Giáo trình ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong thiết kế chi tiết cơ khí Nguyễn Văn Sơn; Lê Minh Tài

60 NGUYỄN VĂN SƠN - LÊ MINH TÀI VŨ QUANG HUY - PHẠM SƠN MINH TRẦN MINH THẾ UYÊN - DƯƠNG THỊ VÂN ANH LÊ QUI CHÍ - HÀ NGUYỄN NHƯ NGUYỆT ĐOÀN KHẮC TÂM - CHÂU TUẤN HẢI GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* ThS Nguyễn Văn Sơn, TS Lê Minh Tài, TS Vũ Quang Huy, PGS.TS Phạm Sơn Minh, ThS Trần Minh Thế Uyên, ThS Dương Thị Vân Anh, KS Lê Qui Chí, KS Hà Nguyễn Như Nguyệt, KS Đồn Khắc Tâm, KS Châu Tuấn Hải GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020 GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ Nguyễn Văn Sơn, Lê Minh Tài, Vũ Quang Huy, Phạm Sơn Minh, Trần Minh Thế Uyên, Dương Thị Vân Anh, Lê Qui Chí, Hà Nguyễn Như Nguyệt, Đồn Khắc Tâm, Châu Tuấn Hải Chịu trách nhiệm xuất nội dung TS ĐỖ VĂN BIÊN Biên tập NGUYỄN ANH TUYẾN Sửa in THIÊN PHONG Trình bày bìa TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM Website: http://hcmute.edu.vn Đối tác liên kết – Tổ chức thảo chịu trách nhiệm tác quyền TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phịng 501, Nhà Điều hành ĐHQG-HCM, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh ĐT: 028 6272 6361 - 028 6272 6390 E-mail: vnuhp@vnuhcm.edu.vn Website: www.vnuhcmpress.edu.vn VĂN PHÒNG NHÀ XUẤT BẢN PHÒNG QUẢN LÝ DỰ ÁN VÀ PHÁT HÀNH Tòa nhà K-Trường Đại học Khoa học Xã hội & Nhân văn, số 10-12 Đinh Tiên Hoàng, phường Bến Nghé, Quận 1, TP Hồ Chí Minh ĐT: 028 66817058 - 028 62726390 - 028 62726351 Website: www.vnuhcmpress.edu.vn Nhà xuất ĐHQG-HCM tác giả/ đối tác liên kết giữ quyền© Copyright © by VNU-HCM Press and author/ co-partnership All rights reserved ISBN: 978-604-73-7805-0 Xuất lần thứ In 250 cuốn, khổ 16 x 24 cm, XNĐKXB số: 2442-2020/CXBIPH/1753/ĐHQGTPHCM QĐXB số 122/QĐ-NXB ĐHQGTPHCM, cấp ngày 29/6/2020 In tại: Công ty TNHH In & Bao bì Hưng Phú Địa chỉ: 162A/1, KP1A, P An Phú, TX Thuận An, Bình Dương Nộp lưu chiểu: Năm 2020 Bản tiếng Việt ©, NXB ĐHQG-HCM, đối tác liên kết tác giả Bản quyền tác phẩm bảo hộ Luật Xuất Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm hình thức xuất bản, chụp, phát tán nội dung chưa có đồng ý tác giả Nhà xuất ĐỂ CÓ SÁCH HAY, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! LỜI NÓI ĐẦU Trong khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo hay AI (Artificial Intelligence), gọi trí thơng minh nhân tạo, trí thơng minh thể máy móc, trái ngược với trí thơng minh tự nhiên người thể Thơng thường, thuật ngữ “trí tuệ nhân tạo” thường sử dụng để mơ tả máy móc (hoặc máy tính) bắt chước chức “nhận thức” mà người liên kết với tâm trí người, “học tập” “giải vấn đề” Công nghệ sử dụng điện toán đám mây thuật toán dựa trí tuệ nhân tạo để nhanh chóng tìm phương án thiết kế khác cho