zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Thiết kế, chế tạo bàn làm việc theo kết cấu tensegrity

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

14
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày quá trình thiết kế và tính bền cho một chiếc bàn làm việc ứng dụng nguyên lý tensegrity. Đầu tiên, ứng dụng nguyên lý tensegrity, bàn làm việc được thiết kế bằng SolidWorks. Sau đó, áp dụng phương pháp mô phỏng, phân bố lực trên các dây xích chịu kéo được phân tích và tìm ra dây chịu lực lớn nhất trong các trường hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế, chế tạo bàn làm việc theo kết cấu tensegrity

Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 YSC4F.303 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BÀN LÀM VIỆC THEO KẾT CẤU TENSEGRITY VÕ DUY ĐĂNG, TRẦN THANH HOÀI, CHÂU THÀNH HIẾU, ĐINH THIỆN THÔNG, PHAN NGỌC SƠN, NGUYỄN KHOA TRIỀU Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, duydang0229@gmail.com, tranthanhhoai1512@gmail.com, thanhhieu1322000@gmail.com dinhthienthong10c42000@gmail.com, phanngocson2541@gmail.com, nguyenkhoatrieu@iuh.edu.vn Tóm tắt. Bài báo này trình bày quá trình thiết kế, chế tạo một bàn làm việc ứng dụng kết cấu tensegrity. Kết cấu tensegrity gồm một tập hợp các thanh chịu nén không liên tục trong một hệ các thanh liên tục. Những đặc tính nổi bật của cấu trúc là kết cấu này tự đứng mà không cần liên kết nối đất, các cấu kiện là các thanh thẳng, chỉ có hai loại cấu kiện trong hệ này là thanh chịu nén và (thanh) cáp chịu kéo, thanh chịu nén là gián đoạn, không liên kết trực tiếp với các thanh chịu nén khác tại mỗi đầu. Đầu tiên, để thực hiện bài báo, các kết cấu tensegrity được tìm hiểu và phân tích lựa chọn kết cấu phù hợp. Tiếp theo nhờ mô hình hóa bằng phần mềm 3D, với sự trợ giúp của CAD, mô hình trực quan về cách bố trí của các thanh và dây được thiết lập. Sau đó, phương pháp thực nghiệm khoa học sẽ được sử dụng để chế tạo và kiểm nghiệm sản phẩm. Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy bài báo có ý nghĩa thực tiễn và khoa học, góp phần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng kết cấu tensegrity vào thực tế. Từ khóa. cấu trúc tensegrity, thanh chịu nén, dây chịu kéo, thanh căng, bàn tensegrity. DESIGN AND FABRICATION OF A TENSEGRITY TABLE Abstract. This article presents the design and fabrication of a tensegrity table. A tensegrity structure consists of a set of discontinuously compressible bars or rigid bodies interacting with tensile tendons. The salient features of the structure are that this structure is self-standing without the need for ground or other outer connections, the members are straight bars, and there are only two types of members in this system which are compression bars and tension cables (bars), the compression bar is discontinuous, not directly connected to other compression bars at each end. Firstly, to implement the study, the tensegrity structures were studied and analyzed to choose the appropriate structure. Next, thanks to 3D modeling, with the help of CAD, a visual model of the layout of the rigid bodies and wires was established. A scientific experimental method was then utilized to fabricate and test the table. The initial research results show that the project has practical and scientific significance, contributing to promoting the research and application of tensegrity structures in practice. Keywords. tensegrity structure, compression bar, tensile tendon, tensional integrity, tensegrity table. 