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

TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN
MÁY TIỆN DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 9 9 7



Dân tộc: Kinh

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:
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 (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ 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.
Ngƣời hƣớng dẫn: Thạc sĩ Lê Linh.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
Từ 2006 đến nay

Khoa cơ khí, trƣờng Trung
cấp Kỹ thuật Công nghiệp
Đồng Nai

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

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.

4


TÓM TẮT

Ngày nay, sản phẩm về máy công cụ trên thị trƣờng rất phong phú và đa
dạng nhằm đáp ứng thị hiếu, yêu cầu của ngƣời tiêu dùng. Chính sự cạnh tranh đó đã
dẫn đến việc liên tục cải tiến các tính năng, công dụng, chất lƣợng, mẫu mã của sản
phẩm. So với trƣớc 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 lƣợng,…Tuy nhiên, trong những
năm gần đây, thì ngoài những yêu cầu trên cần phải thêm các yêu cầu khác nhƣ: tính
thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian, phù hợp ngƣời sử dụng, thân thiện với môi
trƣờng.
Luận văn“ Tính toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di
truyền” đƣợc thực hiện. Mục đích nghiên cứu tính toán và tìm ra giải thuật từ giải
thuật di truyền để tối ƣu đƣợc kết cấu thân máy tiện, đáp ứng yêu cầu về tối ƣu 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 ƣu kết cấu thân máy, nghiên cứu các giải thuật của bàit toán tối ƣu và tìm
hiểu giải thuật di truyền.
Từ đó áp dụng giải thuật di truyền tối ƣu thân máy tiện cho các dạng thân
máy khác nhƣ máy phay, máy bào, máy khoan…

5



i

Lời cam đoan

ii

Cảm tạ

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt

x

Danh sách các hình

xi

Danh sách các bảng

xii



3

1.4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4

1.5

Nhiệm vụ và giới hạn luận văn

4

Chƣơng II:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Lý thuyết độ tin cậy

5

2.1.1 Khái niệm

5
7


2.1.2 Tổng quan về quá trình phân tích độ tin cậy


9

2.3.2.

Bài toán tối ƣu kết cấu

10

2.3.3.

Các dạng bài toán tối ƣu kết cấu

11

2.4. Các giải thuật tối ƣu

12

2.4.1.

Giải thuật tìm giá trị chính xác

12

2.4.2.

Giải thuật tìm giá trị tối ƣu dựa vào đạo hàm

14


3.2.2.

Hàm thích nghi

21

3.2.3.

Chọn lọc cá thể

21

3.2.4.

Lai ghép

21

3.2.5.

Đột biến

23

3.2.6.

Điều kiện dừng của giải thuật

24

4.1.2.

Hình dạng chung bên ngoài của máy tiện

28

Thân máy

28

4.2.1.

Thân máy

28

4.2.2.

Một số hình dáng của thân máy tiện cỡ trung bình

32

4.3

Vật liệu thân máy

33

4.4


Chƣơng V:

5.1

Các bƣớc tính toán bài toán tối ƣu thân máy dựa vào giải thuật

di truyền

42

5.2

Chọn máy

44

5.3

Các định các thông số cơ bản

44

5.3.1. Thông số của máy tiện
5.3.2.

5.4

44

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


53

5.6

Giải thuật Quy hoạch tuyến tính

53

5.7

Đánh giá kết quả thu đƣợc

55

Chƣơng VI:

KẾT LUẬN

6.1 Kết luận

56

6.2 Hạn chế

56

6.3 Hƣớng phát triển

56


Hình 2.1.

Vòng lặp tối ƣu

8

Hình 2.2.

Sơ đồ giải bài toán tối ƣu tổng quát

8

Hình 2.3.

Phƣơng pháp tuần tự

9

Hình 2.4.

Giải thuật quy hoạch tuyến tính

14

Hình 2.5.

Giải thuật quy hoạch động

14


Hình 4.4.

Hệ thống đƣờng gân thân máy

31

Hình 4.5.

Thân máy tiện Charles Swing

33

Hình 4.6.

Thân máy tiện Mascut

33

Hình 4.7.

Thân máy tiện Fischer

33

Hình 4.8.

Thân máy tiện Jessey Prince

33


Hình 4.14.

Kết cấu thân máy

34

Hình 4.15.

Sơ đồ lực và mômen tác dụng trên máy tiện

35

Hình 5.1.

Các bƣớc tính toán

43

Hình 5.2.

