Ứng dụng AI trong thiết kế cơ khí

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TỐI ƯU HÓA

Trong những thập kỷ qua, sự phát triển vượt bậc của máy tính và thuật toán đã thúc đẩy tiến bộ trong các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc Các giải pháp phức tạp cho vấn đề tối ưu hóa dưới các điều kiện tải đa dạng đang ngày càng được cải thiện để đáp ứng yêu cầu thiết kế đa ngành Trong số các kỹ thuật hiện có, tối ưu hóa cấu trúc liên kết nổi bật như một trong những phương pháp hứa hẹn nhất.

Trong thế kỷ 21, Trung Quốc đang phát triển nhiều dự án máy bay và hàng không vũ trụ mới, đặt ra thách thức lớn trong thiết kế sáng tạo và giải quyết các vấn đề khoa học, kỹ thuật phức tạp Các ứng dụng công nghiệp hiện nay trở thành một trong những thách thức quan trọng nhất trong cộng đồng thiết kế tối ưu hóa cấu trúc, đặc biệt là tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho hệ thống máy bay và hàng không vũ trụ Nghiên cứu cơ bản và sáng tạo đang được thực hiện để đáp ứng nhu cầu này Nhóm nghiên cứu Kỹ thuật mô phỏng & điện toán hàng không vũ trụ tại Đại học Bách khoa Tây Bắc, Trung Quốc, đang trở thành một trong những nhóm nghiên cứu tích cực nhất trong lĩnh vực này, với mục tiêu phát triển các kỹ thuật và giải pháp tiên tiến.

Năm 2003, thế giới bắt đầu tối ưu hóa cấu trúc cánh máy bay để cải thiện các tĩnh năng và động năng, với mô hình toàn cầu gồm khoảng 5.000 vỏ, yếu tố gân và dằm Công việc sau đó tập trung vào việc tối ưu hóa hỗn hợp và cấu trúc tổ ong của radome Cả phần cơ khí và chức năng điện từ trong thiết kế đều được tối ưu hóa đồng thời thông qua phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu.

Kể từ năm 2005, nghiên cứu đã chú trọng vào việc tối ưu hóa hình dạng của các cấu trúc động cơ aero, bao gồm đĩa tuabin, cánh quạt, trục, hỗ trợ đàn hồi và các bộ phận vòi phun Những cấu trúc này thuộc loại phức tạp, cong và hoạt động dưới các tải trọng khí động học, quán tính quay và điều kiện nhiệt độ cao.

Vào đầu năm 2006, việc tối ưu hóa đồng thời tải trọng và cấu trúc hỗ trợ đã được thúc đẩy sau chuyến thăm của các kỹ sư hàng không vũ trụ Mục tiêu là tích hợp tối ưu hóa hình học với tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho hệ thống phương tiện phóng.

Một phương pháp thiết kế tích hợp cho hệ thống đa thành phần đã được phát triển nhằm tối ưu hóa cấu hình cấu trúc và bố trí của các vệ tinh, từ đó cải thiện hiệu suất động toàn cầu Việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước đã được áp dụng để chi tiết hóa thiết kế cấu trúc, đáp ứng yêu cầu về độ bền Kết quả là, hiệu suất động năng tăng 17% trong khi trọng lượng được tiết kiệm hơn 7% so với thiết kế ban đầu.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết cơ bản là yếu tố quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp biên giới, đặc biệt trong thiết kế hệ thống máy bay và hàng không vũ trụ tiên tiến Bản thuyết minh này nhằm trình bày những thành tựu gần đây cũng như các phương pháp và kỹ thuật để tối ưu hóa cấu trúc liên kết, từ đó cung cấp kiến thức cơ bản về chủ đề này.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái niệm tối ưu hóa cấu trúc

Tối ưu hóa cấu trúc là quá trình xác định cách phân phối vật liệu hiệu quả nhất trong khối lượng vật lý để đảm bảo an toàn cho các điều kiện tải áp dụng Để đạt được điều này, cần xem xét các ràng buộc từ quy trình sản xuất và cách sử dụng cuối cùng Những yếu tố này có thể bao gồm việc tăng cường độ cứng, giảm ứng suất và chuyển vị, cũng như điều chỉnh tần số tự nhiên, đồng thời lựa chọn các phương pháp sản xuất truyền thống hoặc tiên tiến.

Phân loại

Phân loại theo cách tối ưu hóa:

Hình 2.1: Phân loại cho các loại tối ưu hóa

SiO là một phương pháp thiết kế cổ điển, dễ thực hiện, thông qua việc chọn kích thước mặt cắt của giàn, dầm, khung hoặc độ dày của màng, tấm và vỏ Sizing Optimization được xem như một phương pháp thiết kế chi tiết cho mô hình kết cấu với nhiều lựa chọn thiết kế Phương pháp này đã được phát triển và hoàn thiện, ngày càng trở nên phổ biến trong cộng đồng kỹ thuật.

SiO, kỹ sư hoặc nhà thiết kế biết cấu trúc sẽ trông như thế nào, nhưng không biết kích thước của các thành phần tạo nên cấu trúc đó

Hình 2.2: Tối ưu hóa kích thước cho các cấu trúc trong máy bay

Khi thiết kế cấu trúc, chiều dài và vị trí của các thành phần như dầm có thể được xác định, nhưng kích thước mặt cắt ngang của chúng thường không rõ ràng (hình 2.3A) Tương tự, trong cấu trúc giàn, mặc dù kích thước tổng thể có thể được biết, nhưng các khu vực cắt ngang của từng thanh giàn lại không được xác định (hình 2.3B) Một ví dụ khác là sự phân bố dày của cấu trúc vỏ, cho thấy rằng bất kỳ đặc điểm nào của một cấu trúc đều yêu cầu thông tin về kích thước của nó.

Hình 2.3: Ví dụ về Sizing Optimization: (A) cấu trúc dầm không có kích thước, (B) cấu trúc giàn chưa xác định kích thước mặt cắt ngang

ShO nhằm thiết kế các ranh giới hoặc lỗ hổng cấu trúc trong một cấu trúc, cải thiện phân phối ứng suất Phương pháp này thường gặp một số biến thiết kế hình học do tham số hóa liên kết Sự thay đổi liên kết ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình hình học, do đó, phân tích độ nhạy hình dạng liên quan đến các biến thiết kế hình học cần được xem xét cẩn thận Cả Shape Optimization và Sizing Optimization đều là quy trình thiết kế chi tiết mà không thay đổi cấu trúc liên kết cụ thể của cấu trúc.

Hình 2.4: Tối ưu hóa hình dạng các cutouts trong cấu trúc vách mỏng

Trong tối ưu hóa hình dạng, ẩn số đại diện cho dạng hoặc đường viền của một phần ranh giới trong miền cấu trúc Hình dạng hoặc đường biên có thể được mô tả bằng một phương trình chưa biết hoặc thông qua một tập hợp các điểm với vị trí không xác định.

Hình 2.5: Miền thiết kế với đường biên được biểu diễn dưới dạng phương trình f (x, y)

Topology Optimization là phương pháp tìm kiếm mô hình rắn tối ưu cho bố trí vật liệu trên miền thiết kế cụ thể với các điều kiện biên đã cho, nhằm tối ưu hóa độ cứng và tần số tự nhiên của cấu trúc trong giai đoạn thiết kế sơ khai Phương pháp này ban đầu sử dụng giá trị riêng biệt 0-1, và thách thức lớn nhất là giải quyết bài toán số nguyên quy mô lớn Ứng dụng thành công phương pháp nhị phân Lagrangian cho bài toán này đã được chứng minh qua các nghiên cứu của Beckers, người đã đề xuất một phương pháp kép để xử lý các biến thiết kế rời rạc.

