Tổng quan nghiên cứu

Xe thiết giáp BTR-60PB, xuất xứ từ Liên Xô cũ, hiện vẫn được sử dụng rộng rãi tại hơn 60 quốc gia, trong đó có Việt Nam. Với đặc thù hoạt động trên nhiều loại địa hình phức tạp, việc đánh giá và cải thiện độ êm dịu của xe là vấn đề cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ sức khỏe người lái. Đề tài nghiên cứu tập trung vào đánh giá độ êm dịu của xe thiết giáp BTR-60PB thông qua mô phỏng dao động hệ thống treo bằng phần mềm Matlab - Simulink. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình dao động, thiết lập hệ phương trình vi phân, xác định các thông số dao động và khảo sát chất lượng hệ thống treo, đồng thời đề xuất giải pháp tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ghế lái bằng thuật toán di truyền nhằm nâng cao độ êm dịu cho vị trí lái xe.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xe thiết giáp BTR-60PB với các thông số kỹ thuật đặc trưng, mô phỏng dao động trong điều kiện mặt đường mấp mô và vận tốc chuyển động thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển cơ sở lý thuyết về dao động xe nhiều cầu, đồng thời có giá trị thực tiễn trong việc cải tiến hệ thống treo, nâng cao tính năng vận hành và bảo đảm an toàn cho người sử dụng. Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu được áp dụng dựa trên tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964-1:2001, với các thông số như tần số dao động, gia tốc dao động, và hệ số độ êm dịu K.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về động lực học hệ nhiều vật và dao động cơ học, trong đó:

  • Mô hình dao động tương đương xe bốn cầu: Bao gồm khối lượng được treo (M), khối lượng không được treo (m), và hệ thống treo với các phần tử đàn hồi, giảm chấn và dẫn hướng. Mô hình này cho phép mô phỏng các bậc tự do dao động thẳng đứng, lắc dọc và lắc ngang của thân xe.

  • Phương trình vi phân dao động: Thiết lập hệ phương trình vi phân bậc hai mô tả chuyển động dao động của từng khối lượng trong hệ thống, dựa trên nguyên lý Lagrange loại 2 và các giả thiết về dao động tuyến tính.

  • Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu: Sử dụng các chỉ tiêu như tần số dao động (1-2 Hz đối với xe con, 1,6-2 Hz đối với xe tải), gia tốc dao động giới hạn theo các phương (Ox, Oy, Oz), hệ số độ êm dịu K dựa trên công suất dao động truyền đến người ngồi trên xe, và tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997.

  • Thuật toán di truyền (GA): Áp dụng để tối ưu hóa các thông số hệ thống treo ghế lái nhằm giảm thiểu gia tốc dao động và nâng cao độ êm dịu cho người lái.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simulink để giải quyết bài toán dao động của xe thiết giáp BTR-60PB. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình toán học của xe với 7 vật thể đại diện cho các khối lượng được treo và không được treo, cùng hệ thống treo 4 cầu. Phương pháp chọn mẫu là mô hình hóa dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế của xe và điều kiện mặt đường mô phỏng dạng mấp mô.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Thu thập và phân tích tài liệu, thông số kỹ thuật xe và các tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu.

  • Xây dựng mô hình dao động phẳng dọc thân xe và thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động.

  • Mô phỏng dao động xe trên Matlab - Simulink với các khối chức năng mô phỏng thân xe, cầu xe, ghế lái, biên dạng mặt đường và lực động bánh xe.

  • Thu thập và xử lý số liệu mô phỏng, đánh giá độ êm dịu dựa trên các chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình và hệ số K.

  • Áp dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ghế lái, giảm thiểu gia tốc dao động tại vị trí lái.

  • So sánh kết quả trước và sau tối ưu hóa, rút ra kết luận và đề xuất giải pháp cải tiến.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian học tập tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với các giai đoạn từ xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích dữ liệu đến tối ưu hóa và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình dao động và mô phỏng bằng Matlab - Simulink cho phép mô phỏng chính xác các chuyển động dao động của xe thiết giáp BTR-60PB, bao gồm dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của thân xe, cầu xe và ghế lái. Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc bình phương trung bình của thân xe đạt khoảng 0,06 m/s², trong khi gia tốc tại vị trí ghế lái không có hệ thống treo là khoảng 0,15 m/s².

  2. Đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO và TCVN cho thấy gia tốc dao động tại vị trí ghế lái vượt mức cho phép khi không có hệ thống treo, gây cảm giác khó chịu và mệt mỏi cho người lái. Sau khi lắp đặt hệ thống treo ghế lái, gia tốc bình phương trung bình giảm xuống còn khoảng 0,07 m/s², cải thiện đáng kể độ êm dịu.

  3. Tối ưu hóa hệ thống treo ghế lái bằng thuật toán di truyền đã giảm gia tốc bình phương trung bình tại vị trí ghế lái xuống khoảng 0,05 m/s², tương đương giảm 30% so với trước khi tối ưu. Đồng thời, chuyển dịch tương đối lớn nhất của ghế lái cũng giảm khoảng 25%, nâng cao sự thoải mái và an toàn cho người lái.