sản phẩm, từ tạo mẫu thiết kế hình học hiệu suất cao, chịu lực tốt nhờ vào tập hợp mục tiêu người dùng cung cấp trọng lượng, chịu lực, chất liệu… Sau đó, người dùng chọn mẫu thiết kế tốt cho chi tiết Cơng nghệ thiết kế giúp giảm thêm đáng kể trọng lượng tổng thể phương tiện tăng khả liên kết linh kiện mà phương pháp tối ưu hóa thiết kế truyền thống chưa thể làm Giáo trình hồn thành với đóng góp:  Chương 1: Lê Qui Chí, Lê Minh Tài, Đồn Khắc Tâm  Chương 2: Lê Qui Chí, Nguyễn Văn Sơn, Đoàn Khắc Tâm  Chương 3: Hà Nguyễn Như Nguyệt, Nguyễn Văn Sơn, Châu Tuấn Hải  Chương 4: Hà Nguyễn Như Nguyệt, Lê Qui Chí, Trần Minh Thế Uyên  Chương 5: Hà Nguyễn Như Nguyệt, Lê Qui Chí, Vũ Quang Huy, Phạm Sơn Minh, Trần Minh Thế Uyên, Châu Tuấn Hải Trong q trình biên soạn, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm tác giả mong nhận góp ý bạn đọc để lần tái sau, giáo trình hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin vui lịng gửi địa email: sonnv@ hcmute.edu.vn; uyentmt@hcmute.edu.vn Nhóm tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 Khái niệm tối ưu hóa cấu trúc 11 Phân loại tối ưu 11 2.1 Sizing Optimization (SiO) 12 2.2 Shape Optimization (ShO) 13 2.3 Topology Optimization (TO) 14 Các phương pháp tối ưu hóa Topology Optimization (TO) 15 3.1 Optimality Criteria methods 15 3.1.1 Phương pháp đồng hóa tối ưu hóa cấu trúc 15 3.1.2 Vật liệu rắn đẳng hướng có hình phạt (SIMP) 19 3.2 Heuristic or Intuitive methods 21 Ưu nhược điểm tối ưu hóa 22 4.1 Ưu điểm 22 4.2 Nhược điểm 23 Ứng dụng 23 5.1 Trong lĩnh vực hàng không 23 5.2 Trong lĩnh vực ô tô 26 5.3 Trong công nghệ in 3D 29 5.4 Trong lĩnh vực kiến trúc 32 5.4.1 Trung tâm Hội nghị quốc gia Doha 32 5.4.2 Cấu trúc dầm chữ I 33 Quy trình tối ưu hóa thiết kế 35 Chương 2: S HAPE GENERATOR TRONG AUTODESK INVENTOR 36 Giới thiệu sơ lược 36 Để bắt đầu Shape Generator Study 37 Vật liệu (Material) 38 Ràng buộc (Constrains) 39 Đặt tải trọng để mô 41 Để bảo tồn vùng từ Shape Generator 44 Symmetry Plane 46 Để định cài đặt Shape Generator 48 Để quan sát lưới 49 10 Export 51 11 Validation problems 53 12 Bài tập áp dụng 55 12.1 Chi tiết Bracket 55 12.2 Chi tiết Tấm đỡ 64 Chương 3: GENERATIVE DESIGN TRONG PHẦN MỀM FUSION 360 78 Giới thiệu sơ lược 78 1.1 Nơi liệu Fusion 360 lưu trữ 78 1.2 Chiến lược thiết kế 78 1.3 Generative Design gì? 79 1.4 Sự khác Generative Design so thiết kế truyền thống 80 1.5 Giao diện Generative Design 80 Danh sách thuật ngữ 93 2.1 Bearing load 93 2.2 Closed design space 93 2.3 Critical overhang angle 94 2.4 Design space 94 2.5 Preserve geometry 94 2.6 Obstacle geometry 96 2.7 Starting shape 97 2.8 Fixed constraint 98 2.9 Force load 98 2.10 Frictionless constraint 99 2.11 Gravity Load 99 2.12 Initial Shape 100 2.13 Load case 101 2.14 Mass Target 101 2.15 