Nghiên cứu phương pháp thiết kế bền vững chi tiết máy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - LÊ MINH TUẤN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỀN VỮNG CHI TIẾT MÁY Chuyên Ngành: CHẾ TẠO MÁY Mã Số Ngành: 2.01.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - THÁNG NĂM 2003 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - LÊ MINH TUẤN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỀN VỮNG CHI TIẾT MÁY Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY Mã số ngành: 2.01.00 Luận văn thạc só TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Lộc ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1:………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2:………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trường Đại Học Bách Khoa, ngày tháng năm 2003 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Phòng Đào Tạo SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp, HCM ngày tháng năm 2003 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC VĂN Họ tên học viên: Lê Minh Tuấn Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1958 Chuyên ngành: Chế Tạo Máy Phái: Nam Nơi sinh: Vũng Tàu MSHV: CKCT12-017 I.Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỀN VỮNG CHI TIẾT MÁY II Nhiệm vụ nội dung: …………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… III Ngày giao nhiệm vụ: IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ:…………………………………………………………………………… V Họ tên cán hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Lộc Cán hướng dẫn Chủ nhiệm ngành Bộ môn quản lý chuyên ngành Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Phòng Đào tạo SĐH Ngày tháng năm 2003 Khoa quản lý ngành LỜI CẢM ƠN Để có kiến thức vô q giá hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp giao nay, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh dạy em suốt hai năm liền đặc biệt Thầy Nguyễn Hữu Lộc tận tình dạy bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt luận văn giao Xin Thầy Cô nhận nơi em kính trọng, ngưỡng mộ biết ơn, xin chúc Thầy Cô dồi sức khỏe để chấp cánh cho thể hệ sau bước vào tương lai Một lần xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Lộc giành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Cuối xin cảm ơn bạn Lê Văn Sỹ Bộ Môn Thiết Kế Máy bạn bè khác giúp đỡ học tập trình làm luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng năm 2003 Lê Minh Tuấn LỜI NÓI ĐẦU Ansys phần mềm lớn, mạnh có tính chuyên môn hóa cao, chủ yếu tính thiết kế kiểm tra ngành khí xây dựng Nó tính toán nhiệt, dòng chảy, từ, chuyển vị, ứng suất, dao động, tối ưu xác suất Ansys phát triển từ phiên 4.4 đến 5.4, 6.0, 7.0 7.4 Trên thị trường Việt Nam có 5.4, 5.7, 6.0, 7.0 7.1, có phiên 5.4 7.0 chạy ổn định Đối với nước ta ứng dụng phần mềm chưa phổ biến, giới hạn trường Đại học để dùng tính toán cho đồ án, luận văn tốt nghiệp Nhưng nước phổ biến rộng rãi, thân tiếp xúc trước nhận luận văn nên đưa đến định chọn đề tài “ Nghiên cứu phương pháp thiết kế bền vững chi tiết máy” (Xử dụng phần mềm Ansys để tính toán thiết kế) làm đề tài tốt nghiệp Mục đích để học hỏi, làm quen tính