Nghiên cứu xây dựng mô hình số của vật liệu dạng cấu trúc lưới cho công nghệ in 3d

Bảng 1.2 Tổng hợp ô đơn vị và cấu trúc lưới dựa trên thanh chống tương ứng đượcnghiên cứuBảng 1.3 So sánh các phương pháp mô hình hóa hình học cấu trúc lướiBảng 1.4 Các phần mềm CAD-FEM

Cấu trúc lưới

Cấu trúc lưới dựa trên thanh chống

Cấu trúc lưới dựa trên thanh chống là hệ thống các thanh có tiết diện đa dạng như hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật, hình elip hay hình tam giác, liên kết với nhau tạo thành dạng lưới chắc chắn Những cấu trúc này thường được ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng và kết cấu nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền cao Hình 1.4 minh họa một số loại cấu trúc lưới dựa trên thanh chống, kèm theo tên gọi phổ biến trong ngành kỹ thuật để dễ nhận diện và phân tích.

Hình 1.4: Cấu trúc lưới dựa trên thanh chống [5]

Cấu trúc lưới dựa trên thanh chống có thể được phân loại theo mức độ trật tự của các ô đơn vị, trong đó cấu trúc lưới tuần hoàn đặc trưng bởi các ô có cùng hình dạng, kích thước và được sắp xếp theo mô hình lặp lại trong không gian ba chiều, còn cấu trúc lưới ngẫu nhiên lại có các ô biến đổi về hình dạng và kích thước, không tuân theo quy luật sắp xếp cụ thể Sự khác biệt này ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vật lý của từng loại cấu trúc, dẫn đến các đặc tính khác nhau về độ bền, độ đàn hồi và khả năng chịu lực Hình 1.5 minh họa rõ nét sự khác biệt giữa cấu trúc lưới tuần hoàn và cấu trúc lưới ngẫu nhiên, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về ứng dụng và tính chất của từng loại trong kỹ thuật và vật liệu học.

Cấu trúc lưới dựa trên bề mặt tối thiểu định kì 3 chiều

Cấu trúc lưới dựa trên bề mặt tối thiểu định kỳ 3 chiều (TPMS) là các cấu trúc được hình thành bằng cách sử dụng công thức toán học xác định ranh giới giữa phần rắn và phần rỗng của kết cấu, mang đặc điểm là bề mặt trong không gian hyperbol có độ cong trung bình bằng 0 tại mọi điểm Được giới thiệu lần đầu bởi Hermann Schwarz vào năm 1865 và phát triển thêm bởi Alan Schoen vào năm 1970, các cấu trúc TPMS bao gồm các dạng phổ biến như Gyroid, Kim cương, Schwarz, I-WP, Neovius và splitP Có hai loại cấu trúc lưới dựa trên TPMS chính là: TPMS dạng khung và TPMS dạng tấm, giúp tối ưu hóa độ bền và tính thẩm mỹ của các kết cấu kiến trúc và công nghiệp.

Hình 1.6: Cấu trúc lưới TPMS dạng khung [5]

Hình 1.7: Cấu trúc lưới TPMS dạng tấm [5]

Ô đơn vị

Trong thiết kế cấu trúc lưới, ô đơn vị là phần tử nhỏ nhất để xây dựng và mô tả toàn bộ cấu trúc, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Ba phương pháp phổ biến được sử dụng để thiết kế các ô đơn vị bao gồm: phương pháp đầu tiên, phương pháp thứ hai và phương pháp thứ ba, giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình xây dựng lưới Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng tối ưu của toàn bộ cấu trúc lưới.

- Tạo ô đơn vị từ các phép toán Boolean của khối hình học nguyên thủy [12]

Hình 1.8: Tạo ô đơn vị bằng các phép toán Boolean [7]

- Tạo ô đơn vị dựa trên bề mặt ẩn, trong đó bề mặt của ô đơn vị được xác định bằng các phương trình toán học [7], [13] Phương pháp này mang lại sự thuận tiện cho người thiết kế can thiệp vào mô hình cấu trúc ô đơn vị bằng cách sửa đổi các phương trình và được sử dụng cho cấu trúc lưới TPMS Hình 1.9 là một ví dụ về ô đơn vị của cấu trúc lưới TPMS.

Hình 1.9: Tạo một ô đơn vị của cấu trúc lưới TPMS [7]

- Tạo ô đơn vị dựa trên tối ưu hóa cấu trúc liên kết [14]

Hình 1.10: Các ô đơn vị dựa trên thanh chống được tối ưu hóa về mặt cấu trúc [14], kết nối thanh được tối ưu hóa lặp đi lặp lại dựa trên vị trí nút. Ô đơn vị của cấu trúc lưới dựa trên thanh chống thể hiện một sự đa dạng về hình thái, từ các cấu trúc đơn giản mô phỏng theo mạng tinh thể như lập phương đơn giản (SC), lập phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC) đến các hoán vị chủa chúng [15], [16] Bằng cách thêm các thanh chống theo hướng x, y, z có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp hơn như BCCz, FCCz, FBCCz, FBCCxyz [17], [18] Các cấu trúc khác được thiết kế dựa trên các nguyên tắc hình học hoặc đặt tên theo các nhà khoa học như Kelvin, Octet (OT), Gibson-Ashby (GA), Diamond, Tetrahedral, Pyramidal, 3D-Kagome [19], [20] Ngoài ra, cấu trúc lưới dựa trên thanh chống cũng có thể được tạo ra thông qua tối ưu hóa bằng phần mềm phần tử hữu hạn [14], [21]

Khi xác định được loại vật liệu và mật độ tương đối của cấu trúc lưới, cấu trúc liên kết của các ô đơn vị đóng vai trò quyết định các tính chất cơ học của vật liệu [22], [23] Nhiều nghiên cứu cho thấy cách các thanh chống liên kết trong một ô ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ bền và khả năng biến dạng của cấu trúc, trong đó Altamimi [24] đã phát triển và thử nghiệm 30 cấu trúc dựa trên thanh chống, kết hợp nhiều ô đơn vị để tạo ra ô đơn vị lai nhằm giảm hành vi dị hướng và nâng cao các đặc tính cơ học Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúc liên kết và các tính chất cơ học là cực kỳ quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của cấu trúc lưới, giúp các nhà thiết kế điều chỉnh cấu trúc liên kết phù hợp với các đặc tính mong muốn [25] Ngoài ra, Chen và cộng sự [26] đã trình bày tổng hợp về đặc điểm và ứng dụng của ô đơn vị trong cấu trúc lưới dựa trên thanh chống, dựa trên các nghiên cứu trước đây, được trình bày trong bảng 1.1, đặc biệt là trong sản xuất bằng công nghệ in 3D (AM).

Bảng 1.1 Đặc diểm và ứng dụng của các ô đơn vị của cấu trúc lưới sản xuất bằng AM

Tên gọi Cấu trúc Đặc điểm Phương pháp SX ứng dụng

(AFCC) Đối xứng theo trục X, Y, Z; độ cứng cao; thích hợp cho việc hấp thụ năng lượng.

Hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

BCC Đối xứng theo trục XYZ; đẳng hướng theo các hướng X, Y, Z, XY, YZ,

XX, XYZ; tám thanh chống được nối ở giữa khối lập phương

Cấu trúc nhẹ, hấp thụ năng lượng,cấy ghép xương.

BCC với bốn cốt thép thanh chống Z; đẳng hướng theo các phương

X, Y, YZ, XX; dị hướng theo các hướng khác.

Cấu trúc nhẹ, hấp thụ năng lượng.

Một khung hình khối được tạo thành bởi mười hai thanh chống; sự tập trung ứng suất có thể diễn ra trong cấu trúc này.

Cấy ghép xương, cấu trúc xúc tác,hấp thụ năng lượng.

Kim cương Đẳng hướng theo các hướng XY, YZ, XX; quá trình sản xuất thanh chống nhô ra cần có sự hỗ trợ.

Cấy ghép xương, cấu trúc nhẹ.

Hình khối tập trung vào cạnh Đối xứng theo trục X, Y, Z; thanh chống được kết nối ở mọi cạnh của hình khối.

Cấy ghép xương, cấu trúc nhẹ, hấp thụ năng lượng

Khối lập phương tâm mặt Đối xứng theo trục X, Y, Z; đẳng hướng theo các phương X, Y, Z, XY, YZ,

Cấy ghép xương, cấu trúc nhẹ, hấp thụ năng lượng.

Khối lập phương tâm mặt với thanh chống

FCC với cốt thép thanh chống Z; đẳng hướng theo các phương X, Y,

YZ, XX; dị hướng theo các hướng khác.

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

FBCCZ với thanh chống X và Y

FBCCZ có cốt thép thanh chống X và thanh chống Y; đẳng hướng theo các hướng X, Y, Z, XY, YZ,

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

Sự kết hợp của FCC và BCCZ; đẳng hướng theo các phương X, Y, YZ, XX; dị hướng theo các hướng khác.

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

G7 Cường độ tương đối thấp và mô đun đàn hồi thấp SLM,

Bát diện Hiếm khi được sử dụng SLM,

Octet-truss AFCC được kết hợp với khối bát diện; độ cứng cao.

Trao đổi nhiệt, cấy ghép xương,kết cấu nhẹ.

Tối ưu hóa Độ cứng cao; Cường độ cao SLM,

EBM Cấy ghép xương, cấu trúc nhẹ.

Khối mười hai mặt hình Độ cứng cao; hấp thụ năng lượng cao SLM,

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng

Khối với cốt thép thanh chống chéo SLM,

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

Khối lập phương cắt ngắn

Khả năng chống mỏi SLM,

EBM, Hấp thụ năng lượng, cấy ghép

Hai khối lập phương tâm mặt kết hợp theo kiểu

Hai ô đơn vị FCC được kết hợp với một ô đơn vị BCC; hấp thụ năng lượng cao.

Cấy ghép xương, hấp thụ năng lượng, cấu trúc nhẹ.

Cấu trúc lưới dựa trên thanh chống là loại cấu trúc phổ biến với hiệu suất cơ học vượt trội, dễ thiết kế và sản xuất Chính nhờ những ưu điểm này, loại cấu trúc này được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn Nghiên cứu hướng tới xây dựng mô hình số và mô phỏng cơ tính của cấu trúc lưới dựa trên thanh chống nhằm phục vụ cho công nghệ in 3D.

Miao và cộng sự đã thực hiện một tổng hợp chi tiết về các loại ô đơn vị và cấu trúc lưới dựa trên thanh chống, mang đến cái nhìn toàn diện về hình dạng và cấu trúc của các loại cấu trúc lưới này Nghiên cứu giúp làm rõ các kiểu ô đơn vị phổ biến và đặc điểm của chúng trong các hệ cấu trúc lưới, cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế và phân tích kết cấu lưới Bảng 1.2 trình bày tổng quan các loại ô đơn vị và hình dạng của cấu trúc lưới dựa trên thanh chống, hỗ trợ các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn giải pháp phù hợp cho các dự án xây dựng.

Bảng 1.2: Tổng hợp ô đơn vị và cấu trúc lưới dựa trên thanh chống tương ứng được nghiên cứu [27]

Voronoi Cubic Octet Delaunay BC

BCC HCB-BCC HCB-Octet Dual-phase lattice BCCH

Hybrid（ OR（ SC-BCC-FCC Square unit cells Hexagonal Triangular

Rhombicub octahedron ARCH Pyramid Inside BCC SG structure

Spider Kagome Dode medium Rhombic dodecahedron FCC

SC-BCC Octagonal bipyramid Double pyramid dodecahedron CFCB Gibson-Ashby

Double honey-comb Circular 3D re-entrant honeycomb Taper struts BCC Octet

Các phương pháp mô hình hóa hình học cấu trúc lưới dựa trên thanh chống

Mô hình Voxel

'Voxel' xuất phát từ việc kết hợp giữa từ 'Volume' (thể tích) và 'Pixel' (điểm ảnh), biểu thị một đơn vị thể tích rời rạc trong không gian ba chiều Mô hình voxel mô phỏng đối tượng bằng cách chia không gian thành lưới các voxel, mỗi voxel mang giá trị nhị phân để xác định sự hiện diện hoặc vắng mặt của vật liệu, giúp tạo ra các hình dạng phức tạp chi tiết Tuy nhiên, sử dụng mô hình voxel yêu cầu nguồn lực tính toán lớn và bộ nhớ đáng kể Năm 2017, nghiên cứu của Aremu và cộng sự đã ứng dụng thành công mô hình voxel để tạo các cấu trúc lưới, mở ra tiềm năng lớn trong gia công đắp lớp.

Hình 1.11: Ô đơn vị của cấu trúc lưới được xây dựng dựa trên mô hình voxel [34]

So với các kỹ thuật biểu diễn khác phương pháp lập mô hình dựa trên voxel có những ưu điểm sau [34]:

Các phép toán Boolean trong phương pháp này được thực hiện dễ dàng, giúp cắt gọt hiệu quả các cấu trúc lưới có hình dạng phức tạp trong không gian thiết kế Điều này đảm bảo quá trình xử lý mô hình diễn ra chính xác và nhanh chóng hơn, phù hợp với yêu cầu tối ưu hóa trong ngành CAD/CAM.

Vào thứ hai, tốc độ xây dựng mô hình voxel cho các cấu trúc lưới tuần hoàn rất nhanh chóng Nhà thiết kế chỉ cần tạo mô hình voxel của một ô đơn vị, sau đó dễ dàng sao chép và chuyển đổi ô này để hoàn thiện toàn bộ cấu trúc lưới, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả thiết kế.

Thứ ba, các phương pháp lập mô hình dựa trên voxel cho phép xuất trực tiếp tệp cho quy trình gia công bổ sung (AM), giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất Đặc biệt, các phương pháp này còn cung cấp khả năng thể hiện đa vật liệu và phân loại chức năng, mở rộng ứng dụng trong chế tạo linh hoạt và đa dạng hơn.

Mặc dù các phương pháp mô hình hóa dựa trên voxel mang lại nhiều ưu điểm hứa hẹn, nhưng chúng cũng gặp phải một số nhược điểm rõ ràng khiến khó áp dụng rộng rãi trong thiết kế và chế tạo cấu trúc lưới cho công nghệ chế tạo phù hợp từng yêu cầu (AM) Những hạn chế này bao gồm [34], như hạn chế về độ phân giải và khả năng xử lý dữ liệu lớn, ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất của quá trình mô hình hóa trong ứng dụng thực tế.

Mô hình voxel có thể làm mất đi thông tin liên kết cấu trúc trong lưới, điều này rất quan trọng để xây dựng các mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) chính xác với các phần tử dầm.

Phương pháp lập mô hình dựa trên voxel hiện tại chỉ thích hợp với các cấu trúc lưới cố định có sự phân bố đều của các ô đơn vị trong không gian ba chiều Tuy nhiên, nó không thể áp dụng cho các cấu trúc lưới ngẫu nhiên do tính chất không đồng nhất của chúng [36].

Phương pháp lập mô hình dựa trên voxel có độ phân giải cố định yêu cầu quá trình lấy mẫu lại để đảm bảo hoạt động chính xác trên các máy in AM có độ phân giải khác nhau Việc tinh chỉnh này giúp mô hình voxel phù hợp và duy trì chất lượng in ấn, tối ưu hóa khả năng ứng dụng trong các hệ thống in 3D đa dạng.

1.3.2 Phương pháp biểu diễn hàm

Năm 1995, Pasko và cộng sự đã đề xuất khái niệm mô hình hóa dựa trên chức năng (FRep), sử dụng biểu diễn hàm để mô tả các hình dạng phức tạp Phương pháp FRep cho phép tạo ra các mô hình 3D chính xác và linh hoạt thông qua hàm toán học, giúp nâng cao khả năng trong lĩnh vực thiết kế và mô phỏng hình học Đây là một bước đột phá trong công nghệ mô hình hóa dựa trên chức năng, mở ra nhiều ứng dụng mới trong đồ họa máy tính và CAD.

Các đối tượng hình học trong không gian Euclide n chiều (En) được xem là các tập con, định nghĩa dựa trên hàm thực liên tục f(x₁, x₂, , xₙ) ≥ 0 Điều này giúp phân loại và nghiên cứu các đối tượng hình học dựa trên đặc điểm của hàm f trong không gian nhiều chiều.

Một kỹ thuật mô hình hóa cấu trúc lưới dựa trên biểu diễn hàm đã được phát triển bởi Pasko cộng sự, bao gồm hai bước chính: xây dựng hình học của ô đơn vị và áp dụng chức năng sao chép tuần hoàn để ánh xạ vào toàn bộ không gian thiết kế Phương pháp này có thể mở rộng để tạo ra các mô hình cấu trúc lưới ngẫu nhiên bằng cách thêm các biến thể giả ngẫu nhiên, nhằm mô phỏng đa dạng các cấu trúc khác nhau Fryazinov và cộng sự đã nâng cao kỹ thuật này bằng cách đề xuất các phương pháp tạo biến thể không gian trong cấu trúc vi mô, cho phép tham số hóa theo tọa độ điểm, biến đổi giữa các ô đơn vị, nội suy giữa các loại lưới khác nhau, và thực hiện sao chép đa quy mô.

Năm 2022, Letov và cộng sự đã đề xuất một phương pháp mô hình hóa hình học dựa trên FRep, mở rộng khả năng tự do trong thiết kế các cấu trúc lưới ngẫu nhiên Phương pháp này cho phép kiểm soát các tham số cấu trúc liên kết như đường kính và chiều dài thanh chống, giúp tối ưu hóa chức năng của các cấu trúc Đề xuất đã được triển khai dưới dạng nguyên mẫu phần mềm và thử nghiệm thành công Tuy nhiên, các không gian thiết kế trong nghiên cứu này vẫn bị giới hạn ở mức tiêu chuẩn và tuyến tính, mở ra cơ hội phát triển các phương pháp phức tạp hơn trong tương lai.

Hình 1.12: Cấu trúc lưới FCC với kích thước, tiết diện thanh chống thay đổi [41].

