Nghiên cứu thiết kế tối ưu hoá kết cấu khung xe gắn máy

TĨM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày số lý thuyết tối ưu ứng dụng lý thuyết để giải toán tối ưu kết cấu Kết cấu khung sườn dạng 2D miêu tả liên kết chi tiết dạng chi tiết khung có tiết diện hình trịn hình chữ nhật, lực tác dụng lên khung sườn áp dụng theo TCVN 7238-2003 Mục tiêu toán tối ưu hóa trọng lượng, cụ thể diện tích mặt cắt ngang chi tiết khung kết cấu Ứng dụng lý thuyết tối ưu, luận văn trình bày phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, kết hợp phương pháp chuỗi tuyến tính Taylor phương pháp đơn hình để giải tốn tối ưu hệ dàn khung phằng So sánh kết đạt với kết ứng dụng phần mềm Ansys, từ đề suất phương pháp giải tốn tối ưu khung sườn phần mềm Ansys Xử lí kết tối ưu cách hiệu chỉnh giá trị biến thiết kế, phù hợp theo tiêu chuẩn nhà sản xuất ABSTRACT Optimum structural design Frame of Motorcycles This content of thesis presents some of optimal theories and applys them for solving optimum structural problems 2D of structural frame is described by shell and beam parts conecting by welding and apply TCVN 7283-2003 standard for loading on frame We considered the problem of minimizing the mass of frame, especially are cross section of pipe and hole rectangle beam The thesis used finite element method for analysis structure and combined Taylor’s sequence of linear approach and simplex method to solve optimal structure of truss and beam problems It compared the result of numeral method to result of using Ansys software, so we trend solving to optimum structure of frame problems by Ansys software The postprocessor of optimal result is presented by modification of design variables which is suitable to standard of production Chương 1: Tổng quan    CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu chi tiết dạng khung giới nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới Quá trình nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu giới nghiên cứu từ lâu Khái niệm tối ưu hóa hình dáng Galileo Galilei thể tài liệu “lí thuyết hình dạng vật thể với cân độ bền” kỷ 16 Nội dung thể cách hệ thống phương pháp nghiên cứu q trình gãy vỡ vật liệu dịn Ông miêu tả ảnh hưởng hình dạng chi tiết đến độ bền Ở kỷ 17 18, nghiên cứu Lagrange Hamitol góp phần hồn thiện q trình tính tốn dao động Kết sở để giải số vấn đề tối ưu hóa kết cấu Ví dụ: tối ưu thiết kế cho trụ, chịu xoắn hay dầm cơng xơn với việc tối ưu hóa diện tích mặt cắt ngang xác định tính tốn dao động Theo kết điều tra Khoa Hàng Không Vũ Trụ, trường Đại Học Kyoto, Nhật Bản [20], q trình nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu tổng kết sau • Từ trước 1980: Q trình phân tích kết cấu trở nên phổ biến, thay q trình kiểm tra lí-tính Q trình tối ưu hóa kết cấu khơng