toán đơn giản đến phức tạp thông qua giúp đở thầy cô trường để sau ứng dụng lónh vực nghiên cứu tương lai quan Nhưng thời gian kiến thức có hạn chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận giúp đỡ dẫn thêm thầy, cô bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn Lê Minh Tuấn TÓM TẮT NỘI DUNG Luận vặn nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp thiết kế tiên tiến – Thiết kế bền vững – sở so sánh thiết kế truyền thống Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thiết kế xác suất phần mền ANSYS 7.0 tính toán thiết kế xác suất số chi tiết máy kết cấu tiêu biểu trục, tấm, dầm treo ABSTRACT This diploma thesis is researched on the theory basis of a new and modern design method – Robust Design – based on comparison with some traditional designs At the same time, it is also researched and applied the probabilistic design method in ANSYS 7.0 to calculate probability of some typical machine elements and structures such as shaft, plate, beam and suspension bar MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1KHÁI NIỆM…………………………………………………………………………………………………………….1 1.2 HỆ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY 1.3 NOÄI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA LUẬN VĂN CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1 THIẾT KẾ ĐƠN ĐỊNH 2.2 THIẾT KẾ THEO ĐỘ TIN CAÄY 10 2.2.1 Các mô hình tính toán độ tin cậy 10 2.2.2 Cơ sở tính toán độ tin cậy theo tiêu khả làm việc 11 2.3 THIẾT KẾ BỀN VỮNG 14 2.3.1 Thiết kế hệ thống 17 2.3.2 Thiết kế thông số 19 2.3.3 Thieát keá dung sai 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỀN VỮNG 3.1 PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI 22 3.1.1 Lòch sử phương pháp Taguchi 22 3.1.2 Đại cương chu trình 22 3.1.3 Phương pháp Taguchi 23 3.2 HÀM THẤT THOÁT TỔNG 24 3.3 HÀM MỤC TIÊU – TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU (S/N) 31 3.4 QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 33 3.4.1 Qui hoạch thực nghiệm 33 3.4.2 Thiết kế mô 42 3.5 QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯNG NGẪU NHIÊN 44 3.5.1 .Giới thieäu 45 3.5.1 Thuật toán 46 3.5.1 Cơ sở lý thuyeát 46 3.5.1 Làm để viết chuổi Taylor 47 3.5.1 Làm để viết hàm số mong đợi 47 3.5.1 Cách ngắn để viết biểu thức mong đợi 48 3.5.1 Tính toán phương sai hàm số 49 3.5.1.Tóm tắt công thức xấp xỉ 50 3.5.1.7 Xấp xỉ bậc 50 3.5.1.8 Xấp xỉ bậc hai 51 3.6 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ BỀN kế VỮNG 51 3.6.1 Thiết bền vững bậc 52 3.6.2 Trình tự qui trình 53 3.7ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG THIẾT KẾ BỀN VỮNG55 CHƯƠNG TÍNH TOÁN MỘT SỐ KẾT CẤU 4.1 Tấm 4.1.1 Các thông số toán cho sau 60 4.1.2 Thoâng tin mô hình hình học mô hình phần tử hữu hạn 61 4.1.3 Các thông tin mô hình xác suất 62 4.1.4 Thống kê kết xác suất 65 4.1.5 Biểu đồ thông số đầu 65 4.1.6 Biểu đồ hàm phân bố tích lũy 67 4.1.7 Vẽ biểu đồ độ nhạy 68 4.1.8 Ma trận hệ số tương quan 70 4.2 DẦM 4.2.1Các thông số toán cho sau 70 4.2.2Thông tin mô hình hình học mô hình phần tử hữu hạn 71 4.2.3 Các thông tin mô hình xác suất 72 4.2.4 Thống kê kết xác suất 75 4.2.5 