Tổng quan về tối ưu hóa kết cấu và lý thuyết phần tử hữu hạn. Phần mềm Tosca structure và sơ đồ tiến trình tối ưu hóa thiết kế chi tiết cơ khí. Ứng dụng phần mềm Tosca structure với giao diện của phần mềm abaqus để tối ưu thiết kế chi tiết đĩa xích và tay gầu của máy xúc thủy lực gầu ngược. Tổng quan về tối ưu hóa kết cấu và lý thuyết phần tử hữu hạn. Phần mềm Tosca structure và sơ đồ tiến trình tối ưu hóa thiết kế chi tiết cơ khí. Ứng dụng phần mềm Tosca structure với giao diện của phần mềm abaqus để tối ưu thiết kế chi tiết đĩa xích và tay gầu của máy xúc thủy lực gầu ngược.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐẶNG VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOSCA ĐỂ TỐI ƯU THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ Chun ngành: Kỹ thuật khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Trần Văn Địch Hà Nội - Năm 2018 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Lời cam đoan: Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đặng Văn Phƣơng Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A i LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………………………… i Mục lục…………………………………………………………………………………… ii Danh mục bảng biểu……………………………………………………………………… v Danh mục hình ảnh……………………………………………………………………… iv MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU VÀ LÝ THUYẾT PHẦN TỬ HỮU HẠN .4 1.1 Tối ƣu hóa kết cấu .4 1.1.1 Bài toán tối ƣu 1.1.2 Tối ƣu hóa kết cấu 1.1.3 Các loại tối ƣu tối ƣu hóa kết cấu 1.2 Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH) 1.2.1 1.2.1.1 Khái niệm phương pháp PTHH [2][6][13] 1.2.1.2 Các nguyên lý 1.2.2 Các định nghĩa PTHH 13 1.2.2.1 Xấp xỉ PTHH [13] 13 1.2.2.2 Định nghĩa hình học PTHH [13] 13 1.2.2.3 Các dạng PTHH [13] 14 1.2.2.4 Phần tử quy chiếu, phần tử thực [13] 15 1.2.3 1.3 Khái niệm nguyên lý PTHH Sơ đồ tính tốn phƣơng pháp PTHH [13] 16 Phần mềm hỗ trợ .18 Chƣơng PHẦN MỀM TOSCA STRUCTURE VÀ SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH TỐI ƢU HĨA THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ 20 2.1 Phần mềm Tosca Structure 20 2.1.1 Cơ sở toán học 20 2.1.1.1 Lý thuyết chung 20 2.1.1.2 Mô tả tốn học tối ưu hóa topology 22 2.1.2 Các modul chức Tosca Structure 26 2.1.3 Các giao diện sử dụng 28 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A ii LUẬN VĂN CAO HỌC 2.2 GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Sơ đồ tiến trình tối ƣu hóa thiết kế chi tiết khí 32 Chƣơng ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOSCA STRUCTURE VỚI GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM ABAQUS ĐỂ TỐI ƢU THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐĨA XÍCH VÀ TAY GẦU CỦA MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGƢỢC 34 3.1 Tối ƣu thiết kế chi tiết đĩa xích 34 3.1.1 Điều kiện làm việc kết cấu đĩa xích 34 3.1.1.1 Bộ truyền xích 34 3.1.1.2 Lực tác dụng truyền xích [14] 34 3.1.1.3 Điều kiện làm việc đĩa xích 35 3.1.1.4 Kết cấu đĩa xích 35 3.1.2 Thơng số đĩa xích dùng để tối ƣu hóa 36 3.1.3 Phân tích thiết kế sơ kết cấu đĩa xích để tối ƣu hóa 37 3.1.3.1 Phân tích kết cấu đĩa xích 37 3.1.3.2 Thiết kế đĩa xích 38 3.1.4 Phân tích PTHH phần mềm ABAQUS 39 3.1.5 Tối ƣu hóa thiết kế đĩa xích TOSCA Structure giao diện ABAQUS 44 3.1.5.1 Tạo mơ hình phân tích 44 3.1.5.2 Tạo nhiệm vụ tối ưu (Creat Optimazation Task) 44 3.1.5.3 Thiết lập đặc trưng thiết kế tối ưu (Creat Design Response) 45 3.1.5.4 Thiết lập hàm mục tiêu (Creat Objective Funtion) 45 3.1.5.5 Thiết lập điều kiện buộc tối ưu (Creat Constrain) 46 3.1.5.6 Tạo trình giải toán tối ưu (Creat Optimazation Process) 46 3.1.5.7 Xác nhận hồn tất q trình thiết lập tối ưu 47 3.1.5.8 Tosca Structure thực tối ưu hóa 47 3.1.5.9 Hiển thị kết tối ưu 48 3.1.5.10 hình 3D Dùng Tosca Structure để làm trơn bề mặt chi tiết sau tối ưu xuất mô 55 3.1.6 Dùng phần mềm CATIA thiết kế lại đĩa xích theo hình dạng cấu trúc đƣợc tối ƣu 56 3.2 Tối ƣu kết cấu tay gầu máy xúc thủy lực gầu ngƣợc 57 3.2.1 Tính tốn thiết kế kích thƣớc tay gầu 57 3.2.1.1 Giới thiệu máy xúc thủy lực gầu ngược 57 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A iii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 3.2.1.2 Điều kiện làm việc máy xúc 57 3.2.1.3 Mơ hình khảo sát động học [18] 58 3.2.1.4 Xác định tổ hợp tải trọng tính tốn thiết kế cần tay gầu [18] 59 3.2.1.5 Xác định tổ hợp tải trọng vị trí nguy hiểm để tính tốn thiết kế kiểm tra kết cấu cần tay gầu [18] 60 3.2.1.6 3.2.2 Kết tính tốn thiết kế tay gầu 61 Tối ƣu thiết kế kết cấu tay gầu phần mềm Tosca Structure 63 3.2.2.1 Xây dựng mơ hình 3D phần mềm CATIA 63 3.2.2.2 Phân tích PTHH phần mềm ABAQUS 63 3.2.2.3 Tối ưu kết cấu tay gầu phần mềm Tosca Structure 64 3.2.2.4 Dùng CATIA thiết kế lại tay gầu theo kết tối ưu 69 3.3 Đánh giá kết sau tối ƣu hóa 70 3.3.1 Kết cấu khối lượng chi tiết 70 3.3.2 Đánh giá ứng suất chuyển vị kết cấu 74 KẾT LUẬN 77 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 77 Hƣớng phát triển luận văn 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A iv LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số truyền xích sau thiết kế………………………… 36 Bảng 3.2 Một số tính chất thép C45………………………… 40 Bảng 3.3 Thơng số tối ưu theo vịng………………………………… 49 Bảng 3.4 Tham số hình học tải trọng phục vụ tính tốn tay gầu……… 62 Bảng 3.5 Kết tính tốn thiết kế tay gầu……………………………… 62 Bảng 3.6 Giá trị khối lượng trước sau tối ưu………………………… 71 Bảng 3.7 Ứng suất chuyển vị trước sau tối ưu đĩa xích……… 74 Bảng 3.8 Ứng suất chuyển vị trước sau tối ưu tay gầu……… 74 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A v LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Ba loại tối ưu hóa kết cấu.……………………………… Hình 1.2 Vật thể biến dạng ba chiều……………………………………… Hình 1.3 Các dạng biên chung phần tử………………………… 14 Hình 1.4 Phần tử hữu hạn chiều……………………………………… 14 Hình 1.5 Phần tử hữu hạn hai chiều……………………………………… 14 Hình 1.6 Phần tử hữu hạn ba chiều – phần tử tứ diện…………………… 15 Hình 1.7 Phần tử hữu hạn ba chiều – phần tử lăng trụ…………………… 15 Hình 1.8 Phần tử quy chiếu phần tử thực tam giác…………………… 15 Hình 1.9 Sơ đồ khối chương trình PTHH…………………………… 17 Hình 2.1 Vật thể đàn hồi chịu lực hệ tọa độ R3…………………… 23 Hình 2.2 Tối ưu topology………………………………………………… 26 Hình 2.3 Tối ưu hình dạng……………………………………………… 27 Hình 2.4 Tối ưu kích thước……………………………………………… 27 Hình 2.5 Tối ưu đường gân……………………………………………… 28 Hình 2.6 Tosca sử dụng giao diện Abaqus……………………………… 29 Hình 2.7 Tosca sử dụng giao diện Ansys………………………………… 30 Hình 2.8 Tosca sử dụng giao diên Ansa………………………………… 30 Hình 2.9 Tosca sử dụng giao diện Tosca Structure.gui………………… 31 Hình 2.10 Tiến