MỞ ĐẦU Để triển khai chương trình khí trọng điểm Nhà nước, ngành khí chế tạo máy xây dựng bước tự sản xuất thiết bị xây dựng cơng trình như: cần trục, máy xúc, máy sản xuất vật liệu Tuy nhiên, tập trung chế tạo phần kết cấu thép máy Đây phận chiếm phần lớn trọng lượng máy phù hợp với điều kiện cơng nghệ đa số nhà máy khí xây dựng Chính lý mà công tác thiết kế sau hoạch định phương án tổng thể tập trung nhiều vào thiết kế kết cấu thép dạng thiết kế định hình theo mẫu Bài toán tối ưu phần thép cho kết cấu nặng máy xây dựng chưa đặt vị trí khai thác hết tiềm Tính cấp thiết đề tài: Phục vụ trực tiếp cho trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy xúc thuỷ lực gầu ngược nước ta Nội dung nghiên cứu góp phần vào thực đề tài : "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy xúc thuỷ lực gầu ngược dung tích 0,7m3" Bộ Xây dựng chủ quản, Tổng công ty lắp máy Việt Nam LILAMA chủ trì Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mơ hình tính phản ánh thực tế làm việc cần máy xúc gầu ngược dẫn động thuỷ lực Trên sở phương pháp toán tối ưu, phương pháp PTHH tiêu chuẩn tính tốn kết cấu thép xây dựng sơ đồ thuật tốn, chương trình tính tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc với khối lượng cực tiểu Bằng chương trình có tiến hành khảo sát, đánh giá ảnh hưởng số tham số tính tốn đến thông số kết cấu cần máy xúc gầu Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tối ưu tham số kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược Đánh giá ảnh hưởng số tham số tối ưu đến kết toán tối ưu kết cấu cần máy xúc với đặc điểm sau: - Dung tích gầu xúc  0,7 m3 với quĩ đạo đào cho trước; - Máy xúc có khả làm việc với cấp đất từ I đến V [10], [37] với tính chất học đất xem ổn định; - Máy xúc làm việc điều kiện giới hạn áp suất phản hồi hệ thống thuỷ lực, ổn định lật trượt lết với lực cản đào lớn xuất đỉnh gầu cùng; - Cần máy xúc làm thép kết cấu với dạng tiết diện phổ biến nhất; - Phân tích kết cấu PP PTHH với phần tử không gian; - Các tiêu chuẩn thiết kế sử dụng là: Kết cấu thép tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005; Thiết bị nâng- Thiết kế chế tạo kiểm tra kỹ thuật TCVN 4244:2005 Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp xác suất thống kê; - Phương pháp tối ưu theo quan điểm tiến hoá; - Các phương pháp học ứng dụng (phương pháp PTHH, phương pháp trạng thái giới hạn, phương pháp học hệ nhiều vật) giải toán kết cấu Bố cục luận án gồm phần mở đầu, phần kết luận chương CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƢU CẦN MÁY XÚC THUỶ LỰC GẦU NGƢỢC Các dạng toán tối ưu thiết bị cơng tác (TBCT) máy xúc phải mang tính cấp thiết phải sử dụng phương pháp nghiên cứu đại để cực tiểu chi phí sản xuất, chế tạo vận hành Bài toán tối ưu tham số kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược nhà khoa học đánh giá số toán thiết kế tối ưu điển hình TBCT máy xúc [80] Qua phân tích tốn tối ưu kết hợp với phân tích cơng trình khoa học tối ưu kết cấu cần máy xúc nhận thấy: đa số nghiên cứu mơ hình hố kết cấu cần máy xúc dạng chịu lực không gian [75], [84], [85] Bài tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc có ý nghĩa thực tế toán tối ưu tiết diện ngang với hàm mục tiêu cực tiểu khối lượng kết cấu với ràng buộc bền