Nghiên cứu phương pháp thiết kế bền vững chi tiết máy

Phương pháp truyền thống có quan hệ với những thay đổi được sử dụng các giá trị vừa phải của các giá trị thay đổi và các hệ số an toàn trong khuôn khổ thiết kế đơn định.. biểu diễn hàm m

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 9 NĂM 2003

-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 9 năm 2003

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Lộc

………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

………

………

………

………

………

……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trường Đại Học Bách Khoa, ngày tháng năm 2003

Tp, HCM ngày tháng năm 2003

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC VĂN

Họ và tên học viên: Lê Minh Tuấn Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1958 Nơi sinh: Vũng Tàu

I.Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỀN VỮNG

CHI TIẾT MÁY

II Nhiệm vụ và nội dung:

………

………

………

………

………

………

III Ngày giao nhiệm vụ: IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………

V Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Lộc

Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm ngành Bộ môn quản lý chuyên ngành

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2003 Phòng Đào tạo SĐH Khoa quản lý ngành

LỜI CẢM ƠN

Để có được kiến thức vô cùng quí giá và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp được giao như hiện nay, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã dạy em trong suốt hơn hai năm liền và đặc biệt là Thầy Nguyễn Hữu Lộc đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt luận văn được giao Xin Thầy Cô nhận nơi em sự kính trọng, ngưỡng mộ và biết ơn, xin chúc Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để chấp cánh cho thể hệ sau bước vào tương lai

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Lộc đã giành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng xin cảm ơn bạn Lê Văn Sỹ trong Bộ Môn Thiết Kế Máy cùng các bạn bè khác đã giúp đỡ tôi trong học tập và quá trình làm luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2003

Lê Minh Tuấn

Ansys là một phần mềm lớn, mạnh và có tính chuyên môn hóa cao, nó chủ yếu tính thiết kế và kiểm tra trong ngành cơ khí và xây dựng Nó có thể tính bài toán nhiệt, dòng chảy, từ, chuyển vị, ứng suất, dao động, tối ưu và xác suất Ansys đã phát triển từ phiên bản 4.4 đến 5.4, 6.0, 7.0 và hiện nay 7.4 Trên thị trường Việt Nam có 5.4, 5.7, 6.0, 7.0 và 7.1, nhưng chỉ có phiên bản 5.4 và 7.0 chạy ổn định

Đối với nước ta sự ứng dụng phần mềm này cũng chưa được phổ biến, nó chỉ giới hạn trong các trường Đại học để dùng tính toán cho các đồ án, luận văn tốt nghiệp Nhưng ở nước ngoài đã phổ biến rộng rãi, bản thân đã được tiếp xúc trước khi nhận luận văn nên đã đưa tôi đến quyết 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 là để học hỏi, làm quen và có thể tính được những bài toán đơn giản rồi đến phức tạp thông qua sự giúp đở của thầy cô trong trường để sau này có thể ứng dụng nó trong lĩnh vực nghiên cứu tương lai của mình ở

cơ quan Nhưng do thời gian và kiến thức có hạn cho nên chắc chắn trong luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, do đó em mong sẽ nhận được sự giúp đỡ và chỉ dẫn thêm của thầy, cô và bạn bè đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn

Lê Minh Tuấn

Luận vặn này nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp thiết kế mới và tiên tiến – Thiết kế bền vững – trên cơ sở so sánh các thiết kế truyền thống Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thiết kế xác suất trên phần mền ANSYS 7.0 và tính toán thiết kế xác suất một số chi tiết máy và kết cấu tiêu biểu như trục, tấm, dầm và thanh 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1KHÁI NIỆM……….1

1.2 HỆ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY 4

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7

1.4 ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 7

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1 THIẾT KẾ ĐƠN ĐỊNH 9

2.2 THIẾT KẾ THEO ĐỘ TIN CẬY 10

2.2.1 Các mô hình tính toán độ tin cậy 10

2.2.2 Cơ sở tính toán độ tin cậy theo chỉ tiêu khả năng 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 Thiết kế dung sai 21

3.1.1 Lịch 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 phỏng 42

3.5 QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN 44

3.5.1 .Giới thiệu 45

3.5.1 Thuật toán cơ bản 46

3.5.1 Cơ sở lý thuyết 46

3.5.1 Làm thế nào để viết ra chuổi Taylor 47

3.5.1 Làm thế nào để viết ra hàm số mong đợi 47

3.5.1 Cách ngắn nhất để viết ra biểu thức mong đợi 48

3.5.1 Tính toán phương sai của một hàm số 49

3.5.1.Tóm tắt công thức xấp xỉ 50

3.5.1.7 Xấp xỉ bậc nhất 50

3.5.1.8 Xấp xỉ bậc hai 51

3.6 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ BỀN kế VỮNG 51

3.7ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TRONG THIẾT KẾ BỀN VỮNG55

4.1 Tấm

4.1.1 Các thông số bài toán cho như sau 60

4.1.2 Thông tin về mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn 61 4.1.3 Các thông tin mô hình xác suất 62

4.1.4 Thống kê kết quả xác suất 65

4.1.5 Biểu đồ các thông số đầu ra 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 bài toán cho như sau 70

4.2.2Thông tin về mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn 71 4.2.3 Các thông tin mô hình xác suất 72

4.2.4 Thống kê kết quả xác suất 75

4.2.5 Biểu đồ các thông số đầu ra 76

4.2.6 Biểu đồ hàm phân bố tích lũy 78

4.3 TRỤC

4.3.1Các thông số bài toán cho như sau 84

4.3.2Thông tin về mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn 84 4.3.3 Các thông tin mô hình xác suất 85

4.3.4 Thống kê kết quả xác suất 88

4.3.5 Biểu đồ các thông số đầu ra 88

4.3.6 Biểu đồ hàm phân bố tích lũy 90

4.3.7Vẽ biểu đồ độ nhạy 91

4.3.8 Ma trận hệ số tương quan 93

4.4 THANH TREO 4.41 Các thông số bài toán cho như sau

4.4.2 hông tin về mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn 4.4.3 Các thông tin mô hình xác suất

4.44 Thống kê kết quả xác suất

4.45 Biểu đồ các thông số đầu ra

4.4.6 Biểu đồ hàm phân bố tích lũy

4.4.7 Vẽ biểu đồ độ nhạy

4.4.8 Ma trận hệ số tương quan

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………94

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

thỏa mãn các chỉ tiêu về khả năng làm việc, mà còn phải thỏa mãn các chỉ tiêu về độ tin cậy Vì vậy, phương pháp thiết kế bền vững chi tiết máy trên cơ sở độ tin cậy không những nâng cao chất lượng thiết kế mà còn tăng khoảng tin cậy cho thiết kế, làm giảm giá thành sản xuất, cải tiến mẫu mã và giúp cho công việc bảo trì sản phẩm tốt hơn Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh và đã ứng dụng phương pháp này vào nhiều lãnh vực sản xuất, tuy nhiên ở Việt Nam vấn đề thiết kế này là hoàn toàn mới, do đó việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế bền vững chi tiết máy trên cơ sở độ tin cậy là rất cần thiết

Hệ thống thiết kế xác suất cung cấp tất cả chức năng từ việc tạo ra một mô hình xác suất đến việc gắn cho các bề mặt đáp ứng và là cơ sở cho thiết kế bền vững sử dụng bề mặt đáp ứng hoặc bằng Monte-Carlo

1.1 KHÁI NIỆM

Kỹ thuật độ tin cậy được tách ra thành môn học riêng tại Mỹ vào đầu những năm 1950 Sự phức tạp của các vấn đề phát sinh trong chiến tranh thế giới

thứ II vào những năm 1940 đã dẫn đến sự phát triển của Lý thuyết độ tin cậy

Trong thời gian này khoảng 60% thiết bị bay vận chuyển đến vùng Viễn đông bị hỏng khi đến nơi Khoảng 50% chi tiết dự trữ và thiết bị trong kho bị hỏng trước khi được sử dụng Vào năm 1949 khoảng 70% các thiết bị điện tử thuộc Hải quân không hoạt động tốt