trình cơng việc tối ưu Tosca…………………… 32 Hình 3.1 Bộ truyền xích………………………………………………… 34 Hình 3.2 Lực tác dụng truyền xích……………………………… 35 Hình 3.3 Kết cấu đĩa xích…………………………………………… 36 Hình 3.4 Thiết kế 3D sơ đĩa xích CATIA………………………… 38 Hình 3.5 Một số kết cấu phần thân đĩa xích……………………………… 38 Hình 3.6 Nhập mơ hình đĩa xích vào mơi trường làm việc……………… 39 Hình 3.7 Đặt tải trọng lên đĩa xích gắn phần cố định………………… 41 Hình 3.8 Kết chia lưới phân tử……………………………………… 42 Hình 3.9 Cửa sổ để xác nhận hiển thị q trình phân tích…………… 42 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A vi LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Hình 3.10 Kết phân tích ứng suất S chuyển vị U…………………… 43 Hình 3.11 Tạo nhiệm vụ tối ưu hóa………………………………………… 45 Hình 3.12 Thiết lập đặc trưng thiết kế tối ưu……………………… 45 Hình 3.13 Thiết lập hàm mục tiêu………………………………………… 46 Hình 3.14 Thiết lập điều kiện buộc…………………………………… 46 Hình 3.15 Tạo q trình giải tốn tối ưu……………………………… 47 Hình 3.16 Cửa sổ để xác nhận hồn tất theo dõi q trình tối ưu……… 47 Hình 3.17 Q trình tối ưu hóa thực hiện……………………… 48 Hình 3.18 Thể kết tối ưu………………………………………… 49 Hình 3.19 a-Đồ thị quan hệ số vịng tối ưu thể tích……………… 52 Hình 3.19 b-Đồ thị quan hệ số vòng tối ưu với giá trị hàm mục tiêu 52 Hình 3.20 a-Vịng – Vịng tính tốn bắt đầu cho q trình tối ưu……… 53 Hình 3.20 b-Kết tối ưu vịng 5………………………………………… 53 Hình 3.20 c-Kết tối ưu vịng 13……………………………………… 54 Hình 3.20 d-Kết tối ưu vịng 25……………………………………… 54 Hình 3.20 e-Kết tối ưu vịng 38 – vịng cuối cùng…………………… 54 Hình 3.21 Các đồ thị thể Tosca View……………………… 55 Hình 3.22 Kết làm trơn bề mặt Tosca Smooth………………… 56 Hình 3.23 Đĩa xích thiết kế lại sau tối ưu CATIA……………… 56 Hình 3.24 Máy xúc gầu ngược…………………………………………… 57 Hình 3.25 Sơ đồ hoạt động máy xúc…………………………………… 58 Hình 3.26 Mơ hình khảo sát động học máy xúc……………………… 59 Hình 3.27 Tổ hợp tải trọng tính tốn thiết kế……………………………… 60 Hình 3.28 Các vị trí có lực lớn xi lanh tay gầu……………………… 60 Hình 3.29 Sơ đồ vị trí lực tính tốn kết cấu………………………… 61 Hình 3.30 Sơ đồ tay gầu máy xúc sử dụng tính tốn………………… 61 Hình 3.31 Mơ hình 3D tay gầu thiết kế CATIA……………… 62 Hình 3.32 Kết phân tích ứng suất tay gầu…………………………… 64 Hình 3.33 Kết phân tích chuyển vị tay gầu……………………… 64 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A vii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Hình 3.34 Kết sau tối ưu kết cấu tay gầu Tosca……………… 65 Hình 3.35 Kết tối ưu đồ thị quan hệ ……………………………… 66 Hình 3.36 Kết phân tích ứng suất sau tối ưu tay gầu……………… 66 Hình 3.37 Kết phân tích chuyển vị sau tối ưu tay gầu…………… 67 Hình 3.38 Kết thể Tosca View……………………… 67 Hình 3.39 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số vịng lặp thơng số buộc thể tích Tosca View……………………………… Hình 3.40 68 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số vòng lặp Giá trị hàm mục tiêu Tosca View……………………………………… 68 Hình 3.41 Bề mặt làm trơn Tosca Smooth sau tối ưu……… 69 Hình 3.42 Tay gầu thiết kế lại sau tối ưu CATIA……………… 69 Hình 3.43 Chi tiết đĩa xích trước sau tối ưu…………………………… 70 Hình 3.44 Chi tiết tay gầu máy xúc trước sau tối ưu…………………… 71 Hình 3.45 Kết cấu đĩa xích thị trường………………………………… 72 Hình 3.46 Chi tiết thiết kế lại CATIA sau tối ưu ……………… 73 Hình 3.47 Ứng suất biến dạng trước sau tối ưu tay gầu