Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở Freecad trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe

Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho việc học tập, giảng dạy cũng như nghiên cứu khoa học trong việc thiết kế các chi tiết máy đều là các phần mềm thương mại đắt tiền như Catia, Inventor, Solidworks, … (có giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho một bản). Tuy nhiên, trên thực tế, các phần mềm này hầu như không được mua bản quyền mà thường được sử dụng dưới dạng “bẻ khóa”. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao có ý thực tiễn cao trong quá trình hội nhập.

1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Giới thiệu phần mềm FreeCAD Hình 1.2 Thiết kế chi tiết phần mềm FreeCAD Hình 1.3 Thiết kế, tính toán chi tiết phần mềm FreeCAD Hình 1.4 Giao diện ban đầu khởi động Freecad Hình 1.5 Thanh công cụ FreeCAD Hình 1.6 Vùng truy cập nhanh FreeCAD Hình 1.7 Thanh Combo View Hình 1.8 Giao diện Part Design Hình 1.9 Menu truy cập nhanh Hình 1.10 Hộp thoại thông tin chi tiết Hình 2.1.Giao diện thiết kế Sketch Hình 2.2 Thiết kế số biên dạng đơn giản Hình 2.3 Giao diện làm việc với Draft Hình 2.4 Hình ảnh làm việc với Part Design Hình 2.5 Minh họa tạo phác thảo Hình 2.6 Minh họa tạo vật thể 3D Hình 2.7 Minh họa chi tiết sau sử dụng lệnh chỉnh sửa Hình 2.8 Giao diện làm việc với Part Hình 2.9 Minh họa số chi tiết thiết kế với Part Hình 2.10 Thiết kế Bánh Hình 2.11 Bản vẽ tiêu chuẩn sau thiết lập Hình 2.12 Các tùy chọn xuất hình chiếu 2D Hình 2.13 Bản vẽ chưa có kích thước Hình 2.14 Hình vẽ ghi kích thước Hình 2.15 Dầm đơn giản ban đầu Hình 2.16 Chọn vật liệu cho dầm Hình 2.17 Đặt ràng buộc cho dầm Hình 2.18 Đặt tải trọng cho dầm Hình 2.19 Khởi chạy chương trình tính ứng suất, chuyển vị Hình 2.20 Bảng kết ứng suất Hình 2.21 Chuyển vị theo phương X hiển thị theo màu, phía màu xanh chuyển vị nhất, màu xanh dương chuyển vị nhiều Hình 2.22 Chuyển vị theo phương Y hiển thị theo màu, phía màu xanh chuyển vị nhất, màu đỏ chuyển vị nhiều Hình 2.23 Chuyển vị theo phương Z hiển thị theo màu, , phía màu xanh chuyển vị nhất, màu xanh dương chuyển vị lớn Hình 2.24 Chuyển vị tổng cộng theo phương X, Y, Z, hiển thị theo đồ thị màu, màu xanh chuyển vị nhất, màu đỏ chuyển vị lớn Hình 2.25 Hiệu ứng đồ họa minh họa cho chuyển vị dầm đặt tải trọng Hình 3.1 Bộ trục bánh xe đầu máy D19E Hình 3.2 Mô hình 3D trục bánh Trang 10 11 13 13 14 15 15 16 17 18 19 23 23 24 25 26 27 29 29 30 30 31 32 32 33 34 34 35 36 36 37 37 37 37 39 40 Hình 3.3 Bản vẽ trục bánh xuất từ mô hình 3D Hình 3.4 Mô hình 3D bánh xe Hình 3.5 Bản vẽ bánh xe xuất từ mô hình 3D Hình 3.6 Mô hình 3D bánh Hình 3.7 Bản vẽ bánh xuất từ mô hình 3D Hình 3.8 Các chi tiết trục bánh xe chưa lắp ráp Hình 3.9 Lắp ráp bánh vào trục Hình 3.10 Lắp ráp bánh xe phía bánh vào trục Hình 3.11 Lắp ráp bánh xe lại vào trục hoàn thiện trục bánh xe 40 41 41 42 42 43 43 44 44 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2D 3D CAD CAM CAE CAX CNC PLM Two Dimension Three Dimension