HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phân tích tham số hạt tối ưu hóa hình thái học cho cấu trúc khung - vỏ Parametric analysis of beads in topography optimization for shell-frame structure Chu Khắc Trung*, Nguyễn Văn Tài Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: chu.trung@haui.edu.vn Mobile: 0971533463 Tóm tắt Từ khóa: Cấu trúc tấm; tham số hạt; Tối ưu hóa hình thái học; Cấu trúc khung Cấu trúc làm tăng độ cứng thơng qua việc bố trí hạt bên ngồi mà khơng làm thay đổi chiều dày, không làm vật liệu kết cấu Việc xếp tối ưu hạt dầm, tham số hạt thường cân nhắc tùy theo dạng thiết kế Các quy định cụ thể tham số hạt như: chiều cao, chiều rộng hạt tham số tối ưu hình học lựa chọn Sau có tham số hạt, tối ưu hóa hình thái học áp dụng để xếp hạt dầm cơng xơn Người thiết kế đạt xếp tốt hạt dầm thông qua phần mềm thực việc tối ưu Việc nâng cao tần số tự nhiên dầm kết cấu khung dạng vỏ ví dụ, q trình tối ưu hóa hình thái học chi tiết mô tả hạt kết cấu xếp thông qua phương pháp tối ưu Sau tối ưu, tần số tự nhiên kết cấu khung dạng vỏ tăng 30% Quá trình phát triển hạt tối ưu chu kỳ thiết kế rút ngắn thơng qua việc sử dụng phương pháp tối ưu hình thái học việc thiết kế làm tăng độ cứng kết cấu dạng khung - vỏ Abstract Keywords: Structure sheet; bead parameters; Topography Optimization; Frame structure Ngày nhận bài: 15/8/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 The sheet structure can be increased hardness through the placement of external particles without changing the thickness or loss of structural material The optimal placement of beads on beams, particle parameters will usually be considered according to the type of design Specific particle parameters such as height, grain width, and geometric optimum parameters are to be selected After the particle parameters, morphological optimization was applied to align the beams on the beams Designers can achieve the best placement of particle beams on the beams through software that optimizes The first natural-frequency enhancement of beams in the shell framework is, for example, a detailed morphological optimization process described and structural particles arranged through the method Optimal After optimization, the natural frequency of the shell structure is increased by 30% The development of particles can be optimized and the design cycle can be shortened through the use of morphological optimization in the design of the hardening of the shell-like plate structure HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Đối với phận cấu tạo kim loại tấm, dập theo khung dạng hạt kết cấu tăng độ cứng cách hiệu mà khơng làm tăng chi phí vật liệu Vì vậy, bố trí khung dạng hạt điểm quan trọng thiết kế làm tăng độ cứng kết cấu dạng Các hình dạng hầu hết kết cấu phức tạp khơng gian thiết kế, tính chất học phương pháp không thống tạo hình Ngày nay, FEA (Finite Element Analysis) sử dụng thiết kế kết cấu rộng [1], [2] hầu hết nhà thiết kế cải thiện bố cục khung hạt thông qua trải nghiệm theo kết FEA Để có thiết kế tốt hơn, người thiết kế phải nhiều thời gian cho vịng lặp q trình thiết kế, thay đổi xếp lại, việc bố trí khung hạt cuối chưa đề xuất tốt giới hạn thời gian Các nhà thiết kế cần giải pháp để có bố cục khung hạt tối ưu công cụ tiên tiến phương pháp phân tích thích hợp Để tìm cách tốt thiết lập khung hạt kết cấu kim loại tấm, tác giả nghiên cứu thông số hạt ảnh hưởng