Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của xe thiết giáp BTR – 60PB bằng Matlab – Simulink

Nội dung text: Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của xe thiết giáp BTR – 60PB bằng Matlab – Simulink

1. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ ÊM DỊU CỦA XE THIẾT GIÁP BTR - 60PB BẰNG MATLAB - SIMULINK A STUDY EVALUATE ABOUT MELLOW OF THE ARMORED VEHICLE BTR – 60PB BY MATLAB – SIMULINK (1) Nghiêm Xuân Thành (1)Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự/Đại học Trần Đại Nghĩa TÓM TẮT Nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của ô tô nhằm xác định các thông số liên quan đến hệ dao động của ô tô và giảm tác động xấu. Bài báo cung cấp cho người đọc có cái nhìn tổng quan về hệ dao động cơ học của xe bốn cầu, với các thông số cơ bản để đánh giá độ êm dịu của nó trong những chế độ hoạt động nhất định. Thiết lập hệ phương trình vi phân dao động theo phương pháp năng lượng Lagrăng loại 2. Sử dụng công cụ Matlab – Simulink để diễn tả kết quả tính toán khảo sát. Đồng thời sử dụng phương pháp thuật toán di truyền để tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo cho ghế lái tạo sự thoải mái êm dịu và an toàn cho người lái trong quá trình điều khiển xe. Từ khóa: hệ thống treo, dao động, Lagrăng, êm dịu, thuật toán di truyền. ABSTRACT Studies evaluating the vehicle's smooth in order to determine the parameters related to fluctuations in automotive systems and reduce negative impacts. The article provides the reader with an overview of the mechanical oscillation system in four different boxes vehicle, the basic parameters to assess its mellow in certain modes of operation. It was to be to establish differential equations oscillation by energy method Lagrange type 2. Using the tool Matlab - Simulink to describe the results of the survey calculated. At the same time, using genetic algorithms method to dinner optimization design for the driver's seat suspension system to greater comfort, safety and mellow for human during control. Keywords: Suspension, Oscillation, Lagrange, Mellow, Genetic Algorithms. I. GIỚI THIỆU Hiệu quả hoạt động của xe chuyên chở phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính cơ học chuyển động của nó. Trong đó độ êm dịu và an toàn chuyển động là những mục tiêu hàng đầu cần hướng tới. Vì vậy với một chiếc xe chuyên chở, trong những điều kiện hoạt động nhất định, để có thể thỏa mãn được các yêu cầu về độ êm dịu chuyển động và an toàn chuyển động, chúng ta phải nghiên cứu khảo sát, đánh giá xem ở chế độ hoạt động nào thì xe đạt tiêu chuẩn hoặc tiêu chuẩn cho phép và chế độ hoạt động nào sẽ vượt tiêu chuẩn và gây tác hại cho con người, phương tiện và môi trường. Theo đó, đề xuất phương án cải tiến, cho phù hợp với nhu cầu khai thác sử dụng. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Có nhiều phương pháp tiếp cận nghiên cứu về độ êm dịu của xe cộ. Tác giả đã sử dụng các phương pháp chủ đạo là: phương pháp mô hình hóa tương đương; phương pháp năng lượng Lagrăng để thiết lập phương trình vi phân dao động [1]; sử dụng công cụ Matlab – Simulink để phân tích diễn tả ý tưởng của mình; phương pháp thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ghế lái [2]. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Mô hình và phương trình vi phân mô tả dao động xe thiết giáp BTR - 60PB
2. Để mô tả dao động tác động lên hệ vật và người điều khiển ô tô cần thiết phải xây dựng mô hình tương đương và phương trình vi phân mô tả dao động của ô tô. Kế thừa [3, 4] ta có mô hình tương đương mô tả dao động của ô tô với các thông số của mô hình trong bảng 1. Bảng 1. Thông số kết cấu của mô hình TT Tên thông số Ký Giá trị Đơn vị hiệu 1 Khối lượng phần được treo M 8430 kg 2 2 Mô men quán tính khối lượng treo Jy 6059 Nm.s 3 Khối lượng phần không được treo cầu số 1 m1 501 kg 4 Khối lượng phần không được treo cầu số 2 m2 496 kg 5 Khối lượng phần không được treo cầu số 3 m3 435 kg 6 Khối lượng phần không được treo cầu