Luận án tiến sĩ về tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực trong kỹ thuật cơ khí

• Tác giả: Châu Ngọc Lê
• Người hướng dẫn: TS. Đào Thanh Phong
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Cân Bằng Trọng Lực Bằng Cơ Cấu Mềm Trong Kỹ Thuật Cơ Khí
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Cảm tạ
• Tóm tắt
• Abstract
• Mục lục
• Danh sách chữ viết tắt
• Danh sách các ký hiệu khoa học
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu
• 0.7. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.1. Cơ cấu cân bằng trọng lực
• 1.1.2. Cân bằng trọng lực chủ động
• 1.1.3. Cân bằng trọng lực bị động
• 1.1.4. Ưu điểm của cơ cấu mềm
• 1.1.5. Nhược điểm
• 1.1.6. Ứng dụng của cơ cấu mềm
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.1.1. Nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực
• 1.2.1.2. Nghiên cứu về cơ cấu mềm
• 1.2.2. Những nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2.1. Trong lĩnh vực cơ cấu cân bằng
• 1.2.2.2. Trong lĩnh vực cơ cấu mềm
• 1.3. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.3.1. Tính cấp thiết
• 1.3.2. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.6.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ cấu cân bằng trọng lực
• 2.1.1. Nguyên lý cân bằng trọng lực
• 2.1.2. Nguyên lý điều chỉnh cho cơ cấu cân bằng trọng lực
• 2.1.2.1. Điều chỉnh điểm kết nối của lò xo
• 2.1.2.2. Điều chỉnh độ cứng của lò xo
• 2.2. Thiết kế thực nghiệm
• 2.2.1. Thiết kế thực nghiệm đầy đủ yếu tố
• 2.2.2. Thiết kế thực nghiệm tổng hợp trung tâm
• 2.2.3. Thiết kế thực nghiệm sử dụng mảng trực giao Taguchi
• 2.3. Phương pháp mô hình hóa
• 2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.1.1. Chất lượng lưới
• 2.3.2. Phương pháp mạng nơ ron học sâu
• 2.3.3. Phương pháp đáp ứng bề mặt
• 2.3.4. Mạng nơ ron thích nghi mờ
• 2.4. Phương pháp tối ưu hóa
• 2.4.1. Thuật toán tối ưu hóa di truyền đa mục tiêu
• 2.4.2. Thuật toán chu kỳ nước
• 2.4.3. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn
• 2.4.4. Thuật toán tối ưu hóa chu kỳ nước kết hợp con thiêu thân
• 2.4.4.1. Thuật toán con thiêu thân
• 2.4.4.2. Kết hợp thuật toán chu kỳ nước với thuật toán con thiêu thân
• 3. CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC
• 3.1. Mục tiêu thiết kế
• 3.2. Quy trình thiết kế
• 3.3. Lựa chọn vật liệu cho thiết kế
• 3.4. Thiết kế nguyên lý
• 3.5. Tính độ cứng của lò xo
• 3.6. Nguyên lý điều chỉnh độ cứng của lò xo
• 3.6.1. Nguyên lý điều chỉnh
• 3.6.2. Điều chỉnh độ cứng của lò xo
• 4. CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN KHỚP XOAY MỀM
• 4.1. Yêu cầu thiết kế
• 4.2. Phát triển khớp xoay mềm dựa trên FEM kết hợp RSM và PSO
• 4.2.1. Thiết kế khớp xoay
• 4.2.2. Đề xuất quy trình thiết kế khớp xoay
• 4.2.3. Tối ưu kích thước khớp xoay
• 4.2.3.1. Bài toán tối ưu
• 4.2.3.2. Mô hình hóa các đặc tính của khớp xoay mềm
• 4.2.3.3. Kết quả tối ưu hóa
• 4.2.4. Xác nhận kết quả tối ưu
• 4.3. Phát triển khớp xoay mềm dựa trên phương pháp tối ưu hóa cấu trúc kết hợp FEM, mạng nơ ron mờ thích nghi và thuật toán tối ưu hóa chu kỳ nước – con thiêu thân
• 4.3.1. Đề xuất quy trình thiết kế, tối ưu
• 4.3.1.1. Tối ưu hóa cấu trúc Topo (Topology)
• 4.3.1.2. Xây dựng mô hình thay thế bằng mạng nơ ron thích nghi mờ
• 4.3.1.3. Tối ưu hóa kích thước
• 4.3.2. Bài toán tối ưu
• 4.3.3. Kết quả và thảo luận
• 4.3.3.1. Thiết kế ban đầu của khớp xoay
• 4.3.3.2. Kết quả tối ưu cấu trúc Topo (Topology)
• 4.3.3.3. Tối ưu hóa kích thước
• 4.3.3.4. Xác nhận kết quả
• 5. CHƯƠNG 5 PHÁT TRIỂN LÒ XO PHẲNG
• 5.1. Yêu cầu của lò xo phẳng
• 5.2. Phát triển lò xo phẳng sử dụng FEM kết hợp RSM và MOGA
• 5.2.1. Thiết kế cấu trúc cho lò xo phẳng
• 5.2.2. Xây dựng bài toán tối ưu
• 5.2.2.1. Biến thiết kế
• 5.2.2.2. Hàm mục tiêu
• 5.2.3. Đề xuất quy trình thiết kế tối ưu
• 5.2.4. Kết quả và thảo luận
• 5.2.4.1. Đánh giá thiết kế ban đầu
• 5.2.4.2. Mô phỏng số
• 5.2.4.3. Mô hình Kriging
• 5.2.4.4. Đánh giá độ nhạy
• 5.2.4.5. Kết quả tối ưu
• 5.2.4.6. Đánh giá kết quả tối ưu
• 5.3. Phát triển và tối ưu lò xo phẳng dựa trên FEM, DFNN và WCA
• 5.3.1. Thiết kế kết cấu
• 5.3.2. Bài toán tối ưu
• 5.3.2.1. Biến thiết kế
• 5.3.2.2. Hàm mục tiêu
• 5.3.2.3. Hàm ràng buộc
• 5.3.3. Quy trình thiết kế, tối ưu
• 5.3.3.1. Giai đoạn 1: Thiết kế cơ khí
• 5.3.3.2. Giai đoạn 2: Tạo dữ liệu số
• 5.3.3.3. Giai đoạn 3: Mô hình hóa bằng DFNN
• 5.3.3.4. Giai đoạn 4: Tối ưu hóa sử dụng thuật toán chu kỳ nước
• 5.3.4. Kết quả và thảo luận
• 5.3.4.1. Thu thập dữ liệu
• 5.3.4.2. Tối ưu hóa cấu trúc của DFNN
• 5.3.4.3. Kết quả tối ưu
• 5.3.4.4. Xác nhận kết quả tối ưu
• 6. CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG
• 6.1. Mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực
• 6.2. Chế tạo và lắp ráp cơ cấu cân bằng trọng lực
• 6.3. Thiết lập thực nghiệm
• 6.4. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 7.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cơ cấu cân bằng trọng lực

