Thiết Kế Chế Tạo Và Thử Nghiệm Máy Bắn Bóng Tennis.pdf

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI Thiết kế chế tạo và thử nghiệm máy bắn bóng tennis - Đề tài tập trung tìm hiểu, thiết kế và chế tạo nên một máy bắn bóng tennis với cơ cấu cơ khí và điều khiển

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

- Về giá thành: Dù đã sớm du nhập vào nước ta từ đầu thế kỷ 20, song tennis vẫn luôn được quan niệm là môn thể thao sành điệu và xa xỉ, nên các trang thiết bị, dụng cụ chơi tennis vốn luôn có giá thành đắt đỏ, máy bắn bóng tennis cũng không ngoại lệ Đặc biệt là đối với những người chơi tennis chưa đủ lâu hoặc ít nhất chỉ cần một máy bắn bóng tennis có những tính năng cơ bản , lại càng có ít lí do để đầu tư, mua sắm một máy tennis với giá thành cao trên thị trường

- Về ý tưởng: Trong thời đại công nghệ, mỗi người thường dành nhiều thời gian cho các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính với các mục đích khác nhau, đặc biệt là thế hệ trẻ Điều này vô tình khiến chúng ta quên mất việc chăm sóc cơ thể và sức khỏe của bản thân phần nào đi xuống Trên suy nghĩ đó, đề tài mang tinh thần khuyến khích, thu hút giới trẻ quan tâm đến thể dục thể thao qua lăng kính công nghệ kỹ thuật

- Về ứng dụng thực tế: Đề tài hội tụ các yếu tố liên hệ đến các kiến thức đã học tại trường, có sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí với phần mềm Autodesk Inventor Professional, điều khiển động cơ với PLC thông qua phần mềm Tia Portal và mô phỏng trên phần mềm Ansys Ngoài được sử dụng với mục đích giải trí, máy tennis có thể được ứng dụng ngay tại trường học vào các tiết học thể chất hay giờ học thí nghiệm,

1 Có nhiều lợi ích về sức khỏe

+ Giúp xương chắc khỏe, ngăn ngừa loãng xương

+ Tăng sức bền và khả năng thăng bằng cho cơ thể

+ Cải thiện tinh thần, xóa tan những cảm giác tiêu cực như trầm cảm, giận dữ, lo lắng,

+ Giúp ngủ ngon, hạn chế tình trạng mất ngủ do tuổi tác

+ Giúp phát triển trí não bởi khi chơi tennis bạn phải cần tư duy chiến thuật và sự lanh lợi trong đối kháng

Phù hợp với mọi lứa tuổi, mọi giới

Tennis được gọi là “môn thể thao cho cả đời”, bất kể bạn là nam hay nữ, già hay trẻ, bạn đều có thể chơi tennis, chỉ cần bạn điều chỉnh cường độ phù hợp với bản thân mình

3 Tăng tương tác xã hội

Là môn thể thao đồng đội, nên khi ra sân bạn có thể làm quen với những người bạn mới, sẻ chia được nhiều điều về cuộc sống, công việc, giúp bạn cảm thấy yêu đời, vui vẻ và lạc quan hơn

Bảng 1 1 Một số lợi ích khi chơi tennis mang lại [1]

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Xây dựng phương pháp tính vận tốc bóng Ý nghĩa thực tiễn:

- Chế tạo được máy tennis hoàn chỉnh, với những cơ cấu và tính năng cơ bản, là công cụ hỗ trợ tập luyện cho người mới tập chơi tennis với chi phí phù hợp

- Cho sinh viên có cơ hội trải nghiệm thực tiễn về quá trình thiết kế, chế tạo Tích lũy cho sinh viên kinh nghiệm trong quá trình làm việc sau này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tạo ra được máy bắn bóng tennis hoàn chỉnh, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả với những tính năng đáp ứng được nhu cầu tập luyện và cải thiện kỹ năng của người chơi tennis ở mức cơ bản

- Tìm hiểu thêm kiến thức về một số linh kiện điện tử và viết chương trình điều khiển động cơ với PLC

- Xây dựng phương pháp tính vận tốc bóng tennis khi vừa bắn ra khỏi 2 bánh đà thông qua việc mô phỏng, tính toán lý thuyết và thực nghiệm, ứng dụng trong các môn học thí nghiệm và làm tiền đề xây dựng các phiên bản máy tennis thông minh hơn về sau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Máy bắn bóng tennis và quả bóng tennis

- Về độ bền và độ dịch chuyển kết cấu của máy bắn bóng tennis

- Vận tốc của quả bóng tennis đường kính 64 (mm) khi nó mới ra khỏi máy bắn bóng.

Phương pháp nghiên cứu

 Thống kê thông số kỹ thuật các dòng máy tennis trên thị trường

 Tìm hiểu các tài liệu liên quan trong và ngoài nước: sách, báo, internet,

 Thiết kế mô hình cơ khí và mô phỏng

 Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC

 Thực nghiệm và thu số liệu

 Đánh giá và đề xuất cải tiến.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp bao gồm 7 chương bao gồm:

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 3: Lựa chọn phương án và xây dựng mô hình

Chương 4: Tính toán và mô phỏng quả bóng tennis Chương 5: Mô phỏng kết cấu của máy bắn bóng tennis Chương 6: Điện và điều khiển

Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu chung

2.1.1 Lịch sử phát triển của bộ môn tennis

Môn tennis được cho là bắt nguồn từ nền văn hóa Hy Lạp cổ đại, vào hàng ngàn năm trước nhưng lối chơi tennis hiện đại thì mãi đến thế kỷ 12 mới được phát triển từ một trò chơi bóng ném của Pháp có tên là “Paume” (người chơi sử dụng lòng bàn tay để đánh bóng) (Hình 2.1) Trong các dịp nghỉ lễ thì tu sĩ thường chơi để giải trí Để có thể tác động vào việc đánh bóng và giao bóng tốt hơn thì họ thay thế các găng tay da bằng một loại gậy có tay cầm thích hợp hơn (Hình 2.2) Và thế là cây vợt đầu tiên ra đời [2]

Hình 2 1 Trò chơi Paume ban đầu được chơi bằng tay

Hình 2 2 Trò chơi Paume khi gậy/vợt được sử dụng

1530 - Vua Anh Henry VIII xây dựng một sân tennis tại Cung điện Hampton Court

1583 - Cây vợt đầu tiên được phát minh ở nước Ý

1870 - Câu lạc bộ Croquet được thành lập tại quận Wimbledon của Luân Đôn, nước

Anh Quần vợt vẫn là môn thể thao trong nhà được chơi bởi hoàng gia và các nhà hảo tâm giàu có

1873 - Một người chơi lâu năm là Walter Wingfield đã sáng chế ra cách đánh tennis ngoài trời trên mặt sân cỏ, ông đã ngăn cách hai mặt sân bởi cột và lưới, còn có vợt và bóng cao su, chính mặt sân mà ông tạo ra là tiền đề cho tennis hiện đại

1874 - Joseph và Clarence Clark đã mang lối đánh mà Walter Wingfield sáng tạo ra về nước Mỹ, cuối năm đó thì mặt sân cỏ lần đầu được tổ chức giải ở Mỹ

1875 - Câu lạc bộ Marylebone Cricket thêm nhiều điều luật đáng chú ý vào trò chơi như thêm ô đều, lợi thế và được 2 cơ hội giao bóng Họ cũng đổi từ hình dạng sân đồng hồ cát sang chữ nhật, cùng thông số với mặt sân chúng ta dùng hiện nay

1877 - Giải tennis toàn thế giới lần đầu được tổ chức tại Wimbledon (Anh) với chỉ 22 vận động viên tham gia nội dung đơn nam và nhà vô địch đầu tiên chính là Spencer Gore

1881 - Giải Mỹ mở rộng lần đầu được tổ chức, nhà vô địch đầu của giải là Dick Sears

1884 - Lần đầu tiên giải Wimbledon đã có thêm nội dung dành cho nữ, và có 13 vận động viên tham dự, thể thức đôi nam cũng lần đầu tiên được đưa vào giải

1887 - Giải Mỹ mở rộng đã có thêm nội dung đơn nữ, Lottie Dod dành chiến thắng tại đơn nữ ở Wimbledon lần đầu tiên

1896 - Tennis trở thành một môn cốt lõi trong các môn thể thao tại thế vận hội Olympic

1897 - Giải Pháp mở rộng đã có thêm nội dung dành cho vận động viên nữ

2.1.2 Lịch sử phát triển máy bắn bóng tennis

Vào những năm 1920, ngôi sao quần vợt người Pháp,

Rene LaCoste được cấp bằng sáng chế cho máy bắn bóng tennis quay tay cùng công ty thể thao Dunlop Chiếc máy được vận hành bởi một người hỗ trợ ở đầu sân bên kia và cho phép thực hiện vô số cú đánh lặp lại [3]

Hình 2 3 Máy bắn bóng tennis đầu tiên Đến những năm 1950, máy chạy bằng điện đã bắt đầu xuất hiện tại các câu lạc bộ quần vợt nhưng chưa được phổ biến rộng rãi tới công chúng Những chiếc máy này sử dụng một lò xo có độ căng cao để phóng một thanh có gắn đầu đập vào quả bóng Loại đầu đánh được trang bị sẽ quyết định quỹ đạo của quả bóng được phóng đi

Hình 2 4 Máy bắn bóng tennis được sử dụng tại câu lạc bộ Chingford ở Essex, Anh

Vào năm 1968, Robert H McClure, một giám đốc bán hàng và một tay chơi tennis giỏi, đã chế tạo một chiếc máy ném bóng tennis mới Chiếc máy đầu tiên do ông và đối tác kinh doanh Jerry Sweeton tạo ra được biết đến với cái tên

“Hoàng tử bé” và sử dụng động cơ máy hút bụi để tạo ra áp suất không khí và giúp quả bóng được bắn ra

Máy Prince là máy bắn bóng tennis đầu tiên được thương mại hóa quy mô lớn và đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp máy tennis

Hình 2 5 Máy bắn bóng tennis Prince

Những máy bắn bóng tennis dùng khí nén vẫn là công nghệ được lựa chọn trong nhiều năm cho đến khi hệ thống ép bóng tennis bằng hai bánh xe quay ngược chiều xuất hiện trên thị trường

Hình 2 6 Máy bắn bóng tennis sử dụng khí nén

Hình 2 7 Máy bắn bóng tennis dùng hai bánh xe quay ngược chiều

Tính năng và lợi ích của máy bắn bóng tennis

2.2.1 Tính năng máy bắn bóng tennis

Tính năng của các dòng máy tennis được quyết định bởi giá thành của chúng

- Nguyên lí bắn bóng: có rất nhiều dòng máy, tương ứng với quả bóng được bắn ra theo nhiều cách nhưng phổ biến nhất là sử dụng khí nén và hai bánh xe quay ngược chiều

- Chuyển động: Chuyển động lên-xuống, trái-phải cho phép người chơi nhận bóng từ các độ cao và hướng khác nhau, qua đó chạy bao quát được khu vực sân

- Một số tùy chọn tính năng khác:

 Khoảng thời gian giao bóng

 Nguồn điện rời tích hợp

2.2.2 Lợi ích của máy bắn bóng tennis

Hình 2 8 Minh họa tư thế đánh bóng tennis

1 Máy tennis cung cấp những đường bóng giống hệt nhau, giúp bạn lặp lại cùng một tư thế đánh, nhằm ổn định, tự sửa lỗi sai để làm chủ kỹ thuật của mình

2 Máy tennis giúp bạn tập phản xạ bằng cách bắn bóng ở nhiều vị trí trên sân, với độ cao và biên độ khác nhau

3 Máy tennis giúp bạn chủ động trong việc tập luyện bằng việc bạn có thể sắp xếp các buổi tập luyện với tần suất và nhịp độ phù hợp với bạn

