8 THÔNG TIN KÀT QUÀ NGHIÊN CĄU CĂA Đ TÀI .... 59 CH¯¡NG IV: GENERATIVE DESIGN TRONG PHÀN MÂM FUSION 360.. Sự khác nhau giữa Generative Design so và thiÁt kÁ truyÃn tháng .... 64 CH¯¡NG
Phân lo ¿ i
Sizing Optimization
SiO là một ph°Âng phỏp cỏ điÅn và dò dàng thực hiỏn bằng cỏch chọn kớch th°òc mặt cÃt căa cỏc giàn, dÁm và khung hoặc độ dày căa màng, t¿m và vò làm biÁn thiÁt kÁ, nh° trong hình 2.2 Sizing Optimization có thÅ đ°ÿc coi là một ph°¢ng pháp thiÁt kÁ chi tiÁt căa mụ hỡnh kÁt c¿u liờn quan đÁn một sỏ l°ÿng lòn cỏc thiÁt kÁ Nú đó đ°ÿc phỏt triÅn hoàn thiỏn và đang tró thành ph°Âng phỏp phỏ biÁn trong cộng đòng kỹ thuÁt Trong
SiO, kỹ s° hoặc nhà thiÁt kÁ biÁt c¿u trúc s¿ trông nh° thÁ nào, nh°ng không biÁt kích th°òc căa cỏc thành phÁn t¿o nờn c¿u trỳc đú
Hỡnh 2.2: Tỏi °u húa kớch th°òc cho cỏc c¿u trỳc trong mỏy bay
Ví dā, nÁu một dÁm s¿ đ°ÿc sử dāng, chiÃu dài và vá trí căa nó có thÅ đ°ÿc biÁt, nh°ng khụng phÁi là kớch th°òc mặt cÃt ngang căa nú (hỡnh 2.3A) Một vớ dā khỏc là c¿u trỳc giàn trong đú kớch th°òc tỏng thÅ căa nú cú thÅ đ°ÿc biÁt nh°ng khụng phÁi là cỏc khu vực cÃt ngang căa mỗi phÁn tử giàn (thanh), hình 2.3B Một ví dā khác là sự phân bá dày căa c¿u trỳc vò Và c bÁn, b¿t kỳ tớnh năng nào căa một c¿u trỳc đũi hòi kớch th°òc căa nó
Hỡnh 2.3: Vớ dā và Sizing Optimization: (A) c¿u trỳc dÁm khụng cú kớch th°òc, (B) c¿u trỳc giàn ch°a xỏc đỏnh kớch th°òc mặt cÃt ngang
Shape Optimization
ShO nhằm māc đớch thiÁt kÁ cỏc ranh giòi hoặc lỗ hỏng c¿u trỳc trong một c¿u trỳc, nh° trong hình 2.4 Ph°¢ng pháp này có thÅ đ°ÿc sử dāng trong thực tÁ đÅ cÁi thián các vá trớ nh° phõn phỏi ąng su¿t Th°ỏng tòn t¿i một sỏ l°ÿng nhò cỏc biÁn thiÁt kÁ hỡnh học do tham sá hóa liên kÁt Vì sự thay đái liên kÁt trực tiÁp thay đái mô hình hình học, phân tích độ nh¿y hình d¿ng liên quan đÁn các biÁn thiÁt kÁ hình học luôn là một v¿n đà cÁn đ°ÿc xem xét cẩn thÁn Rõ ràng, cÁ hai Shape Optimization và Sizing Optimization đÃu là các quy trình thiÁt kÁ chi tiÁt mà không thay đái c¿u trúc liên kÁt cā thÅ căa c¿u trúc
Hỡnh 2.4: Tỏi °u húa hỡnh d¿ng cỏc cutouts trong c¿u trỳc vỏch mòng
Trong Shape Optimization, ẩn sỏ là d¿ng hoặc đ°ỏng viÃn căa một phÁn ranh giòi căa miÃn c¿u trỳc Hỡnh d¿ng hoặc đ°ỏng biờn cú thÅ đ°ÿc biÅu diòn bằng một ph°Âng trỡnh ch°a biÁt hoặc bãi một tÁp hÿp các điÅm có vá trí không xác đánh (Hình 2.5)
Hỡnh 2.5: MiÃn thiÁt kÁ vòi đ°ỏng biờn đ°ÿc biÅu diòn d°òi d¿ng ph°Âng trỡnh f (x, y)
Topology Optimization
TO nhằm māc đích tìm ra một mô hình rÃn tái °u bá trí vÁt liáu trên một miÃn thiÁt kÁ cā thÅ vòi cỏc điÃu kiỏn biờn đó cho, nh° trong hỡnh 2.6 Ph°Âng phỏp này th°ỏng đ°ÿc sử dāng ã giai đo¿n thiÁt kÁ s¢ khai đÅ tái °u hóa độ cąng và tÁn sá tự nhiên căa c¿u trúc Topology Optimization ban đÁu là một giá trá riêng biát 0-1 Thách thąc chuyên mụn là giÁi phỏp căa một ch°Âng trỡnh sỏ nguyờn quy mụ lòn Ąng dāng thành cụng nhỏ phõn Lagrangian cho bài toỏn sỏ nguyờn quy mụ lòn đó đ°ÿc tỡm th¿y trong tỏc phẩm căa Beckers [BEC 97, BEC 99], ng°ái đã đà xu¿t một ph°¢ng pháp kép đÅ đái phú vòi cỏc biÁn thiÁt kÁ rỏi r¿c.