Cơ cấu cân bằng trọng lực (cơ cấu cân bằng) là một phần quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, đặc biệt trong việc hỗ trợ vận động cho người khuyết tật. Nó giúp loại bỏ ảnh hưởng của trọng lực, cho phép di chuyển vật thể trong môi trường lý tưởng với năng lượng gần như bằng không. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các thiết bị hỗ trợ vận động, giúp cải thiện khả năng hoạt động của người bị đột quỵ. Cơ cấu này thường được thiết kế nhỏ gọn và nhẹ, dễ dàng điều chỉnh tải trọng, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong cuộc sống hàng ngày.

1.1 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên việc tổng mô men tác dụng bằng không. Điều này có nghĩa là khi một vật được di chuyển, lực tác động từ trọng lực sẽ được cân bằng bởi lực từ cơ cấu. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu năng lượng cần thiết để di chuyển mà còn tạo ra một môi trường an toàn cho người sử dụng. Các thiết kế hiện tại thường sử dụng lò xo phẳng và khớp xoay mềm để đạt được tính năng này, cho phép điều chỉnh độ cứng và tải trọng một cách linh hoạt.

II. Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu mềm

Việc tối ưu hóa thiết kế của cơ cấu mềm là một trong những thách thức lớn trong kỹ thuật cơ khí. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa phương pháp phần tử hữu hạn và thuật toán tối ưu bầy đàn có thể mang lại kết quả tốt trong việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng của cơ cấu mềm. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu trọng lượng, từ đó nâng cao tính khả thi trong ứng dụng thực tế. Các mô hình khớp xoay mềm được phát triển từ các phương pháp này đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền và khả năng chịu tải.

2.1 Quy trình tối ưu hóa

Quy trình tối ưu hóa cho cơ cấu mềm thường bao gồm các bước như xác định các thông số thiết kế, mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, và áp dụng các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền đa mục tiêu. Kết quả từ các mô phỏng này cho phép điều chỉnh các thông số như chiều dày, chiều dài và hình dạng của cơ cấu mềm, từ đó đạt được hiệu suất tối ưu trong việc cân bằng trọng lực. Việc này không chỉ giúp cải thiện tính năng mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

III. Ứng dụng thực tiễn của cơ cấu cân bằng trọng lực

Cơ cấu cân bằng trọng lực có nhiều ứng dụng trong các thiết bị hỗ trợ vận động và phục hồi chức năng. Các thiết bị này không chỉ giúp người khuyết tật cải thiện khả năng di chuyển mà còn hỗ trợ trong quá trình phục hồi sau đột quỵ. Việc sử dụng cơ cấu cân bằng trong các thiết bị này giúp giảm thiểu gánh nặng cho gia đình và xã hội, đồng thời nâng cao chất lượng cuộc sống cho người sử dụng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng cơ cấu mềm trong thiết kế thiết bị hỗ trợ có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với các thiết kế truyền thống.

3.1 Tác động đến người sử dụng

Các thiết bị hỗ trợ vận động sử dụng cơ cấu cân bằng trọng lực đã chứng minh được tác động tích cực đến người sử dụng. Người khuyết tật có thể dễ dàng di chuyển và thực hiện các hoạt động hàng ngày mà không gặp phải khó khăn do trọng lực. Điều này không chỉ giúp họ cải thiện sức khỏe thể chất mà còn nâng cao tinh thần và sự tự tin. Việc phát triển và tối ưu hóa cơ cấu mềm trong các thiết bị này là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.