Vào năm 1950 lực lượng không quân Mỹ thành lập nhóm nghiên cứu về độ tin cậy các thiết bị điện tử Vào tháng 8 năm 1952 Nhóm tư vấn về độ tin cậy các thiết bị điện tử (AGREE – Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment) được thành lập và nhóm này đã đưa ra các tiêu chuẩn đầu tiên về độ

tin cậy, trong đó việc kiểm tra độ tin cậy là bộ phận không thể tách rời khi phát triển sản phẩm mới Thiết bị mới được đòi hỏi kiểm tra trong vòng nhiều giờ đồng hồ trên môi trường ứng suất cao, nhiệt độ thấp và cao, trong điều kiện được đỡ hoặc rung động Ý tưởng này được sử dụng để phát hiện các thiếu sót thiết kế trong giai đoạn mà ta có thể sửa đổi chúng trước khi sản xuất sản phẩm hàng loạt

Kết cấu cơ khí ngày càng trở nên phức tạp hơn và bắt đầu đặt ra những vấn đề khó khăn hơn đặc biệt trong các ứng dụng không gian và quân đội Không giống như các thiết bị điện tử được sản xuất hàng loạt và các dữ liệu về hỏng hóc có thể biết trước được, các dữ liệu về độ tin cậy của các kết cấu cơ khí và công trình là rất hiếm hoi Hướng nghiên cứu kết cấu theo độ an toàn được nghiên cứu vào năm 1929 Tương tự nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của vật liệu và vấn đề liên quan về lý thuyết giá trị cực trị ứng dụng được đối với sức bền vật liệu và tải trọng bắt đầu vào giữa các năm 30 Đóng góp vào việc bắt đầu giải quyết độ tin cậy các kết cấu tĩnh được thực hiện bởi Freudenthal và Pugsley Sau đó khi nghiên cứu dao động các máy bay phản lực Birnbaum và Saunders đưa ra mô hình thống kê cho tuổi thọ của các kết cấu dưới tác dụng tải trọng động

Trong khi nghiên cứu thiết kế máy và kết cấu trên cơ sở độ tin cậy ta tìm hiểu sự liên quan giữa các hỏng hóc cơ khí và kết cấu với số người thiệt mạng do các tai nạn này gây nên

Bảng 1.1

trên 1 triệu dân Máy bay

Tàu hỏa

Giao thông trên nước

Giao thông trên bộ

Ngộ độc

Chiếu sáng

Hoả hoạn

Máy móc, Thiết bị

Hỏng hóc kết cấu

40

10 0,2

Nguyên nhân gây nên mất mát con người liên quan đến máy móc và công trình không đáng kể, tuy nhiên các nhà thiết kế cố gắng đạt đượt độ tin cậy cao đối với thiết bị và kết cấu công trình Thí dụ điển hình là vào mùa mưa bảo năm

2000 giao thông đường bộ Bắc Nam nước ta bị gián đoạn hàng tháng do một đoạn đường trên đèo Hải Vân bị lỡ mà không có con đường dự trữ nào thay thế Cầu Bình Điền hoặc cầu Bến Lức bị sự cố làm giao thông giữa các tỉnh miền Tây đến Hồ Chí Minh bị gián đoạn gây thiệt hại lớn về kinh tế Sự cố nhà máy ga Dinh Cố không có đủ nguyên liệu do tàu Ba Vì bị nhổ neo làm đời sống hàng ngày dân chúng cả nước ảnh hưởng do thiếu ga sinh hoạt…

Độ tin cậy của hệ thống hoặc chi tiết không thể đạt được một cách ngẫu nhiên Nó tích tụ được dần dần trong hệ thống hoặc chi tiết Độ tin cậy thừa hưởng đặc tính của hệ thống, tương tự khả năng tải của hệ thống hoặc công suất danh nghĩa Độ tin cậy cần xác định trong mỗi giai đoạn để phát triển sản phẩm hoặc hệ thống bao gồm: thiết kế, chế tạo, kiểm tra và vận hành Trong giai đoạn thiết kế, phương pháp thiết kế đúng đắn liên quan đến các chi tiết, vật liệu, quá trình, dung sai.v.v… được lựa chọn đầy đủ Các mục tiêu của giai đoạn này được đảm bảo rằng các trình tự thiết kế đã có từ lâu được ứng dụng, các vật liệu và quá trình đã biết được sử dụng và các lãnh vực không chắc chắn được đánh dấu để thực hiện sau đó Sau khi các thiết bị chế tạo đã chuẩn bị sẵn sàng, kiểm tra cẩn thận một lần nửa kế hoạch, trình tự thực hiện và các dữ liệu đã chọn trong giai đoạn thiết kế Trong quá trình chế tạo ta phải sử dụng các kỹ thuật kiểm tra chất lượng để đảm bảo chất lượng sản phẩm theo thiết kế Ta tiến hành thêm các bước kiểm tra để loại trừ các chi tiết có chất lượng thấp Các dữ liệu lựa chọn, phân tích và bảo dưỡng phòng ngừa và hiệu chỉnh được thực hiện trong suốt thời gian làm việc của sản phẩm Độ tin cậy thực tế được so sánh với độ tin cậy dự đoán và nếu cần thiết ta tiến hành các bước hiệu chỉnh Các dữ liệu này sẽ được sử dụng để phát triển các sản phẩm mới trong tương lai

Trong nhiều trường hợp hệ thống được kiểm tra và bảo dưỡng bởi con người Trong các trường hợp này độ tin cậy của người vận hành cần phải được xem xét khi đánh giá độ tin cậy của toàn bộ hệ thống Nói chung, độ tin cậy của người vận hành cần phải hoàn thiện bằng việc thiết kế sự lắp ráp, thao tác, vận hành càng đơn giản càng tốt Các nhân tố khác ảnh hưởng đến độ tin cậy của người vận hành là công tác đào tạo tốt, mức độ căng thẳng làm việc thấp và các

vị trí các thiết bị đo và điều khiển hợp lý Khi phát triển, thiết kế và chế tạo sản

phẩm cần đảm bảo tính pháp lý của sản phẩm để làm tăng trách nhiệm của nhà sản xuất khi có những sự vi phạm hoặc thiệt hại do sử dụng sản phẩm

Độ tin cậy có thể dự đoán khi thử nghiệm sản phẩm trước khi hỏng hóc Khi thử nghiệm càng nhiều thì độ tin cậy dự đoán càng chính xác Do thử nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí, nên cần phải có sự dung hòa giữa thử nghiệm, độ tin cậy và giá thành sản phẩm Do đó, để thực hiện và quản lý chương trình độ tin cậy toàn bộ cho sản phẩm cần phải có các kiến thức về phương pháp thiết kế, kinh tế, vấn đề giao diện hệ thống, kiểm tra chất lượng và kỹ thuật thử nghiệm và các nhân tố con người

1.2 HỆ SỐ AN TOÀN VÀ ĐỘ TIN CẬY

Trong các phương pháp thiết kế truyền thống, đặc trưng cho sự an toàn của

kết cấu và chi tiết cơ khí là hệ số an toàn Thông thường hệ số an toàn được hiểu

là tỉ số giữa độ bền mong đợi và ứng suất mong đợi Độ bền chi tiết và tải trọng tác dụng được cho là đơn định trong phương pháp thiết kế thông thường Trong thực tế các đại lượng này (độ bền và tải trọng) là các đại lượng ngẫu nhiên, giá trị của chúng phân tán chung quanh các giá trị trung bình Các giá trị phân tán này sẽ trùng lắp nhau trên một vùng nào đó và nó là nguyên nhân gây nên các hiện tượng hỏng hóc của hệ thống Phương pháp thiết kế thông thường dựa trên hệ số

an toàn sẽ không hoàn toàn chính xác bởi vì cùng một giá trị hệ số an toàn nhưng xác suất không hỏng sẽ khác nhau