máy Hình 3.48 xúc……………………………………………………………… 75 Ứng suất biến dạng trước sau tối ưu đĩa xích…… 76 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A viii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Ngày tối ưu hóa phần quan trọng phổ biến trình thiết kế chi tiết khí thiết bị, máy móc Việc tối ưu hóa thiết kế giúp kỹ sư chọn hình dạng, kích thước cấu trúc chi tiết phù hợp vừa thỏa mãn điều kiện làm việc chi tiết đồng thời làm giảm khối lượng chi tiết, giảm thời gian chế tạo từ làm giảm chi phí tổng thể sản phẩm, giúp cho sản phẩm cạnh tranh thị trường Thông thường, khối lượng vật liệu để chế tạo sản phẩm chiếm từ 40-70% giá trị sản phẩm, đó, việc giảm khối lượng chi tiết mà đảm bảo yêu cầu làm việc bình thường đáp ứng độ tin cậy làm việc có nhiều ý nghĩa nhiều cơng dụng hữu ích Đối với thiết bị quan trọng máy bay, tàu vũ trụ… cần chi tiết có khối lượng nhẹ mà đảm bảo độ bền làm việc Giảm khối lượng chi tiết đồng nghĩa với việc giảm khối lượng toàn thể thiết bị làm cho thiết bị cất cánh dễ dàng, tốn nhiên liệu dẫn tới giảm chi phí thương mại, giảm lượng khí CO, CO2… thải vào khí trình đốt nhiên liệu động Điều có ý nghĩa quan trọng việc bảo vệ mơi trường, bảo vệ tầng khí trái đất Đối với thiết bị dân dụng, việc giảm vật liệu chế tạo ngồi việc giảm chi phí vật liệu cịn giảm loại chi phí khác chi phí vận chuyển, chi phí lưu kho, bến, bãi, nhiên liệu nâng hạ Mặt khác, giúp phần hạn chế khai thác kháng sản để tạo vật liệu từ góp phần lớn để hạn chế cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên đất nước Đối với lĩnh vực quân sự, chủ yếu loại phương tiện chiến đấu, vũ khí để tiêu diêt kẻ thù, việc giảm khối lượng số chi tiết, cấu giúp cho người lính mang vác dễ dàng trình hành quân chiến đấu Một số loại vũ khí tên lửa, pháo, đạn chiến dịch, việc giảm khối lượng số phận, chi tiết đồng nghĩa với việc tăng lượng thuốc nổ loại đầu đạn làm tăng khả sát thương tiêu diệt địch Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Hình 3.39: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số vịng lặp thơng số buộc thể tích Tosca View Hình 3.40: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số vòng lặp Giá trị hàm mục tiêu Tosca View Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 68 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Hình 3.41: Bề mặt làm trơn Tosca Smooth sau tối ưu 3.2.2.4 Dùng CATIA thiết kế lại tay gầu theo kết tối ƣu Sau dùng Tosca Smooth để làm trơn bề mặt xuất file dạng igs stl, ta dung phần mềm CATIA thiết kế lại tay gầu theo kết tối ưu Sau thiết kế lại kết thể hình (3.42) đây: Hình 3.42: Tay gầu thiết kế lại CATIA sau tối ưu Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 69 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 3.3 Đánh giá kết sau tối ƣu hóa 3.3.1 Kết cấu khối lƣợng chi tiết Kết tối ưu kết cấu chi tiết đĩa xích tay gầu máy xúc thủy lực gầu ngược thể hình (3.43) (3.44) đây: a) b) Hình 3.43: Chi tiết đĩa xích trước sau tối ưu a)trước tối ưu, b)sau tối ưu Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 70 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch a) b) Hình 3.44: Chi tiết tay gầu máy xúc trước sau tối ưu a) trước tối ưu, b) sau tối ưu Bảng 3.6: Giá trị khối lượng trước sau tối ưu Chi tiết Đĩa xích Tay gầu máy xúc Trƣớc tối ƣu (kg) Sau tối