Biểu đồ thông số đầu 76 4.2.6 Biểu đồ hàm phân bố tích lũy 78 84 4.3.1 Các thông số toán cho sau: Chiều dài trục có kích thước (l+a) = 280 mm Đường kính trục (d) = 45 mm Đường kính bánh = 200 mm Mun đàn hồi (young) = 200 N/mm2 Khoảng cách hai gối trục (l) = 200 mm Khoảng cách từ gối trục trái đến bánh (c) = 100 mm Khoảng cách từ gối trục phải đến bánh đai (a) = 80 mm Lực Ft2 = 6000 N o = 6000 N Lực Fr2 = Ft2tg ( = 20 ) Lực Fr1 = 4000 N 4.3.2 Thông tin mô hình hình học mô hình phần tử hữu hạn Hình 4.39 Mô hình lưới phần tử 85 Tên Beam4 Số nút Số phần tử nút 15 16 Mun đàn hồi Tỉ trọng riêng Hệ số poison Bảng 4.14 Chi tiết phần tử hữu 2.000 E+5 7.800 0.3000 Bảng 4.15 Đặc tính vật liệu 4.3.3 Các thông tin mô hình xác suất Số Tên C A FR1 FR2 FT2 Loại phân bố Gauss Gauss Gauss Gauss Gauss Biến 100.00 80.00 4000.00 2183.00 6000.00 Bieán 9.0000 2.4000 280.00 654.00 270.00 Bảng 4.16 Đặc điểm biết số đầu vào ngẫu nhiên Hình 4.40 PDF & CDF biến ngẫu nhiên đầu vào C 86 Hình 4.41 PDF & CDF biến ngẫu nhiên đầu vào A Hình 4.42 PDF & CDF biến ngẫu nhiên đầu vào FR1 87 Hình 4.43 PDF & CDF biến ngẫu nhiên đầu vào FR2 Hình 4.44 PDF & CDF biến ngẫu nhiên đầu vào FT2 88 4.3.4 Phương pháp phân tích xác suất Tên giải pháp MCSTKT PP phân tích mẫu Trực tiếp Số mẫu phân tích 30 Bảng 4.17 Đặc điểm phân tích mô Monte Carlo 4.3.5 Kết phân tích xác suất Tên Giá trị trung bình Chuyển vị trung bình Skewness Kurtosis Minimum Maximum DMAX 6.7683E-2 1.4200E-2 -3.922 18.68 0.0000 8.0658E-2 MX 5.8476E+5 2.3982E+5 -0.1256 -0.8329 SMAX 6.7683E-2 1.4200E-2 -3.922 18.68 4.3.6 Các biểu đồ thông số đầu Hình 4.45 Biểu đồ thông số đầu DMAX 1.2701E+5 1.0730E+6 0.0000 8.0658E-2 89 Hình 4.46 Biểu đồ thông số đầu MX Hình 4.47 Biểu đồ thông số đầu SMAX 90 4.3.7 Hàm mật độ tích lũy thông số đầu Hình 4.48 Biểu đồ kết hàm phân bố tích lũy thông số đầu DMAX Hình 4.49 Biểu đồ kết hàm phân bố tích lũy thông số đầu MX 91 Hình 4.50 Biểu đồ kết hàm phân bố tích lũy thông số đầu SMAX 4.3.8 Kết độ nhạy Hình 4.51 Biểu đồ kết độ nhạy DMAX 92 Hình 4.52 Biểu đồ kết độ nhạy MX Hình 4.53 Biểu đồ kết độ nhạy SMAX 93 4.3.9 Ma trận hệ số tương quan Đầu ra/đầu DMAX MX SMAX DMAX 1.000 -0.311 -0.278 MX -0.311 1.000 0.784 SMAX -0.278 0.784 1.000 Bảng 4.18 Hệ số tương quan tuyến tính thông số đầu Đầu ra/đầu DMAX MX SMAX DMAX 1.000 -0.197 -0.207 MX -0.197 1.000 0.802 SMAX -0.207 0.802 1.000 Bảng 4.19 Hệ số bậc dãy Spearman thông số đầu 94 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do canh tranh thị trường, yêu cầu cao tính an toàn đồng thời nâng cao chất lượng hình dáng sản phẩm Vì sản phẩm thiết kế thỏa mãn tiêu khả làm việc, mà phải thiết kế theo độ tin cậy xác suất hỏng tối thiểu đồng thời phải có tính kinh tế cao Do đó, phương pháp thiết kế bền vững đời ứng dụng thành công Nhật Bản từ năm 1950 Tiến só Genichi Taguchi xây dựng phát triển học thuyết Sau du nhập vào Phương Tây Mỹ phương pháp triển ứng dụng rộng rãi nhiều lónh vực công nghiệp, khoa học kinh tế đem lại kết to lớn cho giới tương lai Thiết kế bền vững sử dụng bề mặt đáp ứng mô chương trình Monte Carlo sở khái niệm phương pháp Taguchi yêu cầu nhiều