chuyển vị [18] Bài toán tối ưu kết cấu cần máy xúc theo tiết diện ngang có hàm mục tiêu khối lượng cần máy xúc phát biểu sau: Cực tiểu hoá hàm: Với điều kiện ràng buộc: n f ( x )    i Ai l i ; i 1 g i  C j  C j  0; (1.5) (1.6) Trong đó: f(x)- Trọng lượng tồn kết cấu; n- Tổng số phần tử kết cấu; γi- Khối lượng riêng phần tử thứ i; Ai- Diện tích mặt cắt ngang phần tử thứ i; li- Chiều dài phần tử thứ i; gi- Các điều kiện hạn chế học hình học; Cj- Giới hạn cho phép điều kiện hạn chế; Cj - Trạng thái thực kết cấu xem xét Đây tốn nhiều người làm cơng tác nghiên cứu quan tâm Tuy vậy, nghiên cứu trước thường có hạn chế như: thuật tốn tối ưu tính tốn chưa rõ ràng; Việc xác định vị trí TBCT tính tốn tối ưu kết cấu cần đơn giản; Tổ hợp tải trọng tác dụng lên cần máy xúc cịn đơn giản; Chưa tính tốn kiểm tra bền kết cấu theo điều kiện ổn định tổng thể ổn định cục bộ; Chuyển vị đầu cần máy xúc chưa đề cập đến Để giải tồn nêu trên, luận án nghiên cứu lựa chọn phương pháp (PP) tính tốn đại đủ độ tin cậy như: PP học hệ nhiều vật, PP trạng thái giới hạn, PP PTHH không gian, PP xác suất thống kê Đặc biệt luận án chọn thuật tốn tiến hóa vi phân (DE), thuộc PP tối ưu theo quan điểm tiến hoá, thuật toán chủ đạo để giải toán tối ưu kết cấu cần máy xúc Đây thuật tốn có khả tìm kiếm nghiệm tối ưu tồn cục khơng gian lớn tốn đa cực trị Thơng qua phương pháp tính đại lựa chọn, luận án tiến hành nghiên cứu, giải toán tối ưu kết cấu cần máy xúc theo hướng khắc phục tồn nghiên cứu trước Các bước tính tốn cụ thể đề cập, giải chương CHƢƠNG CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU CẦN MÁY XÚC THUỶ LỰC GẦU NGƢỢC Nội dung chương thực với mục đích xác định tổ hợp tải trọng, vị trí tính tốn nguy hiểm tính tốn thiết kế kết cấu cần máy xúc sở tính tốn tham số máy xúc TBCT tính tốn động học máy xúc theo lý thuyết học hệ nhiều vật Bên cạnh đó, nội dung chương tiến hành xác định tổ hợp tải trọng, vị trí tính tốn cần máy xúc tính tốn kiểm tra kết cấu cần Kết q trình tính toán sử dụng làm tham số đầu vào phục vụ tính tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc 2.1 Xác định trình tự tính tốn, tham số thiết kế máy xúc cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc 2.1.1 Trình tự tính toán, thiết kế máy xúc cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc Khi tính tốn, thiết kế máy xúc thuỷ lực gầu ngược, trình tự tính tốn, thiết kế thường tuân thủ theo sơ đồ khối hình 2.1 Hình 2.1 Trình tự tính tốn, thiết kế máy xúc thuỷ lực gầu ngược Tính tốn, thiết kế cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược phải dựa kết tính tốn chung máy xúc (khối 2, hình 2.1) đồng thời phải có bước tính tốn, thiết kế riêng Trình tự tính tốn, thiết kế cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược thể hình 2.2 Trong sơ đồ hình 2.2, kết tính tốn tổ hợp tải trọng, vị trí tính toán, ngoại lực tác dụng lên cần thiết kế (khối 3, 4, 5) kiểm tra (khối 8, 9, 10) có ý nghĩa quan trọng (đây nhiệm vụ chương) Bên cạnh đó, để đạt tính hợp lý kết cấu, số lần lựa chọn kích thước tiết diện mặt cắt ngang (khối 2) số lần tính tốn kết cấu cần (khối 7) có ảnh hưởng lớn Đây tiền đề để áp dụng phương pháp tối ưu nhằm đạt kết cấu cần máy xúc theo yêu cầu thiết kế đặt Hình 2.2.Trình tự tính tốn, thiết kế cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược 2.1.2 Xác định tiêu kinh tế, kỹ thuật máy xúc Việc xác định tham số máy xúc theo PP phân tích hồi qui sử dụng phổ biến để xác định tiêu kinh tế, kỹ thuật tham số hình học, khối lượng phục vụ tính tốn thiết kế máy xúc Phương pháp giải tốn phân tích hồi qui xác định tham số máy xúc thường phương pháp hạ bậc sau: n y  a0   xi ; i 1 (2.4) Cũng viết phương trình cân dạng sau: n y  a0   ln xi i 1 (2.6) Trong đó: y- Biến phụ thuộc; a0- Hệ số chặn; ai, bi, ci- Hệ số cân bằng; xi- Các biến độc lập liên quan; n- Số biến độc lập Các công thức cụ thể xác định tham số máy xúc nêu toàn văn luận án tài liệu [84], [85], [88] 2.1.3 Xác định tổ hợp tải trọng phục vụ tính toán thiết kế kiểm tra kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc 2.1.3.1 Các thành phần tải trọng tính tốn thiết kế kết cấu cần Các thành phần tải trọng tính tốn thiết kế kết cấu kim loại cần máy xúc là: Lực cản cực đại gầu gặp chướng ngại vật; Lực mô men quay cực đại sàn quay máy xúc tác dụng lên thành bên gầu cùng; Lực xi lanh thuỷ lực (theo giới hạn áp suất phản hồi hệ thống thuỷ lực); Trọng lượng thân khâu TBCT (gầu chưa tích đất đá) Với tổ hợp tải trọng trên, kết cấu kim loại cần máy xúc tính theo trạng thái tĩnh [4] Véctơ thành phần tải trọng, vị trí tính tốn thiết kế kết cấu cần máy xúc đề cập phần 2.1.3.2 Các thành phần tải trọng tính tốn kiểm tra kết cấu cần Khi tính tốn kiểm tra kết cấu kim loại cần máy xúc, thành phần tải trọng kể đến [4], [10], [72]: Lực quán tính (lực Coriolis, lực quán tính ly tâm lực quán tính tiếp tuyến) lớn quay sàn công tác nâng hạ TBCT; Lực cản gió; Trọng lượng thân khâu TBCT đất đá gầu 2.2 Lựa chọn vật liệu phƣơng pháp thiết kế kết cấu kim loại cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc 2.2.1 Lựa chọn vật liệu kim loại phục vụ tính tốn kết cấu cần Vật liệu lựa chọn tính tốn kết cấu cần máy xúc thép cácbon CT52nMn thép kết cấu 14Mn theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 1765-1975 TCVN 3104-1979 [39] 2.2.2 Phƣơng pháp tính tốn kết cấu kim loại cần máy xúc Tính tốn kết cấu thép cần máy xúc dựa phương pháp trạng thái giới hạn với điều kiện thiết kế cụ thể sau 2.2.2.1 Các điều kiện thiết kế theo ứng suất - Điều kiện ứng suất pháp: Nz A  Mx Ix c QySx - Điều kiện ứng suất tiếp: I xb y My Iy c  fv c x  f c ; (2.15) (2.16) - Điều kiện ứng suất góc:  - Điều kiện ổn định tổng thể:  3  1,15 f c M max  d Wc  f c (2.17) (2.18) - Điều kiện ổn định cục thành đứng chịu kéonén:      cr  c  c,cr          cr      c (2.19) 2.2.2.2 Các điều kiện thiết kế theo chuyển vị Cơng thức kiểm tra chuyển vị có dạng: CV  CV  (2.20) 2.3 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học TBCT máy xúc thuỷ lực 2.3.1 Xây dựng mơ hình khảo sát động học TBCT máy xúc 2.3.1.