Bài viết ứng dụng phần mềm phân tích động học và động lực học hệ nhiều vật ADAMS thiết kế tối ưu động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng tự đổ.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU NÂNG HẠ THÙNG XE TỰ ĐỔ OPTIMAL KINETICS AND DYNAMICS DESIGN OF A DUMP TRUCK HOIST Nguyễn Hồng Quân1, Nguyễn Thành Công1, Phạm Văn Thắng2 Email: congnt@utc.edu.vn Trường Đại học Giao thông Vận tải Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 15/5/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 26/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018 Tóm tắt Việc tính tốn tối ưu động học động lực học cấu nâng hạ thùng tự đổ phức tạp giải phương pháp đồ họa giải tích thơng thường Bài báo ứng dụng phần mềm phân tích động học động lực học hệ nhiều vật ADAMS thiết kế tối ưu động học động lực học cấu nâng hạ thùng tự đổ Kết báo sở quan trọng để thiết kế, chế tạo hệ thống nâng hạ thùng ô tô tự đổ Từ khóa: Thiết kế tối ưu; cấu nâng hạ; động học động lực học; ADAMS Abstract The optimal kinetics and dynamics of the dump truck hoistis very complex if solved by the conventional graphical or analytical methods The paper describe the application of the dynamic analysis software and the multiple-dynamics systems ADAMS to optimize kinetics and dynamics of the dump truck hoist The paper’s result is an important premise for the optimal design and construction the dump truck hoist Keywords: Optimal design; dump truck hoist; kinetics and dynamics; ADAMS ĐẶT VẤN ĐỀ Tính tốn tối ưu động học động lực học cấu nâng hạ thùng tự đổ khó thực giải phương pháp đồ họa giải tích thơng thường Bài báo ứng dụng phần mềm ADAMS xây dựng mơ hình 3D tham số hóa, từ tính tốn thiết kế tối ưu động học động lực học cấu nâng hạ thùng tự đổ theo hai mục tiêu, công suất nâng lớn công suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ [1, 2] Kết báo sở quan trọng để thiết kế, chế tạo hệ thống nâng hạ thùng ô tô tự đổ Lựa chọn đối tượng nghiên cứu ô tô tự đổ Hyundai HD370, với khối lượng hàng hóa nâng 23.000 kg, khối lượng thùng hàng 4.000 kg, yêu cầu góc nâng thùng tối thiểu đạt 52o Sơ đồ cấu nâng hạ thùng hình Chọn hệ tọa độ OXYZ có gốc tọa độ trùng với tâm chốt quay thùng O, phương chiều trục hình [3, 4] Lựa chọn sơ tọa độ ban đầu điểm bảng CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Phân tích động học đông lực học cấu nâng hạ ADAMS 2.1.1 Xây dựng mơ hình mơ cấu nâng hạ ADAMS Hình Sơ đồ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ Người phản biện: PGS.TS Trần Văn Như TS Nguyễn Đình Cương 34 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Bảng Lựa chọn sơ tọa độ ban đầu điểm cấu nâng hạ Tọa độ Y 147 Z 235.0 AL điểm liên kết bên trái giàn nâng chữ A với thùng -2775.0 147 -235.0 AR điểm liên kết bên phải giàn nâng chữ A với thùng -3720.0 47.0 0.0 BL -3720.0 47.0 235.0 BL điểm liên kết chốt xylanh với bên trái giàn chữ A BR -3720.0 47.0 -235.0 BR điểm liên kết chốt xylanh với bên phải giàn chữ A CL -3937.0 -260.0 235.0 CL điểm liên kết tay nâng trái với giàn chữ A CR -3937.0 -260.0 -235.0 CR điểm liên kết tay nâng phải với giàn chữ A O1 -2236.0 -212.0 