Năm 2023, Letov và cộng sự đề xuất mở rộng phương pháp tiếp cận FRep nhằm thực hiện kết nối nhiều kiểu cấu trúc liên kết trong cùng một cấu trúc lưới Nghiên cứu đã giới thiệu thư viện mã nguồn mở LatticeQuery, sử dụng biểu diễn hàm FRep để mô hình hóa hình học và tùy chỉnh các cấu trúc lưới ngẫu nhiên trong sản xuất ADDITIVE MANUFACTURING (AM) Tuy nhiên, phương pháp này đối mặt với những thách thức lớn trong việc mô hình hóa các cấu trúc lưới có độ phức tạp hình học cao.

Hình 1.13: Sự chuyển đổi giữa cấu trúc FCC sang cấu trúc BCC với ô đơn vị hình khối dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp [42]

Phương pháp FRep mang lại độ linh hoạt cao hơn so với mô hình dựa trên voxel trong việc tạo ra các cấu trúc lưới phức tạp, giúp mô tả chính xác và gọn gàng các cấu trúc này để dễ dàng trực quan hóa và sản xuất trực tiếp mà không cần chuyển đổi trung gian, từ đó rút ngắn đáng kể quy trình thiết kế đến sản xuất Tuy nhiên, FRep gặp hạn chế trong việc bảo toàn thông tin liên kết cấu trúc của ô đơn vị, vì hàm biểu diễn hình dạng của ô đơn trong FRep thường khó trực quan hóa và điều khiển; đồng thời, FRep ít tương thích với các định dạng mô hình phổ biến như BRep, vốn được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm CAD/CAE hiện nay.

Mô hình lai

Mô hình lai (Hybrid Geometric Modeling - HGM) là phương pháp linh hoạt kết hợp các kỹ thuật biểu diễn hình học để xây dựng các mô hình cấu trúc phức tạp Phương pháp này, được đề xuất bởi Wang, Chen và Rosen, chia cấu trúc thành các giàn đơn vị cơ bản và mô hình hóa chúng dưới dạng các khối đa diện Các khối này sau đó được kết hợp bằng các phép toán Boolean để tạo thành cấu trúc tổng thể HGM cung cấp một phương pháp hiệu quả để tạo ra các mô hình lưới phức tạp, phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất Hình 1.14 minh họa các bước chính của phương pháp HGM, giúp tối ưu hóa quá trình xây dựng mô hình cấu trúc phức tạp.

Hình 1.14: Các bước chính trong phương pháp mô hình lai [45]

Gần đây, một phương pháp mở rộng của phương pháp HGM đã được đề xuất bởi Vongbunyong và Kara, gọi là mô hình hình học lai-tạo sẵn (PHGM) Thay vì trực tiếp tạo các khối đơn vị từ cấu trúc lưới, PHGM sử dụng các ô đơn vị tiêu chuẩn rồi lắp ráp chúng để hình thành cấu trúc mong muốn Quá trình thực hiện phương pháp PHGM bao gồm các bước cụ thể giúp tối ưu hóa quá trình mô hình hóa và xây dựng các cấu trúc phức tạp một cách hiệu quả.

- Bước 1: Mô hình hình học (Hình 1.15b);

- Bước 2: Cắt mô hình bằng khối hộp giới hạn (Hình 1.15c)

- Bước 3: Tạo ô đơn vị trong BRep bằng cách cắt gọt các mặt cụ thể (Hình 1.15d,e);

- Bước 4: Sắp xếp các ô đơn vị BRep đã được cắt gọt để tạo thành các mô hình lưới, được coi là các ô đơn vị tạo sẵn (Hình 1.15f);

- Bước 5: Tạo cấu trúc cuối cùng bằng cách đặt các ô đơn vị tạo sẵn và nối chúng lại với nhau (Hình 1.15g)

Phương pháp P-HGM có ưu điểm vượt trội so với HGM về tốc độ xử lý, nhờ việc chỉ cần xây dựng ô đơn vị một lần Tuy nhiên, giới hạn của P-HGM nằm ở việc chỉ phù hợp với các cấu trúc lưới tuần hoàn, điều này làm giảm tính linh hoạt trong thiết kế các cấu trúc lưới được chế tạo bằng quy trình in phù hợp (AM).

Phương pháp mô hình lai nổi bật hơn so với các phương pháp dựa trên voxel và FRep nhờ khả năng cung cấp giao diện trực quan, giúp các nhà thiết kế dễ dàng xây dựng và điều chỉnh các cấu trúc lưới một cách hiệu quả Ngoài ra, nó còn có khả năng tương thích cao với các công cụ CAD, mở rộng khả năng tích hợp và ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế kỹ thuật số.

Hiện tại, mô hình lưới tạo ra bằng phương pháp này có ưu điểm đáng kể về số lượng mặt tam giác, tuy nhiên, chúng thường có cấu trúc phức tạp gây khó khăn trong các thao tác chỉnh sửa và cắt xén, đặc biệt đối với các không gian thiết kế phức tạp Đây là một hạn chế quan trọng mà các phương pháp mô hình hóa hình học lai hiện nay chưa giải quyết hiệu quả Nghiên cứu của Tang và cộng sự năm 2019 đã tổng hợp và so sánh các phương pháp mô hình hóa phổ biến trong việc xây dựng cấu trúc lưới AM, giúp làm rõ những hạn chế và ưu điểm của từng kỹ thuật.

Để khắc phục những hạn chế của các phương pháp mô hình hóa hình học cấu trúc lưới hiện có, Tang và cộng sự đã phát triển mô hình hình học lai cho các cấu trúc lưới vào năm 2019 [34] Phương pháp này bao gồm ba bước chính: tạo khung lưới, xây dựng các hàm hình học và chuyển đổi các hàm này thành voxel (Voxelization) Sơ đồ chi tiết của phương pháp được trình bày rõ nét trong Hình 1.16, giúp tối ưu hóa quá trình mô hình hóa và giải quyết những tồn tại của các phương pháp trước đó.

Bảng 1.3: So sánh các phương pháp mô hình hóa hình học cấu trúc lưới [34]

Tốc độ Kích thước mô hình

Tế bào lattice biến dạng

Thông tin hình thái học

Mô hình hóa dựa trên voxel

Nhanh Lớn Có Không Không Tốt

Mô hình hóa dựa trên FRep

Rất nhanh Nhỏ Có Có Không Kém

Mô hình lai Nhanh Lớn Không Có Có Tốt

Hình 1.16: Sơ đồ phương pháp được phát triển bởi Tang và cộng sự [34]

Bằng cách tích hợp một số phương pháp mô hình hình học truyền thống, phương pháp đề xuất có những ưu điểm sau:

- Mang lại sự linh hoạt cao cho các nhà thiết kế để tạo ra nhiều cấu trúc lưới với các mục đích khác nhau trong quá trình thiết kế

Phương pháp đề xuất cho phép xuất trực tiếp các hình ảnh lát cắt của cấu trúc lưới, hỗ trợ chế tạo cấu trúc lưới bằng công nghệ AM mà không cần phải qua quá trình xử lý phức tạp This approach simplifies quá trình sản xuất, giảm thiểu thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao độ chính xác trong việc tạo ra các cấu trúc lưới phức tạp.

Hỗ trợ tạo nhanh mô hình FEA giúp mô phỏng các cấu trúc lưới một cách hiệu quả hơn, từ đó giảm thời gian thực hiện mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao Công nghệ này tối ưu quá trình phân tích cấu trúc bằng phương pháp phần tử hữu hạn, giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu và nâng cao hiệu quả thiết kế Việc tạo mô hình nhanh chóng phù hợp với yêu cầu phân tích kỹ thuật và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Phương pháp này sử dụng kỹ thuật tạo khung lưới kết hợp với voxelization để xây dựng các cấu trúc lưới, mang lại khả năng tạo hình dạng phức tạp Tuy nhiên, nó bị hạn chế bởi các kiểu tạo khung lưới cố định và giới hạn về độ phân giải của voxel, ảnh hưởng đến độ chính xác và linh hoạt của kết quả cuối cùng.

Mô hình hóa bằng các phần mềm CAD-FEM thương mại

Nhiều tác giả đã đề xuất mô hình hóa các cấu trúc phức tạp bằng phần mềm CAD kết hợp với các công cụ tối ưu hóa để tạo ra các cấu trúc chính xác, sau đó tối ưu hóa hình học dựa trên các phương pháp tối ưu hóa [46], [47], [48], [49], [50], [51] Ví dụ, Gorguluarslan và cộng sự đã sử dụng phần mềm Abaqus để mô hình hóa và phân tích cấu trúc lưới, rồi tối ưu hóa cấu trúc bằng phần mềm Netfabb, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế [53] Một bảng tổng hợp các phần mềm CAD-FEM thương mại phù hợp cho các dự án thiết kế cấu trúc phức tạp được trình bày trong bảng 1.4, cung cấp các lựa chọn tối ưu cho kỹ thuật mô hình hóa và phân tích.

Dựa trên các phương pháp mô hình hóa hình học đã được đề xuất, các nhà nghiên cứu gần đây đã phát triển và khắc phục những hạn chế của các phương pháp trước đó, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các mô hình Các cải tiến này giúp tối ưu hóa quy trình mô hình hóa hình học, mở ra nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật.

