CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu và đặt van đề MRF là những vật liệu mà thuộc tính lưu bién của nó bị thay đôi dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. MRF thể hiện thuộc tính Newton khi không có từ trường tác động, nhưng dưới tác dụng của từ trường, ứng suất trượt của nó tăng nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn (vai mili giây) và có thé thay đối một cách rất linh hoạt nhờ vào việc thay đối cường độ từ trường tác dụng. Nhờ vào những tính chất trên, các thiết bị sử dung MRF có tiềm năng rất lớn trong việc cung cấp sự hiệu quả, đơn giản, đáp ứng nhanh giữa các quá trình điều khiến điện va co trong các hệ thong. Vi vậy, các nghiên cứu về MRF và ứng dụng của nó trong công nghiệp ngày càng được quan tâm và đã trở thành một nhánh nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật liệu thông minh.
Các thiết bị sử dụng MRF nổi bật bao gồm giảm chan, phanh, ly hợp, van [1,2], v.v và có một số thiết bị đã được thương mại hóa với những ưu diém vượt trội so với các thiệt bi truyền thong có cùng tính năng. (a) Giảm chan sử dụng MRF (b) Ly hợp sử dụng MRF XE hon _ If1" Micraprocessen and re +7 sensor ~ ol fluid i 1› p | aN Forceand - moment "=~ 3 ay sensors (c) Chan gia su dung MRF (d) Gang tay su dung MRF Hinh 1.1 Các thiết bị sử dung MRF. Một trong những hướng nghiên cứu nhận được rất nhiều sự quan tâm là MRB. Trong những năm gan day, có nhiều nghiên cứu sử dụng các ưu điểm của MRF dé thiết kế các hệ thong MRB cho lĩnh vực công nghiệp dân dung như MRB sử dung trong xe hoi, xe motor, tàu lửa.
Bên cạnh đó, MRB còn có khả năng ứng dụng lớn trong y học ở tương lai để chế tạo các bộ phận thay thế cho con người (chân, tay, v.v) hay hệ thống phản hồi xúc giác (găng tay). Dé tăng hiệu suất và giảm giá thành sản phẩm, nhiều cấu hình MRB khác nhau đã được đề xuất và nghiên cứu như MRB dạng đĩa [3,4], MRB dang tang trong [5.6] va MRB dang két hop [7]. Tuy nhiên, hiện nay mới chỉ có MRB dang dia được thương mai hóa do chúng có cau tao đơn giản, dễ chế tạo, cho giá thành phù hợp.2 MRB 2107 - 3 của Lord Corporation. Bên cạnh việc nghiên cứu dé xuất các dạng phanh khác nhau, việc tôi ưu hóa thiết kế MRB cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng nhăm tăng tinh hợp lý trong quá trình thiết kế, tăng độ bảo đảm của thiết bị, giảm tiêu hao vật liệu dé tiễn đến giảm giá thành sản phẩm.
Nhưng nhìn chung, việc giải quyết các bài toán tối ưu MRB gặp rất nhiều khó khăn do khối lượng tính toán lớn, ứng xử kết cau phức tạp và nhiều ràng buộc về biến thiết kế. Tuy các nghiên cứu đã công bố có thực hiện tối ưu hóa thiết kế MRB với nhiều ràng buộc khác nhau, nhưng các phương pháp tối ưu được áp dụng phân lớn vẫn còn nhiều mặt hạn chế như cho kết quả tối ưu cục bộ hay chi phí tính toán lớn. Những phương pháp nay không giải quyết được hiệu quả van đề tối ưu hóa thiết kế cho MRB. Bên cạnh đó, hướng nghiên cứu về tối ưu hóa thiết kế cho MRB vẫn còn ít được chú trọng.
Có rất ít những nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các công cụ tối ưu và thiết kế dé tăng độ chính xác, giảm chi phí tính toán. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán tối ưu hóa đơn giản hơn, nhanh hơn, hiệu quả hơn cùng với sự phát triển các giải thuật có thể kết hợp nhiều công cụ khác nhau dé giải quyết những van đề hết sức phức tạp là một hướng nghiên cứu cần thiết để nâng cao tính hiệu quả và an toàn trong thiết kế thực.2 Tinh hình nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu về MRB đã được công bố khá nhiều, tập trung mạnh trong khoảng 10 năm trở lại đây. Sau đây là một số nghiên cứu điển hình: J. Huang và cộng sự [6] đưa ra một mô hình phân tích toán hoc cho MRB dạng tang trống và mô hình này đã được LORD Corporation sử dụng để thử nghiệm cho việc thiết kế các thiết bị sử dung MRF.
Nghiên cứu của Huang và cộng sự đưa ra công thức tính mô- men phanh từ các thông số của phanh như số vòng quay của rô-to, các thông số hình học của phanh và độ nhớt của MRF. Ngoài ra, nghiên cứu còn trình bày phương pháp thiết kế một MRB dạng tang trong thông qua việc tính toán thé tích, chiều dày và bề rộng khe MRF với cơ năng cực đại, sô vòng quay của r6-to và ti sô mồ-men mong muôn được cho trước. MRB dạng đĩa được Li và Du [8] đề xuất, chế tạo và khảo sát. Hiệu năng của MRB được đánh gia thông qua thực nghiệm.