Hình 2.6: Topology Optimization điển hình của dầm MBB (Ben 03)

Ưu nhược điểm của tối ưu hóa

 Tăng khả năng chịu tải của chi tiết

 Đơn giản hóa hình dáng thiết kế

 Tiết kiệm thời gian thiết kế

 Dễ dàng thay đổi thiết kế

 Tạo ra nhiều hình dáng thiết kế

 Tiết kiệm tiền giao công cho doanh nghiệp

 Giảm tối đa trọng lượng thiết kế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kĩ thuật

 Phải biết sử dụng phần mềm

 Hình dáng thiết kế khó sản xuất.

Ứng dụng

4.1 Trong lĩnh vực hàng không

Airbus đã áp dụng các công cụ cấu trúc liên kết, kích thước và hình dạng của Altair trong các nghiên cứu gần đây để phát triển thiết kế các thành phần nhẹ và hiệu quả hơn Những thành phần này bao gồm sườn cạnh cánh dẫn đầu và sườn hộp cánh chính.

Quá trình thiết kế máy bay được tối ưu hóa thông qua việc cải tiến các thành phần khác nhau Các ví dụ trong bài viết cho thấy rằng tối ưu hóa cấu trúc liên kết có thể đề xuất các thiết kế ban đầu hiệu quả cho các bộ phận máy bay Đồng thời, việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng chi tiết cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thiết kế thành phần máy bay hiệu quả, đảm bảo khả năng sản xuất, ổn định và giảm thiểu căng thẳng.

Hình 2.7: Quá trình tối ưu hóa cấu trúc, kích thước và hình dạng để thiết kế các thành phần máy bay

Trong điều kiện lý tưởng, tất cả kích thước và độ dày lưới cắt cần được điều chỉnh theo thiết kế tối ưu hóa để đảm bảo độ ổn định cho các chi tiết Tuy nhiên, thực tế cho thấy các kỹ sư đã sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để tối ưu hóa kích thước và hình dạng chi tiết, với mục tiêu đạt khối lượng tối thiểu trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu sản xuất và ứng suất cho phép Ứng suất Von Mises được áp dụng cùng với hệ số giảm độ mỏi, đồng thời thiết kế cũng phải hạn chế sự cong vênh của chi tiết dưới tải trọng Qua đó, tối ưu hóa giúp tạo ra những thiết kế khả thi với khối lượng cuối cùng hợp lý.

Để đạt được trọng lượng tối ưu cho mục tiêu, cần phân tích kỹ lưỡng các tiêu chí như độ bền và độ mỏi Hình 2.13 minh họa một khung sườn nguyên mẫu dành cho mẫu A380, thể hiện rõ sự quan trọng của việc tối ưu hóa chi tiết trong thiết kế.

Hình 2.8: Cấu trúc liên kế, kích thước và hình dạng được tối ưu hóa nguyên mẫu A380 được gia công từ hợp kim nhôm cường độ cao

Khung bản lề Airbus A320 đã được tối ưu hóa, kết hợp phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kế

Tối ưu hóa các bộ phận quy mô nhỏ không chỉ giúp tiết kiệm trọng lượng mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể Việc phát triển các công cụ hiệu quả nhằm giảm thời gian thiết kế sẽ làm cho quá trình này trở nên khả thi hơn.

Khung bản lề được gắn chắc chắn vào cửa xà cừ bằng 6 bu lông và kết nối với một khung tương ứng trên cấu trúc chính, với khối lượng thiết kế ban đầu là 918g.

Hình 2.9: Thiết kế ban đầu của bản lề Airbus 320

R1 là phản lực từ bu lông khi được siết chặt vào bản lề, trong khi R2 là áp lực mà bu lông tạo ra trong quá trình siết S đại diện cho ma sát trượt khi có lực tác dụng Mũi tên màu đỏ chỉ ra hướng kéo của bản lề khi chịu tác động của lực.

Hình 2.10: Sơ đồ lực Sau khi đươc tối ưu hóa, khả năng áp suất lớn nhất của thiết kế giảm từ 836 MPa đến

443 MPa Ngoài ra, trọng lượng của thiết kế cũng giảm 64% so với thiết kế ban đầu

Hình 2.11: Biểu đồ phân tích ứng suất của thiết kế đã tối ưu

Tối ưu hóa thiết kế đa ngành (Multidisciplinary Design Optimization) là lĩnh vực kỹ thuật sử dụng các phương pháp tối ưu hóa đa dạng để giải quyết các vấn đề thiết kế phức tạp, thông qua việc kết hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau Nó còn được biết đến với các tên gọi như tối ưu hóa đa ngành và tối ưu hóa thiết kế hệ thống đa ngành.

Ngành công nghiệp ô tô đang phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt, với các công ty liên tục phát triển sản phẩm sáng tạo để vượt lên đối thủ Việc áp dụng MDO (Multi-Disciplinary Optimization) trong lĩnh vực này đã tăng gần gấp 10 lần, nhằm tìm ra thiết kế tối ưu bằng cách xem xét nhiều ngành kỹ thuật cùng lúc Điều này dẫn đến việc ra mắt các sản phẩm cải tiến Trong quá trình nghiên cứu tối ưu hóa, cần kiểm tra chéo các giá trị số của hàm ràng buộc và hàm mục tiêu liên quan đến biến thiết kế Tối ưu hóa thiết kế dựa trên mô hình trở nên hiệu quả hơn nhờ giảm số vòng đánh giá cần thiết liên quan đến mô hình mô phỏng chi tiết, cho phép đánh giá nhiều cài đặt biến thiết kế khác nhau.

Mô hình thiết kế đa lĩnh vực (MDO) đang ngày càng được ưa chuộng trong ngành công nghiệp ô tô nhờ vào độ chính xác cao và chi phí thấp Ngược lại, các mô hình mô phỏng phi tuyến thường tốn kém và dẫn đến các phản ứng phức tạp, gây khó khăn cho các nhà thiết kế Sự tin cậy vào các phương pháp MDO sẽ không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế xe mà còn tiết kiệm chi phí trong tương lai.

Bài viết trình bày cách trích xuất đường dẫn tải cấu trúc từ một khối lượng thiết kế ban đầu, sử dụng mô hình CAD và tối ưu hóa cấu trúc liên kết tĩnh tuyến tính dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (FE) Khối lượng thiết kế được minh họa trong hình 2.17, với kích thước bên ngoài tối đa gần đúng là 3865 mm x 1850 mm x 1530 mm.

Hình 2.12: Thể tích thiết kế

Khối lượng thiết kế minh họa đã được chia thành lưới sử dụng các phần tử tetra với kích thước trung bình là 25,0 mm, tạo ra lưới với khoảng 103.000 nút.

Đã xác định tổng cộng sáu trường hợp tải, được liệt kê dưới đây và chuyển đổi thành tải tĩnh tương đương dựa trên mô hình xung của xe có khối lượng nhỏ hơn 1200 kg.

1 Tác động trước, Offset Deformable Barrier (ODB)

2 Tác động dọc ở bên hông xe

3 Tác động ngang bên hông xe

5 Tốc độ thấp tác động phía sau trung tâm

6 Tác động phía sau tốc độ cao

Những trường hợp trên được xác định ở hình 2.13:

Hình 2.13: Vị trí lực tác dụng lên xe

Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính được áp dụng để tối ưu hóa cấu trúc liên kết, dựa trên các đặc tính vật liệu của thép tiêu chuẩn.

