt động của mô hình thực.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi để giải quyết nhiều loại bài toán kỹ thuật phức tạp.
Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trong các kết cấu cơ khí, bao gồm ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng và dầm cầu, là rất quan trọng Bên cạnh đó, các bài toán lý thuyết trường như truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi và điện-từ trường cũng được nghiên cứu Nhờ vào sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và hệ thống CAD, việc tính toán và thiết kế các kết cấu phức tạp đã trở nên dễ dàng và chi tiết hơn.
Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán bằng cách chia chúng thành nhiều miền con Vj Các miền con này được kết nối qua các điểm nút, và trên mỗi miền con, bài toán được giải xấp xỉ thông qua các hàm xấp xỉ, đảm bảo thỏa mãn điều kiện biên, đồng thời duy trì sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.
Các hàm xấp xỉ được xác định thông qua các giá trị của hàm hoặc đạo hàm tại các điểm nút của phần tử Những giá trị này được gọi là bậc tự do của phần tử và được coi là các ẩn số cần giải trong bài toán.
Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần nghiên cứu Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện điều này, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn (FEM) là một lựa chọn tối ưu cho việc giải các phương trình vi phân từng phần trên các miền phức tạp, đặc biệt khi yêu cầu về độ chính xác có sự thay đổi trong toàn miền.
2.5.2 Nội dung của phương pháp
Phương pháp phần tử hữu hạn là kỹ thuật giải bài toán biên trong miền V bằng cách chia nhỏ thành một số hữu hạn các miền con Vj (j = 1, , n) Các miền con này không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc cạnh Mỗi miền con Vj được gọi là một phần tử hữu hạn, giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và tính toán.
Trong bài toán biên ban đầu, người ta tìm nghiệm xấp xỉ trong không gian hữu hạn chiều cho các hàm số thỏa mãn điều kiện khả vi trên miền V Cơ sở của không gian này có thể được chọn bao gồm các hàm số ψ 1 (x), , ψ n (x) với giá trị tại một số hữu hạn phần tử V j gần nhau Nghiệm xấp xỉ được biểu diễn dưới dạng: c 1 ψ 1 (x) + + c n ψ n (x).
Trong đó các c k là các số cần tìm
Phương pháp phần tử hữu hạn thường được áp dụng để giải các phương trình đại số liên quan đến ma trận thưa, giúp việc giải trở nên dễ dàng hơn Bằng cách sử dụng các cạnh của các phần tử hữu hạn dưới dạng đường thẳng hoặc đường cong, phương pháp này cho phép xấp xỉ các miền có hình dạng phức tạp Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn còn có thể giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình.
Phương pháp này bao gồm việc chia nhỏ vấn đề thành các miền phụ, mỗi miền được mô tả bằng một tập hợp các phương trình phần tử Sau đó, tất cả các phương trình phần tử được kết hợp thành một hệ phương trình tuyến tính để thực hiện phép tính cuối cùng Hệ phương trình này có thể được giải bằng các phương pháp đã biết và tính toán từ các giá trị ban đầu của bài toán gốc để đưa ra kết quả số.
Trong bước đầu tiên, các phương trình phần tử được sử dụng để xấp xỉ các phương trình phức tạp ban đầu, thường là phương trình vi phân từng phần (PDE) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được giới thiệu như một trường hợp đặc biệt của phương pháp Galerkin, nhằm xây dựng tích phân của tích số bên trong giữa số dư và hàm trọng số, thiết lập tích phân bằng 0 Phương pháp này giúp giảm thiểu sai số xấp xỉ bằng cách kết hợp các hàm thử nghiệm vào PDE, trong khi phần còn lại là lỗi do các hàm thử nghiệm gây ra Các hàm trọng số đóng vai trò là các hàm xấp xỉ đa thức để dự tính số dư, từ đó loại bỏ tất cả các dẫn xuất không gian từ PDE và xấp xỉ PDE một cách cục bộ.
- Một tập hợp các phương trình đại số cho các vấn đề trạng thái ổn định
Một tập hợp các phương trình vi phân thông thường được sử dụng cho các vấn đề nhất thời, với các phương trình phần tử Chúng có tính tuyến tính nếu PDE cơ bản là tuyến tính và ngược lại Các phương trình đại số trong bài toán trạng thái ổn định được giải bằng phương pháp đại số tuyến tính số, trong khi các phương trình vi phân thường trong các vấn đề tạm thời được giải quyết bằng tích phân số qua các kỹ thuật tiêu chuẩn như phương pháp Euler hoặc Runge-Kutta.
Trong bước (2), một hệ phương trình tuyến tính được hình thành từ các phương trình phần tử thông qua việc chuyển đổi tọa độ từ các nút cục bộ của các miền phụ sang các nút toàn cục của miền Sự chuyển đổi này bao gồm các điều chỉnh định hướng phù hợp liên quan đến hệ tọa độ tham chiếu Quá trình này thường được thực hiện bởi phần mềm FEM, sử dụng dữ liệu tọa độ được tạo ra từ các miền phụ.