đến độ cứng uốn kết cấu với dạng điển hình hợp lý Lý thuyết bố trí hạt dạng vịng cung, hình trịn điển hình đưa thơng số hình học hạt tối ưu, chẳng hạn chiều cao chiều rộng hạt Các thông số xác định phương pháp tính tốn số Sau đó, phương pháp tối ưu hóa hình thái học (topography optimization), phương pháp tìm kiếm dạng khung hạt tối ưu theo điều kiện biên ban đầu, khung hạt bố trí kết cấu phù hợp để có độ cứng tốt Một quy trình chi tiết cách bố trí khung hạt thơng qua tối ưu hóa hình thái học báo đưa ra, với ví dụ kết cấu khung-vỏ ô tô PHÂN TÍCH YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ HẠT Cơ sở lý thuyết tăng độ cứng kết cấu cách thêm khung hạt, hiệu ứng khung dạng hạt mô tả trường hợp điển hình, Theo lý thuyết học vật liệu [3], cho khung - vỏ dạng côngxon AB hình y P A B x yB l Hình Khung dầm cơngxon AB chịu lực Dưới tác dụng lực P đặt B tạo độ võng tối đa yB Phương trình biến dạng uốn yB điểm B mơ tả là: Pl yB (1) 3EI y Trong đó, l chiều dài kết cấu; E mô đun đàn hồi vật liệu, Iy mô men quán tính của mặt cắt ứng với trục y EIy thể độ cứng uốn mặt cắt ứng với trục y Mặt phẳng cắt xét chọn song song với hướng biến dạng kết cấu; mặt phẳng trung bình kết cấu theo hướng trục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Theo phương trình (1), tải P chiều dài khung l khơng thay đổi, giá trị yB giảm độ cứng uốn EIy kết cấu tăng lên cách tăng Iy Trong tăng Iy thực việc thay đổi hình dạng mặt cắt kết cấu Đối với kết cấu kim loại khơng có khung hạt, hình dạng mặt cắt khung - vỏ chiều dài l hình chữ nhật hình (2a) Trọng tâm O Phương trình mơmen qn tính trục y mặt cắt Iy mô tả là: wt (2) Iy 12 Trong đó, t độ dày khung-vỏ, w chiều rộng khung-vỏ Theo phương trình (2), biện pháp để tăng độ cứng khung - vỏ tăng độ dày kim loại t, chi phí vật liệu sản phẩm tăng Giải pháp đặt để tiết kiệm chi phí khung - vỏ tăng cứng mà không tăng chi phí vật liệu Đối với sản phẩm kim loại, hình dạng phần khung - vỏ thay đổi sau tạo khung hạt Iy mặt cắt tăng lên mà thay đổi độ dày Phương pháp thay đổi Iy mặt cắt trình bày báo sau y z t w (a) y w2 o' o H h z wt Vùng không hạt Vùng chuyển tiếp Vùng có hạt (b) Hình Hình dạng kết cấu khung - vỏ với phần có khơng có hạt Sau hạt khung hạt xác định, phần tạo khung hạt kết cấu thể hình (2b), H chiều cao hạt Toàn khu vực phần tạo khung hạt chia làm ba phần; khu vực khơng có hạt, khu vực có hạt vùng chuyển tiếp Các ký hiệu vùng, tọa độ trục trục y với trục phân cực, trục trọng tâm vùng quán tính Ai, yi Iyi riêng lẻ với (i = 1, 2, 3) Tổng chiều rộng vùng khơng hạt 2wt chiều rộng vùng có hạt w2 Sau tạo khung hạt, trọng tâm mặt cắt khung - vỏ chuyển từ gốc O sang điểm O’ Phương trình tọa độ trục y điểm O’ mơ tả là: Ay i h i 1 Ai i 1 Trong đó: y1 = 0; y2 = H; y1 H/2 i (3) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sau thêm khung hạt, mơmen qn tính khung vỏ trục y đổi thành Iy’ phương trình Iy’ mơ tả là: I y ' I y1 I y I y w1t w t3 h A1 ( H h)2 A2 I y 12 12 (4) Từ phương trình (2), phương trình (4) biến đổi sau: wt (2 w1 w2 w w1 w2 )t Iy 12 12 w1t w2 t ( w w1 w2 )t 12 12 12 Hàm Iy thay đổi đại lượng sau tạo khung hạt: I y 30 ( w w1 w2 )t ; 12 2w1t w2t Iy I y 3 12 12 (5) Trong đó, theo phương trình (4) (5), điểm cực trục quán tính y vùng chuyển tiếp thay đổi từ Iy3_0 thành Iy3 sau tạo khung hạt Cơng thức tính toán Iy3 phức tạp khung hạt tạo bất thường Nhưng theo tính tốn chắn Iy3 > Iy30 chiều rộng vùng