تعیین عوامل سیستم تعلیق در راستای کاهش ارتعاشات به روش الگوریتم ژنتیک و مقایسه نتایج آن با روش اجزای محدود

در چندین دهه گذشته، ارتعاشات سیستم های مکانیکی مورد توجه بسیاری از مهندسان و دانشمندان قرار گرفته است، به طوری که در حال حاضر طراحی هر وسیله مکانیکی نیازمند بررسی آن از نظر ارتعاشی و دینامیکی می باشد. در وسایل مختلف مکانیکی منابع بسیاری وجود دارند که موجب ارتعاش می گردند. هر چند ارتعاشات مکانیکی در برخی موارد مفید است، هدف معمول طراحی؛ حذف و یا ایزوله کردن ارتعاش از محیط و بطور خاص کاهش منابع ارتعاشات؛ با فرکانس هایی برابر با فرکانس های طبیعی سیستم های مرتبط با وسیله و یا طراحی وسیله با فرکانس های طبیعی ناهمسان با فرکانس منابع ارتعاشی می باشد. با توجه به افزایش روز افزون انواع وسایل نقلیه کشاورزی و صنعتی و همچنین تقاضا برای وسایل مناسب و راحت، تحقیقات بسیاری در راستای کاهش ارتعاشات وسایل نقلیه صورت گرفته است و به طور ویژه ارتعاشات این وسایل در اثر ناهمواری های مسیر و اجزای انتقال قدرت یکی از مهمترین زمینه های تحقیق می تواند باشد. بعد از طراحی محصول و هنگام نمونه سازی های اولیه، تست های ارتعاشی برای رسیدن به سه هدف روی آن انجام می گیرد: 1- ارزیابی راحتی سفر بوسیله اندازه گیری سطح شتاب در نقاط مخصوصی از وسیله مثل محور چرخ ها، صندلی، فرمان و غیره که با آزمایش وسیله نقلیه روی مسیر مشخص انجام می گیرد. امروزه در مواردی از بسترهای هیدرولیکی و اتوماتیک نیز برای انجام تست استفاده شده است که در این موارد وسیله روی سطح بصورت ثابت قرار می گیرد و سطح زیر آن توسط نیروی هیدرولیکی نوسان کرده و شرایط محیطی را شبیه سازی می کند. استفاده از بسترهای هیدرولیکی دارای مزایایی چون قابلیت تکرار در شرایط یکسان، زمان مورد نیاز کمتر و عدم نیاز به راننده برای تست می باشد، ولی بدلیل هزینه اولیه بسیار بالا معمولاً کمتر مورد توجه قرار گرفته است (وس و همکاران، 2007) . 2- تست دوام، که تحمل وسیله یا یکی از اجزای آن در طی زمان طولانی بارگذاری های تکراری را بررسی می کند. 3- آنالیز ارتعاشات انتقال یافته، به بررسی ارتعاشات در نقاط ثانویه مثلاً انتقال ارتعاش به سر راننده، انتهای بال هواپیما و یا بوم سم پاش در تراکتور می پردازد. برای آنالیز سازه باید ابتدا سازه را تحریک نمود و سپس به پردازش مقادیر سیگنال های پاسخ پرداخت که معمولاً نتایج حاصل از شتاب سنج ها هستند. سیگنال های قطعی که توسط تحریک سازه بوسیله پیزوالکتریک بدست می آیند، می توانند به صورت دقیق توسط معادلات و یا مقادیر عددی توصیف گردند. در صورت انجام تست میدانی، مسیر حرکت وسیله، موجب اعمال ارتعاشات تصادفی به آن می گردد. در نتیجه مقادیر سیگنال های غیر قطعی حاصل باید به صورت آماری بیان گردند؛ که یک شیوه مناسب برای بیان آنها استفاده از مربع میانگین یک سیگنال تصادفی در بازه های متفاوت فرکانسی بوسیله نمودارهای چگالی طیفی توان (power spectral density) است . ارتعاشات تصادفی در حوزه فرکانس بوسیله تابع چگالی انرژی طیفی (power spectral density function ( بیان می گردد. برای این منظور می توان مقادیر حاصل از آزمایشات میدانی، که در حوزه زمان می باشند را بوسیله آنالیز فوریه به حوزه فرکانس منتقل نمایئم و سپس به بررسی و آنالیز اطلاعات بپردازیم (تمبولی ، 