Computer-aided design Computer-aided manufacturing Computer-aided engineering Computer-aided technologies Computer numerical control Product lifecycle management TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD trình thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe - Sinh viên thực hiện: Phan Trần Minh Đạt Nguyễn Đức Thông Trần Văn Quỳnh - Lớp: Tàu điện - Metro - K56 Khoa: Cơ khí Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: KS Nguyễn Đức Toàn Mục tiêu đề tài: Sử dụng phần mềm FreeCAD ứng dụng phần mềm trình thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe Tính sáng tạo: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay cho phần mềm thiết kế khí thương mại có chi phí cao Catia, Inventor, Solidworks, v.v.… - Ứng dụng phần mềm trình thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe Kết nghiên cứu: - Một tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD - Bản vẽ thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe 5 Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Vấn đề sở hữu trí tuệ quyền phát minh, sáng chế sản phẩm thương mại nước phát triển quan tâm thực từ lâu Tuy nhiên, Việt Nam, vấn đề giai đoạn bước đầu đưa vào thực Đây vấn đề tất yếu cần quan tâm trình hội nhập phát triển đất nước Trong trường đại học kỹ thuật Việt Nam, hầu hết phần mềm hỗ trợ cho việc học tập, giảng dạy nghiên cứu khoa học việc thiết kế chi tiết máy phần mềm thương mại đắt tiền Catia, Inventor, Solidworks, … (có giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho bản) Tuy nhiên, thực tế, phần mềm không mua quyền mà thường sử dụng dạng “bẻ khóa” Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay cho phần mềm thiết kế khí thương mại có chi phí cao có ý thực tiễn cao trình hội nhập Giúp giảm chi phí đào tạo Hơn nữa, phần mềm mã nguồn mở đưa vào nghiên cứu cải thiện, nâng cấp phần mềm có nhiều tính phù hợp tiện lợi cho chuyên ngành Thậm chí, đầu tư nghiên cứu hoàn thiện phần mềm hoàn toàn thương mại hóa theo giấy phép mã nguồn mở phần mềm Đây xu hướng trường đại học nước tiên tiến thực Công bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ họ tên tác giả, nhan đề yếu tố xuất có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày 14 tháng 04 năm 2017 Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài (ký, họ tên) Phan Trần Minh Đạt Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Mặc dù sinh viên năm thứ hai, nhóm sinh viên thực nỗ lực để hoàn thành mục tiêu đề tài Ngày 14 tháng 04 năm 2017 Người hướng dẫn (ký, họ tên) Nguyễn Đức Toàn MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài lý lựa chọn đề tài: Trong trường đại học kỹ thuật Việt Nam, hầu hết phần mềm hỗ trợ cho việc học tập, giảng dạy nghiên cứu khoa học việc thiết kế chi tiết máy phần mềm thương mại đắt tiền Catia, Inventor, Solidworks, … (có giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho bản) Tuy nhiên, thực tế, phần mềm không mua quyền mà thường sử dụng dạng “bẻ khóa” Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay cho