Luận văn thạc sĩ: Tối ưu kết cấu thân máy tiện dựa vào giải thuật di truyền

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu tính toán tối ưu kết cấu thân máy tiện bằng giải thuật di truyền, mang lại hiệu quả cao trong thiết kế.

• Tác giả: Nguyễn Thị Lan Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ngọc Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Tính Toán Tối Ưu Kết Cấu Thân Máy Tiện Dựa Vào Giải Thuật Di Truyền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3.1. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.5. Nhiệm vụ và giới hạn luận văn
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết độ tin cậy
• 2.2. Tổng quan về quá trình phân tích độ tin cậy
• 2.3. Bài toán tối ưu
• 2.3.1. Bài toán tối ưu tổng quát
• 2.3.2. Bài toán tối ưu theo độ tin cậy
• 2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu theo độ tin cậy
• 2.5. Kết cấu và bài toán tối ưu kết cấu
• 3. CHƯƠNG III: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
• 3.1. Giới thiệu về giải thuật di truyền
• 3.2. Trình tự giải thuật di truyền
• 3.3. Hàm thích nghi
• 3.4. Chọn lọc cá thể
• 3.5. Điều kiện dừng của giải thuật
• 3.6. Xử lý ràng buộc trong giải thuật di truyền
• 3.7. Cấu trúc thuật giải di truyền tổng quát
• 3.8. Nhận xét giải thuật di truyền
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN
• 4.1. Tổng quan về máy Tiện
• 4.2. Hình dạng chung bên ngoài của máy tiện
• 4.3. Một số hình dáng của thân máy tiện cỡ trung bình
• 4.4. Vật liệu thân máy
• 4.5. Tính toán thân máy theo phương pháp truyền thống
• 4.5.1. Chọn sơ đồ tính toán của thân máy
• 4.5.2. Xác định lực tác dụng lên thân máy tiện
• 4.5.3. Tính biến dạng của thân máy
• 4.6. Hạn chế
• 5. CHƯƠNG V: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU THÂN MÁY TIỆN
• 5.1. Các bước tính toán bài toán tối ưu thân máy dựa vào giải thuật di truyền
• 5.2. Các định các thông số cơ bản
• 5.3. Thông số của máy tiện
• 5.4. Tính toán tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục chính và thân máy
• 5.5. Giải quyết bài toán
• 5.5.1. Các biến thiết kế (thông số tính toán)
• 5.5.2. Chọn hàm mục tiêu
• 5.5.3. Xác định hệ ràng buộc
• 5.5.4. Dùng giải thuật di truyền để giải bài toán
• 5.5.5. So sánh với phương pháp tính bằng tay
• 5.5.6. Giải thuật Quy hoạch tuyến tính
• 5.5.7. Đánh giá kết quả thu được
• 6. CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa kết cấu máy tiện

Tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế máy công cụ. Việc áp dụng giải thuật di truyền vào quá trình này giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu trọng lượng của máy. Kết cấu máy tiện cần phải đáp ứng nhiều yêu cầu như độ bền, ổn định và tiết kiệm vật liệu. Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc mà còn đến chi phí sản xuất. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa không chỉ giúp cải thiện các thông số kỹ thuật mà còn nâng cao tính thẩm mỹ và khả năng thân thiện với môi trường của sản phẩm. Theo đó, việc áp dụng giải thuật di truyền cho phép tìm ra các giải pháp tối ưu hơn so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Lý thuyết độ tin cậy

Độ tin cậy là một yếu tố quan trọng trong thiết kế máy tiện. Nó phản ánh khả năng của máy trong việc thực hiện chức năng của mình trong một khoảng thời gian nhất định. Việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào bài toán tối ưu kết cấu giúp đảm bảo rằng máy có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện làm việc thực tế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xem xét độ tin cậy trong thiết kế không chỉ giúp giảm thiểu hư hỏng mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì. Do đó, việc tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện cần phải xem xét đến các yếu tố ngẫu nhiên và độ tin cậy của các thành phần trong máy.

1.2. Các giải thuật tối ưu

Trong nghiên cứu này, các giải thuật tối ưu được phân tích và so sánh để tìm ra phương pháp hiệu quả nhất cho việc tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện. Giải thuật di truyền là một trong những phương pháp được ưa chuộng nhờ khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian lớn. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên, cho phép tìm ra các giải pháp tối ưu thông qua quá trình tiến hóa. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng giải thuật di truyền không chỉ giúp tối ưu hóa kết cấu mà còn giảm thiểu thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế máy tiện hiện đại.

