Nghiên cứu tối ưu hình dạng và kích thước chi tiết máy dạng tròn xoay đối xứng trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM HỮU LỘC NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CHI TIẾT MÁY DẠNG TRỊN XOAY ĐỐI XỨNG TRỤC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP HCM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM HỮU LỘC Ngày, tháng, năm sinh: 18/11/1980 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 00406065 Phái: Nam I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Tối Ưu Hình Dạng Và Kích Thước Chi Tiết Máy Dạng Tròn Xoay Đối Xứng Trục II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Giới thiệu tổng quan tối ưu hóa chi tiết dạng trịn xoay đối xứng trục - Nghiên cứu phương pháp giải tốn tối ưu hóa chi tiết dạng trịn xoay đối xứng trục - Xây dựng mơ hình tốn tối ưu hình dạng kích thước chi tiết máy dạng trịn xoay đối xứng trục - Tính tốn tối ưu hình dạng kích thước mơ hình đĩa tròn xoay đối xứng trục phương pháp Gradient kiểm tra kết tính tốn phương pháp số - Nhận xét kết tính tốn III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CÁM ƠN Xin gởi lời chân thành biết ơn sâu sắc đến: Phó giáo sư - Tiến sỹ Nguyễn Hữu Lộc, Phó trưởng Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM trực tiếp tận tình hướng dẫn việc nghiên cứu thực luận văn Các thầy thuộc Khoa Cơ Khí, Phịng Đào tạo sau đại học, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Lãnh đạo đồng nghiệp thuộc khoa Cơ Khí, Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tuy Hịa tỉnh Phú Yên tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian làm luận văn Các bạn lớp Cao học CTM khố 2006-2008 đóng góp ý kiến, giúp đỡ, hỗ trợ để hồn thành luận văn Cùng gia đình cha, mẹ, anh, em, bạn bè vợ Lê Thị Hồng ủng hộ, động viên tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi để luận văn hồn thành Thành phố Hồ Chí Minh ngày 30 tháng 06 năm 2008 Học viên cao học Phạm Hữu Lộc TÓM TẮT LUẬN VĂN Một sản phẩm muốn tồn thị trường phải hội đủ yếu tố như: Chất lượng tốt nhất, chi phí thấp nhất, thời gian sản phẩm tung thị trường ngắn nhất…Và thiết kế tối ưu hình dạng kích thước kết cấu công cụ quan trọng để đáp ứng nhu cầu Tối ưu hóa hình dạng kích thước giúp cho sản phẩm đạt hình dạng kích thước tối ưu, dáng sản phẩm khơng thay đổi Trong lĩnh vực thiết kế khí, việc thiết kế thực chủ yếu theo kinh nghiệm Thiết kế theo kinh nghiệm gây lãng phí thời gian, chất lượng khơng đảm bảo, chi phí sản xuất lớn, suất kém, dẫn đến giá thành sản phẩm tăng Khi ứng dụng tối ưu hình dạng kích thước kết cấu vào thiết kế tăng suất chất lượng sản phẩm Trong nhiều kết cấu khí kết cấu có dạng trịn xoay đối xứng trục phổ biến Đó lý để làm đề tài Luận văn sử dụng phương pháp giải tích Gradient phương pháp số để giải tốn tối ưu hóa kết cấu Đối tượng nghiên cứu đĩa trịn xoay đối xứng trục, sử dụng công cụ phần mềm matlab Ansys 9.0 để giải tốn tối ưu Kết luận văn trình bày tổng quan tối ưu hóa kết cấu, phương pháp giải tốn tối ưu, tính tốn tốn tối ưu hình dạng kích thước đĩa tròn xoay đối xứng trục phương pháp Gradient phương pháp số ABSTRACT A product want to exist on the market It seems that enough of element as: best quality, undermost cost, market place product time is the shortest And size and shape optimal design of structures is one of essential tool to meet the requirement upper Optimizing the shape and size of structure help product reach optimum