FEM, hay phân tích phần tử hữu hạn (FEA), được hiểu rõ qua ứng dụng thực tiễn trong kỹ thuật như một công cụ tính toán để phân tích kỹ thuật FEA sử dụng kỹ thuật tạo lưới để chia nhỏ miền phức tạp thành các phần tử nhỏ, kết hợp với phần mềm được mã hóa theo thuật toán FEM Khi áp dụng FEA, các vấn đề phức tạp thường liên quan đến hệ vật lý dựa trên các phương trình như Euler-Bernoulli, phương trình nhiệt, hoặc phương trình Navier-Stokes, được thể hiện dưới dạng phương trình tích phân hoặc PDE, trong khi các phần tử được chia nhỏ đại diện cho các khu vực khác nhau trong hệ thống vật lý.
2.5.3 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn, nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính điện tử, đang được áp dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lý thuyết đàn hồi và dẻo, cơ học chất lỏng, cơ học vật rắn, cơ học thiên thể, và khí tượng thủy văn.
Các chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, như hàng không, cơ khí và ô tô, thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong thiết kế và phát triển sản phẩm Các phần mềm FEM hiện đại tích hợp nhiều thành phần như môi trường nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc Trong mô phỏng cấu trúc, FEM đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ cứng và ứng suất, đồng thời giúp giảm trọng lượng, vật liệu và chi phí.
Phần mềm solidworks
Solidworks là phần mềm thiết kế 3D tham số được phát triển bởi Dassault Systèmes, hoạt động trên hệ điều hành Windows từ năm 1995 Công ty này là một thành viên của tập đoàn công nghệ hàng đầu Dassault Systèmes, S A tại Vélizy, Pháp Hiện nay, Solidworks có gần 6 triệu người dùng bản quyền trên toàn thế giới, bao gồm khoảng 200.000 doanh nghiệp và tập đoàn.
Hình 2.15 Các tính năng chính của phần mềm Solidworks
Solidworks là phần mềm thiết kế 3D phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, kiến trúc và cơ khí Được phát triển bởi công ty Solidworks, phần mềm này sử dụng ngôn ngữ Visual Basic và công nghệ đồ họa tiên tiến Solidworks cho phép người dùng tạo ra các mô hình chi tiết 3D, lắp ráp thành các bộ phận máy hoàn chỉnh, kiểm tra động học và cung cấp thông tin về vật liệu.
Phần mềm Solidworks hỗ trợ tích hợp nhiều ứng dụng nổi tiếng, cho phép người dùng chạy trực tiếp trên nền tảng của nó Solidworks có khả năng xuất file dữ liệu theo định dạng chuẩn, giúp người sử dụng khai thác mô hình trong các phần mềm phân tích khác như ANSYS, ADAMS, và Pro-Casting Sự phát triển mạnh mẽ của Solidworks đã thúc đẩy sự phổ biến của nhiều phần mềm CAD hiện nay.
CAD/CAM đã viết thêm các modul nhận dạng trực tiếp file dữ liệu Solidworks Các tính năng chính của phần mềm như sau:
Phần mềm này nổi bật với giao diện đẹp mắt và thân thiện, cho phép người dùng thiết kế nhanh chóng hơn so với các phần mềm khác Điều này được đạt được nhờ vào việc sắp xếp và bố trí các thanh công cụ một cách hệ thống và hợp lý.
SolidWorks nổi bật trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D chi tiết nhờ tính trực quan và phương pháp xây dựng mô hình 3D tham số Phần mềm này mang lại sự nhanh chóng, dễ dàng và tiện lợi cho người sử dụng Khả năng tái sử dụng dữ liệu 2D giúp chuyển đổi dễ dàng từ bản vẽ, phác thảo 2D thành mô hình hình học 3D Ngoài ra, SolidWorks còn cho phép dựng mô hình 3D từ ảnh chụp, hỗ trợ đắc lực cho các hoạt động sáng tạo, đổi mới và phát triển sản phẩm.
Thiết kế lắp ghép trong SOLIDWORKS cho phép các chi tiết 3D được kết hợp thành bộ phận máy hoặc máy hoàn chỉnh, mang lại sự linh hoạt trong chỉnh sửa và sáng tạo cho sản phẩm mới Từ phiên bản 2019 trở đi, phần mềm này đã được cải tiến với nhiều tính năng hỗ trợ lắp ghép lớn, tốc độ tải nhanh và khả năng xem bản vẽ một cách nhanh chóng.
Phần mềm Solidworks hỗ trợ xuất bản vẽ 2D, cho phép người dùng tạo các hình chiếu vuông góc của chi tiết hoặc bản lắp với tỉ lệ và vị trí tùy chỉnh mà không làm thay đổi kích thước.
Chức năng CAM trong SolidWorks yêu cầu sử dụng module SOLIDCAM, cho phép lập trình gia công chi tiết sau khi hoàn thành thiết kế mô hình SolidCAM hoạt động trực tiếp trên giao diện của SolidWorks, mang lại trải nghiệm thân thiện và dễ sử dụng cho người dùng.
Chức năng CAE của Solidworks, được tích hợp từ bộ phần mềm phân tích Cosmos nổi tiếng, cho phép người dùng thực hiện các bài phân tích phức tạp ngay trong môi trường Solidworks.