1. GIỚI THIỆU Lấy cảm hứng từ hiện tượng hấp dẫn trong tự nhiên, kiến trúc sư người Mỹ, Fuller đã đưa ra khái niệm “tensegrity” vào năm 1960, là sự kết hợp của “tensional” và “integrity” có nghĩa là “chịu kéo” và “toàn vẹn”, và đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên về cấu trúc tensegrity [1]. Một định nghĩa gần đây và được chấp nhận rộng rãi, do Motro đề xuất, định nghĩa cấu trúc tensegrity là cấu trúc được tạo nên bằng các thanh cứng không liên tục được kết nối bằng một mạng lưới liên tục của các dây mềm chịu lực [2]. Chúng được phân biệt với cấu trúc dẫn động bằng cáp và cấu trúc lai song song nối tiếp [3, 4] do thiếu các tiếp điểm trực tiếp giữa các thanh phần [5]. Trong kết cấu tensegrity chịu tải, thanh cứng chịu lực nén và  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 111
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 dây chịu lực kéo, xác định hình dạng tổng thể của kết cấu. Cấu trúc tensegrity có nhiều tính năng độc đáo, chẳng hạn như (1) tính linh hoạt cao: thay đổi chiều dài của bất kỳ bộ phận nén hoặc dây căng nào sẽ thay đổi hình dạng của nó; (2) tính thuận cơ học cao: kết cấu có mức độ tuân theo nhất định trong tất cả các bậc tự do (DOF), và nó có thể dễ dàng gấp lại để giảm thể tích; (3) độ cứng có thể điều chỉnh: độ cứng của kết cấu có thể dễ dàng điều chỉnh mà không làm thay đổi hình dạng của nó bằng cách điều chỉnh ứng suất của các phần tử chịu kéo và / hoặc nén [6]; (4) tỷ lệ độ bền trên khối lượng lớn: kết cấu bao gồm nhiều phần tử khối lượng nhẹ và linh hoạt trong khi vẫn giữ được khả năng chịu tải của các phần tử cứng, dẫn đến khối lượng thấp và cường độ cao; (5) tính dự phòng cao: bất kỳ phần tử nén hoặc kéo nào có thể được kích hoạt để làm biến dạng cấu trúc, điều này làm cho cấu trúc trở nên siêu tĩnh và mạnh mẽ và dễ dàng đạt được điều khiển phân tán thực sự; (6) hiệu quả truyền động cao: các bộ truyền động làm việc dọc theo hướng của đường chịu tải, và các lực truyền động chỉ được sử dụng để thay đổi sự cân bằng của cơ cấu mà không cần duy trì sự cân bằng, nên cần rất ít năng lượng tiêu thụ [7]; (7) tự cân bằng: nội lực của cấu trúc thỏa mãn một mối quan hệ tôpô hình học nhất định và tạo thành một vòng tự cân bằng lực; (8) phân bố lực: kết cấu có thể phân phối tải trọng bên ngoài cho toàn bộ mạng lưới, thay vì tập trung ứng suất vào các mối nối như các kết cấu cơ học truyền thống [8]. Do những tính chất độc đáo trên mà cơ cấu tensegrity được áp dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực kiến trúc, robot và đồ dùng nội thất. Đã có rất nhiều công trình cầu, vòm, mái che, các kết cấu nghệ thuật được xây dựng dựa trên nguyên lý tensegrity [9, 10]. Trong [11], các tác giả phát triển các cấu trúc thông minh, được điều khiển chủ động dựa trên nguyên lý tensegrity để ứng dụng trong kiến trúc và xây dựng. Các kết cấu này được phát triển để chống lại tải ngẫu nhiên, vốn là nguyên nhân quan trọng gây hư hỏng cho các công trình xây dựng và cầu. Tương tự như vậy, Gilewski và các cộng sự phát triển kết cấu cầu thông minh để chống lại tải ngẫu nhiên tốt hơn [12]. Kết quả phân tích đã thực hiện chỉ ra rằng kết cấu tensegrity có khả năng đáp ứng lực dự ứng suất tốt hơn nhiều so với kết cấu giàn, điều này làm cho chúng trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc kiểm soát kết cấu. Còn B. Adam và các cộng sự [13] thì phát triển các kết cấu tensegrity tự phân tích và tự phục hồi sau khi chịu tác dụng lực để ứng dụng trong xây dựng. Tương tự như trong lĩnh vực kiến trúc và xây dựng, kết cấu tensegrity cũng được dùng rất nhiều cho lĩnh vực robot [7]. R. Liu và các cộng sự dùng kết cấu