II. Ứng dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hóa

Việc áp dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các bước tính toán được thực hiện một cách hệ thống, từ việc xác định các thông số thiết kế đến việc tối ưu hóa hình dáng và kích thước của thân máy. Cải tiến kết cấu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện có thể áp dụng cho nhiều loại máy khác nhau như máy phay, máy bào và máy khoan. Điều này cho thấy tính linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi của giải thuật di truyền trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

2.1. Các bước tính toán

Quá trình tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện bắt đầu bằng việc xác định các thông số thiết kế cơ bản. Các thông số này bao gồm kích thước, hình dạng và vật liệu chế tạo. Sau đó, giải thuật di truyền được áp dụng để tìm ra các giải pháp tối ưu. Quá trình này bao gồm các bước như chọn lọc cá thể, lai ghép và đột biến. Mỗi bước đều được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo rằng các giải pháp tìm được không chỉ tối ưu mà còn khả thi trong thực tế. Kết quả thu được từ quá trình này cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ bền của máy tiện.

2.2. Đánh giá kết quả

Kết quả của quá trình tối ưu hóa được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như độ bền, trọng lượng và chi phí sản xuất. Việc so sánh giữa các phương pháp tối ưu cho thấy giải thuật di truyền mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành chế tạo máy. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hóa kết cấu thân máy tiện là một hướng đi đúng đắn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp chế tạo máy ngày càng phát triển, máy công cụ đóng vai trò then chốt trong việc gia công các chi tiết cơ khí chính xác. Theo ước tính, máy tiện chiếm khoảng 40-50% tổng số máy cắt kim loại trong các phân xưởng cơ khí, với đa dạng chủng loại và kích thước. Sự cạnh tranh trên thị trường đã thúc đẩy việc cải tiến không ngừng về tính năng, chất lượng, mẫu mã và đặc biệt là kết cấu thân máy tiện. Trước đây, các sản phẩm máy tiện chủ yếu tập trung vào các tiêu chí như độ bền, ổn định, tiết kiệm vật liệu và năng lượng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các yêu cầu về tính thẩm mỹ, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian và thân thiện với môi trường cũng được đặt lên hàng đầu.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu tính toán và tối ưu kết cấu thân máy tiện dựa trên giải thuật di truyền nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ đồng thời tiết kiệm nguyên vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thân máy tiện cỡ trung bình, với dữ liệu và mô hình được khảo sát tại các nhà máy cơ khí ở Việt Nam trong giai đoạn từ 2010 đến 2013. Mục tiêu cụ thể là phát triển một giải thuật tối ưu giúp thiết kế thân máy tiện có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và độ cứng vững trong quá trình vận hành.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế máy công cụ, giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ máy. Kết quả nghiên cứu không chỉ áp dụng cho thân máy tiện mà còn có thể mở rộng cho các loại máy công cụ khác như máy phay, máy bào và máy khoan, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp chế tạo máy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết độ tin cậy và giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA). Lý thuyết độ tin cậy được hiểu là tính chất của đối tượng trong một thời điểm nhất định, dưới điều kiện làm việc cụ thể, hoàn thành chức năng đã định và duy trì các thông số kỹ thuật trong giới hạn cho phép. Lý thuyết này bao gồm các khái niệm về tính không hỏng, tính sửa chữa, tính bảo quản và tính lâu bền, được áp dụng để đánh giá và đảm bảo độ bền vững của kết cấu thân máy tiện.

Giải thuật di truyền là một phương pháp tối ưu dựa trên mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên, sử dụng các thao tác chọn lọc, lai ghép và đột biến trên quần thể các cá thể đại diện cho các giải pháp thiết kế. GA có ưu điểm vượt trội trong việc xử lý các bài toán tối ưu phức tạp với không gian tìm kiếm lớn và nhiều biến thiết kế, đặc biệt phù hợp với bài toán tối ưu kết cấu thân máy tiện có nhiều ràng buộc kỹ thuật.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm: biến thiết kế (kích thước hình học, tính chất vật liệu), hàm mục tiêu (giảm trọng lượng, tăng độ cứng vững), hệ ràng buộc (độ bền, biến dạng, độ tin cậy), và các tham số của giải thuật di truyền như xác suất lai ghép, xác suất đột biến, hàm thích nghi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, số liệu thực nghiệm tại các nhà máy cơ khí và các nghiên cứu trước đây về thân máy tiện. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các loại thân máy tiện cỡ trung bình với kích thước và vật liệu đa dạng, được mô phỏng và tính toán trên phần mềm chuyên dụng.

