Thiết kế sản phẩm 1.1 Yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ của sản phẩm CAE được viết tắt của Computer-Aided Engineering là việc sử dụng các phần mềm máytính để mô phỏng hoạt động để cải thiện t
THIẾT KẾ SẢN PHẨM CƠ KHÍ GỐI ĐỠ
Mô tả sản phẩm cơ khí bàn chân giả và ứng dụng trong thực tiễn
Bàn chân giả cơ khí là một thiết bị được thiết kế để thay thế chân thật cho những người mất chân hoặc không có chân Chân giả cơ khí được chế tạo từ các vật liệu như kim loại như thép, nhôm hoặc titan, mang lại sự chắc chắn và độ bền Bàn chân giả cơ khí được thiết kế để mô phỏng và thay thế chức năng của bàn chân tự nhiên Bàn chân giả cơ khí sử dụng các hệ thống cơ khí phức tạp để mô phỏng các chuyển động và hoạt động của bàn chân tự nhiên Các khớp cơ khí, bộ truyền động, và cơ cấu tự động giúp cung cấp độ linh hoạt và tính điều chỉnh cho người sử dụng Sản phẩm này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và tạo điều kiện cho người sử dụng tham gia tích cực trong xã hội và môi trường làm việc.
Vai trò của chân giả:
Chân giả có vai trò quan trọng trong việc giúp người mất chân hoặc không có chân có thể di chuyển và tham gia vào các hoạt động hàng ngày Dưới đây là một số vai trò cụ thể của chân giả:
Hỗ trợ di chuyển: Chân giả được thiết kế để giúp người mất chân hoặc không có chân có thể di chuyển và di chuyển một cách tự nhiên Chân giả có thể cung cấp sự ổn định và hỗ trợ trong quá trình đi, đứng, leo cầu thang và vận động.
Cải thiện chất lượng cuộc sống: Chân giả cho phép người mất chân hoặc không có chân có thể tham gia vào các hoạt động hàng ngày như đi lại, làm việc, thể dục và thể thao Điều này giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và độc lập của họ.
Tích hợp xã hội: Chân giả giúp người mất chân có thể tham gia vào xã hội một cách tự tin hơn Người mất chân có thể di chuyển một cách tự nhiên và tham gia vào các hoạt động xã hội như gặp gỡ bạn bè, tham gia các hoạt động nhóm và đi du lịch.
Phục hồi tinh thần: Chân giả có thể giúp người mất chân hoặc không có chân cảm thấy tự tin và có ý chí mạnh mẽ hơn Khả năng di chuyển và tham gia vào các hoạt động hàng ngày đóng vai trò quan trọng trong việc phục hồi tinh thần và sự tự tin. Đặc biệt hóa chân giả: Chân giả ngày càng được cải tiến với công nghệ mới như chân giả điện tử, chân giả bionic và chân giả phụ thuộc vào công nghệ Những cải tiến này giúp cải thiện chức năng và sự linh hoạt của chân giả.
Tóm lại, vai trò của chân giả là giúp người mất chân hoặc không có chân có thể di chuyển và tham gia vào cuộc sống hàng ngày Chân giả không chỉ cải thiện chất lượng cuộc sống mà còn giúp cải thiện tinh thần và sự tự tin của người sử dụng.
Hình 1: mô tả bàn chân giả [1]
Trong nghiên cứu này chân giả được thiết kế trên bằng cách sử dụng module Để thiết kế chi tiết gối đỡ, ta sử dụng phần mềm SpaceClaim của Ansys Hình 3D và 2D được miêu tả trong hình 2(a) và 2(b) tương ứng.
Hình 2 Mô hình ảnh 3D trong ansysworkbech
Mô tả yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm cơ khí
Yêu cầu kỹ thuật cho chân giả có thể bao gồm:
1 Thiết kế và chất liệu: Chân giả cần được thiết kế sao cho dễ dàng và thoải mái khi sử dụng. Chất liệu của chân giả cần đáp ứng các yêu cầu về độ bền, đàn hồi và khả năng chịu lực.