tensegrity để thiết kế robot dạng sâu có thể vận động cơ thể đa chế độ [3]. Còn J. Kimber và các cộng sự thì mô tả việc thiết kế và triển khai một nền tảng rô bốt mềm cấp đầu vào chi phí thấp dựa trên cấu trúc mô-đun tensegrity [6]. Nền tảng mô-đun này có thể mở rộng trên nhiều hình dạng và kích thước khác nhau và có khả năng điều khiển không bị ràng buộc. Các thiết kế robot phỏng sinh học khác như dạng xương [14] hay cá [15] hay cơ khớp tay [16] cũng có thể được phát triển dùng kết cấu tensegrity. Và tensegrity cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo đồ nội thất và trang trí [9] [10], trong các cơ cấu gắp [17] phục vụ cho y học, hóa học, sinh học. Đã có rất nhiều nghiên cứu về động học của kết cấu tensegrity để mở rộng hơn nữa ứng dụng của chúng. Trong [5], các tác giả giới thiệu cơ bản về tính cơ học của một số cơ cấu tensegrity. Xa hơn, J.M. Mirats Tur và cộng sự [18] giới thiệu về động học của một số cơ cấu tensegrity phổ biến. Cụ thể hơn, J.P. Pinaud và cộng sự [19] triển khai một cơ cấu tensegrity cấp 2. Còn K Martyniuk-Sienkiewicz và cộng sự [20] thì nghiên cứu cơ cấu tensegrity trong đó các thanh chịu nén là sự kết hợp của các thanh và tấm. Trong khi đó, ở Việt Nam, các cơ cấu tensegrity chưa được ứng dụng nhiều. Chúng chỉ mới được bắt đầu sử dụng trong xây dựng và một phần là trong trang trí nội thất. Bùi Quang Hiếu và các tác giả [21] phân tích và thực nghiệm xác định hình dạng tháp tensegrity ba tầng ứng dụng trong xây dựng. Còn học viên Nguyễn Đình Phong [22] thì dùng phương pháp mật độ lực để phân tích một số kết cấu tensegrity. Kết quả phân tích ổn định của kết cấu phụ thuộc vào dạng hình học và vị trí cấu kiện kéo, nén của hệ. Đồng thời, để kết cấu ổn định thì các dây cáp phải được khử chùng (lực căng trước). Lực khử chùng trong cáp tăng thì hệ tăng khả năng chịu lực và độ võng giảm. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng cơ cấu tensegrity nhằm theo kịp sự phát triển của thế giới trong lĩnh vực này ở nước ta là một nhu cầu cấp thiết. Bài báo này trình bày quá trình thiết kế một vật thể đơn giản là cái bàn làm việc theo nguyên lý tensegrity. Sau đó, tải trọng phân bố lên chiếc bàn được phân tích để tính khả năng chịu tải của nó. Kết quả của nghiên cứu này là đóng góp bước đầu vào việc ứng dụng cơ cấu tensegrity vào thiết kế chế tạo đồ nội thất và các kết cấu cơ khí khác. 112  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 2. PHƯƠNG PHÁP 2.1 Kết cấu của bàn Kết cấu của bàn được minh họa trong Hình 1. Bàn gồm 2 khung, khung trên chứa mặt bàn và khung dưới. Khung trên được treo lên khung dưới nhờ 5 sợi xích. Sợi xích chính giữa nằm ở tâm của mặt bàn phía trên. Khung bàn làm bằng thép hộp dày 1.4 mm. Hình 2 trình bày minh họa 3D của bàn tensegrity. Hình 1: Bản vẽ 2D của bàn tensegrity. Hình 2: Minh họa 3D của bàn tensegrity. 2.2 Mô phỏng phân bố tải trọng COMSOL Multiphysics là một phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn đa nền tảng, và là phần mềm mô phỏng hầu hết các hiện tượng vật lý. Nó cho phép các giao diện người dùng dựa trên vật lý thông thường  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 113