Phương pháp phân tích sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa hàm mục tiêu trọng lượng thân máy trong khi đảm bảo các ràng buộc về độ bền và biến dạng. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: khảo sát và thu thập dữ liệu (3 tháng), xây dựng mô hình và mã hóa biến thiết kế (2 tháng), phát triển và hiệu chỉnh giải thuật di truyền (4 tháng), thực hiện tính toán và phân tích kết quả (3 tháng), tổng hợp và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các thân máy tiêu biểu đại diện cho các kích thước và vật liệu phổ biến trong ngành. Phân tích kết quả được thực hiện bằng cách so sánh các chỉ số trọng lượng, độ cứng và sai số biến dạng giữa phương pháp truyền thống và giải thuật di truyền, đồng thời đánh giá hiệu quả tối ưu qua các chỉ số phần trăm giảm trọng lượng và tăng độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm trọng lượng thân máy tiện: Kết quả tính toán cho thấy, áp dụng giải thuật di truyền giúp giảm trọng lượng thân máy từ 10% đến 18% so với phương pháp tính toán truyền thống. Ví dụ, thân máy tiện Charles Swing có trọng lượng giảm từ khoảng 1200 kg xuống còn khoảng 1000 kg mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.

2. Đảm bảo độ cứng vững và biến dạng: Các mô phỏng cho thấy biến dạng thân máy dưới tải trọng cắt không vượt quá 0.15 mm, giảm khoảng 12% so với thiết kế ban đầu. Độ cứng vững được cải thiện nhờ tối ưu bố trí các đường gân và thành máy, giúp giảm rung động và tăng độ chính xác gia công.

3. Tăng độ tin cậy kết cấu: Bài toán tối ưu theo độ tin cậy được giải quyết hiệu quả với xác suất hư hỏng giảm xuống dưới 5%, đảm bảo thân máy hoạt động ổn định trong điều kiện tải trọng ngẫu nhiên. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này cho thấy giải thuật di truyền có khả năng xử lý tốt các ràng buộc xác suất phức tạp.

4. Tiết kiệm không gian và tính thẩm mỹ: Thiết kế thân máy sau tối ưu có kích thước gọn hơn khoảng 8%, phù hợp với yêu cầu tiết kiệm diện tích nhà xưởng và nâng cao tính thẩm mỹ, đồng thời thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp đặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm trọng lượng và tăng độ cứng vững là do giải thuật di truyền khai thác hiệu quả không gian thiết kế lớn, đồng thời xử lý tốt các ràng buộc phi tuyến và xác suất trong bài toán tối ưu. Việc sử dụng hàm thích nghi kết hợp với các phép lai ghép và đột biến giúp quần thể giải pháp tiến hóa nhanh chóng đến gần giá trị tối ưu toàn cục.

So sánh với các phương pháp tối ưu truyền thống như quy hoạch tuyến tính hay phương pháp đạo hàm, giải thuật di truyền thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng xử lý bài toán phức tạp với nhiều biến thiết kế và ràng buộc. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh trọng lượng và biến dạng giữa các phương pháp, cũng như bảng số liệu chi tiết về các tham số thiết kế sau tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cải tiến thiết kế thân máy tiện mà còn mở rộng ứng dụng cho các loại máy công cụ khác, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nguyên vật liệu trong ngành cơ khí chế tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng giải thuật di truyền trong thiết kế máy công cụ: Khuyến nghị các nhà thiết kế và kỹ sư cơ khí sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu kết cấu thân máy tiện và các chi tiết máy khác nhằm giảm trọng lượng và tăng độ bền, tiết kiệm nguyên vật liệu trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu: Đề xuất xây dựng hoặc tích hợp module giải thuật di truyền vào phần mềm CAD/CAM hiện có để tự động hóa quá trình tối ưu thiết kế, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lý thuyết độ tin cậy và giải thuật di truyền cho đội ngũ kỹ sư thiết kế máy công cụ nhằm nâng cao năng lực ứng dụng các phương pháp tối ưu hiện đại.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng giải thuật di truyền cho các loại máy công cụ khác như máy phay, máy bào, máy khoan trong vòng 3-5 năm tới để đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế máy công cụ: Luận văn cung cấp phương pháp tối ưu kết cấu thân máy tiện giúp kỹ sư cải tiến thiết kế, giảm trọng lượng và tăng độ bền, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Nhà quản lý sản xuất cơ khí: Các giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm nguyên vật liệu và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành máy móc, hỗ trợ quản lý hiệu quả hơn.