Năm 2018, Savio và cộng sự đã đề xuất một phương pháp mô hình hóa các cấu trúc lưới tối ưu hóa, mở ra triển vọng mới trong phát triển các công cụ CAD chuyên dụng cho gia công đắp lớp Tuy nhiên, phương pháp này vẫn cần được cải tiến để phù hợp với các hình dạng phức tạp hơn, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình gia công.

Năm 2019, Nguyễn Đình Sơn [55] đã trình bày cách tiếp cận để tạo ra hai loại cấu trúc lưới khác nhau (tuần hoàn và ngẫu nhiên) trong môi trường CAD.

Phương pháp đề xuất giúp tự động tạo cấu trúc lưới, hỗ trợ nhà thiết kế dễ dàng tùy chỉnh các tham số của mô hình cấu trúc lưới và lưu trữ dưới dạng tệp CAD Tuy nhiên, vẫn còn thách thức trong việc mở rộng thư viện các ô đơn vị cũng như giảm thời gian xử lý và tiêu thụ bộ nhớ hiệu quả.

Năm 2021, Azman và cộng sự đã đề xuất một mô hình xương sống mới để tạo và lưu trữ các cấu trúc lưới, bao gồm các phần tử cơ bản như điểm, đường, khớp, mặt cắt và thuật toán mới giúp mô hình hóa cấu trúc lưới hiệu quả hơn Phương pháp này nổi bật nhờ không cần biểu diễn ranh giới của các mô hình CAD cấu trúc lưới, từ đó nâng cao hiệu quả lưu trữ và biểu diễn dữ liệu mô hình trên máy tính Mô hình mới còn có tiềm năng mở rộng trong các ứng dụng yêu cầu hỗ trợ của máy tính, tuy nhiên, việc tích hợp vào các phần mềm CAE và CAM vẫn cần thêm nghiên cứu để đảm bảo khả năng ứng dụng thực tế.

Bảng 1.4: Các phần mềm CAD-FEM sử dụng trong mô hình hóa cấu trúc lưới

Các tính năng Tham khảo nTop (nTopology) - Thiết kế, tối ưu hóa, mô phỏng cấu trúc lưới; khả năng xuất các định dạng CAD, STL

Netfabb của Autodesk là công cụ mạnh mẽ để thiết kế, tối ưu hóa và mô phỏng cấu trúc liên kết, giúp người dùng nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình phát triển sản phẩm Phần mềm còn đi kèm thư viện ô đơn vị đa dạng, dễ dàng tùy chỉnh kích thước phù hợp với yêu cầu dự án Ngoài ra, Netfabb hỗ trợ nhiều định dạng CAD khác nhau, giúp tích hợp linh hoạt vào quy trình thiết kế và sản xuất.

Chức năng thiết kế và mô phỏng cấu trúc lưới giúp tối ưu hóa hiệu quả của các mô hình Người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh và điều chỉnh kích thước cùng mật độ ô đơn vị để phù hợp với từng dự án cụ thể Hệ thống tích hợp mạnh mẽ với nTop cung cấp khả năng phân tích sâu và tùy chỉnh nâng cao, nâng cao chất lượng kết quả thiết kế lưới.

Thiết kế và mô phỏng cấu trúc lưới là yếu tố then chốt trong tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của các công trình kỹ thuật Việc tích hợp các công nghệ mới giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình thiết kế Kết hợp với phần mềm Ansys, các kỹ sư có thể dựa trên mô phỏng thực tế và khả năng phân tích FEA cấu trúc lưới để đưa ra các giải pháp tối ưu và đáng tin cậy.

Gen3D Sulis (Altair) - Tối ưu hóa cấu trúc liên kết, thiết kế, mô phỏng cấu trúc lưới [61]

Altair OptiStruct - Cung cấp các giải pháp mô phỏng, tối ưu hóa cấu trúc liên kết và các tính năng thiết kế cho gia công đắp lớp (DfAM)

3-matic - Thiết kế, tối ưu hóa và sửa đổi các cấp độ lưới; tích hợp với các phần mềm

Quy trình làm việc từ thiết kế theo nguyên lý DfAM đến sản xuất đã được mở rộng toàn diện, với các công cụ thiết kế và mô phỏng được điều chỉnh phù hợp cho các quy trình in 3D (AM) Hệ thống tích hợp với các ứng dụng của bên thứ ba để tạo lưới và mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình chế tạo các chi tiết phức tạp.

SolidWorks - Thiết kế, mô phỏng cấu trúc lưới [65]

- Các công cụ mô hình hóa cấu trúc lưới và mô phỏng ứng xử cấu trúc lưới [66]

Trong năm 2024, nhóm nghiên cứu gồm Hoàng Trọng Hiếu, Nguyễn Công Hành, Nguyễn Đình Sơn, Nguyễn Văn Thiên Ân và Nguyễn Phú Duy đã trình bày một mô hình hiệu quả sử dụng ABAQUS/CAE và Python Script để tự động hóa quá trình lập mô hình cấu trúc lưới, giúp phân tích cơ tính của cấu trúc trong môi trường của phần mềm này Quy trình tích hợp này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tận dụng tối đa khả năng của ABAQUS trong phân tích hành vi cấu trúc lưới một cách toàn diện Tuy nhiên, phương pháp này cần được mở rộng để phù hợp với các loại cấu trúc lưới phức tạp hơn cũng như các tiết diện thanh chống đa dạng như tam giác, vuông, chữ nhật và elip, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng trong các dự án thực tế.

Ứng dụng và chế tạo cấu trúc lưới

Ứng dụng cấu trúc lưới

Cấu trúc lưới là loại vật liệu tiềm năng nổi bật với đặc tính nhẹ, bền, khả năng hấp thụ năng lượng tốt và độ cứng cao Nhờ những ưu điểm vượt trội này, cấu trúc lưới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô và y sinh Sản phẩm này đang thu hút sự quan tâm lớn do đáp ứng các yêu cầu về kết cấu nhẹ, độ bền cao và khả năng chống chịu tốt trong môi trường khắc nghiệt.

Trong ngành hàng không vũ trụ, cấu trúc lưới đóng vai trò quan trọng như:

- Giảm trọng lượng máy bay: Giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tải trọng hàng hóa.

Việc sử dụng cấu trúc lưới trong các bộ phận động cơ như cánh tuabin và buồng đốt giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của động cơ và cải thiện hệ thống làm mát Các bộ phận này có độ dẫn nhiệt thấp, từ đó bảo vệ các thành phần chịu nhiệt cao và kéo dài tuổi thọ của động cơ Đây là một giải pháp tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và độ bền của các thiết bị động cơ trong ngành công nghiệp.

[68], [69] Ngoài ra, cấu trúc lưới còn được sử dụng làm bộ trao đổi nhiệt, tấm làm mát và tấm chắn nhiệt, giúp truyền và tản nhiệt hiệu quả [67], [70], [71], [72] (hình 1.17). a) b) c) d)

Các ứng dụng của cấu trúc lưới trong lĩnh vực hàng không vũ trụ rất đa dạng, từ các động cơ đẩy tên lửa đến cấu trúc cánh của phương tiện bay, các bộ phận của trực thăng và giá đỡ thiết bị truyền động Cấu trúc lưới giúp tăng cường độ bền và giảm trọng lượng của các thành phần trong các hệ thống hàng không, nâng cao hiệu suất và độ an toàn cho các phương tiện bay Những ứng dụng này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ hàng không vũ trụ hiện đại, đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả và độ tin cậy cao.

Trong ngành công nghiệp ô tô, các nhà sản xuất có thể giảm trọng lượng tổng thể của phương tiện bằng cách sử dụng cấu trúc dạng lưới, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải bảo vệ môi trường [7], [12], [13], [67], [73] Hình 1.18 minh họa các ứng dụng hiện tại của cấu trúc lưới trong thiết kế ô tô, góp phần nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho xe [7], [13], [67], [71].

Cấu trúc lưới có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành ô tô, bao gồm vỏ động cơ điện, bộ lọc, đầu xi lanh xe đua và lốp không hơi dạng nan hoa hình lục giác Những thiết kế này giúp tối ưu hóa hiệu suất, giảm trọng lượng và tăng độ bền của các thành phần ô tô, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng và đảm bảo an toàn trên mọi tuyến đường.

Trong ngành y sinh, cấu trúc lưới được thiết kế để tối ưu hoá sự tích hợp xương và đã chứng minh khả năng duy trì sự phát triển của xương một cách xuất sắc, mang đến hiệu suất cao trong cấy ghép y tế [74], [75] Hình 1.19 minh họa các ứng dụng điển hình của cấu trúc lưới trong lĩnh vực y sinh hiện nay [7], [57], [67], [76], giúp nâng cao hiệu quả và độ an toàn của các phương pháp điều trị xương và mô mềm.

Hình 1.19: Các ứng dụng của cấu trúc lưới trong lĩnh vực y sinh (a) cấy ghép chỉnh hình hông [67], (b) khung đỡ lồng ngực [7], (c) tay giả [57] và (d) cấy ghép cột sống [77].