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Khảo sát kết cấu TBCT dạng tiêu chuẩn với giả thiết sau: Máy xúc cố định đất nằm ngang cứng tuyệt đối; Sàn công tác máy khơng quay nằm dọc theo dải xích; Các khâu máy xúc coi cứng tuyệt đối; Bỏ qua lực ma sát khớp trình tính tốn; TBCT q trình làm việc Chuyển động TBCT thực mặt phẳng thẳng đứng 2.3.1.2 Mơ hình khảo sát động học Các hệ tọa độ gồm: - Hệ tọa độ O0 {x0y0z0} (trục quay toa - nền); - Hệ tọa độ O1 {x1y1z1} (khớp quay toa - cần); - Hệ tọa độ O2 {x2y2z2} (khớp cần - tay gầu); - Hệ tọa độ O3{x3y3z3} Hình 2.8 Sơ đồ động học máy xúc (khớp tay gầu - gầu) 2.3.2 Xác định quan hệ tham số hành trình làm việc xilanh thuỷ lực với góc quay khớp Quan hệ chiều dài xilanh với góc quay khớp là: 1    L2  L2  L2  L   AF AE EF   arctg HE   BAF  arccos L    L AF L AE  AH     (2.26)   2  ABF  FBN  NBM  MBC 3  L2  L2  L2  CS CI SI  2  DCU  arccos  2L L CS CI  (2.27)   L2  L2  L2   arccos CI CU IU   L CI L CU      SCB   (2.28) Giá trị góc 1, 2, 3 xác định biết chiều dài cán xilanh điều khiển tương ứng Kết hợp với phép biến đổi Denavit Hartenberg, ta phương trình chuyển động TBCT máy xúc 2.4 Sử dụng mơ hình động học TBCT xác định tổ hợp tải trọng vị trí tính tốn phục vụ thiết kế, kiểm tra kết cấu cần máy xúc 2.4.1 Xác định tổ hợp tải trọng tính tốn thiết kế kết cấu cần Mơ hình thành phần tải trọng tác dụng lên TBCT máy xúc tính tốn thiết kế thể hình 2.12 Từ mơ hình, xác định thành phần nội Hình 2.12 Tổ hợp tải trọng tính toán thiết kế cần lực khâu khớp TBCT: Fxlc  [ P.( y A  y D ) cos   P.( x D  x A ) sin    Gi ( x i  x A )]; i 1 2.rc (2.31) Fxlt  [ P.( y B  y D ) cos   P.( x B  x D ) sin    Gi ( x B  x i )]; i 2 rt (2.35)  X B  Fxlt cos 1  Px ;  YB  Fxlt sin 1  G  G3  Py ; (2.37) 1 Khi kể đến Mmax cấu quay sàn cơng tác gầu ngồi gặp chướng ngại vật, O2 xuất lực, mô men sau:  B FZ   Pq  b  B M X  Pq ( y B  y D )  Py  b  B M Y  Px  Pq ( x B  x D )  (2.41) 2.4.2 Xác định tổ hợp tải trọng tính tốn kiểm tra kết cấu cần 2.4.2.1 Một số giả thiết tính tốn Qua thực tế tính tốn tham khảo tài liệu, chấp nhận số giả thuyết tính tốn sau: - Gia tốc nâng, hạ TBCT xilanh thuỷ lực có giá trị nhỏ Vì lực quán tính Coriolis bỏ qua trình tính tốn tiếp theo; - Lực cản gió quay TBCT thường nhỏ, bỏ qua; - Gia tốc quay sàn công tác đạt cực đại có giá trị khơng đổi suốt q trình tính 2.4.2.2 Xác định tổ hợp tải trọng tính tốn kiểm tra kết cấu cần Mơ hình thành phần tải trọng tác dụng lên TBCT máy xúc tính tốn kiểm tra thể hình 2.14 Giá trị lực quán tính ly tâm quán tính tiếp tuyến TBCT máy xúc xác định sau: lt Gi  Gi xi  max ; tt Gi  Gi xi max (2.48) Các thành phần nội lực khâu khớp TBCT xác định sau: Fxlt  3 lt   Gi ( x B  xi )   Gi ( y B  y i ) ;  i 2   rt i 2 lt lt  X B  Fxlt cos 1  G  G3 ;   YB  Fxlt sin 1  G  G3 ;  (2.49) (2.50) tt tt  Z B  (G  G3 );   y tt  M B  i  Gi ( x i  x B )  (2.51) Lưu ý: Khi gầu xúc đầy đất, để đất gầu không rơi vãi, miệng gầu phải gần nằm ngang Các góc quay phải thoả điều kiện: Hình 2.14 Tổ hợp tải trọng tính tốn kiểm tra cần 0 1      350  370 (2.54) 2.4.3 Sơ đồ thuật toán xác định tổ hợp tải trọng, vị trí nguy hiểm cần máy xúc phục vụ tính tốn thiết kế kiểm tra kết cấu Hình 2.16 Thuật tốn xác định tải trọng, vị trí nguy hiểm cần 2.4.4 Khảo sát động học xác định vị trí tính tốn nguy hiểm cho cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc 10 Sử dụng chương trình xác định tổ hợp tải trọng, vị trí nguy hiểm cần máy xúc để khảo sát máy xúc thiết kế có q= 0,7m3 2.4.4.2 Tổ hợp tải trọng vị trí nguy hiểm tính tốn thiết kế b Vị trí có lực a 20 vị trí có lực xilanh tay gầu max xilanh tay gầu lớn Hình 2.20 Các vị trí có lực max xi lanh tay gầu 2.4.4.3 Tổ hợp tải trọng vị trí nguy hiểm tính tốn kiểm