Maximize stiffness (Tối đa hóa độ cứng) 102 2.16 Milling (Phay) 102 2.17 Minimize mass (giảm thiểu khối lượng) 106 2.18 Moment load (Tải moment) 106 2.19 Outcome (kết tạo ra) 106 2.20 Overhang angle (Góc nhơ ra) 107 2.21 Pin constraint 107 2.22 Pressure Load 108 2.23 Synthesis 108 2.24 Unrestricted (Không giới hạn) 109 Tổng quan quy trình Generative design 109 3.1 Edit Model 111 3.1.1 Tạo mơ hình 111 3.1.2 Create tools (Edit Model) 111 3.1.3 Create tools - Edit Model Solid tab 112 3.1.4 Create tools - Edit Model Surface tab 114 3.1.5 Sketch tools (Edit Model) 115 3.1.6 Modify tools (Edit Model) 120 3.1.7 Modify tools - Edit Model Solid tab 121 3.1.8 Modify tools - Edit Model Surface tab 122 3.1.9 Construct tools (Edit Model) 123 3.1.10 Inspect tools (Edit Model) 125 3.2 Thiết lập Generative study 126 3.2.1 Tạo Generative study 126 3.2.2 Tạo loại hình học 126 3.2.3 Gắn Preserve Geometry cho mơ hình 126 3.2.4 Gán Obstacle Geometry cho mơ hình 127 3.2.5 Gắn Starting Shape cho mơ hình 127 3.2.6 Tạo ràng buộc 127 3.2.7 Apply a gravity load 129 3.2.8 Apply loads 130 3.2.9 Thiết lập objectives 134 3.2.10 Advanced physics 135 3.2.11 Thiết lập manufacturing method 137 3.2.12 Thiết lập synthesis settings 142 3.2.13 Kiểm tra Pre-check 142 3.2.14 Tạo outcomekết tạo xem trước 143 3.3 Xem trạng thái generate 143 3.3.1 Để hủy bỏ kết tạo 144 3.3.2 Để hiển thị chi tiết cho công việc thất bại 144 3.4 Khám phá kết tạo 144 3.4.1 Làm việc với lọc kết tạo 144 3.4.2 Khám phá kết tạo chế độ Thumbnail View 146 3.4.3 Khám phá outcomes chế độ Outcome View 148 Bài tập áp dụng Generative design 150 4.1 Chi tiết GE Bracket 150 4.2 Chi tiết Alcoa Bearing Bracket 178 Chương 4: GENERATIVE DESIGN TRONG SOLID EDGE 205 Giới thiệu sơ lược 205 Thiết lập đơn vị Study 208 Generative Design Workflow 208 3.1 Tạo Generative Study 208 3.2 Xác định Design Space 212 3.3 Chọn vật liệu 212 3.4 Tạo Load Case 213 3.5 Tạo Constraints 225 3.6 Xác định Preserve Region 233 3.7 Thiết lập thông số Generate 234 3.8 Sử dụng Generative Design results 245 Bài tập áp dụng 250 4.1 Chi tiết Aircraft Bracket 250 4.2 Chi tiết Base 259 So sánh shape generator inventor, generative design fusion 360 generative design solid edge 271 Chương 5: CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ 273 Chi tiết Front Upper Arm hệ thống treo 273 Tiếp theo, nhấn Generate công cụ Generative Design điều chỉnh Study Quality Cuối cùng, Mass Reduction 40% (hệ số tăng thêm muốn) Factor of safety 1.0 Hình 5.58: Hộp thoại Generate  Bước 5: Hiển thị Stress thiết kế Để thể kết cách rõ ràng, nhấn bỏ dấu tích khoanh đỏ hình 5.59 306 Hình 5.59: Các cơng cụ hiển thị Solid Edge Sau đó, cơng cụ Generative Design nhấn Show Stress để hiển thị phân bố ứng suất chi tiết điều kiện biên áp dụng 307 Hình 5.60: Phân bố ứng suất chi tiết tối ưu  Bước 6: Tối ưu thêm chi tiết Ở hình trước, sơ đồ phân bố ứng suất cịn tập trung bên bên ngồi Để giảm bớt ứng suất bên trong, thiết kế thêm vào hai supports để đỡ phần lực bên Hình 5.61: Hai supports 308 Ngồi ra, cịn tăng thêm độ dày phần tơ màu đỏ thành 10.0 mm Hình 5.62: Tăng độ dày giá đỡ  Bước 7: Phân tích phần tử hữu hạn: Nhằm phân tích phân bố ứng suất độ biến dạng sản phẩm, hai chi tiết phải phân tích thấy khác hai kết cấu Giá đỡ ban đầu Công cụ Stress Analysis sử dụng để phân tích Ngồi ra, thơng số lưới bao gồm Average Element Size: số lượng Nodes 370853 số lượng elements 256129 Điều kiện biên chi tiết lực mũi tên màu vàng Bên cạnh đó, mặt giá đỡ gán ràng buộc Fixed 309 Hình 5.63: File lưới điều kiện biên chi tiết Von Mises Stress: Tiếp theo, chi tiết phân tích để đưa kết Von Mises Stress: Kết cho thấy được, ứng suất tập trung hầu hết mặt giá đỡ đạt cao 4.749 MPa Có thể nói, chỗ bị nứt gãy 310 Hình 5.64: Von Mises Stress giá đỡ ban đầu Displacement: Không thế, mép ngồi giá đỡ chuyển vị tới 0.4865 mm Nhưng chỗ lại khơng có chuyển vị Hình 5.65: Displacement giá đỡ ban đầu Giá đỡ tối ưu: Công cụ Stress Analysis sử dụng để phân tích Số lượng Nodes 254962 số lượng elements 169836 Với điều kiện biên tải trọng hình 311 Hình 5.66: File lưới điều kiện biên chi tiết Von Mises Stress: Tiếp theo, ứng suất tập trung mặt giá đỡ đạt cao 4.475 MPa Ngồi ra, supports có ứng suất từ 1.79 MPa đến 2.685 MPa Hình 5.67: Von Mises Street giá đỡ tối ưu Displacement: Tương tự trên, chuyển vị nhiều mép giá đỡ đạt tới 0.3093 mm Không thế, supports vùng xung quanh xuất chuyển vị, từ 0.1237 mm đến 0.2474 mm 312 Hình 5.68: Displacement giá đỡ tối ưu  Bước 8: Thực nghiệm chi tiết Mơ hình thực tế hai chi tiết chế tạo công nghệ in 3D Nhằm so sánh độ biến dạng hai chi tiết tối ưu, hai chi tiết cố định vô tường hai tắc kê sắt Hình 5.69: Tắc kê sắt 313 Hai tắc kê bắt vào tường để cố định chi tiết hình 5.70 đo khoảng cách từ mặt đất đến mép Hình 5.70: Chi tiết cố định vào tường Sau đó, hai mơ hình chịu sức nặng cục đá miếng gỗ 35 kg, tương đương 350N hình 314 Hình 5.71: Giá đỡ Cuối cùng, dùng thước kẹp để đo biến dạng mép chi tiết Hình 5.72: Đo khoảng cách từ mặt đất đến mép giá đỡ 315 Tương tự vậy, giá đỡ tối ưu kiểm nghiệm cho kết sau Bảng 5.7: Thông số chuyển vị hai giá đỡ Trước biến dạng Sau biến dạng Chuyển vị Giá đỡ ban đầu 22.25 mm 21.55 mm 0.60 mm Giá đỡ tối ưu 22.25 mm 21.8 mm 0.40 mm  Bước 9: Phân tích kết luận Cuối cùng, giá đỡ phân tích Inventor nhằm tìm ứng suất chuyển vị chi tiết Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn 4.749 MPa chuyển vị tối đa 0.4865 mm Còn thiết kế tối ưu, ứng suất lớn 4.475 MPa 0.3093 mm Ứng suất tối đa chi tiết giảm 0.274 MPa, ứng suất lớn an tồn Yield strength