• Mật độ khối lượng thể tích: 𝑉 = 7850 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3

Hình ảnh minh họa cho tối ưu hóa:

Hình 2.14: Kết quả tối ưu hóa

Với công nghệ in 3D, việc xây dựng một khối mô hình với hình dạng tối ưu thông qua tối ưu hóa cấu trúc liên kết trở nên đơn giản, và sau đó có thể in trực tiếp để tạo ra một sản phẩm sẵn sàng sử dụng.

Quy trình tối ưu hóa thiết kế

Dữ liệu đầu vào: Điều kiện biên, Tải trọng, Vật liệu,

Tối ưu hóa thiết kế

Phân tích phần tử hữu hạn

Kết quả phân tích Tốt

Bản thiết kế cuối cùng

Cải thiện lại thiết kế Không tốt

SHAPE GENERATOR TRONG PHẦN MỀM AUTODESK

Giới thiệu sơ lược

Shape Generator là một cách tiếp cận mới để thiết kế các bộ phận nhẹ, hiệu quả về mặt cấu trúc

Shape Generator là một công cụ thông minh giúp tối đa hóa độ cứng của chi tiết dựa trên các ràng buộc mà bạn chỉ định Công nghệ này được tích hợp vào Inventor, tạo điều kiện thuận lợi cho quy trình thiết kế của bạn Shape Generator tạo ra lưới 3D, hỗ trợ bạn trong việc sàng lọc và tối ưu hóa thiết kế Thời điểm lý tưởng để sử dụng công cụ này là trong giai đoạn đầu hoặc trong quá trình thiết kế lý thuyết.

Hình 3.1: Hình ảnh trên minh họa mức độ mà Shape Generator có thể trở thành một phần của quá trình thiết kế

Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế là tạo ra thể tích xây dựng hoặc mô hình bộ phận gần đúng Mô hình này cần phải bao gồm các điểm tiếp xúc quan trọng, như hai vị trí ghim và bề mặt tiếp xúc nơi lực được tác dụng.

Với thể tích xây dựng đã được xác định, bạn có thể chỉ định các vùng cần giữ lại (tránh) để quy trình không thay đổi chúng trong quá trình tạo hình dạng hướng dẫn Đồng thời, bạn cũng có thể áp dụng các ràng buộc và lực lên chi tiết để đảm bảo khả năng sử dụng hiệu quả.

 Với các tiêu chí thiết kế được chỉ định, bạn chạyShape Generator Study và nhận lại lưới để đáp ứng các tiêu chuẩn

Lưới đóng vai trò như một hướng dẫn quan trọng trong việc thực hiện các sửa đổi thể tích của mô hình xây dựng Những chỉnh sửa này giúp chuyển đổi mô hình từ một sự gần đúng ban đầu thành một thiết kế hoàn chỉnh và chi tiết hơn.

Lưu ý: Shape Generator không được hỗ trợ cho các bộ phận hoặc nhiều bộ phận cơ thể (các bộ phận đơn lẻ chứa nhiều bộ phận)

Hình 3.2 Qui trình tổng quan các bước

2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator:

Mở file Part4-Orgin.ipt và nhấn thanh công cụ 3D Model  Explore, bấm vào click Shape Generator

Trên thanh công cụ Analysis  Create Study

Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator

Bước 2: Thêm Material và Constraints

Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region

Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape

Bước 5: Thiết kế lại chi tiết

Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn

Hình 3.2 Tạo mô đun Shape Generator

2.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints:

 Trên thanh công cụ Analysis  Material panel, chọn Assign

 Trong hộp thoại Assign Materials, cột Override Material, nhấn mở danh sách và chọn Steel, Carbon

 Trong cột Safety Factor, chọn Yield Strength

Vật liệu của Lever Arm là Thép, Carbon với các thông số sau:

Bảng 3.1 Thông số của vật liệu thép

Yield Strength 350 MPa Ultimate Tensile Strength 420 MPa Stress Young's Modulus 200 GPa

Poisson's Ratio 0.29 ul Shear Modulus 77.5194 GPa

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Structural Constraints:

Chọn Pin , nhấn chọn vào như hình 3.3 và chọn OK:

Hình 3.3 Chọn ràng buộc Pin

2.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region:

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Force :

Chọn mặt như trong hình 3.4 và

Hình 3.4 Tải trọng thứ nhất nhập 𝑭𝒚 = −𝟖𝟎𝟎𝟎 𝑵

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Preserve Region :

Chọn từng mặt như hình 3.6, chỉnh Radius = 12 mm và Length = 31 mm rồi nhấn Apply và chọn mặt tiếp theo

Hình 3.6 Preserve Region thứ nhất

Chọn mặt như hình 3.7, chỉnh Height = 15.7 mm và Length = 20 mm rồi nhấn Apply

Hình 3.7 Preserve Region thứ hai

2.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape:

- Shape Generator Settings Để truy cập, thanh công cụ Analysis  Goals and Criteria panel, nhấp vào Shape Generator Settings

Chỉnh Mass Target, reduce original by (%) là 35 % và Mesh Resolution là 1.00

Hình 3.8 Hộp thoại Shape Generator Settings

Sau đó, nhấn thanh công cụ Analysis  Generate Shape Lúc này, phần mềm sẽ phân tích được một khoảng thời gian rồi đưa ra kết quả như sau

Hình 3.9 Hình dạng thiết kế tối ưu

Sau đó, hãy nhấn thanh công cụ Analysis  Promote Shape Tiếp theo hãy nhấn vào Current Part File và nhấn vào OK

Hình 3.10 Hộp thoại Promote Shape

2.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết:

Sau khi tối ưu hóa file mesh của chi tiết, quá trình thiết kế lại cần dựa vào file mesh đó Chi tiết thiết kế không nhất thiết phải giống hệt với file mesh ban đầu, nhưng người thiết kế cần đảm bảo hình dạng và kết cấu được tối ưu hóa một cách hiệu quả.

45 Để cho thuận tiện cho việc thiết kế, nhấn View  Visual Style  Wireframe with

Cuối cùng, đã hoàn thành xong thì sẽ có kết quả tương tự như vậy

Hình 3.11 Bracket đã tối ưu

2.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: Để chứng minh, hình dạng này có hiệu quả hơn trước thì cần phải phân tích phần tử hữu hạn Trên thanh công cụ 3D Model  Stress Analysis Sau đó, nhấn chuột phải vào mô đun Shape Generator mới vừa tạo ở thanh Model rồi nhấn Copy Study

Hình 3.12 Sao chép Mô đun Shape Generator Ở mô đun mới vừa tạo, nhấn Edit Study Properties

Và chuyển thành mô đun Static Analysis

Hình 3.14 Chuyển thành mô đun Static Analysis

Tiếp theo, nhấn Simulate trên thanh công cụ Analysis

Cuối cùng, ta có được kết quả phân tích Von Mises Stress

Hình 3.15 Kết quả phân tích Von Mises Stress

Cũng như kết quả phân tích Displacement và các kết quả khác

Hình 3.16 Kết quả phân tích Displacement

Hình 3.17 Qui trình tổng quan các bước

Tấm đỡ chịu lực của xi lanh được cố định bằng liên kết pin và có một con bu lông kê ở bên phải.