0.0 TT Tên điểm AL X -2775.0 AR BT Ghi BT điểm liên kết chốt xylanh với xylanh O1 điểm đặt chốt quay xylanh với khung xe O2L 1967.0 138.0 235.0 O2L điểm liên kết tay nâng trái với khung xe 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 O2R điểm liên kết tay nâng phải với khung xe 11 O 0.0 0.0 0.0 O điểm đặt chốt quay thùng xe Trên sở xây dựng mơ hình mơ ADAMS hình [5, 6] Hình Mơ hình mơ cấu nâng hạ ADAMS 2.1.2 Phân tích động học động lực học cấu nâng hạ Lựa chọn thời gian nâng thùng 25 s, kết tính tốn động học hình c) Hành trình nâng thùng theo thời gian a) Góc nâng thùng theo thời gian b) Góc quay xylanh theo góc nâng thùng d) Hành trình nâng thùng theo góc nâng Hình Kết tính tốn động học cấu nâng Nhận xét: Kết cho thấy hành trình xylanh 983,15 mm, góc nâng thùng đạt giá trị 52o Tại vị trí hành trình lớn 1.245,5 mm, góc nâng thùng lớn 72,3o, góc quay xylanh 92,8o Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 35 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nâng thùng 6,6o, lực nâng thùng nhỏ Fmin= 2.011 N góc nâng thùng 70o, lực nâng thùng ban đầu 419.330 N 2.2 Tối ưu động học động lực học cấu nâng 2.2.1 Xây dựng toán tối ưu 2.2.1.1 Xác định mục tiêu tối ưu Lựa chọn hàm mục tiêu tối ưu hai trường hợp sau: Công suất nâng lớn xylanh đạt giá trị nhỏ nhất; Công suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ 2.2.1.2 Xác định tham số tối ưu Hình Lực nâng theo thời gian theo góc quay thùng Kết tính động lực học hình Từ đồ thị ta thấy, lực nâng lớn 469.430 N góc Để tiến hành tối ưu, ta cần tham số hóa điểm đặt khớp cấu nâng ADAMS Tham số tối ưu tọa độ khớp A, B, C, O1, O2 cấu nâng, từ vị trí ban đầu điểm ta dịch chuyển khớp theo phương OX OY bảng Bảng Bảng tham số hóa tọa độ khớp ADAMS Tọa độ ban đầu (mm) Tọa độ sau tham số (mm) STT Tên điểm X Y Z X Y Z AL -2775.0 147 235.0 -2775.0+A_X 147+A_Y 235.0 AR -2775.0 147 -235.0 -2775.0+A_X 147+A_Y -235.0 BT -3720.0 47.0 0.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y 0.0 BL -3720.0 47.0 235.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y 235.0 BR -3720.0 47.0 -235.0 -3720.0+B_X 47.0+B_Y -235.0 CL -3937.0 -260.0 235.0 -3937.0+C_X -260.0+C_Y 235.0 CR -3937.0 -260.0 -235.0 -3937.0+C_X -260.0+C_Y -235.0 O1 -2236.0 -212.0 -2236.0+O1_X -212.0+O1_Y O2L 1967.0 138.0 235.0 1967.0+O2_X 138.0+O2_Y 235.0 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 1967.0+O2_X 138.0+O2_Y -235.0 2.2.1.3 Điều kiện ràng buộc Bảng Giới hạn dịch chuyển điểm Dựa vào kết cấu thực tế ô tô HD370, lựa chọn khoảng thay đổi điểm bảng 3, TT ví dụ điểm A dịch chỉnh quanh vị trí ban đầu hình biểu thị Hình Điểm A dịch chỉnh quanh vị trí ban đầu 36 Tên Dải biến thay đổi TT Tên Dải biến thay đổi C_Y -40≤ C_Y ≤40 A_X -40≤ A_X ≤40 A_Y -40≤ A_Y ≤40 O1_X -40≤ O1_X ≤40 B_X -40≤ B_X ≤40 B_Y -40≤ B_Y ≤40 O2_X -40≤ O2_X ≤40 C_X -35≤ C_X ≤35 10 O2_Y -40≤ O2_Y ≤40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 O1_Y -40≤ O1_Y ≤40 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2.2.1.4 Mơ hình tốn học tốn tối ưu Bài tốn tối ưu hóa có mơ hình tốn học sau: Tìm: Vị trí tọa độ điểm A, B, C, O1, O2 Sao cho: Trường hợp 1: Công suất nâng lớn xylanh đạt giá trị nhỏ Trường hợp 2: Cơng suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ Thỏa mãn: Vị trí điểm A, B, C, O1, O2 dịch chuyển quanh vị trí ban đầu bảng 2.2.2 Kết tính tốn tối ưu 2.2.2.1 Tối ưu theo mục tiêu cơng suất nâng lớn xylanh đạt giá trị nhỏ Công suất nâng lớn đạt giá trị nhỏ hội tụ sau tối ưu hình bảng Bảng Kết tối ưu theo công suất nâng lớn xylanh đạt giá trị nhỏ Lực O1 O1 O2 O2 _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y 371.200 -40 40 40 40 35 -35 -40 (N) -40 40 nâng lớn A A B B C C 40 Nhận xét: Công suất lớn sau tối ưu 19.673 W, giảm 21% so với công suất lớn trước tối ưu 24.880 W Cơng suất lớn đạt góc nâng thùng 9,5o Cơng suất trung bình sau tối ưu 15.494 W, giảm 16% so với công suất trung bình trước tối ưu 18.518 W Lực nâng lớn xylanh trước tối ưu 469.430 N, lực nâng lớn xylanh sau tối ưu 371.200 N, giảm 21% Hành trình xylanh sau tối ưu 1.192,5 mm, tăng 21% so với hành trình xylanh trước tối ưu 983,15 mm Góc nâng thùng lớn 54,9o Bảng So sánh giá trị động học động lực học trước sau tối ưu a) Đồ thị công suất nâng hội tụ sau tối ưu b) Đồ thị công suất nâng trước sau tối ưu Mức giảm Chỉ tiêu Trước Sau đánh giá tối ưu tối ưu Lực nâng max (N) 469,430 371.200 21 Lực nâng trung 381.306 bình (N) 314.917 17 Cơng suất max (W) 24.880 19.673 21 Cơng suất trung bình (W) 18.518 15.494 16 Hành trình (mm) 983,15 1.192,5 -21 trước sau tối ưu (%) 2.2.2.2 Tối ưu theo cơng suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ c) Đồ thị hành trình nâng trước sau tối ưu d) Đồ thị lực nâng trước sau tối ưu Hình Kết tối ưu cơng suất nâng lớn xylanh đạt giá trị nhỏ Cơng suất nâng trung bình đạt nhỏ hội tụ sau tối ưu hình bảng Nhận xét: Công suất lớn sau tối ưu 19.829 W, giảm 20% so với công suất lớn trước tối ưu 24.880 W Công suất lớn đạt góc nâng thùng 8,80 Giá trị cơng suất trung bình sau tối ưu 15.249 N, giảm 18% so với giá trị cơng suất trung bình trước tối ưu 18.518 N Lực nâng lớn sau tối ưu 374.130 N, giảm 20% so với giá trị lực nâng lớn trước tối ưu 469.430 N Lực nâng trung bình sau tối ưu Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 37 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 309.861 N, giảm 19% so với giá trị lực nâng trung bình trước tối ưu 381.306 N Hành trình xylanh sau tối ưu 1.213,7 mm, tăng 23% so với hành trình xylanh trước tối ưu 983,15 mm Góc nâng thùng lớn sau tối ưu đạt 53,6o d) Đồ thị lực nâng nâng trước sau tối ưu Hình Kết tối ưu cơng suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ Bảng Kết tối ưu theo cơng suất nâng trung bình xylanh đạt giá trị nhỏ a) Đồ thị công suất nâng hội tụ sau tối ưu Công suất A A B B C C O1 O1 O2 O2 trung bình _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y _X _Y 18518 (W) -40 40 40 40 -35 -35 -40 -40 40 40 Bảng So sánh giá trị động học động lực học trước sau tối ưu Chỉ tiêu Trước tối Sau tối đánh giá b) Đồ thị công suất nâng trước sau tối ưu Lực nâng max (N) Lực nâng trung bình (N) Cơng suất max (W) Cơng suất trung bình (W) Hành trình (mm) c) Đồ thị hành trình nâng trước sau tối ưu Mức giảm trước sau ưu ưu 469.430 374.130 20 381.306 