TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Ngành công nghệ 4.0 đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, nơi xe cộ trở thành phương tiện thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Sự đổi mới và tính thời trang đang trở thành những yêu cầu quan trọng trong thiết kế xe hiện nay.
Xu hướng sản xuất ô tô hiện nay kết hợp nghiên cứu thực tiễn và công nghệ hiện đại, tích hợp phần mềm CAD/CAM để tạo ra mô hình ảo và sản xuất chi tiết thực tế Việc sử dụng CAE giúp kiểm tra các thông số như dòng chảy và tính bền của thiết kế Đây vừa là cơ hội vừa là thách thức cho các nhà sản xuất trong việc nâng cao chất lượng và độ chính xác Ứng dụng công nghệ Scan 3D trong thiết kế và sản xuất ô tô đã trở thành một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng và hiệu suất.
Các doanh nghiệp ô tô tại Việt Nam đang tích cực phát triển ngành sản xuất ô tô cùng với các chi tiết và bộ phận liên quan Nổi bật trong lĩnh vực này là Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải, một trong những đơn vị tiên phong trong việc sản xuất và lắp ráp ô tô tại nước ta.
Cổ phần ô tô Việt Hàn – Hyundai và công ty Samco đã góp phần vào sự phát triển ngành ô tô tại Việt Nam, đặc biệt là sự xuất hiện của nhà máy VinFast do tập đoàn Vingroup mở ra, nhằm nâng cao thương hiệu ô tô Việt Nam Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nổi bật với chất lượng đào tạo trong lĩnh vực ô tô, với mục tiêu tạo ra những kỹ sư có năng lực và chuyên môn cao Ngành học chủ yếu tập trung vào việc cung cấp nguồn nhân lực cho lĩnh vực kinh doanh, dịch vụ và sửa chữa ô tô Để đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành công nghiệp ô tô trong nước, cần thiết phải đẩy mạnh chương trình đào tạo về lập trình và thiết kế, giúp sinh viên có thêm nhiều cơ hội nghề nghiệp.
Kỹ thuật ngược, xuất hiện từ những năm 1990, đã được cải tiến cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính và phần mềm thiết kế 3D Hiện nay, ngành công nghệ xử lý và tái tạo ngược đang phát triển mạnh mẽ cả trên thế giới và tại Việt Nam, mở ra nhiều cơ hội mới.
Chúng tôi chọn đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng thiết kế ngược trong thiết kế và tính bền cản xe ô tô” nhằm phục hồi sản phẩm và tạo khuôn cho việc sản xuất hàng loạt chi tiết Đề tài tập trung vào thiết kế ngược cản trước ô tô để tính toán bền va chạm cho các chi tiết Qua đó, chúng tôi so sánh cản trước xe Toyota Hybrid Prius giữa các vật liệu composite, nhôm và nhựa ABS, giúp học sinh, sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức và đạt hiệu quả học tập cao.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Để hỗ trợ công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên, chúng tôi cung cấp hướng dẫn chi tiết cho sinh viên qua từng bài giảng lý thuyết.
- Giúp sinh viên ứng dụng ngay bài học lý thuyết vào thực hành
Sinh viên có cơ hội quan sát mô hình một cách trực quan, giúp họ dễ dàng cảm nhận công nghệ thiết kế ngược Điều này cho phép họ ứng dụng công nghệ này để thiết kế các chi tiết ô tô một cách hiệu quả.
- Giúp sinh viên nắm được các bước tính bền thử nghiệm độ bền các chi tiết bằng nhiều vật liệu khác nhau
- Góp phần đa dạng hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong giáo dục và đào tạo
- Thu thập các tài liệu về phần mềm thiết kế Catia và Ansys Workbench
- Thu thập tài liệu liên quan về thiết kế ngược
- Tìm hiểu phần mềm thiết kế ngược
- Tiến hành thiết kế và tính bền cản ô tô và đưa ra nhận xét
- Biên soạn, viết tập thuyết trình đề tài tốt nghiệp
Giới hạn đề tài
Bài viết này tập trung vào việc thiết kế cản trước ô tô bằng công nghệ thiết kế ngược, với mục tiêu rõ ràng và thời gian hạn chế Chúng tôi sẽ lập quy trình thiết kế và sử dụng phần mềm Ansys để tính toán độ bền của sản phẩm, từ đó đưa ra những nhận xét chính xác về hiệu quả và tính khả thi của thiết kế.
Vì vậy đề tài không đề cập đến công đoạn sản xuất thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, nhóm đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu như tham khảo tài liệu và thu thập thông tin liên quan Nhóm cũng học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô và bạn bè, từ đó phát triển những ý tưởng mới nhằm xây dựng đề cương và thiết kế bằng phần mềm.
Các bước thực hiện
- Thu thập, tham khảo tài liệu
- Thiết kế cản xe ô tô dựa trên file scan 3D bằng phần mềm Catia
- Tiến hành tính bền cản ô tô bằng phần mềm Ansys Workben
- Tiến hành xuất bản vẽ kiểm tra các thông số
- Phân tích và tổng hợp tài liệu
Kế hoạch nghiên cứu
Đề tài được thực hiện trong vòng 6 tuần, các công việc được bố trí như sau:
+ Thu thập tài liệu xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, xác định mục tiêu nghiên cứu
+ Scan cản trước xe Toyota Hybrid Prius với máy quét scan 3D
+ Thi công thiết kế cản trước xe ô tô Toyota Hybrid Prius trên phần mềm sử dụng cho thiết kế ngược
+ Tiến hành tính bền file cản xe thiết kế bằng phần mềm Ansys
+ Tiến hành đo đạc, kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm
+ Thu thập các tài liệu liên quan tới công nghệ thiết kế ngược
+ Thu thập các tài liệu liên quan đến các chuẩn thiết kế, cách kiểm tra trong quy trình thiết kế bề mặt vỏ ô tô
+ Dịch tài liệu và tìm hiểu công nghệ thiết kế ngược
+ Thu thập các tài liệu liên quan đến quá trình tính bền bằng phần mềm Ansys Workbench
+ Viết báo cáo cho đề tài
PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS TRONG THIẾT KẾ VÀ TÍNH BỀN
Giới thiệu phần mềm
Vào năm 2019, ngành công nghiệp cơ khí ô tô đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi việc ứng dụng phần mềm thiết kế và tính toán bền trong chế tạo, sản xuất và lắp ráp sản phẩm trở nên quan trọng Các phần mềm này không chỉ mô phỏng chính xác các mô hình thực tế mà còn tối ưu hóa kết cấu, giảm chi phí sản xuất và rút ngắn quy trình kiểm tra Trước đây, phần mềm thiết kế thường không thể giải quyết các bài toán cơ học phức tạp như cơ học vật rắn hay động lực học, trong khi phần mềm tính toán lại thiếu khả năng thiết kế và mô phỏng Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của phần mềm công nghiệp và hợp tác giữa các nhà cung cấp, những vấn đề này đã được khắc phục Catia, một phần mềm mạnh mẽ trong thiết kế cơ khí và lắp ráp, đã kết nối hiệu quả với Ansys, phần mềm nổi bật trong kỹ thuật vũ trụ và ô tô, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô.
Giới thiệu phần mềm Catia
Catia, viết tắt của Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application, là phần mềm CAD/CAM/CAE tiên tiến do Dassault Systèmes, một công ty Pháp chuyên phát triển phần mềm thiết kế máy bay, phát triển Được phân phối toàn cầu bởi IBM, Catia được lập trình bằng ngôn ngữ C++ và hiện là hệ thống 3D mạnh mẽ nhất, thiết lập tiêu chuẩn toàn cầu trong việc giải quyết nhiều bài toán thiết kế phức tạp.
Phần mềm Catia đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, xây dựng, tàu thủy và hàng không Nó hỗ trợ toàn diện từ thiết kế mô hình CAD (Thiết kế hỗ trợ máy tính) đến sản xuất dựa trên CAM (Sản xuất hỗ trợ máy tính), đồng thời cung cấp khả năng phân tích, tính toán và tối ưu hóa giải pháp thông qua CAE (Kỹ thuật hỗ trợ máy tính).