kiến thức khoa học liên quan công nghệ chế tạo máy, thiết kế máy, qui hoạch thực nghiệm, toán học, phần tử hữu hạn v.v…Vì vậy, với thời gian hạn chế khả năng, kiến thức có hạn nên để hiểu rõ thực luận văn hoàn chỉnh khó thực hiện, thu ý sau: 1.Việc thiết kế chế tạo sản phẩm nước ta sử dụng kiến thức thiết kế truyền thống thiết kế sở hệ số an toàn Thông thường hệ số an toàn hiểu tỉ số độ bền mong đợi ứng suất mong đợi Độ bền chi tiết tải trọng tác dụng cho đơn định phương pháp thiết kế thông thường Trong thực tế đại lượng (độ bền tải trọng) đại lượng ngẫu nhiên, giá trị chúng phân tán chung quanh giá trị trung bình Các giá trị phân tán trùng lắp vùng nguyên nhân gây nên tượng hỏng hóc hệ thống Phương pháp thiết kế thông thường dựa hệ số an toàn không hoàn toàn xác giá trị hệ số an toàn xác suất không hỏng khác Nó minh họa ví dụ chương 2.Để hạn chế khả gây tương hỏng sản phẩm hệ thống, người ta đưa phương pháp thiết kế sở độ tin cậy Nó dựa việc xác định dạng hỏng chi tiết đại lượng ngẫu nhiên tính toán với giá trị trung bình sai lệch bình phương trung bình chúng Nhưng hạn chế 95 phương pháp phải thử nghiệm độ tin cậy từ giai đoạn thiết kế, chế tạo vận hành sử dụng phương pháp mô hình hóa thống kê để xử lý số liệu thu từ thử nghiệm Vấn đề chủ yếu không giải từ khâu gốc – khâu thiết kế qui trình chế tạo, mà giải qua kiểm tra không tính đến tác động môi trường xung quanh qui trình sản phẩm 3.Phương pháp thiết kế bền vững sở phương pháp thiết kế xác suất cho ta thiết kế hoàn chỉnh từ khâu gốc Đó từ nhu cầu khách hàng nguyên nhân tác động lên qui trình / sản phẩm, từ đưa thiết kế tối ưu không cần kiểm tra hệ thống dây chuyền sản phẩn hỏng chế tạo lại Vì tất nguyên nhân tác động chủ quan (nhân tố thiết kế ) khách quan (nhân tố nhiễu) vào sản phẩm/qui trình nhân tố ngẫu nhiên nên việc tính toán xác suất hợp lý Trên sở thực nghiệm phòng thí nghiệm thực tế với phương pháp qui hoạch thực nghiệm cho ta phương trình hồi qui – hàm mục tiêu – Mục tiêu thiết kế bền vững tìm tập hợp thông số điều khiển, nhiễu biến đổi tác động nhỏ đặc tính sản phẩm / qui trình Để giải toán ta sử dụng phương pháp tính toán phương pháp bề mặt đáp ứng Monte Calor để giải Mục đích giai đoạn biết nhân tố nhạy để hiệu chỉnh chúng cho thích hợp Vì phương pháp dựa sở tỉ số tín hiệu nhiễu, tỉ số nhỏ độ nhạy sản phẩm / qui trình nhỏ nên chất lượng cao Phương khắc phục đươc nhược điểm phương truyền thống sở tính toán nhân tố tác động ngẫu nhiên nên sản phẩm nhạy đến môi trường có chất lượng cao ổn định Qua thời gian gắn sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán xác suất chi tiết, kết cấu đơn giản Bản thân tự thấy rằng, phần mền ứng dụng tính toán nhiều lónh vực khoa học kỹ thuật giới thiệu phần mở đầu Nó phần mềm mạnh đa giúp cho giải toán khó công nghệ, kỹ thuật khoa học, nhằm đáp ứng cho công đại hóa đất nước Nhưng để nắm vững khai thác hết mạnh cần phải đầu tư nhiều thời gian đủ trình độ kiến thức sử dụng hoàn chỉnh Một câu hỏi tạo đặt cho thân tính toán phần mềm này, thay đổi số nhỏ có kết sai biệt lớn Hiện biết chạy với vòng lập nhiều lần nên kết tích lũy sai lớn, kiến thức hạn