Tính toán tối ưu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di truyền

NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN... Luận văn“ Tính toán tối ưu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di truyền” được thực hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, 2013

S 0 9

TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN

MÁY TIỆN DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

S KC 0 0 3 9 9 7

NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN

DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 133 Ấp Láng Me 2, Xuân Đông, Cẩm Mỹ, Đồng Nai Điện thoại: 0903.370.414

E-mail: lanhuongxd@yahoo.com

Điện thoại cơ quan: 0618.860856

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2001 đến 2/ 2006

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu sợi Cacbon dạng tấm với nhựa Epoxy

Người hướng dẫn: Thạc sĩ Lê Linh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ 2006 đến nay Khoa cơ khí, trường Trung

cấp Kỹ thuật Công nghiệp Đồng Nai

Giảng dạy

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 20 tháng 4 năm 2013

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2013

4

CẢM TẠ

Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Ngọc Phương, thầy đã

hướng dẫn và giúp đỡ tôi định hướng, tiếp cận và khai thác tài liệu cũng như động viên tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Xin được cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo đã giảng dạy và hướng dẫn tôi trong toàn

bộ khóa học Xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường ĐH Sư Phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Phòng Đào tạo đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu tại

trường

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Trung cấp Kỹ thuật Công nghiệp Đồng Nai, lãnh đạo Khoa cơ khí của trường đã điều kiện thuận lợi nhất cho

tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi muốn cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua

5

TÓM TẮT

Ngày nay, sản phẩm về máy công cụ trên thị trường rất phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng thị hiếu, yêu cầu của người tiêu dùng Chính sự cạnh tranh đó đã dẫn đến việc liên tục cải tiến các tính năng, công dụng, chất lượng, mẫu mã của sản phẩm So với trước đây, các sản phẩm phải thỏa mãn về: độ bền, ổn định, làm việc không ồn, tiết kiệm vật liệu, ít tốn nhiên liệu, năng lượng,…Tuy nhiên, trong những năm gần đây, thì ngoài những yêu cầu trên cần phải thêm các yêu cầu khác như: tính thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian, phù hợp người sử dụng, thân thiện với môi trường

Luận văn“ Tính toán tối ưu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di truyền” được thực hiện Mục đích nghiên cứu tính toán và tìm ra giải thuật từ giải

thuật di truyền để tối ưu được kết cấu thân máy tiện, đáp ứng yêu cầu về tối ưu hình dáng, tiết kiệm về không gian, gọn nhẹ, mà vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của máy thông qua sự khảo sát kết cấu thân máy tiện, tìm hiểu lý thuyết độ tin cậy áp dụng vào bài toán tối ưu kết cấu thân máy, nghiên cứu các giải thuật của bàit toán tối ưu và tìm hiểu giải thuật di truyền

Từ đó áp dụng giải thuật di truyền tối ưu thân máy tiện cho các dạng thân máy khác như máy phay, máy bào, máy khoan…

6

SUMMARY

Today, products of machine tool on the market are very rich and varied to meet the tastes and requirements of the consumers This competition has led to the continuous improvement of features, usage, quality and design of products.Compared with the past, the product had to satisfy in: strength, stability, quiet working, material saving, less fuel and energy However, in recent years, apart from the above requirements, other demands of machine tool are aesthetic, compact, space-saving, suitable for user and friendly with environment

Thesis "Calculate, optimize body structure of the lathe based on genetic algorithms" iscarried out The purpose of this research topic is calculation and finds out the new algorithm from genetic algorithm to optimize the lathe to meet the requirements for optimal shape, spacesaving, compact, which still meets the technical requirements of the machine via the survey of the lathe’s body structure, learn reliability theory applied to optimization problem of machine’s body structure, research algorithms of optimization problems and study genetic algorithms

Since then apply genetic algorithm of optimizing lathe’sbody structure for the body structureof other types machine such as machine milling, planers, machine drilling,…

7

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

1.3 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước 2

Chương II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8

2.1.2 Tổng quan về quá trình phân tích độ tin cậy 5

2.2.3 Phương pháp giải bài toán tối ưu theo độ tin cậy 7

2.4.2 Giải thuật tìm giá trị tối ưu dựa vào đạo hàm 14

Chương III : GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

3.3 Xử lý ràng buộc trong giải thuật di truyền 24

9

Chương IV : KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN

4.1.2 Hình dạng chung bên ngoài của máy tiện 28

4.2.2 Một số hình dáng của thân máy tiện cỡ trung bình 32

4.4 Tính toán thân máy theo phương pháp truyền thống 34

4.4.2 Xác định lực tác dụng lên thân máy tiện 35

5.3.2 Tính toán tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục chính

5.4.1 Các biến thiết kế (thông số tính toán) 51

10

5.4.4 Dùng giải thuật di truyền để giải bài toán 52

Hình 2.4 Giải thuật quy hoạch tuyến tính 14

Hình 4.1 Hình dáng cấu tạo chung của máy tiện 28

Hình 4.15 Sơ đồ lực và mômen tác dụng trên máy tiện 35

13

Hình 5.7 Tiết diện ngang của sườn chéo 48

15

Chương I: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, sản phẩm về máy công cụ trên thị trường ngày càng phong phú và