- Phân tích động lực học(bài toán phân tích ứng suất khi cơ cấu chuyển động);
- Phân tích sự va chạm của các chi tiết;
- Phân tích thuỷ khí động học;
- Phân tích quá trình rót kim loại lỏng vào khuôn và mức độ gia nhiệt cần thiết cho quá trình đó
Hình 2.16 Một số ví dụ phân tích CAE trong Solidworks
Việc tích hợp quy trình CAE qua các giải pháp Simulation trong thiết kế sản phẩm sẽ nâng cao chất lượng sản phẩm Các giải pháp này cung cấp các module cho phép mô phỏng và phân tích hoạt động, động lực học, cũng như tính toán độ bền và chất lượng sản phẩm, từ đó giúp đánh giá và cải thiện thiết kế Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng phần mềm Solidworks để phân tích động lực học và tối ưu hóa kết cấu của hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy lên xe vận chuyển.
Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích động học và động lực học cơ cấu, cùng với phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trong các kết cấu cơ khí Nội dung này là nền tảng quan trọng cho việc khảo sát động lực học và phân tích kết cấu của hệ thống nâng hạ robot chữa cháy lên xe vận chuyển.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG LƯC HỌC HỆ THỐNG NÂNG HẠ ROBOT CHỮA CHÁY LÊN XE VẬN CHUYỂN
Xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống
Nghiên cứu lựa chọn xe cơ sở và kích thước cho Robot chữa cháy dựa trên kích thước của xe cơ sở, với chiều cao thùng xe là 1.580 mm, chiều rộng thùng là 1.745 mm, chiều cao đáy thùng xe đến mặt đất là 980 mm và không gian dầm là 655 mm.
Chiều dài cơ sở của thanh trên và thanh dưới được tối ưu hóa thành cấu trúc hình bình hành Chiều dài không nên quá lớn vì sẽ làm tăng mô-men xoắn tác động lên khung và yêu cầu lực đẩy của xi lanh cũng tăng theo Ngược lại, chiều dài quá nhỏ sẽ dẫn đến việc tăng góc quay và kéo dài hành trình của xi lanh.
Hình 3.1 Các kích thước chính phục vụ tính toán bàn nâng
Trong hình 3.2, các thanh trên và dưới tạo thành một cơ cấu hình bình hành, với cả hai vị trí cực trị được thể hiện rõ H0 đại diện cho chiều cao của bảng đuôi khi mở theo chiều ngang, trong khi L0 là chiều dài lý thuyết của thanh trên và thanh dưới Tại vị trí cực đại phía trên, góc nghiêng β thường dao động từ 40⁰ đến 50⁰ Đối với xe cơ sở đang sử dụng, H00mm.
(3.3) Trong đó H1 là khoảng cách lớn nhất từ tâm khớp quay phía trên đến sàn thùng xe Cũng theo sơ đồ trên, ta có:
Trong đó C là khoảng cách giữa 2 khớp quay, thông thường đối với cơ cấu hình bình hành thì C thường là xấp xỉ 0,15L0 Khi đó ta có:
Khi β là 40⁰ ~ 50⁰, sinβ = 0,64 ~ 0,77 thì L 0 = (0,70 ~ 0,59)H 0 = 405 ~ 686 mm Chọn sơ bộ L 0 = 640mm, và C0mm
Để xác định các thông số động học của bàn nâng, nghiên cứu áp dụng công thức Euler nhằm làm rõ mối liên hệ giữa hàm số lượng giác và hàm số mũ phức.
Trong quá trình hoạt động của bàn nâng, điểm O và A được gắn cố định vào khung, trong khi khớp D cho phép sự chuyển động tự do Cấu trúc tổng thể có thể được hiểu như một cơ cấu bốn thanh phẳng OACD, với liên kết OA được giữ cố định.
Điểm O là khớp quay giữa thanh OD và khung sát xi ô tô, đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện chuyển động Điểm A là vị trí khớp quay giữa xi lanh thủy lực AC và sát xi, góp phần vào cơ chế hoạt động của hệ thống.
C là điểm khớp quay giữa bàn nâng và xi lanh thủy lực AC
Đặt β, ω₁, ε₁ lần lượt là góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc của thanh OD, với β = β₀ tại thời điểm ban đầu Tương tự, α, ω₂ và ε₂ là góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc của bàn nâng, trong đó α nằm trong khoảng từ 0⁰ đến 90⁰ Ngoài ra, ν₃ là vận tốc tương đối của pít tông xi lanh AC Chiều dài của bốn thanh được xác định là l₁ = lₒd, l₂ = lᵈc, l₃ = lₐc, l₄ = lₒa.
Hình 3.3 Sơ đồ phân tích động học quá trình quay và nâng của bàn nâng Đối với cơ cấu 4 khâu OACD ta có:
Chiếu xuống theo 2 phương vuông góc ta có:
Do đó ta xác định được l 3:
(3.10) Khi đó, phương trình tọa độ của khớp C là:
Vận tốc ν 3 được xác định:
Từ đó xác định được vận tốc góc và gia tốc góc:
Trong quá trình nâng, các điểm O và A được giữ cố định trên khung, trong khi ràng buộc tại khớp D được giải phóng Toàn bộ cơ cấu có thể xem như một hình bình hành OACD với liên kết cố định OA, cho phép thực hiện chuyển động nâng hiệu quả.