phần mềm thiết kế khí thương mại có chi phí cao có ý thực tiễn cao trình hội nhập Giúp giảm chi phí đào tạo Hơn nữa, phần mềm mã nguồn mở đưa vào nghiên cứu cải thiện, nâng cấp phần mềm có nhiều tính phù hợp tiện lợi cho chuyên ngành Thậm chí, đầu tư nghiên cứu hoàn thiện phần mềm hoàn toàn thương mại hóa theo giấy phép mã nguồn mở phần mềm Đây xu hướng trường đại học nước tiên tiến thực Mặt khác, theo thông tin nhóm nghiên cứu tìm hiểu, tại, chưa có tài liệu tiếng Việt hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD Mục tiêu đề tài: Sử dụng phần mềm FreeCAD ứng dụng phần mềm trình thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu: Dựa sở tài liệu cung cấp trang chủ phần mềm (tài liệu tiếng Anh), kết hợp với kiến thức học tập vẽ kỹ thuật trường đại học, tiến hành nghiên cứu sử dụng phần mềm việc thiết kế chi tiết dạng 3D nói chung chi tiết đầu máy, toa xe nói riêng Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu phần mềm FreeCAD, trục bánh xe đầu máy; Phạm vi nghiên cứu sử dụng số mô đun phần mềm FreeCAD để xây dựng mô hình 3D trục bánh xe đầu máy sở trục bánh xe đầu máy D19E CHƯƠNG TỔNG QUAN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FREECAD 1.1 Giới thiệu về phần mềm FreeCAD FreeCAD là phần mềm thiết kế 2D, 3D, CAD chuyên nghiệp, từ đơn giản vẽ 2D đến phức tạp mô chuyển động, kiểm nghiệm độ bền, lập trình CNC, cung cấp công cụ hữu hiệu nhất, phục vụ cho công việc và học tập, đặc biệt, phần mềm hoàn toàn miễn phí có mã nguồn mở, đóng góp cộng đồng lập trình, kĩ sư… Hiện nay, tiếp tục nghiên cứu phát triển Hình 1.1 Giới thiệu phần mềm FreeCAD FreeCAD trang bị đầy đủ tính năng, công cụ tương đồng với phần mềm thiết kế thông dụng Catia, Solidworks, 10 FreeCAD cho phép bạn thiết kế các bản vẽ CAD, CAM, CAX, CAE và PLM, phục vụ đa số các lĩnh vực thiết kế khí, xây dựng, kiến trúc,… FreeCAD được hỗ trợ các chức tiên tiến dựa sở OpenCascade, một công cụ thiết kế hình học mạnh mẽ, tính thiết kế mô hình 3D được cung cấp bởi các thư viện 3D coin và python API, tính hữu ích mang lại hiệu cao trình thiết kế Ngoài ra, FreeCAD cũng có khả thiết kế bản vẽ 2D, nhiên không phải trọng tâm Nhưng phần mềm hoàn toàn thiết kế những bản vẽ 2D bản mà không gặp phải nhiều trở ngại Phần mềm FreeCAD hoạt động tất hệ điều hành Window, Mac OS, Linux, Với hỗ trợ đắc lực FreeCAD , trình thiết kế đơn giản hóa cách tối đa, mang lại hiệu thiết kế cao hơn, xác hơn, đặc biệt hiệu kinh tế cao so sánh với phần mềm thương mại Một số hình ảnh thiết kế với FreeCAD: Hình 1.2 Thiết kế chi tiết phần mềm FreeCAD 36 - Khi thực đủ bước trên, bắt đầu chạy chương trình kiểm nghiệm bền theo bước sau : Nhấp vào Combo View Sau nhấp xuất hộp thoại sau Hình 2.19 Khởi chạy chương trình tính ứng suất, chuyển vị Nhấp vào hộp thoại Nhấp vào Nhấp vào Sau đóng, xuât ô Result, nhấp vào Result, sau nhấp vào ô công cụ 37 Cuối cùng, ta nhận bảng sau : Hình 2.20 Bảng kết ứng suất Trên bảng kết quả, có ô hiển thị ứng suất, chuyển vị, giá trị ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình Bên có chức hiển thị hiệu ứng đồ họa chuyển vị dầm 38 Hình 2.21 Chuyển vị theo phương X hiển thị theo màu, phía màu xanh chuyển vị nhất, màu xanh dương chuyển vị nhiều Hình 2.22 Chuyển vị theo phương Y hiển thị theo màu, phía màu xanh chuyển vị nhất, màu đỏ chuyển vị nhiều 39 Hình 2.23 Chuyển vị theo phương Z hiển thị theo màu, , phía màu xanh chuyển vị nhất, màu xanh dương chuyển vị lớn Hình 2.24 Chuyển vị tổng cộng theo phương X, Y, Z, hiển thị theo đồ thị màu, màu xanh chuyển vị nhất, màu đỏ chuyển vị lớn Hình 2.25 Hiệu ứng đồ họa minh họa cho chuyển vị dầm đặt tải trọng Vậy giới thiệu toàn phần kiểm nghiệm độ bền theo phương pháp phần tử hữu hạn 40 41 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM FREECAD TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐẦU MÁY, TOA XE Trên đầu máy, toa xe có nhiều chi tiết máy phức tạp, điều kiện hạn chế mặt thời gian kiến thức (nhóm nghiên cứu sinh viên năm thứ hai, chưa học tập môn học chuyên môn), vậy, nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết lập mô hình 3D trục bánh xe đầu máy Đây chi tiết quan trọng đầu máy Cũng điều kiện hạn chế nên nhóm nghiên cứu sử dụng thông số kỹ thuật trục bánh xe đầu máy D19E để xây dựng mô hình 3.1 Giới thiệu kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E Tác dụng trục bánh xe đỡ toàn phần trọng lượng phía truyền trọng lượng xuống đường đảm bảo cho đầu máy chuyển động an toàn đường thẳng đường cong với hệ số bán cần thiết lên dốc khởi động với hệ số ma sát nhỏ Bộ trục bánh xe đầu máy đóng vai trò quan trọng trình hình thành lực kéo lực hãm, lực phát sinh chỗ tiếp xúc mặt lăn bánh xe mặt ray truyền lên trục bánh xe, lên bầu dầu khung giá chuyển hướng Hình 3.1 Bộ trục bánh xe đầu máy D19E 42 Trục bánh Vít dầu Bánh Bánh xe Vít dầu bánh Trục bánh xe có mâm bánh đúc liền bánh truyền động.Tất chi tiết chế tạo thép đúc sau gia công xác Các mối lắp bánh xe, bánh với trục bánh xe mối ghép chặt có độ dôi, then Thông số trục bánh xe Các kính thước chủ yếu sau : - Giang cách trục bánh xe : 925+1mm - Khoảng cách hai mặt lăn bánh xe : 1065mm - Đường kính bánh xe : 1000mm 3.2 Xây dựng mô hình 3D trục bánh xe đầu máy 3.2.1 Xây dựng mô hình 3D trục bánh Hình 3.2 Mô hình 3D trục bánh 43 Hình 3.3 Bản vẽ trục bánh xuất từ mô hình 3D 3.2.2 Xây dựng mô hình 3D bánh xe Hình 3.4 Mô hình 3D bánh xe 44 Hình 3.5 Bản vẽ bánh xe xuất từ mô hình 3D 3.2.3 Xây dựng mô hình 3D bánh Hình 3.6 Mô hình 3D bánh 45 Hình 3.7 Bản vẽ bánh xuất từ mô hình 3D 3.2.4 Lắp ráp trục bánh xe 46 Hình 3.8 Các chi tiết trục bánh xe chưa lắp ráp Hình 3.9 Lắp ráp bánh vào trục Hình 3.10 Lắp ráp bánh xe phía bánh vào trục 47 Hình 3.11 Lắp ráp bánh xe lại vào trục hoàn thiện trục bánh xe 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ *) Kết luận: Đề tài thực nội dung sau: - Nghiên cứu cách sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD tạo hướng dẫn sử dụng tiếng Việt - Ứng dụng phần mềm FreeCAD việc xây dựng mô hình 3D trục bánh xe đầu máy Đánh giá đóng góp đề tài khả ứng dụng kết nghiên cứu: - Theo thông tin nhóm nghiên cứu tìm hiểu, tại, chưa có hướng dẫn sử dụng chi tiết phần mềm FreeCAD tiếng Việt Vì vậy, coi hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD tiếng Việt - Từ việc nghiên cứu sử dụng phần mềm, nhóm nghiên cứu xét thấy hoàn toàn ứng dụng phần mềm FreeCAD việc học tập, giảng dạy nghiên cứu lĩnh vực kỹ thuật nói chung kỹ thuật khí nói riêng mà chi phí cho việc mua quyền phần mềm thương mại có tính tương tự có chi phí cao Catia, Inventor, Solidworks, v.v.… - Phần mềm FreeCAD có dung lượng nhỏ gọn (khoảng 500 MB), sử dụng tài nguyên máy tính Do đó, sử dụng phần mềm hầu hết cấu hình máy tính phổ thông *) Kiến nghị: Thông qua việc nghiên cứu sử dụng phần mềm FreeCAD, nhóm nghiên cứu thấy phần mềm số vấn đề chưa hoàn thiện thiếu số công cụ giúp thiết kế nhanh tiện lợi (giống số phần mềm thương mại); trình hoạt động số mô đun xử lý chưa ổn định, gây tình trạng làm chậm máy tính (vấn đề thường gặp phần mềm mã nguồn mở, mô đun thường lập trình viên tình nguyện riêng lẻ đóng góp) Tuy nhiên, tính chất mã nguồn mở nên hoàn toàn cải thiện phần mềm việc tiếp tục nghiên cứu tạo mô đun linh hoạt, tiện lợi cho lĩnh vực cụ thể thông qua sử dụng ngôn ngữ lập trình Python C++; có hai hình thức tạo tiện ích bổ sung cho phần mềm là: tạo 49 Workbench (thường người dùng có kiến thức lập trình chuyên sâu), hai tạo Macro (tạo Macro đơn giản người dùng có kiến thức lập trình tạo được) Ngoài ra, hạn chế mặt kiến thức chuyên môn nên nhóm nghiên cứu chưa thực việc tính toán kiểm nghiệm độ bền trục bánh xe đầu máy Vì vậy, có điều kiện tiếp tục nghiên cứu phát triển, ứng dụng phần mềm để tính toán kiểm nghiệm độ bền trục bánh xe đầu máy, đồng thời, nghiên cứu tạo Workbench đơn giản Macro giúp thiết kế trục bánh xe cách tự động Hơn nữa, trình bày trên, đầu tư nghiên cứu hoàn thiện phần mềm hoàn toàn thương mại hóa theo giấy phép mã nguồn mở phần mềm Đây xu hướng trường đại học nước tiên tiến thực 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS Đỗ Đức Tuấn, Công nghệ sửa chữa đầu máy Diesel, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2005 [2] TS Nguyễn Hữu Dũng, Cấu tạo tính toán Đầu máy Diesel, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2004 [3] Quy trình sửa chữa đầu máy D19E cấp ky, Xí nghiệp đầu máy Hà Nội, Hà Nội 2006 [4] Quy trình công nghệ lắp ráp giá chuyển hướng đầu máy D19E, Nhà máy xe lửa Gia Lâm, Long Biên 2004 [5] Hướng dẫn sử dụng (Tiếng Anh) cung cấp trang chủ FreeCAD https://www.freecadweb.org/wiki/Manual:Introduction ... TẢI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD trình thiết kế số chi tiết đầu máy, toa xe - Sinh viên... hành nghiên cứu sử dụng phần mềm việc thiết kế chi tiết dạng 3D nói chung chi tiết đầu máy, toa xe nói riêng Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu phần mềm FreeCAD, trục bánh xe đầu. .. dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay cho phần mềm thiết kế khí thương mại có chi phí cao Catia, Inventor, Solidworks, v.v.… - Ứng dụng phần mềm trình thiết kế số chi tiết