Hình 3.18 Một phần trong lắp ráp

Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator

Bước 2: Thêm Material và Constraints

Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region

Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape

Bước 5: Thiết kế lại chi tiết

Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn

2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator:

Mở file Part3-Orgin.ipt và nhấn thanh công cụ 3D Model  Explore, bấm vào click Shape Generator

Trên thanh công cụ Analysis  Create Study

Hình 3.19 Tạo mô đun Shape Generator

2.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints:

 Trên thanh công cụ Analysis  Material panel, chọn Assign

 Trong hộp thoại Assign Materials, cột Override Material, nhấn mở danh sách và chọn Steel

Hình 3.20 Hộp thoại Assign Materials

Chọn Pin , nhấn chọn vào mặt như hình 3.21 và chọn OK:

Hình 3.21 Chọn ràng buộc Pin

Chọn Frictionless , nhấn chọn vào mặt như hình 3.22 và chọn OK:

Hình 3.22 Chọn ràng buộc Frictionless

2.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region:

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Bearing :

Chọn mặt như trong hình 3.23

Hình 3.23 Tải trọng thứ nhất và nhập 𝑭 𝒚 = 𝟖𝟎𝟎𝟎 𝑵

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Preserve Region :

Chọn từng mặt như hình 3.25, rồi nhấn Apply và chọn mặt tiếp theo

Hình 3.25 Preserve Region thứ nhất

Chọn mặt như hình 3.26, rồi nhấn Apply

Chọn mặt như hình 3.27, rồi nhấn Apply

Hình 3.27 Preserve Region thứ ba

2.5 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape:

- Shape Generator Settings Để truy cập, thanh công cụ Analysis  Goals and Criteria panel, nhấp vào Shape Generator Settings

Chỉnh Mass Target, reduce original by (%) là 40 % và Mesh Resolution là 3.00 (Chúng ta có thể giảm hệ số này nếu muốn có hình dạng chi tiết hơn)

Sau đó, nhấn thanh công cụ Analysis  Generate Shape Lúc này, phần mềm sẽ phân tích được một khoảng thời gian rồi đưa ra kết quả như sau

Hình 3.29 Hình dạng thiết kế tối ưu

Sau đó, hãy nhấn thanh công cụ Analysis  Promote Shape Tiếp theo hãy nhấn vào Current Part File và nhấn vào OK

2.6 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết:

Sau khi tối ưu hóa file mesh của chi tiết, quá trình thiết kế lại cần dựa vào file mesh đó Mặc dù chi tiết thiết kế không nhất thiết phải giống hoàn toàn với file mesh, nhưng người thiết kế cần đảm bảo rằng hình dạng và kết cấu được tối ưu hóa.

59 Để cho thuận tiện cho việc thiết kế, nhấn View  Visual Style  Wireframe with

Hình 3.31 Tấm đỡ đã tối ưu

2.7 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: Để chứng minh, hình dạng này có hiệu quả hơn trước thì cần phải phân tích phần tử hữu hạn Trên thanh công cụ 3D Model  Stress Analysis Sau đó, nhấn chuột phải vào mô đun Shape Generator mới vừa tạo ở thanh Model rồi nhấn Copy Study

Hình 3.32 Sao chép Mô đun Shape Generator Ở mô đun mới vừa tạo, nhấn Edit Study Properties

Và chuyển thành mô đun Static Analysis

Hình 3.34 Chuyển thành mô đun Static Analysis

Tiếp theo, nhấn Simulate trên thanh công cụ Analysis

Cuối cùng, ta có được kết quả phân tích Von Mises Stress

Hình 3.35 Kết quả phân tích Von Mises Stress

Cũng như kết quả phân tích Displacement và các kết quả khác

Hình 3.36 Kết quả phân tích Displacement

GENERATIVE DESIGN TRONG PHẦN MỀM FUSION 360

Nơi dữ liệu Fusion 360 lưu trữ

Tất cả dữ liệu thiết kế Fusion 360 được lưu trữ trên đám mây

Bạn có thể truy cập an toàn dữ liệu Fusion 360 từ bất kỳ đâu và sử dụng các dự án nhóm để kiểm soát quyền truy cập vào dữ liệu thiết kế của mình, đồng thời dễ dàng cộng tác với người khác.

Chiến lược thiết kế

Fusion 360 kết nối toàn bộ quá trình phát triển sản phẩm của bạn trong một nền tảng dựa trên đám mây duy nhất cho Mac và PC

Khám phá và tinh chỉnh hình thức thiết kế của bạn với các công cụ điêu khắc, mô hình hóa và thiết kế tổng quát

Với Fusion 360, thiết kế của bạn được lưu trữ và chia sẻ trên đám mây, cho phép bạn và nhóm lặp lại ý tưởng thiết kế trong thời gian thực, từ đó nâng cao năng suất làm việc.

Tối ưu hóa và xác nhận thiết kế của bạn bằng cách sử dụng các hội đồng, nghiên cứu chung, cũng như chuyển động và mô phỏng Tiếp theo, hãy thảo luận về thiết kế thông qua việc sử dụng kết xuất đồ họa và hình ảnh động.

Cuối cùng, bạn có thể nhanh chóng tạo một nguyên mẫu thiết kế bằng máy in 3D hoặc phát triển đường chạy dao CAM cho máy CNC để sản xuất thiết kế của mình.

Chức năng Generative Design (Thiết kế sáng tạo) cho phép xác định vấn đề thiết kế thông qua các mục tiêu và ràng buộc, từ đó tạo ra một bộ thiết kế đáp ứng yêu cầu Người dùng có thể khám phá các thiết kế khác nhau để lựa chọn một thiết kế tối ưu cho quá trình sản xuất.

Generative Design là gì?

Generative Design áp dụng nguyên tắc tự nhiên trong quá trình thiết kế, cho phép người dùng nhập các mục tiêu thiết kế cụ thể như yêu cầu chức năng, loại vật liệu và phương pháp sản xuất.

Để đảm bảo hiệu suất sản xuất, việc xác định các tiêu chí thiết kế là rất quan trọng Sau khi thu thập yêu cầu thiết kế, một kho lưu trữ sẽ được xây dựng để tổng hợp và đánh giá nhiều thiết kế khác nhau Các lựa chọn thiết kế sẽ được trình bày kèm theo dữ liệu kỹ thuật và hiệu suất, giúp bạn dễ dàng so sánh và lựa chọn giải pháp phù hợp Bạn có thể theo dõi và đánh giá các thiết kế trong thời gian thực, cho phép điều chỉnh mục tiêu và ràng buộc để đạt được kết quả tối ưu Khi có một thiết kế đáp ứng yêu cầu, bạn có thể xuất nó sang các công cụ chế tạo hoặc dưới dạng hình học 3D để sử dụng trong các ứng dụng CAD khác.

Hình 4.1 Qui trình thiết kế của Generative Design

Generative Design là một công cụ dựa trên đám mây, giúp khám phá nhanh chóng và dễ dàng các ý tưởng thiết kế Nó cung cấp bộ công cụ sản xuất khái niệm an toàn và tích hợp, hỗ trợ quá trình sáng tạo hiệu quả hơn.

Bộ công cụ này mở rộng để bao gồm các trình duyệt web và thiết bị di động thông qua nền tảng điện toán đám mây của Autodesk

Generative Design tích hợp nhiều tính năng bảo mật, bao gồm giao tiếp an toàn với các dịch vụ đám mây và các tính năng cộng tác bảo mật ở cấp độ sản phẩm, giúp người dùng dễ dàng kiểm soát thông tin và dữ liệu của mình.