2.2.1 Một số ứng dụng của phần mềm Catia
Catia được chia làm 3 cấp độ:
- Cấp độ 1 (Platform 1): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế
- Cấp độ 2 (Platform 2): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế và phân tích, mô phỏng
- Cấp độ 3 (Platform 3): Bao gồm module cấp độ 2 và các module phân tích chính xác trong công nghiệp hạng nặng như: Hàng không, ô tô, đóng tàu…
Một số ứng dụng của phần mềm Catia:
Catia trong thiết kế cơ khí là một ứng dụng mạnh mẽ cho phép người dùng thiết kế các chi tiết cơ khí, tạo lập sản phẩm lắp ghép, cũng như thực hiện thiết kế hàn, thiết kế khuôn, thiết kế kim loại tấm, và thiết kế khung dây và bề mặt Ngoài ra, Catia còn hỗ trợ xuất bản các bản vẽ 2D từ mô hình 3D có sẵn, giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và sản xuất.
- Ứng dụng Catia trong thiết kế cơ khí
Hình 2.1: Thiết kế cơ khí bằng Catia
- Catia ứng dụng trong thiết kế ô tô, máy bay, tàu thủy
Hình 2.2: Thiết kế động cơ tàu thủy bằng Catia
- Ứng dụng Catia trong thiết kế ô tô
Hình 2.3: Xe ô tô được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm CATIA
- CATIA ứng dụng trong lập trình và mô phỏng gia công
Hình 2.4: Mô phỏng gia công phay bằng Catia
- Ứng dụng trong phân tích động lực học
Hình 2.5: Phân tích động lực học bằng Catia
- Ứng dụng trong quá trình tạo mẫu và thiết kế ngược
Hình 2.6: Ứng dụng Catia trong thiết kế ngược
- Ứng dụng trong kết cấu xây dựng và kiến trúc
Hình 2.7: Thiết kế xây dựng kiến trúc bằng Catia
2.1.2 Chức năng của các module chính trong Catia
Phần mềm Catia tích hợp hơn 170 module, phục vụ nhu cầu đa dạng trong các ngành như cơ khí, ô tô, hàng không, kiến trúc, điện – điện tử, hệ thống đường ống và quản lý vòng đời sản phẩm Người dùng có thể mua các module riêng lẻ để phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ngành nghề Đối với mỗi mục đích sử dụng, người dùng cần tìm hiểu chức năng riêng của từng module Trong ngành cơ khí, một số module chính thường được sử dụng bao gồm
- Module Mechanical Design: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế cơ khí, các modul con và chức năng của chúng:
+ Part Design: Thiết kế chi tiết
+ Assembly Design: Tạo lập sản phẩm lắp ghép
+ Weld Design: Thiết kế hàn
+ Mold Tooling Design: Thiết kế khuôn
+ Drafting: Xuất bản vẽ 2D từ mô hình 3D có sẵn
+ Sheet Metal Design: Thiết kế kim loại tấm
+ Wireframe and Surface Design: Thiết kế khung dây và bề mặt
- Module Shape: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế tạo hình bề mặt Các module con và chức năng của chúng:
+ FreeStyle: Thiết kế bề mặt, khối rắn tự do
+ Imagine & Shape: Thiết kế bề mặt, hình khối từ ảnh chụp
+ Generative Shape Design: Thiết kế bề mặt, hình khối tiến hóa
- Module Machining: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng chương trình gia công Các module con và chức năng của chúng:
+ Lathe Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công tiện
+ Prismatic Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay trên máy phay 3 trục
+ Surface Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay mặt cong
+ Advanced machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay trên máy phay 4, 5 trục
- Module Machining Simulation: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng máy CNC Các module con và chức năng của chúng:
+ NC Machine Tool Simulation: Mô phỏng máy CNC
+ NC Machine Tool Buider: Thiết lập máy CNC
Tổng quan về Ansys Workbench
Ansys là một phần mềm công nghiệp nổi bật, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích các bài toán vật lý và cơ học Phần mềm này chuyển đổi các phương trình vi phân và phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích sang dạng số thông qua quá trình rời rạc hóa và gần đúng, giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong kỹ thuật.
Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép giải quyết các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí và điện từ thông qua việc mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học Phương pháp này có khả năng xử lý các bài toán với điều kiện biên cụ thể và số bậc tự do lớn.
Phần mềm Ansys được sử dụng để giải quyết các bài toán kết cấu liên quan đến ứng suất, biến dạng và nhiệt độ cho các cấu trúc Ansys có khả năng xử lý nhiều dạng bài toán như tĩnh, dao động, cộng hưởng, ổn định, va đập và tiếp xúc với các loại phần tử như thanh, dầm, 2D và 3D Với hơn 200 kiểu phần tử khác nhau, Ansys cho phép người dùng chọn kiểu phần tử phù hợp với bài toán, đồng thời yêu cầu nhập các tham số vật liệu cần thiết như tính đàn hồi, độ dẻo và tính chất tuyến tính hay phi tuyến Việc mô phỏng trong Ansys dựa trên mô hình hình học chính xác, cho phép xây dựng các mô hình 2D và 3D với kích thước thực tế hoặc hình dáng giản đơn hóa Ansys sử dụng phương pháp số để tính toán, đảm bảo việc trao đổi và thống nhất giữa mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn.
Trong Ansys, người dùng có thể chia lưới phần tử một cách tự chọn hoặc tự động, với số lượng nút và phần tử quyết định độ chính xác của bài toán Việc chia lưới càng nhỏ càng tốt là cần thiết, nhưng cũng phụ thuộc vào khả năng của từng phần mềm; phiên bản công nghiệp có thể đạt hàng trăm nghìn nút và phần tử, trong khi phiên bản đại học chỉ đến hàng chục nghìn Để giải quyết bài toán, cần thiết lập các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học, bao gồm các ràng buộc và ngoại lực hoặc nội lực như lực, chuyển vị và nhiệt độ được áp dụng tại từng nút và phần tử.
Sau khi xác lập điều kiện bài toán, Ansys cho phép chọn các dạng bài toán để giải quyết, đặc biệt là các bài toán phi tuyến, nơi vấn đề hội tụ trở nên quan trọng Phần mềm này cung cấp khả năng thiết lập các bước lặp nhằm đạt được độ chính xác cao trong quá trình giải Để theo dõi tiến trình tính toán, Ansys hiển thị biểu đồ mối quan hệ giữa các bước lặp và độ hội tụ Kết quả tính toán được lưu trữ trong các file dữ liệu, và Ansys có hệ thống hậu xử lý mạnh mẽ, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, hình ảnh đồ thị để quan sát trường ứng suất, cũng như xuất kết quả dưới dạng bảng số.
Ansys sở hữu hệ thống hậu xử lý mạnh mẽ, tạo ra lợi thế cạnh tranh cho phần mềm này Điều này khiến nhiều phần mềm khác phải kết nối với Ansys để thực hiện phân tích trường ứng suất, biến dạng và các thông số vật lý khác.
Ansys Workbench là phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoàn chỉnh, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật toàn cầu để mô phỏng, tính toán và thiết kế Đây là công cụ quản lý dự án với giao diện tổng quát cao nhất, giúp liên kết các công cụ phần mềm của Ansys, đồng thời hỗ trợ xử lý dữ liệu truyền giữa các ứng dụng.
Ansys cung cấp 16 công cụ quan trọng như Mô hình, Lưới, Bộ giải và Hậu xử lý, giúp quản lý dự án hiệu quả Với khả năng trực quan hóa, người dùng có thể theo dõi quá trình xây dựng dự án mà không cần lo lắng về các tệp lưu trữ trên ổ cứng Workbench cho phép quản lý các ứng dụng độc lập và truyền dữ liệu giữa chúng, từ đó hỗ trợ thực hiện nghiên cứu thiết kế cho các bài toán tối ưu hóa một cách dễ dàng.