Một số dòng máy tennis

Nổi bật với thương hiệu:

Hình 2 11 Máy bắn bóng tennis Lobster

Hình 2 12 Máy bắn bóng tennis Spinfire

Hình 2 13 Máy bắn bóng tennis Spinshot

Hình 2 9 Máy bắn bóng Tennis AERO

Là sản phẩm của AEROSPORTS – nhóm các kỹ sư trường ĐH BKHN [8]

 Tốc độ bóng bắn ra: 0 – 150 km/h

 Bóng xoáy: Topspin – backspin – flat

 Thời gian bóng bắn ra: 2 – 10 s/bóng

 Góc bắn hai biên trái/phải: ± 20 deg

T3M - là thương hiệu các sản phẩm công nghệ do Trung tâm nghiên cứu và phát triển CNC-T3M nghiên cứu và phát triển có trung tâm hiện nay đặt tại Nha Trang-Khánh Hòa [9]

 Bộ phận bắn bóng: bóng được bắn ra bởi 2 bánh xe quay ngược chiều, đây là một phương pháp đẩy hiệu quả nhất tạo độ xoáy và lát cắt tuyệt vời

 Các bộ dao động ngang và dọc trong máy: công dụng dao động ngang để quét đến các điểm trên sân từ trái- phải-giữa, tùy theo bài bắn

Hình 2 10 Máy bắn bóng Tennis T3M Pro

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Thông số đầu vào quả bóng tennis

Bóng tennis hay bóng quần vợt là một quả bóng có độ nẩy khi va đập, thiết kế cho môn thể thao quần vợt Bóng tennis thường sẽ gồm có hai phần là ruột và vỏ, trong đó, phần ruột được làm từ cao su rỗng còn phần vỏ thì sẽ là len hoặc nỉ [4] Đường kính của bóng tennis nằm trong khoảng 62,5 đến

65,7 (mm) và nặng khoảng 56 đến 59,4 (gram)

Trong đồ án này, nhóm lựa chọn kích thước bóng 64 mm làm cơ sở để chế tạo máy tennis.

Lựa chọn phương án

Lò xo Khí nén Lực ném Cán ép banh

Hình ảnh minh họa Ưu điểm

- Chế tạo đơn giản, tiết kiệm chi phí

- Lực bắn lớn, tầm bắn rộng

Năng suất cao do sử dụng nguồn không khí xung quanh một cách liên tục

- Ít gây hư hại đến bóng tennis

- Năng suất cao, có thể bắn banh liên tục với lực bắn mạnh

Dễ chế tạo, đơn giản

Có thể tạo ra đường banh xoáy khi hai động cơ quay khác tốc độ

- Hiệu suất bắn thấp do phải tốn thời gian nén lò xo

- Khó tạo được đường bóng xoáy

Khi hoạt động gây ra tiếng ồn của lò xo, độ ma sát cao

- Kết cấu cồng kềnh, phức tạp, giá thành cao

- Khi hoạt động gây tiếng ồn lớn

- Muốn sử dụng đòi hỏi phải hiểu biết về khí nén, tính an toàn không cao

- Khó kiểm soát được lực bắn

- Có thể tạo ra lực bắn lớn cần phải tạo lực nén lớn, cơ cấu phải chắc chắn

- Động cơ quay với tốc độ cao để bắn xa nên việc điều chỉnh tốc độ quay gặp nhiều khó khăn

- Bánh đà bị ép, ma sát, dễ bị mài mòn bóng tennis

Bảng 3 1 So sánh các phương pháp bắn bóng tennis

Hình 3 1 Cấu tạo của quả bóng tennis

Kết luận: Phương pháp cán ép banh được lựa chọn bởi hiệu quả bắn bóng cao, đồng thời việc chế tạo cũng dễ dàng Đây cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các máy bắn bóng tennis hiện đại ngày nay

(tổng thể bên ngoài máy đứng yên, chỉ cụm bắn bóng bên trong chuyển động qua lại trái-phải)

(cụm bắn bóng cố định với máy, khi cần bắn bóng sang 2 biên, toàn bộ máy sẽ di chuyển)

- Tập phản xạ tốt khi người chơi khó quan sát được hướng bóng bắn ra

- Xoay dễ dàng hơn, ít tạo áp lực cho trục xoay

- Bị hạn chế góc quay

- Kích thước máy to hơn

- Cần momen lớn tại trục xoay

- Người chơi dễ đoán được hướng bóng

Bảng 3 2 So sánh các phương án dao động của máy tennis

Kết luận: Hình thức dao động bên trong được lựa chọn bởi tính hiện đại và hiệu quả khi có thể tập phản xạ cho người chơi

Một ví dụ về máy tennis có dao động bên trong sử dụng phương án ăn khớp răng và con lăn kim loại để di chuyển qua lại hai bên trải-phải

Hình 3 2 Dao động bên trong máy Spinfire Pro 2

3.2.3 Cơ cấu chuyển động trái-phải

- Tại hai vị trí biên, khi động cơ chuyển động ngược lại, sự thay đổi góc bắn diễn ra nhanh

- Chế tạo và lắp ráp dễ dàng

- Tăng giảm góc độ bằng cách tăng giảm chiều dài thanh dễ dàng

- Phức tạp trong chế tạo và lắp đặt

- Có thể gây ồn do bánh răng

- Tại hai vị trí biên, khi động cơ chuyển động, sự thay đổi góc bắn diễn ra chậm

Bảng 3 3 So sánh các cơ cấu chuyển động trái-phải của máy tennis

Kết luận: Cơ cấu thanh truyền được lựa chọn bởi việc chế tạo lắp ráp đơn giản, hơn nữa nguyên lý này giúp góc bắn được giới hạn bằng thanh truyền, kể cả khi động cơ gặp sự số điều khiển, máy tennis cũng không gặp vấn đề khi quay sang hai biên

(dùng tay thả bóng) Cấp bóng tự động

- Thiết kế đơn giản, dễ thực hiện

- Chủ động kiểm soát số lượng và thời gian bóng bắn ra dễ dàng

- Tiết kiệm chi phí mua linh kiện

- Tính tự động hóa, cá nhân hóa cao, tiện lợi sử dụng mà không cần bất kỳ ai hỗ trợ

- Cần một người hỗ trợ thả bóng khi sử dụng máy

- Thiết kế phức tạp, tốn thêm chi phí

- Cần tính toán hợp lý khi máy thay đổi góc bắn ngang dọc

Bảng 3 4 So sánh các phương pháp cấp bóng cho máy tennis

Kết luận:Với đối tượng hướng đến là người chơi tennis cơ bản và trên cơ sở là sản phẩm phiên bản đầu tiên, khó tránh khỏi các vấn đề phát sinh, tiền đề để rút kinh nghiệm và phát triển tốt hơn về sau, nhóm lựa chọn phương án cấp bóng thủ công, cho đơn giản, dễ kiểm soát, phù hợp với hướng đi của nhóm

3.2.5 Một số chi tiết, thiết bị trọng tâm Động cơ điện:

Chức năng sử dụng Quay bánh đà để bắn bóng tennis Điện áp (V) 24

- Tốc độ cao, nhỏ gọn, momen xoắn lớn, tiếng ồn thấp, tuổi thọ dài

- Ứng dụng rất phổ biến, giá thành rẻ, mua dễ dàng phù hợp để tạo nhiều loại máy móc như quạt, máy bơm,

Hình 3 4 Động cơ giảm tốc đa dụng

Quay nâng-hạ, trái-phải để thay đổi góc và hướng bắn bóng tennis Điện áp (V) 24

- Tốc độ thấp, nhỏ gọn, momen xoắn lớn, tiếng ồn thấp, tuổi thọ dài

- Ứng dụng rất phổ biến, giá thành rẻ, mua dễ dàng, chuyên dùng để sử dụng cho các mục đích quay tốc độ thấp, ổn định như quay đồ nướng, gạt mưa ô tô,

Thông số thiết kế cơ bản: Đường kính ngoài (mm)

Hình 3 5 Mô hình bánh đà

Mỗi bánh đà được tiện 3 rãnh, lắp số gioăng cao su tròn (đường kính mặt cắt 5 mm) tương ứng, để tăng độ ma sát khi tiếp xúc với bóng tennis thay cho bề mặt nhựa ABS của bánh đà

Hình 3 6 Bánh đà sử dụng gioăng cao su

- Gối đỡ vòng bi dạng trục ngang hay bạc đạn trục ngang là loại gối đỡ với thiết kế hình dáng gờ kiểu hình con thoi với khả năng thuận tiện cho lắp ráp và thiết kế chi tiết máy móc

- Vỏ được đúc bằng gang chịu nhiệt cao, có khả năng chống chọi va đập tốt, ít bị tình trạng nứt, vỡ khi hoạt động với cường độ làm việc cao

- Khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ lâu dài

- Hạn chế ma sát thấp

- Phổ biến, giá thành tương đối rẻ

- Dễ dàng thiết kế và lắp đặt

Hình 3 7 Gối đỡ trục dòng KFL

Xây dựng mô hình

Hình 3 8 Tổng thể mô hình

Hình 3 9 Cụm lắp động cơ và bánh đà

- Đóng chặt trục động cơ 775(1) vào lỗ chi tiết chữ T(2) (lắp ghép có độ dôi) bằng máy ép thủy lực

- Lắp ba gioăng cao su(4) tương ứng vào ba rãnh tiện sẵn trên bánh đà(3), sau đó lắp bánh đà vào trục chữ T, siết chặt bằng bulong

- Đầu còn lại của trục chữ T lắp tương ứng vào gối đỡ trục(5) trên mô hình

Hình 3 10 Cụm cơ cấu xoay

- Lắp khớp nối truyền động(2) vào trục động cơ giảm tốc(1), siết chặt bằng bulong

- Lắp phần thân dài của trục xoay(3) vào lỗ còn lại trên khớp nối truyền động, siết chặt tương tự

- Đặt vòng bi(4) vào đầu trên của trục xoay, gắn vòng chặn trục vào rãnh đầu trục xoay, giữ vòng bi không bị trượt, lắp thanh truyền(5) vào tương ứng

- Lắp chi tiết chữ L(6) và trục xoay Z(8) tương ứng vào chi tiết khung chữ U(7), sau đó lắp khung chữ U vào đế xoay trên mô hình tổng qua 2 gối đỡ trục ngang

- Lắp vòng bi vào lỗ còn lại trên thanh truyền, sau đó điều chỉnh cho trùng với lỗ trên tấm chữ L, chèn vòng đệm vào giữa vòng bi và chi tiết chữ L, siết chặt vòng bi và tấm chữ L bằng bulong và đai ốc

Các cụm làm việc của máy:

- Bắn bóng tennis thông qua hai bánh đà quay ngược chiều nhau, sử dụng động cơ 775 tốc độ cao

- Nâng-hạ giúp tăng giảm góc bắn với động cơ DC giảm tốc

- Nâng đỡ cụm bắn bóng

- Cung cấp cơ cấu thanh truyền với động cơ DC giảm tốc, giúp cụm bắn bóng chuyển động sang hai biên trái-phải

- Bảo vệ các bộ phận bên trong của máy

Hình 3 13 Cụm vỏ bảo vệ

Vật liệu chế tạo

Chi tiết gia công: 2 bánh đà

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) là một polyme vô định hình và là loại nhựa nhiệt dẻo không trong suốt

“Nhựa nhiệt dẻo” (trái ngược với “nhiệt rắn”) đề cập đến cách vật liệu phản ứng với nhiệt Nhựa nhiệt dẻo hóa lỏng (tức là có thể “chuyển đổi thủy tinh”) ở một nhiệt độ nhất định (221ºF đối với nhựa ABS) Chúng có thể được làm nóng đến điểm nóng chảy, làm lạnh rồi lại làm nóng lại mà không bị giảm chất lượng đáng kể Thay vì đốt cháy, nhựa nhiệt dẻo như ABS sẽ hóa lỏng, cho phép chúng dễ dàng được đúc phun và sau đó là tái chế

Hình 3 14 Mô hình bánh đà

Chi tiết gia công: các chi tiết thép

Thép SS400 (trước đây là SS41), tiếng anh là Steel Structure 400 đây là loại thép cán nóng được sử dụng phổ biến ở Nhật

Bản, chúng được sản xuất theo tiêu chuẩn

JIS G3101 (đây là tiêu chuẩn vật liệu của

Nhật Bản cho các tấm, lá, dải thép cán nóng dùng cho kết cấu)

Hình 3 15 Tấm gá động cơ

Thép SS400 thuộc thép có cacbon thấp nên thường dễ dàng khai thác, nấu luyện, không phải dùng các hợp kim đắt tiền nên giá thành thành phẩm của thép SS400 luôn tốt hơn so với các loại thép khác

Thành phần hóa học: Tính chất cơ lý:

Lưu huỳnh(S): 0.03 Độ bền kéo: 400-510 Mpa

Giới hạn chảy: 210 Mpa Độ giãn dài tương đối: 32%

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUẢ BÓNG TENNIS

Giới thiệu về mô hình quả bóng tennis

Để thực hiện việc tính toán vận tốc bóng thì chúng ta phải chuẩn bị trước vật liệu Trong đồ án này, nhóm em mô hình hóa quả bóng thành một khối cầu rỗng có đường kính ngoài là 64 (mm), đường kính trong là 57 (mm), như vậy quả cầu dày 3.5 (mm)

Hình 4 1 Mô hình quả bóng tennis Ở đây, chúng ta bỏ qua lớp nỉ vải bên ngoài mà chỉ biểu diễn một lớp cao su và có áp suất bên trong không đổi.