chuyển tiếp nhỏ so với tổng số vùng có hạt vùng khơng hạt sản phẩm khung thực tế, tác động Iy3 Iy3_0 Iy' Iy bị bỏ qua tính tốn sau Nếu ta lấy phương trình (4) trừ phương trình (5) phương trình thể tăng mơmen qn tính sau tạo khung hạt trục y ΔIy mô tả là: I y I y ' I y h A1 ( H h) A2 2h w1t ( H h) w2 t (6) Theo tính tốn phương trình (3) phương trình (6) Chúng ta đưa kết luận sau: * Sau tạo khung hạt, độ dày t tổng chiều rộng w khung - vỏ không thay đổi chi phí vật liệu khung - vỏ khơng tăng; tăng mơmen qn tính phần khung - vỏ ΔIy thay đổi hình dạng hình học phần khung - vỏ; * Chiều cao trọng tâm khung - vỏ h tăng lên tăng chiều cao H khung hạt Vì ΔIy tỷ số trực tiếp với bình phương H h, nên giá trị H tăng lên khung hạt tạo ra; * Sau ΔIy thay đổi tạo khung hạt, thông số h, w1 w2 ràng buộc Nếu H số, theo phương trình (6) có giá trị w2 tương ứng với mức tối đa ΔIy Vì vậy, việc xác định giá trị tối ưu w2 cần thiết để làm tăng ΔIy Do giới hạn độ dày vật liệu kim loại trình tạo khung hạt thường sử dụng công nghệ dập [4] Do vậy, giới hạn tối đa chiều cao khung hạt H bị hạn chế thiết kế kết cấu sử dụng khung - vỏ, giá trị H lớn xác nhận thông qua đặc tính tạo hình vật liệu khung - vỏ xác định trước tính tốn thiết kế Việc tối đa giá trị ΔIy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 việc xác định giá trị tối ưu chiều rộng hạt w2 để tăng độ cứng cho khung-vỏ Để có giá trị tốt w2 tối đa hóa giá trị ΔIy, nghiên cứu áp dụng phương pháp tích phân tham số, sử dụng tham số hình học phần khung hạt Hình (b) (w = 100mm; t = 2mm; H = 3mm) Chiều rộng hạt w2 thay đổi từ 0mm đến 90mm với bước 10mm Từ nghiên cứu tính tốn chiều cao h điểm cực trục y mômen quán tính khung hạt Iy' Kết tham số tóm tắt Bảng Bảng Kết tính tốn tham số h Iy' w2 (mm) h (mm) Iy' (mm4) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,36 0,66 0,96 1,26 1,56 1,86 2,16 2,46 2,76 66,7 244,7 363,5 446,4 493,2 503,9 478,7 417,5 320,4 187,1 Vậy, theo tham số tính tốn bảng 1, đồ thị quan hệ h Iy' tương ứng với độ rộng hạt w2 thể hình Hình Đồ thị h Iy' tương ứng với w2 Theo bảng hình 3, giá trị mơmen qn tính trục y sau tạo khung hạt tăng tối thiểu lần (w2 = 90 mm) tối đa 7,5 lần (w2 = 50 mm) so với khung-vỏ không tạo khung hạt (w2 = mm) Qua đó, chứng minh khung-vỏ tăng độ cứng hiệu cách tạo khung hạt Cùng với thay đổi chiều rộng hạt w2 chiều cao trọng tâm h theo quy luật tuyến tính giá trị mơmen qn tính Iy' thay đổi theo quy tắc đường cong Conic Giá trị Iy' đạt đến mức tối đa chiều rộng hạt w2 50 mm, nửa tổng chiều rộng khung hạt Chiều cao trọng tâm khung hạt h 1,56 mm phạm vi chiều cao khung hạt (-1mm; mm) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Chiều rộng khung hạt có ảnh hưởng lớn đến mơmen qn tính Iy' trục y Độ lớn tối đa Iy' (w2 = 50 mm) lớn hai lần so với chiều rộng hạt nhỏ (w2 = 10 mm) lớn (w2 = 90 mm) GIỚI THIỆU CÁC QUY TRÌNH TỐI ƯU HĨA HÌNH THÁI HỌC TRONG THIẾT KẾ TẠO KHUNG HẠT Trong trình thực việc thiết kế tạo khung hạt kết cấu khung - vỏ Các vùng khung hạt không dễ dàng định nghĩa tạo ra, hình dạng khung - vỏ phức tạp, ảnh hưởng tải trọng tác dung, phụ thuộc vị trí lắp ráp công nghệ tạo khung hạt Các lý thuyết phương pháp cũ khơng thể nhanh chóng giải vấn đề Các phương pháp truyền thống chủ yếu tối ưu hóa hóa kích thước, tập trung vào việc tối ưu hóa số thơng số kích thước cụ thể sản phẩm, chẳng hạn độ dày khung - vỏ Do vậy, cấu trúc hình dạng sản phẩm khơng