áp dụng cách khả thi địi hỏi loại máy tính có tốc độ xử lí cao • Những năm 1980: Việc phân tích kết cấu trở thành cơng cụ thiết kế Mặt dù phát triển, trình tối ưu hóa kết cấu hầu hết dùng lại q trình nghiên cứu • Những năm 1990: Cùng với phát triển phần mềm thiết kế 3D(CAD) phần mềm tính tốn (CAE), q trình phân tích kết cấu tối ưu hóa kết cấu góp phần làm giảm thời gian cho chu kì thiết kế sản phẩm • Từ năm 2000 đến nay: Q trình phân tích kết cấu hồn tồn thay q trình kiểm tra cơ-lí tính vài sản phẩm.Mặt dù chấp nhận 1    Chương 1: Tổng quan    công cụ thiết kế, q trình tối ưu hóa kết cấu dường chưa đạt đến xu hướng phổ biến Một số nghiên cứu giới năm gần tối ưu hóa khung chi tiết tham khảo tài liệu [20] 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Đối với lĩnh vực khí, chi tiết dạng khung chiếm khối lượng lớn khối lương toàn sản phẩm, nhiên việc nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu sản phẩm khung đa số áp dụng cho sản phẩm ngành xây dựng, đề cập đến sản phẩm khí Ví dụ như: • Mơ phân tích tính ổn định hệ đàn dẻo • Tính tốn tối ưu hóa kết cấu thép cánh rỗng định hình • Tính tốn tối ưu kết cấu dàn khơng gian theo giải thuật di truyền • Nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đến tầng số dao động kết cấu khung dầm • Tối ưu hóa kiều dáng cho sản phẩm khí [6] • Nghiên cứu tính tốn tối ưu hóa thân xe buýt [7] 1.2 Tổng quan loại khung xe gắn máy Chức năng: khung sườn xe gắn máy gồm chức • Chịu tải trọng tĩnh xe đứng yên • Chịu tải trọng động xe hoạt động Phân loại: khung xe gắn máy chia làm loại: xe đua xe dân dụng 1.2.1 Khung sườn xe đua: Khung sườn đua thiết kế lắp ráp với động có dung tích lớn từ 125cc đến 750cc chí 1250cc 2    Chương 1: Tổng quan    Hình 1.1-Kiểu khung sườn chung cho loại xe đua Bộ phận giảm xóc( suspension) phía sau thiết kế nghiên phía trước, gần với trọng tâm xe Tùy vào hãng thiết kế, phân giảm xóc đơn đơi Hình 1.2- Khung sườn kiểu dáng xe đua Ducati 749 Hình 1.2 thể kết cấu khung sườn xe đua Ducati 749 hãng Honda, hệ xe đua tương lai Khung sườn thiết kế từ loại thép ống ALS450 độ bền cao, kết cấu khung tam giác với gân chịu lực gia cố 1.2.2 Khung sườn xe dân dụng Khung sườn xe dân dụng chia làm hai loại bao gồm xe tay ga xe số • Khung sườn xe số( cub): khởi đầu cho dòng xe gắn máy loại xe cub với kết cấu khung sườn dạng 3    Chương 1: Tổng quan    Hình 1.3- Khung sườn điển hình cho dịng xe cub cổ điển Dựa vào kết cấu trên, tiết diện ngang khung thường có dạng chữ U, ghép phần khung sườn trái phải mối hàn Kết cấu ta thường thấy loại xe Dream, cub 50cc, cub 70cc… Với đòi hỏi tiện lợi giảm chi phí, loại xe cub sử dụng kiểu kết cấu ống, tăng không gian cho người sử dụng giảm giá thành Hình 1.4- Khung sườn xe Angle EZ 110cc Kiểu khung sườn xe cub thiết kế với không gian lớn, tiện