Vật liệu cao su quả bóng tennis

Vật liệu làm quả bóng tennis là một lớp cao su được biểu diễn bằng mô hình siêu đàn hồi Ogden 3rd model Mô hình này được ông Ogden công bố trong một luận án tiến sĩ vào năm 1972 Lí thuyết về nó được biểu diễn bằng một hàm năng lượng thế năng đàn hồi phụ thuộc vào biến dạng của vật liệu cao su [20]:

Trong đó: 𝜇 𝑖 , 𝛼 𝑖 là hệ số vật liệu;

𝜆 1 , 𝜆 2 , 𝜆 3 là các biến dạng chính theo các phương x, y, z;

𝐷 𝑖 là hệ số không nén được của vật liệu;

Cho một vật liệu có đặc tính không hoặc gần như không nén được, lúc đó 𝐽 = 1, vậy biểu thức trên được viết lại là [25]:

18 Để vẽ biểu đồ thì stress-strain mô tả quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được thông qua ba loại biến dạng đó là biến dạng kéo, biến dạng nén và biến dạng cắt Từ các thiết bị ta lấy các mẫu thử nghiệm, thực hiện thí nghiệm để lấy số liệu, từ đó biểu diễn tính chất vật liệu của mẫu [21] Ở vật liệu siêu đàn hồi nghĩa là vật liệu có thể bị kéo dãn biến dạng tới 40% Do đó, không sử dụng thí nghiệm nén được vì cao su là vật gần như không thể nén, thay vào đó sử dụng thí nghiệm kéo theo hai phương gọi là Biaxial tension Ở cắt ta cũng khó mà cắt được vật liệu đàn hồi như cao su nên sử dụng Pure shear, đó là một miếng cao su có chiều rộng nhỏ và chiều dài lớn gấp tám lần chiều rộng Từ đây, ta kéo căng sợi cao su sẽ thấy cắt của vật liệu là một đường chéo của miếng cao su hình chữ nhật

Bây giờ ta sẽ biểu diễn hàm năng lượng theo từng trường hợp thí nghiệm biến dạng

Ta có công thức tính ứng suất theo các biến dạng [25] là: 𝜎(𝜆) = 𝜕𝑊(𝜆)

𝜕𝜆 Ở trường hợp đầu tiên là biến dạng kéo, ta có [22]: 𝜆 1 = 𝜆, 𝜆 2 = 𝜆 3 = 1

√𝜆 Lúc này ta có phương trình năng lượng là:

(𝜆 𝛼 𝑖 + 2 𝜆 −0,5.𝛼 𝑖 − 3)] Đạo hàm riêng phần theo 𝜆 ta được ứng suất là:

Tương tự như vậy với trường hợp biến dạng kéo theo 2 phương [22]:

Lúc này ta có phương trình năng lượng cho biến dạng theo 2 phương là:

(2 𝜆 𝛼 𝑖 + 𝜆 −2.𝛼 𝑖 − 3)] Đạo hàm riêng phần theo 𝜆 ta được ứng suất là: 𝜎(𝜆) = ∑ 𝑁 𝑖=1 [𝜇 𝑖 (2 𝜆 𝛼 𝑖 −1 − 2 𝜆 −2.𝛼 𝑖 −1 )] Tương tự như vậy với trường hợp biến dạng cắt [22]: 𝜆 1 = 1, 𝜆 2 = 𝜆, 𝜆 3 = 1

Lúc này phương trình năng lượng cho biến dạng cắt là: W = ∑ [ 𝜇 𝑖

𝑁 𝑖=1 (𝜆 𝛼 𝑖 + 𝜆 −𝛼 𝑖 − 2)] Đạo hàm riêng phần theo 𝜆 ta được ứng suất là: 𝜎(𝜆) = ∑ 𝑁 𝑖=1 [𝜇 𝑖 (𝜆 𝛼 𝑖 −1 − 𝜆 −𝛼 𝑖 −1 )]

Sử dụng công trình nghiên cứu trong [26] tìm các hệ số vật liệu 𝜇 𝑖 , 𝛼 𝑖 , nhập vào engineering data trong Ansys để tạo vật liệu cao su cho quả bóng tennis:

Bảng 4 1 Các thông số vật liệu của cao su

Các hệ số này được tìm ra từ các thí nghiệm biến dạng kéo theo một phương Sử dụng phần mềm và tìm được hệ số, ngoài ra còn có hệ số D1 = 𝐾 2 = 2

Trong đó: 𝐾 là Bulk modulus được tìm thấy trên Wikipedia [27] Ở đây theo tổ chức Tennis thế giới, khối lượng quả bóng tennis là 56-59 (g) nên nhóm em chỉnh khối lượng riêng là 56 (g) để phù hợp với quả bóng tennis thực tế.

Thí nghiệm ép bán tĩnh quả bóng tennis

Thí nghiệm này là thí nghiệm ảo được thực hiện trên phần mềm Ansys 19.R2 Thí nghiệm ảo này được thực hiện với mô hình 2 tấm thép, tiết diện vuông đối diện nhau và ở giữa có một mô hình quả bóng tennis bị ép ở các lực khác nhau từ 50 (N) đến 400 (N) Trong đồ án này, nhóm em dùng modul static structural để mô phỏng quá trình đó, thực hiện ép quả bóng và so sánh chúng với số liệu của các bài báo khoa học trên thế giới

Vật liệu của hai tấm ở trên và dưới quả bóng được làm từ thép kết cấu Áp suất bên trong quả bóng tennis được cho là 76000 (Pa) [26] Hệ được đặt trong môi trường không trọng lực để có thể biết được có một lực bao nhiêu tác dụng lên quả bóng

Hình 4 3 Mô hình hệ ép quả bóng tennis

Bảng 4 2 Các thông số vật liệu của thép

Hệ số ma sát giữa tấm thép và quả bóng tennis là 0,5 Hệ số ma sát ở đây là ma sát tĩnh được áp dụng dựa trên công trình nghiên cứu của Goodwill 2005 [26] Tấm thép này được ràng buộc để khi di chuyển xuống, nó sẽ chỉ di chuyển thẳng đứng theo phương vuông góc với tấm thép

Hình 4 4 Thiết lập ràng buộc cho một mặt tấm thép

Chia lưới được chia theo mặc định, do có vật liệu siêu đàn hồi là cao su nên lưới được ưu tiên chia theo lưới phi tuyến Kích thước phần tử là 6 (mm), mô hình được chia 2736 nút, 3505 phần tử tứ diện

Hình 4 5 Lưới đã cho ra kết quả hội tụ

4.3.3 Mô phỏng kết cấu Ở phần thiết lập này “Analysis setting” được để mặc định Tấm thép phía dưới quả bóng được cố định bằng “Fixed support” và bề mặt bên trong quả bóng tác dụng bởi áp suất có độ lớn là 76000 (Pa) Tấm thép phía trên quả bóng có tác dụng một áp suất là 5000 (Pa) cho đến 40000 (Pa), để tác dụng lên quả bóng một lực từ 50-400 (N)

Hình 4 6 Tấm thép dưới được giữ cố định ở bề mặt dưới

Hình 4 7 Áp suất tác dụng lên mặt trong quả bóng

Hình 4 8 Áp suất tác dụng lên bề mặt trên của tấm thép

Lưới được để cùng một kiểu nhưng lưới mịn dần từ 8,22 (mm) xuống đến 4,5 (mm) Các kết quả được ghi lại và đưa vào phần mềm Excel để xem sự thay đổi đã hội tụ chưa

Hình 4 9 Biểu đồ biến dạng theo lực tác dụng 400 (N) lên quả bóng

Kết quả mô phỏng cho thấy khi số nút lớn hơn 3000 thì phần mềm đã cho kết quả hội tụ, do vậy mô hình lưới với 2736 nút được mô phỏng cho các trường hợp tải trọng khác Kết quả mô phỏng biến dạng dài theo phương hướng kính thẳng đứng được trình bày như hình sau

4.3.5 Tổng kết kết quả bị nén của quả bóng

Bảng số liệu lực tải lên quả bóng và biến dạng của quả bóng

Lực (N) Độ biến dạng (mm)

Bảng 4 3 Độ biến dạng của quả bóng tennis theo lực ép

Biế n d ạn g d ài th eo p h ươn g đướn g kín h (m m )

Biểu đồ biến dạng theo số lượng nút(400N)

Hình 4 10 Biểu đồ biến dạng của quả bóng tennis theo tải

Kết quả cho thấy biến dạng của quả bóng là phi tuyến tính, phù hợp với hình học và tính phi tuyến của vật liệu.

Tính chọn công suất động cơ

Để tính được công suất của động cơ chúng ta cần biết vận tốc mà bóng cần, từ đó ta tìm ra công suất của động cơ Từ [Hình 4.11], giả sử ta sẽ bắn bóng từ vị trí cuối sân bên này đến khi bóng bay thẳng đến gần cuối sân bên kia khoảng 20 (m)

Ta có công thức tọa độ ném xiên là:

Tọa độ x theo phương ngang: x = 𝑉 0 cos(θ).t Tọa độ y theo phương thẳng đứng: y = h1 − 0,5 g 𝑡 2 − 𝑉 0 sin(θ) t Trong đó: 𝑉 0 là vận tốc ban đầu của quả bóng; θ là góc hợp giữa vận tốc quả bóng lúc ban đầu và phương ngang; h1 là độ cao ban đầu của quả bóng; t là thời gian bóng bay Ở đây bỏ qua sức cản không khí

Lực (N ) Độ biến dạng (mm)

Mối quan hệ giữa lực ép và độ biến dạng

Hình 4 11 Hình ảnh sân quần vợt vẽ trên Inventor

Sử dụng phần mềm Maple 2018 để tìm vận tốc bóng với các trường hợp góc ban đầu là

30 0 , 40 0 , 50 0 và 60 0 so với phương ngang

Góc (độ) Vận tốc ban đầu (m/s)

Bảng 4 3 Vận tốc ban đầu của quả bóng tennis theo góc ban đầu

Chọn vận tốc bóng là 15 (m/s) là vận tốc bóng cần để bay tới cuối sân

Hình 4 12 Sơ đồ hai bánh đà quay đẩy quả bóng tennis [19]

Khối lượng của quả bóng tennis m = 0,056 (kg), momen quán tính của mỗi bánh đà là 2,38704.10 −4 (kg.m 2 ) được tính trong Ansys Ở đây ta có v = w.r = 15 (m/s) r là bán kính bánh đà, r = 0,05212 (m) Suy ra w là vận tốc góc của bánh đà: w = 𝑣

26 Động năng của quả bóng tennis:

2 0,056 15 2 = 6,3 (𝐽) Động năng của bánh đà:

Do hai bánh đà quay giống nhau đều cùng đẩy quả bóng tennis như nhau nên công của hai bánh đà sinh ra là như nhau, vậy nên mỗi động cơ phải truyền năng lượng cho một bánh đà và nửa động năng của quả bóng tennis [19]

W = 0,5.T1 + T2 = 13,0355 (J) Với thời gian tối thiểu mỗi quả bóng đi xuống là t = 1 (s) Ta có:

P t = W Suy ra P là công suất của động cơ

Do đó công suất cần thiết tối thiểu cho mỗi động cơ là 13,0355 (W) Ở đây, nhóm em chọn động cơ DC 775 có tốc độ quay lúc không tải là 8000 (vòng/phút) và công suất là 100 (W).