Để minh họa ta khảo sát mối ghép ren trên máy Kết quả thử nghiệm để xác định giá trị giới hạn bền kéo và ứng suất kéo cho các mối ghép ren trên các máy tương tự nhau Đường cong phân bố biểu diễn bằng các đường gạch gạch trên hình vẽ 1.1 Giá trị trung bình của ứng suất kéo là σ k = 225MPa, giá trị

k

bk = σ

hỏng

420 450 510 540 570 k

Bây giờ ta chọn loại vật liệu khác, loại vật liệu này có phân bố như trước đó với giá trị trung bình giới hạn bền kéo bằng giá trị trung bình của vật liệu trước nhân cho hằng số c (cσ bk) như hình 1.3 Giá trị trung bình ứng suất sinh ra tỉ lệ với hằng số c, có nghĩa là giá trị trung bình của ứng suất là cσ k và có miền phân bố không thay đổi Hệ số an toàn mới sẽ được xác định bằng công thức sau:

n =

k bk

k k

bk bk

Hình 1.4

Trong trường hợp sau thì miền trùng nhau có diện tích nhỏ hơn có nghĩa là xác suất làm việc không hỏng sẽ lớn hơn, mặc dù chúng có cùng chung hệ số an toàn Do đo, nếu hệ số an toàn giống nhau, nhưng xác suất làm việc không hỏng các chi tiết so sánh sẽ khác nhau

Tương tự trong trường hợp chúng có các giá trị trung bình không thay đổi, nhưng miền phân bố thay đổi thì xác suất làm việc không hỏng của chi tiết cũng khác nhau Ví dụ được minh họa theo hình 1.4 dưới đây

Tần suất

xuất hiện

k k

bk bk

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Mỗi thiết kế hoặc qui trình của một sản phẩm bao gồm một số lớn các thông số, nó quyết định tiêu chuẩn kinh tế công nghệ nhất định được chọn lựa Khi đưa thiết kế đã xác định vào thực tế, nó luôn luôn chịu sự thay đổi không kiểm soát được, nó khác nhau nhiều hoặc ít một cách đáng kể do mục tiêu xác định Thiết kế bền vững là một cách hiệu quả và hệ thống của tối ưu hoá thiết kế để tìm

ra cách thiết kế ổn định và hiệu quả nhất Nguyên tắc cơ bản của thiết kế bền vững là áp dụng sự kết hợp các thông số đặc biệt với một vài số thực nghiệm, mẫu hoặc mô phỏng và sau đó thu được thông tin hệ thống tối đa từ các phép giải nhận được

Thuật ngữ thiết kế bền vững được hình thành liên quan với phương pháp Taguchi, nó thật sự rất thành công ở Nhật Bản suốt 30 năm cho đến khi du nhập vào công nghiệp phương Tây vào những năm 1980 Từ đó phương pháp này được ứng dụng đa dạng ở những bài toán hay tất cả các loại công nghệ, các môn khoa học và đã đạt được những thiết kế tốt hơn và thành công to lớn Một khía cạnh tiêu cực của phương pháp này thông qua việc thăm dò ý kiến về phương pháp Taguchi là : Ôâng đã phát minh một số qui trình, phương pháp và qui luật đặc biệt, mà nó dựa trên kiến thức khám phá, nó mâu thuẫn với các nguyên tắc toán học

Người ta đã chọn phần mềm ANSYS để thực hiện một cách khoa học, hiện đại hơn cho thiết kế bền vững Chủ đề của sự quan tâm ở đây cũng là tối ưu hóa cách xếp đặt thông số bằng cách chỉ chạy một vài số mô phỏng Thay vì phân tích các loại giải cấu trúc của chúng (như Taguchi), một bề mặt đáp ứng được thiết lập suốt số liệu đầu ra như một hàm của tất cả các biến đầu vào Trên cơ sở bề mặt đáp ứng này, nó sẽ miêu tả một cách lý tưởng tất cả các đặc tính của cấu trúc và trạng thái như chính cấu trúc của nó, một số lớn các mẫu có thể được tạo ra rất nhanh Điều này có thể xử lý bằng cách phân tích thống kê chính xác một cách tự động Vì vậy thiết kế ổn định, hiệu suất cao nhất có thể nhận biết các ảnh hưởng cuả độ nhiễu và các xếp đặt thông số

1.4 ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

Luận văn này bắt đầu với nền tảng lý thuyết của phương pháp Taguchi và cung cấp tin tức về mục đích và thuật toán của phép tính thiết kế bền vững Sau khi phân tích tỉ mỉ phương pháp này, khái niệm thiết kế bền vững bổ sung sử

dụng bề mặt đáp ứng được mô tả và các cải tiến có thể được thảo luận liên quan đến phương pháp Taguchi

Chương 1 trình bày tổng quan, chương 2 trình bày các phương pháp thiết kế Chương 3 đưa ra cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế bền vững Chương

4 một số kết cấu và chi tiết máy tiêu biểu được tính trên phần mền ANSYS 7.0 Một vài khái quát về các chức năng chương trình được đưa ra và người đọc được hướng dẫn các lựa chọn khác nhau Cú pháp chính xác của tất cả các lệnh chương trình cũng được thêm vào Phải chú ý việc thực hiện các lệnh này chỉ là một Version kiểm tra nội bộ và không sẵn sàng cho chương trình ANSYS chính thức Nhưng nó là một mẫu thiết kế bền vững, nó có thể được tăng lên ít hoặc nhiều hơn cho các phiên bản tương lai

Kết luận về hướng nghiên cứu được đưa ra trong chương cuối Các khả năng và hạn chế của việc thực hiện được nêu ra Kiến thức đạt được cũng được phác thảo và kết luận chủ yếu cũng được phác họa

Mục tiêu của luận văn

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế mới và hiện đại

ANSYS

- Kết quả tính toán trên một số chi tiết máy

Phạm vi, giới hạn của luận văn

• So sánh và nghiên cứu các phương pháp thiết kế

• Cơ sở lý thuyết thiết kế bền vững

• Ứng dụng phần mền ANSYS tính toán các đối tượng là một số chi tiết máy

do thiếu dữ liệu, đơn giản hoá mô hình, lỗi con người… sự thay đổi này có thể giảm được bằng cách thu thập nhiều dữ liệu, hiểu rõ vấn đề hơn, kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt hơn Các đại lượng ngẫu nhiên không giảm được có nguyên nhân là do hiện tượng của bản chất ngẫu nhiên và không thể giảm được bằng cách thu được nhiều dữ liệu

Vì tồn tại những thay đổi kể trên cho nên trong thời gian làm việc tuổi thọ kết cấu là đại lượng ngẫu nhiên Kết cấu thiết kế có thể thực hiện được chức năng dự kiến với khoảng tin cậy mong muốn, nhưng phải tính đến những thay đổi Phương pháp truyền thống có quan hệ với những thay đổi được sử dụng các giá trị vừa phải của các giá trị thay đổi và các hệ số an toàn trong khuôn khổ thiết kế đơn định Xử lý số liệu nghiêm ngặt hơn được tìm thấy trong phương pháp luận thiết kế theo độ tin cậy, phương pháp này phát triển rất nhanh trong vòng nửa thế kỷ nay và đang có động lực phát triển mạnh mẽ Thời gian gần đây khái niệm thiết kế bền vững trở thành phổ biến Tuy nhiên không có sự thống nhất chung của thuật ngữ “bền vững”, nó chỉ là một tiêu chuẩn định lượng

2.1 THIẾT KẾ ĐƠN ĐỊNH

Đảm bảo các chỉ tiêu khả năng làm việc cho chi tiết máy hoặc sản phẩm Tính theo ứng suất cho phép và hệ số an toàn, xét đến ảnh hưởng của kích thước, độ bền, đặc tính tải trọng và các đại lượng này xem như đơn định

Ứng suất cho phép đối với vật liệu bằng thép được xác định theo công

thức:

L lim K K ] S [ ]

σ

Trong đó: σlim - giới hạn mỏi; ε - hệ số kích thước; β - hệ số tăng bền bề mặt hay còn gọi là hệ số ảnh hưởng của bề mặt gia công chi tiết; Kσ - hệ số tập trung tải trọng; [S] – hệ số an toàn cho phép; KL – hệ số tuổi thọ

Khi tính toán thiết kế, kiểm bền hoặc xác định khả năng tải ta xác định theo giá trị này