ƣu (kg) 7,804 4,91 820,414 587,203 Dựa kết tối ưu, ta đưa số nhận xét đánh sau: Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 71 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch - Chi tiết đĩa xích: Kết cấu đĩa xích sau tối ưu có đối xứng qua tâm, điều phù hợp với thiết kế điểm bánh xích chịu lực tác động chu trình làm việc giống nên kết cấu cần có tính chất đối xứng Kết cấu đĩa xích có tính chất đối xứng, nhiên, hình dạng hình học phức tạp dùng phần mềm đáng tin cậy để đưa kết cấu hình (3.43b) Một số kết cấu đĩa xích thị trường, sau thiết kế khoét lỗ để giảm khối lượng vật liệu kết cấu tạo đơn giản chủ yếu dựa theo kinh nghiệm thiết kế, hình (3.45) đây: Hình 3.45: Kết cấu đĩa xích thị trường Khối lượng chi tiết sau tối ưu giảm 37,08% so với khối lượng ban đầu, lượng vật liệu tiết kiệm lớn ta sản xuất hàng loạt hàng khối - Chi tiết tay gầu máy xúc: Kết cấu sau tối ưu có dạng dầm kết nối phần tử Khối lượng chi tiết sau tối ưu giảm 28,42% so với khối lượng ban đầu Trong trình tối ưu ta phải đặt điều kiện buộc thể tích giới hạn với giá trị phần trăm so với thể tích ban đầu Tuy nhiên, với giá trị buộc thể tích hình dáng kết cấu sau tối ưu dường không thay đổi Điều Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 72 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch thay đổi độ dày độ rộng phần vật liệu lại Nếu giá trị đặt thấp độ dày độ rộng phần vật liệu lại tăng lên ngược lại Tuy nhiên, giá trị thể tích buộc này, đặt gần tới khơng sau q trình tối ưu có phần thừa vật liệu kết cấu ban đầu bị loại bỏ Những phần phân tích ứng suất thấy chúng chịu ứng suất nhỏ trình làm việc Hình 3.46: Chi tiết thiết kế lại CATIA sau tối ưu Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 73 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 3.3.2 Đánh giá ứng suất chuyển vị kết cấu Đối với hai loại chi tiết, ứng suất chuyển vị lớn kết cấu sau tối ưu lớn ứng suất chuyển vị lớn kết cấu thiết kế ban đầu, nhiên ứng suất chuyển vị nhỏ giới hạn ứng suất chuyển vị cho phép Bảng 3.7: Ứng suất chuyển vị trước sau tối ưu đĩa xích Chi tiết Đĩa xích Trƣớc tối ƣu Ứng suất Chuyển vị max (Pa) max (m) 3,7.10-1 1,76.10-10 Sau tối ƣu Ứng suất Chuyển vị max (Pa) max (m) 6,4.10-1 5,08.10-10 Bảng 3.8: Ứng suất chuyển vị trước sau tối ưu tay gầu Chi tiết Tay gầu máy xúc Trƣớc tối ƣu Ứng suất Chuyển vị max (Pa) max (m) 2,3.10 2,86.10-6 Sau tối ƣu Ứng suất Chuyển vị max (Pa) max (m) 10,8.10 2,2.10-5 Đối với chi tiết đĩa xích: Ứng suất lớn trước tối ưu 3,7.10-1 Pa, ứng suất lớn sau tối ưu 6,4.10-1 Pa Với ζB = 598 Mpa ứng suất lớn đĩa xích nhỏ nhiều Chuyển vị hai trường hợp trước sau tối ưu nhỏ cỡ 10-10 m nên chắn đảm bảo yêu cầu chuyển vị Điều cho thấy, không tiến hành tối ưu mà sử dụng thiết kế ban đầu kết cấu thừa bền nhiều, gây lãng phí lớn lượng vật liệu chế tạo Đối với chi tiết tay gầu máy xúc: Ứng suất lớn trước sau tối ưu 2,3.102 Pa 10,8.102 Pa so với ζB = 420 MPa nhỏ Chuyển vị trước sau tối ưu cỡ 10-5 m nhỏ so với giới hạn đưa [14mm] Ứng suất, biến dạng trước sau tối ưu thể hình (3.47) (3.48): Ứng suất kết cấu sau tối ưu dàn đồng so với kết cấu ban đầu, thể hình (3.47a) Nếu kết kiểm tra phân tích kết cấu sau tối ưu có ứng suất chuyển vị vượt giới hạn cho phép ta giảm giá trị điều kiện buộc, từ độ Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 