Chế tạo cấu trúc lưới

Cấu trúc lưới truyền thống được sản xuất bằng các phương pháp như đúc, dập tạo hình, đùn cắt dây và lắp ráp, nhưng chỉ phù hợp với các cấu trúc đơn giản và quy mô lớn, đòi hỏi thời gian chế tạo lâu, xử lý hậu kỳ phức tạp, tiêu thụ nhiều năng lượng và gây lãng phí vật liệu Các phương pháp này gặp khó khăn trong việc chế tạo các cấu trúc lưới với đường gân mỏng và tấm mỏng, hạn chế khả năng sáng tạo và ứng dụng Mặc dù đã có công nghệ tạo cấu trúc lưới mới, nhưng hiệu quả vẫn chưa đáp ứng mong đợi cho đến khi công nghệ gia công đắp lớp (Additive Manufacturing - AM) xuất hiện, giúp giải quyết các nhược điểm của phương pháp truyền thống.

Hình 1.20: Phương pháp sản xuất lưới truyền thống (a) Phương pháp đúc [82], (b) Phương pháp dập tạo hình [83], (c) Phương pháp đùn cắt dây [84], (d) Phương pháp lắp ráp [79]

Gia công đắp lớp (AM), hay còn gọi là công nghệ in 3D, là một phương pháp sản xuất dựa trên nguyên tắc phủ lên từng lớp vật liệu mỏng, từ đó tạo thành sản phẩm cuối cùng Xuất phát từ các công nghệ tạo mẫu nhanh phát triển từ những năm 1980, công nghệ này đã phát triển thành nhiều loại khác nhau để phù hợp với các yêu cầu sản xuất đa dạng Theo tổ chức ASTM, gia công đắp lớp được phân thành bảy loại khác nhau, phản ánh sự đa dạng và ứng dụng phong phú của công nghệ này trong ngành công nghiệp hiện nay.

- Công nghệ quang hóa polymer (VAT Photopolymerization);

- Công nghệ phun vật liệu (Material Jetting);

- Công nghệ đùn vật liệu (Material Extrusion);

- Công nghệ phun kết dính (Binder Jetting);

- Công nghệ nóng chảy vật liệu bột (Powder Bed Fusion);

- Công nghệ gia nhiệt trực tiếp (Directed Energy Deposition);

- Công nghệ đắp lớp theo tấm (Sheet Lamination).

Công nghệ gia công đắp lớp (AM) đã mở ra khả năng chế tạo các cấu trúc phức tạp mà trước đây không thể thực hiện bằng kỹ thuật truyền thống, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất Nhờ phân lớp vật liệu, AM mang lại lợi thế lớn về tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng sử dụng nhiều loại vật liệu như cao su, kim loại, hợp kim, gốm và sợi, cùng với hiệu quả năng lượng cao [85], [86], [87] Các công nghệ của AM đều có khả năng tạo ra các cấu trúc lưới, mỗi phương pháp có điểm mạnh và hạn chế riêng, trong đó phương pháp SLM và EBM (hình 1.21) được ứng dụng phổ biến hơn nhờ những ưu điểm vượt trội của chúng Các phương pháp này đã được tổng hợp trong bảng 1.5, thể hiện rõ ưu nhược điểm của từng kỹ thuật trong sản xuất các cấu trúc lưới.

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật SLM và EBM [88]

Bảng 1.5: Ưu và nhược của các công nghệ AM [69]

Phương pháp Kỹ thuật Ưu và Nhược điểm

- Công nghệ quang hóa polymer (VAT Photopolymerization)

- Chi phí vật liệu cao

- Công nghệ phun vật liệu (Material Jetting) -Polyjet

- MJP - In được đa vật liệu

- Chất lượng bề mặt tốt

- Vật liệu có độ bền thấp

- Công nghệ đùn vật liệu (Material Extrusion)

- Máy in có chi phí đầu tư thấp

- In được đa vật liệu

- Độ chính xác đạt tương đối

- Nhám bề mặt tương đối cao

- Công nghệ phun kết dính (Binder Jetting) -MJF

- SPJ - In các vật thể đa màu sắc

- Yêu cầu thẩm thấu trong quá trình xử lý sau khi in

- Phạm vi lựa chọn vật liệu rộng

- Công nghệ nóng chảy vật liệu bột (Powder Bed Fusion)

- Các bộ phận đặt hoàn toàn

- Tái chế bột có cường độ riêng cao

- Cần kết cấu phụ trợ

- Công nghệ gia nhiệt trực tiếp (Directed Energy Deposition)

- Tốc độ lắng đọng cao so với PBF

- Dễ dàng sửa chữa thay thế khi hư hỏng- Yêu cầu xử lý hậu kì

- In vật liệu được phân loại theo chức năng

- Công nghệ đắp lớp theo tấm (Sheet Lamination)

-LOM- UAM -Độ chính xác cao

- Vật liệu, thiết bị có giá thành thấp

Công nghệ in 3D (AM) đã mở ra nhiều tiềm năng mới trong việc tạo ra các cấu trúc lưới phức tạp và tùy biến cao Tuy nhiên, quá trình sản xuất các cấu trúc này vẫn đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề xử lý vật liệu hỗ trợ, đòi hỏi thời gian và chi phí cao, đồng thời có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản phẩm cuối cùng Trong in bột kim loại, việc loại bỏ bột thừa và đảm bảo sự liên kết giữa các hạt kim loại là những khó khăn lớn, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cấu trúc Ngoài ra, sự khác biệt giữa cấu trúc lý thuyết và cấu trúc thực tế do các yếu tố như co ngót, biến dạng và khuyết tật trong quá trình in cần được nghiên cứu sâu hơn để nâng cao chất lượng và độ tin cậy của công nghệ in 3D.

Mô hình số cấu trúc lưới

Giới thiệu chung

Trong kỹ thuật, tối ưu hóa hình dáng và kết cấu chi tiết để cân bằng giữa độ bền, độ cứng vững, khả năng chịu dao động và trọng lượng cùng chi phí chế tạo luôn là vấn đề thu hút sự quan tâm lớn của các nhà khoa học Với sự hỗ trợ của công nghệ in 3D hay công nghệ sản xuất đắp lớp AM (Additive Manufacturing), các nghiên cứu đã đề xuất và ứng dụng cấu trúc lưới trong thiết kế chi tiết máy nhằm giảm trọng lượng và tiết kiệm vật liệu Cấu trúc lưới được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như cải thiện độ bền, tính chất cơ học vật liệu, kỹ thuật nhiệt và kỹ thuật y sinh Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng mô hình số vật liệu dạng cấu trúc lưới cho công nghệ in 3D bằng phần mềm phần tử hữu hạn (FEA) ABAQUS/CAE để tối ưu hóa quá trình thiết kế và chế tạo.

Năm 2014 đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc phát triển quy trình thiết kế và mô phỏng trực tiếp trong phần mềm ABAQUS Việc sử dụng ABAQUS mang lại nhiều lợi ích cho nghiên cứu, bao gồm khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng kỹ thuật, tối ưu hóa quá trình thiết kế và giảm thiểu thời gian phát triển sản phẩm Điều này giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu, hỗ trợ các nhà kỹ thuật và nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp tối ưu dựa trên phân tích mô phỏng số.

Tiết kiệm thời gian và công sức bằng cách thực hiện toàn bộ quy trình trong ABAQUS, giúp loại bỏ nhu cầu chuyển đổi dữ liệu giữa các phần mềm, giảm thiểu thao tác thủ công và nâng cao hiệu quả công việc.

ABAQUS là phần mềm FEA mạnh mẽ giúp mô phỏng chính xác các cấu trúc dạng lưới Việc xây dựng và phân tích mô hình trong cùng một môi trường đảm bảo độ chính xác và nhất quán cao hơn trong kết quả Điều này giúp nâng cao độ chính xác của các phân tích kỹ thuật và đưa ra quyết định chính xác hơn.

ABAQUS cung cấp các công cụ tiên tiến để tạo ra các phần tử lưới chất lượng cao, giúp nâng cao độ chính xác của mô phỏng Việc sử dụng lưới chất lượng cao từ ABAQUS còn cải thiện hiệu quả tính toán, giảm thiểu sai số và tăng tốc độ phân tích Tạo ra lưới chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo kết quả mô phỏng tin cậy và chính xác trong các dự án kỹ thuật.

Việc sử dụng ABAQUS trong phân tích và xây dựng cấu trúc dạng lưới mang lại nhiều lợi ích, như tiết kiệm thời gian, nâng cao độ chính xác và tạo ra mô hình chất lượng cao Ngoài ra, ABAQUS còn có khả năng mô phỏng đa dạng vật liệu và cấu trúc, dễ sử dụng với giao diện đồ họa trực quan, cùng với cộng đồng người dùng lớn và nhiều tài liệu hướng dẫn sẵn có Chính những ưu điểm này giúp ABAQUS trở thành một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho nghiên cứu và phát triển các cấu trúc dạng lưới mới.

Xây dựng mô hình số ô đơn vị

Phương pháp đề xuất trong nghiên cứu này được thể hiện như trong Hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ của phương pháp tạo ô đơn vị tự động

• Tạo mô hình CAD của ô đơn vị trong Abaqus:

Trong nghiên cứu này, đơn vị được xây dựng bằng các phép toán Boolean dựa trên nguyên lý hình học nguyên thủy, như đã trình bày trong hình 2.2 Các bước thực hiện đều dựa trên các khối hình học cơ bản để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thiết kế Phương pháp này giúp tối ưu hóa các hoạt động xử lý dữ liệu và nâng cao hiệu suất của hệ thống Việc áp dụng các phép toán Boolean theo nguyên lý hình học góp phần tạo ra các đơn vị có khả năng hoạt động chính xác và đáng tin cậy trong các ứng dụng kỹ thuật.