Máy tiện Charles Swing

44
12


Hình 5.3.

Kết cấu thân máy tiện

DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG

TRANG

Bảng 4.1.

Bề dày thành máy và đƣờng gân

32

Bảng 4.2.

Trị số ku, kx

39

Bảng 4.3.

Hệ số a, n

40

Bảng 5.1.

Dữ liệu thông số tính toán

52

Bảng 5.2.

14


Chƣơng I: TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề
Ngày nay, sản phẩm về máy công cụ trên thị trƣờng ngày càng phong phú và

đa dạng nhằm đáp ứng thị hiếu, yêu cầu… của ngƣời tiêu dùng. Chính sự cạnh tranh đó
đã dẫn đến việc liên tục cải tiến các tính năng, công dụng, chất lƣợng, mẫu mã . . . của
sản phẩm. So với trƣớc 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 lƣợng… Tuy nhiên , trong những
năm gần đây, thì ngoài những yêu cầu trên cần phải thêm các yêu cầu khác nhƣ: tính
thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian, phù hợp ngƣời sử dụng, thân thiện với môi
trƣờng.
Với những yêu cầu trên, bài toán thiết kế trở thành bào toán tối ƣu. Miền
thiết kế bài toán đƣợc mở rộng do có nhiều chỉ tiêu đƣợc xét đến hơn, cũng vì thế số
lƣợng ràng buộc tăng theo số yêu cầu cần phải thỏa mãn. Nhƣng thời gian giải bài toán
tối ƣu cũng cần đƣợc 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, ngƣời 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 ƣu để tạo nên
kết cấu ƣu việt hơn những cái hiện có. Từ đó so sánh những giải pháp khác nhau để có
lời giải tối ƣu.
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 thƣờng đơn giản, ít tốn thời gian, chi phí. Tuy nhiên, một số biến thiết kế nhƣ tải

kế có đƣợc thân máy tiện với kết cấu đơn giản, gọn, tiết kiệm không gian, không mất
nhiều thời gian mà vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ tin cậy, tiết kiệm nguyên vật liệu.
1.3

Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.3.1.

Các nghiên cứu trong nƣớc
16


Một số công trình nghiên cứu về tối ƣu tiêu biểu:
-

Tối ƣu khối lƣợng cho hệ dàn thép có kể đến các ràng buộc về ứng suất,
chuyển vị và điều kiện ổn định.

-

Thiết kế tối ƣu cơ cấu cam trên cơ sở độ tin cậy.

-

Nghiên cứu thiết kế tối ƣu kết cấu khung xe máy.

-

Thiết kế và phân tích chi tiết máy trên cơ sở độ tin cậy theo phƣơng pháp
mô phỏng Monte Carlo và bề mặt đáp ứng.



-

Sử dụng phƣơng pháp bề mặt đáp ứng và mô phỏng Monte Carlo cho bài
toán tối ƣu cấu trúc dựa trên độ tin cậy.

-

Tối ƣu hình dạng mặt cắt ngang cho nhiều tiết diện cho khung thân máy
bay.

-

Tối ƣu hóa hình dạng và kiểu dáng trong thiết kế kết cấu.

-

Tối ƣu hóa hình dạng cấu trúc dựa trên giải thuật di truyền.
17


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.


-

Rút ra kết quả và kết luận.

18


Chƣơng 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 tƣợng, ở một thời điểm nhất định, dƣới những
điều kiện làm việc làm việc nhất định, hoàn thành nhiệm vụ chức năng cho trƣớc, duy
trì đƣợc giá trị các thông số làm việc đã đƣợc 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 tƣợng: 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 phƣơng pháp phân tích độ là: đơn định và xác suất.
Phƣơng pháp đơn định xem các nhân tố ảnh hƣởng đến mô hình là đơn định.
Kết quả bài toán đơn định có nghiệm duy nhất. Do các nhân tố ảnh hƣởng 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.
Phƣơng pháp xác suất xem các nhân tố ảnh hƣởng là đại lƣợng 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 hƣớng tiếp cận:
-

-

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

ngoài.
-

Sử dụng các mô hình các phƣơng 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 ƣu theo độ tin cậy
2.2.1.

Bài toán tối ƣu

Bài toán tối ƣu tổng quát có dạng: [7]
d1 
d 
 2
. 
Tìm X=   để f(x) đạt giá trị nhỏ nhất.
. 
. 
 
d n 

Điều kiện hàm ràng buộc
hj(x)  0


n: số biến thiết kế
20

(2.1)