1999). از نتایج حاصل در حوزه فرکانس برای بیان مقادیر قابل قبول ارتعاش در استاندارها هم استفاده می گردد (بی نام،1985). کیفیت حرکت وسیله به طور مشخص تحت تاثیر سیستم تعلیق آن، ویژگی سطوح حرکت و سرعت وسیله قرار دارد. از آنجا که ویژگی سطوح حرکتی از دسترس طراح وسیله خارج است، طراحی خوب سیستم تعلیق با عملکرد ارتعاشی بهینه تحت شرایط مختلف جاده و سرعت های مختلف می تواند این کمبود را جبران نماید. اندازه گیری عمکرد اولیه سیستم تعلیق معمولاً به صورت کیفیت سفر بیان می گردد. در هر پروژه پس از آنالیزهای اولیه و تجزیه و تحلیل نتایج سعی درکاهش ارتعاشات وسیله برطبق استاندارهای موجود می نمایند. استانداردهای موجود در زمینه ارتعاشات، معمولاً بر اساس کمترین آسیب کوتاه مدت و بلند مدت بر بدن انسان و همچنین ویژگی های دینامیکی وسیله ایجاد شده اند. هر چند با پیشرفت روز افزون علم آرگونومی، استانداردهای موجود تغییر یافته و دقت آنها افزایش می یابد، از استاندارهای کنونی مورد استفاده در زمینه ارتعاشات و دینامیک حرکت می توان به استاندارد شماره 2631 از موسسه بین اللملی استانداردها اشاره نمود (بی نام، 1998). علاوه بر موارد ذکر گردیده، باید به مرزهای طراحی نیز در طی آنالیز توجه ویژه داشت. دو مرز اولیه و اصلی برای طراحی و ارزیابی سیستم تعلیق، یکی وزن غیرمعلق که مشخص کننده راحتی سفر بوده و دیگری میزان انحراف سیستم تعلیق می باشد؛ که مشخص کننده محدوده حرکت وسیله نقلیه است. از آنجا که نیروی وارده بر سرنشین، بر طبق قانون دوم نیوتن، متناسب با شتاب وارده بر سرنشین می باشد، اغلب میانگین مربعات شتاب عمودی وزن معلق، به عنوان تابع هدف برای اندازه گیری و بهینه سازی معرفی شده است. امروزه نرم افزارهای بسیاری برای آنالیز دینامیک و ارتعاشات به بازار عرضه گشته اند، اما هنوز آنالیز طیفی به صورت چگالی طیفی توان (power spectral density) انجام گرفته و نتایج حاصل از آنالیز psd را به عنوان ورودی سیستم مکانیکی در نظر می گیرند. برای بررسی هر وسیله مکانیکی و یا دینامیکی باید ابتدا به مدل سازی دقیق آن پرداخت. مدل سیستم ارتعاشی شامل وزنه، فنر، دمپر و غیره می باشد که بر حسب مورد ممکن است شامل چندین درجه آزادی باشند. پس از مدل سازی اولیه با توجه به روابط ریاضی فرمول بندی ارتعاشات مدل را بدست می آوریم (تمبولی ، 1999). این فرمول شامل تمام اجزای ارتعاشی، تغییر مکان ها، شتاب ها و سرعت های خطی و زاویه ای برحسب نیاز است. با تبدیل لاپلاس از معادلات حاصل نیز می توان علاوه بر ساده نمودن، آنها را به حوزه فرکانس منتقل نمود. پارامترهای بهینه در صورت کمینه کردن معادلات کنونی حاصل می گردند. هر چند معروف ترین و باسابقه ترین روش کمینه نمودن درمسائل معمولی، روش مشتق گیری است، در دهه های اخیر روش های ریاضی کارآمدی برای بهینه سازی، ابداع و گسترش یافته اند که از آن جمله می توان به الگوریتم سرد شدن فلزات، الگوریتم مورچه گان و الگوریتم ژنتیک، در کنار روش هایی مثل شبکه های عصبی و روش های فازی اشاره نمود. در میان الگوریتم های عددی بهینه سازی؛ روش گرادیان (روشی بر اساس مشتقگیری توابع) بیشترین کاربرد را داشته است؛ ولی در این روش حدود تابع باید تشخیص پذیر و منحنی شکل باشد، که در عمل اثبات این موضوع برای تابع مشکل است. همچنین منطقی است که برای بدست آوردن جواب