Hình 2.2: Các phép toán Boolean sử dụng để tạo ô đơn vị

Hình 2.3: Sơ đồ các bước của phương pháp đề xuất

* Trích xuất dữ liệu từ file có định dạng jnl và chuyển sang định dạng py

Dữ liệu thu thập từ quá trình lập trình Python liên quan đến các biến thiết kế của ô đơn vị như đường kính thanh, kích thước ô đơn vị, góc nghiêng của thanh và tiết diện của thanh Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa cấu trúc, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của kết cấu Việc phân tích chính xác các biến thiết kế giúp cải thiện quá trình thiết kế và giảm thiểu sai sót trong quá trình thi công Áp dụng dữ liệu này vào lập trình Python hỗ trợ tự động hóa quá trình thiết kế, nâng cao độ chính xác và tiết kiệm thời gian.

* Kiểm tra chương trình Python thu được bằng cách đưa chương trình vào ABAQUS, sửa lỗi chương trình (nếu có) và thu nhận kết quả

Ví dụ về việc áp dụng phương pháp đề xuất để xây dựng ô đơn vị dạng khối lập phương, gọi là "cube," sử dụng các biến đầu vào gồm thanh có tiết diện tròn với bán kính re = 0.25mm và chiều dài le = 4mm, cùng với kích thước khối RVE là 4x4x4mm³ Quá trình này được thực hiện qua 6 bước cụ thể như hình minh họa Phương pháp này giúp mô phỏng chính xác cấu trúc vi mô của vật liệu, nâng cao hiệu quả trong phân tích tính chất cơ lý của vật liệu composite Áp dụng đúng quy trình này đảm bảo phản ánh chính xác các đặc tính vật liệu và hỗ trợ tối ưu trong thiết kế vật liệu mới.

Bước 1: Tạo ô đơn vị cơ bản (A) Bước 2: Tạo khối RVE (B)

+ Bước 5: Tạo khối E = A+B Bước 6: Tạo khối F = E-C-D

Sau khi hoàn thiện ô đơn vị, cần trích xuất dữ liệu từ file jnl trong thư mục cùng tên với định dạng CAE và chuyển đổi sang định dạng py để lập trình Python Các biến thiết kế của ô đơn vị bao gồm đường kính thanh, chiều dài thanh, kích thước khối RVE, góc nghiêng của thanh và tiết diện thanh Chi tiết mã Python cho các ô đơn vị được trình bày trong phần phụ lục của báo cáo.

Câu lệnh về vẽ ô đơn vị:

Sử dụng các thư viện sẵn có trongAbaqus

Câu lệnh tạo ô đơn vị có bán kính thanh thay đổi re và kích thước của ô le.

Các câu lệnh thực hiện việc cắt gọt khối ô đơn vị tự động.

Các câu lệnh xuất kết quả đặc trưng hình học của ô đơn vị.

Bằng cách điều chỉnh các biến thiết kế trong chương trình, ta có thể tạo ra các ô đơn vị với đường kính thanh và kích thước khác nhau Hình 2.4 trình bày kết quả của các ô đơn vị tự động có kích thước đa dạng được tạo ra bằng phần mềm Python, minh họa rõ ràng quá trình thay đổi kích thước theo các biến thiết kế.

Hình 2.4: Các ô đơn vị khác nhau khi thay đổi kích thước

Nghiên cứu đã xác định các ô đơn vị cơ bản gồm C, D, O, V và khảo sát mối liên hệ giữa thể tích của ô đơn vị với bán kính thanh chống bằng cách xây dựng bảng số liệu và biểu đồ thể hiện Đồng thời, các hàm xấp xỉ được lập ra để mô phỏng mối quan hệ này cho bốn ô đơn vị cơ bản C, D, O, V, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của vật liệu.

Hình 2.5: Các ô đơn vị cơ bản dạng khối lập phương

Hình 2.6: Mối quan hệ giữa thể tích ô đơn vị C và bán kính thanh chống

Hình 2.7: Mối quan hệ giữa thể tích ô đơn vị D với bán kính thanh chống

Hình 2.8: Mối quan hệ giữa thể tích ô đơn vị O và bán kính thanh chống

Hình 2.9: Mối quan hệ giữa thể tích ô đơn vị V với bán kính thanh chống

Hình 2.10: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa thể tích của các ô đơn vị C,D,O,V với bán kính thanh chống

Dựa trên đồ thị trong hình 15, ô đơn vị C có thể tích nhỏ nhất trong khi ô đơn vị V có thể tích lớn nhất với cùng một bán kính thanh chống, điều này là do ô C có 12 thanh còn ô V có tới 24 thanh, tăng khả năng tích trữ thể tích Thêm vào đó, phần thể tích bị cắt gọt giữa các ô đơn vị khác nhau ảnh hưởng đến thể tích cuối cùng, cho thấy thể tích ô đơn vị phụ thuộc đáng kể vào cấu trúc liên kết của các ô.

Xây dựng mô hình số cấu trúc lưới

Sau khi thiết kế ô đơn vị, cấu trúc lưới có thể được tạo ra bằng cách lặp lại ô đơn vị theo các trục hoặc phù hợp với không gian thiết kế, hoặc tối ưu hóa cấu trúc liên kết để đạt hiệu quả cao nhất Hiện nay, có một số phần mềm thương mại hỗ trợ thiết kế cấu trúc lưới như Autodesk Inside Medica, Materialize Magics, nTopology Element, CAD Simpleware và STL 3-matic Gần đây, Autodesk tích hợp các công cụ Netfabb và Inside để tạo ra phần mềm Netfabb 2017.1, cho phép thiết kế đa dạng các loại cấu trúc liên kết và tối ưu hóa cấu trúc lưới một cách hiệu quả.

Hình 2.11: Các phương pháp tạo cấu trúc lưới từ ô đơn vị [12]

Bài báo giới thiệu phương pháp thiết kế cấu trúc lưới tự động bằng phần mềm Abaqus, dựa trên việc tối ưu hóa các ô đơn vị tự động theo trục Phương pháp này sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để lặp lại các ô đơn vị và điều chỉnh số lượng trên các trục, giúp tạo ra cấu trúc lưới linh hoạt và tự động hóa quá trình thiết kế Sơ đồ phương pháp được trình bày chi tiết trong hình 2.12, thể hiện rõ quá trình thực hiện từ việc phân chia các ô đơn vị đến tận dụng lập trình để tối ưu hóa cấu trúc lưới.

Hình 2.12: Sơ đồ của phương pháp tạo cấu trúc lưới tự động Ô đơn vị C RVE 2x2x2 RVE 10x10x10 Ô đơn vị D RVE 2x2x2 RVE 10x10x10 Ô đơn vị O RVE 2x2x2 RVE 10x10x10 Ô đơn vị V RVE 2x2x2 RVE 10x10x10

Hình 2.13: Các cấu trúc lưới được tạo ra theo phương pháp tự động

Các chương trinh số của ô đơn vị và cấu trúc lưới

2.4.1 Chương trình số ô đơn vị C

The article discusses the implementation of a comprehensive SIMULATIONS code, emphasizing the importance of importing essential modules such as part, material, section, assembly, step, interaction, load, mesh, optimization, job, sketch, visualization, and connectorBehavior to ensure accurate modeling and analysis A key parameter highlighted is 're=0.25,' which plays a critical role in the simulation process, affecting outcomes and performance Proper configuration of these modules and parameters is vital for achieving reliable and precise simulation results in engineering applications.

This article outlines the process of creating a 2-meter radius, 4-meter length cylindrical part using Abaqus It begins by defining a circular sketch with a specified center at the origin and a radius of 're' The sketch is then used to extrude a 3D deformable solid with a length of 'Le' After the extrusion, the sketch is deleted, and a default Cartesian coordinate system is established for the assembly Finally, an instance of the created part is added to the root assembly for further simulation or analysis This step-by-step guide highlights key procedures for modeling cylindrical components in finite element analysis.

# Nhân thanh thành 2 hàng, 2 cột, khoảng cách 4 mdb.models['Model-1'].rootAssembly.LinearInstancePattern(direction1=(1.0, 0.0, 0.0), direction2=(0.0, 1.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1', ), number1=2, number2=2, spacing1=Le, spacing2=Le)

# Nhân 4 thanh vừa tạo thành 2 hàng 1 cột, khoảng cách hàng 4 (Không quan tâm đến cột) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.LinearInstancePattern(direction1=(1.0, 0.0, 0.0), direction2=(0.0, 1.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1',

'Part-1-1-lin-1-2', 'Part-1-1-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2'), number1=2, number2=1, spacing1=Le, spacing2=4.5)

# Xoay 4 thanh vừa thu được 1 góc 90 theo phương trục X mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(1.0, 0.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-2-1-1',

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1')) # Dịch chuyển 4 thanh vừa xoay về khớp với 4 thanh đã có mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1',

'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1'), vector=(-Le, Le, 0.0))

# Nhân 4 thanh trước đó thành 2 hàng 1 cột, khoảng cách hàng là 4 ( không quan tâm cột) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.LinearInstancePattern(direction1=(1.0, 0.0, 0.0), direction2=(0.0, 1.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-1-2',

'Part-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2', 'Part-1-1-lin-2-1'), number1=2, number2=1, spacing1=Le, spacing2=4.5)

# Xoay 4 thanh vừa thu được góc 90 theo phương trục y mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(0.0, 1.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=(

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1'))

# Dịch chuyển 4 thanh vùa xoay về khớp với khối đã có mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1'), vector=(0.0,

# Hợp 12 thanh và đặt tên là cell C chua cat (A) mdb.models['Model-

The script performs a boolean merge operation in Abaqus, combining multiple instances from the 'Model-1' assembly into a single part named 'cell C chua cat (A)', while suppressing their original instances to streamline the model.

