Bước 5: Thiết kế lại chi tiết

3. Sự khác nhau giữa Generative Design so và thiết kế truyền thống

6.1.3.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết

Sau khi có file mesh của chi tiết được tối ưu hóa, hãy thiết kế lại dựa vào file mesh đó. Chi tiết được thiết kế không cần thiết phải giống hoàn toàn với file mesh được ra. Nhưng mà người thiết kế phải làm sao cho hình dạng kết cấu được tối ưu.

Để cho thuận tiện cho việc thiết kế, nhấn View 

Visual Style 

Wireframe with

Hidden Edges .

Cuối cùng, đã hoàn thành xong thì sẽ có kết quả tương tự như vậy.

Hình 6.18 Front Upper Arm đã tối ưu. 6.1.3.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa Thiết kế ban đầu:

Công cụ Stress Analysis được sử dụng để phân tích. Ngoải ra, các thông số của lưới bao gồm Average Element Size: 0.01; Minimum Element Size: 0.010, Grading Factor: 1.000và Maximum Turn Angle: 45 deg. Số lượng Nodes là 399410 và số lượng elements là 279012. Điều kiện biên của chi tiết là lực mũi tên màu vàng = 1608 ; = 400 như hình 18. Bên cạnh đó, hai lỗ dưới của chi tiết được ràng

buộc bởi Pin Constraints hạn chế Radial Direction và Axial Direction. Tiếp theo, mặt đầu chi tiết thì được ràng buộc bởi Pin Constraints chỉ hạn chế Tangential Direction như hình 6.19.

Hình 6.19 File lưới và điều kiện biên của chi tiết. Bảng 6.2: Thông số vật liệu Stainless steel. Vật liệu

Density

Von Mises Stress:

Sau đó, chi tiết được phân tích để đưa ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả cho thấy được, ứng suất tập trung ở các góc của chi tiết bởi vì góc bo cung còn nhỏ. Thậm chí ứng suất tối đa đạt đến 305.2 MPa. Ở các hai vị trí lỗ thì có tập trung xuất khoảng 122.1 MPa tới 189.2 MPa.

Hình 6.20 Von Mises Stress của chi tiết ban đầu Displacement:

Ở phần này, chi tiết có chuyển vị tối đa 0.007453 mm, con số rất nhỏ nên không đáng kể. Độ chuyển vị của chi tiết tập trung ở phía trước và trải dài ra đằng sau. Nhưng không hề xuất hiện gì ở hai bên.

Hình 6.21 Displacement của chi tiết ban đầu Thiết kế tối ưu:

Để chứng minh cho kết cấu này vẫn đủ độ bền thì ta phân tích phần tử hữu hạn của chi tiết sau khi tối ưu. Chi tiết được chia lưới với thông số như sau: Nodes là 343682 và Elements là 238280.

Hình 6.22 File lưới chi tiết đã tối ưu. Von Mises Stress:

Sau khi đã tối ưu xong, ứng suất cao nhất của chi tiết cao nhất là 321.7 MPa và vẫn tập trung tại các góc dưới của chi tiết. Chỗ này có thể xuất hiện vết nứt tế vi nếu có ứng suất cao hơn.

Hình 6.23 Von Mises Stress của chi tiết ban đầu Displacement:

Ở phần này, chuyển vị cao nhất là 0.01097 mm nhưng không đáng kể. Có thể thế được

ở phần đầu của chi tiết có chuyển vị nhiều nhất nhưng giảm dần về phía bên trái.

Hình 6.24 Displacement của chi tiết tối ưu. 6.1.3.7 Kết luận và Phân tích:

Có thể nói rằng, Front Upper Arm được phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ứng suất và chuyển vị của chi tiết. Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất là 305.2 MPa và sự chuyển vị tối đa là 0.007453 mm. Còn ở thiết kế được tối ưu, ứng suất lớn nhất là 321.7 MPa nhỏ hơn Yield strength của vật liệu, 350 MPa. Kết luận kết cấu vẫn hoạt động bình thường. Ngoài ra, chuyển vị của thiết kế được tối ưu là 0.01097 mm.

VON MISES STRESS

Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu

325 321.7 320 315 310 305.2 305 300 295 Mpa

Hình 6.25 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế.

DISPLACEMENT

Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu

0.007453 0.006 0.004 0.002 0 mm

Hình 6.26 Biểu đồ so sánh Displacement của hai thiết kế.

Bảng 6.3: So sảng khối lượng của hai thiết kế. Front Upper Arm ban đầu

Front Upper Arm tối ưu

Phần trăm khối lượng giảm (%)

Không chỉ thế, Front Upper Arm đã giảm đến 16.84% vật liệu nhưng đủ độ bền cho chi tiết.