vật liệu 26 MPa Đồng thời chuyển vị giảm 0.1772 mm không đáng kể Những điều thấy biểu đồ sau Hình 5.73: Biểu đồ so sánh Von Mises Stress hai thiết kế 316 Hình 5.74: Biểu đồ so sánh Displacement hai thiết kế Bảng 5.8: So sánh khối lượng hai thiết kế Giá đỡ ban đầu 10.928 kg Giá đỡ tối ưu 8.834 kg Phần trăm khối lượng (%) Giảm 19.16% Ngoài ra, giá đỡ giảm 2.094 kg, tương đương với 19.16% Điều tiết kiệm khoản tiền vật liệu cứng tiền in Hai kết phân tích từ phần tử hữu hạn phương thức thực nghiệm có khác biệt 29.32% giá đỡ tối ưu 23.33% giá đỡ ban đầu 317 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Osvaldo M Querin, Mariano Victoria, Cristina Alonso, Rubén Ansola and Pascual Martí Topology Design Methods for Structural Optimization, Academic Press, 2017 [2] Weihong Zhang, Jihong Zhu and Tong Gao Topology Optimization in Engineering Structure Design, ISTE Press-Elsevier, 2016 [3] Lars Krog, Alastair Tucker & Gerrit Rollema Application of Topology, Sizing and Shape Optimization Methods to Optimal Design of Aircraft Components, pp.2-12, 2011 [4] Megan Lobdell, Brian Croop, and Hubert Lobo A Design Validation Production Workflow for Aerospace Additive Manufacturing, pp.1-9 [5] Computers and Structures Application of structural topology optimisation to perforated steel beams, 2015 [6] Autodesk University, https://www.autodesk.com/autodesk- university/ [7] Christophe Bastien, Jesper Christensen, Mike V Blundell, Jakovs Kurakins Light weight Body in White Design Using TopologyShape and Size Optimisation, pp.1-4 [8] Thuan Nguyen Arata Isozaki - Kiến trúc sư trưởng “viên kim cương” ngã ba sơng Sài Gịn, http://designs.vn/tin-tuc/arata- isozaki-kien-truc-su-truong-cua-vien-kim-cuong-giua-nga-ba-songsai gon_217093.html#.XYSSEigzZPY, 2019 [9] Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla Altis 2019, http://xetoyota.com/thong-so-ky-thuat-xe-toyota-corolla-altis2019.html 318 [10] Tom Harrison How Much Does A Caravan Weigh? with 15 examples, https://peakanddale.co.uk/caravan-weight/ [11] S V Yende, A P Tadamalle Topology Optimization of Lower Control Arm for LMV, http://www.ijert.org [12] David C Barton, John D Fieldhouse Automotive Chassis Engineering, Springer International Publishing, pp.183-184, 2018 319 ... 2020 GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ Nguyễn Văn Sơn, Lê Minh Tài, Vũ Quang Huy, Phạm Sơn Minh, Trần Minh Thế Uyên, Dương Thị Vân Anh, Lê Qui Chí, Hà Nguyễn. .. KS Lê Qui Chí, KS Hà Nguyễn Như Nguyệt, KS Đoàn Khắc Tâm, KS Châu Tuấn Hải GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH. .. trí tuệ nhân tạo hay AI (Artificial Intelligence), gọi trí thơng minh nhân tạo, trí thơng minh thể máy móc, trái ngược với trí thơng minh tự nhiên người thể Thơng thường, thuật ngữ ? ?trí tuệ nhân