cho người sử dụng để vật dụng cá nhân ( nón bảo hiểm, ví tiền …) • Kiểu khung xe tay ga: thiết kế gầm thấp, thường sử dụng kết cấu ống để tạo nhiều không gian trống Phần động lắp khung sườn, cịn bình xăng có thề lắp phía trước ( chân người ngồi trước) phía sau 4    Chương 1: Tổng quan    Hình 1.5: Khung xe Attila 125cc 1.3 Các phương pháp giải tốn tối ưu hóa kết cấu 1.3.1 Các phương pháp truyền thống Các phương pháp truyền thống cho tốn tối ưu hóa kết cấu phụ thuộc vào dạng phương trình tốn, điều có nghĩa lời giải cho tốn đạt chọn điểm tới hạn ràng buộc làm nghiệm tối ưu Kết phương pháp thường số phương trình ràng buộc với số biến thiết kế Tuy nhiên, việc chọn sai giới hạn ràng buộc hay số ràng buộc nhỏ số biến thiết kế dẫn đến lời giải sai có ràng buộc khơng đạt giá trị tới hạn xem vi phạm Về tồng qt, khơng thể đốn trước ràng buộc yếu tố cần thiết cho loại toán 1.3.2 Các phương pháp tiêu chuẩn tối ưu Các phương pháp tiêu chuẩn tối ưu giả sử tiêu chuẩn liên quan đến ứng xử kết cấu thỏa mãn điểm tối ưu Fully Stress Design(FSD) tiêu chuẩn điển hình cho phương pháp FSD cho phần tử tối ưu kết cấu phải chịu ứng suất giới hạn tác dụng ngoại lực Ưu điểm tiêu chuẩn gắn với ý nghĩa vật lý rõ ràng, biểu diễn tốn chặc chẽ, dễ lập trình cho máy tính, hội tụ nhanh với tốn nhiều biến Nhược điểm phương pháp chứng minh tính hội tụ tốn đơi gặp khó khăn, phạm vi ứng dụng không rộng phương pháp qui hoạch toán học 5    Chương 1: Tổng quan    Cơ sở toán học phương pháp tiêu chuẩn tối ưu phương pháp nhân tử Lagrange ∑ ,λ λ (1.1) Trong λ gọi nhân tử Lagrange, hàm (1.3) gọi hàm mục tiêu mở rộng Điều kiện cần để tồn cực trị (1.3) ∑ hay ∑ λ / λ 0; 1 (1.2) (1.3) Điều kiện (1.5) gọi điều kiện Kuhn-Tucker 1.3.3 Phương pháp qui hoạch toán học Phương pháp qui hoạch toán học(MP) giải toán tổng qt sử dụng thuật tốn tìm kiếm phương pháp số Đặc điểm chung phương pháp tìm nghiệm tối ưu miền thiết kế cách xuất phát từ điểm lựa chọn ban đầu, từ tìm hướng đến điểm tốt X1, X2… ,Xi cho hàm mục tiêu F(X) không thề nhỏ (hoặc lớn hơn) MP xem phương pháp tổng quát, có hiệu giải tốn tối ưu nói chung tốn kết cấu nói riêng Một số đặc điểm phương pháp qui hoạch tốn học: • Có thể xác định đối tượng bị phá hủy chịu tác dụng tải trọng khác hệ thống kết cấu phức tạp • Các ràng buộc đa dạng ứng xử kết cấu khảo sát chuyển vị, ứng suất, độ bất ổn định, đáp ứng động…cũng giới hạn biến thiết kế • Hàm mục tiêu tổng quát thể hàm chi phí khơng giới hạn việc tối ưu trọng lượng kết cấu 1.3.4 Phương pháp tối ưu tiến hóa Xie Steven người đề xuất phương pháp vào năm 1993 Nội dung phương pháp sau: xuất phát từ kết cấu ban đầu, loại bỏ số phần tử có ứng xuất nhỏ Tiêu chuần loại bỏ dựa vào tỉ số ứng xuất phấn tử ứng suất cực đại kết cấu, kí hiệu α Với αo chọn ban đầu, q trình phân tích-loại