2 Tính di động: Chân giả cần có khả năng đồng bộ và di chuyển như tương tự như chân thật để người sử dụng có thể thực hiện các hoạt động hàng ngày một cách tự nhiên.
3 Tính năng cân bằng: Chân giả cần có khả năng cân bằng để người sử dụng có thể đứng và đi bằng cách phân bổ trọng lực một cách đồng đều.
4 Độ tin cậy: Chân giả cần có đặc tính đáng tin cậy để đảm bảo rằng người sử dụng có thể tin tưởng vào nó trong các hoạt động hàng ngày.
5 Khả năng thích ứng: Chân giả cần có khả năng thích ứng với các môi trường và địa hình khác nhau để người sử dụng có thể vận động một cách linh hoạt.
6 Tần rung động nhỏ hơn 2600Hz
7.Góc gập lưng lớn hơn 20
Mô tả đối tượng nghiên cứu
Bàn chân carbon không thực sự có các trục khớp như bàn chân đa trục nhưng carbon với đặc tính khả năng đàn hồi tốt nên nó cho phép thực hiện các chuyển động chức năng tương tự như chân thật (gấp gan-gấp mu, nghiêng trong-nghiêng ngoài) khi có ngoại lực tác động, ngoài ra chân giả carbon còn tích trữ năng lượng giúp người đi chân giả đi chân nhẹ nhàng và giảm tổn hao năng lượng. Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là bàn chân gia mà đã đề cập tới
Mô tả các nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu của CAE (Computer-Aided Engineering) trong chân giả tập trung vào phát triển và cải thiện tính năng, khả năng vận động và sự thoải mái của chân giả Một số nội dung nghiên cứu chính trong lĩnh vực này có thể bao gồm:
1 Thiết kế và tối ưu hóa chân giả: Sử dụng công nghệ mô phỏng và mô hình hóa, CAE có thể phân tích tải trọng và sức đề kháng của chân giả trong các hoàn cảnh khác nhau.Điều này giúp thiết kế chân giả có khả năng vận động linh hoạt, đồng thời giảm thiểu căng thẳng và mệt mỏi cho người sử dụng.
2 xây dựng quy trình mô phỏng ứng xử của bàn chân giả sử dụng phương pháp mô phỏng trong ansysworkbech
3 Đánh giá và tối ưu hóa cơ cấu chân giả: CAE sử dụng mô phỏng động và phân tích cơ học để đánh giá và tối ưu hóa cơ cấu chân giả Các mô phỏng này giúp hiểu được cách hoạt động của chân giả trong các hoạt động hàng ngày và từ đó cải thiện thiết kế nếu cần thiết để tăng tính ổn định và chính xác.
Mô tả các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kế thừa: Phương pháp này tận dụng kiến thức từ các sản phẩm hoặc cấu trúc đã có sẵn Áp dụng thông tin từ những mô hình gối đỡ trước đây để tinh chỉnh và cải thiện cấu trúc mới dựa trên kinh nghiệm đã có.
Phương pháp phân tích đánh giá: Phân tích chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của gối đỡ Sử dụng phần mềm để đánh giá tải trọng, độ bền, rung động và tương tác vật liệu để tối ưu hóa thiết kế.
Phương pháp phần tử hửu hạn (Finite Element Method - FEM): Phương pháp FEM đem lại khả năng mô phỏng và giải các vấn đề cơ học, vật lý và kỹ thuật Trong việc tối ưu hóa cấu trúc gối đỡ, FEM phân tích độ bền, phân phối tải trọng và dự đoán biến dạng, giúp điều chỉnh thiết kế để đáp ứng yêu cầu cụ thể.
Phương pháp phân tích đánh giá: Phân tích chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của gối đỡ Sử dụng phần mềm để đánh giá tải trọng, độ bền, rung động và tương tác vật liệu để tối ưu hóa thiết kế.