74 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch dày độ rộng kết cấu tăng lên Sau phân tích lại ứng suất chuyển vị kết cấu để so sánh đưa kết luận thiết kế cuối a) b) Hình 3.47: Ứng suất biến dạng trước sau tối ưu tay gầu máy xúc a) ứng suất trước tối ưu, b) ứng suất sau tối ưu Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 75 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch a) b) Hình 3.48: Ứng suất biến dạng trước sau tối ưu đĩa xích a) ứng suất trước tối ưu, b) ứng suất sau tối ưu Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 76 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch KẾT LUẬN Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn - Nghiên cứu, giới thiệu lý thuyết tối ưu topology áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tối ưu thiết kế chi tiết khí; - Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm đưa tiến trình tối ưu thiết kế chi tiết khí phần mềm Tosca có hỗ trợ phần mềm CAD phần mềm phân tích phần tử hữu hạn - Tối ưu thiết kế chi tiết đĩa xích tay gầu máy xúc thủy lực Sau q trình tối ưu ta thiết kế có kết cấu độc đáo, khối lượng chi tiết giảm nhiều so với thiết kế ban đầu, giá trị ứng suất, chuyển vị nằm giới hạn cho phép - So sánh thiết kế sau tối ưu với vài thiết kế chi tiết sẵn có thị trường để thấy thuật toán phần mềm tối ưu có ưu điểm vượt trội - Kết nghiên cứu luận văn ứng dụng để tối ưu kết cấu phận, chi tiết lĩnh vực khí chế tạo, hàng khơng, tàu thủy, ô tô lĩnh vực quân sự… với yêu cầu có khối lượng nhẹ, độ bền độ cứng vững cao kết cấu độc đáo Hƣớng phát triển luận văn - Tiếp tục nghiên cứu sâu tối ưu topology nghiên cứu modul tối ưu lại phần mềm Tosca Structure, bao gồm: - Tối ưu hình dạng: Shape Optimazation - Tối ưu kích thước: Sizing Optimazation - Tối ưu đường gân: Bead Optimazation - Nghiên cứu kết hợp Modul tối ưu để đưa thiết kế có kết cấu hoàn hảo Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 77 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Như Cầu (2003), Tính kết cấu theo phương pháp tối ưu, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Võ Như Cầu (2005), Tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội C McMullen (2013), Topology, Harvard University, USA Dasaultsystemes Simulia (2016), Tosca Structure Documentation, France Dasaultsystemes Simulia (2016), Abaqus Documentation, France Nguyễn Tiến Dũng (2006), Phương pháp phần tử hữu hàn, Đại học Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Đình Đức, Đào Như Mai (2011), Sức bền Vật liệu Kết cấu, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Địch (2007), Thiết Kế Đồ Án Công Nghệ Chế Tạo Máy, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Địch (2006), Tự Động Hoá Sản Xuất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 Fan Yuqing, Hu Lu, Waqas Saleem (2008), Topology Optimization- Problem Formulation and Pragmatic Outcomes by integration of TOSCA and CAE tools, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2008, San Francisco, USA 11 Fan Yuqing, Hu Lu, Waqas Saleem (2008), Application of Topology Optimization and Manufacturing Simulations - A new trend in design of Aircraft components, Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2008 Vol II, HongKong 12 Nguyễn Hưng (2011), Tính tốn sức bền truyền