thay đổi lúc Các phương pháp cũ áp dụng tạo khung hạt cấu trúc khung - vỏ thay đổi nhiều sau tạo khung hạt Để đáp ứng yêu cầu phát triển, số phương pháp tối ưu hóa đời áp dụng trình phát triển sản phẩm Tối ưu hóa hình thái học phương pháp tiêu biểu Tối ưu hóa hình thái hoc kỹ thuật tối ưu hóa cho phép nâng cao độ cứng kết cấu thường kết cấu dạng vỏ [5] [6] Tối ưu hóa hình thái hoc coi loại tối ưu hóa hình dạng đặc biệt (tối ưu hóa vị trí lưới) [7] Trong tối ưu hóa hình thái học, lưới vùng thiết kế phép di chuyển theo hướng pháp tuyến phân tử vỏ theo hướng cụ thể khác định trước Tối ưu hóa hình thái học cho phép nút lưới tìm kiếm vị trí tốt theo điều kiện biên kết hợp tuyến tính tốt nút, phần tử mơ hình lưới Một ứng dụng quan trọng tối ưu hóa hình thái hoc tạo khung hạt để tăng độ cứng kết cấu dạng vỏ Hình Lưu đồ tạo khung hạt tối ưu hình thái học Để thực q trình tối ưu hóa hình thái học, mơ hình tối ưu cần phải thực số bước sau: tạo mơ hình FEA tiến hành chia lưới với điều kiện biên thiết lập; mô hình tối ưu hóa phải phần mềm xác nhận; thơng số hình học hạt phải đưa vào, bao gồm: chiều cao hạt, chiều rộng tối thiểu góc rút hạt; vùng thiết kế kết cấu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 phải xác định Sau hoàn thành bước trên, việc bố trí tối ưu khung hạt có tính tốn phần mềm tối ưu hóa hình thái học, chẳng hạn OptiStruct (một nhánh tối ưu phần mềm Hyperwork) Nếu kết tối ưu hóa hình thái hoc khơng đáp ứng u cầu Phần mềm tiến hành cách cải thiện khung hạt thông qua việc thêm hạt vùng thiết kế Giai đoạn thiết kế, tạo khung hạt giảm đáng kể q trình tối ưu thơng qua phần mềm tối ưu Lưu đồ tối ưu hóa khung hạt thể hình 4 VÍ DỤ TẠO HÌNH KHUNG HẠT BẰNG TỐI ƯU HĨA HÌNH THÁI HỌC Trong nghiên cứu này, phần mềm Hypermesh áp dụng để tối ưu hóa hình thái học khung - vỏ khung ơtơ hình (a) Mục tiêu thiết kế tối ưu hóa khung - vỏ để tạo độ cứng tối đa, trọng lượng không đổi khơng ảnh hưởng đến lắp ráp đặc tính thiết kế Điều có ý nghĩa quan trọng việc đảm bảo an toàn tốt xe có va đập a b a b Hình Khung xe ôtô kết cấu thực việc tối ưu Hình (b) thiết kế 3D kết cấu khung xe đưa vào môi trường làm việc HyperMesh Chi tiết vẽ phần mềm PTC-Creo, sau chuyển sang định dạng IGES đưa vào HyperMesh Chi tiết thiết kế với độ dày 3,5 mm, vật liệu chế tạo thép a b Hình Chia lưới, đặt lực điều kiện biên mơ hình Hình thể lưới hóa mơ hình kết cấu hình (a) lực tác dụng lên mơ hình chọn thông qua tài liệu khảo sát 7500N hình (b) Trong trình tối ưu, phần mềm tiến hành tính tốn tần số tự nhiên mơ hình FEA xây dựng phần mềm HyperMesh Mỗi lần áp dụng tối ưu, phần tử nút lưới dịch chuyển theo phương pháp tuyến với phần tử để vị trí thỏa mãn điều kiện tần số tự nhiên lớn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) Trước tối ưu (b) Sau tối ưu Hình Ứng suất chuyển vị kết cấu tác dụng ngoại lực trước sau tối ưu Hình thể việc so sánh kết tính tốn hai đặc tính học kết cấu chuyển vị ứng suất trước tối ưu hình (a) sau tối ưu hình thái học hình (b) Các số liệu tính tốn cho thấy thay đổi đặc tính học kết cấu, sau tối ưu kết cấu có độ dịch chuyển ứng suất nhỏ Điều cho thấy kết cấu sau tối ưu có độ cứng tốt Hình Mơ hình kết cấu sau tối ưu hình thái học Hình mơ hình hình học kết cấu tạo sau tối ưu hóa hình thái học với kết cấu khung - vỏ chịu lực nêu Việc tạo hạt kết cấu làm thay đổi hình dạng hình học kết cấu, sau tối ưu ứng suất kết cấu giảm khoảng 36,6 MPa, độ chuyển