3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng giải thuật di truyền trong thiết kế máy, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

4. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về giải thuật di truyền áp dụng cho bài toán tối ưu kết cấu, mở rộng hướng nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật và công nghệ chế tạo máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật di truyền là gì và tại sao lại phù hợp cho bài toán tối ưu kết cấu thân máy tiện?
   Giải thuật di truyền là phương pháp tối ưu dựa trên mô phỏng tiến hóa tự nhiên, xử lý tốt các bài toán phức tạp với nhiều biến và ràng buộc. Nó phù hợp vì có khả năng tìm kiếm toàn cục trong không gian thiết kế lớn và xử lý các ràng buộc phi tuyến hiệu quả.

2. Làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy trong thiết kế thân máy tiện?
   Độ tin cậy được đảm bảo bằng cách xem xét các biến thiết kế như đại lượng ngẫu nhiên và áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong bài toán tối ưu, đảm bảo xác suất hư hỏng thấp và sử dụng vật liệu hiệu quả.

3. So sánh hiệu quả giữa giải thuật di truyền và phương pháp tính toán truyền thống?
   Giải thuật di truyền giúp giảm trọng lượng thân máy từ 10-18%, cải thiện độ cứng vững và giảm biến dạng so với phương pháp truyền thống, đồng thời xử lý được nhiều ràng buộc phức tạp hơn.

4. Giải thuật di truyền có thể áp dụng cho các loại máy công cụ khác không?
   Có, luận văn đã đề xuất mở rộng ứng dụng cho máy phay, máy bào, máy khoan, giúp tối ưu kết cấu thân máy đa dạng loại máy công cụ.

5. Thời gian thực hiện tối ưu bằng giải thuật di truyền mất bao lâu?
   Thời gian thực hiện phụ thuộc vào cỡ mẫu và số biến thiết kế, nhưng thường trong khoảng vài giờ đến vài ngày trên máy tính hiện đại, nhanh hơn nhiều so với phương pháp thử nghiệm thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công giải thuật di truyền để tối ưu kết cấu thân máy tiện, giảm trọng lượng từ 10-18% và cải thiện độ cứng vững.
• Đã áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào bài toán tối ưu, đảm bảo xác suất hư hỏng dưới 5%, nâng cao độ bền và tuổi thọ máy.
• Kết quả nghiên cứu có thể mở rộng ứng dụng cho các loại máy công cụ khác như máy phay, máy bào, máy khoan.
• Giải thuật di truyền thể hiện ưu thế vượt trội so với các phương pháp truyền thống về khả năng xử lý bài toán phức tạp và thời gian thực hiện.
• Đề xuất triển khai ứng dụng giải thuật trong thiết kế thực tế và phát triển phần mềm hỗ trợ, đồng thời đào tạo kỹ sư để nâng cao năng lực thiết kế tối ưu.

Các nhà thiết kế và doanh nghiệp trong ngành cơ khí nên bắt đầu áp dụng giải thuật di truyền trong quy trình thiết kế thân máy tiện để nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 trọng tác dụng, ứng suất tới hạn. thƣờng là các đại lƣợng ngẫu nhiên, phân bố theo 15 Luan van quy luật xác suất nào đó trong quá trình thiết kế, chế tạo, sử dụng, do đó kết quả của quá trình thiết kế này thƣờng không sát với thực tế, không sử dụng hết khả năng làm việc của vật liệu. Với quá trình thiết kế có xét đến độ tin cậy, các biến thiết kế đƣợc xem là các đại lƣợng ngẫu nhiên, phân bố theo quy luật nào đó.

Do có xét đến các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình thiết kế nên kết quả sát với thực tế, sử dụng hết khả năng làm việc của vật liệu, đảm bảo xác suất hƣ hỏng trong quá trình sử dụng. Tuy nhiên để có thể thiết kế theo độ tin cậy cần số lƣợng thực nghiệm, nghiên cứu, quan sát, ghi chép lớn do đó thƣờng tốn kém, mất nhiều thời gian. và việc giải bài toán thiết kế thƣờng gặp nhiều khó khăn phức tạp. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì yêu cầu của ngƣời sử dụng về tính tối ƣu trong thiết kế là điều tất yếu.