Phương pháp phần tử hửu hạn (Finite Element Method - FEM): Phương pháp FEM đem lại khả năng mô phỏng và giải các vấn đề cơ học, vật lý và kỹ thuật Trong việc tối ưu hóa cấu trúc gối đỡ, FEM phân tích độ bền, phân phối tải trọng và dự đoán biến dạng, giúp điều chỉnh thiết kế để đáp ứng yêu cầu cụ thể.
QUI TRÌNH THỰC HIỆN MÔ PHỎNG THIẾT KẾ SẢN PHẨM CƠ GỐI ĐỠ
Mô tả vật liệu sử dụng và tính chất của vật liệu
Bàn chân giả trong đề tài nghiên cứu và phân tích bằng sử dụng vật liệu thép cấu trúc. Tính chất vật liệu được trình bày trong bảng 1
Bảng 1 Tính chất của vật liệu [1]
Bảng 1 : Môđun Young và Tỷ số Poisson của vật liệu Thép
Thông số Giá trị Đơn vị
Hệ số nở nhiệt độ 1.20E-05 1/°C Độ chịu lực kéo tối đa
Hình 3.1 : Thông số tính chất vật liệu cho bàn chân giả
Các thông số về vật liệu thép được trình bày trong hình 3 trong phần mềm mô phỏng
Có một số lý do vì sao người ta chọn composite làm vật liệu cho chân giả:
1 Độ bền: Thép là một vật liệu rất bền và chắc chắn, có thể chịu được lượng trọng lượng lớn mà không bị biến dạng hay gãy điểm yield strengh 250 Mpa ( Hình 3.1) Điều này làm cho bàn chân giả bằng thép trở nên rất đáng tin cậy và lâu bền
2 Nhẹ và mạnh: Mặc dù thép rất chắc chắn, nhưng nó cũng rất nhẹ Điều này giúp giảm khối lượng và trọng lượng tổng thể của bàn chân giả, tạo cảm giác thoải mái và linh hoạt khi sử dụng Thêm vào đó, thép là một vật liệu rất mạnh, có thể chịu được các tác động và stress lớn mà không bị bể điểm phát hủy 460 Mpa ( Hình 3.1 )
3 Dễ chế tạo: Thép là một vật liệu dễ dàng để chế tạo và gia công Điều này cho phép tạo ra các kiểu dáng và hình dạng phức tạp cho bàn chân giả, đồng thời giữ được tính thẩm mỹ cao
4 Kháng nước và dễ vệ sinh: Thép có tính chất không thấm nước, do đó dễ dàng để vệ sinh và chống lại tác động của môi trường ẩm ướt Điều này cũng giúp bảo vệ bàn chân giả khỏi nấm mốc và vi khuẩn.
5 chi phí sản xuất tiết kiệm.
Mô tả điều kiện và cách đặt tải cho bài toán tĩnh học và động học
Tĩnh học dùng modun Static structural trong anysworbech
Static structural là một phần mềm trong Ansys Workbench được sử dụng để phân tích cơ học kết cấu tĩnh Nó cung cấp các công cụ để chịu trách nhiệm tính toán các yếu tố như độ uốn, căng, nén, lệch tâm, hẹp giữa các thành phần cơ học Trong static structural, người dùng có thể thực hiện các phân tích tải trọng tĩnh, tải trọng biến dạng và tải trọng sự gia công, giúp xác định các căn cứ cần thiết để thiết kế và đánh giá hiệu suất của một cấu trúc.
Trong đề tài nghiên cứu này chúng đặt lực mô phỏng việc tác dụng lực lên bàn chân giả với một lực 300N ( Hình 3.2.1) việc đặt lực nhằm mô phỏng bàn chân chịu lực thực tế với việc thực hiện trên modun tĩnh học từ ngoại lực hướng vào bàn chân giả vuông góc với bàn chân.