số 4 m4 440 kg 7 Khối lượng của ghế lái và người lái mse 95 kg 8 Độ cứng quy dẫn thành phần đàn hồi ci 29725 N/m 9 Chiều dài cơ sở của xe L 4,240 m 10 Khoảng các từ trọng tâm đến cầu số 1 l1 2,120 m 11 Khoảng các từ trọng tâm đến cầu số 2 l2 0,775 m 12 Khoảng các từ trọng tâm đến cầu số 3 l3 0,775 m 13 Khoảng các từ trọng tâm đến cầu số 4 l4 2,120 m 14 Khoảng cách từ trọng tâm đến ghế lái lse=l1 2,125 m 15 Hệ số cản giảm chấn tại cầu số 1 k1 4100 Ns/m 16 Hệ số cản giảm chấn tại cầu số 2 k2 2050 Ns/m 17 Hệ số cản giảm chấn tại cầu số 3 k3 2050 Ns/m 18 Hệ số cản giảm chấn tại cầu số 4 k4 4100 Ns/m 19 Độ cứng của lốp xe cw 600000 N/m Mô hình tương đương được xây dựng gồm 7 bậc tự do , , ξ, ξ, ξ, ξ,z, hình 1. Hình 1. Mô hình tương đương mô tả dao động của ô tô
3. Trong đó, tác động của dao động đến khối lượng được treo M, được đánh giá thông qua dịch chuyển thẳng đứng Z, góc dịch chuyển φ và gia tốc dao động thẳng đứng, gia tốc góc dọc của thân xe. Tác động của dao động đến các khối lượng không được treo mi, được đánh giá thông qua các dịch chuyển thẳng đứng zi và gia tốc dao động của các cầu xe. Tác động của dao động đến người điều khiển được đánh giá thông qua dịch chuyển thẳng đứng zse và gia tốc dao động của ghế lái. Các tác động được biểu diễn thông qua hệ phương trình vi phân mô tả dao động của xe. Phương trình vi phân mô tả dao động của ô tô 4 cầu được thiết lập theo [1, 5] phương trình Lagrăng loại 2 có dạng như sau: MZ +c Z−l φ − ξ +c Z−l φ − ξ +c Z+l φ − ξ +cZ+lφ − ξ + kZ −lφ − ξ +kZ −lφ − ξ +k Z +l φ − ξ +k Z +l φ − ξ +c Z−l φ −z + kZ −lφ −z = 0 J φ −l c Z−l φ − ξ −l c Z−l φ − ξ +l c Z+l φ − ξ +lcZ+lφ − ξ −lkZ −lφ − ξ −lkZ −lφ − ξ +lkZ +lφ − ξ +lkZ +lφ − ξ −lcZ−lφ −z (1) −lkZ −lφ −z = 0 mξ−cZ−lφ − ξ +cξ −q−kZ −l. φ − ξ = 0 m ξ −c Z−l φ − ξ +c ξ −q −k Z −l φ − ξ = 0 mξ−cZ+lφ − ξ +cξ −q−kZ +lφ − ξ = 0 m ξ −c Z+l φ − ξ +c ξ −q −k Z +l φ − ξ = 0 mz −cZ−lφ −z −kZ −lφ −z = 0 Hệ phương trình (1) là hệ gồm 7 phương trình vi phân bậc hai mô tả dao động của xe thiết giáp BTR - 60PB, giải phương trình trên ta có thể khảo sát được tác động của dao động đến từng bộ phận của hệ dao động, từ mặt nền đường (hàm truyền), bánh xe, cầu xe, thân xe và đến người lái. Đây là hệ phương trình vi phân dao động của xe ô tô 4 cầu (mô hình phẳng), là hệ phương trình vi phân cấp hai, có hệ số là hằng số chỉ phụ thuộc các thông số kỹ thuật của xe. Vế phải của các phương trình vi phân trên phụ thuộc dạng mấp mô của mặt đường (q0). Từ hệ phương trình vi phân thiết lập được, ta thấy dao động của xe chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, để nghiên cứu dao động của ô tô ta tiến hành khảo sát dao động của xe thông qua việc giải hệ phương trình vi phân đã xây dựng. Có nhiều phương pháp giải hệ phương trình vi phân, trong bài báo này tác giả sử dụng phương pháp giải hệ phương trình vi phân dao động bằng phần mềm Matlab - Simulink. Từ nguyên tắc xây dựng mô hình của Matlab - Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng dao động ô tô 4 cầu như sau:
4. Hình 2: Mô hình Simulink mô phỏng dao động xe 4 cầu 3.2. Kết quả khảo sát dao động xe thiết giáp BTR - 60PB Các chế độ tính toán dựa trên các thông số của mặt đường, tần số dao động, thời gian dao động. Thông số mặt đường hình sin (hàm điều hòa) chiều cao mấp mô mặt đường q0 = [0,04 0,06 0,08] m và bước sóng của mấp mô mặt đường S = L = 4,24 m, với miền tần số khảo sát (fks) từ 0 - 10 Hz. Kết quả tính toán ta được gia tốc bình phương trung bình đạt cực đại, bảng 2 và đồ thị gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm xe và vị trí ghế lái xe, hình 3, hình 4. Bảng 2: Giá trị của gia tốc bình phương trung bình đạt cực đại Chế độ Thông số mặt Gia tốc bình phương Gia tốc bình phương Gia tốc bình khảo đường trung bình thân xe trung bình ghế phương trung sát q0 [m] & S [m] 2 không treo bình ghế có treo Z [m/s ] 2 2 z _ [m/s ] z_ [m/s ] 1 0,04& 4,24 2,2508 11,6046 1,6033 2 0,06& 4,24 3,3774 17,4069 2,4047 3 0,08& 4,24 4,4948 23,1828 3,1999