Theo nghiên cứu cua Li và Du [8], mô-men phanh đạt được nhỏ hơn 1.5Nm với cường độ dòng điện là 1 A. Park và cộng sự [4] tiễn hành nghiên cứu và thiết kế MRB dạng 2 đĩa quay cho xe hơi kết hợp với điều khiến trượt để tối ưu hoá điều khiến sự trượt của bánh xe và kết quả của nghiên cứu được mô phỏng băng Matlab Simulink. Thiết kế MRB được đề xuất trong nghiên cứu này giúp điều khiến phanh dễ dàng hơn bằng việc giảm số lượng chỉ tiết trong phanh, làm đơn giản hoá quá trình quan dây và tăng tốc độ phản hồi của phanh. Park và cộng sự [9] tiễn hành tối ưu hoá đa mục tiêu cho MRB bang ba giải thuật khác nhau.
Giá trị hàm mục tiêu và chi phí tính toán được lấy làm tiêu chi để so sánh những kết quả thu được từ ba giải thuật tối ưu hoá. Tiếp nối từ nghiên cứu của Park và cộng sự [4.9], Karaloc và cộng sự [10] đã đề xuất một dạng thiết kế MRB mới bang cách thay đôi cau hình của cuộn dây. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng thực hiện tối ưu hoá đa mục tiêu cho MRB này với các tiều chuẩn thiết kế khác nhau như loại vật liệu, tiết diện bé mặt làm việc, mật độ dòng điện sử dụng, loại MRF, v. Nguyen và cộng sự [11] đề xuất và tối ưu hoá thiết kế trên nhiều dạng MRB khác nhau, bao gồm MRB dạng tang trống (drum-type), dạng kết hợp (hybrid-type), dạng kết hợp sử dụng 2 cuộn dây (two-coil hybrid type) và dạng kết hợp có rô-to hình chữ T (hybrid T- type).
Qua khảo sát, nghiên cứu kết luận răng MRB có rô-to hình chữ T cho mô-men phanh lớn nhất. Ngoài ra, Nguyen và cộng sự [12] còn thực hiện khảo sát biên dạng tối ưu của vỏ phanh đối với từng loại MRB khác nhau. Trong nghiên cứu này, các biên dạng khác nhau của MRB dạng đĩa như hình chữ nhật, hình đa giác 5 cạnh, 7 cạnh va spline đã được khảo sát. Mục tiêu của nghiên cứu là cực tiểu khối lượng MRB với ràng buộc mô-men phanh cực đại lớn hon hoặc băng 10Nm.
Kết quả của nghiên cứu cho thay rằng, với biên dạng vỏ phanh có số cạnh đa giác cảng tăng thì khối lượng MRB càng giảm, nhưng khi số cạnh của biên dạng đủ lớn, khối lượng MRB sẽ hội tụ đến một giá trỊ nhất định. Gần đây, Nguyen và cộng sự [13] đã dé xuất một cầu hình MRB dạng đĩa mới với cuộn dây đặt ở mặt bên của vỏ phanh. Qua quá trình mô phỏng và phân tích, với MRB này, một số nhược điểm của MRB truyén thong đã được loại bỏ hoặc giảm bớt như sự bão hòa cua mật độ từ trường trong vỏ phanh hay các van đề khó khăn trong việc chế tạo và bảo trì MRB. Trong những nam gần đây, có rất ít những nghiên cứu về tối ưu hoá cho MRB, đặc biệt là những nghiên cứu phát triển và ứng dụng các phương pháp mới để tối ưu hoá MRB.
Erol và Gurocak [14] dé xuất một phương pháp thiết kế kết hợp giữa phương pháp Taguchi và phân tích PTHH để xác định các thông số hình hoc tối ưu của MRB. Bang phương pháp này, thời gian thiết kế MRB đã giảm đáng ké, từ một đến hai tuần xuống chỉ còn vài phút. Trong một nghiên cứu khác, Assadsangabi và cộng sự [15] sử dụng giải thuật di truyền GA để tối ưu hoá MRB dạng đĩa và các kết quả đạt được về thiết kế mạch từ trường (magnetic circuit design), diện tích bề mặt làm việc (working surface area) và m6-men phanh (viscous torque generation) tốt hon so với Karakoc va cong su [10]. Gan đây, Hajiyan va cộng sự [16] đã tiến hành tối ưu hoá thiết kế MRB dạng nhiều đĩa bằng giải thuật di truyền GA kết hợp với phân tích PTHH.
Nghiên cứu cũng cho kết quả tốt hơn khi so sánh với kết quả của Karakoc và cộng sự [10].3 Tình hình nghiên cứu trong nước Vẻ tình hình nghiên cứu trong nước, do còn khó khăn về mặt tiếp cận và ứng dụng công nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước vẫn đang còn rất hạn chế. Chỉ có một số ít tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này như là một sự khởi đầu cho việc nghiên cứu MRB trong nước như tác giả Nguyễn Quốc Hung với các nghiên cứu [7,11-13] có hợp tác chung với các tác giả nước ngoài khác.4 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, lập trình tính toán tối ưu hóa cho các dạng MRB khác nhau với biến thiết kế là các thông số hình học của MRB. Mục tiêu tối ưu là cực tiểu khối lượng từng dạng MRB với mô-men phanh không nhỏ hơn một giá trị cho trước. Dé giải bài toán tối ưu hóa, nghiên cứu dé xuất một phương pháp tích hợp giữa phương pháp PTHH trên ANSYS và giải thuật tiễn hóa khác biệt DE được lập trình trên Matlab.
Trong đó phương pháp PTHH được sử dung dé phân tích ứng xử của từ trường trong MRB và thành lập bài toán tối ưu hóa; sau đó, giải thuật tối ưu hóa DE được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa sau khi thành lập. DE là phương pháp tối ưu hóa rất hiệu quả. Với giải thuật đơn giản dễ lập trình và cho kết quả đáng tin cậy, nó đã được áp dụng rộng rãi cho nhiều loại bài toán tối ưu hóa ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, DE vẫn còn một hạn chế là hội tụ chậm.