ODF là khung hình chữ U Điểm F là khớp bản lề với xi lanh thủy lực nâng
Điểm BF và điểm B đóng vai trò là khớp bản lề giữa sát xi và xi lanh thủy lực nâng Khi đặt góc DOF = θ, các ký hiệu l 5, l 6, l 7 và l 8 lần lượt đại diện cho l OF, l BF, l OB, trong đó l 8 là hình chiếu của OB trên trục x Hình chiếu của OB trên trục y được ký hiệu là l 9.
OB trên trục y Vận tốc tương đối của thanh pít tông đối với xi lanh thủy lực nâng BF được ký hiệu là ν6 Các ký hiệu β, ω1 và ε1 lần lượt đại diện cho góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc của hệ quy chiếu khung DOF.
Chiếu xuống theo 2 phương vuông góc ta có:
Do đó ta xác định được l6:
(3.18) Khi đó, phương trình tọa độ của khớp C là:
Vận tốc ν 6 được xác định:
Từ đó xác định được vận tốc góc và gia tốc góc:
Quá trình hạ có nghĩa là khi điểm C chạm đất thì bàn nâng quay quanh điểm
Bằng cách sử dụng xi lanh thủy lực AC, bàn nâng CE sẽ tiếp xúc với mặt đất Quá trình hạ được mô tả với các thông số góc quay α, vận tốc góc ω2 và gia tốc góc ε2 của bàn nâng, trong đó α nằm trong khoảng từ 0⁰ đến 6⁰ Thêm vào đó, ν3 đại diện cho vận tốc tương đối của pít tông trong xi lanh Chiều dài của bốn thanh được xác định lần lượt là l1 = l OD, l2 = l DC, l3 = l AC và l4 = l OA.
Hình 3.4 Sơ đồ phân tích động học quá trình tiếp đất của bàn nâng Đối với cơ cấu 4 khâu OACD ta có:
Chiếu xuống theo 2 phương vuông góc ta có:
Do đó ta xác định được l3:
(3.26) Khi đó, phương trình tọa độ của khớp C là:
(3.27) Vận tốc ν 3 được xác định:
Từ đó xác định được vận tốc góc và gia tốc góc:
Mô hình hóa hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy
3.2.1 Công cụ thực hiện mô hình hóa
Mô hình hóa hệ thống hiện nay trở nên đơn giản hơn với sự hỗ trợ của các phần mềm CAD như Catia, Solidworks, NX và Pro-Engineer Mỗi phần mềm có những đặc điểm riêng, mang lại những lợi ích khác nhau cho người dùng Việc sử dụng các phần mềm CAD giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và nâng cao hiệu quả công việc.
1 Giảm nhẹ lao động tính toán thiết kế Thực hiện chương trình hóa các phương pháp tính toán kinh điển đang được sử dụng, bằng các phần mềm ứng dụng Khi thiết kế, chạy chương trình trên máy tính, nhập vào chương trình những số liệu cần thiết đó được lựa chọn, kết quả tính toán được đưa ra giấy và màn hình
2 Thiết kế chính xác Lợi dụng khả năng tính toán nhanh, chính xác của máy tính, thiết lập các bài toán thiết kế theo những lý thuyết chính xác, lập chương trình để giải các bài toán này Kết quả tính toán thiết kế có độ chính xác cao hơn, tin cậy hơn so với phương pháp tính toán thiết kế theo truyền thống
3 Thiết kế tối ưu Lợi dụng khả năng tính toán nhanh của máy tính, lập chương trình tính toán tất cả các phương án thiết kế có thể được, sau đó chọn ra phương án tốt nhất theo chỉ tiêu tối ưu của bài toán đặt ra
4 Giảm nhẹ lao động lập các bản vẽ Sử dụng các phần mềm về vẽ, lập chương trình ứng dụng tự động vẽ các chi tiết máy, bộ phận máy Khi chạy các chương trình này, chỉ cần nạp số liệu đó được chọn từ bàn phím, hoặc từ đĩa mềm, máy tính sẽ tự động hoàn thành bản vẽ và có thể in ra giấy để sử dụng Có thể lập bản vẽ chế tạo chi tiết máy, bản vẽ lắp, bản vẽ chung, thậm chí có thể tự động lập bản thuyết minh
5 Tự động hoá quá trình thiết kế Lập phần mềm hoàn chỉnh giải quyết tất cả các vấn đề liên quan đến một chi tiết máy, một bộ phận máy Khi chạy chương trình, chỉ cần nhập những số liệu cần thiết theo yêu cầu của chương trình Kết quả nhận được là bản vẽ hoàn chỉnh của chi tiết máy hoặc bộ phận máy
6 Kết hợp các chương trình tính toán thiết kế và các chương trình điều khiển quá trình chế tạo, kiểm tra, tạo thành một hệ thống thiết kế - chế tạo tự động hoàn chỉnh Để thuận tiện cho việc phân tích động lực học và FEA bằng phần mềm Solidworks, tác giả lựa chọn sử dụng chức năng CAD của phần mềm Solidworks để mô hình hóa hệ thống nâng hạ Robot lên xe vận chuyển
3.2.2 Mô hình hóa các chi tiết
Quá trình mô hình hóa chi tiết hệ thống được thể hiện trong hình 3.1 Khi thiết kế một cụm chi tiết máy bằng phần mềm Solidworks, người mới thường áp dụng phương pháp thiết kế từ dưới lên (Bottom-up Design), trong đó từng chi tiết máy được thiết kế riêng trong môi trường Part và sau đó được đưa vào môi trường Assembly để gán các tương quan và kiểm soát bậc tự do Mặc dù phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng nó cũng có những hạn chế, như sự sai lệch về kích thước giữa các chi tiết khi lắp ráp, dẫn đến việc kiểm tra và hiệu chỉnh tốn nhiều thời gian mà không đảm bảo rằng các chi tiết hoàn toàn tương hợp.