shape and size, but product appearance is changeless In the mechanical elements field design, present design still be realized chiefly empiric that be is main Design in experience causes waste of time, bad quality, away large-scale production cost, coarse productivity, leads on boost prime cost By then if size and shape optimal design Application gets into design, it will increase productivity and quality of product In many mechanical elements that structures had axisymmetric model which is the most popular it was reason that make this topic This thesis uses number method and Gradient analytic method to resolve Researched object was axisymmetric rotating disks, exertion tool is software matlab and Ansys 9.0 to solve optimum problem Thesis result presented general about structure optimization, basic methods for optimum problem, calculate to shape and size optimum problem of method and number method axisymmetric rotating disks by Gradient MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tối ưu hóa hình dạng kích thước chi tiết dạng tròn xoay đối xứng trục 1.2 Tối ưu hình dạng kích thước chi tiết dạng tròn xoay đối xứng trục 1.3 Tình hình nghiên cứu tối ưu hình dạng chi tiết máy dạng trịn xoay đối xứng trục 1.4 Xác định đề tài nghiên cứu 1.5 Đối tượng nghiên cứu đề tài 10 1.6 Mục tiêu nghiên cứu 10 1.7 Phương pháp nghiên cứu 10 1.8 Phạm vi nghiên cứu 10 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA CHI TIẾT DẠNG TRÕN XOAY ĐỐI XỨNG TRỤC 11 2.1 Phân loại toán tối ưu hình dạng kích thước chi tiết dạng trịn xoay đối xứng trục 11 2.2 Bài tốn khơng ràng buộc với biến thiết kế 11 2.3 Bài tốn khơng ràng buộc với nhiều biến thiết kế 12 2.4 Bài tốn có ràng buộc với nhiều biến thiết kế 13 2.5 Bài toán quy hoạch động 35 2.6 Phần mềm giải toán tối ưu kết cấu 36 2.7 Kết luận 37 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN TỐI ƯU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CHI TIẾT DẠNG TRÕN XOAY ĐỐI XỨNG TRỤC 38 3.1 Mơ hình tốn 38 3.2 Phân tích ứng suất 39 3.3 Xây dựng mơ hình tốn tốn tối ưu 44 3.4 Kết luận 54 CHƯƠNG 4: GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MƠ HÌNH ĐĨA TRÕN XOAY ĐỐI XỨNG TRỤC 55 4.1 Mô hình tốn 55 4.2 Mơ hình toán 67 4.3 Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính tốn tối ưu hình dạng kích thước bánh 76 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 5.1 Kết luận 82 5.2 Hướng phát triển đề tài 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 86 Trang LỜI MỞ ĐẦU oOo -Tính Cấp Thiết Của Đề Tài Một sản phẩm muốn tồn thị trường phải hội đủ nhiều yếu tố: Chất lượng tốt nhất, chi phí thấp nhất, thời gian sản phẩm tung thị trường ngắn … Vì thiết kế tối ưu kết cấu, đặc biệt thiết kế tối ưu hình dạng kích thước kết cấu, công cụ quan trọng để đáp ứng nhu cầu Tối ưu hóa hình dạng kích thước giúp cho sản phẩm đạt hình dạng kích thước tối ưu, dáng sản phẩm không thay đổi Thuật ngữ tối ưu kết cấu khí xuất vào năm 1970 Năm 1986, Haftka Grandhi đưa tối ưu hóa hình dạng với biến thiết kế tọa độ nút khung kết cấu hay tọa độ nút điểm điều khiển đường Spline Tối ưu hóa kết cấu khí nghiên cứu Seireg Surana Nhưng trình bày lý thuyết cách tổng quan chung [1] Trong tối ưu kết cấu khí gồm có: Tối ưu kiểu dáng, tối ưu hình dạng tối ưu kích thước, tối ưu hình dạng kích thước xác định hình dạng kích thước tối ưu sản phẩm Tối ưu hình dạng kích thước giai đoạn sau giai đoạn tối ưu hóa kiểu dáng Ứng dụng tối