Thanh công cụ chính trong Ansys Workbench: Các tùy chọn hiển thị trong thanh Toolbox hiển thị tất cả các hệ phân tích mà ta có thể sử dụng
+ Analysis Systems: Là các khung phân tích tạo sẵn bao gồm các ứng dụng riêng lẻ cần thiết cho quy trình phân tích cơ bản
+ Component Systems: Là các khối xây dựng ứng dụng riêng lẻ cho mỗi giai đoạn của một phân tích
+ Design Exploration: Cung cấp các công cụ tối ưu thiết kế và khai thác tìm hiểu các đáp ứng tham số
Hình 2.12: Thanh công cụ Tootbox
Để bắt đầu quy trình phân tích cơ bản, người dùng cần kéo một Hệ thống Phân tích vào cửa sổ Sơ đồ Dự án Quy trình này bao gồm tất cả các bước cần thiết cho một phân tích điển hình, diễn ra theo hướng từ trên xuống dưới Khi hoàn thành từng bước, biểu tượng bên phải sẽ thay đổi, giúp người dùng dễ dàng theo dõi tiến trình.
Hình 2.13: Sơ đồ phân tích cơ bản
Workbench cho phép chia sẻ dữ liệu giữa các bộ giải, ví dụ như trong phân tích tương tác một chiều FSI, nơi dữ liệu tải từ mô phỏng CFD trong Fluent được truyền sang hệ phân tích Mechanical để thực hiện phân tích ứng suất Kết nối vuông biểu thị rằng mô hình CFD được tạo ra trong A2 đang được chia sẻ với mô hình FEA ở B3, trong khi kết nối hình tròn cho thấy các kết quả CFD được sử dụng làm điều kiện đầu vào cho phân tích ứng suất FEA.
Hình 2.14: Sơ đồ chia sẻ dữ liệu giữa các bộ giải
Ansys Workbench cho phép người dùng kết nối các mô hình CAD bằng cách nhập file CAD dạng trung gian hoặc file gốc từ các phần mềm như Catia, Inventor, SolidWorks, NX Các phần mềm này hỗ trợ tương tác hai chiều, cho phép người dùng thay đổi các tham số hình học và liên kết, bao gồm kích thước và vị trí của các đặc điểm hình học Người dùng có thể hiệu chỉnh mô hình bằng cách thêm hoặc bớt chi tiết Sau khi hoàn tất việc nhập và chỉnh sửa mô hình từ hệ thống CAD, người dùng có thể sử dụng mô hình đó cho quá trình phân tích mô phỏng.
Hình 2.15: Nhập mô hình CAD vào Workbench
2.3.1 Quy trình thực hiện mô phỏng Ansys trên Workbench
Khi bắt đầu giải bài toán trong Ansys Workbench, cần thiết lập các điều kiện ban đầu và biên cho mô hình, bao gồm các ràng buộc, nội lực và ngoại lực (như lực, chuyển vị, nhiệt độ) tại từng nút và phần tử Để tiến hành phân tích cơ bản, người dùng kéo một Analysis Systems vào cửa sổ Project Schematic, tạo ra quy trình phân tích với tất cả các bước cần thiết cho một mô phỏng điển hình Quy trình này diễn ra từ trên xuống dưới, và khi hoàn thành từng bước, biểu tượng bên phải sẽ thay đổi, cho thấy tiến trình giải quyết của mô phỏng.
- Mô hình hình học: Thiết kế chỉnh sửa hình học, mô hình hóa hình học 3D nhờ các phần mềm sau đó chuyển mô hình cho Workbench
Chia lưới phần tử là bước quan trọng trong phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích và tính bền cho kết cấu Số lượng nút và phần tử ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của bài toán, do đó, việc chia lưới càng mịn càng tốt là điều cần thiết Tuy nhiên, độ mịn của lưới còn phụ thuộc vào khả năng của từng phiên bản Ansys.
Trong quá trình thiết lập giả và giải trong Ansys Workbench, cần xác định các điểm và mặt cố định hoặc chuyển động với số bậc tự do nhất định, đồng thời nhập các lực tác dụng như lực tập trung, lực phân bố và moment Bên cạnh đó, việc chọn mô hình vật liệu cho từng chi tiết là rất quan trọng, bao gồm việc nhập các thuộc tính cơ học, nhiệt và các thuộc tính khác cho từng chi tiết và kết cấu.
Trong Ansys Workbench, người dùng có thể nhập 20 thuộc tính vật liệu không phải là các giá trị cố định về giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy, mà cho phép thiết lập quan hệ ứng suất và biến dạng phi tuyến, phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng Phần mềm cung cấp sẵn quan hệ ứng suất và biến dạng cho một số vật liệu thông dụng, đồng thời cho phép người dùng nhập các giá trị đường cong thực nghiệm của riêng mình.
Kết luận chương 2
1 Tìm hiểu, nắm được các ứng dụng của phần mềm thiết kế Catia
2 Tìm hiểu, nắm được quy trình mô phỏng tính bền của phần mềm Ansys Workbench
THIẾT KẾ NGƯỢC VÀ CATIA TRONG THIẾT KẾ NGƯỢC CẢN XE Ô TÔ
Tổng quan về thiết kế ngược
Công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay còn gọi là công nghệ chép mẫu, là một quy trình thiết kế lại mô hình vật lý thông qua việc số hóa bề mặt mẫu bằng thiết bị đo tọa độ Công nghệ này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế, cho phép xây dựng mô hình thiết kế từ dữ liệu số hóa.
Công nghệ đo 3D sử dụng máy đo để số hóa hình dáng chi tiết, kết hợp với phần mềm CAD/CAM để xử lý dữ liệu Quá trình này giúp tạo ra mô hình chi tiết với độ chính xác cao, cho phép tái tạo bản vẽ thiết kế số hóa của sản phẩm có sẵn, từ đó tối ưu hóa hoặc gia công trên máy CNC tự động.
Thiết kế ngược nhằm mục đích cải tiến và phát triển sản phẩm mới bằng cách khôi phục mô hình CAD cho các chi tiết hoặc cập nhật các bộ phận cơ khí Phương pháp này giúp thu thập thông tin tối đa về các ý tưởng thiết kế đã được sử dụng để tạo ra sản phẩm thực tế.
Kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse Engineering - RE) là một thuật ngữ ngày càng phổ biến trong thời gian gần đây, nhưng thực tế đã được áp dụng trong phát triển sản phẩm từ vài thập kỷ trước RE được định nghĩa là quá trình sao chép một vật thể, bộ phận hoặc sản phẩm hoàn chỉnh mà không cần đến bản vẽ, tài liệu hay mô hình máy tính.
3.1.1 Ưu điểm của công nghệ thiết kế ngược
Nhanh chóng thu thập mẫu thiết kế giúp phân tích và cải tiến sản phẩm, từ đó tạo ra những cải tiến hiệu quả hơn Một số tính năng của sản phẩm có thể gặp vấn đề về thiết kế và cần được điều chỉnh để nâng cao chất lượng.
Giảm thiểu thời gian thiết kế là yếu tố then chốt giúp nâng cao năng suất trong bối cảnh thị trường sản xuất toàn cầu đang phát triển mạnh mẽ Các nhà sản xuất cần liên tục khám phá những phương pháp mới để rút ngắn thời gian sản xuất, từ đó đáp ứng nhanh chóng nhu cầu của thị trường.
- Phân tích các tính năng tốt và xấu của sản phẩm của đối thủ cạnh tranh
- Mô hình CAD gốc không đủ để hỗ trợ sửa đổi
Cho phép thiết kế nhanh chóng và chính xác các mẫu có độ phức tạp hình học cao hoặc mẫu bề mặt tự do, từ đó nâng cao tính năng sản phẩm dựa trên việc sử dụng lâu dài.
Mô hình hóa bề mặt là phương tiện quan trọng để thu thập thông tin về các mẫu thiết kế dạng bề mặt có quy luật tạo hình nhưng không xác định được thông số thiết kế Các mẫu bề mặt này thường có hình dạng phức tạp, chẳng hạn như cánh tuabin, bề mặt thủy động học hoặc khí động học, đòi hỏi sự chính xác cao trong quá trình thiết kế và mô hình hóa.