Tính vận tốc bóng tennis thông qua mô phỏng bằng Ansys

Trong đồ án này, nhóm em dùng modul Explicit dynamic

Explicit dynamic là modul dùng trong các mô phỏng quá trình va chạm hay mô phỏng vụ nổ cho một công trình nào đó Ở đây, có hai phương pháp để mô phỏng phụ thuộc vào thời gian, đó là Implicit method và Explicit method Cả hai phương pháp đều sử dụng những bước thời gian để tính toán nhưng chúng có sự khác nhau rõ ràng Explicit method được dùng ở những mô phỏng có tổng thời gian bé hơn hoặc bằng 1 (s) còn implicit thường được dùng ở những mô phỏng lớn hơn 1 (s)

Cách tính bước thời gian ở mỗi phương pháp khác nhau

Ví dụ, ta có hàm y(t) trong không gian Oxy với y(𝑡 𝑛 ) nghĩa là giá trị y ở thời điểm 𝑡 𝑛 đã được biết Bây giờ, chúng ta phải tìm y(𝑡 𝑛+1 ) bằng bao nhiêu ? Ta có công thức đạo hàm sau:

𝑦̇ = 𝑑𝑦 𝑑𝑡 Suy ra dy = 𝑦̇.dt Tương đương với y(𝑡 𝑛+1 ) - y(𝑡 𝑛 )= 𝑦̇.∆t Ở đây ∆t = 𝑡 𝑛+1 - 𝑡 𝑛 , tương đương với y(𝑡 𝑛+1 ) = y(𝑡 𝑛 ) + 𝑦̇.∆t (1)

Từ hàm (1) ở trên, hai phương pháp implicit và explicit dùng các 𝑦̇ khác nhau:

Hàm (2) ở trên y(𝑡 𝑛 ) đã biết, còn lại là ẩn hàm (2) dùng để giải ra y(𝑡 𝑛+1 ) là bao nhiêu ? -Phương pháp explicit thì y(𝑡 𝑛+1 ) = y(𝑡 𝑛 ) + 𝑦̇(𝑡 𝑛 ).∆t (3)

Hàm (3) trên y(𝑡 𝑛 ) và 𝑦̇(𝑡 𝑛 ) đều đã biết, có thể tính trực tiếp ra y(𝑡 𝑛+1 )

Do phương pháp explicit sai số lớn hơn implicit nên khi thời gian nhỏ dưới 1 (s) tốt nhất là nhỏ dưới 0,1 (s) thì chúng ta dùng phương pháp mô phỏng explicit còn lớn hơn thì dùng phương pháp implicit

Hình 4 13 Đồ thị mô tả hai phương pháp implicit và explicit [18]

Hệ bánh đà gồm trục chữ T làm từ thép và bánh đà làm từ nhựa ABS, ngoài ra mỗi bánh đà còn có 3 vòng cao su NBR (vòng chặn dầu) bao xung quanh Khi mô phỏng nếu để nguyên mô hình như [Hình 4.14] sẽ khiến cho khối lượng tính toán quá nặng nên nhóm em đục lỗ, xóa luôn trục chữ T để phần nhựa ABS giống như một cái bánh xe Do vậy sẽ chỉ còn nhựa ABS và cao su NBR Do bị đục lỗ như vậy nên khối lượng riêng của nhựa ABS được điều chỉnh với khối lượng riêng mới của nhựa ABS là 2090 (kg/m 3 ) để đảm bảo đủ động năng quay của bánh đà

Hình 4 14 Mô hình hệ ép bóng tennis Hình 4 15 Mô hình mới của hệ trong môi trường Ansys

Bảng 4 4 Thông số vật liệu của cao su

Bảng 4 5 Thông số vật liệu của nhựa ABS

Vật liệu Cao su NBR

Bảng 4 6 Thông số vật liệu của cao su NBR [23]

Trong môi trường mô phỏng này có tổng cộng ba vật liệu gồm: nhựa ABS, cao su NBR, và cao su của quả bóng tennis

Do vòng chặn dầu NBR chia lưới khá thô, nên nhóm em phải chuyển lưới cho vòng chặn dầu từ Automatic sang Tetrahedrons, còn lại được chia lưới như mặc định Đầu tiên là chia lưới có kích thước mặc định rồi sau đó chia lưới mịn dần từ mặc định xuống 2 (mm)

Hình 4 16 Kết quả chia lưới

4.5.5 Ràng buộc hình học, ma sát và tải Ở trên bề mặt tiếp xúc giữa bóng tennis và cao su NBR nhóm em cho hệ số ma sát là 0,62 dựa theo một bài báo về ma sát giữa quả bóng tennis và mặt sân cứng, phẳng có cao su PU, vậy nên nhóm em chọn hệ số ma sát này [24]

Hình 4 17 Hình ảnh bóng trước và giữa hai bánh đà

Trong đồ án này, nhóm em sẽ lấy vận tốc theo phương X trung bình nghĩa là cộng các vận tốc lại và chia trung bình số lượng các mốc thời gian để tìm ra vận tốc trung bình của qủa bóng tennis

Trường hợp lưới mặc định sẽ có bảng vận tốc theo thời gian sau:

Thời điểm từ lúc bóng vào giữa 2 bánh đà (s)

Vận tốc bóng trung bình theo phương X

Bảng 4 7 Vận tốc của bóng tennis theo thời gian trong lưới mặc định

Từ bảng trên ta suy ra vận tốc trung bình của quả bóng trong trường hợp lưới mặc định là:

Tiếp theo chia lưới mịn hơn xuống 3 (mm), trường hợp này sẽ có bảng vận tốc theo thời gian sau:

Bảng 4 8 Vận tốc của bóng tennis theo thời gian trong lưới 3 mm

Từ bảng trên ta suy ra vận tốc trung bình của quả bóng trong trường hợp lưới mặc định là:

Vậy vận tốc trung bình trường hợp lưới 3 (mm) là 13,762 (m/s)

Tiếp theo nhóm em chia lưới mịn hơn xuống 2,5 (mm), ở trường hợp này sẽ có bảng vận tốc theo thời gian như sau:

Bảng 4 9 Vận tốc của bóng tennis theo thời gian trong lưới 2,5 mm

Từ bảng trên ta suy ra vận tốc trung bình của quả bóng trường hợp lưới mặc định là:

Vậy vận tốc trung bình trường hợp lưới 2,5 (mm) là 13,691 (m/s)

Tiếp theo, chia lưới mịn xuống 2,2 (mm), ở trường hợp này sẽ có bảng vận tốc theo thời gian sau:

Bảng 4 10 Vận tốc của bóng tennis theo thời gian trong lưới 2,2 mm

Vậy vận tốc trung bình trường hợp lưới 2,2 (mm) là 13,72 (m/s)

Cuối cùng, chia lưới mịn xuống 2 (mm), ở cách chia này sẽ có bảng vận tốc theo thời gian sau:

Bảng 4 11 Vận tốc của bóng tennis theo thời gian trong lưới 2 mm

Vậy vận tốc trung bình trường hợp lưới 2 (mm) là 13,6055 (m/s)

Bây giờ, ta dựa vào kết quả của vận tốc bóng theo số lượng nút để vẽ ra một biểu đồ, xem xét sự hội tụ ta thấy dường như vận tốc bóng đã hội tụ từ lúc lưới được chia xuống 3 (mm) Nhóm em chọn kết quả vận tốc bóng lúc 2,5 (mm) tương ứng với vận tốc 13,691 (m/s), là vận tốc quả bóng tennis khi nó mới ra khỏi máy bắn bóng tennis

Hình 4 18 Kết quả vận tốc bóng theo số lượng nút 4.5.7 Bình luận về kết quả

Trong quá trình mô phỏng, phát hiện ra vận tốc quả bóng phụ thuộc vào ba yếu tố rõ rệt là:

- Một là, vận tốc góc của bánh đà lúc quả bóng tennis chuẩn bị vô giữa hai bánh đà, vận tốc góc của bánh đà càng lớn thì vận tốc bóng khí ra khỏi máy bắn bóng càng lớn và ngược lại

- Hai là, khoảng hở giữa hai bánh đà càng nhỏ thì vận tốc bóng đi qua càng lớn, đương nhiên là không thể nào khoảng hở quá nhỏ, khoảng hở phải đủ nhỏ vừa cỡ 40-50 mm là được

- Ba là, yếu tố quan trọng mà có thể giúp tiết kiệm chi phí nhất là ma sát, vì nó lớn có thể giúp bóng bay rất xa bù lại việc cần một động cơ có tốc độ cao hay bánh đà phải to Ma sát lớn giúp độ bám của quả bóng với bánh đà lớn, do đó giúp cho quả bóng được tăng tốc lên nhiều

Bánh đà càng to nó cũng giúp cho quả bóng bay nhanh hơn nhưng sẽ tốn chi phí vì nó cần bộ khung tốt hơn để đỡ bánh đà và vì vậy cũng tốn thêm tiền vật liệu làm bánh đà

Kết quả ở trên mô phỏng cho thấy bóng bay ra với vận tốc 13,691 (m/s), một vận tốc cũng khá lớn.

