Ứng dụng AI trong thiết kế cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2020-94 S KC 0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ SV2020 - 94 Chủ nhiệm đề tài: Lê Qui Chí TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ SV2020 - 94 Thuộc nhóm ngành khoa học: SV thực hiện: Lê Qui Chí Nam, Nữ : Nam Dân tộc: Hoa Lớp, khoa: 16144CL3 Khoa Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: / Số năm đào tạo: Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật khí Người hướng dẫn: TS Đặng Quang Khoa TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC .1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .9 LỜI MỞ ĐẦU .11 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ TỐI ƯU HĨA 14 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .16 Khái niệm tối ưu hóa cấu trúc: 16 Phân loại: .16 2.1 Sizing Optimization: 16 2.2 Shape Optimization: 18 2.3 Topology Optimization: 19 Ưu nhược điểm tối ưu hóa 20 3.1 Ưu điểm 20 3.2 Nhược điểm .20 Ứng dụng .20 4.1 Trong lĩnh vực hàng không .20 4.2 Trong lĩnh vực ô tô: 24 4.3 Trong công nghệ in 3D 27 4.4 Trong lĩnh vực kiến trúc 30 4.4.1 Trung tâm Hội nghị quốc gia Doha 30 4.4.2 Cấu trúc dầm chữ I 31 Quy trình tối ưu hóa thiết kế 33 CHƯƠNG III: SHAPE GENERATOR TRONG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR 2018 35 Giới thiệu sơ lược 35 Bài tập 1: Bracket 36 Tổng quan: .36 Các bước thực hiện: .36 2.1 Bước 1: Mở file vào môi trường Shape Generator: 36 2.2 Bước 2: Thêm Material Constraints: 37 2.3 Bước 3: Thêm Loads Preserve Region: 39 2.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings Promote Shape: 42 2.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết: 44 2.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: 45 Bài tập 2: Tấm đỡ 49 Tổng quan: .49 Các bước thực hiện: .49 2.1 Bước 1: Mở file vào môi trường Shape Generator: 50 2.2 Bước 2: Thêm Material Constraints: 51 2.3 Bước 3: Thêm Loads Preserve Region: 53 2.5 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings Promote Shape: 56 2.6 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết: 58 2.7 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: 59 CHƯƠNG IV: GENERATIVE DESIGN TRONG PHẦN MỀM FUSION 360 63 Giới thiệu sơ lược 63 1.1 Nơi liệu Fusion 360 lưu trữ 63 1.2 Chiến lược thiết kế 63 Generative Design gì? .63 Sự khác Generative Design so thiết kế truyền thống .64 CHƯƠNG V: SO SÁNH SHAPE GENERATOR, GENERATIVE DESIGN CỦA FUSION 360 VÀ GENERATIVE DESIGN CỦA SOLID EDGE 2020 66 CHƯƠNG VI: CASE STUDIES 68 6.1 Case Study 1: Front Upper Arm hệ thống treo 68 6.1.1 Giới thiệu: .68 6.1.2 Tính tốn: 68 6.1.2.1 Xét trường hợp xe xe kéo đứng yên: 70 6.1.2.2 Tính tốn phần Double Wishbone Suspension: 71 6.1.3 Các bước thực hiện: 74 6.1.3.1 Bước 1: Mở file vào môi trường Shape Generator 74 6.1.3.2 Bước 2: Thêm Material Constraints 74 6.1.3.3 Bước 3: Thêm Loads Preserve Region .77 6.1.3.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings Promote Shape 81 6.1.3.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết 83 6.1.3.