đa dạng nhằm đáp ứng thị hiếu, yêu cầu… của người tiêu dùng Chính sự cạnh tranh đó

đã dẫn đến việc liên tục cải tiến các tính năng, công dụng, chất lượng, mẫu mã của sản phẩm So với trước đây, các sản phẩm phải thỏa mãn về: độ bền, ổn định, làm việc không ồn, tiết kiệm vật liệu, ít tốn nhiên liệu, năng lượng… Tuy nhiên , trong những năm gần đây, thì ngoài những yêu cầu trên cần phải thêm các yêu cầu khác như: tính thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian, phù hợp người sử dụng, thân thiện với môi trường

Với những yêu cầu trên, bài toán thiết kế trở thành bào toán tối ưu Miền thiết kế bài toán được mở rộng do có nhiều chỉ tiêu được xét đến hơn, cũng vì thế số lượng ràng buộc tăng theo số yêu cầu cần phải thỏa mãn Nhưng thời gian giải bài toán tối ưu cũng cần được rút ngắn, lời giải bài toán cũng gần với lời giải chính xác

Để có thể giải quyết một cách đúng đắn những bài toán kỹ thuật nảy sinh trong quá trình thiết kế máy mới, người thiết kế cần phải tính đến rất nhiều yếu tố ràng buộc với nhau Khi thiết kế máy công cụ cần tìm tòi những giải pháp tối ưu để tạo nên kết cấu ưu việt hơn những cái hiện có Từ đó so sánh những giải pháp khác nhau để có lời giải tối ưu

Trong quá trình thiết kế có thể chia làm hai dạng chính: có xét đến độ tin cậy và không xét đến độ tin cậy

Khi thiết kế không xét đến độ tin cậy thì các biến thiết kế là các giá trị đơn định, không thay đổi trong quá trình thiết kế, chế tạo, sử dụng Quá trình thiết kế này thường đơn giản, ít tốn thời gian, chi phí Tuy nhiên, một số biến thiết kế như tải trọng tác dụng, ứng suất tới hạn thường là các đại lượng ngẫu nhiên, phân bố theo

16

quy luật xác suất nào đó trong quá trình thiết kế, chế tạo, sử dụng, do đó kết quả của quá trình thiết kế này thường không sát với thực tế, không sử dụng hết khả năng làm việc của vật liệu

Với quá trình thiết kế có xét đến độ tin cậy, các biến thiết kế được xem là các đại lượng ngẫu nhiên, phân bố theo quy luật nào đó Do có xét đến các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình thiết kế nên kết quả sát với thực tế, sử dụng hết khả năng làm việc của vật liệu, đảm bảo xác suất hư hỏng trong quá trình sử dụng Tuy nhiên để có thể thiết kế theo độ tin cậy cần số lượng thực nghiệm, nghiên cứu, quan sát, ghi chép lớn do đó thường tốn kém, mất nhiều thời gian và việc giải bài toán thiết kế thường gặp nhiều khó khăn phức tạp

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì yêu cầu của người sử dụng về tính tối ưu trong thiết kế là điều tất yếu Vì vậy trong quá trình thiết kế đều xét đến chỉ tiêu độ tin cậy nhằm hạn chế các hư hỏng xảy ra trong quá trình làm việc, tiết kiệm nguyên vật liệu

Quá trình thiết kế tối ưu theo độ tin cậy tương ứng với việc giải bài toán tối

ưu theo độ tin cậy Việc giải bài toán này thường gặp rất nhiều khó khăn do miền thiết

kế ngày càng được mở rộng, các ràng buộc tăng do phải đảm bảo nhiều yêu cầu hơn,

kỹ thuật công nghệ phát triển ảnh hưởng đến quy trình sản xuất sản phẩm

Việc tìm hiểu các giải thuật hiện có hay nghiên cứu giải thuật mới cho bài toán tối ưu và so sánh giải thuật về độ chính xác, thời gian thực hiện với các giải thuật khác là điều rất cần thiết đối với người kỹ sư

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu tính toán và tìm ra giải thuật tối ưu cho người thiết

kế có được thân máy tiện với kết cấu đơn giản, gọn, tiết kiệm không gian, không mất nhiều thời gian mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy, tiết kiệm nguyên vật liệu

1.3 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

17

Một số công trình nghiên cứu về tối ưu tiêu biểu:

- Tối ưu khối lượng cho hệ dàn thép có kể đến các ràng buộc về ứng suất, chuyển vị và điều kiện ổn định

- Thiết kế tối ưu cơ cấu cam trên cơ sở độ tin cậy

- Nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu khung xe máy

- Thiết kế và phân tích chi tiết máy trên cơ sở độ tin cậy theo phương pháp

mô phỏng Monte Carlo và bề mặt đáp ứng

- Áp dụng giải thuật di truyền giải quyết bài toán thiết kế tối ưu dầm bê tông cốt thép

- Tối ưu kết cấu thân máy bằng giải thuật di truyền

- Nghiên cứu tối ưu hình dạng kết cấu trên cơ sở độ tin cậy

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Quá trình nghiên cứu về tối ưu được nghiên cứu và thực hiện từ rất lâu Công trình đầu tiên về tối ưu có thể kể đến Galileo Galilei với việc tối ưu hình dáng trong tài liệu “Lý thuyết về hình dạng vật thể với sự cân bằng độ bền” ở thế kỷ 16 Từ đó đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tối ưu khác nhau, phục vụ cho những lĩnh vực, chuyên ngành khác như: cơ khí, xây dựng, điện - điện tử, giao thông, kỹ thuật công nghiệp

- Tối ưu hình dạng theo ba phương với các dạng hình học khác nhau

- Ứng dụng giải thuật di truyền cho bài toán tối ưu kết cấu

- Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng và mô phỏng Monte Carlo cho bài toán tối ưu cấu trúc dựa trên độ tin cậy

- Tối ưu hình dạng mặt cắt ngang cho nhiều tiết diện cho khung thân máy bay

- Tối ưu hóa hình dạng và kiểu dáng trong thiết kế kết cấu

- Tối ưu hóa hình dạng cấu trúc dựa trên giải thuật di truyền

18

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Luận văn nghiên cứu giải thuật di truyền, tìm hiểu lý

thuyết độ tin cậy áp dụng vào bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện Lựa chọn giải thuật thích hợp cho bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện

- Ý nghĩa thực tiễn của luận văn: Áp dụng giải thuật di truyền để tối ƣu thân

máy tiện rồi từ đó mở rộng cho các dạng thân máy khác nhƣ máy phay, máy bào, máy khoan…

1.5 Nhiệm vụ và giới hạn luận văn

Nhiệm vụ của luận văn:

- Nghiên cứu bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện

- Tìm hiểu lý thuyết độ tin cậy áp dụng vào bài toán tối ƣu kết cấu thân máy

- Tìm hiểu các giải thuật bài toán tối ƣu

- Lựa chọn giải thuật thích hợp cho bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện

- Áp dụng giải thuật cho một máy tiện

- Rút ra kết quả và kết luận

19

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết độ tin cậy

2.1.1 Khái niệm

“Độ tin cậy là tính chất của đối tượng, ở một thời điểm nhất định, dưới những điều kiện làm việc làm việc nhất định, hoàn thành nhiệm vụ chức năng cho trước, duy trì được giá trị các thông số làm việc đã được thiết lập trong một giới hạn đã cho Độ tin cậy theo nghĩa rộng là một tính chất phức hợp Nó bao gồm các tính chất chủ yếu của đối tượng: tính không hỏng, tính sửa chữa, tính bảo quản và tính lâu bền.”[2]

2.1.2 Tổng quan về quá trình phân tích độ tin cậy

Có hai phương pháp phân tích độ là: đơn định và xác suất

Phương pháp đơn định xem các nhân tố ảnh hưởng đến mô hình là đơn định Kết quả bài toán đơn định có nghiệm duy nhất Do các nhân tố ảnh hưởng chỉ mang giá trị đơn định nên việc giải bài toán sẽ trở nên dễ thực hiện Tuy nhiên kết quả từ thực nghiệm lại sai khác lớn với kết quả từ bài toán đơn định

Phương pháp xác suất xem các nhân tố ảnh hưởng là đại lượng tuân theo một quy luật phân phối xác suất nào đó Do đó việc giải bài toán độ tin cậy sẽ gặp nhiều khó khăn hơn về tâm lý và kỹ thuật, đặc biệt với các hệ thống phức tạp, cần độ an toàn cao Kết quả của bài toán độ tin cậy phù hợp với kết quả từ thực nghiệm

Với lý thuyết độ tin cậy tồn tại hai hướng tiếp cận:

- Lý thuyết toán độ tin cậy

- Lý thuyết vật lý độ tin cậy

Lý thuyết toán độ tin cậy

- Các phần tử tác dụng lẫn nhau và đảm bảo khả năng làm việc theo sơ

đồ logic

- Dữ liệu thu được bằng xử lý thống kê các kết quả thực nghiệm và dữ liệu của quá trình vận hành

20

- Dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê toán

Lý thuyết vật lý độ tin cậy

- Duy trì khả năng làm việc của hệ thống

- Các hỏng hóc xuất hiện là kết quả của hệ thống, các tác động từ bên ngoài

- Sử dụng các mô hình các phương pháp của khoa học tự nhiên và các khoa học kỹ thuật khác

Hai lý thuyết trên bổ sung cho nhau trong quá trình phân tích độ tin cậy

2.2 Bài toán tối ưu theo độ tin cậy

2.2.1 Bài toán tối ưu

Bài toán tối ưu tổng quát có dạng: [7]

2 1