309.861 19 24.880 19.829 20 18.518 15.249 18 983,15 1.213,7 -23 tối ưu (%) Bảng Bảng tọa độ điểm trước sau tối ưu STT 38 Tên Tọa độ ban đầu Theo lực nâng lớn Theo lực nâng lớn trung bình điểm (mm) (mm) (mm) X Y Z X Y Z X Y Z AL -2775.0 147 235.0 -2815 107 235.0 -2815 107 235.0 AR -2775.0 147 -235.0 -2815 107 -235.0 -2815 107 -235.0 BT -3720.0 47.0 0.0 -3680 87 0.0 -3680 87 0.0 BL -3720.0 47.0 235.0 -3680 87 235.0 -3680 87 235.0 BR -3720.0 47.0 -235.0 -3680 87 -235.0 -3680 87 -235.0 CL -3937.0 -260.0 235.0 -3902 -295 235.0 -3972 -295 235.0 CR -3937.0 -260.0 -235.0 -3902 -295 -235.0 -3972 -295 -235.0 O1 -2236.0 -212.0 -2276 -252 -2276 -252 O2L 1967.0 138.0 235.0 2007 178 235.0 2007 178 235.0 10 O2R 1967.0 138.0 -235.0 2007 178 -235.0 2007 178 -235.0 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Nhận xét: Tọa độ điểm sau tối ưu theo hai mục tiêu lực nâng lớn đạt giá trị nhỏ lực nâng trung bình đạt giá trị nhỏ thay đổi nhiều so với trước tối ưu, tọa độ điểm sau tối ưu theo hai mục tiêu khác điểm C theo phương OX KẾT LUẬN Kết báo tiền đềquan trọng để thiết kế, chế tạo tối ưu cấu nâng hạ ô tô tự đổ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ADAMS Full Simulation Guide (2005) Advanced ADAMS/View Training Guide Các kết đạt báo thể điểm sau: - Xây dựng mơ hình mơ phân tích động học, động lực học cấu nâng hạ Mơ hình tham số hóa nên có khả đánh giá ảnh hưởng vị trí khớp đến động học động lực học cấu nâng hạ có khả thay đổi thơng số để tính tốn thiết kế nhiều loại cấu nâng hạ tương tự - Ứng dụng mơ hình tính tốn động học động lực học cho xe Hyundai HD370, từ tính toán tối ưu theo hai mục tiêu công suất làm việc lớn công suất làm việc trung bình xylanh, kết cho thấy tiêu công suất lực nâng giảm Từ kết lựa chọn vị trí khớp kích thước khâu tùy theo mục tiêu [2] Chu Tạo Đoan (2001) Cơ học lý thuyết, Tập I, Tập II Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội [3] Nguyễn Văn Khang (2007) Động lực học hệ nhiều vật thể Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Huixiang Yang, Junpeng Zhao, Dawei Jiang, Guowa Song and Bangcheng Zhang (2017) Dynamic Simulation Analysis of Key Components of Special Transport Vehicle for Blowout Prevention Equipment Based on ADAMS Journal of Physics: Conf Series 910 (2017) 012035 [5] YIN Huijun, WEI Zhilin, HUANG Changchun, HUANG Guidong, SHEN Guangli (2007) Optimization Design of Lifting Triangular Arm of Dump Truck Journal of Agricultural Mechanization, 2007, 09: 186-188 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 39 ... hình mơ cấu nâng hạ ADAMS 2.1.2 Phân tích động học động lực học cấu nâng hạ Lựa chọn thời gian nâng thùng 25 s, kết tính tốn động học hình c) Hành trình nâng thùng theo thời gian a) Góc nâng thùng. .. 2.011 N góc nâng thùng 70o, lực nâng thùng ban đầu 419.330 N 2.2 Tối ưu động học động lực học cấu nâng 2.2.1 Xây dựng toán tối ưu 2.2.1.1 Xác định mục tiêu tối ưu Lựa chọn hàm mục tiêu tối ưu hai... giá trị động học động lực học trước sau tối ưu a) Đồ thị công suất nâng hội tụ sau tối ưu b) Đồ thị công suất nâng trước sau tối ưu Mức giảm Chỉ tiêu Trước Sau đánh giá tối ưu tối ưu Lực nâng max