chế 96 Từ kết nhận từ toán trên, ta khẳng định việc ứng dụng Ansys việc tính toán thiết kế xác suất kết cấu thành công Từ việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn toán đến tính xác suất đòi hỏi người tính toán phải có kiến thức phần mềm Ansys mà phải có kiến thức phần tử hữu hạn, xác suất thông kê, qui hoạch thực nghiêm toán học thiết kế máy Ví dụ xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phải biết sử dụng loại phần tử thích hợp, mesh lưới thuận lợi cho tính toán v.v… Còn tính xác xuất chọn hàm cho đầu hợp lý, gắn độ sai lệch chuẩn để có độ nhạy thấp nhân tố tác động v.v… Tóm lại, phương pháp thiết kế bền vững sở tính toán xác xuất sử dụng phần mềm Ansys đem lại kết tối ưu công nghệ, kỹ thuật kinh tế Thực tế giới chứng minh hoàn chỉnh phương pháp này, nước ta với công nghệ, kỹ thuật lạc hậu khó ứng dụng phương pháp vào công nghệ, kỹ thuật nước ta Nhưng để giảng dạy cho hệ sau nắm bắt để ứng dụng cho tương lai cần thiết đồng thời giải toán nảy sinh nghiên cứu ứng dụng hợp tác với nước TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Hữu Lộc, Độ Tin Cậy Trong Thiết Kế Kỹ Thuật, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2002 TS Nguyễn Doãn Ý, Giáo trình Qui Hoạch Thực Nghiệm, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2003 Đinh Bá Trụ, Hướng Dẫn Sử Dụng ANSYS, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2000 GS.TS Nguyễn Văn Phái, TS Trương Tích Thiện, ThS Nguyễn Tường Long, ThS Nguyễn Định Giang, Giải Bài Toán Cơ Kỹ Thuật Bằng Chương Trình ANSYS, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2003 PGS TS Nguyễn Việt Hùng, PGS TS.Nguyễn Trọng Giảng, ANSYS & Mô Phỏng Số Trong Công Nghiệp Bằng Phần Tử Hữu Hạn, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2003 William Y Fowlkes, Clyde M Creveling, Engineering Methods for Robust Design, 1997 Rod Scholl, Probabilistic Design, ANSYS support Disributor, September 25, 2002 Clyde M Creveling, Tolerence Design, Addison-Wesley, 1997 J Browne, Probabilistic Design, Swinburne University of Technology, 2001 10 B S Dhillon, Design Reliability, CRC Press, 1999 11 Glen Stuart Peace, Taguchi Methods, Addison-Wesley, 1993 12 Implementation of Robust Design in Ansys,Bauhaus-University Weimar, Germany, 2000 13 Sankar Nellian, Integration of Taguchi Design of Experiments and Finite element Method for Robust Design 14 Caùc tài liệu tham khảo Internet: www Ansys.com, www Schroff.comm ... vặn nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp thiết kế tiên tiến – Thiết kế bền vững – sở so sánh thiết kế truyền thống Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thiết kế xác suất phần mền ANSYS 7.0 tính toán thiết. .. THUYẾT THIẾT KẾ BỀN VỮNG 3.1 PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI 3.1.1 Lịch sử phương pháp Taguchi Tiến só Genichi Taguchi xây dựng tảng thuật ngữ biết “Công nghệ chất lượng”, “Công nghệ bền vững? ?? thiết kế bền vững. .. điểm bền õ Thiết kế bền vững phương pháp giải Tiến sỹ Taguchi cho việc xác định cấu hình tối ưu thông số thiết kế đặc điểm chất lượng giá thành Phương pháp thiết kế bền vững cung cấp phương pháp