Hình 3.5 Trình tự các bước mô hình hóa các chi tiết của hệ thống
Trong nghiên cứu này, tác giả áp dụng thiết kế hỗn hợp, kết hợp giữa chi tiết trong Part và Assembly, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế Phương pháp này mang lại tính linh hoạt cao và dễ dàng điều chỉnh Một số chi tiết mô hình hóa được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của một số chi tiết chính
Các chi tiết máy được thiết kế trong môi trường Part sẽ được lắp ráp trong môi trường Assembly để tạo thành cụm chi tiết máy, gọi là thành phần của tổ hợp Chế độ Assembly của Solidworks cho phép lắp ghép từng bộ phận theo yêu cầu bản vẽ thiết kế, đồng thời duy trì tính liên kết giữa các bộ phận Khi có chỉnh sửa trong chế độ Part, các kích thước sẽ tự động cập nhật trong Assembly và ngược lại Một cụm lắp ráp nhỏ trong một lắp ráp lớn được gọi là SubAssembly Các bước lắp ráp hệ thống được mô tả rõ ràng trong hình.
Hình 3.6 Các bước lắp ráp hệ thống
Hình 3.7 Mô hình 3D hệ thống nâng hạ Robot lên xe
Hình 3.8 Mô hình 3D tổng thể hệ thống nâng hạ Robot lên xe
Mô hình động lực học của hệ thống
Hệ thống nâng hạ Robot lên xe vận chuyển là một bộ phận thiết yếu của xe chuyên dụng Việc khảo sát và tính toán ảnh hưởng của vị trí các khớp đến động lực học của hệ thống này gặp nhiều khó khăn khi sử dụng phương pháp đồ họa hoặc giải tích truyền thống Do đó, nghiên cứu này ứng dụng phần mềm để phân tích mô phỏng động học và động lực học, từ đó đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện làm việc đến hiệu suất của hệ thống.
3.3.1 Hệ tọa độ và không gian chuyển động của hệ thống
Sau khi thiết kế mô hình, việc gán vật liệu cho các thành phần là cần thiết để quan sát khối lượng, tọa độ trọng tâm, mô men quán tính và các tham số khác Các ràng buộc phải được thêm vào từng thành phần để đảm bảo sự tương ứng giữa chúng Để mô hình có thể thực hiện phân tích mô phỏng động học hiệu quả, cần bổ sung các quan hệ ràng buộc, truyền động và tác dụng tải, giúp các bộ phận có mối quan hệ chuyển động nhất định và tạo thành một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh Cuối cùng, để nghiên cứu quy luật chuyển động và trạng thái lực của hệ thống dưới các đặc tính động, cần xác định hệ tọa độ tổng thể.
Hệ tọa độ tổng thể được thiết lập với trục Y song song với hướng chuyển động của piston xi lanh thủy lực nâng, trong khi trục X song song với mặt bàn nâng khi ở mức thấp nhất Phân tích chuyển động mô phỏng của hệ thống diễn ra trên mặt phẳng song song với YOZ, phù hợp với cấu tạo và cách lắp đặt hệ thống ở đuôi thùng xe.
Hình 3.9 Hệ trục tọa độ của hệ thống
Robot chữa cháy được vận chuyển dễ dàng nhờ vào các hoạt động đơn giản, với không gian chuyển động phụ thuộc vào hành trình phối hợp của các xi lanh thủy lực Để tối ưu hóa quá trình hoạt động, nghiên cứu đã thiết lập tổng thời gian mô phỏng của hệ thống là 4 giây.
- Trạng thái ban đầu (t=0): Bàn nâng ở ví trí dưới cùng (tiếp đất) để Robot chữa cháy đi vào
Bàn nâng được nâng lên bởi xi lanh trong khoảng thời gian từ t=0 đến t=2, đồng thời giữ trạng thái song song với mặt đất, đạt đến độ cao phù hợp để Robot chữa cháy có thể di chuyển vào thùng xe.