Vì vậy trong quá trình thiết kế đều xét đến chỉ tiêu độ tin cậy nhằm hạn chế các hƣ hỏng xảy ra trong quá trình làm việc, tiết kiệm nguyên vật liệu. Quá trình thiết kế tối ƣu theo độ tin cậy tƣơng ứng với việc giải bài toán tối ƣu theo độ tin cậy. Việc giải bài toán này thƣờng gặp rất nhiều khó khăn do miền thiết kế ngày càng đƣợc mở rộng, các ràng buộc tăng do phải đảm bảo nhiều yêu cầu hơn, kỹ thuật công nghệ phát triển ảnh hƣởng đến quy trình sản xuất sản phẩm. Việc tìm hiểu các giải thuật hiện có hay nghiên cứu giải thuật mới cho bài toán tối ƣu và so sánh giải thuật về độ chính xác, thời gian thực hiện với các giải thuật khác là điều rất cần thiết đối với ngƣời kỹ sƣ.2 Mục đích nghiên cứu Đề tài này nghiên cứu tính toán và tìm ra giải thuật tối ƣu cho ngƣời thiết 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.3 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.

Các nghiên cứu trong nƣớc 16 Luan van 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.

- Áp dụng giải thuật di truyền giải quyết bài toán thiết kế tối ƣu dầm bê tông cốt thép. - Tối ƣu kết cấu thân máy bằng giải thuật di truyền. - Nghiên cứu tối ƣu hình dạng kết cấu trên cơ sở độ tin cậy. Các nghiên cứu ngoài nƣớc Quá trình nghiên cứu về tối ƣu đƣợc nghiên cứu và thực hiện từ rất lâu.

Công trình đầu tiên về tối ƣu có thể kể đến Galileo Galilei với việc tối ƣu hình dáng trong tài liệu “Lý thuyết về hình dạng vật thể với sự cân bằng độ bền” ở thế kỷ 16. Từ đó đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tối ƣu khác nhau, phục vụ cho những lĩnh vực, chuyên ngành khác nhƣ: cơ khí, xây dựng, điện - điện tử, giao thông, kỹ thuật công nghiệp. - Tối ƣu hình dạng theo ba phƣơng với các dạng hình học khác nhau. - Ứng dụng giải thuật di truyền cho bài toán tối ƣu kết cấu.

- 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.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. - Ý nghĩa thực tiễn của luận văn: Áp dụng giải thuật di truyền để tối ƣu thân máy tiện rồi từ đó mở rộng cho các dạng thân máy khác nhƣ máy phay, máy bào, máy khoan… 1.5 Nhiệm vụ và giới hạn luận văn Nhiệm vụ của luận văn: - Nghiên cứu bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện. - Tìm hiểu lý thuyết độ tin cậy áp dụng vào bài toán tối ƣu kết cấu thân máy. - Tìm hiểu các giải thuật bài toán tối ƣu.

- Lựa chọn giải thuật thích hợp cho bài toán tối ƣu kết cấu thân máy tiện. - Áp dụng giải thuật cho một máy tiện. - Rút ra kết quả và kết luận. 18 Luan van Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Lý thuyết độ tin cậy 2.1 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 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: - Lý thuyết toán độ tin cậy - Lý thuyết vật lý độ tin cậy Lý thuyết toán độ tin cậy - Các phần tử tác dụng lẫn nhau và đảm bảo khả năng làm việc theo sơ đồ logic. - Dữ liệu thu đƣợc bằng xử lý thống kê các kết quả thực nghiệm và dữ liệu của quá trình vận hành.

19 Luan van - Dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê toán Lý thuyết vật lý độ tin cậy - Duy trì khả năng làm việc của hệ thống - 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. Bài toán tối ƣu theo độ tin cậy 2.

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 j=1,2…. d 1i  di  d im i=1,2,… n Trong đó: - di:biến thiết kế thứ i - X: véctơ của các biến thiết kế - f(x): hàm mục tiêu - hj: hàm bất đẳng thức ràng buộc - lk: hàm đẳng thức ràng buộc - n: số biến thiết kế 20 Luan van - nj: số hàm bất đẳng thức ràng buộc - nk: số hàm đẳng thức ràng buộc - d 1i , d im giới hạn dƣới và trên của biến thiết kế thứ i.

Bài toán tối ƣu theo độ tin cậy Bài toán tối ƣu theo độ tin cậy là một dạng của bài toán tối ƣu có xét đến độ tin cậy. Ràng buộc về độ tin cậy đƣợc xét đến: P (gj(X,p)  0))  Rj; j = 1,2, .