Ąng dāng
Trong lĩnh vực hàng không
Airbus trong một sá nghiên cąu gÁn đây đã sử dāng các công cā c¿u trúc liên kÁt, kích th°òc và hỡnh d¿ng căa Altair, nhằm cỏ gÃng đ¿t đ°ÿc cỏc thiÁt kÁ thành phÁn nhẹ hÂn và hiỏu quÁ hÂn Cỏc thành phÁn đ°ÿc xem xột bao gòm s°ỏn c¿nh cỏnh d¿n đÁu, s°ỏn hộp cánh chính,…
Quá trình thiÁt kÁ này (hình 2.12) đã đ°ÿc sử dāng đÅ tái °u hóa các thành phÁn máy bay khỏc nhau Cỏc vớ dā bao gòm trong cỏc phÁn sau cho th¿y cỏch tỏi °u húa c¿u trỳc liên kÁt có thÅ đ°ÿc sử dāng đÅ đà xu¿t các thiÁt kÁ ban đÁu tát cho các bộ phÁn máy bay, nh°ng cũng cho th¿y cỏch tỏi °u húa c¿u trỳc theo sau tỏi °u húa kớch th°òc và hình d¿ng chi tiÁt có thÅ đ°ÿc sử dāng đÅ cung c¿p các thiÁt kÁ thành phÁn máy bay hiáu quÁ đáp ąng sÁn xu¿t, án đánh và h¿n chÁ căng thẳng
Hỡnh 2.7: Quỏ trỡnh tỏi °u húa c¿u trỳc, kớch th°òc và hỡnh d¿ng đÅ thiÁt kÁ cỏc thành phÁn máy bay
Và điÃu kiỏn lý t°óng, t¿t cÁ cỏc kớch th°òc căa mặt cÃt cũng nh° độ dày căa l°òi cÃt cũng phÁi đ°ÿc thay đái nh° các thiÁt kÁ căa tái °u hóa, cho phép các chi tiÁt đ°ÿc tái °u hóa có độ án đánh trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng căa gân Nh°ng trong thực tÁ, cỏc kỹ s° đó xõy dựng cỏc mụ hỡnh phÁn tử hữu h¿n đÅ tỏi °u húa kớch th°òc và hỡnh d¿ng chi tiÁt, thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u húa đ°ÿc thực hiỏn vòi những khỏi l°ÿng tỏi thiÅu vòi cÁ yêu cÁu sÁn xu¿t và ąng su¿t cho phép Ąng su¿t cho phép Von Mises đ°ÿc sử dāng vòi hỏ sỏ giÁm độ mòi Và thiÁt kÁ, h¿n chÁ và sự cong vờnh căa chi tiÁt d°òi tÁi trọng Viỏc tỏi °u húa đÅ nú chi tiÁt tró thành một thiÁt kÁ khÁ thi vòi khỏi l°ÿng cuỏi cựng
22 tỏng cộng gÁn vòi trọng l°ÿng căa māc tiờu đÅ đỏp ąng vòi cụng viỏc chi tiÁt cÁn làm Sau đú, đÅ tỏi °u húa chi tiÁt đú phÁi đ°ÿc phõn tớch một sỏ tiờu chớ khỏc bao gòm: độ bÃn, độ mòi,…Hỡnh 2.13 cho th¿y một khung s°ỏn nguyờn m¿u cho khung s°ỏn m¿u A380
Hỡnh 2.8: C¿u trỳc liờn kÁ, kớch th°òc và hỡnh d¿ng đ°ÿc tỏi °u húa nguyờn m¿u A380 đ°ÿc gia công tć hÿp kim nhôm c°áng độ cao
Khung bÁn là Airbus A320 đã đ°ÿc tái °u hóa, kÁt hÿp ph°¢ng pháp tái °u hóa c¿u trúc liên kÁ
Tỏi °u húa cỏc bộ phÁn quy mụ nhò mang l¿i c hội lòn cho viỏc tiÁt kiỏm trọng l°ÿng và có thÅ trã nên khÁ thi và mặt kinh tÁ nÁu các công cā đ°ÿc phát triÅn đÅ giÁm thái gian sử dāng trong quy trình thiÁt kÁ,
Khung bÁn là đ°ÿc cỏ đỏnh vào cửa xà cć vòi 6 bu lụng và gÃn vào một khung t°Âng ąng trên c¿u trúc chính Khái l°ÿng căa thiÁt kÁ ban đÁu là 918g
Hình 2.9: ThiÁt kÁ ban đÁu căa bÁn là Airbus 320
Ta có thÅ th¿y đ°ÿc R1: là phÁn lực khi bu lông siÁt chặt vào bÁn là và R2: áp lực căa bu lụng khi siÁt vào S là ma sỏt tr°ÿc khi cú lực tỏc dāng Mũi tờn màu đò là h°òng kộo bÁn là khi bá lực tác dāng
Hỡnh 2.10: S đò lực Sau khi đ°Âc tỏi °u húa, khÁ năng ỏp su¿t lòn nh¿t căa thiÁt kÁ giÁm tć 836 MPa đÁn
443 MPa Ngoài ra, trọng l°ÿng căa thiÁt kÁ cũng giÁm 64% so vòi thiÁt kÁ ban đÁu
Hỡnh 2.11: BiÅu đò phõn tớch ąng su¿t căa thiÁt kÁ đó tỏi °u.