5. Hình 3: Đồ thị gia tốc bình phương trung bình thân xe Hình 4: Đồ thị gia tốc bình phương trung bình ghế lái Kết quả khảo sát sau khi tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo bằng thuật toán di truyền GA, ta được kết quả khảo sát tại vị trí ghế lái là gia tốc bình phương trung bình của ghế lái (hình 5), độ dịch chuyển tương đối lớn nhất ghế lái (hình 6) và đồ thị so sánh gia tốc bình phương trung bình ghế lái trước và sau khi lắp hệ thống treo (hình 7). Hình 5: Đồ thị gia tốc bình phương trung bình ghế lái sau khi lắp hệ thống treo Hình 6: Đồ thị độ dịch chuyển tương đối lớn nhất ghế lái có treo Hình 7: Đồ thị so sánh gia tốc bình phương trung bình ghế lái trước và sau khi lắp hệ thống treo IV. THẢO LUẬN Phương pháp mô phỏng dao động bởi Matlab - Simulink đã giúp cho việc khảo sát đưa ra bảng thông số dao động của xe một cách chính xác, trực quan, nhanh chóng và tiện
6. lợi. Cho phép tìm được nhiều thông số liên quan đến dao động. Trong đó thông số quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động là gia tốc bình phương trung bình của thân xe và gia tốc bình phương trung bình ghế lái. So sánh với tiêu chuẩn TCVN 6964 - 1: 2001 về độ êm dịu [1, 6], kết quả khảo sát cho thấy dải trị số gia tốc bình phương trung bình hầu như cao hơn tiêu chuẩn cho phép [<2,5 m/s2] ở các chế độ khảo sát, (xe chỉ đạt độ êm dịu ở vùng tần số thấp với tần số từ 0 - 1,75 Hz và đối với ghế lái là từ tần số từ 0 - 0,85 Hz). Thực tế hoạt động của xe, không phải lúc nào nó cũng duy nhất hoạt động ở tần số nhỏ như vậy. Theo tính chất nhiệm vụ chiến đấu, tính năng kỹ chiến thuật, khả năng việt dã của xe, cũng như tính kinh tế nhiên liệu của ô tô, thì nó luôn thay đổi các chế độ hoạt động, thậm chí ở những chế độ làm việc rất khắc nghiệt. Cho nên có thể đánh giá với kết quả khảo sát trên xe BTR - 60PB không đạt tiêu chuẩn về độ êm dịu trong các trường hợp đã khảo sát. Nói cách khác, chế độ khảo sát trong bài báo là lân cận biên của bài toán đặt ra. Như vậy các thành viên ngồi trên xe sẽ có cảm giác không thoải mái. Trong đó, người lái là chịu tác động ảnh hưởng nhiều nhất, vì khoảng cách từ người lái đến trọng tâm xe là lớn nhất so với các vị trí thành viên kíp xe khác. Sau khi áp dụng kết quả [7] tối ưu hóa thiết kế hệ thông treo ghế lái theo phương pháp thuật toán di truyền, ta đã thực hiện cùng lúc hai mục tiêu là êm dịu chuyển động và an toàn chuyển động giúp cho người lái xe cảm giác thoải mái và an toàn hơn trong quá trình điều khiển phương tiện. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Vũ Đức Lập, Dao động ô tô, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội, năm 2011. [2]. Wael Abbas and colleagues, Optimal Seat Suspension Design Using Genetic Algorithms, Egypt, Journal of Mechanics Engineering and Automation 1, pp 44 – 52, năm 2011. [3]. Dương Quốc Cường, Khảo sát động lực học xe Thiết giáp BTR - 60PB chuyển động trên đường địa hình, Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, tr 26 – 43, năm 2014. [4]. Nguyễn Thanh Hải, Khảo sát dao động xe nhiều cầu, Luận văn thạc sĩ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà nội, tr 50 – 55, năm 2000. [5]. Balakumar Balachandran, Edward B. Magrab (2009), Vibrations, Second Edition, America, pp 80 - 97. [6]. Bộ Khoa học và công nghệ, TCVN 6964 - 1: 2001 (ISO 2631 - 1: 1997), rung động và chấn động cơ học - đánh giá sự chịu đựng của con người với rung động toàn thân, phần 1, phụ lục C, năm 2008. [7]. Nghiêm Xuân Thành, Lê Thanh Tuấn, Nguyễn Tiến Hiệp, Tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo ghế lái ô tô theo phương pháp thuật toán di truyền, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, tập số 9, trang 4 - 14, năm 2016. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nghiêm Xuân Thành Đơn vị: Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự/ Đại học Trần Đại Nghĩa Điện thoại: 0983424179 Email: nghiemxuanthanhsqktqs@gmail.com
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