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn tối ưu hóa 83 6.1.3.7 Kết luận Phân tích: 87 6.2 Case study 2: Dầm chữ I 89 6.2.1 Giới thiệu 89 6.2.2 Mục đích nghiên cứu: 89 6.2.3 Phân tích phần tử hữu hạn Tối ưu hóa: 89 6.2.3.1 Trường hợp thứ nhất: Dầm bị tải bên phải 90 6.2.3.1 Trường hợp thứ hai: Dầm bị tải phân bố 95 6.3 Case Study 3: Giá đỡ 100 6.3.1 Giới thiệu chung: 100 6.3.2 Các bước thực .100 6.3.2.1 Bước 1: Mở file vào môi trường Generative Design 101 6.3.2.2 Bước 2: Thêm Material Loads 101 6.3.2.3 Bước 3: Thêm Constraints 102 6.3.2.4 Bước 4: Điều chỉnh Manufacturing Settings Generate 103 6.3.2.5 Bước 5: Hiển thị Stress thiết kế 104 6.3.2.6 Bước 6: Tối ưu thêm chi tiết .106 6.3.2.7 Bước 7: Phân tích phần tử hữu hạn: 107 6.3.2.8 Bước 8: Thực nghiệm chi tiết 111 6.3.2.9 Bước 9: Phân tích kết luận 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật AlSi10Mg -Bảng 3.1 Thông số vật liệu thép -Bảng 4.1 So sánh khác Generative design thiết kế truyền thống -Bảng 5.1: So sánh khác ba mô đun -Bảng 6.1 Giá trị biến Bảng 6.2: Thông số vật liệu Stainless steel Bảng 6.3: So sánh khối lượng hai thiết kế Bảng 6.4: Bảng vật liệu Steel Bảng 6.5: So sánh khối lượng hai dầm chữ I Bảng 6.6: So sánh khối lượng hai thiết kế Bảng 6.7 Thông số nhựa PLA Bảng 6.8 Thông số chuyển vị hai giá đỡ Bảng 6.9 So sánh khối lượng hai thiết kế DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SiO: Sizing Optimization ShO: Shape Optimization TO: Topology Optimization SIMP: Solid Isotropic Material with Penalization FE: Finite Element FSD: Fully Stressed Design MDO: Multidisciplinary Design Optimization ODB: Offset Deformable Barrier FBD: Free diagram body BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Ứng dụng AI thiết kế khí - Chủ nhiệm đề tài: Lê Qui Chí Mã số SV: 16144013 - Lớp: 16144CL3 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao - Thành viên đề tài: STT Họ tên MSSV Lớp Khoa Hà Nguyễn Như Nguyệt 16144117 16144CL3 Đào tạo CLC Trần Hà Minh Trường 18144199 18144CL2 Đào tạo CLC - Người hướng dẫn: TS Đặng Quang Khoa Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu sở lý thuyết tối ưu hóa - Nghiên cứu tối ưu hóa phần mềm (Inventor, Fusion 360, Solid Edge 2020) - Hướng dẫn cách làm case study tối ưu hóa phần mềm Tính sáng tạo: - Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa khối lượng đảm bảo độ bền chi tiết Kết nghiên cứu: - Đã hoàn thành báo cáo nghiên cứu sở lý thuyết tối ưu hóa - Đã tối ưu hóa chi tiết phần mềm (Inventor, Fusion 360, Solid Edge 2020) - Đã hoàn thành hướng dẫn sử dụng modun tối ưu hóa phần mềm thông qua case study - In 3D sản phẩm tối ưu hóa phần mềm Inventor 2019 công cụ Generative Design điều chỉnh Tiếp theo, nhấn Generate Study Quality = Cuối cùng, Mass Reduction = 40% (hệ số tăng thêm muốn) Factor of safety = 1.0 Hình 6.53 Hộp thoại Generate 6.3.2.5 Bước 5: Hiển thị Stress thiết kế Để thể kết cách rõ ràng, nhấn bỏ dấu tích khoanh đỏ hình 6.54 104 Hình 6.54 Các cơng cụ hiển thị Solid Edge Sau đó, cơng cụ Generative Design nhấn Show Stress để hiển thị phân bố ứng suất chi tiết điều kiện biên áp dụng 105 Hình 6.55 Phân bố ứng suất chi tiết tối ưu 6.3.2.6 Bước 6: Tối ưu thêm chi tiết Ở hình trước, sơ đồ phân bố ứng suất cịn tập trung bên bên ngồi Đề giảm bớt ứng suất bên trong, thiết kế thêm vào hai supports để đỡ phần lực bên Hình 6.56 Hai supports Ngồi ra, cịn tăng thêm độ dày phần tô màu đỏ thành 10.0 mm 106 Hình 6.57 Tăng độ dày giá đỡ 6.3.2.7 Bước 7: Phân tích phần tử hữu hạn: Dằm phân tích phân bố ứng suất độ biến dạng sản phẩm, hai chi tiết phải phân tích thấy khác hai kết cấu Giá đỡ ban đầu Công cụ Stress Analysis sử dụng để phân tích Ngoải ra, thơng số lưới bao gồm Average Element Size: số lượng Nodes 370853 số lượng elements 256129 Điều kiện biên chi tiết lực mũi tên màu vàng 𝐹 = 350 𝑁 Bên cạnh đó, mặt giá đỡ gán ràng buộc Fixed hình 7.61 107 Hình 6.58 File lưới điều kiện biên chi tiết Von Mises Stress: Tiếp theo, chi