Trong lĩnh vực ô tô
Multidisciplinary Design Optimization có thÅ đ°ÿc đánh nghĩa là lĩnh vực kỹ thuÁt sử dāng các ph°¢ng pháp tái °u hóa khác nhau đÅ tìm giÁi pháp cho các v¿n đà thiÁt kÁ khác nhau bằng cách đ¢n giÁn kÁt hÿp nhiÃu lĩnh vực kỹ thuÁt Nó cũng đ°ÿc gọi bằng các tên nh° tái °u hóa đa ngành và tái °u hóa thiÁt kÁ há tháng đa ngành
Ngành công nghiáp ô tô là một trong những ngành khác liát nh¿t và c¿nh tranh Có sự c¿nh tranh gay gÃt giữa cỏc cụng ty đang đ°a ra cỏc sÁn phẩm sỏng t¿o đÅ đi tr°òc đỏi thă Viác sử dāng MDO trong ngành công nghiáp ô tô đã tăng gÁn g¿p 10 lÁn Māc đích chính căa viác sử dāng là tìm ra thiÁt kÁ tát nh¿t có thÅ, xem xét các ngành kỹ thuÁt khác nhau cựng một lỳc Giòi thiỏu nh° vÁy giỳp đ°a ra cỏc sÁn phẩm cÁi tiÁn nhiÃu Khi thực hián các nghiên cąu tái °u hóa, các giá trá sá căa cÁ hai hàm ràng buộc và hàm māc tiêu cÁn phÁi đ°ÿc kiÅm tra chéo cho các cài đặt liên quan đÁn thiÁt lÁp biÁn thiÁt kÁ Tái °u húa và mặt thiÁt kÁ dựa trờn mụ hỡnh cú thÅ dò dàng đ°ÿc thực hiỏn vòi cỏch tiÁp cÁn hiáu quÁ h¢n nhiÃu vì nó liên quan đÁn các vòng đánh giá ít h¢n liên quan đÁn các mô hỡnh mụ phòng chi tiÁt Cỏc lo¿i cài đặt biÁn thiÁt kÁ khỏc nhau cú thÅ đ°ÿc đỏnh giỏ
25 bằng viác sử dāng các mô hình, vì chúng cũng chính xác h¢n và không tán kém Ng°ÿc l¿i, cỏc mụ hỡnh mụ phòng phi tuyÁn r¿t tỏn kộm và d¿n đÁn phÁn ąng phąc t¿p hÂn nhiÃu, gõy khú khăn hÂn cho cỏc nhà thiÁt kÁ Đõy chò là một trong những khớa c¿nh mà MDO đang t¿o đ°ÿc d¿u ¿n trong ngành công nghiáp ô tô Theo thái gian, sự tin cÁy căa ngành ô tô vào các ph°¢ng pháp MDO s¿ giúp thiÁt kÁ xe hiáu quÁ và tiÁt kiám chi phí
PhÁn đÁu căa bài viÁt trình bày cách đ°áng d¿n tÁi c¿u trúc đ°ÿc trích xu¿t tć một khái l°ÿng thiÁt kÁ ban đÁu, tąc là mô hình CAD, bằng cách sử dāng tái °u hóa c¿u trúc liên kÁt tĩnh tuyÁn tính dựa trên FE Khái l°ÿng thiÁt kÁ sử dāng đ°ÿc minh họa trong hình 2.17 Kớch th°òc bờn ngoài tỏi đa gÁn đỳng căa khỏi l°ÿng thiÁt kÁ là: (x, y, z) 3865 mm x 1850 mm x 1530 mm
Hình 2.12: ThÅ tích thiÁt kÁ Khỏi l°ÿng thiÁt kÁ minh họa ó trờn đó đ°ÿc chia l°òi sử dāng cỏc phÁn tử tetra, vòi kớch th°òc trung bỡnh 25,0 mm ĐiÃu này d¿n đÁn l°òi gòm khoÁng 103000 nỳt và
Tỏng cộng sỏu tr°ỏng hÿp tÁi đó đ°ÿc xỏc đỏnh, chỳng đ°ÿc liỏt kờ bờn d°òi và đó đ°ÿc chuyÅn đái thành tÁi tĩnh t°¢ng đ°¢ng dựa trên sự cá mô hình xung căa xe có khái l°ÿng t°Âng đ°Âng ( nhò hÂn 1200 kg):
1 Tỏc động tr°òc, Offset Deformable Barrier (ODB)
2 Tác động dọc ã bên hông xe
3 Tác động ngang bên hông xe
5 Tác độ th¿p tác động phía sau trung tâm
6 Tác động phía sau tác độ cao
Những tr°áng hÿp trên đ°ÿc xác đánh ã hình 2.13:
Hình 2.13: Vá trí lực tác dāng lên xe
Mụ hỡnh vÁt liỏu đ°ÿc sử dāng đÅ tỏi °u húa c¿u trỳc liờn kÁt là đàn hòi tuyÁn tớnh, sử dāng các đặc tính vÁt liáu căa thép tiêu chuẩn:
• Mụ đun đàn hòi: ý = 210 ÿ�㕃ÿ
• MÁt độ khái l°ÿng thÅ tích: �㕉 = 7850 �㕘�㕔 ÿ⁄ 3
Hình Ánh minh họa cho tái °u hóa:
Hình 2.14: KÁt quÁ tái °u hóa
Vòi in 3D, xõy dựng một khỏi mụ hỡnh tỏi °u húa hỡnh d¿ng căa nú bằng cỏch sử dāng tỏi °u húa c¿u trỳc liờn kÁt là chuyỏn r¿t dò dàng và sau đú in trực tiÁp nú đÅ t¿o thành một phÁn sẵn sàng đÅ sử dāng
Chi tiÁt bellcrack này đ°ÿc áp một tÁi trọng theo ph°¢ng thẳng đąng vào lỗ ngoài cùng cú độ lòn là 2168.5N Ngoài ra, cũn cỏc điÃu kiỏn biờn nh° là chi tiÁt cú thÅxoay nh°ng khụng đ°ÿc tỏnh tiÁn ó lỗ giữa Khụng chò thÁ, bỏn lỗ nhò hÂn nÂi mà gÃn ỏng mụ men xoÃn bá h¿n chÁ tánh tiÁn ph°¢ng ngang và có thÅ xoay đ°ÿc
Hình 2.15: TÁi trọng và các điÃu kián biên trên chi tiÁt
VÁt liáu AlSi10Mg đ°ÿc sử dāng trong quá trình in
Các thông sác¢ bÁn và AlSi10Mg:
BÁng 2.1: Thông sá kỹ thuÁt và AlSi10Mg
Mụ đun đàn hòi 63122 ý�㕃ÿ Độ bÃn uán 213.0041 ý�㕃ÿ
Trọng l°ÿng riêng 2.63ý 2 09 �㕡ấĀ ÿÿ⁄ 3 Vòi th°òc đo độ tin cÁy trong mụ phòng hiỏn đó đ°ÿc thiÁt lÁp, viỏc tỏi °u húa chuụng cửa thang máy đã đ°ÿc bÃt đÁu bằng cách sử dāng phÁn mÃm tái °u hóa solid Thinking Inspire ™ ThiÁt kÁ này đó đ¿t đ°ÿc giÁm 45% khỏi l°ÿng, điÃu r¿t ý nghĩa đỏi vòi b¿t kỳ c¿u trỳc nào và đặc biỏt đỏi vòi cỏc c¿u trỳc khụng gian vũ trā, trong đú viỏc giÁm thiÅu trọng l°ÿng là r¿t quan trọng
Hình 2.16: ThiÁt kÁ đã đ°ÿc tái °u hóa
Sau khi đã đ°ÿc tái °u hóa xong, chi tiÁt đã giÁm đ°ÿc khái l°ÿng nh° mong muán nh°ng v¿n đă đ°ÿc an toàn khi sử dāng
Hỡnh 2.17: BiÅu đò hỏ sỏ an toàn trờn chi tiÁt
Có thÅ th¿y, há sá an toàn căa chi tiÁt r¿t là cao và phân bá há sá an toàn 6.0 gÁn nh° hÁt thiÁt kÁ Há sá an toàn th¿p nh¿t là 2.456
Hỡnh 2.18: BiÅu đò chuyÅn vỏ trờn chi tiÁt
Ta cú thÅ th¿y sự chuyÅn vỏ nhiÃu nh¿t căa chi tiÁt chò cú 0.1334 mm Ngoài chỗ đú ra, chúng ta hÁu nh° không th¿y sự biÁn đái nào trên c¿u trúc.