2.2 THIẾT KẾ THEO ĐỘ TIN CẬY

Để thiết kế máy theo độ tin cậy ta cần phải xác định nguyên nhân gây nên hỏng hóc của máy Các hỏng hóc xảy ra sớm hơn là do thiết kế không đúng, các khuyết tật chi tiết và sản xuất, ứng suất bất thường sinh ra trong thời gian đóng gói và phân phối, các lỗi bảo trì và vận hành, các điều kiện bên ngoài (môi trường và vận hành) vượt quá các tham số thiết kế Một vài phương pháp có thể sử dụng để đảm bảo độ tin cậy: lựa chọn vật liệu và chi tiết, giảm tải, phân tích ứng suất - độ bền, biện pháp công nghệ, đơn giản hóa và sử dụng các phần tử dự trữ…

Thiết bị hoặc máy bao gồm nhiều chi tiết riêng lẻ, chúng có thể liên kết với nhau dạng nối tiếp, song song, có thành phần dự trữ, phức tạp… dựa theo sơ đồ cây hỏng hóc Sau khi sơ đồ hóa máy bằng sơ đồ cây hỏng và ta khảo sát máy như là một hệ thống Bài toán phân tích độ tin cậy máy trở thành bài toán phân tích độ tin cậy hệ thống

Trong chế tạo máy sử dụng các biện pháp về kết cấu, công nghệ (tăng độ chính xác gia công, nâng cao chất lượng cơ tính vật liệu) và vận hành vẫn không đạt được độ tin cậy cao cho các thiết bị Khi đó người ta phải sử dụng các thành phần dự trữ để nâng cao độ tin cậy Nhất là đối với các hệ thống phức tạp nhiều khi tăng độ tin cậy các phần tử vẫn chưa đạt được độ tin cậy cần thiết cho hệ thống Sự dự trữ cho phép ta tăng độ tin cậy hệ thống lên nhiều bậc

2.2.1 Các mô hình tính toán độ tin cậy

Các mô hình toán bao gồm: hàm độ tin cậy R(t), hàm phân bố tích lũy F(t), hàm mật độ phân bố f(t) và hàm cường độ hỏng h(t) Ngoài các hàm trên ta còn sử dụng các đại lượng khác nhau như: thời gian làm việc trung bình cho đến lúc hỏng (MTTF), giá trị trung bình mt, sai lệch bình phương trung bình St Giữa các hàm F(t), R(t), f(t), h(t) có các sự liện hệ sau: R(t) = 1- F(t),

dt

) t( dR ) t(

0 dt ) t(

R

biểu diễn hàm mật độ phân bố f(t): hàm phân bố đều, phân bố mũ, phân bố chuẩn, phân bố logarit chuẩn, phân bố Weibull…

Thông thường để tính toán độ tin cậy theo các chỉ tiêu về độ bền ta sử dụng hàm phân bố chuẩn và logarit chuẩn, bởi vì các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế như kích thước, tải trọng và độ bền vật liệu được xem là các đại lượng ngẫu nhiên phân bố theo các qui luật này Nếu các dạng hỏng phụ thuộc vào thời gian thì phân bố các đại lượng ngẫu nhiên thông thường là phân bố mũ và Weibull

2.2.2 Cơ sở tính toán độ tin cậy theo chỉ tiêu khả năng làm việc

Đánh giá khả năng làm việc và độ tin cậy của các chi tiết máy và hệ thống dựa theo các dạng hỏng Tất cả các chi tiết cơ khí và kết cấu được gọi là hỏng khi nó không còn thực hiện được các chức năng theo yêu cầu Một trong những nguyên nhân của hỏng hóc chi tiết là cường độ và dạng của tải trọng tác dụng Dựa theo các dạng hỏng ta xác định các chỉ tiêu tính Trong mục này ta khảo sát độ tin cậy theo chỉ tiêu bền Giả sử độ bền (X) và ứng suất (Y) phân bố theo qui luật chuẩn (hình 1) theo các hàm mật độ sau:

2

2 1

2

) m x ( x

e S ) x ( f

−

− π

2

2 2

2

y

S ) m y ( y

e S ) y ( f

Trong trường hợp này ta xét quy luật phân bố hiệu Z của các đại lượng ngẫu nhiên độc lập X và Y khi đã biết mật độ phân bố của chúng là f1(x) và f2(y)

∫

∞

∞

− +

= f ( z y f ( y ) dy )

z

Tìm hàm mật độ xác suất của hiệu hai đai lượng nhẫu nhiên độc lập phân bố chuẩn z = x-y với x, y là các đại lượng ngẫu nhiên phân bố theo quy luật chuẩn

Thay thế hai hàm phân bố f1(x) và f2(y) vào công thức f(z) ta có:

− π

S S ) z

y x

x

S ) m y ( S ) m y z ( y

x

2 2 2

2

2 1

2 1Biểu thức trên có thể viết lại ở dạng sau:

⎟

⎞

⎜

⎛ − +

y y x x x

y y x

x

S

m y S

y S m z y S

y S

m S ) m z (

y x

2 2 2 2 2 2 2

2 2

2

2 2

2 1 2

1

2 1

2 1

2 2 2

−

−

− + π

) m m ( z

y x

y x y x

e ) S S ( ) z (

Từ phương trình này ta suy ra z là biến ngẫu nhiên phân bố theo qui luật chuẩn với:

mz = mx - my

y x

m z

z1 = − với z1 gọi là điểm phân vị chuẩn thì dz1 =

z S

dz, do đó công thức để xác định độ tin cậy có thể xác định như sau:

1 2 1

trong đó cận dưới z1 của tích phân được xác định theo công thức:

2 2 1

y x

y x S S

m m z

càng nhỏ tương đương với tăng độ chính xác gia công và nâng cao cơ tính vật liệu

Thông số tính toán Y khi tính toán độ tin cậy theo độ bền là ứng suất tính toán hoặc tải trọng Tương ứng với các đại lượng giới hạn X là giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn mỏi hoặc khả năng tải Ta có thể tính toán độ tin cậy theo chỉ tiêu bền theo sơ đồ hình 2

Ngoài bài toán về kiểm tra và đánh giá độ tin cậy nếu ta biết được giá trị trung bình và sai lệch bình phương trung bình của các đại lượng ngẫu nhiên, ta còn phải tính toán thiết kế các kích thước theo độ tin cậy cho trước

Để khảo sát độ tin cậy các chi tiết máy ta phải xác định các dạng hỏng của chi tiết và các đại lượng ngẫu nhiên trong tính toán với giá trị trung bình và sai lệch bình phương trung bình của chúng Ví dụ độ tin cậy theo xác suất làm việc không hỏng của mối ghép bằng ren R được xác định theo xác suất làm việc không hỏng của các tiêu chuẩn khả năng làm việc chủ yếu: không tách mối ghép

R1, không trượt mối ghép R2, độ bền bulông (tĩnh R3, mỏi R4) R = R1R2R3R4 Độ tin cậy bộ truyền bánh răng R = RHRF với RH là độ tin cậy theo độ bền tiếp xúc,

RF là độ tin cậy theo độ bền uốn…

Các dữ liệu thống kê

về tải trọng, thay đổi

tải trọng và phân bố

con và hệ thống khác

các phần tử, hệ thốngMối liên hệ đến

ứng suất Tính toán

điều kiện làm việc hệ số ảnh hưởngTính toán các

điều kiện làm việcvề hệ số ảnh hưởng Các dữ liệu thống kê

và phân bố kê về ứng suất

Các dữ liệu thống

độ tin cậy Tính toán

và phân bốkê về độ bền Các dữ liệu thống

độ bền Tính toán

sự phân bố kê về vật liệu và Các dữ liệu thống

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán thiết kế theo độ tin cậy theo độ bền