- Cập nhật các tài liệu lỗi thời hoặc các quy trinh sản xuất lỗi thời với nhiều công nghệ hiện đại, ít tốn kém
3.1.2 Nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược
- Quy trình lấy mẫu phức tạp
- Cần có máy móc tân tiến để đảm bảo độ chính xác của sản phẩm
- Giá thành công nghệ cao.
Ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược trong ngành công nghệ ô tô
Trong ngành công nghệ chế tạo ô tô, công nghệ thiết kế ngược không chỉ được sử dụng để sửa chữa các thiết bị và máy móc hư hỏng, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các kiểu dáng cho vỏ ô tô.
Để tạo ra kiểu dáng cho một chiếc xe ô tô, quá trình thường trải qua nhiều bước phức tạp, bao gồm từ phác thảo, kiểm tra tính bền cho đến thiết kế và thử nghiệm Trong bước thiết kế, công nghệ thiết kế ngược được áp dụng nhằm tối ưu hóa quy trình.
Bước 1 : Nhà thiết kế vẽ bản phác thảo
Hình 3.1: Phát thảo kiểu dáng xe ô tô
Bước 2: Tạo mô hình đất sét
Bắt đầu từ một bộ khung có sẵn được định vị cân bằng và chuẩn xác, các kỹ sư tiến hành tạo mẫu thân xe bằng đất sét Dựa trên mẫu này, các nhà thiết kế, kỹ sư và ban lãnh đạo cùng thảo luận, đánh giá và điều chỉnh biên dạng để đạt được sự hoàn hảo và chính xác nhất.
Hình 3.2: Tạo mô hình ô tô bằng đất sét
Dựa trên mô phỏng, các chuyên gia thiết kế sẽ tạo ra các mô hình bằng đất sét và điều chỉnh chúng cho đến khi đạt được sản phẩm mà công chúng chấp nhận.
Bước 3: Số hóa sản phẩm nói trên bằng phương pháp scan 3D
Hình 3.3: Quét scan mẫu đất sét đã thiết kế
Dựa trên dữ liệu Scan 3D và sử dụng phần mềm thiết kế ngược như Rapid Form XOR, phần thân xe sẽ được tạo ra dần dần dưới dạng file 3D.
Quá trình thiết kế xe được chia thành ba giai đoạn chính: đầu tiên là thiết kế tổng quát toàn bộ thân xe, tiếp theo là nghiên cứu phương án phân mảnh cho từng bộ phận theo chức năng riêng, và cuối cùng là thiết kế vị trí lắp ghép cùng việc làm dày tấm.
Hình 3.4: Thiết kế bằng máy tính dựa theo file scan
Thiết bị quét scan Atos
Hệ thống máy ATOS bao gồm: Máy quét 3D ATOS, máy tính, bàn xoay, các ống kính ngắm, cáp tín hiệu, bộ điều khiển bàn xoay…
Quy trình thiết kế ngược
Quá trình phát triển sản phẩm bắt đầu từ mẫu thực tế, được số hóa và xử lý qua thiết bị và phần mềm chuyên dụng để tạo ra mô hình CAD Sau khi có mô hình CAD, các bước tiếp theo diễn ra theo chu trình sản xuất thuận, bao gồm tính toán, phân tích và tối ưu hóa bằng phần mềm CAE/CAM Tiếp theo, công nghệ gia công được chuẩn bị (CAPP) cho việc tạo mẫu nhanh hoặc lập trình trên máy CNC và các máy công cụ khác Cuối cùng, sản phẩm trải qua kiểm tra thực tế trước khi đưa vào sản xuất đại trà.
Kỹ thuật thiết kế ngược theo hướng tự động hóa được chia thành ba giai đoạn chính: đầu tiên là lấy mẫu bề mặt thông qua thiết bị đo quét tọa độ, tiếp theo là xử lý dữ liệu để đảm bảo tính chính xác, và cuối cùng là xây dựng mô hình thiết kế bằng phần mềm CAD và ứng dụng liên quan.
Quy trình thiết kế thuận Quy trình thiết kế ngược
Hình 3.6: Quy trình thiết kế ngược và thuận
3.4.1 Giai đoạn 1 : Chọn mẫu quét
- Sau khi xác định mẫu cần quét scan là cản xe Toyota, ta tiến hành tháo chi tiết
Hình 3.7: Tháo cản xe Toyota Hybrid Prius
- Sau khi được tháo rời vệ sinh cản sạch, giúp cho quá trình quét được chính xác
Hình 3.8: Cản xe Toyota Prius
3.4.2 Giai đoạn 2: Quét Scan 3D cản ô tô bằng máy GOM
Việc hiệu chỉnh trong hệ thống 3D là một quy trình quan trọng, gần như tự động, bao gồm việc di chuyển, chụp ảnh và phân tích vật mẫu trước một cặp máy ảnh stereo Quy trình này giúp tính toán chính xác các thông số bên trong và bên ngoài của máy ảnh, xác định vị trí của máy ảnh, đồng thời loại bỏ biến dạng ống kính Kết quả là loại bỏ sai số đo lường và thiết lập một hệ thống tọa độ ba chiều trên bề mặt mẫu vật, với thời gian thực hiện thường chỉ mất từ 1-3 phút.
Hình 3.9: Khởi tạo cho máy quét
Thực hiện qua các bước:
- Đặt vật mẫu lên bàn xoay
Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần điều chỉnh chùm ánh sáng xanh chiếu tới vật mẫu và hiệu chỉnh góc nghiêng độ cao của tấm hiệu chỉnh Mục tiêu là đảm bảo chùm sáng từ hai đèn hội tụ tại một điểm hoặc ít nhất là cùng một điểm gốc trên tấm hiệu chỉnh, tạo thành một tam giác đều.
29 và nhỏ nhất Tiến hành thực hiện việc điều chỉnh tấm hiệu chỉnh cùng với việc quan sát màn hình máy tính
Hình 3.10: Calib máy scan hoàn thành
Khi thực hiện quét scan, máy sẽ chiếu các tia vào bề mặt cần quét để xác định vị trí các điểm trên đó Do tính chất phản xạ của quá trình này, những chi tiết có màu trong suốt và độ bóng cao cần được sơn một lớp sơn trắng bên ngoài để đảm bảo độ chính xác của kết quả quét.
Bước 3: Dán điểm cho chi tiết bằng các điểm chuyên dụng Các điểm này có công dụng liên kết các mảng quét lại với nhau
Số lượng điểm tùy thuộc vào bề mặt của chi tiết quét Những chổ cong nhiều, có biên dạng phức tạp thì có lượng điểm nhiều hơn
Hình 3 11: Điểm dán chi tiết
Bước 4: Quét chi tiết bằng máy ATOS – GOM
- Bắt đầu quét dữ liệu đầu tiên ở bất kỳ vị trí nào và tự động quét dữ liệu với điểm cố định nhãn
- Thay đổi vị trí để quét dữ liệu thứ hai và tự động chồng chéo với dữ liệu
- Lặp lại các bước trước cho đến khi phôi hoàn toàn bao phủ dữ liệu đã quét
- Dữ liệu quét được tự động tích hợp vào một mô hình lưới hoàn chỉnh
Để tạo mẫu quét hoàn chỉnh từ các chi tiết lắp ghép, cần dán các điểm tham chiếu hình tròn trên hai mặt (mặt trên, mặt dưới hoặc mặt bên phải, trái) của chi tiết, đảm bảo có ít nhất ba điểm chung Sau đó, tiến hành quét hai mặt của các phần với nhau để hoàn thiện mẫu quét.
- Với máy Atos Core vì không sử dụng cánh tay robot nên trong quá trình scan ta xoay bàn xoay để điều chỉnh góc độ quét cho vật mẫu
Sau khi chuẩn bị vật mẫu và calib máy quét xong, ta tiến hành quét vật mẫu
Quy trình quét thực hiện lần lượt các bước sau:
- Khởi động phần mềm Gom, khởi động máy Scan
- Đặt vật mẫu lên bàn xoay (cố định lại bằng đất sét hoặc các gối đỡ…)
Để tối ưu hóa quá trình quét, điều chỉnh độ cao máy scan sao cho vật mẫu nằm trong vùng input tối đa, tức là trên màn hình máy tính, các điểm input màu xanh phải bao phủ xung quanh vật mẫu Số lượng điểm input càng nhiều sẽ giúp việc quét ở các góc độ khác nhau đảm bảo quét được toàn bộ bề mặt cần scan Nếu vật mẫu bị nghiêng, có thể sử dụng miếng đệm để điều chỉnh vị trí, đảm bảo ánh sáng chiếu vào vật mẫu là phù hợp nhất.