4.4 Trong lĩnh vực ki¿n trúc
4.4.1 Trung tâm Hội nghá quác gia Doha
Trung tâm hội nghá quác tÁ Doha do Chă nhân căa Explore, b¿m vào click Shape Generator
6.1.3.2 B°òc 2: Thờm Material và Constraints
Trên thanh công cā Analysis Material panel, chọn Assign
Trong hộp tho¿i Assign Materials, cột Override Material, nh¿n mã danh sách và chọn Steel
Trong cột Safety Factor, chọn Yield Strength
Hình 6.9 Hộp tho¿i Assign Materials
Trên thanh công cā căa Analysis, click vào Structural Constraints:
Chọn Pin , nh¿n chọn vào nh° hình 6.10 và chọn OK:
Hình 6.10 Chọn ràng buộc Pin thą nh¿t
Chọn Pin , nh¿n chọn vào nh° hỡnh 3 Nh°ng chò nh¿n chọn Fix Tangential Direction và click OK:
Hình 6.11 Chọn ràng buộc Frictionless thą hai
6.1.3.3 B°òc 3: Thờm Loads và Preserve Region
Trên thanh công cā căa Analysis, click vào Force:
Chọn mặt nh° trong hình 6.12 và nhÁp þ ÿ = 1608 þ;þ Ā = 400 þ.
Trên thanh công cā căa Analysis, click vào Preserve Region:
Chọn mặt nh° hỡnh 6.13, chònh Radius = 5.5 mm và Length = 8.29 mm và nh¿n Apply
79 Hình 6.13 Preserve Region thą nh¿t
Chọn mặt nh° hình 6.14, Radius = 5.5 mm và Length = 7.91 và nh¿n Apply
Hình 6.14 Preserve Region thą hai
T°Âng tự nh° vÁy, chọn mặt nh° hỡnh 7.19, chònh Radius = 4.76 mm và Length 12.2 và nh¿n OK
Hình 6.15 Preserve Region thą ba
6.1.3.4 B°òc 4: ĐiÃu chònh Shape Generator Settings và Promote Shape
Shape Generator Settings ĐÅ truy cÁp, thanh công cā Analysis Goals and Criteria panel, nh¿p vào Shape Generator Settings
Chònh Mass Target, reduce original by (%) là 18 % và Mesh Resolution là 2.5
Hình 6.16 Hộp tho¿i Shape Generator Settings
Sau đó, nh¿n thanh công cā Analysis Generate Shape
Hình 6.17 Hộp tho¿i Promote Shape
6.1.3.5 B°òc 5: ThiÁt kÁ l¿i chi tiÁt
Sau khi có file mesh căa chi tiÁt đ°ÿc tái °u hóa, hãy thiÁt kÁ l¿i dựa vào file mesh đú Chi tiÁt đ°ÿc thiÁt kÁ khụng cÁn thiÁt phÁi giỏng hoàn toàn vòi file mesh đ°ÿc ra Nh°ng mà ng°ái thiÁt kÁ phÁi làm sao cho hình d¿ng kÁt c¿u đ°ÿc tái °u ĐÅ cho thuÁn tián cho viác thiÁt kÁ, nh¿n View Visual Style Wireframe with
Cuái cùng, đã hoàn thành xong thì s¿ có kÁt quÁ t°¢ng tự nh° vÁy
Hình 6.18 Front Upper Arm đã tái °u
6.1.3.6 B°òc 6: Phõn tớch phÁn tử hữu h¿n và tỏi °u húa
Cụng cā Stress Analysis đ°ÿc sử dāng đÅ phõn tớch NgoÁi ra, cỏc thụng sỏ căa l°òi bao gòm Average Element Size: 0.01; Minimum Element Size: 0.010, Grading Factor: 1.000và Maximum Turn Angle: 45 deg Sá l°ÿng Nodes là 399410 và sá l°ÿng elements là 279012 ĐiÃu kián biên căa chi tiÁt là lực mũi tên màu vàng þ �㔷�㕥 1608 ỵ; ỵ �㔷Ā = 400 ỵ nh° hỡnh 18 Bờn c¿nh đú, hai lỗ d°òi căa chi tiÁt đ°ÿc ràng
84 buộc bãi Pin Constraints h¿n chÁ Radial Direction và Axial Direction TiÁp theo, mặt đÁu chi tiÁt thỡ đ°ÿc ràng buộc bói Pin Constraints chò h¿n chÁ Tangential Direction nh° hình 6.19
Hỡnh 6.19 File l°òi và điÃu kiỏn biờn căa chi tiÁt
BÁng 6.2: Thông sá vÁt liáu Stainless steel
Sau đó, chi tiÁt đ°ÿc phân tích đÅđ°a ra kÁt quÁ Von Mises Stress:
KÁt quÁ cho th¿y đ°ÿc, ąng su¿t tÁp trung ã các góc căa chi tiÁt bãi vì góc bo cung còn nhò ThÁm chớ ąng su¿t tỏi đa đ¿t đÁn 305.2 MPa õ cỏc hai vỏ trớ lỗ thỡ cú tÁp trung xu¿t khoÁng 122.1 MPa tòi 189.2 MPa
Sự khác nhau giữa Generative Design so và thiÁt kÁ truyÃn tháng
Case study 2: DÁm chữ I
BÁng 6.3: So sÁng khái l°ÿng căa hai thiÁt kÁ
Front Upper Arm ban đÁu 26.960 g Front Upper Arm tái °u 22.420 g
PhÁn trăm khái l°ÿng giÁm (%) 16.84%
Khụng chò thÁ, Front Upper Arm đó giÁm đÁn 16.84% vÁt liỏu nh°ng đă độ bÃn cho chi tiÁt
