Close

August 27, 2020

Càng Đơn Giản Càng Đẹp – Tối Ưu Hóa Cấu Trúc Liên Kết Tốt Như Thế Nào ?

Thinksmart – Tối ưu hóa cấu trúc liên kết cung cấp giải pháp cho các vấn đề kỹ thuật phổ biến nhất. Tìm hiểu nó là gì ?, Nó hoạt động như thế nào ? và tại sao nó nên được sử dụng?

Thông thường và đơn giản, tối ưu hóa cấu trúc liên kết ( Topology Optimization – TO ) là quy trình thuật toán tối ưu hóa một bộ phận hoặc bộ phận cơ học, thường thông qua việc giảm vật liệu. Điều này được tính toán theo ứng suất cơ học mà bộ phận sẽ phải chịu trong quá trình hoạt động bình thường. TO có thể được phân loại như một trường con của lĩnh vực tối ưu hóa kết cấu rộng hơn.

TO là tất cả về hiệu suất và hiệu quả. Nó giải quyết một cách toán học một trong những vấn đề kỹ thuật phổ biến nhất đó là: làm thế nào để chế tạo một bộ phận đủ bền trong khi sử dụng ít vật liệu nhất, để giảm chi phí. Vì lý do này, nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nhưng đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ, nơi việc giảm trọng lượng là điều cần thiết.

Trong thế giới in 3D, tối ưu hóa cấu trúc liên kết là công cụ thiết kế đằng sau những thành phần có hình dạng kỳ lạ mà bạn có thể nhận thấy. Cho đến gần đây, TO chỉ có sẵn thông qua các chương trình phần mềm đắt tiền dành cho các ứng dụng chuyên nghiệp. Với tác động ngày càng tăng của các phong trào mã nguồn mở và nhà sản xuất, một số công cụ này hiện dễ tiếp cận hơn nhiều.

Trong bài viết này, Thinksmart sẽ cung cấp khám phá chuyên sâu về các công cụ tối ưu hóa cấu trúc liên kết, bao gồm các ứng dụng trong cuộc sống thực và một số chương trình phần mềm phổ biến sử dụng phương pháp này. Nhưng trước tiên, chúng ta hãy hiểu sâu hơn về cách TO hoạt động kỳ diệu của nó.

>> Video này giúp bạn có cái nhìn trực quan hơn về TO

Làm thế nào nó hoạt động ?

Trong khi có nhiều phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết khác nhau, có lẽ thiết thực nhất là các kỹ thuật dựa trên FE. FE là viết tắt của phần tử hữu hạn, liên quan đến phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) , một phương pháp số mạnh mẽ khác được sử dụng rộng rãi cho các vấn đề toán học và kỹ thuật. Đó là nền tảng của phần mềm mô phỏng kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE) mà chúng ta biết và sử dụng ngày nay.

Về mặt thực tế, TO sử dụng mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá khu vực nào của đối tượng không quan trọng về mặt cấu trúc. FEA ban đầu mô phỏng sự phân bố ứng suất của một vật thể chịu tác động của các lực bên ngoài (do người dùng nhập trước đó). Với các kết quả này, các thuật toán TO có thể xác minh phần nào của đối tượng ít chịu ứng suất bên trong hơn và do đó có khả năng bị loại bỏ.

Thuật toán liên tục đánh giá sự phân bố ứng suất kết cấu khi nó loại bỏ vật liệu, để đánh giá các ảnh hưởng kết quả. Điều này được thực hiện qua nhiều bước riêng lẻ cho đến khi có được hình học ổn định theo tải trọng và điều kiện biên đã thiết lập trước đó.

Các công cụ tối ưu hóa cấu trúc liên kết thường được sử dụng trong quy trình thiết kế hai giai đoạn. Lần chạy đầu tiên thường được thực hiện để cung cấp cái nhìn sơ lược về hình học tối ưu và hướng dẫn người dùng theo hướng thiết kế tốt nhất có thể. Lần chạy thứ hai là quyết đoán hơn về chi tiết phần cuối cùng. Phương pháp này đã được chứng minh là rất tiết kiệm thời gian, mặc dù thời gian chỉ là một trong nhiều lợi thế của quy trình này.

Ưu điểm

Bây giờ chúng ta đã hiểu thêm một chút về cách thực hiện, chúng ta hãy chú ý đến lý do: Ưu điểm thực sự của việc sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết là gì?

Giảm vật liệu

Mọi bộ phận hoặc thành phần cơ khí có khả năng nặng hơn mức cần thiết trừ khi nó được tối ưu hóa về mặt cấu trúc liên kết. Kết cấu nhẹ không chỉ giảm chi phí vật liệu mà còn hạn chế tiêu thụ tài nguyên sản xuất. Nói chung, các bộ phận chuyển động nhẹ hơn tạo ra ít ma sát hơn và cần ít năng lượng hơn để chuyển động. Thêm vào đó, chuỗi cung ứng cũng được hưởng lợi, vì các bộ phận nhẹ hơn được vận chuyển dễ dàng hơn và rẻ hơn.