This article demonstrates how to create a 4x4x4 reinforced concrete block (khoi rve) in Abaqus software The process begins by defining a rectangular sketch with dimensions of 5.0 units by 5.0 units, using constraints such as oblique dimensions to set precise measurements After sketching the profile, the shape is extruded to the desired length (Le) to form a 3D solid The final step involves generating a deformable 3D part named "khoi rve" by extruding the sketch, providing a foundational model for finite element analysis Properly executing these steps ensures accurate modeling of reinforced concrete structures in Abaqus.

In the simulation, Instance A and Block B are moved to align correctly within the assembly The 'cell C chua cat (A)-2' and 'khoi rve-1' are instantiated from their respective parts in MDB Model-1 The 'khoi rve-1' instance is translated downward along the Y-axis by 1.0 units to ensure proper positioning and alignment of the components within the model, facilitating accurate simulation results.

The article explains how to create a new part, "C = A - B," in Abaqus by performing a Boolean cut operation First, it involves using the InstanceFromBooleanCut function to subtract the "khoi rve-1" instance from the "cell C chua cat (A)-1" instance within the model This process effectively creates a new part that represents the difference between parts A and B, which is essential for complex CAD modeling and finite element analysis Finally, the process resumes the features of the original part to finalize the modification.

In the simulation, Instance A and Instance B are repositioned to align properly before being combined into a single part D (D = A + B) The model utilizes 'mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Instance' to create dependent instances of the parts, such as 'cell C chưa cắt (A)-3' and 'khoi rve' To ensure proper assembly, the 'khoi rve-2' instance is translated along the Y-axis by -1.0 units using the 'translate' command, facilitating accurate alignment and assembly within the model Proper instance management and precise positioning are essential for accurate simulation results in the finite element model.

This article covers the process of merging multiple instances in Abaqus using the InstanceFromBooleanMerge function It specifically explains how to combine instances such as 'cell C chua cat (A)-1', 'cell C chua cat (A)-2', 'C=A-B-1', 'cell C chua cat (A)-3', and 'khoi rve-2' within the root assembly The resulting combined instance is named 'D=A+B' and the original instances are suppressed after merging, ensuring an efficient modeling workflow in finite element analysis.

# Đặt tên sai đổi tên D thành E mdb.models['Model-1'].rootAssembly.features.changeKey(fromName='D=A+B-1', toName='E=A+B-1')

This article explains the process of creating a new instance D = B - A through movement and boolean cutting operations in Abaqus First, instances are created for parts A and B within the model, with the assembly suppressed or translated as needed Specifically, the 'cell C chua cat (A)-4' instance is generated for part A, and the 'khoi rve' instance for part B is moved along the Y-axis Subsequently, a boolean cut operation is performed, where the instance representing A is used to cut the instance representing B, resulting in the new instance D = B - A This procedure demonstrates key steps in instance management and geometric modification within finite element modeling for accurate simulation results.

In the modeling process, Instances C, D, and E are created to generate F = E - C - D, but there is an error since D was not subtracted correctly The model includes creating dependent instances in the root assembly, such as ‘C=A-B-2’ and ‘D=A+B-1’, referencing specific parts within the model To modify the assembly, the feature ‘D=B-A-1’ is suppressed before performing a boolean cut operation, which involves cutting instance ‘D=A+B-1’ from ‘C=A-B-2’ This results in the creation of the new instance ‘F=E-C-D’, with original instances suppressed to reflect the updated geometry This process highlights the importance of proper instance management and boolean operations in finite element modeling using ABAQUS.

To create the feature F = E - C - D, instances C A-B-3, D B-A-2, and D B-A-3 are generated with dependent set to ON using the specified part definitions Subsequently, the features 'D=B-A-2' and 'F=E-C-D-1' are suppressed to prepare the assembly for the Boolean cut operation Finally, a Boolean cut is performed in Abaqus/CAE by cutting the instance D=A+B-2 using instances C=A-B-3 and D=B-A-3, resulting in the creation of the desired feature F=E-C-D dung.

# Save by Admin on 2024_06_14-13.05.34; build 6.14-1 2014_06_05-05.11.02134264

2.4.2 Chương trình số cấu trúc lưới C (RVE2x2x2)

This article discusses creating a 2x2x2 structured mesh (RVE2x2x2) in Abaqus It begins with importing necessary modules and defining parameters such as radius and length A 2D circle sketch is created to define the cross-section of a part, which is then extruded into a 3D solid The sketch is deleted after extrusion, and a Cartesian coordinate system is established for assembly Multiple instances of the part are generated through linear patterning along two directions, forming the structured RVE essential for microstructural analysis.

'Part-1-1-lin-1-2', 'Part-1-1-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2'), number1=2, number2=1, spacing1=le, spacing2=4.5) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(1.0, 0.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-2-1-1',

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1',

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1')) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1',

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1'), vector=(-le, le, 0.0)) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.LinearInstancePattern(direction1=(1.0, 0.0, 0.0), direction2=(0.0, 1.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-1-2',

'Part-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2', 'Part-1-1-lin-2-1'), number1=2, number2=1, spacing1=le, spacing2=4.5) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(0.0, 1.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=(

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1')) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1'), vector=(0.0, 0.0, 2*le)) mdb.models['Model-

This article describes the process of combining and modifying 3D parts in Abaqus It details how to merge multiple instances using Boolean union operations to create a single part, followed by sketching a rectangle to define the extrusion profile The part is then extruded to a specified depth and renamed for clarity The workflow includes creating dependent instances, performing Boolean cut operations to subtract one part from another, and managing the visibility of features to streamline the model Overall, this guide outlines essential steps for effective part assembly, cutting, and modification within the Abaqus environment for advanced finite element modeling.

This article outlines the process of modeling complex geometries using boolean operations in Abaqus It begins by merging two instances, 'A-1' and 'B-1', into a new instance named 'E=A+B', enhancing model integration Subsequently, features 'C=A-B-1' and 'D=B-A-1' are resumed to prepare for cutting operations These features are used in a boolean cut to create a new instance 'F=E-C-D', which accurately represents the combined geometry after subtraction Finally, a linear pattern is applied to duplicate the 'F=E-C-D-1' instance in specified directions, with controlled spacing, enabling efficient modeling of repeated structures This workflow leverages boolean merge and cut operations alongside pattern techniques to optimize complex geometric modeling in Abaqus.

'F=E-C-D-1-lin-1-2', 'F=E-C-D-1-lin-2-1', 'F=E-C-D-1-lin-2-2'), number1=2, number2=1, spacing1=le, spacing2=2*le)

# Save by Admin on 2024_06_29-23.34.51; build 6.14-1 2014_06_05-05.11.02 134264

2.4.3 Chương trình số cấu trúc lưới C (RVE10x10x10)

The RVE10X10x10 Python script demonstrates the creation of a structured grid mesh in Abaqus using scripting commands It begins by importing necessary modules and defining parameters, such as the radius and length of the cylinder The script sketches a circle to define the base profile of the part, then extrudes this profile to create a three-dimensional solid After deleting the sketch to clean up, it sets the default coordinate system for assembly and creates an instance of the part The patterning function repeats the instance in both directions to form a 10x10 grid, establishing a uniform and organized mesh structure suitable for detailed finite element analysis This process automates the modeling of complex microstructures, saving time and ensuring consistency according to SEO practices for technical content.

'Part-1-1-lin-1-2', 'Part-1-1-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2'), number1=2, number2=1, spacing1=le, spacing2=4.5) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(1.0, 0.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-2-1-1',

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1',

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1')) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1',

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1', 'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1'), vector=(-le, le,

0.0)) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.LinearInstancePattern(direction1=(1.0, 0.0, 0.0), direction2=(0.0, 1.0, 0.0), instanceList=('Part-1-1-lin-1-2',

'Part-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2', 'Part-1-1-lin-2-1'), number1=2, number2=1, spacing1=le, spacing2=4.5) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.rotate(angle.0, axisDirection=(0.0, 1.0, 0.0), axisPoint=(0.0, 0.0, 0.0), instanceList=(

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1')) mdb.models['Model-1'].rootAssembly.translate(instanceList=(

'Part-1-1-lin-2-1-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-1-2',

'Part-1-1-lin-1-2-lin-2-1-1', 'Part-1-1-lin-2-2-lin-2-1-1'), vector=(0.0,

Thiết kế cấu trúc lưới

Trong nghiên cứu này, phương pháp mô hình hóa ô đơn vị và cấu trúc lưới tự động được thực hiện bằng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS, như trình bày ở chương 2 Các cấu trúc lưới dựa trên thanh chống mới với các tiết diện khác nhau như hình tròn, vuông, chữ nhật, tam giác và các dạng liên kết thay đổi đã được thiết kế và phát triển Các ô đơn vị và cấu trúc lưới bao gồm các loại như ô đơn vị C, D, O, V với tiết diện hình chữ nhật, vuông, tam giác, được mô hình hóa với kích thước RVE 2x2x2 và 10x10x10, thể hiện rõ qua hình 3.1 Những nghiên cứu này giúp xây dựng các mô hình lưới đa dạng, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật và vật lý, đồng thời tối ưu hóa cấu trúc liên kết để nâng cao tính chịu lực và độ bền của cấu kiện.

