Luận án tiến sĩ ngành Kỹ thuật Cơ khí - Tối ưu hoá dòng năng lượng dao động trong hệ Port Controlled Hamiltonian

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Phan Thị Trà My 2 LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lã Đức Việt và TS.

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các Thầy, những người đã tận tâm giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy đã giảng dạy tôi trong thời gian học chuyên đề trong khuôn khổ chương trình đào tạo Tiến sĩ, các cán bộ của Học viện Khoa học và Công nghệ, nhóm nghiên cứu tại Viện Cơ học đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi tài liệu, kinh nghiệm để hoàn thành luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến Viện Cơ học và các cán bộ phòng Cơ học Công trình đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện về thời gian cho tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, những người luôn gần gũi và là động lực cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Phan Thị Trà My 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 2 Danh mục các ký hiệu, viết tắt. 6 Danh mục hình vẽ. 9 Danh mục bảng.

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Điều khiển dao động. Phân tích dòng năng lượng. Tình hình nghiên cứu và vấn đề đặt ra của luận án.

Tình hình nghiên cứu. Vấn đề đặt ra của luận án. Kết luận Chương 1. ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG BỘ CÁCH LY DAO ĐỘNG.

Khái niệm bộ cách ly dao động. Dòng năng lượng trong bộ cách ly dao động. Ảnh hưởng của độ giảm chấn đến dòng năng lượng. Điều khiển cản bật tắt dựa trên dòng năng lượng.

Hiệu chỉnh luật điều khiển dựa trên điều khiển cản bật tắt tối ưu. Kết luận chương 2. ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG MÔ HÌNH MỘT PHẦN TƯ Ô TÔ. Khái niệm hệ thống treo của ô tô.

Các công thức dòng năng lượng. Ảnh hưởng của độ cản bộ giảm xóc lên dòng năng lượng trung bình. Điều khiển cản bật tắt dựa trên dòng năng lượng. Hiệu chỉnh thuật toán điều khiển dựa trên cản bật tắt tối ưu.

Kết luận chương 3. ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ LẮP BỘ GIẢM CHẤN KHỐI LƯỢNG. Khái niệm bộ giảm chấn khối lượng TMD. Các công thức dòng năng lượng.

Ảnh hưởng của các tham số của bộ giảm chấn khối lượng lên dòng năng lượng. Điều khiển cản bật tắt dựa trên dòng năng lượng. Thuật toán tối đa dòng năng lượng đi vào TMD - phiên bản 1. Thuật toán tối thiểu dòng năng lượng đi vào toàn hệ thống - phiên bản 2.

Hiệu chỉnh dựa trên cản bật tắt tối ưu. Ví dụ tính toán số. Kết luận chương 4. 94 Hướng nghiên cứu tiếp theo.

94 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 97 Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2. 105 Phụ lục 2: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.

106 Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 3. 107 Phụ lục 4: Mô hình Simulink và đoạn mã MATLAB cho mục 3. 108 5 Phụ lục 5: Đoạn mã MATLAB cho mục 3. 109 Phụ lục 6: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.