Thí nghiệm thực tế vận tốc quả bóng tennis

4.6.1 Cách bố trí thí nghiệm

Nhóm em thực hiện hai thí nghiệm:

Kết quả vận tốc bóng theo số lượng nút

Trường hợp 1: Đặt máy bắn bóng hướng lên trời với phương vuông góc 90 0 so với phương nằm ngang

Trường hợp 2: Đặt máy bắn bóng góc 45 0 so với phương nằm ngang

4.6.2 Các bước thực hiện thí nghiệm

1 Khởi động máy, vận tốc bánh đà ổn định

2 Dùng thiết bị đo tốc độ bằng tia laser chiếu vào bánh đà, đảm bảo vận tốc đạt 3500 (vòng/phút) tương đương với 366,5 (rad/s)

3 Lần lượt bố trí máy theo 2 trường hợp phương 90 0 và 45 0 như đã nêu ở trên

4 Mỗi trường hợp bắn 5 lần, kết quả thu được là độ cao của các lần bắn

Hình 4 19 Máy đo tốc độ cầm tay và ba cuộn dây phản quang

Hình 4 20 Thí nghiệm bắn bóng tennis tại sân tennis của Trường

Số thứ tự Độ cao đo được (m)

Bảng 4 12 Độ cao quả bóng bay được so với mặt đất Ở thí nghiệm bắn thẳng đứng lên cao, các lần bắn bóng đều đạt độ cao gần như bằng nhau

Thực tế khi quả bóng chuyển động sẽ có lực cản không khí Vì vậy, nhóm em xét trường hợp có lực cản không khí, với lực cản không khí bậc 2

Công thức lực cản không khí:

Trong đó: 𝑐 𝑑 là hệ số cản không khí 𝑐 𝑑 = 0,7; p là khối lượng riêng của không khí, p = 1,205 kg/𝑚 3 ; m = 0,056 kg là khối lượng của quả bóng tennis; r là bán kính của quả bóng tennis; v và v0 lần lượt là vận tốc của quả bóng tennis;

H và H1 lần lượt là độ cao tối đa và độ cao ban đầu của qủa bóng tennis m.a = -m.g - Fc

Do ta tích phân từ lúc quả bóng có vận tốc đầu 𝑉 0 đến khi nó bằng 0 nên (1) tương đương với:

Từ (2) thế số vào ta giải ra được 𝑉 0

Vậy vận tốc bóng tennis thực tế là: Độ cao đo được(m) Vận tốc bóng tennis (m/s)

Bảng 4 13 Vận tốc ban đầu của bóng tennis khi bắn thẳng đứng

Trong trường hợp bắn góc 45 0 Ta có hai phương trình động lực học theo hai phương ngang X và phương thẳng đứng Y [19]

2 𝐶 𝑑 𝜋 𝑟 2 𝑝 𝑣 𝑦 2 − m g (2) Trong đó: 𝑎 𝑥 và 𝑎 𝑦 lần lượt là gia tốc của quả bóng tennis theo phương X và Y;

Cd = 0,7 là hệ số cản của không khí; r = 0.032 (m) là bán kính quả bóng tennis; p= 1.205 kg/m^3 là khối lượng riêng của không khí;

𝑣 𝑥 ,𝑣 𝑦 lần lượt là vận tốc của quả bóng tennis theo phương X và Y

Ta suy ra vận tốc theo phương ngang X là:

Từ phương trình (2) ta được:

Từ phương trình (2) ta sẽ thiết lập mối quan hệ giữa y và 𝑣 𝑦 : m 𝑑𝑣 𝑦

Vì nhóm em bắn góc 45 0 nên Voy = Vox

Từ các phương trình (4), (5), (6) ta tìm được Vox là vận tốc ban đầu theo phương X rồi từ đó ta suy ra Vo là vận tốc ban đầu của quả bóng tennis khi mới rời khỏi bánh đà:

Tầm xa x(m) Vận tốc bóng tennis Vo(m/s)

Bảng 4 14 Vận tốc ban đầu của bóng tennis khi được bắn góc 45 độ

STT Độ cao đo được (m) Tính Vo(m/s)

Giá trị trung bình của Vo(m/s) 14,012934 Độ lệch chuẩn 0,039165875

Bảng 4 15 Giá trị vận tốc trung bình và độ lệch chuẩn của vận tốc bóng ở thí nghiệm bắn thẳng đứng lên cao

STT Tầm xa đo được (m) Tính Vo(m/s)

Giá trị trung binh của Vo (m/s) 14,09946 Độ lệch chuẩn 0,087509759

Bảng 4 16 Giá trị vận tốc trung bình và độ lệch chuẩn của quả bóng tennis khi bắn góc

4.6.4 Bình luận về kết quả thí nghiệm và mô phỏng

Kết quả mô phỏng (m/s) Kết quả thử nghiệm (m/s) Độ sai lệch (%)

Bảng 4 17 So sánh kết quả mô phỏng và thực tế

Nhìn vào kết quả nhóm em thấy vận tốc khi bắn lên cao có giá trị nhỏ hơn so với khi bắn góc 45 0 Điều này cho thấy lúc bắn lên cao thì mật độ không khí càng nhiều nên có thể bóng bị cản nhiều hơn khi bắn góc 45 0 , vì vậy có sự sai lệch khi gá máy cho bắn thẳng đứng lên trên Do thiết kế máy cho việc bắn thắng đứng chưa tối ưu nên nhóm em phải kê đá lên để bắn, nên có thể có sự rung trong lúc bắn gây ra sai số

Trường hợp bắn 45 0 thì tuy tầm xa lệch nhau không đáng kể nhưng lại được bắn ổn định, ít rung hơn do đã khóa bánh xe không cho phép xe chạy

Còn về việc vận tốc mô phỏng nhỏ hơn kết quả thử nghiệm là do chúng em chọn hệ số ma sát quả bóng bay tới chỗ sân cứng có cao su PU, nên thực tế hệ số ma sát có thể cao hơn và vận tốc mô phỏng có thể lớn hơn vận tốc thực tế

MÔ PHỎNG KẾT CẤU CỦA MÁY BẮN BÓNG TENNIS

Kiểm tra độ bền của khung đỡ động cơ và bánh đà trong trường hợp bóng bị kẹt

Khi nhóm em thả quả bóng tennis xuống sẽ có khả năng bóng tennis bị kẹt ở giữa và điều đó gây nguy hiểm cho bánh đà và khung của động cơ 775 làm quay bánh đà Điều này xảy ra có thể gây hư hỏng máy nên nhóm em phải kiểm tra độ bền vầ độ biến dạng để đảm bảo an toàn

Hình 5 1 Mô hình hình học khung đỡ và bánh đà trong Inventor

Hình 5 2 Mô hình hình học và khung đỡ động cơ bánh đà trong Ansys

Như đã biết có ba vật liệu gồm thép, nhựa ABS và cao su NBR, tính chất vật liệu được biết

Bảng 5 1 Thông số vật liệu của nhựa ABS

Vật liệu Cao su NBR

Bảng 5 2 Thông số vật liệu của cao su NBR [23]

Tensile yield strength(Pa) 2,5.10 8 Tensile ultimate strength(Pa) 4,6.10 8

Bảng 5 3 Thông số vật liệu của thép 5.1.3 Chia lưới

Hình 5 3 Mô hình chia lưới trong Ansys

Do có sáu vòng cao su, mỗi bánh đà có ba vòng cao su bao quanh, nên nhóm em đã chỉnh đặc tính vật lí của lưới là Nonlinear mechanical Vì vòng cao su NBR là vật liệu siêu đàn hồi nên phải chọn kiểu lưới như vậy, còn bên vật rắn có kiểu lưới cũng có thể chấp nhận được Lưới được chia mặc định không có thao tác gì khác

Hình 5 4 Bảng thiết lập lưới

5.1.4 Liên kết, trục và tải

Tất cả các chi tiết đều được liên kết với nhau, nghĩa là các chi tiết được liên kết dính cứng (Bonded), còn lại có một số chỗ phải có liên kết ma sát cho giống thực tế nhất Các liên kết này gọi là liên kết ma sát (Frictional) Do ma sát này đều là ma sát tĩnh giữa các chi tiết có vật liệu bằng thép nên nhóm em tra bảng được hệ số ma sát tĩnh giữa thép và thép là 0,78 [29] Ngoài liên kết cứng và liên kết có ma sát thì nhóm em còn làm thêm liên kết khớp (Revolute) cho con lăn và gối đỡ

Hình 5 5 Liên kết ma sát giữa trục đỡ động cơ và khung đỡ

Hình 5 6 Liên kết ma sát giữa trục có ổ lăn và khung đỡ

Hình 5 7 Thiết lập ma sát giữa gối đỡ con lăn và bề mặt khung đỡ

Hình 5 8 Thiết lập ma sát giữa con lăn và bề mặt khung đỡ

Hình 5 9 Thiết lập ma sát giữa con lăn và gối đỡ

Hình 5 10 Thiết lập khớp quay cho con lăn Trường hợp quả bóng tennis bị kẹt, trong trường hợp đó khi quả bóng tennis bị nén thì quả bóng sẽ tác dụng lực ép lên hai bánh đà đồng thời sẽ tạo momen xoắn cản ngược lại bánh đà

Hình 5 11 Biểu đồ mối quan hệ giữa lực ép và biến dạng của quả bóng tennis [26]

Ta có khoảng hở để bóng chui qua giữa hai bánh đà là:

Vậy độ biến dạng của quả bóng tennis khi ở giữa hai bánh đà là:

∆H = 64 – H = 64-50,76 = 13,24 (mm) Dựa vào biểu đồ ở trên ta có thể thấy lực ép của quả bóng lên bánh đà là khoảng 148,63 N Momen cản mà quả bóng tác dụng lên bánh đà là:

M = à F r = 0,62 148,63 0,05212 = 4,8028 (N.m) Ở đây nhóm em cho mô phỏng ở 4 trường hợp khi khung đỡ nghiêng so với phương ngang 30 0 , 40 0 , 50 0 , 60 0

Ngoài ra nhóm em còn cho cố định 2 trục 2 bên khung vì lúc đó khi cho quả bóng tennis xuống các khung sẽ đứng yên tương đương với hai trục hai bên khung sẽ đứng yên

Hình 5 12 Thiết lập cố định cho mặt trong của trục động cơ

Hình 5 13 Thiết lập cố định cho trục nối với ổ lăn Trong môi trường mô phỏng, nhóm em không thể dùng trọng lực (gravity) mặc định của mô phỏng vì nó chỉ chiếu theo phương x, y, z nên nhóm em đã dùng gia tốc (acceleration) để có thể biểu diễn được gia tốc trọng trường của trái đất theo ý mình muốn

Hình 5 14 Thiết lập các điều kiện lực, momen và gia tốc cho mô hình

5.1.5 Kết quả mô phỏng Đầu tiên, với trường hợp mà góc giữa đường bóng ra khỏi ống với phương ngang là 30 0

Mesh (mm) Số nút Độ dịch chuyển lớn nhất (mm)

Bảng 5 4 Độ dịch chuyển lớn nhất của khung đỡ động cơ bánh đà

Theo biểu đồ thì ta thấy ứng suất tương đương lớn nhất đã hội tụ với các giá trị gần bằng nhau ở các trường hợp chia lưới 27, 25, 24 (mm) Ta chọn kết quả với trường hợp lưới 25 (mm) tương ứng với ứng suất lớn nhất là 0,86658 (mm) Ngoài ra ứng suất cao nhất trên mô hình là 43,588 (MPa), nghĩa là khung đủ khả năng chống đỡ

Hình 5 15 Độ dịch chuyển lớn nhất theo từng lưới

Hình 5 16 Độ dịch chuyển của hai bánh đà

268000 270000 272000 274000 276000 278000 280000 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất (m m )

Số nút Độ dịch chuyển lớn nhất (mm)

Tiếp theo, xét trường hợp miệng ống nghiêng với góc 40 0

Hình 5 17 Độ dịch chuyển lớn nhất theo từng lưới

Theo biểu đồ thì ta thấy ứng suất tương đương lớn nhất đã hội tụ với các giá trị gần bằng nhau ở các trường hợp lưới 27, 25, 24 (mm) Ta chọn kết quả với trường hợp lưới 25 (mm) tương ứng với ứng suất lớn nhất là 0,86666 (mm) Ngoài ra ứng suất cao nhất trên mô hình là 43,574 (MPa), nghĩa là khung đủ khả năng chống đỡ Kết quả độ dịch chuyển lớn nhất nằm ở lớp cao su NBR của bánh đà

269000 271000 273000 275000 277000 279000 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất (m m )

Tiếp theo là trường hợp 50 0 , ở trường hợp này chúng ta tiếp tục xét độ dịch chuyển lớn nhất

Hình 5 19 Biểu đồ độ dịch chuyển lớn nhất theo từng lưới

Theo biểu đồ thì ta thấy ứng suất tương đương lớn nhất đã hội tụ với các giá trị gần bằng nhau ở các trường hợp chia lưới 27, 25, 24 (mm) Ta chọn kết quả với trường hợp lưới 25 (mm) tương ứng với ứng suất lớn nhất là 0,86668 (mm) Ngoài ra ứng với kích thước lưới 25 (mm) ta có ứng suất lớn nhất của hệ là 43,559 (MPa), nghĩa là mô hình bền

Cuối cùng là trường hợp 60 0

Theo biểu đồ thì ta thấy ứng suất tương đương lớn nhất đã hội tụ với các giá trị gần bằng nhau ở các lần chia lưới 27, 25, 24 (mm) Ta chọn kết quả với trường hợp lưới 25 (mm) tương ứng với ứng suất lớn nhất là 0,86663 (mm) Ngoài ra ứng với kích thước lưới

25 (mm) ta có ứng suất lớn nhất của hệ là 43,572 (MPa), nghĩa là mô hình bền

Từ kết quả trên cho thấy, mặc dù có thay đổi góc độ thì độ dịch chuyển lớn nhất không thay đổi nhiều Do vậy có thể thấy độ dịch chuyển lớn nhất phụ thuộc nhiều vào tải, momen xoắn và điều kiện ràng buộc giữa các chi tiết, còn việc thay đổi góc nghiêng không làm thay đổi đáng kể Độ dịch chuyển nhiều nhất nằm ở lớp cao su nằm trên bánh đà nơi chịu sự dịch chuyển nhiều nhất, còn về ứng suất tương đương lớn nhất thì nằm trong khoảng chịu đựng được của mô hình.