Hình 3.1: Một số cấu trúc lưới và ô đơn vị

Gia công một số cấu trúc lưới

Do độ phức tạp cao của các cấu trúc tế bào, việc chế tạo chính xác bằng phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn, như tạo hình biến dạng, hàn đồng, đúc hoặc gấp tấm đục lỗ Công nghệ gia công bồi đắp (AM), còn gọi là in 3D, cung cấp khả năng sản xuất linh hoạt và chính xác, cho phép tạo ra các vật thể 3D trực tiếp từ mô hình CAD bằng cách thêm từng lớp vật liệu một cách tự nhiên mà không cần dụng cụ chuyên dụng Hầu hết các phương pháp AM đều có khả năng tạo ra các cấu trúc phức tạp, phù hợp với các yêu cầu thiết kế đa dạng trong ngành công nghiệp.

Hình 3.2: Nguyên lý in 3D và mô phỏng in 3D cấu trúc lưới

Hình 3.3: Cấu trúc lưới được chế tạo bởi các kỹ thuật AM khác nhau: (a) FDM , (b) SLA, (c) SLS, (d) SLM, (e) EBM, và (f) FFF.

Sơ đồ quá trình gia công cấu trúc lưới được thể hiện như hình 3.4:

Hình 3.4: Sơ đồ quá trình in 3D cấu trúc lưới

Dựa trên các cấu trúc lưới đã được xây dựng mô hình số, nghiên cứu đã chọn một số cấu lưới để tiến hành in 3D thực nghiệm nhằm xác nhận và kiểm tra độ chính xác của mô hình số đã phát triển Các mô hình này, như được trình bày trong hình 3.5, đảm bảo khả năng so sánh trực tiếp giữa mô hình số và mô hình thực tế in 3D, từ đó đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của mô hình số trong thiết kế cấu trúc mạng lưới.

Hình 3.5: Các mô hình số được chọn để thực nghiệm in 3D

Kết quả thực nghiệm cho thấy mức độ chính xác cao khi các mô hình được in 3D từ chương trình số với các tham số thay đổi phù hợp Các mô hình in 3D phản ánh đúng các kích thước hình học và hình dạng tiết diện theo các giá trị đã thiết lập trên mô hình số Thông qua quá trình thực nghiệm in 3D, các kết quả đều phù hợp với dữ liệu mô hình số ban đầu, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu Các mô hình in 3D này thể hiện rõ nét các đặc điểm kỹ thuật cần thiết cho các ứng dụng thực tế.

Hình 3.6: Các mô hình thực nghiệm in 3D từ chương trình số

Kết luận

Cấu trúc lưới mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như nhẹ hơn, độ bền cao và khả năng hấp thụ năng lượng tốt Các tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ in 3D (AM) đã thúc đẩy việc phát triển các cấu trúc lưới phức tạp với hình học tùy chỉnh và đặc tính cơ học mong muốn Tuy nhiên, việc ứng dụng rộng rãi cấu trúc lưới trong công nghiệp vẫn còn hạn chế do thiếu dữ liệu về các đặc tính cơ học, chiến lược thiết kế phù hợp, cũng như thiếu các định dạng tệp CAD và phần mềm hỗ trợ sản xuất AM Rà soát tài liệu hiện tại cho thấy còn tồn tại nhiều thách thức cần khắc phục để thúc đẩy ứng dụng của cấu trúc lưới trong các sản phẩm công nghiệp.

Việc mô hình hóa và mô phỏng cơ tính của cấu trúc lưới đang đối mặt với nhiều thách thức về tốc độ tính toán và tiêu thụ bộ nhớ Hầu hết các nghiên cứu hiện tại tập trung vào các loại cấu trúc lưới có thanh chống thẳng và tiết diện hình tròn Ít có các nghiên cứu đã khảo sát đến các cấu trúc lưới sử dụng các loại tiết diện như tam giác, hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình elip.

Hầu hết các cấu trúc lưới hiện nay đều được thiết kế thủ công, gây tốn nhiều công sức và thời gian Hiện chưa có phương pháp hệ thống nào tự động ước tính cấu trúc ô đơn vị của lưới, nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý và giảm thiểu thao tác thủ công Việc phát triển các giải pháp tự động hóa trong thiết kế lưới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian cho các kỹ sư xây dựng và kỹ thuật.

Các phần mềm thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc lưới cho sản xuất In 3D (AM) đã có sự phát triển gần đây, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế Hiện tại, chưa có phương pháp Phân tích yếu tố giới hạn (FEA) nào được phát triển đặc biệt để phân tích cấu trúc lưới trong công nghệ này, gây ra thách thức trong việc đảm bảo độ tin cậy và tối ưu hóa thiết kế.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển phương pháp hiệu quả để mô hình hóa cấu trúc lưới, nhằm khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ in 3D trong các ứng dụng công nghiệp Việc áp dụng cấu trúc lưới trong thiết kế sản phẩm giúp nâng cao tính linh hoạt, độ bền và tối ưu hóa quá trình sản xuất Để đạt được hiệu quả cao nhất, phương pháp mô hình hóa này hướng đến việc cung cấp các giải pháp chính xác, tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm Nhờ vậy, nghiên cứu góp phần thúc đẩy sự ứng dụng rộng rãi của cấu trúc lưới trong các lĩnh vực công nghiệp, mở ra nhiều cơ hội đổi mới sáng tạo.

Xây dựng mô hình số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn là bước quan trọng giúp mô phỏng chính xác các cấu trúc lưới, đảm bảo độ linh hoạt về kích thước và đa dạng về hình dạng Mô hình này cho phép phân tích chi tiết các yếu tố cấu trúc, từ đó tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng kỹ thuật Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn giúp đội ngũ nghiên cứu và phát triển đạt được kết quả chính xác, phù hợp với yêu cầu thực tế của các dự án xây dựng và cơ khí.

- Xác thực mô hình số: So sánh kết quả trên mô hình số với kết quả thử nghiệm in 3D để đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

Xây dựng cơ sở dữ liệu chương trình số của các loại cấu trúc lưới khác nhau là bước quan trọng để hỗ trợ quá trình thiết kế và tối ưu hóa Việc tạo một kho dữ liệu chi tiết giúp các kỹ sư dễ dàng tra cứu và áp dụng các phương pháp tính toán phù hợp, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các dự án lưới Đảm bảo cơ sở dữ liệu phong phú và chính xác sẽ góp phần tối ưu hóa quy trình thiết kế hệ thống lưới điện, tiết kiệm thời gian và chi phí cho các công trình.

Nghiên cứu này đã phát triển một công cụ thiết kế hiệu quả, giúp các nhà thiết kế dễ dàng đánh giá và lựa chọn các cấu trúc lưới phù hợp cho các ứng dụng cụ thể Công cụ này thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các cấu trúc lưới trong công nghiệp, góp phần tối ưu hóa quy trình thiết kế và nâng cao hiệu suất công trình.

Kiến nghị

Việc xây dựng thành công mô hình số là bước đột phá đầu tiên trong quy trình mô hình hóa và phân tích cơ tính tự động của vật liệu dạng cấu trúc lưới trong công nghệ in 3D Tự động hóa quá trình phân tích cơ tính cấu trúc lưới giúp các nhà thiết kế nhanh chóng và chính xác đánh giá hiệu suất của các thiết kế mới, từ đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của cấu trúc lưới trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đây là một mục tiêu quan trọng, mở ra cơ hội phát triển công nghệ in 3D và tối ưu hóa các giải pháp kỹ thuật liên quan.

Để hoàn thiện sơ đồ nghiên cứu, cần tiến hành các nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng cấu trúc lưới, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm, đồng thời tích hợp cấu trúc lưới vào các sản phẩm cơ khí để nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình thiết kế và phân tích kỹ thuật.

Hình 4.1: Sơ đồ nghiên cứu

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào mô phỏng cơ tính của cấu trúc lưới tự động dựa trên các mô hình số đã phát triển, giúp đánh giá chính xác hơn khả năng chịu lực và độ bền của cấu trúc Các kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu thực nghiệm nhằm kiểm chứng độ chính xác của mô hình Đồng thời, các mô hình này sẽ được tích hợp vào các sản phẩm ứng dụng cụ thể, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong các lĩnh vực kỹ thuật cấu trúc và công nghiệp.