111 Phụ lục 7: Đoạn mã MATLAB cho mục 4. 112 6 Danh mục các ký hiệu, viết tắt PCH Port Controlled Hamilton TMD Tuned Mass Damper, bộ giảm chấn khối lượng DVA Dynamic Vibration Absorber, bộ hấp thụ động lực L Phiếm hàm Lagrange T Động năng V Thế năng  Hàm hao tán Q Véc tơ lực suy rộng tổng quát q Véc tơ các tọa độ suy rộng p Véc tơ động lượng suy rộng z Véc tơ trạng thái hệ thống H Hàm Hamilton u Đầu vào G Ma trận phân bố đầu vào J Ma trận hệ thống thể hiện các tương tác được bảo toàn R Ma trận hệ thống thể hiện các tương tác bị tiêu tán y Đầu ra H Dòng năng lượng P Dòng năng lượng được đưa vào hệ Pdd Dòng năng lượng dao động Ptb Dòng năng lượng trung bình Pm Dòng năng lượng cực đại phi thứ nguyên r Chuyển động nền r0 Biên độ chuyển động nền x Chuyển dịch hệ chính xp Biên độ phức của x xd Chuyển dịch tương đối của TMD so với hệ chính 1 bậc tự do xa Chuyển dịch tương đối của TMD so với hệ chính nhiều bậc tự do xdp Biên độ phức của xd xs Chuyển dịch của thân xe 7 xsp Biên độ phức của xs xt Chuyển dịch của khối lượng không được treo xtp Biên độ phức của xt xr Biên dạng mặt đường x0 Biên độ của biên dạng mặt đường xr xst Biến dạng của lò xo xtr Biến dạng của bánh xe m Khối lượng md Khối lượng TMD trong hệ 1 bậc tự do ma Khối lượng TMD trong hệ nhiều bậc tự do Ms Khối lượng 1/4 ô tô Mt Tổng khối lượng của các bộ phận không được treo trong mô hình ¼ ô tô k Độ cứng của khối lượng m kd Độ cứng của TMD 1 bậc tự do ka Độ cứng của TMD trong hệ nhiều bậc tự do K Độ cứng của lò xo treo Kt Độ cứng của lốp c Hệ số cản bộ cách ly cd Hệ số cản của TMD trong hệ 1 bậc tự do ca Hệ số cản của TMD trong hệ nhiều bậc tự do b Hệ số cản bộ giảm xóc ô tô  Tỷ số cản 1 Tần số kích động nền n Tần số riêng của bộ cách ly s Tần số riêng của hệ chính trong mô hình bộ giảm chấn khối lượng 1 bậc tự do  Tần số của đầu vào kích động d Tần số riêng của TMD  Tỷ số các khối lượng trong mô hình bộ giảm chấn khối lượng 1 bậc tự do  Tỷ số các tần số riêng của hệ TMD và của hệ chính 8  Tỷ số tần số đầu vào kích động và tần số riêng của hệ chính  Tham số hiệu chỉnh f Đầu vào kích động điều hòa f0 Biên độ của đầu vào kích động f  Pha của đầu vào kích động f  Pha của TMD trong hệ nhiều bậc tự do zout Đầu ra, đại lượng cần kiểm soát dao động  Thời gian phi thứ nguyên A Ma trận hệ thống D Ma trận định vị của bộ cản với độ cản bật tắt c Hf Véc tơ định vị của đầu vào JL Chỉ số đáp ứng tối ưu tìm được ở trường hợp lý tưởng JA Chỉ số đánh giá biên độ của đáp ứng cần đánh giá EJ Chỉ số bám s Véc tơ định vị đầu vào trong hệ TMD nhiều bậc tự do r Véc tơ định vị khối lượng mục tiêu cần giảm giao động trong hệ TMD nhiều bậc tự do v Véc tơ định vị TMD trong hệ nhiều bậc tự do 9 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hệ 1 bậc tự do đang di chuyển về vị trí cân bằng 16 Hình 2.1: (a) Bệ lò xo không cản; (b) Bệ lò xo có cản; (c) Bệ cao su khí nén.2: Máy dập tốc độ cao gắn trên giá đỡ cao su khí nén 27 Hình 2.3: Bộ cách ly dao động 27 Hình 2.4: Tổng quan về các phương pháp cách ly dao động trong các tài liệu nghiên cứu 29 Hình 2.5: Mô hình bộ cách ly dao động 30 Hình 2.6: Biên độ dao động trường hợp =1 37 Hình 2.7: Biên độ dao động trường hợp = 2 37 Hình 2.8: Biên độ dao động trường hợp =2 38 Hình 2.9: Minh họa các thời điểm chuyển trên một chu kỳ kích động 39 Hình 3. Hệ thống treo của ô tô 46 Hình 3.2: Mô tả một phần tư ô tô cho hệ thống treo 47 Hình 3.3: Mô hình một phần tư ô tô 49 Hình 3.4: Dòng năng lượng trung bình với các độ cản giảm xóc khác nhau 56 Hình 3.5: Đáp ứng tần số từ mặt đường tới chuyển dịch thân xe 57 Hình 3.6: Đáp ứng tần số từ mặt đường tới biến dạng lốp 57 Hình 3.7: Đáp ứng tần số của biên độ dao động của khối lượng thân xe 58 Hình 3.8: Đáp ứng tần số của biên độ dao động của thân xe 64 Hình 4.1: Mô hình bộ giảm chấn khối lượng của Frahm [66] 66 Hình 4. Ảnh chụp TMD chuyển động tịnh tiến 67 Hình 4.3: TMD với các lớp đệm cao su 67 Hình 4.

TMD dạng con lăn 68 Hình 4. TMD dạng con lắc 68 Hình 4. Chất lỏng sóng sánh để hấp thụ dao động của cao ốc 69 Hình 4. TMD dạng cột chất lỏng dao động 69 Hình 4.

Giảm chấn sử dụng chất lỏng sóng sánh lắp đặt vào tháp cầu Bãi Cháy 69 10 Hình 4. Các dạng thức điều khiển bộ TMD 70 Hình 4.10: Mô hình hệ lắp đặt TMD 72 Hình 4.11: Dòng năng lượng cực đại truyền vào toàn hệ với =5% ( 1 = 0.12: Dòng năng lượng cực đại truyền vào toàn hệ với =1% ( = 0.13: Dòng năng lượng cực đại truyền vào hệ chính với =5% ( = 0.14: Dòng năng lượng cực đại truyền vào hệ chính với =1% ( = 0.15: Hệ nhiều bậc tự do tổng quát gắn với bộ TMD 80 Hình 4.16: Hệ 4 bậc tự do gắn với TMD có cản bật tắt 88 Hình 4.17: Đáp ứng tần số khi TMD gắn với khối lượng #1; Dấu tròn: các điểm dừng 91 Hình 4.18: Đáp ứng tần số khi TMD gắn với khối lượng #2; Dấu tròn: các điểm dừng 92 Hình 4.19: Đáp ứng tần số khi TMD gắn với khối lượng #3; Dấu tròn: các điểm dừng 92 Hình 4.20: Đáp ứng tần số khi TMD gắn với khối lượng #4; Dấu tròn: các điểm dừng 92 11 Danh mục bảng Bảng 2. Biên độ của x thay đổi theo tham số hiệu chỉnh 45 Bảng 3.1: Chỉ số bám của bộ điều khiển dựa theo dòng năng lượng được hiệu chỉnh 64 Bảng 4. Các giá trị số của thông số hệ chính 89 Bảng 4.

Các thông số của TMD, chỉnh đến dạng riêng thứ nhất 89 Bảng 4. Tỷ số giữa cản bật và cản tắt so với cản thụ động 89 Bảng 4.4: Các tham số hiệu chỉnh của thuật toán điều khiển 91 12 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Dao động có hại xuất hiện trong cả các hệ kỹ thuật lớn lẫn các vật dụng trong đời sống hàng ngày. Dao động có hại làm ảnh hưởng tới độ bền và hiệu quả làm việc của kết cấu, dẫn đến giảm tuổi thọ, nên cần phải áp dụng các biện pháp kiểm soát, khống chế. Điều khiển dao động (vibration control) là hướng nghiên cứu các thiết bị, phương pháp nhằm giảm các dao động có hại.