Mô phỏng cho khung chữ U quay sang bên trái

5.2.1 Mô hình Ở dưới khung đỡ bánh đà và động cơ có khung đỡ chữ U để đỡ hệ thống ở trên Để giảm bớt khối lượng mô phỏng nhóm em sẽ đơn giản hóa, lược bỏ một số vật không cần thiết, như [Hình 5.23] và [Hình 5.24]

Hình 5 23 Mô hình khung chữ U ở trên khung lớn đỡ

Hình 5 24 Mô hình khung chữ U và các thanh truyền

Hình 5 25 Mô hình khung chữ U và thanh truyền trong Ansys

Bảng 5 8 Thông số vật liệu của thép

Trong mô hình này tất cả các chi tiết đều được làm bằng thép

Lưới được chia theo mặc định, vì toàn bộ hệ đều là vật liệu bằng thép nên hệ sẽ chia theo kiểu lưới tuyến tính (mechanical), còn lại tất cả đều được chia mặc định không thay đổi bất kì gì khác, chỉ có thay đổi kích thước lưới (element size) để chia lưới mịn hơn

Hình 5 26 Mô hình sau khi đã được chia lưới

5.2.4 Liên kết hình học và tải

Trong mô hình của nhóm em, phần lớn các chi tiết đều liên kết cứng (Bonded) với nhau, các mặt chi tiết bonded với nhau ở các chi tiết Nhưng có một số chi tiết đặc biệt có liên kết không ma sát (Frictionless) và hai chi tiết có liên kết ma sát (frictional) với nhau Mô hình này có ổ bi lăn trong rãnh ngoài do ma sát rất nhỏ không đáng kể nên ở đây nhóm em cho liên kết của các ổ bi với mặt rãnh trượt ngoài là không có ma sát

Hình 5 27 Thiết lập không ma sát giữa ổ bi lăn và rãnh trượt

Hình 5 28 Thiết lập ma sát giữa hai tấm thép Trong mô hình có bốn trục (revolute) được thiết lập Trong đó có hai trục revolute đối với mặt đất còn lại hai trục là tương đối giữa chi tiết này với chi tiết kia

Hình 5 29 Thiết lập trục quay ở dưới khung chữ U

Hình 5 30 Thiết lập trục quay ở một trục của thanh truyền

Hình 5 31 Thiết lập quay tương đối giữa hai rãnh của ổ bi

Hình 5 32 Thiết lập quay tương đối giữa các ổ bi và rãnh ngoài Trong mô phỏng sẽ có tải lực và momen ở hai đầu chữ U, các lực và momen được lấy từ hai trục quay của khung đỡ bánh đà và động cơ Đầu tiên nhóm em dùng phản lực (Force

Reaction) và phản momen (Moment Reaction) ở trong mô hình khung đỡ động cơ bánh đà bị kẹt bóng ở mô hình ở trên

Hình 5 33 Phản lực tại một trong hai khung đỡ

Hình 5 34 Phản momen tại một trong hai trục của khung đỡ

Trong mô hình này, nhóm em thiết lập gia tốc trọng trường theo phương thẳng đứng tác dụng lên toàn bộ mô hình Và hai lực, hai momen tác dụng lên các đầu chữ U, ở 4 trường hợp khi khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng ở các góc 30 0 , 40 0 , 50 0 và 60 0 khác nhau thì các phản lực và momen ở các trường hợp là khác nhau nên sẽ tạo ra các áp lực khác nhau lên khung đỡ chữ U

Hình 5 35 Thiết lập các lực, momen và gia tốc trọng trường

5.2.5 Kết quả mô phỏng Đầu tiên, xét trường hợp khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng 30 0 Trong mô hình này nhóm em chia lưới mịn dần để xem kết quả có thay đổi nhiều không, lưới được chia từ default xuống 15 (mm) thì dừng lại

Mesh (mm) Node Độ dịch chuyển lớn nhất (mm)

Bảng 5 9 Độ dịch chuyển lớn nhất của mô hình

Hình 5 36 Biểu đồ độ dịch chuyển lớn nhất theo lưới

Ta thấy trong biểu đồ, độ dịch chuyển lớn nhất gần như không thay đổi, giống một đường thẳng và kết quả đã hội tụ nhóm em chọn kết quả tại lưới có kích thước là 17 (mm), vậy độ dịch chuyển lớn nhất trong trường hợp khung chữ U đỡ khung bánh đà động cơ nghiêng 30 0 là 0,60227 (mm) Sự di chuyển rất nhỏ nên gần như không thể thấy bằng mắt thường Trong trường hợp này nơi có độ dịch chuyển lớn nhất là trên đầu của khung chữ

U, còn ứng suất lớn nhất của mô hình là 35,881 (MPa)

Hình 5 37 Kết quả mô phỏng của mô hình

Tiếp theo, xét trường hợp khung chữ U đỡ khung động cơ bánh đà nghiêng 40 0

Trong mô hình này, nhóm em chia lưới mịn dần để xem kết quả có thay đổi nhiều không, lưới được chia từ default xuống 15 (mm) thì dừng lại

Nhìn vào biểu đồ cho thấy độ dịch chuyển lớn nhất gần như thay đổi không nhiều và kết quả đã hội tụ nhóm em chọn kết quả tại lưới có kích thước là 17 (mm), vậy độ dịch chuyển lớn nhất trong hợp khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng 40 0 là 0,61349 (mm) Độ dịch chuyển nhỏ như vậy là gần như không thể thấy bằng mắt thường Trong trường hợp này thì tương ứng với lưới là 17 (mm) và ứng suất lớn nhất của mô hình là 36,25 (MPa)

Tiếp tục mô phỏng, xét trường hợp khung chữ U đỡ khung động cơ bánh đà nghiêng 50 0

Trong mô hình này, nhóm em chia lưới mịn dần để xem kết quả có thay đổi nhiều không, lưới được chia từ default xuống 15 (mm) thì dừng lại

Nhìn vào biểu đồ cho thấy, độ dịch chuyển lớn nhất gần như thay đổi không nhiều và kết quả đã hội tụ nhóm em chọn lưới có kích thước là 17 (mm), vậy độ dịch chuyển lớn nhất trong trường hợp khung chữ U đỡ khung bánh đà động cơ nghiêng 50 0 là 0,57819 (mm) Trong trường hợp này nơi có ứng suất tương đương lớn nhất là 35,134 (MPa)

Cuối cùng là tình huống khi khung đỡ chữ U quay sang bên trái và khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng một góc 60 0 Đây là góc nghiêng lớn nhất được mô phỏng

Ta thấy trong biểu đồ, độ dịch chuyển lớn nhất thay đổi không nhiều và kết quả đã hội tụ Nhóm em chọn kết quả tại lưới có kích thước là 17 (mm), vậy độ dịch chuyển lớn nhất trong trường hợp khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng 60 0 là 0,56772 (mm) Độ dịch chuyển vậy là rất nhỏ gần như không thể thấy bằng mắt thường Ngoài ra, ứng suất tương đương lớn nhất ứng với trường hợp 17 (mm) là 33,226 (MPa), nghĩa là mô hình bền có thể chịu được áp lực từ trên xuống

Hình 5 43 Kết quả mô phỏng

35500 36000 36500 37000 37500 38000 38500 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất 9m m )

Khung chữ U quay sang bên phải

Bây giờ, xét trường hợp khung chữ U được quay sang bên phải Giống như ở trên nhóm em phải lược bỏ bớt các chi tiết để giảm khối lượng mô phỏng xuống, từ đó kiểm tra những chỗ cần thiết xem vật liệu có bền không Trong mô hình này vật liệu cũng là thép giống mô hình khung chữ U bên trái đã nói ở trên và cả thiết lập liên kết hình học, trục và tải cũng tương tự như vậy Do đó, chúng ta xem xét kết quả mô phỏng luôn để so sánh với trường hợp khung chữ U quay bên trái

Hình 5 44 Mô hình trong môi trường

Inventor trước khi lược bớt

Hình 5 45 Mô hình sau khi đã được giản lược

Mesh(mm) Node Độ dịch chuyển lớn nhất (mm)

Bảng 5 13 Độ dịch chuyển lớn nhất của mô hình Đầu tiên, nhóm em xét trường hợp khung chữ U quay bên phải đỡ khung động cơ bánh đà nghiêng một góc 30 0

Từ biểu đồ độ dịch chuyển lớn nhất ta thấy biểu đồ đã hội tụ nên ta chọn kết quả tại lưới 17 (mm) với giá trị độ dịch chuyển lớn nhất là 0,59845 (mm) Đây là sự dịch chuyển rất nhỏ gần như không thể thấy bằng mắt thường Ngoài ra, ứng suất tương đương lớn nhất ứng với kích thước 17 (mm) là 31,97 (MPa), vậy mô hình có thể bền chịu được áp lực từ khung đỡ động cơ bánh đà

Hình 5 47 Kết quả mô phỏng

Tiếp theo là trường hợp khung chữ U quay bên phải, khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng một góc là 40 0

35000 35500 36000 36500 37000 37500 38000 38500 Độ d ịc h ch u yể n lớn n h ất (m m )

Dựa vào biểu đồ ta thấy, mô hình lưới đã hội tụ ta chọn kết quả là 17 (mm) Vậy độ dịch chuyển lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 0,59073 (mm) Đây là độ dịch chuyển rất nhỏ gần như không đáng kể và không thể thấy bằng mắt thường Ngoài ra ứng suất tương đương lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 35,853 (MPa), nghĩa là mô hình bền có thể chịu được áp lực từ khung đỡ bánh đà động cơ

Tiếp theo là trường hợp khung chữ U quay sang bên phải đỡ khung bánh đà động cơ nghiêng góc 50 0

Mesh (mm) Node Độ dịch chuyển lớn nhất (mm) default 35187 0,59738

35000 35500 36000 36500 37000 37500 38000 38500 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất (m m )

Dựa vào biểu đồ ta thấy mô hình lưới đã hội tụ và chọn kết quả là 17 (mm) Vậy độ dịch chuyển lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 0,6019 (mm) Đây là độ dịch chuyển rất nhỏ gần như không đáng kể, không thể thấy bằng mắt thường Ngoài ra, ứng suất tương đương lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 34,933 (MPa), nghĩa là mô hình bền có thể chịu được áp lực từ khung đỡ bánh đà động cơ

Cuối cùng là mô phỏng góc nghiêng lớn nhất khi khung khung chữ U đỡ khung động cơ bánh đà nghiêng một góc 60 0

Số nút Độ dịch chuyển lớn nhất(mm)