2.3 THIẾT KẾ BỀN VỮNG

Hiện tại “thiết kế bền vững” trở thành phương pháp luận thiết kế phổ biến của các nhà sản xuất Rất đáng tiếc còn rất nhiều ý kiến khác nhau về ý nghĩa của thiết kế bền vững Thông thường người ta sử dụng định nghĩa sau đây: thiết kế bền vững là thiết kế không nhạy cảm (hoặc nhạy cảm ít nhất với những thông số thay đổi đầu vào” Nói cách khác, thiết kế tốt nhất là thiết kế như trông đợi gặp phải các thông số thay đổi mong đợi hoặc không mong đợi Và điều đó thực hiện bởi vì thực tế bản thiết kế thừa hưởng sự không nhạy cảm đối với sự thay đổi trên các tham số thiết kế và môi trường phục vụ Dựa trên định nghĩa này, các miền trong không gian thiết kế cần phải tìm nơi nào độ nhạy số lượng đáp ứng quan trọng đối với các thông số đầu vào quan trọng có độ nhạy nhỏ (lý tưởng bằng 0) Tuy nhiên đó là hướng thiết kế mạnh mẽ và lôi cuốn, tuy nhiên trong thực tế rất khó đạt được (nhiều khi không thể) Ví dụ bản thiết kế không nhạy cảm với các thông số đầu vào có thể an toàn quá mức cần thiết và giá thành cao Ngoài ra cần nhớ rằng thiết kế không còn nhạy với các thông số đầu vào thì không thể làm tốt hơn bằng cách thay đổi các giá trị trung bình các thông số đầu vào này Đặc tính thiết kế này trong một số trường hợp không được ưa thích

Phân loại các thông số

Trong quá trình thiết kế cơ bản, một số thông số có thể ảnh hưởng đến đặc tính chất lượng hoặc đáp ứng của sản phẩm Việc này có thể phân loại thành ba loại sau và trình bày phía dưới trong biểu đồ khối của thiết kế qui trình/sản phẩm

Sự đáp ứng cho mục đích tối ưu hóa trong Thiết kế bền vững được gọi là đặc tính chất lượng Các thông số khác nhau có thể ảnh hưởng đến đáp ứng này, nó được mô tả dưới đây:

i) Các nhân tố tín hiệu: Nhân tố này là các thông số đặt ra bởi người

sử dụng để diễn tả giá trị định trước cho sự đáp ứng của sản phẩm Thí dụ: Đặt tốc độ cho quạt là một nhân tố tín hiệu cho việc định rõ số lượng gió Góc quay thiết bị lái – để chỉ rõ bán kính quay cuả xe hơi

ii) Các nhân tố nhiễu: Các thông số không thể bị kiểm soát bởi người

thiết kế hoặc các thông số mà cài đặt để điều khiển khó hoặc mức độ đắt để điều khiển được duy trì như các nhân tố nhiễu Các nhân tố nhiễu này gây ra sự đáp ứng lệch khỏi mục tiêu định trước bởi nhân tố tín hiệu và dẫn đến mất chất lượng

iii) Các nhân tố điều khiển: Các thông số mà có thể định rõ một cách tự

do bởi người thết kế Người thiết kế phải xác định các giá trị tốt nhất cho các thông số này để có kết quả nhạy của đáp ứng ít nhất đến tác động của các nhân tố nhiễu

Các mức độ của các nhân tố nhiễu thay đổi từng đơn vị một, môi trường một đến môi trường khác và từng lúc một Chỉ những đặc tính thống kê có thể biết hoặc định rõ (trung bình & thay đổi) Các nhân tố nhiễu gây ra sự đáp ứng lệch khỏi mục tiêu định trước bởi nhân tố tín hiệu và dẫn đến mất chất lượng

Các nhân tố nhiễu có thể một lần nữa được phân loại thành ba loại:

(a) Khách quan: Môi trường, tải trọng, sai sót do người

(b) Thay đổi từng cái một: Thay đổi trong quá trình chế tạo

(c) Hư hỏng: Như thời gian lâu, Các hư hỏng đặc tính (liên quan sự lão hóa)

Thiết kế bền vững nói đến tất cả các loại nhân tố nhiễu khác nhau Đối với sản phẩm hoặc qui trình với nhiều chức năng phức tạp, các nhân tố nhiễu khác nhau có thể tác động các đặc tính chất lượng khác nhau

Trong thực tế, vì ta thật sự liên quan đến các thay đổi không mong đợi, điều này chắc chắn là nguyên nhân đặc tính không chấp nhận được Giữa các thiết kế trên thiết kế mong đợi nhất là bản thiết kế nhạy cảm ít nhất với các thay đổi không mong đợi, do nguyên nhân là không mong muốn sử dụng sản phẩm hoặc thiếu hiểu biết về những thay đổi Cho nên định nghĩa trong thực tế của bền vững là: Thiết kế bền vững là thiết kế mà đặc trưng của nó là sắp xết thông số không chấp nhận được bằng các thay đổi các tham số được chấp nhận, mà các tham số này ảnh hưởng đến chức năng của thiết kế và nó có dung sai nhiều hơn cho các thay đổi không chấp nhận được

Cả hai thiết kế bền vững và thiết kế trên cơ sở độ tin cậy dựa trên sự thay đổi ngẫu nhiên Sự khác nhau và giống nhau của chúng rất khó và không cần thiết phải mô tả, đến nay chưa có sự thỏa thuận chung về định nghĩa và thực tế của quan điểm thiết kế bền vững và phạm vi lý thuyết độ tin cậy rất rộng Vấn đề quan trọng hơn là là xác định và kết hợp các sự kiện cả hai quan điểm

Trong thiết kế trên cơ sở độ tin cậy, tất cả số liệu thay đổi được mô hình hoá như là các biến ngẫu nhiên (hoặc quá trình nếu các biến là quan trọng) Định

nghĩa bền vững trong thực tế là “Nếu phân bố xác suất các biến ngẫu nhiên đầu

vào được thiết lập tốt (khi mà tất cả các sự thay đổi đại lượng ngẫu nhiên có thể giảm được) sau đó tất cả sự thay đổi được tính đến trong quá trình thiết kế và kết

quả tính toán trên cơ sở độ tin cậy sẽ là bền vững”

Thiết kế bền vững là phương pháp giải quyết của Tiến sỹ Taguchi cho việc xác định cấu hình tối ưu của các thông số thiết kế cho đặc điểm chất lượng và giá thành Phương pháp thiết kế bền vững cung cấp một phương pháp giải quyết hiệu quả và hệ thống cho việc tìm sự kết hợp gần tối ưu các thông số thiết kế để cho sản phẩm là hàm số, trình bày mức đặc điểm cao và là sự bền vững đối với các yếu tố nhiễu Các yếu tố nhiễu là những thông số mà không thể điều khiển được hoặc chi phí quá đắt để điều khiển

Để tránh các tình trạng có thể tốn tiền do loại bỏ hoặc làm sản phẩm lại, vì vậy thiết kế chính xác một hệ thống, qui trình có thể không nhạy đối với những sự thay đổi Để xác định và tối thiểu hóa sự tác động của các yếu tố gây ra thay đổi, chu trình thiết kế được chia thành ba giai đoạn: thiết kế hệ thống, thiết kế thông số và thiết kế dung sai (hình 2.3) Đầu tiên người thiết kế sử dụng kiến thức của phương pháp đang điều nghiên để đưa ra một thiết kế ban đầu một sản phẩm hoặc qui trình Mục tiêu thứ hai là chọn các giá trị thích hợp cho các thông số sản phẩm hoặc qui trình Trong thiết kế dung sai, các chi tiết chất lượng cao hơn sẽ thay thế các thành phần ít tin cậy hơn, tăng chất lượng của sản phẩm hoặc qui trình

Hình 2.4 Các giai đoạn trong quá trình thiết kế bền vững

2.3.1 Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống là giai đoạn khi các phương pháp, ý tưởng, khái niệm mới … được đưa ra để cung cấp những sản phẩm mới hoặc cải tiến cho khách hàng Nó là qui trình áp dụng kiến thức công nghệ và khoa học để đưa ra một thiết kế mẫu có chức năng cơ bản Mô hình mẫu định rõ cấu hình và các thuộc tính của sản phẩm trải qua phân tích hoặc triển khai Thiết kế ban đầu có thể là hàm số nhưng nó có thể áp dụng tối ưu về mặt chất lượng và giá thành