Thép hình là lo¿i thép đ°ÿc ąng dāng vào nhiÃu mÁng trong cuộc sáng con ng°ái nh°: kÁt c¿u xây dựng, kÁt c¿u kỹ thuÁt, đòn cân, xây dựng cÁu đ°áng, ngành công nghiáp đóng tàu, tháp truyÃn thanh, nâng vÁn chuyÅn máy móc, khung container, ká kho chąa hàng hóa, cÁu, tháp truyÃn, nâng và vÁn chuyÅn máy móc, lò h¢i công nghiáp, xây dựng nhà x°ãng, kÁt c¿u nhà tiÃn chÁ, nâng và vÁn chuyÅn máy, làm cọc cho nÃn nóng nhà x°ãng.….Tuy nhiên đáng kÅ nh¿t chính là ąng dāng trong ngành xây dựng
Ngày nay, cú r¿t nhiÃu lo¿i thộp hỡnh dỏng khỏc nhau vòi những đặc điÅm chuyờn biỏt khác nhau nhằm đáp ąng những nhu cÁu khác nhau căa các công trình hián đ¿i và tiêu biÅu là các lo¿i thép hình chữ H, thép hình chữ I và thép V Thép hình có đặc tính là cąng, bÃn bò, c°ỏng độ chỏu lực cao và chỏu đ°ÿc những rung động m¿nh Khi chỏu điÃu kián khÃc nghiát do tác động căa hóa ch¿t, nhiát độ nên phù hÿp cho các ngành công nghiáp và xây dựng
Nhằm tái °u hóa thiÁt kÁ căa dÁm chữ I, mô hình CAD đ°ÿc v¿ trên Inventor Professional 2019 và sử dāng mô đun Shape Generator đÅ tìm ra thiÁt kÁ tát nh¿t Ngoài ra, những mô hình này còn đ°ÿc phân tích phÁn tử hữu h¿n đÅ chąng minh các thiÁt kÁ đ°ÿc t¿o ra cú đÁm bÁo an toàn hay khụng? Khụng chò thÁ, nghiờn cąu này nhằm đÅ phát triÅn các kÁt c¿u truyÃn tháng đ°ÿc sử dāng tć r¿t lâu
6.2.3 Phõn tớch phÅn tử hữu h¿n và Tòi °u húa:
VÁt liỏu căa dÁm chữ I là Steel vòi cỏc thụng sỏ sau:
BÁng 6.4: BÁng vÁt liáu Steel
Các thông sá và Mesh căa dÁm ban đÁu nh° sau: sá l°ÿng nodes là 621697, sá l°ÿng elements là 386176
Hình 6.27 File Mesh ban đÁu căa dÁm chữ I
DÁm chữ I s¿ đ°ÿc phân tích trong 2 tr°áng hÿp:
DÁm s¿ bá tÁi ã bên phÁi và đ°ÿc cá đánh ã bên trái
DÁm s¿ bá tÁi phân bá đÃu ã mặt trên và đ°ÿc cá đánh ã bên trái
6.2.3.1 Tr°áng hÿp thą nh¿t: DÁm bá tÁi bên phÁi
ThiÁt kÁ ban đÁu: ĐÁu tiên, điÃu kián bên căa dÁm đ°ÿc phân tích nh° sau: bên trái căa dÁm đ°ÿc chọn Fix constraints, mũi tờn màu vàng ó bờn trỏi chò tÁi trọng cú độ lòn 1000N và h°òng xuỏng, cũn l¿i là mũi tờn màu xanh lỏ ó giữa chò h°òng gia tỏc trọng tr°ỏng và h°òng xuáng
Hình 6.28 ĐiÃu kián biên căa dÁm chữ I tr°áng hÿp 1
Sau đú, dÁm đ°ÿc phõn tớch d°òi mụ đun Static Analysis cho ra kÁt quÁ Von Mises Stress: â bên trái căa dÁm, cháu ąng su¿t ã mąc trung bình, khoÁng 37.81 MPa Còn ã bên phÁi ã dÁm là cháu ąng su¿t cao nh¿t tć 66.43 MPa đÁn 83.1MPa
Hình 6.29 Von Mises Stress căa dÁm chữ I ban đÁu
Cuái cùng, sự chuyÅn vá căa dÁm sau khi cháu tÁi trọng: Displacement â bên phÁi có sự chuyÅn vá nhiÃu nh¿t là 0.5459 mm, còn bên trái, d°áng nh° không có sự thay đái nào
Hình 6.30 Displacement căa dÁm chữ I ban đÁu
Mô đun Shape Generator giúp ng°ái kỹ s° tìm ra thiÁt kÁ tái °u nh¿t cho điÃu kián biên và những dữ liáu đÁu vào ĐÅ giÁi quyÁt nh° vÁy, những dữ liáu nh° là Mass Target, Preserve Region, Symmetry Plane phÁi đ°ÿc đ°a vào đÅ phÁn mÃm phõn tớch Hỡnh d°òi đõy là hỡnh d¿ng căa thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u sau khi ch¿y phõn tớch nh°ng đõy chò dữ liỏu Mesh NÁu muán có đ°ÿc hình d¿ng nh° vÁy thì phÁi tự v¿ l¿i trên phÁn mÃm
Hình 6.31 Hình d¿ng thiÁt kÁ đ°ÿc tái °u trong Shape Generator
Sau khi hoàn chònh phÁn CAD căa dÁm bằng cỏch Sizing Optimization đ°ÿc hỡnh d¿ng nh° thÁ này
Hình 6.32 Hình d¿ng CAD thiÁt kÁ đ°ÿc tái °u
TiÁp theo, mụ hỡnh CAD đ°ÿc chia l°òi vòi cỏc thụng sỏ nh° sau: sỏ l°ÿng nodes là
580416 và sá l°ÿng elements là 357844
Hỡnh 6.33 File l°òi căa dÁm đ°ÿc tỏi °u