bỏ 6    Chương 1: Tổng quan    lặp khơng cịn phần tử có α < αo Tiếp theo, αo tăng lên lượng ε, gọi bước tiến hóa Q trình phân tích-loại trừ lặp với ε thường lấy (1÷5%)αo Q trình dừng lại đạt đồng đểu ứng suất kết cấu Như vậy, phương pháp tối ưu tương đối đơn giản, dễ thực với trợ giúp máy tính Về chất, phương pháp tương tự phương pháp tiêu chuẩn tối ưu Ví dụ với hệ kết cấu dàn, sử dụng phương pháp để giải toán tối ưu cấu trúc 1.3.5 Phương pháp giải thuật di truyền Thuật giải di truyền(GA) hình thành dựa quan niệm cho q trình tiến hóa tự nhiên q trình hồn hảo nhất, hợp lí tự mang tính tối ưu GA mơ phòng tượng tự nhiên: kế thừa đấu tranh sinh tồn để cải tiến giải pháp không gian giải pháp GA thừa nhận công cụ hiệu tối ưu hóa kết cấu, bao gồm tối ưu kích thước, hình dáng cấu trúc Một số đặc điểm giải thuật di truyền tối ưu hóa kết cấu • GA làm việc với tốn tối ưu mà biến rời rạc liên tục GA phương pháp hiệu toán tối ưu có biến thiết kế lớn • GA phương pháp tìm kiếm từ quần thể điểm khơng phải từ điểm (tính song song) Kết thu đuợc từ GA thường kết tối ưu toàn cục • GA sử dụng luật xác xuất (tính ngẫu nhiên), không yêu cầu hướng gradient hệ truyền 1.4 Xác định mục tiêu nghiên cứu Vịêc nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu dạng khung sản phẩm khí nói riêng sản phầm ngành kỹ thuật khác nói chung thực cần thiết Q trình tối ưu hóa mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp sản xuất cải tiến mẫu mã, giảm khối lượng vật liệu, giảm giá thành, tăng suất…Tại Việt Nam, 7    Chương 1: Tổng quan    trình tối ưu hóa kết cấu khung tập trung chủ yếu ngành xây dựng, sản phẩm khí cịn hạn chế Với nhu cầu cần thiết trên, luận văn mong muốn góp phần vào việc nghiên cứu tối ưu hóa chi tiết lĩnh vực khí, cụ thể nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu khung xe gắn máy 1.5 Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu sở lí thuyết giải tốn tối ưu hóa kết cấu • Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế CAD/CAE việc tối ưu hóa kết cấu ( Ansys 9.0) • Phân tích kết cấu khung sườn, đơn giản hóa chi tiết có diện tích hình trịn hình chữ nhật chi tiết dàn khung • Áp dụng lý thuyết để giải tốn tối ưu hóa trọng lượng kết cấu cho hệ dàn, khung phẳng So sánh với kết tính phần mềm Ansys • Mơ hình hóa khung sườn xe máy dạng 2D, phân tích lực tác dụng, giải tốn tối ưu khung sườn phần mềm Ansys • Xử lí đánh giá kết nhận từ phần mềm tối ưu 1.6 Phạm vi nghiên cứu Trong trình làm việc, khung xe chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng từ bên ngồi Do đó, để đảm bảo hồn thành mục tiêu nghiên cứu đề tài cần giới hạn phạm vi nghiên cứu sau • Chỉ nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu chi tiết cụ thể khung sườn • Điều kiện nghiên cứu: tải trọng tĩnh, áp dụng khung sườn theo tiêu