tra a 20 vị trí có lực uốn ZB quay sàn (gầu không tải) lớn b 20 vị trí có lực uốn ZB quay sàn với gầu có tải lớn Hình 2.21 Các vị trí có lực max khớp đầu cần quay sàn Như vậy, thơng qua chương trình tính thiết lập, vị trí chịu lực nguy hiểm thành phần nội lực xuất khớp cần máy xúc với q= 0,7m3 xác định nhanh chóng, trực quan Kết tính phù hợp với nghiên cứu nêu tài liệu [9], [75], [77] 11 CHƢƠNG THIẾT LẬP CHƢƠNG TRÌNH TỐI ƢU KẾT CẤU CẦN MÁY XÚC THUỶ LỰC GẦU NGƢỢC 3.1 Phân tích toán thiết kế tối ƣu cần máy xúc 3.1.1 Lựa chọn biến thiết kế điều kiện biến thiên biến 3.1.1.1 Lựa chọn biến thiết kế Như nêu phần tổng quan, toán tối ưu kết cấu cần máy xúc theo tiết diện ngang với hàm mục tiêu khối lượng có dạng: n f ( x )    i Ai l i ; i 1 (3.1) Với kết cấu cần có dạng dầm, tiết diện ngang dạng hộp, tính tốn chia cần thành đoạn (phần tử) hình 3.1: Hình 3.1 Kết cấu cần máy xúc Từ hình 3.1, ta thấy: giá trị diện tích mặt cắt ngang Ai đoạn (phần tử) biểu diễn tường minh sau:  Ai  Ai ( H i , Bi , , bi )  H i Bi  H i  2bi Bi  2ai  (3.2) Trong đó: Hi, Bi, ai, bi- Các tham số hình học hình 3.1 Các tham số hình học lựa chọn làm biến thiết kế toán tối ưu Như vậy, tập biến thiết kế x (3.1) tương đương với tập {Hi, Bi, ai, bi} (3.2) 3.1.1.2 Các điều kiện biến thiên biến thiết kế Điều kiện biến thiên biến thiết kế dựa điều kiện miền biến thiên kích thước kết cấu, cơng nghệ chế tạo dạng sau: BL j  x j  BU j ; j  1, , n (3.3) Trong đó: BLj, BUj- Giới hạn dưới, biến j; xj- Biến thứ j 12 3.1.2 Phát biểu xây dựng sơ đồ khối toán tối ƣu kết cấu cần theo quan điểm tiến hoá 3.1.2.1 Phát biểu toán Bài toán tối ưu kết cấu cần máy xúc theo tiết diện ngang có hàm mục tiêu khối lượng phát biểu dạng toán học sau: Cực tiểu hoá hàm: n Gc    Ai l i ; i 1 (3.4)  Với: Ai  Ai ( H i , Bi , , bi )  H i Bi  H i  2bi  Thoả mãn: ( H ,  Bi  2ai  gi  C j  C j  B, a , b )  ( H i , Bi , a i , bi )  ( H , , B, a , b ) max (3.5) Trong (3.4) (3.5) có: Gc- Khối lượng kết cấu cần; gi- Các điều kiện ràng buộc học hình học; Cj- Giới hạn cho phép điều kiện ràng buộc; Cj - Trạng thái thực kết cấu 3.1.2.2 Sơ đồ toán tối ưu kết cấu theo quan điểm tiến hoá Hình 3.2 Sơ đồ tốn tối ưu kết cấu theo quan điểm tiến hoá Điểm đặc biệt sơ đồ là: biến thiết kế toán tối ưu kết cấu mã hố ngơn ngữ tốn học Từ đó, theo quan điểm tối ưu tiến hoá, điểm hay tập (quần thể) điểm thoả mãn điều kiện không gian thiết kế trì xem xét suốt trình tối ưu 3.2 Lựa chọn phƣơng pháp tính kết cấu để xử lý điều kiện ràng buộc học 13 Dựa vào hình dạng hình học cần máy xúc tổ hợp tải trọng tác dụng, ta hoàn tồn lựa chọn PP PTHH hệ khơng gian (giả thiết Becnuli) để phân tích kết cấu giải toán tối ưu kết cấu cần máy xúc Quan hệ chuyển vị tải trọng tổng thể phân tích kết cấu PP PTHH hệ tĩnh định có dạng sau: ' ' ' K q P (3.38) Giải phương trình (3.38) ta nhận giá trị chuyển vị hệ toạ độ tổng thể Từ xác định chuyển vị nút theo hệ toạ độ địa phương, biến dạng ứng suất phần tử 3.3 Thuật toán tiến hoá vi phân (DE) Thuật tốn DE với q trình như: đột biến, lai ghép, chọn lọc, tái sinh xây dựng thành sơ đồ khối hình 3.6: ình Sơ đồ khối thuật tốn DE Điểm đặc biệt sơ đồ hình 3.6 là: Tại khối 2, thuật toán DE dựa qui luật ngẫu nhiên để phát sinh np cá thể miền giới hạn tìm kiếm D tập hợp