- Hành trình đóng cửa (t=2 ÷4): Sau khi Robot chữa cháy đi vào trong thùng xe (không có tải trọng ngoài), bàn nâng được xoay 90 độ để đóng cửa thùng xe
3.3.2 Tải trọng Để thực hiện phân tích mô phỏng động lực học của toàn bộ bộ hệ thống, cần phải áp đặt các thông số cụ thể cho mô hình Tải trọng bên ngoài của hệ thống đến từ tổng khối lượng của Robot chữa cháy được đưa lên bàn nâng trước khi đưa lên xe vận chuyển Theo yêu cầu kỹ thuật của hệ thống, khối lượng của Robot là 400kg, tuy nhiên để đảm bảo an toàn nghiên cứu tính toán kiểm nghiệm cho khối lượng cần nâng là 600kg Ngoài tải trọng bên ngoài, khối lượng của hệ thống cũng được xem xét để phân tích mô phỏng thông qua thiết lập vật liệu cho các chi tiết và gia tốc trọng trường g=9,81 m/s 2
Kết quả phân tích động lực học hệ thống
Bàn nâng có hai quỹ đạo chuyển động chính quanh trục X, vì vậy nghiên cứu tập trung vào khảo sát chuyển động của trọng tâm bàn nâng trong mặt phẳng YZ và chuyển động quay quanh trục X Kết quả mô phỏng bằng phần mềm cho thấy đường cong dịch chuyển và vận tốc của trọng tâm bàn nâng theo trục Y khi nâng, được thể hiện trong hình 3.10.
Kết quả cho thấy khi bàn nâng hoàn thành chu kỳ nâng và đóng cửa, tọa độ trọng tâm bàn nâng dịch chuyển theo phương Y từ Y02 mm đến Y68 mm tại thời điểm t = 3,16s Vận tốc bàn nâng theo phương Y đạt cực đại 372,4 mm/s tại t = 0,4s Sau t = 2s, khi không có tải trọng ngoài, vận tốc bàn nâng thay đổi không đáng kể trong khoảng 0 ÷ 22,4 mm/s Gia tốc theo phương Y của trọng tâm bàn nâng thay đổi lớn nhất tại t = 4s khi bàn nâng đến cuối hành trình đóng cửa thùng xe vận chuyển.
Hình 3.10 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của trọng tâm bàn khi nâng theo trục
Kết quả mô phỏng cho thấy khi bàn nâng hoàn thành chu kỳ nâng và đóng cửa, tọa độ trọng tâm bàn nâng dịch chuyển theo phương Z từ Z=-472 mm tại t=0 đến Y1154 mm tại t=4s Vận tốc bàn nâng đạt cực đại 1268,3 mm/s tại t=4s, trong khi tại t=2s, vận tốc bằng 0 khi chuyển sang trạng thái đóng cửa Gia tốc theo phương Z của trọng tâm bàn nâng thay đổi lớn nhất tại t=4s khi bàn nâng đến cuối hành trình đóng cửa thùng xe.
Trong quá trình mô phỏng chuyển động quay của bàn nâng, hình 3.11 cho thấy bàn nâng thay đổi góc từ 79,1 độ đến 150,8 độ trong khoảng thời gian từ t=0s đến t=4s Trong giai đoạn nâng, vận tốc góc và gia tốc góc đều bằng 0 do bàn nâng song song với mặt đất Tuy nhiên, khi Robot vào trong xe, vận tốc và gia tốc góc thay đổi, đạt giá trị tối đa lần lượt là 98 độ/s và 193 độ/s².
Hình 3.11 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của bàn khi nâng theo trục Z
Hình 3.12 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc góc của bàn nâng
Cặp xi lanh thủy lực 1 có chức năng chính là nâng bàn chuyển động quanh trục Z khi piston di chuyển tuyến tính Đầu piston được kết nối với bàn nâng, vì vậy cần thiết lập các ràng buộc để phân tích động lực học Kết quả phân tích động lực học cho thấy tổng lực tác dụng lên đầu piston của xi lanh 1, như được minh họa trong hình 3.14.
Hình 3.13 Quỹ đạo chuyển động của hệ thống
Hình 3.14 Lực nâng tổng hợp của xi lanh 1
Kết quả phân tích cho thấy lực tác dụng lên cần piston của xi lanh 1 thay đổi theo hành trình, với lực nâng đạt khoảng 24443,1N tại thời điểm t= 0,04s gần cuối hành trình Trong giai đoạn nâng, lực xi lanh yêu cầu lớn do mang tải, trong khi giai đoạn đóng cửa không có tải trọng ngoài Do đó, cần chú ý đến giá trị lực lớn nhất trong quá trình tính toán và lựa chọn kết cấu của xi lanh, vì đây là trạng thái nguy hiểm nhất trong toàn bộ hành trình làm việc của hệ thống.
Hình 3.15 Lực nâng tổng hợp của xi lanh 2
Cặp xi lanh thủy lực 2 có chức năng chính là đóng cửa bàn nâng Tại thời điểm t=2,04s, bàn nâng thực hiện hành trình đóng cửa và lực nâng đạt giá trị tối đa 24388,7 N, đây là trạng thái nguy hiểm nhất trong toàn bộ quá trình làm việc của hệ thống.
Hình 3.16 Phản lực tác dụng tại khớp quay 1 và 2 của thanh liên kết
Tại thời điểm t=2,04s, phản lực tại khớp quay số 1 của thanh liên kết có giá trị lớn nhất là 19628,8N và khơp 2 là 29237,7N (hình 3.16)
Kết luận chương 3 cho thấy rằng các thông số kỹ thuật chính đã được tính toán và mô hình 3-D của hệ thống nâng hạ Robot chữa cháy đã được xây dựng bằng phần mềm Solidworks Mô đun Motion analysis đã được áp dụng để phân tích động lực học của hệ thống, từ đó xác định quy luật thay đổi vị trí trọng tâm bàn nâng, cũng như vận tốc và gia tốc theo hai phương Y, Z, cùng với chuyển động quay của bàn nâng Ngoài ra, lực nâng của các xi lanh và phản lực tại hai khớp quay cũng đã được xác định Kết quả phân tích động lực học này là cơ sở quan trọng cho các bước tiếp theo trong nghiên cứu.
Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của hệ thống nâng hạ là rất quan trọng Điều này giúp tìm ra những phương pháp cải thiện hiệu suất, giảm thiểu rủi ro và nâng cao an toàn trong quá trình vận hành hệ thống.
Hiểu rõ về cơ cấu và yếu tố động lực trong hệ thống nâng hạ là rất quan trọng để cải thiện thiết kế, tối ưu hóa hoạt động và nâng cao khả năng đáp ứng của hệ thống với các yêu cầu và điều kiện khác nhau.
Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự mất cân bằng, hỏng hóc hoặc sự cố trong hệ thống nâng hạ là rất quan trọng Dựa trên những yếu tố này, chúng ta có thể đề xuất các biện pháp bảo trì, sửa chữa và duy trì hệ thống hiệu quả Điều này giúp giảm thiểu sự gián đoạn, đồng thời đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định cho hệ thống nâng hạ.
PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU 56 4.1 Trình tự tiến hành phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Kết quả FEA một số chi tiết chính
Thanh liên kết có ba lỗ chính: một lỗ để kết nối với gối đỡ trên dầm ngang của sát xi ô tô, một lỗ để kết nối với đầu piston của xi lanh đẩy, và một lỗ để kết nối với bàn nâng Sau khi thiết lập thuộc tính vật liệu và điều kiện tải trọng, kết quả phân tích và lưới được thể hiện trong hình 4.2 và 4.3.
Hình 4.2 Kết quả thiết lập lưới cho đối tượng thanh liên kết
Kết quả phân tích mô hình cho thấy thanh liên kết chịu biến dạng ở nhiều mức độ khác nhau, với vị trí góc lắp đầu piston đạt biến dạng lớn nhất khoảng 0,58 mm Bên cạnh đó, ứng suất tương đương theo Von Mises cũng được ghi nhận, với giá trị lớn nhất khoảng 65,3 Mpa, chủ yếu tập trung ở các khớp quay.
Hình 4.3 Ứng suất Von Mises và chuyển vị lớn nhất của thanh liên kết
Theo Von Mises giới hạn đàn hồi của vật liệu được xác định bằng tỉ số giữa độ lớn ứng suất tương đương và ứng suất cho phép hay:
- là ứng suất tính toán
- ] là giới hạn bền của thép C45 (~340Mpa)
Trong quá trình làm việc với tải trọng yêu cầu, chuyển vị thay đổi không đáng kể và ứng suất tính toán vẫn nằm trong giới hạn cho phép Do đó, kết cấu thanh liên kết theo thiết kế ban đầu đảm bảo độ bền và cứng vững khi hoạt động.
Bàn nâng được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ Robot chữa cháy trong việc nâng hạ thùng xe, với cấu trúc gối đỡ và khớp nối liên kết với xi lanh và các thanh liên kết Được chế tạo từ vật liệu C45, bàn nâng có khả năng chịu tải tối đa lên đến 600 kg Hình 4.4 minh họa mô hình lưới của bàn nâng, cho thấy tính năng và hiệu suất của thiết bị này.
Hình 4.4 Kết quả thiết lập tạo lưới cho bàn nâng
Hình 4.5 Ứng suất Von Mises và chuyển vị lớn nhất của bàn nâng
Sau khi phân tích FEA, kết quả cho thấy bàn nâng chịu biến dạng với giá trị lớn nhất khoảng 1,4 mm ở vị trí phía ngoài, nhưng vẫn trong giới hạn chấp nhận được do tải trọng không phân bố đều Ứng suất tối đa theo Von Mises đạt khoảng 131,5 Mpa, chủ yếu tập trung ở các mặt lỗ lắp chốt liên kết, vẫn đảm bảo an toàn so với giới hạn chảy của thép C45 Do đó, thiết kế bàn nâng đáp ứng yêu cầu về độ bền khi làm việc.
Tối ưu hóa kết cấu
Tối ưu hóa kết cấu là lĩnh vực nghiên cứu mới, kết hợp giữa tính toán cơ học và tối ưu hóa toán học, với quá trình tối ưu chủ yếu là tính toán số Sự phát triển của công nghệ tính toán đã giúp việc giải quyết các bài toán tối ưu cho các hệ lớn trở nên dễ dàng hơn Tối ưu dựa vào độ tin cậy là một phần quan trọng trong tối ưu kết cấu, giúp nâng cao chất lượng thiết kế, tăng khoảng tin cậy, giảm chi phí sản xuất và cải tiến mẫu mã Ứng dụng tối ưu dựa trên độ tin cậy đã chứng minh vai trò quan trọng trong phân tích và thiết kế hệ thống cơ khí, đặc biệt trong các bài toán kết cấu kỹ thuật.
Kết quả phân tích cho thấy các chi tiết đang ở trạng thái thừa bền, vì vậy cần thực hiện phân tích để xác định kết cấu tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc và kích thước, khối lượng của chi tiết Do đó, nghiên cứu này sử dụng công cụ Optimization trong phần mềm Solidworks để tối ưu hóa kích thước cho trường hợp thanh liên kết.