Sau đó, các phÁn tử Mesh căa chi tiÁt đ°ÿc phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kÁt quÁ Von Mises Stress:
KÁt quÁ cho th¿y rằng, ąng su¿t cao nh¿t đÃu nằm bờn phÁi căa dÁm vòi giỏ trỏ tć 65.15 MPa đÁn 81.43 MPa Ngoài ra, ąng su¿t trung bình nằm ã vùng bên trái và t¿i các rãnh cũng xu¿t hián ąng su¿t, khoÁng 32.9 MPa đÁn 49.35 MPa
Hình 6.34 Von Mises Stress căa dÁm chữ I đ°ÿc tái °u
TiÁp theo, sự chuyÅn vá căa chi tiÁt đ°ÿc thÅ hián qua Displacement trong phÁn mÃm: õ kÁt quÁ bờn d°òi, sự chuyÅn vỏ tỏi đa nằm bờn phÁi khoÁng 0.6017 mm và dÁn dÁn giÁm đi khi và sang bên trái căa dÁm
Hình 6.35 Displacement căa dÁm chữ I đ°ÿc tái °u
KÁt luÁn và Phân tích:
Có thÅ nói rằng, dÁm chữ I đ°ÿc phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ąng su¿t và chuyÅn vỏ căa chi tiÁt õ thiÁt kÁ ban đÁu, ąng su¿t lòn nh¿t là 83.1 MPa và sự chuyÅn vỏ tỏi đa là 0.5459 mm Cũn ó thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u, ąng su¿t lòn nh¿t là 81.43 MPa và 0.6067 mm Ąng su¿t tái đa căa chi tiÁt đ°ÿc giÁm 1.67 MPa đi nh°ng sự chuyÅn vá thì là tăng lên 0.0608 mm nh°ng không đáng kÅ
Những điÃu này cú thÅ nhỡn th¿y đ°ÿc điÃu này trong biÅu đò sau đõy
Hỡnh 6.36 BiÅu đò so sỏnh Von Mises Stress căa hai thiÁt kÁ
Hỡnh 6.37 BiÅu đò so sỏnh Displacement căa hai thiÁt kÁ
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
BÁng 6.5: So sánh khái l°ÿng căa hai dÁm chữ I
Ngoài ra, dÁm cũn đ°ÿc giÁm 1.348 k, t°Âng đ°Âng vòi 12.34% ĐiÃu này cú thÅ tiÁt kiỏm một khoÁng tiÃn vÁt liỏu, nÁu chÁ t¿o một sỏ l°ÿng lòn
6.2.3.1 Tr°áng hÿp thą hai: DÁm bá tÁi phân bá đÃu
ThiÁt kÁ ban đÁu: ĐÁu tiên, điÃu kián bên căa dÁm đ°ÿc phân tích nh° sau: bên trái căa dÁm đ°ÿc chọn Fix constraints, mũi tờn màu đò ó giữa cú độ lòn 500 N và h°òng xuỏng, cũn l¿i là mũi tờn màu vàng nhòhÂn ó giữa chòh°òng gia tỏc trọng tr°ỏng và h°òng xuỏng
Hình 6.38 ĐiÃu kián biên căa dÁm chữ I tr°áng hÿp 2
Sau đú, dÁm đ°ÿc phõn tớch d°òi mụ đun Static Analysis cho ra kÁt quÁ Von Mises Stress: â bên trái căa dÁm, cháu ąng su¿t ã cao nh¿t, khoÁng 9.62 MPa đÁn 12.02 MPa Còn ã bên phÁi ã dÁm là cháu ąng su¿t th¿p nh¿t
Hình 6.39 Von Mises Stress căa dÁm chữI ban đÁu
Cuái cùng, sự chuyÅn vá căa dÁm sau khi cháu tÁi trọng: Displacement â bên phÁi có sự chuyÅn vá nhiÃu nh¿t là 0.1186 mm, còn bên trái, d°áng nh° không có sự thay đái nào
Hình 6.40 Displacement căa dÁm chữ I ban đÁu
Mô đun Shape Generator giúp ng°ái kỹ s° tìm ra thiÁt kÁ tái °u nh¿t cho điÃu kián biên và những dữ liáu đÁu vào ĐÅ giÁi quyÁt nh° vÁy, những dữ liáu nh° là Mass Target, Preserve Region, Symmetry Plane phÁi đ°ÿc đ°a vào đÅ phÁn mÃm phõn tớch Hỡnh d°òi đõy là hỡnh d¿ng căa thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u sau khi ch¿y phõn tớch nh°ng đõy chò dữ liỏu Mesh NÁu muán có đ°ÿc hình d¿ng nh° vÁy thì phÁi tự v¿ l¿i trên phÁn mÃm
Hình 6.41 Hình d¿ng thiÁt kÁ đ°ÿc tái °u trong Shape Generator
Sau khi hoàn chònh phÁn CAD căa dÁm bằng cỏch Sizing Optimization đ°ÿc hỡnh d¿ng nh° thÁ này
Hình 6.42 Hình d¿ng CAD thiÁt kÁ đ°ÿc tái °u
TiÁp theo, mụ hỡnh CAD đ°ÿc chia l°òi vòi cỏc thụng sỏ nh° sau: sỏ l°ÿng nodes là
135789 và sá l°ÿng elements là 78467
Hỡnh 6.43 Hỡnh d¿ng l°òi căa thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u
Sau đó, các phÁn tử Mesh căa chi tiÁt đ°ÿc phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kÁt quÁ Von Mises Stress:
KÁt quÁ cho th¿y rằng, ąng su¿t cao nh¿t đÃu nằm bờn phÁi căa dÁm vòi giỏ trỏ tć 48.28 MPa đÁn 60.53 MPa Ngoài ra, t¿i các rãnh cũng xu¿t hián ąng su¿t, khoÁng 32.9 MPa đÁn 49.35 MPa Cuái cùng thì, vùng bên phÁi căa dÁm thì ąng su¿t r¿t ít khoÁng 0.21 MPa
