Thiết kế đường lánh nạn

Thiết kế đường lánh nạn

BÀI 1 : BÀI THIẾT KẾ TỐI ƯU

I MÔ TẢ BÀI TOÁN

Bài tập này đề cập đến bài toán thiết kế tối ưu các thông số trắc dọc

của một đường cứu nạn trên đường ôtô Nội dung tính toán đường cứu nạn theo

22TCN 218 94 gồm các nội dung chính sau

- Xác định vị trí xây dựng đường cứu nạn các đặc điểm địa hình địa mạo và ,

tuyến đường chính từ đó xác định dạng đường cứu nạn tiếp tuyến phải rẽ

phải đi thẳng rẽ trái

- Xác định vận tốc thiết kế đường cứu nạn từ thông số chiều dài từ vị trí (

hỏng phanh đến đầu đường cứu nạn dự kiến và các yếu tố liên quan như độ

dốc dọc hệ số ma sát lăn của mặt đường

- Tính toán các yếu tố trắc dọc của đường cứu nạn Cấu tạo đường cứu

:

nạn gồm các đoạn như sau

a Đường chính a

b Đoạn đường cứu nạn tách dần khỏi đường chính b có kết cấu mặt

giống đường chính và cùng độ dốc với đường chính

c Đường cong lõm của đường cứu nạn c có kết cấu mặt chuyển tiếp

từ mặt đường chính chặt chẽ sang kết cấu rời rạc dần

d Đoạn tiêu năng chính của đường cứu nạn d bố trí độ dốc tối đa kết

cấu mặt đường rời rạc và hệ số ma sát lăn lớn

e Đoạn bằng bố trí hố cát e

f Đống cát phòng hộ cuối cùng có phun nhựa phủ mặt

g Tường hộ lan cuối cùng đảm bảo an toàn cao

-Yêu cầu tính toán vận tốc xe ở cuối đoạn d v: ( ) ≈0

Giữa độ dốc dọc chiều dài các đoạn b d và chiều dài đoạn chuyển

tiếp c có quan hệ ảnh hưởng qua lại

+ Đoạn d có độ dốc lớn thì đảm bảo yêu cầu hãm xe nhưng làm tăng ( )

( )

chiều dài đường cong đứng c

+ Ngược lại nếu giảm độ dốc của d thì chiều dài của d lại phải tăng ( ) ( ) lên

Như vậy đặt ra vấn đề là cần xác định các yếu tố của d và c sao cho

tổng chiều dài đường cứu nạn là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu và

tiêu chuẩn kỹ thuật Đây cũng là một yếu tố quan trọng để xác định tính khả

thi của đường cứu nạn vì các vị trí dự kiến xây dựng đường cứu nạn thường

có địa hình rất khó khăn Thực tế tính toán người thiết kế phải thử dần các

thông số trên để so sánh chọn kết quả tối ưu

Trong phạm vi bài toán này chỉ đặt vấn đề tính toán tự động chiều dài

đường cứu nạn ngắn nhất trên cơ sở đã có các thông số về đường chính độ

dốc kết cấu mặt đường vận tốc thiết kế kết cấu mặt đường các đoạn

trên đường cứu nạn Các vấn đề khác như tính toán vận tốc thiết kế chọn

dạng đường cứu nạn so sánh các kết cấu mặt đường cứu nạn sẽ không đề

cập đến ở đây

Sơ đồ tính đường cứu nạn thể hiện trên hình vẽ sau

II NỘI DUNG KỸ THUẬT CỦA BÀI TOÁN

1 Các số liệu ban đầu :

- Vận tốc thiết kế đường cứu nạn v: 0( / ) (m s đã được qui đổi từ đơn vị

km/h)

-Độ dốc dọc đường chính tại vị trí đường cứu nạn ia

-Các thông số ban đầu của đoạn b độ dốc dọc i( ) : b=ia, hệ số ma sát lăn fb

(tuỳ theo vật liệu)

- Các thông số ban đầu của đoạn c bán kính đường cong lõm tối thiểu ( ) :

(phụ thuộc vận tốc thiết kế hệ số ma sát lăn f), c(tuỳ theo vật liệu)

- Các thông số ban đầu của đoạn d hệ số ma sát lăn f( ) : d(tuỳ theo vật

liệu vận tốc cuối đoạn d vd= ( / ).0 m s

(Qui ước dấu của độ dốc dọc dốc xuống dấu: (+),dốc lên dấu(-))