Sự khác nhau giữa Generative Design so và thiết kế truyền thống

Bảng 4.1 So sáng sự khác nhau giữa generative design và thiết kế truyền thống

Generative Design Thiết kế truyền thống

Cho phép bạn xác định một vấn đề thiết kế bằng cách chỉ định trước các yêu cầu và mục tiêu sản xuất và chức năng

Các yêu cầu về chức năng và sản xuất thường đến sau trong quá trình phát triển sản phẩm và dẫn đến thay đổi mô hình CAD

Tạo ra nhiều lựa chọn thiết kế thay thế phù hợp với yêu cầu của bạn Sau khi khám phá các lựa chọn này, bạn có thể điều chỉnh các yêu cầu hoặc mục tiêu ban đầu và phát triển thêm các thiết kế mới để so sánh.

Tạo một thiết kế duy nhất hoặc một bộ hạn chế thay thế thiết kế

Tất cả các thiết kế thay thế đều có thể sản xuất được

Thiết kế thay thế cung cấp nguồn cảm hứng, nhưng có thể không thể sản xuất được

Cho phép bạn tương tác khám phá nhiều tùy chọn thỏa mãn một bộ mục tiêu đã biết

Xác định một thiết kế duy nhất cho một bộ mục tiêu và các ràng buộc đã biết (các công cụ tối ưu hóa)

Áp dụng đa dạng chiến lược trong thiết kế giúp giải quyết vấn đề một cách linh hoạt Việc này thường dẫn đến những giải pháp thiết kế bất ngờ và cải thiện hiệu suất đáng kể.

Sử dụng chủ yếu các giải pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Không yêu cầu hình học ban đầu (hình dạng bắt đầu) để tạo ra các lựa chọn thay thế thiết kế

Yêu cầu hình học ban đầu (công cụ tối ưu hóa)

SO SÁNH SHAPE GENERATOR, GENERATIVE DESIGN CỦA

Trong phần này, chúng tôi phân tích các mô đun để làm rõ sự khác biệt giữa chúng Ba kết quả phân tích cho thấy những điểm khác biệt rõ ràng, mặc dù cả ba mô đun đều có cùng điều kiện biên là 4 lỗ cố định và chịu tác động của lực hướng lên tại 2 lỗ giữa Bảng 6.1 cung cấp hình ảnh minh họa về kết quả phân tích từ ba phần mềm với cùng một chi tiết và điều kiện biên.

Bảng 5.1: So sánh sự khác nhau giữa ba mô đun

Shape Generator Generative Design của Solid

Noncloud-based study Noncloud-based study Cloud-based study

Không cần kết nối internet Không cần kết nối internet Cần kết nối internet

Không chọn được phương pháp sản xuất

Chọn được phương pháp sản xuất

Không tạo được nhiều vật liệu trong một study

Tạo được nhiều vật liệu trong một study

Cần thiết kế ban đầu Cần thiết kế ban đầu Không cần thiết kế ban đầu

Kết quả có thể mô phỏng được

Kết quả không thể mô phỏng được

Kết quả có thể mô phỏng được

Thao tác đơn giản Thao tác đơn giản Thao tác phức tạp

Không thể tinh toán chi phí sản xuất

Có thể tinh toán chi phí sản xuất

Tự quyết định hình dạng của thiết kế

Phần mềm quyết định hình dạng của thiết kế

Không tạo được nhiều Load

Tạo được nhiều Load Case Tạo được nhiều Load Case

CASE STUDIES

Case Study 1: Front Upper Arm trong hệ thống treo

Front Upper Arm là một bộ phận thiết yếu trong hệ thống treo của xe, được chế tạo từ các vật liệu như thép, sắt hoặc nhôm Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và an toàn khi lái xe Thiếu Front Upper Arm có thể dẫn đến hiện tượng rung lắc khó chịu và các vấn đề lái xe không mong muốn, tăng nguy cơ tai nạn giao thông như va chạm với xe khác hoặc chướng ngại vật trên đường.

Tay treo được sử dụng trong các hệ thống treo như Macpherson và Double Wishbone Suspension, trong đó hệ thống Double Wishbone giúp chuyển tải trọng từ lốp xe sang khớp thấp và tới front upper arm Để cải tiến thiết kế của control arm, cần tập trung vào nghiên cứu ứng suất và biến dạng của front upper arm Việc phân tích cấu trúc hiện tại và tối ưu hóa kết cấu là cần thiết để nâng cao hiệu suất lái xe và khả năng xử lý, đồng thời đảm bảo bánh xe di chuyển theo mặt cắt đường với dao động tải lốp ở mức tối thiểu.

Trong phần này, chiết xe Toyota Altis 1.8E CVT 2019 được dùng để phân tích với trọng lượng xe là 1250 kg [5]

Ngoài ra, xe còn kéo một chiếc Caravan mang hiệu Venus 550 với trọng lượng 1066 kg [6]

Hình 6.3 Sơ đồ phân tích lực của cả hệ

Bảng 6.1 Giá trị của từng biến

Khối lượng xe Caravan, m2 1066 kg a 1.318 m b 1.344 m c 1.100 m

6.1.2.1 Xét trường hợp xe và xe kéo đứng yên:

Hình 6.4 Sơ đồ chỉ xét xe Caravan

Lấy momem tại bánh xe:

Hình 6.5 Sơ đồ lực chỉ xét xe hơi

Xét lực theo phương thẳng đứng:

Xét momem tại bánh xe trước:

6.1.2.2 Tính toán phần Double Wishbone Suspension:

Hệ thống treo Double Wishbone được minh họa trong sơ đồ, trong đó lò xo tác động lên phần dưới của cánh tay, như thể hiện trong hình 6.6 Các giả định liên quan đến hệ thống này đã được nêu rõ trong tài liệu [8].

Tải trọng do bản thân khối lượng thường bị bỏ qua vì nó không đáng kể so với tải trọng phát sinh từ tải trọng bánh xe tĩnh, Fw.

 Tất cả các khớp được coi là khớp pin đơn giản để các hiệu ứng ma sát

Tải trọng tĩnh của bánh xe, 𝑭 𝒘 , thường sẽ được tính từ dữ liệu xe

Vấn đề này rõ ràng liên quan đến thống kê, vì tất cả các thành phần đều ở trạng thái cân bằng Phương pháp đơn giản nhất để thể hiện điều này là thông qua đồ họa, với các sơ đồ hình vẽ và sơ đồ vectơ lực được trình bày trong hình 6.6.

Lưu ý các đặt điểm sau trong việc thu được các kết quả này [8]:

 Lực ở cánh tay trên upper arm phải dọc theo liên kết vì nó được nối với nhau ở cả hai đầu

 Trước tiên hãy xem xét cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục Các hướng của 𝑭 𝑾 và

𝑭 𝑫 được biết để có thể tìm thấy hướng của 𝑭 𝑪 (nó phải đi qua G để cân bằng)

 Tiếp theo, các thành phần lực cho cánh tay đòn dưới có thể được phân tích ra

 Tiếp theo, FBD cho nhánh dưới có thể được rút ra

Hình 6.6 Sơ đồ hình vẽ của hệ thống Double Wishbone Suspension

Dưới đây là sơ đồ phân tích lực chỉ xét bánh xe và ngỗng trục Dựa vào đó, mới có thể phân tích các thành phần còn lại

Hình 6.7 Sơ đồ phân tích lực cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục Đây là sơ đồ phân tích vectơ lực khi đã xác định góc

Hình 6.8 Sơ đồ vectơ lực của cụm lắp ráp bánh xe và ngỗng trục

Tiếp theo, chuyển giá trị vectơ tính được thành hai lực thành phần và chiều dương của vectơ phụ thuộc vào hệ trục tọa độ của phần mềm

6.1.3.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator

Mở file Front Lower Arm.ipt và nhấn thanh công cụ 3D Model > Explore, bấm vào click Shape Generator