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 và các hệ thống kết hợp của các phương trình vi phân riêng phần (PDEs). COMSOL cung cấp một môi trường phát triển tích hợp (IDE) và quy trình làm việc thống nhất cho mô phỏng các lĩnh vực điện, cơ học, chất lỏng, âm học và hóa học. Điều kiện biên cho mô phỏng trong nghiên cứu này được trình bày trong Hình 3. Khung dưới được thiết định tuyệt đối cứng và cố định, tương tự như khi bàn được đặt trên nền nhà xưởng. Còn khung trên được cài đặt tuyệt đối cứng. Hay nói cách khác, biến dạng của khung trên và mặt bàn là rất nhỏ và được bỏ qua; biến dạng chỉ đến từ các dây xích. Khối lượng khung trên và mặt bàn là 10 kg, hay 100 N. Dây xích ở giữa (dây xích ngắn) được đặt ở đường đi qua tâm và vuông góc với mặt bàn. Xin lưu ý rằng dây xích ở giữa không đi qua trọng tâm của khung trên và mặt bàn. Một tải trọng 50 kg hay 500 N được đặt ở một góc bất kỳ hoặc ở giữa của khung trên. Thông số của dây xích được trình bày trong Bảng 1. Hình 3: Điều kiện biên cho mô phỏng. Bảng 1: Thông số của dây xích. STT Thông số Giá trị 1 Kích thước dây xích D Ø6 mm 2 Khả năng chịu tải 4500 N 3 Khả năng chịu tải tối đa 11500 N 4 Vật liệu Thép mạ kẽm 5 Trọng lượng 50 kg / bao 6 Chiều dài 70 m / bao 7 Phương pháp mạ Mạ kẽm điện phân 8 Chiều dày lớp mạ 15 ~ 25 µm 114  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Trường hợp tải đặt ở góc bàn Hình 4 trình bày kết quả mô phỏng khi đặt tải ở góc bàn. Ta thấy, dây ở góc đối diện với vị trí đặt tải chịu ứng suất lớn nhất. Hình 4: Kết quả mô phỏng khi tải đặt ở góc. 3.2 Trường hợp tải đặt ở giữa bàn Hình 5 trình bày kết quả mô phỏng khi đặt tải ở giữa bàn. Khi tải đặt ở giữa bàn, do khung trên và mặt bàn là tuyệt đối cứng, tải sẽ được phân bố đều lên toàn bộ mặt bàn. Trong trường hợp này, dây ở giữa sẽ chịu ứng suất lớn nhất. Hình 5: Kết quả mô phỏng khi tải đặt ở giữa bàn.  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 115
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 3.3 Tính khả năng chịu tải của bàn Từ Hình 4 và Hình 5, ứng suất lớn nhất sẽ tác động lên dây ở giữa bàn khi tải được đặt ở giữa mặt bàn. Giá trị ứng suất khi này là 3.2254E7 N/m2. Vì khả năng chịu tải của dây xích là 4500 N, nên khả năng chịu ứng suất của dây xích là: 4500 𝜎 = 𝜋9𝐸−6 𝑁/𝑚2 = 15.9155𝐸7 𝑁/𝑚2 (1) Từ đây, ta tính được khả năng chịu tải của bàn khi tới giới hạn chịu tải của xích là 246.7 kg. Vì khả năng chịu tải tối đa của dây xích là 11500 N, nên ứng suất cho phép là: 11500 [𝜎] = 𝜋9𝐸−6 𝑁/𝑚2 = 40.6729𝐸7 𝑁/𝑚2 (2) Từ đây, ta tính được khả năng chịu tải tối đa tới khi đứt xích của bàn là 630.5 kg. 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày quá trình thiết kế và tính bền cho một chiếc bàn làm việc ứng dụng nguyên lý tensegrity. Đầu tiên, ứng dụng nguyên lý tensegrity, bàn làm việc được thiết kế bằng SolidWorks. Sau đó, áp dụng phương pháp mô phỏng, phân bố lực trên các dây xích chịu kéo được phân tích và tìm ra dây chịu lực lớn nhất trong các trường hợp. Từ đó, tải trọng tối đa cho phép của bàn có thể tính được. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy một phương pháp đơn giản để phân tích phân bố lực và tính bền cho một cơ cấu tensegrity 3D. Nó có thể giúp việc ứng dụng cơ cấu tensegrity trong lĩnh vực trang trí nội thất và trong chế tạo các cơ cấu cơ khí trở nên phổ biến hơn. LỜI CẢM ƠN Một phần của nghiên cứu này đã được trình bày tại seminar Bộ môn Chế tạo máy lần 1 – 2022 ngày 12/03/2022 và đã nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp của quý thầy cô Khoa Công nghệ Cơ khí để hoàn thiện nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F. R. Buckminster, Tensile-integrity structures, United Stated US837073A, U. S. P. Office, 1962. [2] R. Motro, "3 - Fundamental concepts," Tensegrity, R. Motro, ed., pp. 33-49, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2003. [3] R. Liu, and Y.