vị giảm 0,48 mm Độ giảm chuyển vị ứng suất thay đổi phụ thuộc vào chiều cao kiểu dáng khung hạt tạo Đó thể đặc tính thơng số hình học hạt định độ cứng độ ổn định kết cấu KẾT LUẬN Theo kết nghiên cứu việc tạo khung hạt báo này, thể quy tắc thông số hạt Thông số hạt yếu tố định tạo lên độ cứng cho kết cấu dạng khung - vỏ Phương hướng hình dạng thơng số hình học hạt hai đại lượng lớn tạo độ cứng kết cấu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Chiều cao hạt ảnh tạo nên độ cứng khung - vỏ, chiều cao hạt bị giới hạn đặc tính học vật liệu Theo sở lý thuyết nêu, chiều cao hạt bị hạn chế chiều rộng hạt ảnh hưởng tới độ cứng khung - vỏ Độ cứng khung-vỏ đạt tối đa chiều rộng khu vực có hạt lớn khu vực khơng có hạt chiều cao trọng tâm xét toàn mặt cắt theo hướng tạo hạt Để thỏa mãn điều kiện giá thành mà đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, việc chọn lựa vùng thiết kế để tạo chiều cao hạt tối đa vấn đề giải nghiên cứu thơng qua việc tối ưu hình thái học Trong ví dụ đưa nghiên cứu cho thấy tính ưu việt việc ứng dụng cơng nghệ cao thiết kế kỹ thuật nói chung cơng nghệ ơtơ nói riêng, việc tối ưu hình thái học cho thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật với giá thành hợp lý Các khung hạt tốt nhận phương pháp tối ưu địa hình tần số tự nhiên kết cấu cải thiện hiệu sau tạo hạt bề mặt khung - vỏ Kim loại thơng qua tối ưu hóa địa hình, q trình thiết kế hạt hồn thành cách nhanh chóng hiệu quả, nghiên cứu cho thấy phương pháp tốt so với phương pháp truyền thống LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lagache, Jean-Marie, Samir Assaf, and Christian Schulte "Finite element synthesis of structural or acoustic reacceptances in view of practical design applications." Journal of Sound and Vibration 310.1 (2008): 313-351 [2] Li, Shande, and Qibai Huang "A fast multiple boundary element method based on the improved Burton–Miller formulation for three-dimensional acoustic problems." Engineering Analysis with Boundary Elements 35.5 (2011): 719-728 [3] Hearn E.J., Mechanical of Meterials, Third Edition Butterworth Heinemann Publication 1997 [4] Marciniak Zdzislaw, Duncan J.L., Hu S.J., Mechanics of Sheet Metal Forming, Second Edition, Butterworth Heinemann Publication 2002 [5] Trung, Chu Khac, and Yu Dejie "Control of Structural Acoustic Radiation Based on Topography Optimization." Journal of Automation and Control Engineering Vol 3.3 (2015) [6] Trung, Chu Khac, and Yu DeJie "Acoustic radiation analysis of topographically optimized structure using the direct boundary element method." Advances in Mechanical Engineering 7.5 (2015): 1687814015584279 [7] Jia, Wei-xin, Zhi-yong Hao, and Jin-cai Yang "Low noise design of oil pan based on topography optimization." Journal-zhejiang University Engineering Science 41.5 (2007): 770 ... trọng tối ưu hóa hình thái hoc tạo khung hạt để tăng độ cứng kết cấu dạng vỏ Hình Lưu đồ tạo khung hạt tối ưu hình thái học Để thực q trình tối ưu hóa hình thái học, mơ hình tối ưu cần phải thực số. .. nhỏ Điều cho thấy kết cấu sau tối ưu có độ cứng tốt Hình Mơ hình kết cấu sau tối ưu hình thái học Hình mơ hình hình học kết cấu tạo sau tối ưu hóa hình thái học với kết cấu khung - vỏ chịu lực... TRÌNH TỐI ƯU HĨA HÌNH THÁI HỌC TRONG THIẾT KẾ TẠO KHUNG HẠT Trong trình thực việc thiết kế tạo khung hạt kết cấu khung - vỏ Các vùng khung hạt không dễ dàng định nghĩa tạo ra, hình dạng khung - vỏ