  4. Lực động bánh xe tác dụng xuống nền đường được mô phỏng và phân tích cho thấy sai lệch bình phương trung bình của lực động giảm khoảng 15% sau khi tối ưu hệ thống treo, góp phần giảm tải trọng động lên nền đường, kéo dài tuổi thọ mặt đường và tăng tính ổn định chuyển động.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và đánh giá cho thấy hệ thống treo hiện tại của xe BTR-60PB chưa tối ưu hoàn toàn về độ êm dịu, đặc biệt tại vị trí ghế lái, nơi người lái chịu tác động trực tiếp của dao động. Việc áp dụng mô hình toán học phẳng dọc và mô phỏng bằng Matlab - Simulink đã giúp phân tích chi tiết các thành phần dao động và xác định các thông số quan trọng như gia tốc bình phương trung bình và lực động bánh xe.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về dao động xe tải nhiều cầu và xe thiết giáp, kết quả này phù hợp với xu hướng cải tiến hệ thống treo nhằm cân bằng giữa độ êm dịu và độ an toàn chuyển động. Việc sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ghế lái là bước tiến mới, giúp giảm thiểu dao động truyền đến người lái một cách hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ gia tốc bình phương trung bình theo thời gian và tần số, đồ thị chuyển dịch tương đối của ghế lái, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu trước và sau tối ưu hóa. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về độ êm dịu và giảm tải trọng động lên nền đường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tiến thiết kế hệ thống treo ghế lái: Áp dụng thuật toán di truyền để điều chỉnh các thông số đàn hồi và giảm chấn nhằm giảm gia tốc dao động xuống dưới mức 0,05 m/s² trong vòng 12 tháng, do bộ phận kỹ thuật và thiết kế xe thực hiện.

  2. Nâng cấp hệ thống treo bánh xe: Tăng cường độ cứng và khả năng giảm chấn của các cầu xe để giảm lực động tác dụng lên nền đường, giảm thiểu hao mòn mặt đường trong 18 tháng, do phòng nghiên cứu và phát triển phối hợp với nhà sản xuất linh kiện.

  3. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Xây dựng giao diện mô phỏng thân thiện, tích hợp các mô hình dao động không gian và mô hình bánh xe để đánh giá toàn diện hơn trong 24 tháng, do nhóm nghiên cứu phần mềm và kỹ thuật cơ khí động lực đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng: Tổ chức các khóa đào tạo sử dụng Matlab - Simulink và thuật toán di truyền cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên trong 6 tháng, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, do trường đại học phối hợp với các viện nghiên cứu quân sự thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và thiết kế xe quân sự: Nghiên cứu giúp hiểu rõ cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng dao động, từ đó cải tiến hệ thống treo và nâng cao hiệu quả vận hành xe thiết giáp.

  2. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí động lực: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, thiết lập phương trình vi phân dao động và ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink trong nghiên cứu kỹ thuật.

  3. Nhà quản lý và chỉ huy kỹ thuật quân đội: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ êm dịu và an toàn chuyển động của xe thiết giáp, từ đó xây dựng chính sách khai thác, bảo dưỡng phù hợp.

  4. Kỹ sư phát triển phần mềm mô phỏng kỹ thuật: Tham khảo cách xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống treo và áp dụng thuật toán tối ưu hóa trong lĩnh vực cơ khí động lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải đánh giá độ êm dịu của xe thiết giáp BTR-60PB?
    Độ êm dịu ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và hiệu quả làm việc của người lái, đồng thời tác động đến tuổi thọ và độ bền của xe. Đánh giá giúp cải tiến hệ thống treo, nâng cao tính năng vận hành.

  2. Phần mềm Matlab - Simulink có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Matlab - Simulink cho phép mô phỏng chính xác các hệ thống dao động phức tạp, dễ dàng thay đổi tham số và tích hợp thuật toán tối ưu hóa, tiết kiệm thời gian và chi phí so với thử nghiệm thực tế.

  3. Thuật toán di truyền được áp dụng như thế nào trong tối ưu hóa hệ thống treo?
    Thuật toán di truyền tìm kiếm các giá trị tham số tối ưu của phần tử đàn hồi và giảm chấn trong hệ thống treo ghế lái nhằm giảm thiểu gia tốc dao động, nâng cao độ êm dịu cho người lái.

  4. Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu dựa trên tiêu chuẩn nào?
    Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964-1:2001, sử dụng các chỉ tiêu như tần số dao động, gia tốc bình phương trung bình và hệ số độ êm dịu K.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng thực tiễn như thế nào?
    Kết quả giúp thiết kế và cải tiến hệ thống treo xe thiết giáp, nâng cao sự thoải mái và an toàn cho người lái, đồng thời giảm tải trọng động lên nền đường, kéo dài tuổi thọ xe và mặt đường.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình dao động phẳng dọc và mô phỏng hệ thống treo xe thiết giáp BTR-60PB bằng Matlab - Simulink với các thông số kỹ thuật thực tế.
  • Đánh giá độ êm dịu dựa trên gia tốc bình phương trung bình và hệ số K cho thấy hệ thống treo hiện tại chưa tối ưu, đặc biệt tại vị trí ghế lái.
  • Áp dụng thuật toán di truyền tối ưu hóa hệ thống treo ghế lái đã giảm gia tốc dao động khoảng 30%, cải thiện đáng kể độ êm dịu và an toàn cho người lái.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về cải tiến hệ thống treo và mô phỏng dao động xe nhiều cầu.
  • Khuyến nghị triển khai các giải pháp cải tiến hệ thống treo, phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới để nâng cao hiệu quả khai thác xe thiết giáp BTR-60PB.

Hành động tiếp theo là áp dụng các giải pháp tối ưu đã đề xuất vào thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu mô phỏng dao động không gian và các hệ thống tự động điều khiển để nâng cao hơn nữa tính năng vận hành và độ bền của xe thiết giáp.