Sau khi xác nhận vật mẫu nằm trong khu vực các điểm input, tiến hành quét vật mẫu bằng phần mềm Gom Mở giao diện quét và bắt đầu quét mặt trên của vật mẫu, sau đó thực hiện tương tự cho mặt dưới Tiếp theo, đặt vật mẫu để quét mặt trước, và cuối cùng xoay vật mẫu để hoàn tất quá trình quét.
Để thu thập dữ liệu hiệu quả, bạn nên quét ở 31 góc độ khác nhau, bao gồm trái, phải, trên và dưới, đồng thời nhấn phím kích hoạt quét Lưu ý rằng việc quét nhiều sẽ làm tăng kích thước file scan, vì vậy hãy điều chỉnh các góc độ quét một cách hợp lý để đảm bảo file scan vừa nhẹ vừa đầy đủ thông tin về bề mặt.
Đối với các vật thể có nhiều góc cạnh và hình dạng phức tạp, việc quét kỹ là cần thiết để đảm bảo độ chính xác cao Trong trường hợp các vật có bề mặt đối xứng, chỉ cần quét một nửa bề mặt sẽ giúp tiết kiệm thời gian, đồng thời vẫn đảm bảo file quét đầy đủ cho thiết kế Phương pháp này không chỉ giúp file scan nhẹ hơn mà còn thuận tiện cho việc xử lý nhanh chóng.
- Dữ liệu quét của mỗi vùng quét sẽ được máy tính tính toán tổ hợp các vùng quét lại để hình thành bề mặt, biên dạng của chi tiết
- Ghép các vùng quét lại với nhau
Việc quét nhiều lần ở các vị trí khác nhau dẫn đến sự trùng lặp giữa các điểm, vì vậy chúng ta cần ghép các vùng quét lại với nhau Điều này giúp tạo ra một file scan hoàn chỉnh và dễ dàng hơn cho việc xử lý trong CAD.
- Kích chuột phải vào mẫu kế tiếp chọn select all tiếp theo chọn Project Complete
- Cắt bỏ phần thừa và xuất dữ liệu
Để cắt bỏ phần thừa trong quá trình quét, trước tiên cần xác định các phần không cần thiết, bao gồm đệm đỡ và mẫu quét bị liên kết với các khu vực ngoài vùng cần quét Để thực hiện việc này, bạn chỉ cần kích chuột phải vào màn hình, chọn "Select through Surface", sau đó lần lượt chọn các điểm để tạo miền bao phủ vùng cần xóa Cuối cùng, hãy chuyển đến Project để hoàn tất quá trình cắt bỏ.
Deleted Select Point sau đó xuất hiện hộp thoại, ta nhấn OK
- Ghép hai mặt lại với nhau
- Chọn một mặt làm tham chiếu Select Reence kế tiếp chọn điểm tham chiếu (giữ Ctrl để chọn nhiều điểm), kích chuột phải và chọn Select as Common RefPoint
Để ghép và ràng buộc các mặt lại với nhau, bạn chỉ cần chọn điểm tham chiếu cho mặt còn lại, đảm bảo các điểm này trùng với mặt đã chọn làm tham chiếu Sau đó, hãy chọn Project và tiếp tục với Transformation.
Sau khi hoàn tất việc quét sản phẩm và loại bỏ các phần thừa không cần thiết, bạn tiến hành xuất dữ liệu Để thực hiện điều này, hãy chọn tùy chọn Export, sau đó chọn nơi lưu trữ và đặt tên cho file, cuối cùng nhấn OK để hoàn tất.
Hình 3.12: Quét scan cản xe bằng máy ATOS – GOM
Giai đoạn số hóa bề mặt mẫu được thực hiện bằng các thiết bị đo quét tọa độ, được lựa chọn dựa trên hình dạng, yêu cầu độ chính xác, vật liệu và kích thước của chi tiết Hai loại thiết bị đo quét tọa độ phổ biến hiện nay là thiết bị đo không tiếp xúc và thiết bị đo tiếp xúc Các ví dụ tiêu biểu bao gồm máy quét laser (như Faro), máy đo quét công nghệ ánh sáng trắng (ATOS – GOM) và máy đo tọa độ (CMM) Dữ liệu quét thu được sẽ được chuyển đổi sang định dạng lưới (file STL) để phục vụ cho quá trình phân tích tiếp theo.
Hình 3.13: File STL cản xe Toyota
3.4.3 Xử lý file scan bằng phần mềm Catia
- Mô đun chính được sử dụng trong quá trình xử lý file Scan là Generative Shape Design
Hình 3.14: Các công cụ chính thực hiện trong thiết kế ngược
Kết luận chương 3
1 Tìm hiểu, nắm về quy trình thiết kế ngược, những ưu điểm khuyết điểm
2 Tìm hiểu, nắm về cấu tạo và cách hoạt động của máy quét scan 3D ATOS
3 Tìm hiểu, nắm về quy trình xử lý file quét scan bằng phần mềm Catia
KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC
Kiểm tra bằng dụng dụ đo
Do quá trình quét của máy ATOS có thể gây ra sai số, cùng với sai số phát sinh trong quá trình thiết kế lại trên CAD, nên cần kiểm tra xem sai số thiết kế có nằm trong phạm vi cho phép hay không.
Các thiết bị đo kích thước cơ bản bao gồm thước kẹp, panme đo trong và ngoài, thước đo độ sâu, độ cao, thước đo góc nghiêng và đồng hồ so Những thiết bị này có thể là cơ khí hoặc điện tử, với loại điện tử mang lại độ chính xác và độ phân giải cao hơn.
Sử dụng các công cụ đo như thước thẳng, thước cặp và panme để kiểm tra sai số là rất quan trọng Cần tiến hành đo kích thước của chi tiết sau khi xử lý và so sánh với kích thước thực tế Độ chính xác của kết quả đo sẽ phụ thuộc vào chất lượng của thiết bị và dụng cụ đo kiểm được sử dụng.
Hình 4.1: Một số dụng cụ đo
Do kích thước lớn và sự hạn chế về dụng cụ đo cũng như thời gian, nhóm đã sử dụng thước kéo để kiểm tra các thông số cản của xe, bao gồm chiều cao và chiều rộng.
Quy trình thực hiện bắt đầu bằng việc tháo cản xe để đo các kích thước tổng quát Sau khi xử lý file scan, chúng tôi xuất bản vẽ từ file đã được xử lý Cuối cùng, chúng tôi so sánh kích thước thực tế với kích thước từ file scan đã xử lý.
Hình 4.3: Đo chiều dài cản ô tô
Hình 4.4: Đo chiều cao của cản
Hình 4.5: Đo kích thước vùng nối chi tiết
Hình 4.6: Đo chiều dài khe gió
Do kích thước cản quá lớn, việc đo bằng thước dây dễ dẫn đến sai số Vì vậy, chúng tôi chỉ có thể lấy kích thước gần đúng nhất.
Bảng 4.1: Bảng so sánh kích thước giữa file mẫu và file thiết kế
Vật Mẫu File thiết kế Độ sai lệch
Chiều dài tổng 1700mm 1706.23mm 6.23mm
Chiều cao 470mm 474.43mm 4.43mm
Chiều dài khe gió 1165mm 1165.32mm 0.32mm
Chiều dài phần kết nối với khung xe 950mm 954.19mm 4.19mm
Hình 4.7: Hình chiếu đứng file xử lý scan
Hình 4.8: Hình chiếu bằng file xử lý scan
Kiểm tra bằng phần mềm
Sai số của thiết bị quét ATOS khoảng 50µm, tuy nhiên không cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cự ly quét, khoảng cách đến tiêu điểm, chế độ quét, điều kiện ánh sáng, phông nền, kích thước mẫu quét và ống kính sử dụng Việc xác định chính xác sai số này là rất khó khăn và hiện chưa có công cụ tính toán cụ thể cho vấn đề này.