2 Các bước tính toán :

Gọi v0b ,v0c là vận tốc xe tại điểm đầu các đoạn b c và ( ), ( )

vb ,vc là vận tốc xe tại điểm cuối các đoạn b c ta tính dần vận ( ), ( ),

: tốc cuối mỗi đoạn theo công thức

Học viên : Nguyễn Trung Sơn; Lớp Cao học K9; Ngành XDCTGT

Trang 2

vi =sqrt 2g( ×Li×(ii-fi)+v0i) (với g là gia tốc trọng trường )

( )

Độ dốc dọc trung bình đoạn c ictính như sau :

ic = /T Lc(ib+id)

Trong đó T là chiều dài cánh tang của đường cong lõm

=

T R×tang i(( d-ib)×π/ ) =8 R×tang(∆i×π/ )8

( )

Chiều dài đoạn c là Lc dùng để tính toán lại phụ thuộc vào độ dốc

( ) ( ) :

của các đoạn b và d

Lc =R×(id-ib)×π/ =4 R ×∆i×π/4

( )

Chiều dài đoạn d là Ldđược tính từ vận tốc v 0d=vc và vd=0 như sau:

Ld =v0d2/(2g×(id-fd)) :

Điều kiện R≥Rmin,với Rminxác định theo tiêu chuẩn đã nêu Các điều kiện

về độ dốc dọc như sau

+Độ dốc dọc lớn nhất thuộc đoạn d i( ) : d≤ ,0 15

+Độ dốc dọc tổng thể đường cứu nạn I: ≤ ,0 10

Tổng chiều dài đường lánh nạn là tối thiểu khi

Lb +Lc +Ld=min 1( )

Chiều dài đoạn b thường được chọn theo yêu cầu cấu tạo Lb = ~10 15m

(tuỳ độ chênh hệ số ma sát lăn của vật liệu nên) :

( )1 ⇔ L L = c +Ld =min

Như vậy bài toán đã nêu trở thành

♦Tính toán hàm mục tiêu L L : = c +Ld

♦Kiểm tra hàm mục tiêu L min L : = ( j)

III MÔ HÌNH BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU TƯƠNG ỨNG

♦Hàm mục tiêu  : = chiều dài (L = c ,ic ,Ld ,id)

♦Các ràng buộc :

Ψ1 =Lc≥ Lcmin = 10m

Ψ2 =id≤max 0 15 f( , ; d)

Ψ2 = =(I Lbib +Lcic +Ldid)/(Lb+Lc+Ld )≤0 10,

V ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP GIẢI

Ứng với mỗi bộ giá trị đầu vào v0 ,ia ,fb ,Lb ,Rmin ,fc ,fd) ta sẽ tìm đượcn bộ (

giá trị Lc ,ic ,Ld ,id) sau n lần tính toán Từ đó ta sẽ xác định được chiều dài

đường cứu nạn ngắn nhất

Thuật toán tìm giá trị tối ưu của hàm mục tiêu  sẽ được xuất phát từ

(

độ dốc dọc của đoạn tiêu năng chính của đường cứu nạn id) Từ một giá trị giả thiết của id sẽ tính được các thông số khác của mặt cắt dọc đường cứu

nạn

,

Từ lập luận trên ta đã đơn giản bài toán thành dạng tìm nghiệm tối ưu

của bài toán một tham số Do đó có thể tìm nghiệm tối ưu bằng một trong

(

các thuật toán phù hợp với công việc tính toán tự động trên máy tính phương

pháp đơn giản hay phương pháp chia đôi khoảng

Tuy nhiên trong thực tế sản xuất nếu dùng các phần mềm dạng bảng

tính như Excel để xây dựng phần mềm thì ta có thể tìm nghiệm tối ưu bằng

(

phương pháp thử nghiệm độc lập bằng cách tính các bộ giá trị Lc ,ic ,Ld ,id)

tương ứng với từng giá trị của tham số idtrong khoảng 0≤id≤idmax.Bước tìm kiếm

được qui định theo độ chính xác yêu cầu theo kinh nghiệm tính toán thì bước tìm kiếm ∆id = 0 001 sẽ được kết quả chính xác Các ưu điểm khi lập trình