chúng thành quần thể ban đầu [X] Tại khối 3, 4, 5, 6, trình đột biến, lai ghép, chọn lọc, tái sinh DE thực cho tất cá thể quần thể ban đầu Kết là: sau hệ tiến hoá (th), quần thể ban đầu [X] "làm mới" hoàn toàn cá thể thích nghi Tiến trình tính tốn dừng lại điều kiện kiểm tra (khối 7, 8) thỏa mãn số lần tiến hoá cho phép ([th]) thoả mãn điều kiện số vô bé cho trước ([eps]) Ngược lại, hệ tiến hoá (khối 9) 14 DE khởi động điều kiện dừng chưa thỏa mãn Kết tối ưu DE kết xuất khối 10 3.4 Chƣơng trình tối ƣu kết cấu sử dụng thuật tốn DE Chương trình tối ưu kết cấu sử dụng thuật toán DE đặt tên OPT_EBOOM Sơ đồ tổng quát chương trình hình 3.12 Hình 3.12 Sơ đồ ghép nối thuật tốn DE với tốn tính kết cấu Ý tưởng chủ đạo chương trình kết nối tốn tử thuật toán DE với toán kết cấu qua khối (1a, 1b, 1c) khối 10 Tại khối 1, số liệu ban đầu chương trình xác lập theo nhóm như: tham số điều khiển trình tối ưu (khối 1a), tham số kết cấu (khối 1b), tham số tải trọng (khối 1c) Tại khối 10, khả làm việc kết cấu phân tích PP PTHH tiêu chuẩn thiết kế CHƢƠNG TÍNH TỐN TỐI ƢU KẾT CẤU CẦN MÁY XÚC THUỶ LỰC GẦU NGƢỢC ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ TỐI ƢU ĐẾN KẾT QUẢ TÍNH TỐN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 15 4.1 Tính tốn tối ƣu kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc 4.1.1 Bài toán tối ƣu kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc Dựa vào tính tốn thiết kế chương tham số thiết kế cho trước hoàn toàn xác định vị trí tính tốn kết cấu cần máy xúc thuỷ lực Có thể nhắc lại: Vị trí làm việc với tải trọng nguy hiểm tác dụng lên cần xác định gầu máy xúc gặp chướng ngại vật chiều sâu đào lớn gầu ngồi (hình 4.1) Hình 4.1 Sơ đồ vị trí lực tác dụng tính kết cấu cần máy xúc Như vậy, với máy xúc tính tốn thiết kế, vị trí tính tốn thành phần lực, mô men cụ thể tác dụng lên liên kết khớp cần máy xúc mô tả hình 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ cần máy xúc sử dụng tính tốn Giá trị kích thước độ lớn lực, mô men hình 4.2 ghi bảng 4.1 16 Bảng 4.1 Các tham số hình học tải trọng phục vụ tính tốn Tồn cần máy xúc chia thành thành 17 nút, 16 phần tử mặt cắt ngang điển hình Vậy tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc gồm 12 biến thiết kế là: Chiều rộng dầm hộp (B); Chiều dày thành dầm (a); Chiều dày mặt dầm (b) biến chiều cao (Hi) ứng với loại tiết diện lựa chọn cho cần Hàm mục tiêu ràng buộc toán tối ưu kết cấu trường hợp viết đầy đủ sau: Cực tiểu hoá hàm:       16 Gc  2   Bb  H i   2b a l i   Bb  H17i  2b a l i  i 8  i 1    (4.1) Các ràng buộc toán kiểm tra bền kết cấu xây dựng công thức từ (2.15) đến (2.20) Vật liệu thép có giới hạn chảy hệ số điều kiện làm việc kết cấu là:  f  2900   c  0,85 ( kg / cm ) (4.2) Chuyển vị cho phép kết cấu cần toán là: CV   14,7mm; (4.3) Các điều kiện ràng buộc hình học cơng nghệ chế tạo biến thiết kế xác định sau: 10mm  a, b  20mm  380mm  B  400mm 250mm  H  700mm  i 17 (4.4) i  19 4.1.2 Kết tối ƣu cần kiểm tra, đánh giá kết tối ƣu Sử dụng chương trình OPT_EBOOM tính cho toán tối ưu kết cấu cần nêu Kết tính tốn bao gồm: giá trị biến thiết kế, ứng suất, trọng lượng, chuyển vị nêu bảng 4.2 Các số liệu tải trọng kích thước (đã tối ưu) mơ hình hố phân tích kết cấu phần mềm SAP2000 (có quyền) Qua đó, khẳng