6.2 Case study 2: Dầm chữ I6.2.1 Giới thiệu 6.2.1 Giới thiệu

Thép hình là loại thép được ứng dụng vào nhiều mảng trong cuộc sống con người như: kết cấu xây dựng, kết cấu kỹ thuật, đòn cân, xây dựng cầu đường, ngành công nghiệp đóng tàu, tháp truyền thanh, nâng vận chuyển máy móc, khung container, kệ kho chứa hàng hóa, cầu, tháp truyền, nâng và vận chuyển máy móc, lò hơi công nghiệp, xây dựng nhà xưởng, kết cấu nhà tiền chế, nâng và vận chuyển máy, làm cọc cho nền nóng nhà xưởng.….Tuy nhiên đáng kể nhất chính là ứng dụng trong ngành xây dựng.

Ngày nay, có rất nhiều loại thép hình dáng khác nhau với những đặc điểm chuyên biệt khác nhau nhằm đáp ứng những nhu cầu khác nhau của các công trình hiện đại và tiêu biểu là các loại thép hình chữ H, thép hình chữ I và thép V. Thép hình có đặc tính là cứng, bền bỉ, cường độ chịu lực cao và chịu được những rung động mạnh. Khi chịu điều kiện khắc nghiệt do tác động của hóa chất, nhiệt độ nên phù hợp cho các ngành công nghiệp và xây dựng.

6.2.2 Mục đích nghiên cứu:

Nhằm tối ưu hóa thiết kế của dầm chữ I, mô hình CAD được vẽ trên Inventor Professional 2019 và sử dụng mô đun Shape Generator để tìm ra thiết kế tốt nhất. Ngoài ra, những mô hình này còn được phân tích phần tử hữu hạn để chứng minh các thiết kế được tạo ra có đảm bảo an toàn hay không? Không chỉ thế, nghiên cứu này nhằm để phát triển các kết cấu truyền thống được sử dụng từ rất lâu.

6.2.3 Phân tích phần tử hữu hạn và Tối ưu hóa:

Vật liệu Young’s Modulus Poisson’s ratio Density Yield strength Tensile strength

Các thông số về Mesh của dầm ban đầu như sau: số lượng nodes là 621697, số lượng elements là 386176.

Hình 6.27 File Mesh ban đầu của dầm chữ I. Dầm chữ I sẽ được phân tích trong 2 trường hợp:

Dầm sẽ bị tải ở bên phải và được cố định ở bên trái.

Dầm sẽ bị tải phân bố đều ở mặt trên và được cố định ở bên trái. 6.2.3.1 Trường hợp thứ nhất: Dầm bị tải bên phải

Thiết kế ban đầu:

Đầu tiên, điều kiện bên của dầm được phân tích như sau: bên trái của dầm được chọn Fix constraints, mũi tên màu vàng ở bên trái chỉ tải trọng có độ lớn 1000N và hướng xuống, còn lại là mũi tên màu xanh lá ở giữa chỉ hướng gia tốc trọng trường và hướng xuống.

Sau đó, dầm Stress:

Hình 6.28 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 1.

được phân tích dưới mô đun Static Analysis cho ra kết quả Von Mises

Ởbên trái của dầm, chịu ứng suất ở mức trung bình, khoảng 37.81 MPa. Còn ở bên phải

ở dầm là chịu ứng suất cao nhất từ 66.43 MPa đến 83.1MPa.

Hình 6.29 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu. Cuối cùng, sự chuyển vị của dầm sau khi chịu tải trọng: Displacement.

Ở bên phải có sự chuyển vị nhiều nhất là 0.5459 mm, còn bên trái, dường như không có sự thay đổi nào.

Hình 6.30 Displacement của dầm chữ I ban đầu. Thiết kế được tối ưu:

Mô đun Shape Generator giúp người kỹ sư tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho điều kiện biên và những dữ liệu đầu vào. Để giải quyết như vậy, những dữ liệu như là Mass Target, Preserve Region, Symmetry Plane phải được đưa vào để phần mềm phân tích. Hình dưới đây là hình dạng của thiết kế được tối ưu sau khi chạy phân tích nhưng đây chỉ dữ liệu Mesh. Nếu muốn có được hình dạng như vậy thì phải tự vẽ lại trên phần mềm.

Hình 6.31 Hình dạng thiết kế được tối ưu trong Shape Generator.

Sau khi hoàn chỉnh phần CAD của dầm bằng cách Sizing Optimization được hình dạng như thế này.

Hình 6.32 Hình dạng CAD thiết kế được tối ưu.

Tiếp theo, mô hình CAD được chia lưới với các thông số như sau: số lượng nodes là 580416 và số lượng elements là 357844.