Hình 4.6 trình bày các kích thước và giới hạn của thanh liên kết trong phân tích tối ưu hóa, với chiều dày từ 10-30mm và đường kính của 3 lỗ lắp chốt từ 20 đến 45, cùng với các bước chạy tối ưu là 10 Thông số ràng buộc yêu cầu ứng suất lớn nhất không vượt quá 200 Mpa, trong khi điều kiện đầu ra là khối lượng chi tiết thu được phải nhỏ nhất.
Hình 4.6 Các thông số thiết lập khi phân tích tối ưu
Kết quả phân tích được trình bày trong hình 4.7, với tổng cộng 192 trường hợp, trong đó 130 trường hợp đã hoàn thành phân tích và đạt được giá trị tối ưu.
Chiều dày thanh liên kết giảm từ 30mm xuống 20mm trong trường hợp này, trong khi đường kính các lỗ lắp ghép giữ nguyên ở 45mm Trạng thái ứng suất tương đương đạt 148,9 Mpa và khối lượng chi tiết giảm từ 17,4kg xuống còn 11,6kg.
Hình 4.7 Kết quả phân tích tối ưu kết cấu thanh liên kết
Chương 4 đã tiến hành phân tích FEA cho hai kết cấu chính của hệ thống, bao gồm thanh liên kết và bàn nâng Kết quả cho thấy các chi tiết bị biến dạng và chịu ứng suất vẫn nằm trong giới hạn bền, tuy nhiên thiết kế ban đầu cho thấy các chi tiết đang ở trạng thái thừa bền Quá trình tối ưu kết cấu cho thanh liên kết đã giảm khối lượng từ 17,4 kg xuống còn 11,6 kg mà vẫn đảm bảo điều kiện làm việc Phương pháp tối ưu này sẽ là cơ sở quan trọng để cải thiện kết cấu của hệ thống khi chế tạo trong thực tế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Thiết kế tối ưu kết cấu hệ thống cơ khí, đặc biệt là trong lĩnh vực nâng hạ Robot chữa cháy, đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu Nghiên cứu động lực học và phân tích kết cấu là cần thiết để cải thiện hiệu quả thiết kế của hệ thống này Luận văn đã đạt được một số kết quả quan trọng, góp phần nâng cao tính ứng dụng và hiệu quả trong thực tiễn.
Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phân tích động lực học và phương pháp phần tử hữu hạn, đồng thời ứng dụng các phần mềm kỹ thuật CAD hiện đại Mục tiêu là nâng cao độ tin cậy của hệ thống cơ khí trong quá trình thiết kế và chế tạo.
Luận văn đã phát triển mô hình khảo sát động lực học của hệ thống nâng hạ robot chữa cháy lên xe vận chuyển sử dụng phần mềm Solidworks Qua đó, nghiên cứu đã xác định được một số thông số quan trọng về động học và động lực học của hệ thống trong quá trình hoạt động.
Luận văn đã tiến hành phân tích FEA hệ thống các chi tiết chính, cho thấy chuyển vị và ứng suất tương đương nằm trong giới hạn cho phép, nhưng vẫn ở trạng thái thừa bền cần tối ưu Quá trình tối ưu kết cấu cho chi tiết thanh liên kết đã giảm khối lượng từ 17,4kg xuống còn 11,6kg mà vẫn đảm bảo điều kiện làm việc Phương pháp tối ưu này sẽ là cơ sở để cải thiện kết cấu của hệ thống trong quá trình chế tạo thực tế.
Một số hạn chế của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo:
Nghiên cứu mới sử dụng mô hình được thiết kế để khảo sát các thông số động học và động lực học, đồng thời thực hiện phân tích FEA các cơ cấu của hệ thống dưới tải trọng cố định, tuy nhiên chưa xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác.
Kết quả phân tích FEA cho thấy kết cấu của hệ thống đáp ứng yêu cầu bền vững trong quá trình hoạt động Giá trị tối ưu đạt được nằm trong giới hạn của một số yếu tố cố định Do đó, cần tiến hành nghiên cứu bổ sung để xác định kết cấu tối ưu hơn, nhằm đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật trước khi triển khai chế tạo thực tế.
1 Trần Văn Chiến (2005), Động lực học máy trục, Nxb Hải Phòng, Hải Phòng
2 Vũ Tuấn Đạt (2022), Phân tích động lực học và thiết kế tối ưu cho cơ cấu nâng hạ của xe tải tự đổ cỡ trung, TNU Journal of Science and Technology 227(08), tr 395 - 402
3 Hoàn Lương Ngọc (2008), Nghiên cứu động lực học của tay thủy lực học của tay thủy lực bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo bánh hơi khi xoay cần
4 Nguyễn Văn Mùi (2019), Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động
5 Tong Duc Nang và Nguyen Quoc Dung (2018), Phân tích động học, động lực học thiết bị lắp dựng tấm tường bê tông nhẹ, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD 12(2), tr 43-49
6 Đình Tùng Nguyễn (2018), Nghiên cứu phân tích kết cấu hệ thống cầu nâng xe chở sắn củ trên mô hình số