Dựa vào biểu đồ ta thấy mô hình lưới đã hội tụ và chọn kết quả là 17 (mm) Vậy độ dịch chuyển lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 0,56732 (mm) Đây là độ dịch chuyển rất nhỏ gần như không đáng kể không thể thấy bằng mắt thường Ngoài ra ứng suất tương đương lớn nhất ứng với kích thước lưới 17 (mm) là 33,127 (MPa), nghĩa là mô hình bền có thể chịu được áp lực từ khung đỡ bánh đà động cơ

Mô hình khung đỡ dưới cùng khi khung chữ U ở trên quay sang bên trái

Trong mô hình này xét khung đỡ dưới cùng gồm 4 tấm thép nhỏ tượng trưng cho 4 bánh xe dùng để cố định khung và 1 tấm thép mỏng có bề dày chỉ 0.01 (mm) được vẽ sao cho giống hình chiếu bằng với gối đỡ, biểu thị sự ép xuống bề mặt tấm thép mỏng đó của khung chữ U và khung đỡ động cơ bánh đà ở trên

Số nút Độ dich chuyển lớn nhất (mm)

Hình 5 54 Mặt trên của mô hình trong

Hình 5 55 Mặt trên mô hình trong Ansys

Hình 5 56 Mặt dưới của mô hình trong

Hình 5 57 Mặt dưới của mô hình trong Ansys

Tất cả các chi tiết trong mô hình đều được cho bằng vật liệu thép

Tensile yield strength(Pa) 2,5.10 8 Tensile ultimate strength(Pa) 4,6.10 8

Bảng 5 17 Thông số vật liệu của thép

Trong mô hình này lưới được chia theo mặc định, lưới được chia với kích thước giảm dần từ mặc định xuống đến 25 (mm)

Hình 5 58 Lưới sau khi đã được chia

Về liên kết hình học thì tất cả các chi tiết đều dính cứng (bonded) với nhau

Hình 5 59 Thiết lập bonded giữa khung đỡ dưới cùng và tấm thép đỡ Ở tải khung đỡ lớn dưới cùng này ta sẽ dựa vào các lực ở 2 trục của khung chữ U ở trên để từ đó xác định được lực đỡ xuống khung dưới cùng

Nhóm em dùng mô hình khung chữ U đã mô phỏng rồi dùng dò khớp (joint probe) để xác định phản lực và momen tác động lên trục Khi xác định giá trị của các lực, đối với trục ngay dưới khung chữ U, nhóm em dùng định luật 3 Newton, suy ra lực và momen tác dụng trở lại lên khung ở ngay cái lỗ lớn cho trục xuyên xuống Riêng lực thẳng đứng xuống dưới biến thành áp suất tác dụng lên tấm thép siêu mỏng có hình giống bề mặt mà tấm gối đỡ áp lên khung lớn dưới cùng, để tránh trường hợp tác dụng lực thì nó sẽ tập trung ứng suất khiến cho kết quả lớn hơn Còn đối với phản lực từ trục của thanh truyền thì còn phải thông qua một thanh truyền nữa mới đến được lỗ cần tính nội lực thì nhóm em dùng phần mềm để tính dựa vào các phản lực tác dụng lên thanh truyền cuối cùng, từ đó tìm ra phản lực và momen lực tác dụng lên lỗ sau cùng

Hình 5 60 Xác định phản lực và momen lực từ joint probe của trục dưới khung chữ U

Hình 5 61 Xác định phản lực và momen lực từ trục của thanh truyền

Riêng phản lực thẳng đứng ở lỗ sau cùng thì được chia 3 phần bằng nhau, mỗi phần tác dụng vào 1 lỗ nhỏ bắt bu long Cuối cùng là có thêm trọng lực được tác dụng theo phương thẳng đứng chiều vuông góc với khung và có hướng từ trên xuống Ngoài ra 4 tấm thép được giữ cố định (Fixed support)

Hình 5 62 Các tải trọng tác dụng lên khung

5.4.5 Kết quả mô phỏng Đầu tiên ta xét trường hợp khung chữ U ở bên trái lúc khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng 30 0

Mesh (mm) Node Độ dịch chuyển lớn nhất(mm)

Từ đồ thị và biểu đồ ta có thể thấy rằng lưới đã hội tụ và chọn kết quả khi lưới có kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển là 0,15797 (mm) Độ dịch chuyển là rất nhỏ không thể thấy bằng mắt thường, đồng thời ứng với trường hợp ứng suất tương đương lớn nhất là 22,12 (Mpa), nghĩa là khung lớn có thể bền chịu được áp lực từ trên xuống Từ hình ảnh ta thấy khung có độ dịch chuyển lớn nhất tại vị trí chịu áp lực từ khung chữ U và từ bộ khung đỡ động cơ và bánh đà

Hình 5 63 Biểu đồ biểu thị độ dịch chuyển lớn nhất theo lưới

Hình 5 64 Độ dịch chuyển của khung

Tiếp theo, xét mô hình chịu áp lực từ khung chữ U quay bên trái và chịu áp lực từ khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng 40 0

33500 34000 34500 35000 35500 36000 36500 37000 37500 38000 Độ d ịch ch u yể n (mm )

Từ đồ thị và biểu đồ cho thấy rằng lưới đã hội tụ và chọn kết quả khi lưới có kích thước là 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển là 0,16416 (mm) Độ dịch chuyển rất nhỏ không thể thấy bằng mắt thường, đồng thời ứng với trường hợp ứng suất tương đương lớn nhất là 25,576 (Mpa), nghĩa là khung lớn có thể bền chịu được áp lực từ trên xuống Từ hình ảnh ta thấy khung có độ dịch chuyển lớn nhất tại vị trí chịu áp lực từ khung chữ U và từ bộ khung đỡ động cơ và bánh đà

Tiếp theo là trường hợp chịu áp lực từ khung chữ U quay sang bên trái và chịu thêm áp lực từ khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng một góc 50 0

Từ đồ thị và biểu đồ có thể thấy rằng lưới đã hội tụ và chọn kết quả khi lưới có kích thước là 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển là 0,15882 (mm) Độ dịch chuyển rất nhỏ không thể thấy bằng mắt thường, đồng thời ứng với trường hợp ứng suất tương đương lớn nhất là 20.652 (Mpa), nghĩa là khung lớn có thể bền chịu được áp lực từ trên xuống Từ hình ảnh cho thấy khung có độ dịch chuyển lớn nhất tại vị trí chịu áp lực từ khung chữ U và từ bộ khung đỡ động cơ và bánh đà

Hình 5 67 Biểu đồ biểu thi độ dịch chuyển lớn nhất theo lưới

33000 34000 35000 36000 37000 38000 Độ d ich ch u yể n lớn n h ất (m m )

Số Nút Độ dịch chuyển lớn nhất(mm)

Cuối cùng xét trường hợp khung dưới cùng đỡ áp lực bởi khung chữ U và khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng 60 0

Từ đồ thị và biểu đồ có thể thấy rằng lưới đã hội tụ và chọn kết quả khi lưới có kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển là 0,15971 (mm) Độ dịch chuyển là rất nhỏ không thể thấy bằng mắt thường, đồng thời ứng với trường hợp ứng suất tương đương lớn nhất là 20,571 (Mpa), nghĩa là khung lớn có thể bền chịu được áp lực từ trên xuống Từ hình ảnh ta thấy khung có độ dịch chuyển lớn nhất tại nơi chịu áp lực từ khung chữ U và từ bộ khung đỡ động cơ và bánh đà

33500 34000 34500 35000 35500 36000 36500 37000 37500 38000 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất (m m )

Mô hình khung đỡ dưới cùng khi khung chữ U ở trên quay sang bên phải

Về mô hình giống như mô phỏng khung dưới cùng khi khung chữ U ở trên quay sang bên trái

Vật liệu cũng là thép giống với mô hình khung dưới cùng khi khung chữ U ở trên quay sang bên trái

Liên kết hình học cũng giống với mô hình khung dưới cùng khi khung chữ U ở trên quay sang bên trái, còn về tải cũng giống như vậy, chỉ khác ở chỗ tải dùng những phản lực dựa vào mô hình khi khung chữ U quay sang bên phải

Hình 5 71 Phản lực và momen lực của trục ở ngay dưới khung chữ U

Hình 5 72 Phản lực và momen lực của trục của thanh truyền

5.5.4 Kết quả mô phỏng Đầu tiên, xét khung dưới cùng đỡ khung chữ U và khung đỡ động cơ và bánh đà khi nghiêng 30 0

Từ biểu đồ trên cho thấy lưới đã hội tụ và chọn giá trị lưới có kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển lớn nhất là 0,1512 (mm), đồng thời ứng suất tương đương lớn nhất trong trường hợp này là 20,43 (Mpa) Như vậy khung đỡ có thể bền chịu được áp lực từ các khung ở trên, sự dịch chuyển lớn nhất của khung là rất nhỏ nên trên thực tế khung không bị biến dạng

33500 34000 34500 35000 35500 36000 36500 37000 37500 38000 Độ d ịch ch u yể n lớn n h ất (m m )

Tiếp theo xét trường hợp mà khung đỡ chữ U dưới cùng và khung đỡ bánh đà động cơ nghiêng góc 40 0

Theo kết quả nhận được, ta thấy lưới đã hội tụ, lấy kết quả lưới có kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển lớn nhất là 0,15393 (mm) Đây là độ dịch chuyển rất nhỏ nên trong thực tế khó có thể thấy được sự biến dạng của khung đỡ dưới cùng Ngoài ra tương ứng với độ dịch chuyển ta có ứng suất tương đương lớn nhất là 21,478 (MPa), nghĩa là khung có thể chịu được áp lực ở trên xuống

33000 34000 35000 36000 37000 38000 Độ d ịch ch uy ển lớn n hất( m m )

Tiếp theo là trường hợp khung đỡ dưới cùng chịu áp lực từ khung chữ U và khung đỡ động cơ bánh đà nghiêng 50 0

Từ kết quả trên cho thấy lưới đã hội tụ và chọn kết quả với kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển lớn nhất là 0,16243 (mm) Độ dịch chuyển khá nhỏ coi như không đáng kể và ngoài thực tế ta khó mà nhận ra sự biến dạng của khung Ngoài ra tương ứng với độ dịch chuyển ta có ứng suất tương đương lớn nhất của khung là 23,4 (Mpa), vậy là khung có thể chịu được áp lực từ trên xuống

33000 34000 35000 36000 37000 38000 Độ d ịc h ch u yể n lớn n h ất (m m )

Cuối cùng là trường hợp khung đỡ dưới cùng chịu áp lực của khung chữ U và khung đỡ động cơ bánh đà với độ nghiêng là 60 0

Từ kết quả trên cho thấy lưới đã hội tụ và chọn kết quả kích thước 27 (mm) tương ứng với độ dịch chuyển lớn nhất là 0,15635 (mm) Độ dịch chuyển khá nhỏ không đáng kể và trên thực tế ta khó mà nhận ra sự biến dạng của khung Ngoài ra tương ứng với độ dịch chuyển ta có ứng suất tương đương lớn nhất của khung là 21,473 (Mpa), vậy khung có thể chịu được áp lực từ trên xuống

Hình 5 79 Biểu đồ độ dịch chuyển lớn nhất

ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

Chọn các thiết bị điện và điều khiển cho máy bắn bóng tennis

6.1.1 Chọn bộ điều khiển trung tâm Để vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế, nhóm đã sử dụng bộ điều khiển PLC làm thiết bị điều khiển trung tâm cho máy

Một số ưu điểm của bộ điều khiển PLC S7-1200 [16]:

 Độ tin cậy cao, bền bỉ cao

 Kích thước nhỏ gọn, có thể mở rộng với nhiều module chức năng khác nhau

 Có cổng internet để kết nối với ngoại vi bằng chuẩn truyền thông mạng RJ45

6.1.2 Bảng thống kê các thiết bị được sử dụng trong hệ thống điện của dự án

Tóm tắt thông số của các động cơ được sử dụng: Động cơ DC giảm tốc EM118:

- Số lượng động cơ được sử dụng: 2 (cái) Động cơ DCM775:

- Số lượng động cơ được sử dụng: 2 (cái)

Bảng 6 1 Tóm tắt các thiết bị được sử dụng trong máy tennis

STT Tên thiết bị SL Cách chọn thiết bị Hình ảnh thiết bị

Dòng điện cần thiết cho PLC: Ia = 1,5 (A) Dòng điện cần thiết cho các đầu vào input của PLC: Ib = 0,006 9 = 0,054 (A) Suy ra: tổng dòng điện cần thiết được sử dụng là: Ia + Ib = 1,5 + 0,054 = 1,554 (A)

Dòng điện động cơ DC giảm tốc EM118 tiêu thụ lúc không tải:

𝑈1 ≈ 2,08 (A) Dòng điện động cơ DCM775 tiêu thụ lúc không tải:

𝑈2 ≈ 4,2 (A) Suy ra: tổng dòng điện cần thiết mà các động cơ tiêu thụ là:

3 Nút nhấn 5 Chọn dựa vào số lượng cần sử dụng

24V 2 Chọn dựa vào số lượng cần sử dụng

Dòng điện cần thiết cho PLC: Ia = 1,5 (A) Dòng điện cần thiết cho các đầu vào input của PLC: Ib = 0,006 9 = 0,054 (A) Dòng điện động cơ DC giảm tốc EM118 tiêu thụ lúc không tải:

𝑈1 ≈ 2,08 (A) Dòng điện động cơ DCM775 tiêu thụ lúc không tải:

𝑈2 ≈ 4,2 (A) Suy ra: tổng dòng điện mà máy tiêu thụ là:

Cầu đấu terminal block loại 12 cực

1 Chọn dựa vào số lượng cần sử dụng

Máng nhựa đi dây điện

Thanh ray nhôm gắn thiết bị điện

Dây điện cho mạch điều khiển

Dây điện cho mạch động lực

Chọn dựa vào dòng điện tiêu thụ của động cơ Ic, Id và theo công thức

I: là dòng điện tiêu thụ của động cơ (A), J: là mật độ dòng điện cho phép ( A/mm 2 )

Dimmer điều chỉnh tốc độ

Chọn dựa vào dòng điện tiêu thụ của động cơ Ic, Id

Thiết kế mạch điều khiển và mạch động lực

6.2.1 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển

Sử dụng phần mền EPLAN Electric P8 2.9 SP1 (x64), ta có sơ đồ đấu nối mạch điều khiển PLC cho máy [Hình 6.2]:

Hình 6 2 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển cho máy

6.2.2 Sơ đồ đấu nối mạch động lực

Sử dụng phần mền CADe_SIMU, ta có sơ đồ đấu nối mạch động lực cho máy [Hình 6.3]:

Hình 6 3 Sơ đồ đấu nối mạch động lực cho máy

6.2.3 Hình ảnh tủ điện hoàn thiện

Hình dáng ngoại quan của tủ điện [Hình 6.4]:

Hình 6 4 Ngoại quan của tủ điện

Hình dáng nội quan của tủ điện [Hình 6.5]:

Hình 6 5 Nội quan của tủ điện

Nguyên lý hoạt động

- Sơ đồ nguyên lý hoạt động [Hình 6.6]:

Hình 6 6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

- Giải thích các kí hiệu của sơ đồ hoạt động:

+ START: chế độ bắn 1 vị trí

+ QUAY: chế độ bắn 2 vị trí trái-phải

+ NÂNG: chế độ nâng cơ cấu cấp bóng

+ HẠ: chế độ hạ cơ cấu cấp bóng

+ STOP: dừng tất cả hoạt động của máy

+ R1,R2,R3,R4,R5,R6: các cuộn coil của relay điều khiển các động cơ

+ CTT: công tắc hành trình trái, CTP: công tắc hành trình phải, CTN: công tắc hành trình giới hạn góc nâng trên, CTH: công tắc hành trình giới hạn góc hạ dưới

+ BĐ1: bánh đà 1, BĐ2: bánh đà 2

- Chức năng của các nút nhấn:

+ Khi nút nhấn START kích hoạt: hai bánh đà quay

+ Khi nút nhấn QUAY kích hoạt: máy sẽ bắn liên tục hai vị trí trái và phải trên sân (quá trình bắn cụ thể như sau: đầu tiên, hai bánh đà sẽ dừng; đồng thời, động cơ gắn với cơ cấu quay trái-phải sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW), khi chạm công tắc hành trình trái, thì động cơ gắn với cơ cấu quay trái-phải sẽ ngưng quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW); đồng thời, hai bánh đà sẽ khởi động; sau 10s động cơ gắn với cơ cấu quay trái-phải sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ (CW), khi chạm công tắc hành trình phải, thì động cơ gắn với cơ cấu quay trái-phải sẽ ngưng quay cùng chiều kim đồng hồ (CW); sau 10s động cơ gắn với cơ cấu quay sẽ quay lại ngược chiều kim đồng hồ, để tiếp tục chu trình bắn tự động hai vị trí trái phải)

+ Khi nút nhấn STOP kích hoạt: dừng toàn bộ hoạt động của máy

- Phương án nâng/hạ góc bắn:

+ Phương án 1: Sử dụng bộ lục giác để điều chỉnh thủ công

+ Phương án 2: Để có thể nâng/hạ cơ cấu cấp bóng một cách chính xác hơn, thì ta sẽ kết hợp với một mạch dimmer để điều chỉnh tốc độ.

Lập trình điều khiển trên phần mền Tia Portal

TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là phần mền được phát triển bởi các kỹ sư Siemens vào năm 1996, là một phần mềm tích hợp của nhiều phần mềm quản lý vận hành và tự động hóa hệ thống điện công nghiệp như: HMI, PLC, Inverter của hãng Siemens, cho phép người dùng có thể thao tác nhiều thiết bị trên cùng một nền tảng thống nhất, giúp tiết kiệm được thời gian vận hành và giao tiếp giữa các thiết bị [17]

Trong quá trình lập trình, các tag được đánh tên và chia ra theo nhóm như: trung gian, input, output để có thể sắp xếp một cách rõ ràng và quản lí tốt được các đối tượng a) Tag trung gian

Tag trung gian là các tag đóng vai trò như các biến trung gian, được thêm vào lúc viết chương trình

Tag input là các tag đóng vai trò xuất tín hiệu để điều khiển các ngõ ra output của PLC

Hình 6 8 Tag input c) Tag output

Tag output là các tag đóng vai trò như là các đối tượng điều khiển trong máy: relay, động cơ, đèn báo

6.4.2 Khối dữ liệu truyền thông giữa webserver và PLC Để webserver và PLC có thể giao tiếp được với nhau, thì ta sẽ cấu hình một khối dữ liệu truyền thông Web_Comm [DB6] và tạo một bảng Watch table_1 trên phần mền TIA PORTAL V16

Hình 6 10 Khối Web_Comm [DB6] b) Tạo Watch table_1 để hiển thị dữ liệu từ PLC lên webserver

6.4.3 Phương thức đưa webserver lên inthernet

Ta có thể điều khiển máy bằng điện thoại hay laptop thông qua inthernet, bằng cách kết nối PLC với một con router 4G LTE CPE thông qua cổng LAN của router và cổng nạp chương trình của PLC

Ta lập trình điều khiển cho máy bắn bóng:

Hình 6 12 Chương trình gọi khối webserver

Hình 6 13 Chương trình nâng hạ góc bắn

Hình 6 14 Chương trình nâng hạ góc bắn

Hình 6 15 Chương trình chế độ bắn một vị trí

Hình 6 16 Chương trình chế độ bắn 2 vị trí trái-phải

Hình 6 19 Chương trình dừng toàn bộ hoạt động của máy

Hình 6 20 Chương trình đèn báo cho webserver

Tiêu đề	Thiết kế chế tạo và thử nghiệm máy bắn bóng tennis
Tác giả	Trần Đức Duy, Đặng Anh Tuấn, Dương Trương Ngọc Khoa
Người hướng dẫn	TS. Trương Quang Tri
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	10,04 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] VNBSports,Những lợi ích của việc chơi tennis mang lại mà có thể bạn chưa biết,(https://shopvnb.com/loi-ich-cua-viec-choi-tennis.html),17-07-2023	Link
[2] History of tennis-Origins of tennis game, The Origins of Tennis - History of Tennis,(https://www.tennistheme.com/tennishistory.html )	Link
[3] Ertheo, How a Tennis Ball Machine Could Take Your Game to the Next Level,(https://www.ertheo.com/blog/en/tennis-ball-machine/)	Link
[4] Wikipedia, Quả bóng quần vợt, (https://vi.wikipedia.org/wiki/Qu%E1%BA%A3_b%C3%B3ng_qu%E1%BA%A7n_v%E1%BB%A3t )	Link
[6] Lobster, CONTROL YOUR TRAINING,(https://www.lobstersports.com/ ) [7] Spinshot, Train Smarter with Spinshot,( https://spinshotsports.com/ )	Link
[9]T3M, MÁY BẮN BALL TỰ ĐỘNG T3M_PRO,(http://tennisshop.vn/p/may-ban-ball-tu-dong-t3m-pro.9 )	Link
[10] CÔNG TY TNHH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ RÔ BỐT, Motor DCM775 24V 100W 8000rpm, (https://robotstore.vn/motor-dcm775-24v-100w-8000rpm?gidzl=pqrfO5Glb43FLMnaL3YSGyvVOcLBRfb3qrjWDXi_oXQ83M8p5MgS4ufODpSLFfj2Z5aqDMIhLCaJLYwKHW )	Link
[11] CÔNG TY TNHH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ RÔ BỐT, Động cơ cần gạt nước mưa ô tô 12V DC 50W,( https://robotstore.vn/dong-co-gat-mua-oto-12vdc-50w ) [12] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - Tập 1.Nhà xuất bản Giáo dục	Link
[14] Mạnh Tiến Phát Steel, Thép SS400 là gì? Tiêu chuẩn thép SS400 , (https://thephinh24h.com/tieu-chuan-thep-ss400/ )	Link
[15] Ngọc Automation, Chương trình & Khóa học cho học viên, https://hoctudonghoa.com/	Link
[16] Biến tần, Tìm hiểu tổng quan cơ bản về plc siemens s7-1200, https://abientan.com/tim-hieu-tong-quan-co-ban-ve-plc-siemens/	Link
[17] VANBUOM, Tổng quan về phần mềm TIA Portal của Siemens, (https://vanbuom.net/tong-quan-ve-phan-mem-tia-portal-cua-siemens/ )	Link
[18] Ansys, Implicit and Explicit Time Integration, https://courses.ansys.com/wp- content/uploads/2021/02/Lesson2_ImplicitAndExplicitTimeIntegration-1.pdf	Link
[21] Ansys, Calibration of Hyperelasticity, https://courses.ansys.com/wpcontent/uploads/2021/01/Lesson3-Calibration-of-Hyperelasticity.pdf	Link
[23] Y. Leva, A. Faye, K.Y. Volokha, Thermoelastic deformation and failure of rubberlike materials, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 122,, Pages 538-554, January 2019, https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.09.033	Link
[27] Wikipedia, Bulk modulus, https://en.wikipedia.org/wiki/Bulk_modulus	Link
[29] Engineeringlibrary, Coefficient of Friction, https://engineeringlibrary.org/reference/coefficient-of-friction	Link
[13] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - Tập 2. Nhà xuất bản Giáo dục	Khác
[19] - Wójcicki, K. Puciłowski, K. Kulesza, Z. S. (2011). Mathematical Analysis for a	Khác
[24] Rod Cross, Measurements of the horizontal and vertical speeds of tennis courts, Sports Engineering, Volume 6, pages 95–111, (2003)	Khác