chuẩn thử nghiệm Việt Nam ( TCVN 7238-2003) Không áp dụng cho điều kiện thực tế có tác động nhiệt độ, môi trường, mặt đường… yếu tố người gây • Mơ hình tốn dạng phẳng (2D) 8    Phụ lục 1    Hình P1.4 Chạy chương trình Mainmenu > Design Opt > Run > Ok Xuất kết Kết tối ưu: A1= 187,1 A2= 260.3 Hình P1.5 91    Phụ lục 1    Vẽ biểu đồ quan hệ biến thiết kế số vòng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: A1, A2 Hình P1.6 Vẽ biểu đồ quan hệ thể tích số vịng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: Volume Hình P1.7 92    Phụ lục 2    PHỤ LỤC 2: BÀI TOÁN TỐI ƯU HỆ KHUNG Đoạn Code file tuhekhung.txt /BATCH ! /COM,ANSYS RELEASE 9.0 /title, Design Optimization *SET,B , 30 *SET,H , 30 /PREP7 ET,1,BEAM3 R,1,B*H,(B*H**3)/12,H, , , , MP,EX,1,200 MP,PRXY,1,0.32 K,1,0,0,, K,2, 600, 800,, K,3,1600 , 800,, L, 1, L, 2, LESIZE,ALL, 50, , , ,1, , ,1, LMESH, ALL FINISH /SOLU ANTYPE,0 DK,1,ALL,0 DK,3,ALL,0 FK,2,FX,50 FK,2,FY,-75 SOLVE FINISH 93    Phụ lục 2    /POST1 *GET,UX, NODE, 2,UX *GET,UY, NODE, 2,UY ETABLE,EVolume,VOLU, SSUM *GET,VOLUME ,SSUM, ,ITEM,EVOLUME ETABLE, SMAXI, NMISC, ESORT,ETAB, SMAXI, 0,1, , *GET,SMINI,SORT,, MIN ETABLE,SMAXJ,NMISC, ESORT,ETAB,SMAXJ,0,1, , *GET,SMINJ,SORT,, MIN *SET,SMAX,SMAXI < SMAXJ Gán miền giá trị cho biến thiết kế, biến ràng buộc, hàm mục tiêu chọn phương pháp giải toán tương tự toán dàn Biến thiết kế 10 ≤ B ≤ 100 10 ≤ H ≤ 100 Biến ràng buộc -5.0 ≤ UX ≤ 5.0 -5.0 ≤ UY ≤ 5.0 0.1 ≤ Smax ≤ 0.2 Hàm mục tiêu: Volume Toler: 200 Chạy chương trình Xuất kết Kết tối ưu B= 10 ; H= 36 94    Phụ lục 2    Hình P2.1 Vẽ biểu đồ quan hệ biến thiết kế số vòng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: B, H Hình P2.2 95    Phụ lục 2    Vẽ biểu đồ quan hệ thể tích số vịng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: Volume Hình P2.3 96    Phụ lục 3    PHỤ LỤC 3: BÀI TOÁN TỐI ƯU KHUNG SƯỜN Đoan Code file tukhungsuon.txt /BATCH /title, DESIGN OPTIMIZATION *SET, W1, 40 *SET,W2, 20 *SET,D1,48.6 *SET,T, 2.8 *SET,T1,3.5 /PREP7 ET,1,SHELL63 ET,2,BEAM188 R,1,3.0 R,2,2.3 MP,EX,1,200000 MP,PRXY,1,0.32 SECTYPE, 1, BEAM, HREC, CN, SECOFFSET,CENT SECDATA,W1,W2,T,T,T,T SECTYPE, 2, BEAM, CTUBE, tr1, SECOFFSET,CENT SECDATA,D1-2*T1,D1 SECTYPE, 3, BEAM, CTUBE, tr2, SECOFFSET,CENT SECDATA,36.7,42.7 K,1,0,0 K,2,40,0 K,3,-40,0 97    Phụ lục 3    K,4,40,-127 K,5,-40,-25.73 K,6,-27.14,-112.79 K,7,0,72.35 K,8,-40,89.8 K,9,6.55,227.47 K,10,20,231.82 K,11,-33.93,214.12 K,12,270,314.07 K,13,530.86,400 K,14,-200,159.4,, K,15,-323.92,215.27 K,16,-415.4,293 K,17,-481.29,349 K,18,-585,344 K,19,-552.39,409.41 K,20,-512.13,490.15 K,21,-499.33,515.83 K,22,40,48.05 L,1,2 L,1,3 L,2,4 L,3,5 L,5,6 L,6,4 L,1,7 L,3,8 L,2,22 L,22, 98    Phụ lục 3    L, 9, 12 L, 8, 14 L,16,17 L,17, 19 L,16, 20 L,17, 18 L, 18, 19 L, 19, 20 L, 