-a. Yao, “A novel serial–parallel hybrid worm-like robot with multi-mode undulatory locomotion,” Mechanism and Machine Theory, vol. 137, pp. 404-431, 2019. [4] B. Hu, J. Zhao, and H. Cui, “Terminal constraint and mobility analysis of serial-parallel manipulators formed by 3-RPS and 3-SPR PMs,” Mechanism and Machine Theory, vol. 134, pp. 685-703, 2019. [5] R. E. Skelton, R. Adhikari, J. P. Pinaud, C. Waileung, and J. W. Helton, "An introduction to the mechanics of tensegrity structures." pp. 4254-4259 vol.5. [6] J. Kimber, Z. Ji, A. Petridou, T. Sipple, K. Barhydt, J. Boggs, L. Dosiek, and J. Rieffel, "Low-Cost Wireless Modular Soft Tensegrity Robots." pp. 88-93. [7] Y. Liu, Q. Bi, X. Yue, J. Wu, B. Yang, and Y. Li, “A review on tensegrity structures-based robots,” Mechanism and Machine Theory, vol. 168, pp. 104571, 2022. [8] B. Trimmer, “An Interview with NASA Principal Investigator Vytas SunSpiral: Expert Opinion on the Advantages and Limitations of Soft Robotics,” Soft Robotics, vol. 2, no. 2, pp. 51-58, 2015. [9] R. E. Skelton, and M. C. de Oliveira, "Introduction and Motivation," Tensegrity Systems, M. C. Oliveira and R. E. Skelton, eds., pp. 1-44, Boston, MA: Springer US, 2009. [10] R. Motro, "1 - Introduction," Tensegrity, R. Motro, ed., pp. 1-6, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2003. 116  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-156-1 [11] A. Al Sabouni-Zawadzka, “Active control of smart tensegrity structures,” Archives of Civil Engineering, no. No 4, pp. 517-534, 2014. [12] W. Gilewski, and A. Al Sabouni-Zawadzka, “On possible applications of smart structures controlled by self- stress,” Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 15, no. 2, pp. 469-478, 2015. [13] B. Adam, and F. Smith Ian, “Self-Diagnosis and Self-Repair of an Active Tensegrity Structure,” Journal of Structural Engineering, vol. 133, no. 12, pp. 1752-1761, 2007. [14] K. Caluwaerts, J. Despraz, A. Işçen, A. P. Sabelhaus, J. Bruce, B. Schrauwen, and V. SunSpiral, “Design and control of compliant tensegrity robots through simulation and hardware validation,” Journal of The Royal Society Interface, vol. 11, no. 98, pp. 20140520, 2014. [15] B. Chen, and H. Jiang, “Swimming Performance of a Tensegrity Robotic Fish,” Soft Robotics, vol. 6, no. 4, pp. 520-531, 2019. [16] S. Ikemoto , K. Tsukamoto , and Y. Yoshimitsu “Development of a Modular Tensegrity Robot Arm Capable of Continuous Bending,” Frontiers in Robotics and AI, vol. 8, 2021. [17] S. Sumi, V. Böhm, F. Schale, R. Roeder, A. Karguth, and K. Zimmermann, “A Novel Gripper Based on a Compliant Multistable Tensegrity Mechanism,” Microactuators and Micromechanisms, vol. 45, pp. 115-126, 2017. [18] J. M. Mirats Tur, and S. H. Juan, “Tensegrity frameworks: Dynamic analysis review and open problems,” Mechanism and Machine Theory, vol. 44, no. 1, pp. 1-18, 2009. [19] J.-P. Pinaud, S. Solari, and R. E. Skelton, "Deployment of a class 2 tensegrity boom." pp. 155-162. [20] K. Martyniuk-Sienkiewicz, and A. Al Sabouni-Zawadzka, “Plate tensegrity structures controlled with self-stress,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 1015, no. 1, pp. 012025, 2021. [21] B. Q. Hiếu, V. D. Quân, H. Q. Khanh, D. M. Luận, T. P. Lâm, and N. H. Đạt, “Phân tích và thực nghiệm xác định hình dạng tháp Tensegrity ba tầng,” Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, vol. 14, no. 3V, pp. 118-127, 2020. [22] N. Đ. Phong, “Nghiên cứu kết cấu tensegrity,” Kỹ thuật xây dựng công trình, Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2019.  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 117

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.