Hình 3.2.1: đặt lực cho bàn chân giả
Việc định vị bàn chân giả thết cho 3 pha (Hình 3.2.2 ) của quá trình sử dụng của bàn chân là pha sau pha giữa và pha trước, ở bài nghiên cứu này chỉ mô phỏng một trong 3 pha này là pha sau
Hình 3.2.2: cố định mặt phía bên dưới của bàn chân giả Đặt tải cho bàn chấn giả trong đề tài này là tải với lực hướng xuống mô tả trọng lực của cơ thể hướng xống bàn chân, với việc mô phỏng cố định một mặt dưới của bàn chân mô tả quá trình của một pha trong tổng số 3 pha đi của bàn chân giả Các điều kiện ràng buộc là lực hướng xuống theo phương vuông góc với bàn chân giả.
Hình 3.2.2: Mô tả 3 Pha hoạt động của bàn chân giả
Trong lĩnh vực CAE, "chia lưới" (meshing) trong bối cảnh Static Structural (cấu trúc tĩnh), đó thường là quá trình chia lưới mô hình cấu trúc thành các phần tử nhỏ hơn để thực hiện phân tích cấu trúc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM).
3.2.3: Hình ảnh tô tả chia lưới
Quá trình chia lưới bao gồm việc chia toàn bộ không gian cấu trúc thành các phần tử hữu hạn nhỏ, chẳng hạn như thanh, tam giác, hay hình chữ nhật, để mô phỏng và tính toán các ứng suất, biến dạng, và các tính chất cơ học khác của cấu trúc trong điều kiện tĩnh.
Mục tiêu là chia lưới sao cho nó đủ chính xác để mô phỏng chính xác các hiện tượng vật lý trong cấu trúc, nhưng cũng phải cân nhắc giữa độ tinh tế và tài nguyên tính toán Một chia lưới tốt sẽ giúp đảm bảo rằng kết quả phân tích là độ chính xác cao, và thời gian tính toán là hợp lý.
Ngoài ra, chia lưới cũng cần được kiểm tra để đảm bảo rằng không có vấn đề như phần tử méo mó, tỷ lệ chiều dài cạ
Thiết lập dữ liệu về vật liệu trong mục 2 (Engineering Data Hình 3.2.3)
Lấy modol bên static structural:
Hình 3.2.3: mô tả thao tác chia lưới
Trong phân tích mô phỏng công nghiệp (CAE), chia lưới là quá trình chia mô hình không gian ba chiều thành các yếu tố nhỏ hơn, gọi là yếu tố lưới Việc chia lưới đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác và hiệu suất của mô phỏng CAE Chọn công cụ chia lưới trong phần mềm CAE và áp dụng nó vào mô hình của bạn Công cụ này sẽ tự động chia lưới mô hình thành các yếu tố lưới nhỏ hơn dựa trên thông số đã thiết lập (hình 3.2.3).Vệc sử dụng phần mềm CAE chuyên nghiệp và có kiến thức về quá trình chia lưới là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt. Ở đây sử dụng phương pháp chia lưới tự động Automatic Method với 5464(Nodes) nút và 2626 phần tử (element)
Trong đề tài nghiên cứu dùng phương pháp chia lưới tự động Phương pháp chia lưới tự động (hình 3.2.3b) là một phương pháp để tạo lưới chính xác và hiệu quả tự động cho một không gian ba chiều hoặc cao hơn Đây là quá trình quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm địa chất, địa mạo, thiết kế sản xuất, đồ họa máy tính và nhiều lĩnh vực khác.
Hình 3.2.4: chất lượng lưới sau khi chia của bàn chân giả
Từ (hình 3.2.4) ta thấy rằng chất lượng tốt nhất theo bảng chuẩn đối chiếu theo skewness mesh metrics spectrum 0.017569 nằm trong khoảng rất tốt.và chất lượng tạm chấp nhận nằn trong khoảng
Hình 3.2.5: Bảng chuẩn chất lượng lưới
Nhận thấy chất lượng lưới khá tốt ra bảng chất lượng lưới the Skewness mesh nằm trong khoảng cho phép và chất lượng thập nhất là 0.97