قطعی در مورد توابع پیچیده و غیر یکنواخت تعدادی نقطه ابتدایی بررسی گردد تا از قابل قبول بودن جواب اطمینان حاصل آید، که این موضوع در روش گرادیان رعایت نمی گردد، ولی الگوریتم ژنتیک در این مورد قوی عمل می نماید و در سال های اخیر کاربرد گسترده ای یافته است. نکته کلیدی در الگوریتم ژنتیک این است که جستجوی خود را بجای یک نقطه، از گروهی از نقطه ها آغاز می کند و بعلاوه از اطلاعات تابع هدف بجای اطلاعات حاصل از مشتقات یا سایر توابع کمکی استفاده می نماید (واندر پلات، 1984). الگوریتم ژنتیک یک شیوه آموزش برای برنامه های کامپیوتری می باشد، که بر اساس اصول رقابت در انتخاب طبیعی (نظریه داروین) برای گسترش گونه ها بنا نهاده شده است و اصول آن برای استفاده در پردازش اطلاعات بهینه شده است. الگوریتم های ژنتیکی در آغاز در سال 1967توسط هلند در دانشگاه میشیگان و با تبدیل اصول انتخاب طبیعی برای مقاصد غیر طبیعی گسترش یافتند. این الگوریتم ها جامعه ای از جواب های ممکن را با بکارگیری از استراتژی بقاء برترین گونه، برای یافتن بهترین جواب بررسی می کنند. هر عضو جامعه نمایانگر یک جواب ممکن برای مسئله مورد بحث است. یک جواب ممکن، بوسیله تابع ارزیابی تست می گردد و خروجی تابع ارزیابی که با عنوان شایستگی (fittnes) شناخته می شود، بیان کننده میزان قابل قبول بودن جواب مورد نظر است. هدف از انجام تحقیق حاضر، بررسی امکان بهبود سیستم تعلیق و کاهش ارتعاشات منتقل شده به کابین، و درنتیجه به سرنشینان واگن خودکششی (درزین) می باشد. برای این منظور پس از انجام آزمایشات میدانی، مدلی ریاضی از درزین ایجاد شده است و مدل ایجاد شده؛ بوسیله الگوریتم ژنتیک، در راستای کاهش ارتعاشات، بهینه شده است. برای اعتبار سنجی نتایج بدست آمده، از روش اجزای محدود، با استفاده از نرم افزار آباکوس استفاده شده است. در فصل اول با عنوان مقدمه، به صورت مختصر، مهمترین دلایل برای تست و آنالیز ارتعاشات بیان شده و روش ها و استانداردهای معمول برای آنالیز، معرفی شده اند. در فصل دوم با عنوان پیشینه طرح و بررسی منابع، به بررسی کارهای مشابه انجام شده برای کاهش ارتعاشات در وسایل نقلیه مختلف پرداخته شده است. هر چند هنوز روش آزمایش و خطا، روشی مرسوم و معمول برای انتخاب پارامترهای سیستم تعلیق، مخصوصاً برای وسایل نقلیه، مخصوصاً با تعداد تولید پایین می باشد، کارهای فراوانی نیز در راستای استفاده از شیوه های ریاضی، و همچنین استفاده از الگوریتم های تکراری، برای کاهش هزینه نمونه سازی های اولیه، انجام شده است. در فصل سوم با عنوان مواد و روش ها، مدلی ریاضی از درزین ایجاد شده است. سپس الگوریتم ژنتیک باینری مناسب، برای مدل ارتعاشی، در برنامه متلب، کدنویسی شده است. با اجرای الگوریتم ژنتیک، مقادیر مناسب پارامترهای سیستم تعلیق، در بازه های فرکانسی مختلف بدست آمده و سپس مقادیر بدست آمده در مدل تولید شده بوسیله نرم افزار آباکوس جایگزین شده اند و ارتعاشات کابین، درنتیجه استفاده از پارامترهای جدید بدست آورده شده است. در فصل چهارم با عنوان بحث و بررسی، نتایج حاصل از آنالیزهای صورت گرفته در فصل سوم، به صورت نمودار بیان شده و مورد بحث قرارگرفته اند. در فصل پنجم با عنوان نتیجه گیری و پیشنهادات، به بررسی و تحلیل نتایج حاصله پرداخته شده و پیشنهاداتی جهت کارهای بعدی نیز ارائه شده است