Hình 6.33 File lưới của dầm được tối ưu.

Sau đó, các phần tử Mesh của chi tiết được phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả cho thấy rằng, ứng suất cao nhất đều nằm bên phải của dầm với giá trị từ 65.15 MPa đến 81.43 MPa. Ngoài ra, ứng suất trung bình nằm ở vùng bên trái và tại các rãnh cũng xuất hiện ứng suất, khoảng 32.9 MPa đến 49.35 MPa.

Hình 6.34 Von Mises Stress của dầm chữ I được tối ưu.

Tiếp theo, sự chuyển vị của chi tiết được thể hiện qua Displacement trong phần mềm:

Ởkết quả bên dưới, sự chuyển vị tối đa nằm bên phải khoảng 0.6017 mm và dần dần giảm đi khi về sang bên trái của dầm.

Hình 6.35 Displacement của dầm chữ I được tối ưu. Kết luận và Phân tích:

Có thể nói rằng, dầm chữ I được phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ứng suất và chuyển vị của chi tiết. Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất là 83.1 MPa và sự chuyển vị tối đa là 0.5459 mm. Còn ở thiết kế được tối ưu, ứng suất lớn nhất là 81.43 MPa và 0.6067 mm. Ứng suất tối đa của chi tiết được giảm 1.67 MPa đi nhưng sự chuyển vị thì là tăng lên 0.0608 mm nhưng không đáng kể.

VON MISES STRESS

Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu

83.5 83.1 83 82.5 82 81.43 81.5 81 80.5 Mpa

Hình 6.36 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế.

0.52 0.51

mm

Hình 6.37 Biểu đồ so sánh Displacement của hai thiết kế.

Bảng 6.5: So sánh khối lượng của hai dầm chữ I. Dầm ban đầu

Dầm tối ưu

Phần trăm khối lượng (%)

Ngoài ra, dầm còn được giảm 1.348 k, tương đương với 12.34%. Điều này có thể tiết kiệm một khoảng tiền vật liệu, nếu chế tạo một số lượng lớn.

6.2.3.1 Trường hợp thứ hai: Dầm bị tải phân bố đềuThiết kế ban đầu: Thiết kế ban đầu:

Đầu tiên, điều kiện bên của dầm được phân tích như sau: bên trái của dầm được chọn Fix constraints, mũi tên màu đỏ ở giữa có độ lớn 500 N và hướng xuống, còn lại là mũi tên màu vàng nhỏ hơn ở giữa chỉ hướng gia tốc trọng trường và hướng xuống.

Sau đó, dầm Stress:

Hình 6.38 Điều kiện biên của dầm chữ I trường hợp 2.

được phân tích dưới mô đun Static Analysis cho ra kết quả Von Mises

Ởbên trái của dầm, chịu ứng suất ở cao nhất, khoảng 9.62 MPa đến 12.02 MPa. Còn ở

Hình 6.39 Von Mises Stress của dầm chữ I ban đầu. Cuối cùng, sự chuyển vị của dầm sau khi chịu tải trọng: Displacement.

Ở bên phải có sự chuyển vị nhiều nhất là 0.1186 mm, còn bên trái, dường như không có sự thay đổi nào.

Hình 6.40 Displacement của dầm chữ I ban đầu. Thiết kế được tối ưu:

Mô đun Shape Generator giúp người kỹ sư tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho điều kiện biên và những dữ liệu đầu vào. Để giải quyết như vậy, những dữ liệu như là Mass Target, Preserve Region, Symmetry Plane phải được đưa vào để phần mềm phân tích. Hình dưới đây là hình dạng của thiết kế được tối ưu sau khi chạy phân tích nhưng đây chỉ dữ liệu Mesh. Nếu muốn có được hình dạng như vậy thì phải tự vẽ lại trên phần mềm.

Hình 6.41 Hình dạng thiết kế được tối ưu trong Shape Generator.

Sau khi hoàn chỉnh phần CAD của dầm bằng cách Sizing Optimization được hình dạng như thế này.

Hình 6.42 Hình dạng CAD thiết kế được tối ưu.

Tiếp theo, mô hình CAD được chia lưới với các thông số như sau: số lượng nodes là 135789 và số lượng elements là 78467.

Hình 6.43 Hình dạng lưới của thiết kế được tối ưu.

Sau đó, các phần tử Mesh của chi tiết được phân tích trong mô đun Static Analysis và cho ra kết quả Von Mises Stress:

Kết quả cho thấy rằng, ứng suất cao nhất đều nằm bên phải của dầm với giá trị từ 48.28 MPa đến 60.53 MPa. Ngoài ra, tại các rãnh cũng xuất hiện ứng suất, khoảng 32.9 MPa đến 49.35 MPa. Cuối cùng thì, vùng bên phải của dầm thì ứng suất rất ít khoảng 0.21 MPa.