:

bằng Excel là

-Tính toán cho kết quả tin cậy và nhanh chóng

-Xuất kết quả trực quan và chi tiết dễ trình bày rõ ràng và đẹp mắt do , ,

đó có thể dùng trong thực tế thiết kế

-Dễ dàng bổ sung mở rộng tính toán theo các yêu cầu riêng,

-Dung lượng chương trình nhỏ

-Việc xây dựng chương trình đơn giản nhanh chóng,

Các ưu điểm trên thể hiện rõ trong các bảng tính đã thực hiện tại các ví

dụ 1 và 2 kèm theo ở phần phụ lục Các ví dụ này được tính theo các số

liệu đầu vào thực tế của các công trình đường cứu nạn đã được thiết kế và

thi công Kết quả khi dùng phương pháp thiết kế tối ưu khi so với kết quả tính

mò không dùng thiết kế tối ưu đã rút ngắn được chiều dài tối thiểu xuống

~ % (

thử dần các thông số trên bảng tính Excel đơn giản hơn

Ngoài ra có thể thấy bảng tính Excel trong trường hợp ví dụ 2 tỏ ra ưu

việt khi có thể khống chế các ràng buộc dễ dàng khi hàm mục tiêu không liên

tục

V SƠ ĐỒ KHỐI CỦA CHƯƠNG TRÌNH

1 Trường hợp dùng phương pháp thử nghiệm độc lập cho bảng tính Excel

Học viên : Nguyễn Trung Sơn; Lớp Cao học K9; Ngành XDCTGT

Trang 4

2 Trường hợp sử dụng phương pháp tìm nghiệm tối ưu nếu dùng ngôn ngữ

, ) : lập trình khác như Pascal C

Học viên : Nguyễn Trung Sơn; Lớp Cao học K9; Ngành XDCTGT

BEG IN

Nhập số liệu

Tính toán hàm mục tiêu 

Kiểm tra các điều kiện ràng buộc

Kiểm tra, tìm giá trị min của hàm mục tiêu 

Xuất số liệu

END

BEG IN

Nhập số liệu

Chọn i d

Học viên : Nguyễn Trung Sơn; Lớp Cao học K9; Ngành XDCTGT

Trang 6

BÀI 2 : BÀI TẬP VỀ CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO

KỸ THUẬT

I ĐỐI TƯỢNG CHỌN

Chọn phân tích 1 chiếc quạt treo tường loại có điều khiển từ xa

II PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG CHẾ ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG

Qua quan sát có thể thấy các nguyên tắc sau đã được áp dụng khi chế

:

tạo chiếc quạt

1 Nguyên tắc 1 :làm ngược lại

:

Thể hiện của nguyên tắc Thay việc điều khiển trực tiếp bằng điều khiển

gián tiếp

2 Nguyên tắc 3 :đổi cách chuyển động

:

Thể hiện của nguyên tắc có thể quạt thẳng vào một chỗ hay quay qua lại

để quạt nhiều chỗ

3 Nguyên tắc 5 :tăng hoặc giảm tốc độ

:

Thể hiện của nguyên tắc có thể thay đổi được tốc độ

4 Nguyên tắc 6 :cực tiểu cực đại,

:

Thể hiện của nguyên tắc giảm tối đa trọng lượng và giá thành tăng lượng ,

gió tăng cường hình thức bên ngoài

5 Nguyên tắc 8 :chuyển đổi trạng thái hoạt động

:

Thể hiện của nguyên tắc có 2 trạng thái hoạt động là formal quạt liên tục ( )

và natural quạt ngắt quãng

6 Nguyên tắc 13 : sử dụng nhiều loại vật liệu vào nhiều bộ phận tuỳ theo chức

năng độ bền và việc sử dụng

:

Thể hiện của nguyên tắc chẳng hạn cánh quạt làm bằng nhựa cứng vỏ ,

quạt làm bằng nhựa mềm trục bằng thép

7 Nguyên tắc 14 :dùng nhiều vật liệu tổng hợp

:

Thể hiện của nguyên tắc càng ngày tỷ lệ loại vật liệu này càng cao chẳng ,

hạn trước đây bộ bánh răng truyền động bằng kim loại thì nay hầu hết bằng

chất dẻo

III ĐỀ XUẤT THÊM QUI TẮC

Đề xuất áp dụng thêm qui tắc số 10 thêm vài chức năng cho một cá

thể chẳng hạn thiết kế chân quạt sao cho vừa có thể dùng như quạt đứng

,

khi thu ngắn chân thành quạt để bàn bẻ ngược lên thì có thể dùng để treo

tường

Học viên : Nguyễn Trung Sơn; Lớp Cao học K9; Ngành XDCTGT

Trang 8