ưu hình dạng kích thước thiết kế tăng suất, chất lượng sản phẩm, rút ngắn thời gian sản phẩm tung thị trường cải tiến mẫu mã sản phẩm Hiện sở sản xuất Việt Nam, thiết kế kết cấu khí chủ yếu theo kinh nghiệm Thiết kế theo kinh nghiệm gây lãng phí thời gian, chất lượng khơng đảm bảo, chi phí sản xuất lớn, suất Khi ứng dụng cơng cụ tối ưu hóa hình dạng kích thước kết cấu vào thiết kế tăng suất chất lượng sản phẩm Hiện tối ưu hóa hình dạng kích thước kết cấu khí lĩnh vực mẻ nước ta CBHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC HVTH: PHẠM HỮU LỘC Trang Với tính chất mẻ Việt Nam nhu cầu thực tế nêu lý để em sâu nghiên cứu phương pháp tối ưu hình dạng kích thước kết cấu khí Và nhiều kết cấu khí kết cấu có dạng trịn xoay đối xứng trục phổ biến Vì em chọn hướng nghiên cứu đề tài luận văn “ Nghiên cứu tối ưu hình dạng kích thước chi tiết máy dạng tròn xoay đối xứng trục ” Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn Của Đề Tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài chổ: Đưa phương pháp tính tốn tối ưu hình dạng kích thước chi tiết dạng trịn xoay, xác định hình dạng kích thước tối ưu chi tiết trịn xoay chịu tác dụng tải trọng khác nhau, góp phần tăng suất chất lượng thiết kế sở sản xuất khí nước CBHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC HVTH: PHẠM HỮU LỘC Trang 89 end while ~isempty(findstr(R,'RootOf')) k = min(findstr(R,'RootOf')); p = findstr(R,'{'); p = max(p(pk)); s = R(p:q); t = s(min(findstr(s,'RootOf'))+6:end); e = min(find(cumsum((t=='(')-(t==')'))==0)); if isempty(find(commas(t(2:e-1)))) [s,stat] = maple('allvalues',s,'dependent'); if stat error(s) end else s = maple('evalf',s); end R = [R(1:p-1) s R(q+1:end)]; End if nvars == & nargout p)); t = trim(R(p+1:q-1)); % The solution (xk) S = [S; sym(t)]; end varargout{1} = S; else c = [1 find(commas(vars)) length(vars)]; S = []; for j = 1:nvars CBHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC HVTH: PHẠM HỮU LỘC Trang 90 v = trim(vars(c(j)+1:c(j+1)-1)); S = setfield(S,v,[]); End c = [1 find(commas(R) | R == '{' | R == '}') length(R)]; for p = find(R == '=') q = max(c(cp)); t = trim(R(p+1:q-1)); % The solution (xk) S = setfield(S,v,[getfield(S,v); sym(t)]); end if nargout SMAX_L CBHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC HVTH: PHẠM HỮU LỘC TÓM TẮT LÝ LỊCH Họ tên: Phạm Hữu Lộc Ngày tháng năm sinh: 18/11/1980 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc: 64/15 Thành Phố Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên Điện thoại: 0914683684 Email: loccdcnth@yahoo.com; locpham80@yahoo.com Q TRÌNH ĐÀO TẠO VÀ CƠNG TÁC - Từ năm 1998 đến 2003: sinh viên khoa Cơ Khí trường Đại Học Bách khoa Tp HCM - Từ 2003 đến 2006: Là giáo viên trường Cao Đẳng Cơng nghiệp Tuy Hịa tỉnh Phú n - Từ 2006 đến nay: Học viên cao học Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM ... tối ưu hóa hình dạng kích thước chi tiết dạng tròn xoay đối xứng trục 1.2 Tối ưu hình dạng kích thước chi tiết dạng tròn xoay đối xứng trục 1.3 Tình hình nghiên cứu tối. .. [1] Trong tối ưu kết cấu khí gồm có: Tối ưu kiểu dáng, tối ưu hình dạng tối ưu kích thước, tối ưu hình dạng kích thước xác định hình dạng kích thước tối ưu sản phẩm Tối ưu hình dạng kích thước giai... hóa chi tiết dạng trịn xoay đối xứng trục - Nghiên cứu phương pháp giải tốn tối ưu hóa chi tiết dạng trịn xoay đối xứng trục - Xây dựng mơ hình tốn tối ưu hình dạng kích thước chi tiết máy dạng