Quy trình thiết kế rút gọn

Các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết làm giảm đáng kể chi phí kỹ thuật liên quan đến các bộ phận mới và phát triển sản phẩm. Quy trình tự động có khả năng tạo ra các bộ phận hoạt động tốt hơn đáng kể trong một phần thời gian mà nhóm thiết kế có kinh nghiệm có thể làm được. Điều đó nói lên rằng, TO chỉ là một công cụ số vẫn cần một lượng đáng kể chuyên môn của con người để sử dụng.

Hiệu suất tối đa

Thiết kế tối ưu của một bộ phận nhất định thường không trực quan và thường bao gồm các hình dạng hữu cơ và phức tạp. Các thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết không xem xét các khía cạnh như thẩm mỹ và vi phạm các quy tắc thiết kế phổ biến (chẳng hạn như độ dày đồng nhất) có lợi cho hiệu suất. TO cũng sử dụng các quy trình sản xuất mới như  in 3D .

> >>  Xem in 3D mang tới khả năng gì cho TO

https://thinksmart.com.vn/in-3d-mang-den-tiem-nang-phat-trien-cua-toi-uu-hoa-cau-truc-lien-ket/

Thực sự, tối ưu hóa cấu trúc liên kết đi đôi với in 3D. Các dạng hình học phức tạp do phương pháp TO chỉ có thể được sản xuất thông qua các quy trình in 3D , trong khi các phương pháp thiết kế truyền thống không thể sử dụng tốt nhất sự tự do thiết kế do các quy trình mới này cung cấp. Theo đó, với những tiến bộ trong quy trình sản xuất in 3D công nghiệp, việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết đã được chú ý nhiều hơn.

Phần mềm

Tất cả các tính toán phức tạp liên quan đến tối ưu hóa cấu trúc liên kết được chạy thông qua phần mềm cụ thể thường yêu cầu nền tảng 3D FEA để hoạt động. Các công cụ này có thể là các chương trình độc lập hoặc các mô-đun tích hợp CAD.

Một trong những người tiên phong về khả năng TO là bộ giải OptiStruct của Altair với Hyperworks. Công cụ này lần đầu tiên được bán trên thị trường vào năm 1994, và có bộ phận Hệ thống truyền lực của General Motors là khách hàng đầu tiên. Một công ty lớn khác trong việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết là Dassault Systèmes , hiện chịu trách nhiệm về nhiều mô-đun TO như Tosca  và ATOM  cho Abaqus.

Một số chương trình CAD phổ biến như Solidworks và Creo có các công cụ tối ưu hóa cấu trúc tích hợp sẵn trong các mô-đun mô phỏng của chúng. Những công cụ này, mặc dù không mạnh mẽ như khả năng của phần mềm TO độc lập, nhưng có những công cụ phụ trợ tuyệt vời cung cấp những hiểu biết có ý nghĩa cho nhà thiết kế trong quá trình phát triển.

Autodesk’s Fusion 360 , một người bạn cũ của người dùng in 3D, cũng có các tính năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết được tích hợp sẵn. Tin tốt là Fusion 360 hoàn toàn miễn phí cho sinh viên, những người có sở thích và các công ty khởi nghiệp có thu nhập dưới 100.000 đô la mỗi năm, giúp nhiều người có thể tiếp cận các khả năng TO.

Ứng dụng hàng không vũ trụ

Chúng tôi không thể kết thúc mà không khám phá một ứng dụng thực tế của TO. Trong khi lĩnh vực ô tô có lẽ có số lượng lớn nhất các bộ phận được tối ưu hóa về mặt cấu trúc liên kết xung quanh, thay vào đó, hãy xem một ví dụ từ ngành hàng không vũ trụ, nơi các bộ phận cơ khí phải chịu ứng suất cao hơn nhiều và các điều kiện khắc nghiệt hơn.

>> Hình ảnh cho thấy TO phát triển mạnh mẽ trong ngành ô tô

Quá trình thiết kế phần sườn mũi rủ của Airbus A380 nổi tiếng với những người đam mê kỹ thuật, vì nó là ứng dụng chính đầu tiên của tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Phần cấu trúc cánh này được tối ưu hóa với sự hợp tác của Altair, và được cho là đã tiết kiệm được hơn 500 kg cho mỗi máy bay.

Việc tối ưu hóa tuân theo quy trình hai giai đoạn mà chúng tôi đã mô tả trước đây, và thú vị là, mức tiết kiệm trọng lượng lớn đã đạt được trong lần chạy sơ bộ đầu tiên. Các ví dụ hàng không vũ trụ khác bao gồm khung bản lề nanô của Airbus A320, chịu trách nhiệm nâng vật nặng trong các hoạt động thường xuyên.

Bây giờ, khi bạn bắt chuyến bay, bạn sẽ biết rằng những bộ phận trông kỳ lạ đó đều được thiết kế có mục đích và thực sự tiết kiệm được một lượng lớn trọng lượng.

>> Khám phá các bài viết liên quan:

Mô phỏng, in 3D và đúc : Sự cộng sinh hoàn hảo cho sự phát triển của công nghệ hàng không vũ trụ

Tối Ưu Hóa Biên Dạng Cánh Máy Bay Không Người Lái UAV

SimSolid nhanh hơn FEA, chính xác như vậy. Những gì tôi thích từ nó?

.
.
.
.