Hình 6.44 Von Mises Stress căa dÁm chữ I đ°ÿc tái °u
Case Study 3: Giá đỡ
Có thÅ nói, ká treo t°áng là một vÁt dāng r¿t phá biÁn trong ngôi nhà căa t¿t cÁ mọi ng°ái
HiÅu một cách đ¢n giÁn là ká treo t°áng là một lo¿i ká đ°ÿc thiÁt kÁ treo trên t°áng hoặc cá đánh bằng các giá đỡ và là vÁt dāng trang trí mang đÁn vẻ đẹp hián đ¿i, sang trọng cho khụng gian Chi tiÁt cú nhiỏm vā chỏu tÁi trọng tć cỏc kỏ sỏch, đò nhà tÃm, bàn trang trí
Hình 6.48 Giá đỡ ban đÁu
Nhằm muán tái °u hóa cho giá đỡ, phÁn mÃm Solid Edge 2020 đ°ÿc sử dāng đÅ phân tớch cỏc ràng buộc, tÁi trọng… đÅ tỡm ra một kÁt c¿u t°Âng ąng vòi tÁi trọng ban đÁu
Tr°òc khi tỏi °u chi tiÁt, thụng sỏ vÁt liỏu cÁn phÁi cÁn biÁt đÁn Bói vỡ ph°Âng phỏp gia cụng căa chi tiÁt là in 3D, nờn xài nhựa PLA Vòi cỏch thụng sỏ nh° sau:
BÁng 6.7 Thông sá nhựa PLA
Tensile stress at yield 3,790 psi
Tensile stress at break 3,830 psi
6.3.2.1 B°òc 1: Mó file và vào mụi tr°ỏng Generative Design
Mã file LBrace.par và nh¿n thanh công cā Generative Design, nh¿n vào Create
TiÁp theo, chọn Design Space đÅ xác nhÁn vùng cÁn tái °u và nh¿n tích xanh ã hình 6.49
Hình 6.49 Hộp tho¿i Design Space
6.3.2.2 B°òc 2: Thờm Material và Loads
Trong phÁn Material Table trên thanh công cā Generative Design, nh¿n vào Material Table ròi t¿o vÁt liỏu mòi đÅ nhÁp cỏc thụng sỏ căa nhựa PLA ó bÁng 6.7
Sau đó, chọn Force trong thanh công cā Generative Design và chọn 2 mặt nh° hình 6.50
Hình 6.50 Lực tác dāng lên giá đỡ
Cuái cùng, thay đái Value = 2000 N và Offset = 8 mm
Trong hộp tho¿i Generative Design, nh¿n Fixed ròi chọn bỏn mặt nh° hỡnh và chọn Offset = 8 mm:
Hình 6.51 Ràng buộc Fixed cho chi tiÁt
6.3.2.4 B°òc 4: ĐiÃu chònh Manufacturing Settings và Generate
Trong thanh công cā Generative Design, nh¿n Manufacturing Settings , chọn Material spread là 60% và các thông sánh° trong hình 6.52
Hình 6.52 Hộp tho¿i Manufacturing Settings
TiÁp theo, nh¿n Generate trờn thanh cụng cā Generative Design và điÃu chònh Study Quality = 5 Cuái cùng, Mass Reduction = 40% (há sá này có thÅ tăng thêm nÁu muán) và Factor of safety = 1.0
6.3.2.5 B°òc 5: HiÅn thỏ Stress trong thiÁt kÁ ĐÅ thÅ hiỏn kÁt quÁ một cỏch rừ ràng, nh¿n bò d¿u tớch đ°ÿc khoanh đò trong hỡnh 6.54
Hình 6.54 Các công cā hiÅn thá trong Solid Edge
Sau đó, trong thanh công cā Generative Design nh¿n Show Stress đÅ hiÅn thá sự phõn bỏ ąng su¿t căa chi tiÁt d°òi điÃu kiỏn biờn đ°ÿc ỏp dāng
Hình 6.55 Phân bá ąng su¿t căa chi tiÁt đ°ÿc tái °u
6.3.2.6 B°òc 6: Tỏi °u thờm chi tiÁt õ hỡnh tr°òc, s đò phõn bỏ ąng su¿t cũn tÁp trung bờn trong và bờn ngoài Đà giÁm bòt ąng su¿t bên trong, hãy thiÁt kÁ thêm vào hai supports đÅ đỡ một phÁn lực bên trên
Ngoài ra, cũn tăng thờm độ dày căa phÁn tụ màu đò thành 10.0 mm
Hình 6.57 Tăng độ dày giá đỡ
6.3.2.7 B°òc 7: Phõn tớch phÁn tử hữu h¿n:
Dằm phân tích phân bá ąng su¿t cũng nh° độ biÁn d¿ng căa sÁn phẩm, hai chi tiÁt đÃu phÁi đ°ÿc phân tích đÅ cho th¿y sự khác nhau giữa hai kÁt c¿u
Cụng cā Stress Analysis đ°ÿc sử dāng đÅ phõn tớch NgoÁi ra, cỏc thụng sỏ căa l°òi bao gòm Average Element Size: sỏ l°ÿng Nodes là 370853 và sỏ l°ÿng elements là
256129 ĐiÃu kián biên căa chi tiÁt là lực mũi tên màu vàng þ = 350 þ Bên c¿nh đó, mặt căa giá đỡ đ°ÿc gán ràng buộc Fixed nh° hình 7.61
Hỡnh 6.58 File l°òi và điÃu kiỏn biờn căa chi tiÁt
TiÁp theo, chi tiÁt đ°ÿc phân tích đÅ đ°a ra kÁt quÁ Von Mises Stress:
KÁt quÁ cho th¿y đ°ÿc, ąng su¿t tÁp trung hÁu hÁt ó mặt d°òi căa giỏ đỡ và đ¿t cao nh¿t t¿i 4.749 MPa Có thÅ nói, chỗ đó có thÅ bá nąt và gãy đÁu tiên
Hình 6.59 Von Mises Stress căa giá đỡban đÁu
Khụng chi thÁ, t¿i mộp ngoài cựng căa giỏ đỡ thỡ chuyÅn vỏ tòi 0.4865 mm Nh°ng cỏc chỗ còn l¿i không hà có chuyÅn vá nào
Hình 6.60 Displacement căa giá đỡ ban đÁu
Cụng cā Stress Analysis đ°ÿc sử dāng đÅ phõn tớch NgoÁi ra, cỏc thụng sỏ căa l°òi bao Sỏ l°ÿng Nodes là 254962 và sỏ l°ÿng elements là 169836 Vòi điÃu kiỏn biờn cũng tÁi trọng nh° hình 7.64
Hỡnh 6.61: File l°òi và điÃu kiỏn biờn căa chi tiÁt
TiÁp theo, ąng su¿t tÁp trung ó mặt d°òi căa giỏ đỡ và đ¿t cao nh¿t t¿i 4.475 MPa Ngoài ra, t¿i các supports cũng có ąng su¿t tć 1.79 MPa đÁn 2.685 MPa
Hình 6.62 Von Mises Street căa giá đỡ đã tái °u
T°Âng tự nh° trờn, chuyÅn vỏ nhiÃu nh¿t ó cỏc mộp căa giỏ đỡ và đ¿t tòi 0.3093 mm Khụng chò thÁ, cỏc supports và cỏc vựng xung quanh đÃu xu¿t hiỏn chuyÅn vỏ, tć 0.1237 mm đÁn 0.2474 mm
Hình 6.63 Displacement căa giá đỡ đã tái °u
6.3.2.8 B°òc 8: Thực nghiỏm chi tiÁt
Mô hình thực tÁ căa hai chi tiÁt đã đ°ÿc chÁ t¿o bằng công nghá in 3D Nhằm so sánh độ biÁn d¿ng căa hai chi tiÁt đã tái °u, hai chi tiÁt đ°ÿc cá đánh vô t°áng bãi hai tÃc kê sÃt
Hình 6.64 TÃc kÁ sÃt Hai tÃc kờ đ°ÿc bÃt vào t°ỏng đÅ cỏ đỏnh chi tiÁt ròi đo khoÁng cỏch tć mặt đ¿t đÁn mộp Sau đó, cÁ hai mô hình đ°ÿc cháu sąc nặng căa cāc đá và miÁng gỗ là 35 kg, t°¢ng đ°¢ng 350N
Cuỏi cựng, dựng th°òc kẹp đÅ đo biÁn d¿ng ó mộp căa chi tiÁt
T°¢ng tự nh° vÁy, giá đỡ tái °u cũng đ°ÿc kiÅm nghiám và cho kÁt quÁ nh° sau
BÁng 6.8 Thông sá chuyÅn vá căa hai giá đỡ
Tr°òc khi biÁn d¿ng
Sau khi biÁn d¿ng ChuyÅn vá
Giá đỡ ban đÁu 22.25 mm 21.65 mm 0.60 mm
Giá đỡ tái °u 22.25 mm 21.85 mm 0.40 mm
6.3.2.9 B°òc 9: Phõn tớch và kÁt luÁn
Cuái cùng, giá đỡ đ°ÿc phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ąng su¿t và chuyÅn vá căa chi tiÁt õ thiÁt kÁ ban đÁu, ąng su¿t lòn nh¿t là 4.749 MPa và sự chuyÅn vỏ tỏi đa là 0.4865 mm Cũn ó thiÁt kÁ đ°ÿc tỏi °u, ąng su¿t lòn nh¿t là 4.475 MPa và 0.3093 mm Ąng su¿t tỏi đa căa chi tiÁt đ°ÿc giÁm 0.274 MPa, và ąng su¿t lòn nh¿t này v¿n an toàn vỡ Yield strength căa vÁt liỏu là 26 MPa Đòng thỏi sự chuyÅn vỏ thỡ là giÁm lờn 0.1772 mm nh°ng không đáng kÅ
Những điÃu này cú thÅ nhỡn th¿y đ°ÿc điÃu này trong biÅu đò sau đõy
Hỡnh 6.65 BiÅu đò so sỏnh Von Mises Stress căa hai thiÁt kÁ
Hỡnh 6.66 BiÅu đò so sỏnh Displacement căa hai thiÁt kÁ BÁng 6.9 So sánh khái l°ÿng căa hai thiÁt kÁ
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu
Ngoài ra, giỏ đỡ cũn đ°ÿc giÁm 0.23 kg, t°Âng đ°Âng vòi 47.92% ĐiÃu này cú thÅ tiÁt kiám một khoÁng tiÃn vÁt liáu cũng nh° tiÃn in Hai kÁt quÁ phân t° phÁn tử hữu h¿n và ph°¢ng thąc thực nghiám thì có sai sá 29.32% ã giá đỡ đã tái °u, sai sá 23.33% ã giá đỡ ban đÁu
KắT LUÀN VÀ KIắN NGHị
Nh° bờn trờn, chỳng tụi đó tỡm hiÅu và cung c¿p c só lý thuyÁt, cỏch h°òng d¿n triÅn khai trên phÁn mÃm Autodesk Inventor 2019, Fusion 360 và Solid Edge 2020, so sánh sự khác biát giữa các mô-đun trong phÁn mÃm, nghiên cąu tr°áng hÿp thực tÁ và chi tiÁt tái °u hóa sÁn phẩm trong thiÁt kÁ Đòng thỏi, chỳng tụi cũng đó chąng minh bằng cỏch tớnh toỏn và kiÅm tra ąng su¿t và chuyÅn vá căa các chi tiÁt
Cā thÅ, chúng tôi đã thiÁt kÁ, tính toán và tái °u hóa các chi tiÁt trên phÁn mÃm Autodesk Inventor 2019, Fusion 360 và Solid Edge 2020
HÁu hÁt các tham sá thiÁt kÁvà tính toán đ°ÿc lựa chọn dựa trên các tài liáu và c¢ sã lý thuyÁt