Sử dụng phần mềm quét có thể dẫn đến sai số, bao gồm sai số tính toán khi điều khiển máy, bắt vật mẫu và điều chỉnh tiêu cự Những sai số này cũng có thể phát sinh từ sự điều chỉnh của người dùng, lựa chọn chế độ điều khiển máy và độ phân giải ảnh tối đa của phần mềm so với máy Tất cả những yếu tố này ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được.
Sử dụng phần mềm Catia để đánh giá dung sai giữ file scan chi tiết và chi tiết được thiết kế Dùng lệnh (Deviation Analysis)
Hình 4.9: Kiểm tra dung sai giữa file thiết kế và file scan 3D
Tiêu chuẩn về bề mặt trong thiết kế khung vỏ ô tô
Trong ngành công nghệ thiết kế và chế tạo bề mặt khung vỏ ô tô, có nhiều tiêu chuẩn nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng xe hoàn hảo cho người tiêu dùng Trong giai đoạn thiết kế, các tiêu chuẩn về bề mặt body bao gồm độ bóng, độ phẳng và độ cong Các tiêu chuẩn này được phân loại theo các cấp độ Class, từ Class C, Class B đến Class A, với Class A là tiêu chuẩn cao nhất.
- Bề mặt Class A là bất cứ thứ gì mà khách hàng nhìn thấy Tức là các tấm ngoại thất và bề mặt bên trong
Bề mặt lớp B của đồng hồ, thường là phần không dễ dàng quan sát, chính là mặt dưới mà bạn cần cúi xuống để nhìn rõ.
- Bề mặt lớp C là mặt sau của một phần của bề mặt được bao phủ vĩnh viễn bởi một phần khác
Trên các bề mặt body của ô tô mà ta nhìn thấy nó đẹp, bóng, sang trọng…là được thiết kế theo chuẩn Class A
Bề mặt hạng A (STRK) là thuật ngữ quan trọng trong thiết kế ô tô, ám chỉ việc tạo ra mô hình dữ liệu bề mặt 3D cho tất cả các bề mặt bên ngoài và bên trong Quy trình này không chỉ tập trung vào tính thẩm mỹ mà còn phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt.
Hình 4.10: Bề mặt hạng A trên ô tô
Class A thể hiện chất lượng cao cấp trong mô hình hóa bề mặt của các hình dạng nhìn thấy Điều này liên quan đến các nguyên tắc kiểm soát và xử lý rõ ràng, đảm bảo mức chất lượng tối ưu cho các mô hình bề mặt hoàn thiện.
4.3.2 Tiêu chuẩn về A-Class Surface
Các yêu cầu cơ bản đối với loại A bao gồm dung sai thiết kế chặt chẽ, đảm bảo tính liên tục bề mặt theo các tiêu chuẩn: Distance (G0), Tangent (G1), Curvature (G2) và Curvature-Tangency (G3), áp dụng cho tất cả các ngành sản xuất.
Tính liên tục bề mặt G0, G1, G2, G3 được sử dụng để mô tả các những bản bề mặt surface gặp nhau
Hình 4.11: Cung bo theo các chỉ tiêu liên tục mặt phẳng
Một vòng cung tròn (G1) được xác định bởi một giá trị bán kính cụ thể Tuy nhiên, do các vòng cung G2 và G3 không có hình dạng tròn, nên cần một phương pháp khác để xác định kích thước của chúng.
Hình 4.12: Các trường hợp liên tục mặt phẳng
Liên tục G0: có nghĩa là các đầu hoặc cạnh của các đường cong hoặc bề mặt giao nhau tại những đường cong hoặc bề mặt
Hai bề mặt hoặc đường cong có thể giao nhau tại bất kỳ góc độ nào, miễn là chúng chạm vào điểm cuối hoặc cạnh tương ứng Điều kiện này cho phép các bề mặt hoặc đường cong được kết nối để tạo thành một vòng khép kín, từ đó giúp bạn đổ khối cho chi tiết một cách hiệu quả.
Hình 4.13: Sự liên tục G0 của đường
Liên tục G1 yêu cầu các tiêu chí của liên tục G0 phải được đảm bảo, điều này có nghĩa là không thể đạt được liên tục G1 nếu không đáp ứng các yêu cầu cơ bản của G0 G1, hay còn gọi là liên tục Tangent hoặc liên tục kiểu góc, thể hiện rằng hai bề mặt chia sẻ một cạnh chung và mặt phẳng tiếp tuyến tại mỗi điểm dọc theo mép Chúng có cùng một góc nhìn, ví dụ như bo cung giữa hai mặt phẳng (fillet) hoặc sự pha trộn với liên tục Tangent Trong một số trường hợp, liên tục G1 cũng có thể liên quan đến các đường cong bậc hai như Conic, được tạo ra bằng cách cắt một mặt nón tròn xoay bằng một mặt phẳng.
Hình 4 14: Liên tục G1 giữa 2 mặt bề mặt
Liên tục G2, hay còn gọi là liên tục cong hoặc liên tục xuyên tâm, là khái niệm mô tả hai bề mặt gặp nhau dọc theo một cạnh chung, với tốc độ thay đổi độ cong tại mỗi điểm dọc theo cạnh là bằng nhau cho cả hai bề mặt Điều này đảm bảo quá trình chuyển đổi qua các cạnh diễn ra một cách liên tục, đáp ứng yêu cầu toán học tối thiểu cho bề mặt loại A Một cách diễn đạt khác là trong tình huống phản chiếu trên các bề mặt, bạn sẽ không thể xác định rõ ràng điểm kết thúc của một bản vá Trong CATIA V5, ví dụ về điều này bao gồm đường cong kết nối với tính liên tục độ cong, hoặc bề mặt pha trộn và bề mặt lấp đầy gặp nhau.
Hình 4.15: Sự liên tục G2 giữa 2 đường cong
Liên tục G3 duy trì quy trình tương tự như các phiên bản trước, nhưng cải tiến trong việc kiểm soát tốc độ cong dọc theo đường cong khi chuyển tiếp giữa các bề mặt G3 hướng tới việc đạt được sự cân bằng tối ưu về tốc độ cong, với giá trị tối đa của độ cong đạt cực đại tại khu vực chuyển tiếp.
Hình 4.16: Dùng lệnh khống chế liên tục G
4.3.3 Minh họa và so sánh, kiểm tra chất lượng mặt phẳng khi thiết kế
Kiểm tra chất lượng bề mặt thiết kế được thực hiện theo các tiêu chuẩn G0, G1, G2, G3 Nếu bề mặt đạt yêu cầu từ chuẩn G2 trở lên, nó sẽ được phân loại là Class A Đánh giá này được thực hiện thông qua các lệnh kiểm tra trong phần mềm Catia.
Lệnh kiểm tra dạng vân ngựa Isophotoe Mapping Analysis lệnh này ở môi trường Freestyle
Nhiệm vụ này giải thích cách áp dụng isophotes trên bề mặt, với isophotes là các sọc đen thay đổi được sử dụng để phân tích bề mặt phản chiếu Đây là công cụ hữu ích cho việc phân tích trạng thái phần tử Khi phân tích ánh xạ isophote trên một bề mặt trong suốt, bề mặt đó sẽ xuất hiện trong suốt trong quá trình phân tích.
Nếu No warning message if material mode is not ON tùy chọn được chọn trong
Tools > Options > Shape > FreeStyle > General tab, Mapping Analysis option, nó cho phép bạn tự động đặt chế độ vật liệu thành BẬT
Tùy chọn này kích hoạt chế độ vật liệu BẬT, bất chấp cài đặt trong View > Render Style > Customize, mà không có thông báo cảnh báo nào yêu cầu thay đổi Các tài liệu sẽ được tự động hiển thị để phân tích và sau khi quá trình phân tích hoàn tất, chế độ vật liệu sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Các phân tích ánh xạ khác nhau của cùng một bề mặt có thể được hiển thị đồng thời, cho phép bạn xem xét nhiều khía cạnh mà không cần phải bật các phân tích ánh xạ không hiển thị.