tiết phân tích để đưa kết Von Mises Stress: Kết cho thấy được, ứng suất tập trung hầu hết mặt giá đỡ đạt cao 4.749 MPa Có thể nói, chỗ bị nứt gãy Hình 6.59 Von Mises Stress giá đỡ ban đầu 108 Displacement: Không chi thế, mép ngồi giá đỡ chuyển vị tới 0.4865 mm Nhưng chỗ cịn lại khơng có chuyển vị Hình 6.60 Displacement giá đỡ ban đầu Giá đỡ tối ưu: Công cụ Stress Analysis sử dụng để phân tích Ngoải ra, thông số lưới bao Số lượng Nodes 254962 số lượng elements 169836 Với điều kiện biên tải trọng hình 7.64 109 Hình 6.61: File lưới điều kiện biên chi tiết Von Mises Stress: Tiếp theo, ứng suất tập trung mặt giá đỡ đạt cao 4.475 MPa Ngồi ra, supports có ứng suất từ 1.79 MPa đến 2.685 MPa Hình 6.62 Von Mises Street giá đỡ tối ưu Displacement: 110 Tương tự trên, chuyển vị nhiều mép giá đỡ đạt tới 0.3093 mm Không thế, supports vùng xung quanh xuất chuyển vị, từ 0.1237 mm đến 0.2474 mm Hình 6.63 Displacement giá đỡ tối ưu 6.3.2.8 Bước 8: Thực nghiệm chi tiết Mơ hình thực tế hai chi tiết chế tạo công nghệ in 3D Nhằm so sánh độ biến dạng hai chi tiết tối ưu, hai chi tiết cố định vơ tường hai tắc kê sắt 111 Hình 6.64 Tắc kế sắt Hai tắc kê bắt vào tường để cố định chi tiết đo khoảng cách từ mặt đất đến mép Sau đó, hai mơ hình chịu sức nặng cục đá miếng gỗ 35 kg, tương đương 350N Cuối cùng, dùng thước kẹp để đo biến dạng mép chi tiết Tương tự vậy, giá đỡ tối ưu kiểm nghiệm cho kết sau Bảng 6.8 Thông số chuyển vị hai giá đỡ Trước biến Sau biến dạng Chuyển vị dạng Giá đỡ ban đầu 22.25 mm 21.65 mm 0.60 mm Giá đỡ tối ưu 22.25 mm 21.85 mm 0.40 mm 6.3.2.9 Bước 9: Phân tích kết luận Cuối cùng, giá đỡ phân tích Inventor nhằm tìm ứng suất chuyển vị chi tiết Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn 4.749 MPa chuyển vị tối đa 0.4865 mm Còn thiết kế tối ưu, ứng suất lớn 4.475 MPa 0.3093 mm Ứng suất tối đa chi tiết giảm 0.274 MPa, ứng suất lớn an tồn Yield strength vật liệu 26 MPa Đồng thời chuyển vị giảm lên 0.1772 mm không đáng kể Những điều nhìn thấy điều biểu đồ sau 112 VON MISES STRESS Thiết kế tối ưu Thiết kế ban đầu 4.8 4.749 4.75 4.7 4.65 4.6 4.55 4.475 4.5 4.45 4.4 4.35 4.3 Mpa Hình 6.65 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress hai thiết kế DISPLACEMENT Thiết kế tối ưu Thiết kế ban đầu 0.6 0.5 0.4865 0.4 0.3 0.3093 0.2 0.1 mm Hình 6.66 Biểu đồ so sánh Displacement hai thiết kế Bảng 6.9 So sánh khối lượng hai thiết kế Giá đỡ ban đầu 0.48 kg 113 Giá đỡ tối ưu 0.25 kg Phần trăm khối lượng (%) 47.92% Ngồi ra, giá đỡ cịn giảm 0.23 kg, tương đương với 47.92% Điều tiết kiệm khoảng tiền vật liệu tiền in Hai kết phân tư phần tử hữu hạn phương thức thực nghiệm có sai số 29.32% giá đỡ tối ưu, sai số 23.33% giá đỡ ban đầu 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Như bên trên, chúng tơi tìm hiểu cung cấp sở lý thuyết, cách hướng dẫn triển khai phần mềm Autodesk Inventor 2019, Fusion 360 Solid Edge 2020, so sánh khác biệt mô-đun phần mềm, nghiên cứu trường hợp thực tế chi tiết tối ưu hóa sản phẩm thiết kế Đồng thời, chúng tơi chứng minh cách tính tốn kiểm tra ứng suất chuyển vị chi tiết Cụ thể, chúng tơi thiết kế, tính tốn tối ưu hóa chi tiết phần mềm Autodesk Inventor 2019, Fusion 360 Solid Edge 2020 Hầu hết tham số thiết kế tính tốn lựa chọn dựa tài liệu sở lý thuyết Cuối cùng, xuất tệp in 3D phần để kiểm tra xem ứng suất độ dịch chuyển phần trước sau tối ưu hóa có giống hay khơng Trên đề tài nghiên cứu khoa học với chủ đề: "ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ" Sau thiết kế, tính tốn thử