Thiết kế hệ thống là một “hậu qui trình” cho việc lập những giải pháp cho bài toán đặt ra “Hậu qui trình” là một qui trình để tạo ra các qui trình khác Thiết kế hệ thống là một qui trình thiết lập để xác định các thành phần, thông tin, và thứ tự các bước để triển khai sự mô tả đầy đủ một hệ thống có thể thực hiện được hoặc mục tiêu mà không tồn tại trong cách mà chúng ta mong muốn Dixon, Poli và Dieter mô tả thiết kế hệ thống như đa chặt chẻ và như sự kết hợp tổng hợp và phân tích, ở đây phân tích phục vụ nhu cầu cho việc giải quyết những bài toán tổng hợp Vài phương pháp thiết kế và “hậu qui trình” đã được phát triển, và những thứ khác vẫn còn được thiết kế Vài Phương pháp thiết kế tiêu biểu và hậu qui trình bao gồm: định nghĩa bài toán rõ ràng và hoàn toàn, chọn lựa thông tin thích hợp, tạo và đánh giá khái niệm, cấu hình, thông số, và chứng minh bằng tài liệu một cách chi tiết, bao gồm kế hoạch chế tạo, và sự cần thiết để thực hiện hệ thống hoặc mục tiêu Bước đầu tiên là định nghĩa bài toán tổng hợp chính để giải quyết bằng cách thiết lập một mục tiêu rõ ràng và những yêu cầu cho giải pháp Những bài toán trên thế giới thực tế nhất làm chúng ta giật mình vì sự mơ hồ và được phát biểu không đầy đủ của nó Chúng yêu cầu nỗ lực có ý nghĩa để định nghĩa giải pháp có thể chấp nhận là gì, tức là mô tả mục tiêu hoặc hệ thống có

thể thực hiện được, phải hoàn thành Người làm công nghệ luôn không hiểu nhu cầu để loại bỏ mơ hồ để tạo ra một thiết kế thực tế Họ không quen thuộc với đặc điểm kỹ thuật thiết kế công nghệ hoặc họ phải chuẩn bị thế nào Họ nhận sự huấn luyện và giáo dục ít trong hoạt động công nghệ cơ bản, và làm quen với việc giải quyết giản dị “đóng hộp” nhiều hơn, và những bài toán được xác định tốt từ bài học Các kỹ thuật cần xác định rõ bài toán thiết kế yêu cầu đa viễn cảnh, chú ý đến chi tiết, khả năng sáng tạo để xem xét dãy tiềm năng rộng lớn, đưa ra quyết định tốt và nhanh, và thông tin rõ ràng từ Người làm công nghệ hoặc kỹ sư Người làm công nghệ kỹ thuật cũng yếu trong lĩnh vực sáng tạo và đánh giá các khái niệm thay đổi phức tạp Khái niệm thiết kế là phương pháp giải quyết bài toán thiết kế Người làm công nghệ dường như tránh tạo ra những khái niệm định tính mà không chuyển thành chi tiết, và muốn phát triển đầy đủ khái niệm đầu tiên mà đến ý định Họ cũng có khó khăn trong việc đánh giá các khái niệm định tính một cách khách quan Giai đoạn này của bài toán giải quyết qui trình thiết kế yêu cầu khả năng sáng tạo và chặt chẻ để phát triển và mô tả khái niệm một cách định tính mà không nghiên cứu sâu vào chi tiết Người làm công nghệ nên học sự đa dạng của kỹ thuật tạo ra ý tưởng, như là xem xét các qui luật vật lý và ảnh hưởng khác, phương pháp vận dụng trí tuệ tập thể để giải quyết vấn đề phức tạp, nghiên cứu các kết hợp mới, phép nghịch đảo vấn đề, ý tưởng kỳ quặc v.v…

Người làm công nghệ dường như có vài khó khăn hơn như qui trình tiến triển cho việc xác định chi tiết bằng số cụ thể, thông qua việc tạo ra và đánh giá cấu hình khác nhau vẫn là đều khó khăn cho nhiều người trong họ Họ thường thoải mái trong sự yên tâm với thiết kế thông số sử dụng phân tích và thuật toán mà họ đã học trong thời gian học kỹ thuật chính thức của họ Không may, hầu hết các quyết định thiết kế công nghệ quan trọng được tạo ra thực sự ở điểm này trong qui trình thiết kế, và chi tiết bằng số chỉ chủ yếu kết thúc những chi tiết nhỏ Vài người, một kỹ sư triển vọng, trước đây phải triển khai bài toán giải quyết các phương pháp để xác định bài toán thông số đã được giải Những chi tiết tạo ra thiết kế, như là kích thước và dung sai được chi tiết hóa, các bản vẽ phụ và các bản vẽ phác, các hướng dẫn và chú thích công nghệ, đặc trưng kỹ thuật và kế hoạch xử lý, và thậm chí cả ước lượng chi phí được chứng minh bằng tài liệu một cách chính thức sau khi thiết kế thông số, tuy vậy chúng ta hy vọng rằng họ xem xét qui trình hoàn tất ở mọi lúc Người làm công nghệ kỹ thuật thường yếu trong kỹ thuật đối với nhiệm vụ này, mặc dầu họ bị phê bình làm thế nào để tạo ra một mô tả đầy đủ của thiết kế có thể thực hiện được

Thiết kế hệ thống là giai đoạn khi các phương pháp, ý tưởng, khái niệm mới v.v… được đưa ra để cung cấp những sản phẩm mới hoặc cải tiến cho khách hàng Nó là qui trình áp dụng kiến thức công nghệ và khoa học để đưa ra một thiết kế mẫu có chức năng cơ bản Mô hình mẫu định rõ cấu hình và các thuộc tính của sản phẩm trải qua phân tích hoặc triển khai Thiết kế ban đầu có thể là hàm số nhưng nó có thể áp dụng tối ưu về mặt chất lượng và giá thành

2.3.2 Thiết kế thông số

Có hai loại nhân tố tác động đến đặc tính chức năng của sản phẩm trong thiết kế thông số là: Nhân tố điều khiển và nhân tố nhiễu Nhân tố điều khiển là các nhân tố mà có thể được điều khiển dể dàng như là chọn vật liệu, chu kỳ thời gian hoặc nhiệt độ đúc trong một qui trình đúc phun Nhân tố nhiễu là các nhân tố khó hoặc không thể hoặc quá đắt để điều khiển Có ba loại nhân nhiễu: nhiễu bên ngoài, nhiễu bên trong và nhiễu giữa sản phẩm Thí dụ mỗi loại nhân tố nhiễu và các nhân tố có thể điều khiển trong thiết kế sản phẩm và qui trình được lập trong bảng 1 Các nhân tố nhiễu là đáp ứng chủ yếu gây cho đặc tính của sản phẩm lệch khỏi giá trị mục tiêu của nó Tuy nhiên, thiết kế thông số nhầm để thiết lập các nhân tố điều khiển tạo ra sản phẩm không nhạy với sự biến đổi trong các nhân tố nhiễu, tức là tạo ra sản phẩm bền vững hơn, mà thực tế không loại bỏ các nguyên nhân gây biến đổi

Nhiệt độ xung quanh

Độ ẩm Các mùa Biến đổi vật liệu đầu vào Nhân viên vận hành Thay đổi điện thế Biến đổi từng đợt Nhiễu bên

trong

Hư hỏng chi tiết

Hư hỏng vật liệu Oxy hóa (kim loại)

Máy móc lão hóa Hao mòn dụng cụ Sự hư hỏng Nhiễu giữa các

sản phẩm

Biến đổi từng chút mà ở đó chúng bị cho rằng là như nhau thí dụ:

Mođun đàn hồi Mođun biến dạng Ứng suất cho phép

Thay đổi từng qui trình mà

ở đó chúng bị cho rằng là như nhau thí dụ:

Các biến đổi trong tốc độ cung cấp vật liệu

Các nhân tố có

thể điều khiển

Tất cả các thông số thiết kế, thí dụ:

• Các kích thước

• Lựa chọn vật liệu

Tất cả các thông số thiết kế qui trình

Tất cả các thông số thiết lập qui trình

Thiết kế thông số là một sự điều tra được thực hiện để nhận biết sự bố trí các thông số thiết kế, điều này nhằm tối ưu hóa đặc tính thực hiện và giảm sự nhạy của các thiết kế kỹ thuật cho các nguồn thay đổi do độ nhiễu mục tiêu Thiết kế thông số yêu cầu vài dạng thí nghiệm việc đánh giá tác động của các yếu tố nhiễu trên đặc trưng thực hiện của sản phẩm được định rõ bởi một tập hợp giá trị được cho vì các thông số thiết kế Thí nghiệm này nhằm mục đích lựa chọn các mức tối ưu cho các thông số thiết kế có thể kiểm soát được như hệ thống là hàm số, đưa ra mức đặc tính cao dưới một dãy điều kiện rộng và bền vững đối với các yếu tố nhiễu

Taguchi chia các nhân tố thành hai nhóm: các nhân tố điều khiển và các nhân tố nhiễu Các nhân tố điều khiển là những thứ được thiết lập bởi nhà chế tạo

mà khách hàng không thể thay đổi trực tiếp được Các nhân tố nhiễu là những thứ mà nhà chế tạo không trực tiếp điều khiển trên nó bởi vì những thứ này thay đổi

do sử dụng và môi trường của khách hàng Nhà chế tạo không điều khiển các yếu tố nhiễu Các yếu tố nhiễu được chia thành:

Nhiễu bên ngoài

Các yếu tố môi trường như: nhiệt độ xung quanh, độ ẩm, áp suất hoặc con người Nhiễu bên ngoài sinh ra các thay đổi bên ngoài

Nhiễu bên trong

Các yếu tố quá trình thường không điều khiển được sản xuất, điều này dẫn đến sự thay đổi từ từ trong quá trình thực hiện Chúng là chức năng và thời gian liên quan như là sự hư hỏng, sự mất chất lượng, bay màu, phai màu hoặc khô đi Nhiễu bên trong sinh ra các thay đổi từ bên trong

2.3.3 Thiết kế dung sai

Thiết kế dung sai là quá trình xác định các dung sai xung quanh các giá trị danh nghĩa định trước trong quá trình thiết kế thông số Thiết kế dung sai yêu cầu nếu thiết kế bền vững không thể tạo ra chức năng yêu cầu và không kèm theo những thành phần đặc biệt về chi phí hoặc độ chính xác xử lý cao Nó bao gồm sự chặt chẽ của dung sai các thông số mà ở đó khả năng thay đổi chúng có tác động âm tính lớn trên hệ thống cuối cùng Các dung sai chặt chẽ tiêu biểu dẫn đến giá thành cao hơn Vì thế thiết kế dung sai làm tăng giá thành

3.1 PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI

3.1.1 Lịch sử phương pháp Taguchi

Tiến sĩ Genichi Taguchi đã xây dựng nền tảng thuật ngữ được biết như

“Công nghệ chất lượng”, “Công nghệ bền vững” và thiết kế bền vững Vào những năm 1950 ông ta đã xuất bản một phương pháp mới bao gồm vài cách tiến hành mới, mà ngày nay được mang tên ông Vào thời điểm đó ông chịu trách nhiệm cải thiện hệ thống điện thoại Nhật Bản, hệ thống đã cũ và không phù hợp cho mục đích liên lạc thời gian lâu Ông ta bắt đầu cải tiến vào các hướng mà mất nhiều thời gian và tiền bạc vào kiểm tra và thử nghiệm, trong khi tầm quan trọng lại nhỏ Làm thế nào để tối thiểu phí tổn tiềm lực kinh tế Điều này đã thúc đẩy ông ta sử dụng một loại qui hoạch thực nghiệm mới Ông ta nhấn mạnh cách suy nghĩ sáng tạo mới cho tính hiệu quả và kiểm soát chất lượng Khái niệm cơ bản của triết lý Taguchi, mà trên đó tất cả kỹ thuật và cách tiến hành mới được phát triển và được liệt kê dưới đây:

• Chất lượng nên là phần không thể thiếu của một sản phẩm, thay vì cố gắng đạt chất lượng bằng cách kiểm tra ta kiểm soát nó trong toàn bộ quá trình thiết kế

• Chất lượng nên đạt tốt nhất bằng cách tối thiểu sai lệch từ mục tiêu, để sản phẩm không nhạy với các nhân tố môi trường không thể kiểm soát

• Các sai lệch từ thông số thiết kế đã cho nên được đo trong điều kiện chi phí của sản phẩm (suốt cả chu trình sống của sản phẩm)

3.1.2 Đại cương chu trình

Phương pháp Taguchi ngày nay sắp xếp thứ tự từ phương pháp tiêu chuẩn đơn giản đến các bước rất phức tạp, nó là cách làm của người thợ may cho các kế hoạch nhất định Nó có thể yêu cầu kiến thức chi tiết về các vấn đề kỹ thuật, cũng như về kinh tế và quản lý Mục đích là tìm ra giải pháp tốt nhất và điều này

2 Thiết kế và thực hiện các thí nghiệm

3 Phân tích các kết quả để xác định các thông số tối ưu

4 Cho chạy thử nghiệm để xác nhận việc sử dụng các thông số tối ưu

3.1.3 Phương pháp Taguchi

hướng khách hàng “Chất lượng là sự thất thoát phổ biến cho xã hội từ lúc sản phẩm được đưa ra thị trường” Sự thất thoát bao gồm giá thành không thỏa mãn cho khách hàng, điều đó dẫn đến việc mất uy tín của công ty Có bốn khái niệm chất lượng được phát biểu bởi Taguchi

1 Chất lượng nên được thiết kế vào sản phẩm từ lúc bắt đầu, không phải bằng kiểm tra Cải thiện chất lượng nên đưa ra trong suốt giai đoạn thiết kế sản phẩm hay qui trình và liên tục suốt chu trình sản xuất Chất lượng nên được triển khai bằng “ngăn chặn” Những trở ngại nên được giải quyết tại gốc

2 Chất lượng đạt tốt nhất khi độ sai lệch khỏi mục tiêu đề ra là tối thiểu, không có một sai phạm nào so với các yêu cầu kỹ thuật Sản phẩm nên được thiết kế để làm nó bền vững và miễn khỏi các nhân tố môi trường không kiểm soát được như độ nhiễu, độ ẩm v.v… Giảm sự thay đổi là vấn đề chủ chốt để tăng chất lượng Bằng cách chỉ rõ các giá trị mục tiêu cho các thông số tới hạn và đảm bảo việc chế tạo đáp ứng được giá trị mục tiêu với độ sai lệch nhỏ, chất lượng có thể tăng một cách đáng kể

3 Chất lượng không nên dựa trên đặc điểm, đặc trưng hoặc đặc tính của sản phẩm Đặc điểm và đặc tính của một sản phẩm có thể liên quan tới chất lượng, tính nữa vời không là cơ sở của chất lượng Đặc điểm là sự đo lường khả năng của sản phẩm

4 Giá thành của chất lượng được đo như một chức năng của sự thay đổi đặc điểm sản phẩm và các thất thoát được đo cách xa hệ thống Từ những thông số thiết kế đã cho, các độ lệch khỏi mục tiêu được đo dưới dạng giá thành chu kỳ sống toàn bộ của sản phẩm Điều này bao gồm giá của việc làm lại, kiểm tra, hàng

3.2 HÀM THẤT THOÁT TỔNG

Phát biểu của Taguchi về chất lượng có thể viết như “Chất lượng là sự tránh khỏi thất thoát tài chính cho xã hội sau khi sản phẩm được đưa ra thị trường” Dù là sự thất thoát thực sự có thể là thất thoát chức năng của sản phẩm, hoặc những thất thoát khác như là ô nhiễm, thời gian, nhiễu v.v… tác động tổng quát là thất thoát tài chính Có hai loại thất thoát chủ yếu cho xã hội đối với chất lượng sản phẩm

- Thất thoát mắc phải như kết quả của các tác động có hại cho xã hội (thí dụ: Ô nhiễm)