Giao diện lệnh kiểm tra vân ngựa bao gồm ba loại phân tích: loại hình trụ (Cylindrical type) hiển thị phân tích ánh xạ hình trụ, loại hình cầu (Spherical type) hiển thị phân tích ánh xạ hình cầu và loại đa băng tần (Multi band type) hiển thị phân tích ánh xạ đa băng tần Tùy chọn loại hình cầu được chọn theo mặc định.
Các giả thiết cho bài toán tính bền cản trước ô tô
Cản xe là bộ phận bảo vệ được chế tạo từ thép, nhôm, cao su hoặc nhựa, lắp đặt ở phía trước ô tô Chức năng chính của cản xe là hấp thụ lực va chạm khi xảy ra tai nạn ở tốc độ thấp, giúp giảm thiệt hại cho xe và bảo vệ các bộ phận bên trong.
Cản xe được thiết kế nhằm ngăn chặn hoặc giảm thiệt hại vật lý ở phía trước xe trong các vụ va chạm tốc độ thấp Tuy nhiên, cản trước ô tô không phải là thành phần cấu trúc chính có vai trò trong khả năng va chạm của xe hay bảo vệ hành khách Nó không được xem là tính năng an toàn giúp ngăn ngừa hoặc giảm mức độ nghiêm trọng thương tích cho người trong xe Thay vào đó, cản trước chủ yếu bảo vệ các bộ phận như mui xe, thân xe, két nước tản nhiệt, hệ thống làm mát và các thiết bị an toàn như đèn pha, đèn hậu trong các tình huống va chạm tốc độ thấp.
Vận tốc trước khi va chạm sẽ được lấy theo tiêu chuẩn của NHTSA (một tổ chức đánh giá an toàn của Mỹ) là 8 km/h (5 mph)
Composite (E-Glass), nhựa ABS và hợp kim nhôm là các vật liệu được chọn để làm cản trước ô tô trong việc tính toán.
Tiền xử lý – nhập mô hình mô phỏng
Kéo module Static Structural từ cửa sổ Analysis Systems lên cửa sổ Project Schematic, nhấn chuột phải vào nhánh Geometry chọn Import Geometry chọn
Để bắt đầu phân tích mô hình CAD, hãy mở cửa sổ Open và chọn mô hình cần thiết Tiếp theo, nhấn đúp chuột vào nhánh Model để mở cửa sổ Static Structural Mechanical Cuối cùng, chọn thanh công cụ Unit và thiết lập đơn vị theo hệ Metric (m, kg, N, s, mV, mA).
Chọn vật liệu và tính chất của vật liệu
To import material models in the Project Schematic interface, double-click on the Engineering Data branch Next, select Engineering Data Sources and choose the commonly used Granta Design Sample Materials library Finally, select ABS plastic by clicking the “+” icon.
Trong giao diện Static Structural Mechanical nhấn chuột trái vào dấu “+” nhánh
Geometry Trong mục Material ta chọn vật liệu ABS plastic để gán vật liệu cho mô hình
Hình 5.2: Tính chất vật liệu ABS plastic
To import material models, double-click on the Engineering Data branch, select Engineering Data Sources, choose the Composite Materials library, and then click the "+" icon to select E-Glass.
Trong giao diện Static Structural Mechanical nhấn chuột trái vào dấu “+” nhánh
Geometry Trong mục Material ta chọn vật liệu E-Glass để gán vật liệu cho mô hình
Thông số thuộc tính vật liệu Composite (E-glass)
Hình 5.3: Tính chất vật liệu E-Glass
5.3.3 Vật liệu hợp kim nhôm
To import a material model, double-click on the Engineering Data branch, select Engineering Data Sources, choose the Granta Design Sample Materials library, and then click the “+” icon to select Aluminum alloy.
Trong giao diện Static Structural Mechanical nhấn chuột trái vào dấu “+” nhánh
Geometry Trong mục Material ta chọn vật liệu Aluminum alloy để gán vật liệu cho mô hình
Thông số thuộc tính vật liệu Aluminum alloy
Hình 5.4 Tính chất vật liệu Aluminum alloy
Chia lưới mô hình và kiểm tra chất lượng lưới
Lưới bao gồm các nút và các phần tử biểu diễn hình học của mô hình
Để chia lưới trong phần mềm, bạn chỉ cần nhấn chuột phải vào nhánh Model và chọn Refresh, sau đó chọn Update để tự động chia lưới Tại nhánh Mesh, trong cửa sổ Defaults, bạn có thể điều chỉnh kích thước lưới qua phần Element Size Kích thước lưới nhỏ hơn sẽ mang lại kết quả tính toán chính xác hơn, nhưng thời gian tính toán cũng sẽ kéo dài Do đó, việc lựa chọn kích thước lưới phù hợp với từng bài toán là rất quan trọng.
Hình 5.5: Mô hình sau khi chia lưới
Để kiểm tra tiêu chuẩn chất lượng lưới, trong thanh công cụ Mesh Metric, hãy chọn tiêu chuẩn chất lượng lưới Element Quality Tiêu chuẩn này dựa trên tỉ lệ giữa khối lượng và độ dài của các phần tử, cho phép hiển thị thông tin chi tiết về lưới như số phần tử, số nút, giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất, giá trị trung bình và độ lệch.
Bảng 5.1: Tiêu chuẩn lưới và khối lượng bản thân cản
Volume 3,8541e-003 m³ Mass 4,0083 kg Scale Factor Value 1,
Thiết lập và giải bài toán
5.5.1 Đặt điều kiện biên cho mô hình Điều kiện biên của bài toán này là hai đầu của cản được cố định Để cố định hai đầu của cản ta nhấp chuột phải vào Static Structural chọn Insert sau đó chọn Fixed
Supports Trong cửa sổ Detail of “Fixed Supports” mục Geometry ta chọn 2 mặt ở hai đầu của cản để cố định nó
Hình 5.6: Hai mặt của đầu cản sau khi được cố định
5.5.2 Tính toán lực đặt vào cản xe Áp dụng định luật 2 Newton:
Trong đó: m: là khối lượng của chiếc xe Hybrid prius 2008 Khối lượng của chiếc là 1329.934 kg (2932 lbs)
Hình 5.7: Thông số của xe Toyota Hybrid prius 2008 a: gia tốc của chiếc xe
Trong đó gia tốc của được xe được tính: a = (u-v)/t
- v : là vận tốc sau khi va chạm (m/s)
- u : là vận tốc trước khi va chạm (m/s)
Vận tốc trước khi va chạm sẽ được lấy theo tiêu chuẩn của NHTSA (một tổ chức đánh giá an toàn của Mỹ) là 8 km/h (5 mph)
- t : thời gian diễn ra va chạm (s)
Từ đó ta có gia tốc được tính như sau : a = (u-v)/t = (2.22-0)/1 = 2.22 m/s 2
Lực đặt lên cản được tính:
5.5.3 Đặt lực tác động vào cản xe Đặt lực tác động vào cản xe theo phương vuông góc với cản Độ lớn của lực đặt vào đã được tính là F = 2952.45348 N Để đặt lực tác động vào cản xe ta nhấn chuột phải nhánh Static Structural, chọn
Hình 5.8: Thiết lập đặt lực tác động vào cản xe
Trong cửa sổ Details ở mục Geometry ta phải chọn mặt để lực tác dụng vào cản Ở mục Define By có hai loại:
+ Vector: lực được đặt theo một phương vector bất kì
+ Components: lực được đặt theo phương của hệ trục tọa độ
Chúng tôi đã chọn Components để áp dụng lực lên cản xe, với độ lớn lực là 2952.45348 N Phương của lực này là phương Z, vuông góc với cản xe và có chiều hướng vào cản xe.
Hình 5.9: Đặt lực tác dụng vào cản xe
5.5.4 Thiết lập điều khiển giải
Nhấn chuột phải vào nhánh Solution, chọn Insert, sau đó chọn Deformation và Total để phần mềm tính toán độ chuyển vị của cản xe khi có lực tác động Kết quả tính toán này sẽ giúp đánh giá độ bền của cản xe dựa trên độ chuyển vị được phần mềm cung cấp.