6.1.3.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints

 Trên thanh công cụ Analysis Material panel, chọn Assign

 Trong hộp thoại Assign Materials, cột Override Material, nhấn mở danh sách và chọn Steel

Hình 6.9 Hộp thoại Assign Materials

Chọn Pin , nhấn chọn vào như hình 6.10 và chọn OK:

Hình 6.10 Chọn ràng buộc Pin thứ nhất

Chọn Pin , nhấn chọn vào như hình 3 Nhưng chỉ nhấn chọn Fix Tangential Direction và click OK:

Hình 6.11 Chọn ràng buộc Frictionless thứ hai

6.1.3.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Force:

Chọn mặt như trong hình 6.12 và nhập 𝐹 𝑋 = 1608 𝑁; 𝐹 𝑌 = 400 𝑁

Trên thanh công cụ của Analysis, click vào Preserve Region:

Chọn mặt như hình 6.13, chỉnh Radius = 5.5 mm và Length = 8.29 mm và nhấn Apply

79 Hình 6.13 Preserve Region thứ nhất

Chọn mặt như hình 6.14, Radius = 5.5 mm và Length = 7.91 và nhấn Apply

Tương tự như vậy, chọn mặt như hình 7.19, chỉnh Radius = 4.76 mm và Length 12.2 và nhấn OK

Hình 6.15 Preserve Region thứ ba

6.1.3.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape

Shape Generator Settings Để truy cập, thanh công cụ Analysis  Goals and Criteria panel, nhấp vào Shape Generator Settings

Chỉnh Mass Target, reduce original by (%) là 18 % và Mesh Resolution là 2.5

Sau đó, nhấn thanh công cụ Analysis  Generate Shape

6.1.3.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết

Sau khi nhận được file mesh đã được tối ưu hóa, tiến hành thiết kế lại dựa trên file đó Chi tiết thiết kế không nhất thiết phải giống hoàn toàn với file mesh, nhưng cần đảm bảo hình dạng kết cấu được tối ưu Để thuận tiện cho việc thiết kế, hãy chọn View -> Visual Style -> Wireframe.

Hình 6.18 Front Upper Arm đã tối ưu

6.1.3.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa

Công cụ Stress Analysis được sử dụng để thực hiện phân tích, với các thông số lưới như Average Element Size: 0.01, Minimum Element Size: 0.010, Grading Factor: 1.000 và Maximum Turn Angle: 45 độ Số lượng Nodes là 399,410 và số lượng Elements là 279,012 Điều kiện biên của chi tiết bao gồm lực mũi tên màu vàng 𝐹 𝐷𝑥 = 1608 N và 𝐹 𝐷𝑌 = 400 N, như thể hiện trong hình 18 Ngoài ra, hai lỗ dưới của chi tiết cũng được ràng buộc.

The pin constraints limit movement in both radial and axial directions, while the end face of the component is constrained by pin constraints that only restrict tangential movement, as illustrated in Figure 6.19.

Hình 6.19 File lưới và điều kiện biên của chi tiết

Bảng 6.2: Thông số vật liệu Stainless steel

Sau đó, chi tiết được phân tích để đưa ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng suất tập trung chủ yếu ở các góc của chi tiết do góc bo cung nhỏ, với ứng suất tối đa đạt tới 305.2 MPa Tại hai vị trí lỗ, ứng suất tập trung dao động từ 122.1 MPa đến 189.2 MPa.

Hình 6.20 cho thấy ứng suất Von Mises của chi tiết ban đầu Ở phần này, chi tiết có chuyển vị tối đa là 0.007453 mm, một con số rất nhỏ và không đáng kể Độ chuyển vị tập trung chủ yếu ở phía trước và kéo dài ra phía sau, trong khi không có sự xuất hiện chuyển vị ở hai bên.

Hình 6.21 Displacement của chi tiết ban đầu

Thiết kế tối ưu là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền của kết cấu Để chứng minh điều này, chúng ta tiến hành phân tích phần tử hữu hạn cho chi tiết đã được tối ưu hóa Kết quả cho thấy chi tiết được chia lưới với 343682 nút và 238280 phần tử, chứng tỏ tính khả thi và độ bền của thiết kế.

Hình 6.22 File lưới chi tiết đã tối ưu

Sau khi tối ưu hóa, ứng suất cao nhất của chi tiết đạt 321.7 MPa, tập trung chủ yếu ở các góc dưới Tại vị trí này, nếu ứng suất vượt quá mức cho phép, có khả năng xuất hiện vết nứt tế vi.

Hình 6.23 Von Mises Stress của chi tiết ban đầu Displacement:

Trong phần này, chuyển vị cao nhất ghi nhận là 0.01097 mm, một con số không đáng kể Chuyển vị chủ yếu xảy ra ở đầu chi tiết và giảm dần khi di chuyển sang bên trái.

Hình 6.24 Displacement của chi tiết tối ưu

6.1.3.7 Kết luận và Phân tích:

Trong nghiên cứu này, chi tiết Front Upper Arm được phân tích bằng phần mềm Inventor để xác định ứng suất và chuyển vị Thiết kế ban đầu cho thấy ứng suất lớn nhất đạt 305.2 MPa và chuyển vị tối đa là 0.007453 mm Sau khi tối ưu hóa, ứng suất lớn nhất tăng lên 321.7 MPa nhưng vẫn dưới giới hạn chảy của vật liệu là 350 MPa, cho thấy kết cấu hoạt động bình thường Chuyển vị của thiết kế tối ưu là 0.01097 mm.

Những điều này có thể nhìn thấy được điều này trong biểu đồ sau đây

Hình 6.25 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế

Hình 6.26 Biểu đồ so sánh Displacement của hai thiết kế

Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu

Bảng 6.3: So sảng khối lượng của hai thiết kế

Front Upper Arm ban đầu 26.960 g Front Upper Arm tối ưu 22.420 g

Phần trăm khối lượng giảm (%) 16.84%

Không chỉ thế, Front Upper Arm đã giảm đến 16.84% vật liệu nhưng đủ độ bền cho chi tiết.

Case study 2: Dầm chữ I

Thép hình là loại vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kết cấu xây dựng, kỹ thuật, và ngành công nghiệp Các ứng dụng nổi bật của thép hình bao gồm xây dựng cầu đường, tháp truyền thanh, nâng vận chuyển máy móc, khung container, và lò hơi công nghiệp Đặc biệt, thép hình đóng vai trò chủ chốt trong ngành xây dựng, từ việc tạo ra kết cấu nhà tiền chế đến việc làm cọc cho nền nóng nhà xưởng.

Ngày nay, có nhiều loại thép hình khác nhau như thép hình chữ H, chữ I và chữ V, mỗi loại có những đặc điểm chuyên biệt nhằm đáp ứng nhu cầu của các công trình hiện đại Thép hình nổi bật với tính cứng, bền bỉ, cường độ chịu lực cao và khả năng chịu rung động mạnh Với khả năng chống chịu điều kiện khắc nghiệt từ hóa chất và nhiệt độ, thép hình rất phù hợp cho các ngành công nghiệp và xây dựng.

Để tối ưu hóa thiết kế dầm chữ I, mô hình CAD được tạo ra trên Inventor Professional 2019, sử dụng mô đun Shape Generator nhằm tìm kiếm thiết kế tối ưu nhất Các mô hình này cũng được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn để xác minh tính an toàn của các thiết kế Nghiên cứu này còn hướng đến việc phát triển các kết cấu truyền thống đã được sử dụng từ lâu.