- Thất thoát do thay đổi quá thừa trong việc thực hiện chức năng

Phương pháp tính toán qui ước giá thành của chất lượng dựa trên số các chi tiết loại bỏ và làm lại Phương pháp này không thể phân biệt giữa hai mẫu mà cả hai có những giới hạn đặc điểm kỹ thuật, trái với các phân bố của những đặc tính mục tiêu

(a) Hàm bậc

(b) Hàm thất thoát bình phương Thất thoát chất lượng

Hình 3.1 Hàm thất thoát Taguchi

A0

Biểu đồ trên cho thấy hàm thất thoát như là một chức năng của sự lệch khỏi giá trị mục tiêu ‘m’, nó có thể là kích thước tới hạn, màu sắc, kết thúc bề mặt hoặc bất cứ những đặc trưng mà nó góp phần cho khái niệm chất lượng của khách hàng UAL (Upper Acceptable Limit) và LAL (Lower Acceptable Limit) tiêu biểu cho giới hạn có thể chấp nhận được ở mức trên và mức dưới Thông thường, sản phẩm có thể chấp nhận chức năng nếu giá trị của thông số kỹ thuật ở giữa UAL và LAL

Theo Taguchi, hàm thất thoát do sự sai lệch khỏi giá trị lý tưởng Đặc trưng sản phẩm bắt đầu chịu đựng khi các thông số thiết kế lệch khỏi giá trị mục tiêu Hàm thất thoát này tính theo dạng bậc hai cơ bản sau:

L(y)

L(y) = A/∆ 2

y 2(b) Nhỏ hơn thì tốt hơn

L(y) = A∆ 2

(1/y 2) (c) Lớn hơn thì tốt hơn

A

L(y)

Chú ý khi y = m thất thoát bằng zero và là chổ dốc (điểm uốn) của hàm thất thoát Thất thoát tăng ít khi y gần m, nhưng khi y lệch xa khỏi m thì thất thoát tăng rất nhanh Nếu m + ∆ và m – ∆ là giới hạn dung sai của khách hàng, nghĩa là đặc tính sản phẩm không thỏa mãn khi y nằm ngoài khoảng này, và nếu chiphí cho khách hàng để sửa chữa hoặc thay thế sản phẩm là A dollars thì:

Loại hàm thất thoát được mô tả trong phương trình (3.3) gọi là danh định thì tốt nhất Loại hàm nhỏ hơn thì tốt hơn (Hình 2) mô tả trường hợp giá trị lý tưởng bằng zero Loại hàm khác gọi là lớn hơn thì tốt hơn (hình 3) mô tả y = 0 đây là trường hợp tồi tệ nhất và khi y tăng thất thoát chất lượng trở nên nhỏ hơn dần dần Cuối cùng, hàm chất lượng không đối xứng, nó có k khác ở mỗi phía giá trị mục tiêu (hình 4)

Thất thoát trung bình cho khách hàng thu được bằng việc trung bình hàm thất thoát bậc hai Bởi vì các nhân tố nhiễu đặc tính đặc trưng y của sản phẩm

Hình 3.2 Các hàm thất thoát cơ bản

− +

= ⎢⎣⎡(μ− )2 + −1σ2⎥⎦⎤

n

n m k

Trong phương trình (3.4) μ là giá trị trung bình của y và 2 là phương sai

∑

=

i i y

2 2

) ( 1

1

μσ

Khi n lớn ta có thể viết phương trình (3.4) như:

Phương trình (3.5) cho thấy rằng thất thoát chất lượng trung bình bao gồm hai thành phần Thành phần đầu tiên, k(μ - m)2 , do bởi sai lệch giá trị trung bình

bình của y xung quanh m Thường thì dể tối thiểu thành phần thứ nhất bằng cách thiết thông số thích hợp Việc giảm thành phần thứ hai thì khó hơn bởi vì nó yêu cầu giảm phương sai Việc này có thể đạt được bằng cách đặt camera phát hiện sản phẩm xấu và tìm ra rồi sửa chữa các nguyên nhân gây ra qui trình tồi Nhưng cả hai cách giải quyết này làm tăng chi phí sản phẩm Phương pháp giải quyết mà Taguch đề xuất là ứng dụng khái niệm thiết kế bền vững để tìm ra các thông số thiết kế mà tối thiểu độ nhạy của sản phẩm đối với nhiễu

Thí dụ: Một động cơ xe tải có mã lực mục tiêu là 330 hp Khách hàng chấp nhận có thể thấp dưới giá trị này, và ở 260 rung động do dưới công suất trở nên đủ mạnh để yêu cầu giải quyết vấn đề này Mặt khác cao hơn 300 hp xuất hiện các nảy sinh liên quan, bởi vì động cơ quá tải có thể gây hư hỏng hộp truyền động Chi phí trung bình để hiệu chỉnh việc thấp tải bằng cách thay ống thoát khí (pô thải) là $300 Hàm thất thoát là:

A = $300 và ∆ = 40

2 2

2 2

2 2

) 300 (

19 0 ) 300 ( ) 40 (

300 )

( )

( )

Để kiểm tra và thay thế ống thoát khí trong nhà máy khi chế tạo giá $200 Dung sai khỏi mục tiêu là kinh tế khi làm điều này hay không?, và trong quá trình tăng chất lượng cho khách là gì?

Để giảm lời câu hỏi, khi thất thoát là $200 trên chi tiết, giá trị của y là gì?

200 = 0.19(y – 300)2; y = 300 ±32.4 và dung sai làm lại là 32 hp

Lựa chọn dung sai

Lựa chọn dung sai hợp lý là một vấn đề quan trọng của chất lượng cũng như là vấn đề sống còn về kinh tế Taguchi cho thấy hàm chất lượng liên quan đến vấn đề này như thế nào

Tổng chất lượng trung bình cho trong phương trình (3.5), và nếu ta cho rằng công suất động cơ tập trung xung quanh giá trị mục tiêu, vậy Q = k 2, Nếu phương sai công suất động cơ hiện tại là 2 = (30)2 = 900, vậy thất thoát trung bình cho mỗi động cơlà Q = $0.19(900) = $171 Một trong những biến số điều khiển công suất là giá trị này, nó điều khiển đầu vào nhiên liệu Giá trị điều khiển đặc trưng cao hơn sẽ tăng chi phí gần $12 và sẽ giảm độ lệch chuẩn đến 20

hp Đây có phải là cuộc đầu tư khôn ngoan không ?

Một thí dụ điển hình khác (Hình 3-3) trình bày sự phân bố mật độ màu cho tất cả máy tivi được chế tạo với độ dung sai và thiết kế giống hệt nhau, nhưng mục tiêu chất lượng khác nhau Sự phân bố thống nhất của SONY, máy tivi USA là một kết quả kiểm soát chất lượng trực tiếp bằng theo dõi màn hình Chúng đạt mục tiêu chất lượng là m ± 5 Họ sản xuất tất cả máy tivi với độ dung sai này SONY, JAPAN sản xuất máy tivi giống hệt nhau nhưng họ nhằm mục đích trực tiếp vào mục tiêu m Vì vậy những máy được chế tạo bởi SONY, JAPAN đại thể đạt được sự phân bố thông thường với số ít máy tivi nằm ngoài giới hạn dung sai Điều này là vì sự nỗ lực, tận tâm để đạt được gần mục tiêu “m” với khả năng có thể Sony, Japan chế tạo các máy xếp loại A nhiều hơn Sony, USA Điều này phản ảnh giá trị chất lượng cao của các máy được chế tạo bởi Sony, Japan

Tổn thất chất lượng trung bình vì các nhân tố nhiễu

Bởi vì các nhân tố nhiễu, đặc tính chất lượng y của sản phẩm biến đổi từng đơn vị một và từng lúc một trong khi sử dụng sản phẩm Sự phân bố của kết quả y từ tất cả nguồn nhiễu được trình bày phía dưới là sự phân bố thông thường với giá trị trung bình μ và sự biến đổi σ2

Mật độ màu Loại

Hình 3-3 Sự phân bố mật độ màu trong các máy tivi

σ2

Hình 3.4 Sự phân bố y, với giá trị trung bình μ và sự biến đổi σ2