Hình 5.10: Thiết lập điều khiền giải cho ra kết quả chuyển vị
Nhấn chuột phải vào nhánh Solution, chọn Insert, sau đó chọn Stress và chọn Equivalent (von-Mises) Thiết lập này giúp xác định ứng suất phát sinh trong cản xe khi có lực tác động Kết quả từ phần mềm sau khi tính toán sẽ hỗ trợ đánh giá độ bền của cản xe.
Hình 5.11: Thiết lập điều khiển giải cho biết ứng suất sinh ra trong cản xe
Sau khi hoàn tất việc chọn các thiết lập điều khiển giải, bạn cần nhấn chuột phải vào Solution và chọn Solve để phần mềm bắt đầu quá trình tính toán Thời gian hoàn thành tính toán phụ thuộc vào độ phức tạp của vật thể và các thiết lập điều khiển giải đã được thực hiện.
Khai thác kết quả tính từ phần mềm
Bảng 5.2: Khối lượng và thể tích của cản xe bằng vật liệu Composite
Bảng 5.3: Khối lượng và thể tích của cản xe bằng vật liệu nhựa ABS
5.6.1.3 Vật liệu hợp kim nhôm
Bảng 5.4: Khối lượng và thể tích của cản xe bằng hợp kim nhôm
Hình 5.12: Độ chuyển vị sau khi lực tác động vào cản xe Composite
Bảng 5.5: Kết quả độ chuyển vị của cản xe Composite
Hình 5.13: Độ chuyển vị sau khi lực tác động vào cản xe nhựa ABS
Bảng 5.6: Kết quả độ chuyển vị của cản xe nhựa ABS
5.6.2.3 Vật liệu hợp kim nhôm
Hình 5.14: Độ chuyển vị sau khi lực tác động vào cản xe hợp kim nhôm
Bảng 5.7: Kết quả độ chuyển vị của cản xe hợp kim nhôm
5.6.3 Ứng suất sinh ra trong cản xe
Hình 5.15: Ứng suất sinh ra trong cản xe Composite
Bảng 5.8: Ứng suất Von-Mises sinh ra trong cản xe Composite
Time [s] Minimum [Pa] Maximum [Pa] Average [Pa]
1,0 1,8197e-002 1,1e+008 5,6828e+006 Ứng suất lớn nhất = 1,1*10 8 N/mm 2 = 110 Mpa Ứng suất nhỏ nhất = 0,018197 N/mm 2 Ứng suất giới hạn của vật liệu Composite = 490 Mpa (composite hand book)
Hệ số an toàn: k = ứng suất giới hạn / ứng suất lớn nhất k = 490/110 = 4.45
Hình 5.16: Ứng suất sinh ra trong cản xe nhựa ABS
Bảng 5.9: Ứng suất Von-Mises sinh ra trong cản xe nhựa ABS
Time [s] Minimum [Pa] Maximum [Pa] Average [Pa] Time [s]
1,0 0,2084 1,0378e+008 5,4301e+006 1,0 Ứng suất lớn nhất = 1,0378*10 8 N/mm 2 = 103,78 Mpa Ứng suất nhỏ nhất = 0,2084 N/mm 2 Ứng suất giới hạn của vật liệu nhựa ABS = 44,3 Mpa (lấy từ phần mềm Ansys)
Hệ số an toàn: k = ứng suất giới hạn / ứng suất lớn nhất k = 44,3/103,78 = 0.43
5.6.3.3 Vật liệu hợp kim nhôm
Hình 5.17: Ứng suất sinh ra trong cản xe hợp kim nhôm
Bảng 5.10: Ứng suất Von-Mises sinh ra trong cản xe hợp kim nhôm
Time [s] Minimum [Pa] Maximum [Pa] Average [Pa]
1,0 6,0987e-002 1,0774e+008 5,5718e+006 Ứng suất lớn nhất = 1,0774*10 8 N/mm 2 = 107,74 Mpa Ứng suất nhỏ nhất = 6,0987*10 -2 N/mm 2 Ứng suất giới hạn của vật liệu nhựa ABS = 254 Mpa (lấy từ phần mềm Ansys)
Hệ số an toàn: k = ứng suất giới hạn / ứng suất lớn nhất k = 254/107,74 = 2,35
Hệ số Poison’s
Hệ số Poisson (ký hiệu là ν) là tỷ số giữa độ biến dạng hông và biến dạng dọc trục tương đối khi một vật liệu bị nén hoặc kéo Khi vật liệu chịu lực, nó thường co lại hoặc giãn ra theo phương vuông góc với lực tác dụng Tuy nhiên, cũng có trường hợp vật liệu nở ra khi bị kéo và co lại khi bị nén Hệ số Poisson được sử dụng để mô tả xu hướng này của vật liệu.
Hệ số Poisson của vật liệu thông thường thường nằm trong khoảng từ -1,0 đến 0,5, với phần lớn vật liệu có hệ số Poisson trong khoảng 0,0 đến 0,5 Ví dụ, bấc có hệ số gần 0, thép có hệ số khoảng 0,3, và cao su gần đạt 0,5 Những vật liệu không thể chịu nén lý tưởng khi biến dạng đàn hồi trong khoảng nhỏ sẽ có hệ số Poisson bằng 0,5.
Hệ số Poisson cho biết được khả năng hấp thụ va đập của một vật liệu Hệ số càng lớn thì khả năng hấp thụ càng cao
Tổng hợp kết quả và nhận xét
Bảng 5.11: Bảng tổng hợp kết quả tính bền
Nhựa ABS Composite Hợp kim nhôm
Khối lượng 4,0083 kg 10,021 kg 10,329 kg Độ chuyển vị lớn nhất 64,166 mm 2,3245 mm 2,2404 mm Ứng suất nhỏ nhất 0,2084 Pa 0,018197 Pa 0,060987 Pa Ứng suất lớn nhất 103,78 MPa 110 MPa 107,74 MPa
Kết quả phân tích cho thấy cản xe làm bằng vật liệu composite và hợp kim nhôm có khối lượng tương đương, trong khi cản xe bằng nhựa ABS nhẹ hơn 2,5 lần so với hai loại trên Do đó, xét về tiêu chí tiết kiệm nhiên liệu, cản xe bằng nhựa ABS sẽ tiêu thụ ít nhiên liệu hơn Tuy nhiên, sự chênh lệch khối lượng giữa cản xe bằng nhựa ABS và hai loại còn lại chỉ là 6,3kg, nên mức giảm nhiên liệu tiêu thụ sẽ không đáng kể.
Theo kết quả tính toán từ phần mềm, cản xe làm bằng nhựa ABS có độ chuyển vị lớn nhất là 64,166 mm, trong khi độ chuyển vị của hai cản xe khác thấp hơn.
Vật liệu Composite và hợp kim nhôm có độ bền tương đương, nhưng khi độ chuyển vị lớn, nguy cơ hư hỏng các hệ thống phía sau cản trước sẽ tăng cao Do đó, cản xe làm từ Composite và hợp kim nhôm cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn cho hệ thống phía sau so với cản xe làm bằng nhựa ABS, đặc biệt là ở tốc độ thấp.
Hệ số an toàn khi chịu va đập cho thấy khả năng chống chịu và độ bền của các vật liệu làm cản xe Cụ thể, nhựa ABS có hệ số an toàn là 0,4, composite đạt 4,45, và hợp kim nhôm là 2,35 Kết quả cho thấy cản composite có khả năng chống va đập tốt nhất, trong khi cản nhựa ABS có độ bền kém nhất trong ba loại vật liệu được xem xét.
Hệ số Poisson cho thấy rằng cản xe làm bằng nhựa ABS có khả năng hấp thụ va đập tốt nhất, trong khi cản xe làm bằng vật liệu Composite lại có khả năng hấp thụ va đập kém nhất trong ba loại vật liệu được xem xét.
Kết luận chương 5
1 Nắm được quy trình và cách tính toán bền của cản xe ô tô bằng phần mềm Ansys
2 Nắm được khái niệm các thông số bền, hấp thụ lực…
3 Nắm được những ưu điểm và nhược điểm của từng loại vật liệu dùng để làm cản xe ô tô