bánh Trochoid phương pháp phần tử hữu hạn, Đại học Đà Nằng, Đà Nẵng 13 Ngô Như Khoa, Trần Ích Thịnh (2007), Phương pháp phần tử hữu hạn, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội 14 Nguyễn Hữu Lộc (2004), Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất Đại học Quốc gia, TP Hồ Chí Minh 15 M.P Bends0e o Sigmund (2003), Topology Optimization Theory, Methods, and Applications, Spinger Velarge Berlin Heidelbeg NewYok, America 16 Manoj Hariharan (2006), Spur gear tooth stress analysis and stress reduction using stress reducing geometrical features, Thapar Institute of Engineering and Technology, Patiala Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 78 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 17 Maurizio Muzzupappa, Loris Barbieri and Fabio Bruno (2011), “Integration of topology optimisation tools and knowledge management into the virtual Product Development Process of automotive components”, Int J Product Development, Vol 14, Nos 1–4, pp 14–33 18 Nguyễn Thế Minh (2011), Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu cần máy xúc gầu ngược dẫn động thủy lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 19 Trần Minh Mẫn (2017), Nghiên cứu sử dụng giải thuật tiến hóa thiết kế tối ưu sàn phẳng bê tông ứng lực trước, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh, TP.Hồ Chí Minh 20 Lê Đại Phước (2013), Phương pháp số lý thuyết tối ưu, Đại học sư phạm TP.Hồ Chí Minh, TP.Hồ Chí Minh 21 Robin Larsson (2016), Methodology for Topology and Shape Optimization: Application to a Rear Lower Control Arm, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden 22 Wilcox L, Coleman W (1973), “Application of Finite Elements to the analysis of gear tooth stresses”, ASME Journal of Engineering for Industry, vol 95, pp 1139-1148 23 https://info.simuleon.com/blog/topology-optimization-of-an-abaqus-model-intosca 24 http://www.splav-kharkov.com/en/e_mat_start.php?name_id=87 25 http://dx.doi.org/10.1080/16864360.2017.1375672 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 79 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………………………… Danh mục bảng biểu………………………………………………………………………… Danh mục hình ảnh………………………………………………………………………… MỞ ĐẦU i Chƣơng TỔNG QUAN VỀ TỐI ƢU HÓA KẾT CẤU VÀ LÝ THUYẾT PHẦN TỬ HỮU HẠN .4 1.1 Tối ƣu hóa kết cấu .4 1.1.1 Bài toán tối ƣu 1.1.2 Tối ƣu hóa kết cấu 1.1.3 Các loại tối ƣu tối ƣu hóa kết cấu 1.2 Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH) 1.2.1 1.2.1.1 Khái niệm phương pháp PTHH [2][6][13] 1.2.1.2 Các nguyên lý 1.2.2 Các định nghĩa PTHH 13 1.2.2.1 Xấp xỉ PTHH [13] 13 1.2.2.2 Định nghĩa hình học PTHH [13] 13 1.2.2.3 Các dạng PTHH [13] 14 1.2.2.4 Phần tử quy chiếu, phần tử thực [13] 15 1.2.3 1.3 Khái niệm nguyên lý PTHH Sơ đồ tính tốn phƣơng pháp PTHH [13] 16 Phần mềm hỗ trợ .18 Chƣơng PHẦN MỀM TOSCA STRUCTURE VÀ SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH TỐI ƢU HĨA THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ 20 2.1 Phần mềm Tosca Structure 20 2.1.1 Cơ sở toán học 20 2.1.1.1 Lý thuyết chung 20 2.1.1.2 Mơ tả tốn học tối ưu hóa topology 22 2.1.2 Các modul chức Tosca Structure 26 2.1.3 Các giao diện sử dụng 28 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 80 LUẬN VĂN CAO HỌC 2.2 GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Sơ đồ tiến trình tối ƣu hóa thiết kế chi tiết khí 32 Chƣơng ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOSCA STRUCTURE VỚI GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM ABAQUS ĐỂ TỐI ƢU THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐĨA XÍCH VÀ TAY GẦU CỦA MÁY XÚC THỦY LỰC GẦU NGƢỢC 34 3.1 Tối ƣu thiết kế chi tiết đĩa xích 34 3.1.1 Điều kiện làm việc kết cấu đĩa xích 34 3.1.1.1 Bộ truyền xích 34 3.1.1.2 Lực tác dụng truyền xích [14] 34 3.1.1.3 Điều kiện làm việc đĩa xích 35 3.1.1.4 Kết cấu đĩa xích 35 3.1.2 Thơng số đĩa xích dùng để tối ƣu hóa 36 3.1.3 Phân tích thiết kế sơ kết cấu đĩa xích để tối ƣu hóa 37 3.1.3.1 Phân tích kết cấu đĩa xích 37 3.1.3.2 Thiết kế đĩa xích 38 3.1.4 Phân tích PTHH phần mềm ABAQUS 39 3.1.5 Tối ƣu hóa thiết kế đĩa xích TOSCA Structure giao diện ABAQUS 44 3.1.5.1 Tạo mơ hình phân tích 44 3.1.5.2 Tạo nhiệm vụ tối ưu (Creat Optimazation Task) 44 3.1.5.3 Thiết lập đặc trưng thiết kế tối ưu (Creat Design Response) 45 3.1.5.4 Thiết lập hàm mục tiêu (Creat Objective Funtion) 45 3.1.5.5 Thiết lập điều kiện buộc tối ưu (Creat Constrain) 46 3.1.5.6 Tạo q trình giải tốn tối ưu (Creat Optimazation Process) 46 3.1.5.7 Xác nhận hồn tất q trình thiết lập tối ưu 47 3.1.5.8 Tosca Structure thực tối ưu hóa 47 3.1.5.9 Hiển thị kết tối ưu 48 3.1.5.10 hình 3D Dùng Tosca Structure để làm trơn bề mặt chi tiết sau tối ưu xuất mô 55 3.1.6 Dùng phần mềm CATIA thiết kế lại đĩa xích theo hình dạng cấu trúc đƣợc tối ƣu 56 3.2 Tối ƣu kết cấu tay gầu máy xúc thủy lực gầu ngƣợc 57 3.2.1 Tính tốn thiết kế kích thƣớc tay gầu 57 3.2.1.1 Giới thiệu máy xúc thủy lực gầu ngược 57 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 81 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 3.2.1.2 Điều kiện làm việc máy xúc 57 3.2.1.3 Mơ hình khảo sát động học [18] 58 3.2.1.4 Xác định tổ hợp tải trọng tính tốn thiết kế cần tay gầu [18] 59 3.2.1.5 Xác định tổ hợp tải trọng vị trí nguy hiểm để tính tốn thiết kế kiểm tra kết cấu cần tay gầu [18] 60 3.2.1.6 3.2.2 Kết tính tốn thiết kế tay gầu 61 Tối ƣu thiết kế kết cấu tay gầu phần mềm Tosca Structure 63 3.2.2.1 Xây dựng mơ hình 3D phần mềm CATIA 63 3.2.2.2 Phân tích PTHH phần mềm ABAQUS 63 3.2.2.3 Tối ưu kết cấu tay gầu phần mềm Tosca Structure 64 3.2.2.4 Dùng CATIA thiết kế lại tay gầu theo kết tối ưu 69 3.3 Đánh giá kết sau tối ƣu hóa 70 3.3.1 Kết cấu khối lượng chi tiết 70 3.3.2 Đánh giá ứng suất chuyển vị kết cấu 74 KẾT LUẬN 77 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 77 Hƣớng phát triển luận văn 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Học viên: Đặng Văn Phương Kỹ thuật Cơ khí 2016A 82 ... tiêu tối ưu thiết kế kết cấu chi tiết khí; Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TOSCA để tối ưu thiết kế số chi tiết khí Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết chung, kết hợp với nghiên cứu ứng dụng. .. nghiên cứu chọn lĩnh vực tối ưu hóa thiết kế chi tiết khí làm đề tài luận văn Bài tốn ứng dụng phần mềm để tối ưu hóa thiết kế chi tiết, sản phẩm khơng phải tốn cần tìm phần mềm thuật toán để ứng dụng. .. Tosca sơ đồ tiến trình tối ưu hóa thiết kế chi tiết khí Chương 3: Ứng dụng phần mềm Tosca Structure với giao diện phần mềm ABAQUS để tối ưu thiết kế chi tiết đĩa xích chi tiết tay gầu máy xúc thủy