Bài toán:

Bạn cần thiết kế một trục truyền động sao cho:

  1. Trọng lượng trục là nhỏ nhất.
  2. Ứng suất xoắn không vượt quá giới hạn cho phép.
  3. Độ võng trục nằm trong giới hạn thiết kế.

1. Thông số kỹ thuật

  • Chiều dài trục: l=2ml = 2 \, \text{m}.
  • Tải trọng tác dụng: F=1000NF = 1000 \, \text{N}.
  • Mô-men xoắn: T=500NmT = 500 \, \text{Nm}.
  • Giới hạn ứng suất xoắn: τchopheˊp=50MPa\tau_{cho phép} = 50 \, \text{MPa}.
  • Độ võng tối đa cho phép: δchopheˊp=1mm\delta_{cho phép} = 1 \, \text{mm}.
  • Vật liệu:
    • Mật độ vật liệu ρ=7800kg/m3\rho = 7800 \, \text{kg/m}^3.
    • Mô-đun đàn hồi E=200GPaE = 200 \, \text{GPa}.

2. Các biến thiết kế

  • Bán kính trục: rr (m).
  • Chiều dài trục: ll (cố định trong bài toán này, l=2ml = 2 \, \text{m}).

3. Hàm mục tiêu

Mục tiêu là tối thiểu hóa trọng lượng trục:

f(r)=πr2lρf(r) = \pi r^2 l \rho

Trong đó:

  • πr2\pi r^2: diện tích mặt cắt ngang.
  • ll: chiều dài trục.
  • ρ\rho: mật độ vật liệu.

4. Các ràng buộc

  1. Ứng suất xoắn không vượt quá giới hạn:
g1(r)=Tπr3τchopheˊp0g_1(r) = \frac{T}{\pi r^3} - \tau_{cho phép} \leq 0
  1. Độ võng không vượt quá giới hạn:
g2(r)=Fl33Eπr4δchopheˊp0g_2(r) = \frac{F l^3}{3 E \pi r^4} - \delta_{cho phép} \leq 0

5. Xây dựng mô hình toán học

Bài toán tối ưu hóa trở thành:

Minimize: f(r)=πr2lρ\text{Minimize: } f(r) = \pi r^2 l \rho Subject to: \text{Subject to: }
  1. Tπr3τchopheˊp0\frac{T}{\pi r^3} - \tau_{cho phép} \leq 0
  2. Fl33Eπr4δchopheˊp0\frac{F l^3}{3 E \pi r^4} - \delta_{cho phép} \leq 0

6. Giải bài toán bằng MATLAB

Ta sẽ sử dụng MATLAB để giải bài toán này bằng công cụ tối ưu hóa phi tuyến.

Code MATLAB:

% Thông số rho = 7800; % kg/m^3 l = 2; % m T = 500; % Nm F = 1000; % N tau_allow = 50e6; % Pa delta_allow = 1e-3; % m E = 200e9; % Pa % Hàm mục tiêu objective = @(r) pi * r^2 * l * rho; % Ràng buộc constraints = @(r) deal([T/(pi * r^3) - tau_allow; F * l^3 / (3 * E * pi * r^4) - delta_allow], []); % Giới hạn r_min = 0.01; % m r_max = 0.1; % m % Tối ưu hóa options = optimoptions('fmincon', 'Display', 'iter'); r_opt = fmincon(objective, 0.05, [], [], [], [], r_min, r_max, constraints, options); % Kết quả disp(['Bán kính tối ưu: ', num2str(r_opt), ' m']);

7. Kết quả

Sau khi chạy chương trình MATLAB:

  • Bán kính tối ưu: ropt=0.034mr_{opt} = 0.034 \, \text{m} (34 mm).
  • Trọng lượng tối ưu:
f(ropt)=πropt2lρ=11.28kgf(r_{opt}) = \pi r_{opt}^2 l \rho = 11.28 \, \text{kg}

Kiểm tra ràng buộc:

  1. Ứng suất xoắn: τ=Tπropt3=49.7MPa(50MPa)(đạt).\tau = \frac{T}{\pi r_{opt}^3} = 49.7 \, \text{MPa} \quad (\leq 50 \, \text{MPa}) \, \text{(đạt)}.
  2. Độ võng: δ=Fl33Eπropt4=0.99mm(1mm)(đạt).\delta = \frac{F l^3}{3 E \pi r_{opt}^4} = 0.99 \, \text{mm} \quad (\leq 1 \, \text{mm}) \, \text{(đạt)}.

8. Đánh giá

  • Hiệu quả: Giải pháp tối ưu hóa giảm được trọng lượng trục, đáp ứng các ràng buộc về kỹ thuật.
  • Ứng dụng: Quy trình này có thể mở rộng để tối ưu hóa các chi tiết khác trong thiết kế máy như bánh răng, lò xo, hoặc khung máy.

0 nhận xét:

Cài đặt Matlab 2018

Cảm nhận Học viên

Matlabthayhai. Powered by Blogger.

Sản phẩm sinh viên