6.2.3 Phân tích phần tử hữu hạn và Tối ưu hóa:

Vật liệu của dầm chữ I là Steel với các thông số sau:

Bảng 6.4: Bảng vật liệu Steel

Các thông số về Mesh của dầm ban đầu như sau: số lượng nodes là 621697, số lượng elements là 386176

Hình 6.27 File Mesh ban đầu của dầm chữ I

Dầm chữ I sẽ được phân tích trong 2 trường hợp:

 Dầm sẽ bị tải ở bên phải và được cố định ở bên trái

 Dầm sẽ bị tải phân bố đều ở mặt trên và được cố định ở bên trái

6.2.3.1 Trường hợp thứ nhất: Dầm bị tải bên phải

Trong thiết kế ban đầu, điều kiện bên của dầm được phân tích với bên trái dầm được chọn là ràng buộc cố định Mũi tên màu vàng bên trái biểu thị tải trọng 1000N hướng xuống, trong khi mũi tên màu xanh lá ở giữa chỉ ra hướng gia tốc trọng trường cũng hướng xuống.

Hình 6.28 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 1

Sau khi phân tích dầm bằng mô đun Static Analysis, kết quả cho thấy ứng suất Von Mises bên trái dầm đạt mức trung bình khoảng 37.81 MPa Trong khi đó, bên phải dầm ghi nhận ứng suất cao nhất, dao động từ 66.43 MPa đến 83.1 MPa.

Hình 6.29 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu

Cuối cùng, sự chuyển vị của dầm dưới tải trọng cho thấy bên phải có sự dịch chuyển lớn nhất là 0.5459 mm, trong khi bên trái gần như không có sự thay đổi nào.

Hình 6.30 Displacement của dầm chữ I ban đầu

Thiết kế được tối ưu:

Mô đun Shape Generator hỗ trợ kỹ sư tìm kiếm thiết kế tối ưu cho các điều kiện biên và dữ liệu đầu vào Để thực hiện điều này, các thông số như Mass Target, Preserve Region, và Symmetry Plane cần được cung cấp cho phần mềm phân tích Hình dạng tối ưu được tạo ra sau khi phân tích chỉ là dữ liệu Mesh; để có được hình dạng chính xác, người dùng cần tự vẽ lại trên phần mềm.

Hình 6.31 Hình dạng thiết kế được tối ưu trong Shape Generator

Sau khi hoàn chỉnh phần CAD của dầm bằng cách Sizing Optimization được hình dạng như thế này

Hình 6.32 Hình dạng CAD thiết kế được tối ưu

Tiếp theo, mô hình CAD được chia lưới với các thông số như sau: số lượng nodes là

580416 và số lượng elements là 357844

Hình 6.33 File lưới của dầm được tối ưu

Sau đó, các phần tử Mesh của chi tiết được phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả phân tích cho thấy ứng suất cao nhất xuất hiện bên phải của dầm, với giá trị dao động từ 65.15 MPa đến 81.43 MPa Bên cạnh đó, ứng suất trung bình được ghi nhận ở vùng bên trái và tại các rãnh, với mức ứng suất từ 32.9 MPa đến 49.35 MPa.

Hình 6.34 Von Mises Stress của dầm chữ I được tối ưu

Sự chuyển vị của chi tiết được thể hiện qua Displacement trong phần mềm, cho thấy rằng sự chuyển vị tối đa đạt khoảng 0.6017 mm ở bên phải và giảm dần khi di chuyển sang bên trái của dầm.

Hình 6.35 Displacement của dầm chữ I được tối ưu

Kết luận và Phân tích:

Dầm chữ I được phân tích trong Inventor để xác định ứng suất và chuyển vị của chi tiết Trong thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất đạt 83.1 MPa với chuyển vị tối đa là 0.5459 mm Sau khi tối ưu hóa thiết kế, ứng suất giảm xuống còn 81.43 MPa, trong khi chuyển vị tăng nhẹ lên 0.6067 mm Mặc dù ứng suất tối đa giảm 1.67 MPa, sự thay đổi trong chuyển vị chỉ là 0.0608 mm, cho thấy sự tối ưu hóa không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị.

Bảng 6.5: So sánh khối lượng của hai dầm chữ I

Ngoài ra, dầm còn được giảm 1.348 k, tương đương với 12.34% Điều này có thể tiết kiệm một khoảng tiền vật liệu, nếu chế tạo một số lượng lớn

6.2.3.1 Trường hợp thứ hai: Dầm bị tải phân bố đều

Trong thiết kế ban đầu, điều kiện bên của dầm được phân tích với bên trái của dầm được chọn là ràng buộc cố định Mũi tên màu đỏ ở giữa biểu thị lực 500 N hướng xuống, trong khi mũi tên màu vàng nhỏ hơn chỉ ra gia tốc trọng trường cũng hướng xuống.

Hình 6.38 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 2

Sau khi phân tích dầm bằng mô đun Static Analysis, kết quả cho thấy ứng suất Von Mises ở bên trái dầm đạt mức cao nhất, dao động từ 9.62 MPa đến 12.02 MPa, trong khi bên phải dầm chịu ứng suất thấp nhất.

Hình 6.39 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu

Cuối cùng, sau khi chịu tải trọng, dầm trải qua sự chuyển vị, với bên phải có sự dịch chuyển lớn nhất là 0.1186 mm, trong khi bên trái dường như không có sự thay đổi nào.

Hình 6.40 Displacement của dầm chữ I ban đầu

Thiết kế được tối ưu:

Mô đun Shape Generator hỗ trợ kỹ sư trong việc tìm kiếm thiết kế tối ưu cho các điều kiện biên và dữ liệu đầu vào Để đạt được điều này, các thông số như Mass Target, Preserve Region và Symmetry Plane cần được cung cấp để phần mềm tiến hành phân tích Hình ảnh dưới đây thể hiện hình dạng thiết kế đã được tối ưu hóa sau khi phân tích, tuy nhiên đây chỉ là dữ liệu Mesh Để có được hình dạng như vậy, người dùng cần tự vẽ lại trên phần mềm.

Hình 6.41 Hình dạng thiết kế được tối ưu trong Shape Generator

Sau khi hoàn chỉnh phần CAD của dầm bằng cách Sizing Optimization được hình dạng như thế này

Hình 6.42 Hình dạng CAD thiết kế được tối ưu

Tiếp theo, mô hình CAD được chia lưới với các thông số như sau: số lượng nodes là

135789 và số lượng elements là 78467

Hình 6.43 Hình dạng lưới của thiết kế được tối ưu

Sau đó, các phần tử Mesh của chi tiết được phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng suất cao nhất tập trung ở bên phải của dầm, với giá trị dao động từ 48.28 MPa đến 60.53 MPa Bên cạnh đó, ứng suất cũng xuất hiện tại các rãnh, với mức từ 32.9 MPa đến 49.35 MPa Ngược lại, vùng bên phải của dầm chỉ ghi nhận ứng suất rất thấp, khoảng 0.21 MPa.

Hình 6.44 Von Mises Stress của dầm chữ I được tối ưu

Case Study 3: Giá đỡ

Có thể nói, kệ treo tường là một vật dụng rất phổ biến trong ngôi nhà của tất cả mọi người

Kệ treo tường là một loại kệ được thiết kế để treo trên tường hoặc gắn cố định bằng giá đỡ, mang lại vẻ đẹp hiện đại và sang trọng cho không gian sống Nó có chức năng chịu tải trọng từ sách, đồ dùng nhà tắm và các vật trang trí, giúp tối ưu hóa không gian và tạo điểm nhấn cho nội thất.

Hình 6.48 Giá đỡ ban đầu

Để tối ưu hóa giá đỡ, phần mềm Solid Edge 2020 được áp dụng để phân tích các ràng buộc và tải trọng, nhằm xác định một kết cấu phù hợp với tải trọng ban đầu.