định kết tính tốn tối ưu đáng tin cậy Bảng4.2 Kết tính tốn tối ưu (cm - kN) 4.2 Khảo sát ảnh hƣởng số tham số tối ƣu đến kết toán tối ƣu kết cấu cần máy xúc 4.2.1 Xác định mục đích, phƣơng pháp tính chất khảo sát đánh giá 4.2.1.1 Mục đích q trình khảo sát đánh giá - Củng cố kiểm chứng kết tính tốn tối ưu kết cấu cần Đưa số lưu ý sử dụng chương trình OPT_EBOOM 4.2.1.2 Phương pháp khảo sát Quá trình khảo sát, đánh giá kết toán tối ưu tiến hành trực tiếp chương trình OPT_EBOOM theo phương pháp thống kê lấy mẫu nhiều lần 4.2.2 Ảnh hƣởng số biến thiết kế qua số lƣợng mặt cắt ngang Sự biến thiên số lượng biến thiết kế thể thơng qua việc thay đổi tốn tối ưu từ đến loại mặt cắt (tương đương 10 đến 12 biến thiết kế) Kết khảo sát biểu diễn đồ thị sau: 18 Hình 4.7 Khảo sát ảnh hưởng mặt cắt ngang Từ kết phân tích đồ thị nhận thấy: khảo sát khẳng định tính hội tụ tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc 4.2.3 Ảnh hƣởng hệ số Fd Cr giải toán tối ƣu Qua khảo sát nhiều lần, nhận thấy: Đối với toán tối ưu kết cấu nêu phần trên, hệ số đột biến Fd = 0,85 hệ số lai ghép Cr = 0,25 kết tối ưu tốt 4.2.4 Ảnh hƣởng số cá thể quần thể Khảo sát tiến hành giữ nguyên tham số tối ưu khác thay đổi số lượng cá thể quần thể (Np) Hình 4.8 Khảo sát ảnh hưởng số cá thể quần thể Đây khảo sát khẳng định tính hội tụ, độ tin cậy làm việc chương trình OPT_EBOOM 4.2.5 Ảnh hƣởng hệ số eps giải toán tối ƣu 19 Cũng khảo sát trước, trình khảo sát thay đổi giá trị hệ số eps nguyên tham số tối ưu khác Hình 4.9 Khảo sát ảnh hưởng hệ số eps Đây khảo sát khẳng định độ xác tìm kiếm, thời gian tính chương trình OPT_EBOOM 4.3 Bài tốn tối ƣu kết cấu tay gầu máy xúc Vị trí tính tốn, lực mơ men tác dụng lên tay gầu máy xúc hình 4.12 Cách đánh số nút, số phần tử hình 4.13 Hình 4.13 Sơ đồ đánh số nút, số Hình 4.12 Sơ đồ tay gầu máy hiệu mặt cắt ngang xúc sử dụng tính tốn Kích thước, độ lớn lực, mơ men hình 4.12 bảng 4.9 20 Bảng 4.9 Tham số hình học tải trọng phục vụ tính tốn tay gầu Kết tính tối ưu chương trình OPT_EBOOM thể bảng 4.10 Bảng4.10 Kết tính toán tối ưu (cm – kN) 4.4 Nhận xét kết tối ƣu kết cấu cần, tay gầu với số máy xúc khác Kết tính tốn tối ưu kết cấu cần, tay gầu nêu đánh giá với kết cấu tương tự số máy xúc thuỷ lực gầu ngược có dung tích gầu tương đương [66], [67], [68], [69] bảng 4.13 Qua số liệu ghi bảng 4.13 nhận thấy: máy xúc thiết kế máy xúc sản xuất có nhiều điểm tương đồng (như: cơng suất động cơ, lực cản đào ) Đặc biệt khối lượng kết cấu cần, tay gầu máy xúc thiết kế nhỏ khối lượng kết cấu tương tự máy sản xuất Vì vậy, kết tính tốn tối ưu kết cấu cần, tay gầu máy xúc thiết kế hồn tồn sử dụng để xây dựng vẽ thiết kế kỹ thuật cấu 21 Bảng 4.13 So sánh kết tối ưu với kết cấu tương tự KẾT LUẬN Lớp toán tối ưu tham số cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược nhiều nhà khoa học nước quan tâm là: toán tối ưu kết cấu cần máy xúc tốn tối ưu vị trí liên kết khớp cần máy xúc Trong đó, tốn tối ưu vị trí liên kết khớp cần máy xúc tác giả luận án công bố kết nghiên cứu [cơng trình số 1] Bài toán tối ưu kết cấu cần máy xúc sử dụng kiến thức nhiều chuyên ngành kỹ thuật có khả phát triển nhiều lĩnh vực liên quan Đây nội dung nghiên cứu đề cập luận án với đóng góp sau: Ứng dụng mơ hình động học máy