Hình 6.44 Von Mises Stress của dầm chữ I được tối ưu.

Tiếp theo, sự chuyển vị của chi tiết được thể hiện qua Displacement trong phần mềm:

Ởkết quả bên dưới, sự chuyển vị tối đa nằm bên phải khoảng 0.2109 mm và dần dần giảm đi khi về sang bên trái của dầm.

Hình 6.45 Displacement của dầm chữ I được tối ưu. Kết luận và Phân tích:

Có thể nói rằng, dầm chữ I được phân tích trong Inventor nhằm tìm ra ứng suất và chuyển vị của chi tiết. Ở thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất là 12.02 MPa và sự chuyển vị tối đa là 0.1186 mm. Còn ở thiết kế được tối ưu, ứng suất lớn nhất là 60.53 MPa và 0.2109 mm. Ứng suất tối đa của chi tiết được tăng 48.51 MPa, nhưng ứng suất lớn nhất này vẫn an toàn vì Yield strength của vật liệu là 207 MPa. Đồng thời sự chuyển vị thì là tăng lên 0.0923 mm nhưng không đáng kể.

Những điều này có thể nhìn thấy được điều này trong biểu đồ sau đây.

VON MISES STRESS

Thiết kế ban đầu Thiết kế tối ưu

70 60.53 60 50 40 30 20 12.02 10 0 Mpa

Hình 6.46 Biểu đồ so sánh Von Mises Stress của hai thiết kế.

DISPLACEMENT

Original part Optimized part 0.25 0.15 0.1 0.1186 0.05 0 mm

Bảng 6.6: So sảng khối lượng của hai thiết kế. Dầm ban đầu

Dầm tối ưu

Phần trăm khối lượng (%)

Ngoài ra, dầm còn được giảm 2.094 kg, tương đương với 19.16%. Điều này có thể tiết kiệm một khoảng tiền vật liệu.

6.3 Case Study 3: Giá đỡ6.3.1 Giới thiệu chung: 6.3.1 Giới thiệu chung:

Có thể nói, kệ treo tường là một vật dụng rất phổ biến trong ngôi nhà của tất cả mọi người.

Hiểu một cách đơn giản là kệ treo tường là một loại kệ được thiết kế treo trên tường hoặc cố định bằng các giá đỡ và là vật dụng trang trí mang đến vẻ đẹp hiện đại, sang trọng cho không gian. Chi tiết có nhiệm vụ chịu tải trọng từ các kệ sách, đồ nhà tắm, bàn trang trí.

Hình 6.48 Giá đỡ ban đầu.

Nhằm muốn tối ưu hóa cho giá đỡ, phần mềm Solid Edge 2020 được sử dụng để phân tích các ràng buộc, tải trọng… để tìm ra một kết cấu tương ứng với tải trọng ban đầu.

6.3.2 Các bước thực hiện

Trước khi tối ưu chi tiết, thông số vật liệu cần phải cần biết đến. Bởi vì phương pháp gia công của chi tiết là in 3D, nên xài nhựa PLA. Với cách thông số như sau:

Bảng 6.7 Thông số nhựa PLA Vật liệu

Tensile modulus

Nhựa PLA 368,200 psi

Tensile stress at yield

Tensile stress at break

Density 1.264 g/cc

6.3.2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Generative Design

Mở file LBrace.par và nhấn thanh công cụ Generative Design, nhấn vào Create Generative Study .

Tiếp theo, chọn Design Space để xác nhận vùng cần tối ưu và nhấn tích xanh ở hình 6.49.

Hình 6.49 Hộp thoại Design Space 6.3.2.2 Bước 2: Thêm Material và Loads

Trong phần Material Table trên thanh công cụ Generative Design, nhấn vào Material

Sau đó, chọn Force trong thanh công cụ Generative Design và chọn 2 mặt như hình 6.50.

Hình 6.50 Lực tác dụng lên giá đỡ. Cuối cùng, thay đổi Value = 2000 N và Offset = 8 mm

6.3.2.3 Bước 3: Thêm Constraints

Trong hộp thoại Generative Design, nhấn Fixed chọn Offset = 8 mm:

rồi chọn bốn mặt như hình và

Hình 6.51 Ràng buộc Fixed cho chi tiết.

6.3.2.4 Bước 4: Điều chỉnh Manufacturing Settings và Generate

Trong thanh công cụ Generative Design, nhấn Manufacturing

Settings Material spread là 60% và các thông số như trong hình 6.52.

, chọn

Tiếp theo, nhấn Generate trên thanh công cụ Generative Design và điều chỉnh