20, 21 LFILLT,3,6,20 LFILLT,5,6,20 LFILLT,4,5,250 LFILLT,8,12,100 LFILLT,10,11,120 LFILLT,9,10,200 L,32, 10 L,10, 11 L,11, 14 L, 7, 30 L, 7, 11 L,12, 13 L,14, 15 L,15, 16 AL,3,20,6,21,5,22,4,2,1 AL,8,23,29,7,2 AL,7,1,9,25,10,24,26,27,30 AL,28,12,30,29 AL,16,14,17 99    Phụ lục 3    AL,15,13,14,18 ASEL,S,,,1,4 AATT,1,1,1 ASEL,S,,,5,6 AATT,1,2,1 TYPE, MAT, REAL, LSEL,S,,,26,27 LATT,1,,2,,,,1 LSEL,S,,,11 LATT,1,,2,,,,1 LSEL,S,,,31 LATT,1,,2,,,,1 TYPE, MAT, REAL, LSEL,S,,,12,14 LATT,1,,2,,,,2 LSEL,S,,,32,33 LATT,1,,2,,,,2 LSEL,S,,,29 LATT,1,,2,,,,2 TYPE, MAT, REAL, LSEL,S,,,17,18 LATT,1,,2,,,,3 LSEL,S,,,19 100    Phụ lục 3    LATT,1,,2,,,,3 ESIZE,10, SMARTSIZE, , 1, 1, 2, 15, 28, 1.5, 1, 0, 4, ALLSEL LESIZE,ALL,10 LMESH,ALL AMESH,ALL FINISH /SOLU ANTYPE,0 DK,1, ALL,0 FK,18,FX,2000 FK,18,FY,1500 FK,10,FY,-3000 FK,12,FY,-1000 SOLVE FINISH /POST1 *GET,X2,NODE,254,U,X *GET,Y2,NODE,254,U,Y *GET,X1,NODE,155,U,X *GET,Y1,NODE,155,U,Y ETABLE,EVolume,VOLU, SSUM *GET,VOLUME ,SSUM, ,ITEM,EVOLUME ETABLE, SMAXI, SMISC, 32 ESORT,ETAB, SMAXI, 0,1, , *GET,SMAXI,SORT,, MAX ETABLE,SMAXJ,SMISC, 37 101    Phụ lục 3    ESORT,ETAB,SMAXJ,0,1, , *GET,SMAXJ,SORT,, MAX *SET,SMAX,SMAXI > SMAXJ Lập tốn tối ưu hóa Đọc file chạy chương trình: file tukhungsuong.txt Gán miền giá trị cho biến thiết kế 25 ≤ W1 ≤ 60 16 ≤ W2 ≤ 50 1.6 ≤ t ≤ 6.0 31.8 ≤ D1 ≤ 80.0 2.0 ≤ t1 ≤ 6.0 Hình P3.1 Gán miền giá trị cho hệ ràng buộc -1.0 ≤ X1 ≤ 1.0 -1.0 ≤ Y1 ≤ 1.0 -5.0 ≤ X2 ≤ 5.0 -5.0 ≤ Y2 ≤ 5.0 100 ≤ Smax ≤ 235 102    Phụ lục 3    Hình P3.2 Chọn hàm mục tiêu Parameter name: Volume Toler: 1000 Hình P3.3 Chọn phương pháp giải: tương tự toán dàn khung Maximum Iterations: 150 Percent step size: 100 Percent forward fiff: 0.2 Hình P3.4 103    Phụ lục 3    Chạy chương trình Xuất kết Kết tối ưu D1= 59.41 ; T1=2.0 W1= 60 ; W2= 23.91 ; T= 1.78 Hình P3.5 Vẽ biểu đồ quan hệ biến thiết kế số vòng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: D1, T, T1, W1, W2 Hình P3.6 104    Phụ lục 3    Vẽ biểu đồ quan hệ thể tích số vịng lặp X-Parameter: Set Number Y-Parameter: Volume Hình P3.7 105    ... thể nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu khung xe gắn máy 1.5 Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu sở lí thuyết giải tốn tối ưu hóa kết cấu • Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế CAD/CAE việc tối ưu hóa kết. .. tốn tối ưu hóa kết cấu thép cánh rỗng định hình • Tính tốn tối ưu kết cấu dàn khơng gian theo giải thuật di truyền • Nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đến tầng số dao động kết cấu khung dầm • Tối ưu. .. Nhật Bản [20], trình nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu tổng kết sau • Từ trước 1980: Q trình phân tích kết cấu trở nên phổ biến, thay trình kiểm tra lí-tính Q trình tối ưu hóa kết cấu không áp dụng