xúc gầu xây dựng sở lý thuyết học hệ nhiều vật để xác định trị số tải trọng tác dụng, vị trí làm việc nguy hiểm tính tốn thiết kế tính tốn kiểm tra kết cấu cần máy xúc theo điều kiện giới hạn khác (ổn định lật, ổn định trượt lết, trạng thái an toàn áp suất hệ thống thuỷ lực ) Kết tính đóng vai trò tham số đầu vào toán tối ưu kết cấu cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược [cơng trình số 3] 22 Qua nghiên cứu chạy thử nghiệm thuật toán tối ưu theo quan điểm tiến hoá GA, SA, DE nhận thấy: DE phương pháp có khả tìm kiếm nghiệm tối ưu tồn cục tốn tối ưu có khơng gian lớn, khơng liên tục, đa cực trị phổ biến kỹ thuật Đặc biệt, tốn có hàm mục tiêu điều kiện ràng buộc phức tạp với số biến lớn, thuật toán DE cho kết tin cậy với thời gian hội tụ nhanh Do vậy, thuật tốn DE lựa chọn cơng cụ chủ đạo giải toán tối ưu kết cấu cần máy xúc [cơng trình số 4] Luận án xây dựng sơ đồ thuật toán tổng quát thiết lập chương trình OPT_EBOOM để giải toán tối ưu kết cấu cần máy xúc sở kết nối thành cơng tốn tử thuật toán DE, PP PTHH tiêu chuẩn thiết kế hành Đặc biệt, với điều kiện ràng buộc ứng suất biến dạng, khối lượng thân kết cấu kể đến toàn q trình tối ưu Đây đóng góp quan trọng tạo nên thành công kết nghiên cứu [công trình số 2] Chương trình OPT_EBOOM sử dụng để giải toán tối ưu kết cấu cần tay gầu máy xúc thuỷ lực gầu ngược có dung tích gầu q = 0,7m3 Kết tối ưu kiểm tra lại toán kiểm tra phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 so sánh với kết cấu loại máy xúc tương tự Kết tính tốn sử dụng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBCT máy xúc đề tài khoa học: "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy xúc thuỷ lực gầu ngược dung tích 0,7m3" Bộ Xây dựng chủ quản, Tập đồn lắp máy Việt Nam LILAMA chủ trì [cơng trình số 6] Việc khảo sát ảnh hưởng số tham số tối ưu đến kết q trình tìm nghiệm tối ưu có ý nghĩa thực tiễn Khẳng định tính hội tụ, độ tin cậy chương trình OPT_EBOOM tính tốn tối ưu kết cấu Chỉ tham số cụ thể cần lựa chọn giải toán tối ưu kết cấu cần như: Số cá thể quần thể Np = 23 25; Giá trị điều kiện dừng eps = 1; Hệ số đột biến Fd = 0,85; Hệ số lai ghép Cr = 0,25 Các số liệu dùng làm tài liệu tham khảo giải toán tối ưu khác sở thuật toán DE [cơng trình số 5] Khi có điều kiện, luận án hồn tồn phát triển theo hướng sau: - Ứng dụng chương trình tối ưu kết cấu OPT_EBOOM vào công tác tư vấn, thiết kế kết cấu thép dạng dầm hộp - Phát triển chương trình OPT_EBOOM để giải toán tối ưu kết cấu khơng gian có tiết diện ngang dạng tổ hợp - Phát triển chương trình OPT_EBOOM để giải toán tối ưu kết cấu sử dụng vật liệu phi kim loại như: vật liệu Composite, polymer 24 ... Kết tính tốn tối ưu (cm – kN) 4.4 Nhận xét kết tối ƣu kết cấu cần, tay gầu với số máy xúc khác Kết tính tốn tối ưu kết cấu cần, tay gầu nêu đánh giá với kết cấu tương tự số máy xúc thuỷ lực gầu. .. lượng kết cấu cần, tay gầu máy xúc thiết kế nhỏ khối lượng kết cấu tương tự máy sản xuất Vì vậy, kết tính tốn tối ưu kết cấu cần, tay gầu máy xúc thiết kế hồn tồn sử dụng để xây dựng vẽ thiết kế. .. cấu 21 Bảng 4.13 So sánh kết tối ưu với kết cấu tương tự KẾT LUẬN Lớp toán tối ưu tham số cần máy xúc thuỷ lực gầu ngược nhiều nhà khoa học ngồi nước quan tâm là: tốn tối ưu kết cấu cần máy xúc