nghiệm, đề xuất vài ý tưởng sau: - Cần mở rộng để tìm hiểu thêm Sizing Optimization Shaping Optimization - Các phương pháp xử lý khác nên nghiên cứu để so sánh kết với - Khơng nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc dằm Qua đề tài nghiên cứu khoa học này, học nghiên cứu chủ đề để giúp chúng tơi tìm hiểu kiến thức Do cịn nhiều thiếu sót kiến thức kinh nghiệm, khai thác triệt để đề tài giao Chúng mong muốn thầy góp ý nhiều Bởi hành trang tri thứ mà phải mang theo tương lai Chúng xin chân thành cảm ơn tất giảng viên Khoa Công nghệ Chế tạo máy giúp đỡ tơi suốt q trình thực hiên đề tài Chúng xin gửi lời cảm ơn chân thành chúc sức khỏe đến thầy cô 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christophe Bastien, Jesper Christensen, Mike V Blundell, Jakovs Kurakins (2012) “Lightweight Body in White Design Using Topology -, Shapeand Size Optimisation” World Electric Vehicle Journal Vol.5, pp 1-4 [2] David C Barton, John D Fieldhouse (2018), “Automotive Chassis Engineering” Springer International Publishing, pp 183-184 [3] Kingman, J, Tsavdaridis, KD and Toropov “Applications of topology optimization in structural engineering”, presented at Civil Engineering for Sustainability and Resilience International Conference (CESARE), Amman, Jordan, Apr 24-27, 2014, pp [4] Konstantinos Daniel Tsavdaridis, James J Kingman, Vassilli V Toropov (2015) “Application of structural topology optimisation to perforated steel beams” Paper of Elsevier Ltd, pp 110-115 [5] Lars Krog, Alastair Tucker & Gerrit Rollema (2011) “Application of Topology, Sizing and Shape Optimization Methods to Optimal Design of Aircraft Components” Airbus UK Ltd, pp 2-11 [6] Megan Lobdell, Brian Croop, and Hubert Lobo “A Design Validation Production Workflow for Aerospace Additive Manufacturing” Altair Engineering White Paper, pp 1-5 [7] Matthew Tomlin, Jonathan Meyer (2011) “Topology Optimization of an Additive Layer Manufactured (ALM) Aerospace Part” Altair Engineering 2011, pp 2-7 [8] Osvaldo M Querin, Mariano Victoria, Cristina Alonso, Rubén Ansola and Pascual Martí (2017) “Topology Design Methods for Structural Optimization” Academic Press, pp 1-7 [9] S V Yende, A P Tadamalle, “Topology Optimization of Lower Control Arm for LMV” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol Issue 07, July-2019, pp 830 [10] Weihong Zhang, Jihong Zhu and Tong Gao (2016) “Topology Optimization in Engineering Structure Design” ISTE Press – Elsevier, pp x-xiii 116 [11]https://docs.plm.automation.siemens.com/tdoc/se/2020/se_help#uid:xid1129777:xi d1323753:xid1329520:index_xid1329526 [12]https://help.autodesk.com/view/INVNTOR/2019/ENU/?guid=GUID-D74F47F3FE22-44EF-85BE-7C6B1F56DCF9 [13] http://help.autodesk.com/view/fusion360/ENU/?guid=GUID-1406F3E3-348B- 4E10-9DE7-67E77D730F96 [14]http://help.solidworks.com/2019/english/SolidWorks/cworks/c_simp_method_top ology.htm 117 S K L 0 ... Phải biết sử dụng phần mềm  Hình dáng thiết kế khó sản xuất Ứng dụng 4.1 Trong lĩnh vực hàng không Airbus số nghiên cứu gần sử dụng cơng cụ cấu trúc liên kết, kích thước hình dạng Altair, nhằm... thuận tiện việc kết hợp quy trình thiết kế bạn Shape Generator tạo lưới 3D sử dụng để hướng dẫn sàng lọc thiết kế bạn Do vậy, thời gian tốt để sử dụng giai đoạn đầu giai đoạn thiết kế lý thuyết... đề tài 11 Trong thời đại cơng nghệ 4.0, vận dụng nhiều đến trí tuệ nhân tạo để giảm bớt khối lượng công việc nâng cao sống người, nhóm chọn đề tài ? ?Ứng dụng AI thiết kế khí “để đáp ứng với yêu