Trước khi tối ưu hóa chi tiết, việc nắm rõ thông số vật liệu là rất quan trọng Do phương pháp gia công sử dụng công nghệ in 3D, nhựa PLA là lựa chọn phù hợp.

Bảng 6.7 Thông số nhựa PLA

Tensile stress at yield 3,790 psi

Tensile stress at break 3,830 psi

6.3.2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Generative Design

Mở file LBrace.par và nhấn thanh công cụ Generative Design, nhấn vào Create

Tiếp theo, chọn Design Space để xác nhận vùng cần tối ưu và nhấn tích xanh ở hình 6.49

Hình 6.49 Hộp thoại Design Space

6.3.2.2 Bước 2: Thêm Material và Loads

Trong phần Material Table trên thanh công cụ Generative Design, nhấn vào Material Table rồi tạo vật liệu mới để nhập các thông số của nhựa PLA ở bảng 6.7

Sau đó, chọn Force trong thanh công cụ Generative Design và chọn 2 mặt như hình 6.50

Hình 6.50 Lực tác dụng lên giá đỡ

Cuối cùng, thay đổi Value = 2000 N và Offset = 8 mm

Trong hộp thoại Generative Design, nhấn Fixed rồi chọn bốn mặt như hình và chọn Offset = 8 mm:

Hình 6.51 Ràng buộc Fixed cho chi tiết

6.3.2.4 Bước 4: Điều chỉnh Manufacturing Settings và Generate

Trong thanh công cụ Generative Design, nhấn Manufacturing Settings , chọn Material spread là 60% và các thông số như trong hình 6.52

Hình 6.52 Hộp thoại Manufacturing Settings

Next, click on Generate in the Generative Design toolbar and set the Study Quality to 5 Finally, adjust the Mass Reduction to 40% (this factor can be increased if desired) and set the Factor of Safety to 1.0.

6.3.2.5 Bước 5: Hiển thị Stress trong thiết kế Để thể hiện kết quả một cách rõ ràng, nhấn bỏ dấu tích được khoanh đỏ trong hình 6.54

Hình 6.54 Các công cụ hiển thị trong Solid Edge

Sau đó, trong thanh công cụ Generative Design nhấn Show Stress để hiển thị sự phân bố ứng suất của chi tiết dưới điều kiện biên được áp dụng

Hình 6.55 Phân bố ứng suất của chi tiết được tối ưu

6.3.2.6 Bước 6: Tối ưu thêm chi tiết Ở hình trước, sơ đồ phân bố ứng suất còn tập trung bên trong và bên ngoài Đề giảm bớt ứng suất bên trong, hãy thiết kế thêm vào hai supports để đỡ một phần lực bên trên

Ngoài ra, còn tăng thêm độ dày của phần tô màu đỏ thành 10.0 mm

Hình 6.57 Tăng độ dày giá đỡ

6.3.2.7 Bước 7: Phân tích phần tử hữu hạn:

Phân tích phân bố ứng suất và độ biến dạng của sản phẩm là cần thiết để chỉ ra sự khác biệt giữa hai chi tiết cấu trúc Việc này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng chịu tải của từng kết cấu.

The Stress Analysis tool is utilized for conducting analyses, featuring grid parameters such as an Average Element Size, with a total of 370,853 Nodes and a specified number of elements.

256129 Điều kiện biên của chi tiết là lực mũi tên màu vàng 𝐹 = 350 𝑁 Bên cạnh đó, mặt của giá đỡ được gán ràng buộc Fixed như hình 7.61

Hình 6.58 File lưới và điều kiện biên của chi tiết

Tiếp theo, chi tiết được phân tích để đưa ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả cho thấy ứng suất tập trung chủ yếu ở mặt dưới của giá đỡ, với mức cao nhất đạt 4.749 MPa, cho thấy khu vực này có nguy cơ bị nứt và gãy đầu tiên.

Hình 6.59 Von Mises Stress của giá đỡ ban đầu

Không chi thế, tại mép ngoài cùng của giá đỡ thì chuyển vị tới 0.4865 mm Nhưng các chỗ còn lại không hề có chuyển vị nào

Hình 6.60 Displacement của giá đỡ ban đầu

Giá đỡ được tối ưu:

Công cụ phân tích ứng suất được sử dụng để thực hiện phân tích, với thông số lưới bao gồm 254,962 nút và 169,836 phần tử Điều kiện biên và tải trọng được áp dụng như mô tả trong hình 7.64.

Hình 6.61: File lưới và điều kiện biên của chi tiết

Ứng suất tập trung ở mặt dưới của giá đỡ đạt mức cao nhất là 4.475 MPa, trong khi các supports khác ghi nhận ứng suất dao động từ 1.79 MPa đến 2.685 MPa.

Hình 6.62 Von Mises Street của giá đỡ đã tối ưu

Chuyển vị tối đa được ghi nhận ở các mép của giá đỡ, đạt 0.3093 mm, trong khi các hỗ trợ và khu vực xung quanh cũng cho thấy chuyển vị dao động từ 0.1237 mm đến 0.2474 mm.

Hình 6.63 Displacement của giá đỡ đã tối ưu

6.3.2.8 Bước 8: Thực nghiệm chi tiết

Hai chi tiết thực tế đã được sản xuất bằng công nghệ in 3D Để so sánh độ biến dạng của hai chi tiết tối ưu, chúng được cố định vào tường bằng hai tắc kê sắt.

Hai tắc kê sắt được gắn vào tường nhằm cố định chi tiết và đo khoảng cách từ mặt đất đến mép Cả hai mô hình này chịu lực từ một cục đá và miếng gỗ nặng 35 kg, tương đương với 350N.

Cuối cùng, dùng thước kẹp để đo biến dạng ở mép của chi tiết

Tương tự như vậy, giá đỡ tối ưu cũng được kiểm nghiệm và cho kết quả như sau

Bảng 6.8 Thông số chuyển vị của hai giá đỡ

Sau khi biến dạng Chuyển vị

Giá đỡ ban đầu 22.25 mm 21.65 mm 0.60 mm

Giá đỡ tối ưu 22.25 mm 21.85 mm 0.40 mm

6.3.2.9 Bước 9: Phân tích và kết luận

Cuối cùng, giá đỡ đã được phân tích trong Inventor để xác định ứng suất và chuyển vị của chi tiết Trong thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất đạt 4.749 MPa với sự chuyển vị tối đa là 0.4865 mm Sau khi tối ưu hóa, ứng suất tối đa giảm xuống còn 4.475 MPa và chuyển vị tối đa là 0.3093 mm Sự giảm ứng suất là 0.274 MPa, vẫn nằm trong giới hạn an toàn vì độ bền kéo của vật liệu là 26 MPa Mặc dù sự chuyển vị giảm 0.1772 mm, nhưng mức giảm này không đáng kể.

Bảng 6.9 So sánh khối lượng của hai thiết kế

Giá đỡ ban đầu 0.48 kg

Giá đỡ tối ưu 0.25 kg

Giá đỡ đã được giảm trọng lượng xuống 0.23 kg, tương đương với 47.92%, giúp tiết kiệm chi phí vật liệu và in ấn Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy sai số 29.32% ở giá đỡ tối ưu, trong khi sai số ở giá đỡ ban đầu là 23.33%.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tiêu đề	Ứng Dụng AI Trong Thiết Kế Cơ Khí
Tác giả	Lê Qui Chí
Người hướng dẫn	TS. Đặng Quang Khoa
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	8,37 MB