ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG THI OLYMPIC MÔN CHI TIẾT MÁY

Ứng dụng các hệ thống CAD/CAE để giải quyết các vấn đề sautrong thiết kế máy và chi tiết máy:- Tính toán thiết kế các chi tiết máy + Hiển thị hình ảnh: màu sắc, chất liệu và ánh sáng.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

máy và thiết kế chi tiết máy

II Mô hình hóa với Autodesk Inventor

III Phân tích kết cấu, mô phỏng, động học và

động lực học phần mềm Inventor

2

động lực học phần mềm Inventor

V Ví dụ ứng dụng tin học trong olympic Chi

tiết máy và đề xuất

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Phần I Giới thiệu ứng dụng tin học trong

cơ học máy và thiết kế chi tiết máy

Ứng dụng các hệ thống CAD/CAE để giải quyết các vấn đề sautrong thiết kế máy và chi tiết máy:

- Tính toán thiết kế các chi tiết máy

+ Hiển thị hình ảnh: màu sắc, chất liệu và ánh sáng

+ Diễn hoạt máy tính

+ Mô phỏng lắp ráp, chuyển động, động học, động lực học.+ Tính toán phân tích và thiết kế tối ưu.

+ Tạo các bản vẽ kỹ thuật 2D từ mô hình 3D

+ Chuyển dữ liệu để gia công và tạo mẫu

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

1.1 Quá trình thiết kế

1.2 Các hệ thống CAD, CAE

Các hệ thống tích hợp bao gồm: Unigraphics (NX), Ideas NX,

Pro/ENGINEER, Catia, CADCEUS … thích hợp cho các đại

NX được dùng nhiêu hơn Pro/ENGINEER (trong ngành ôtô thì

NX 25%, Catia 26%, Ideas NX 11%, Pro/E 7% còn lại là các

phần mềm khác)

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Các phần mềm theo nhóm chưc năng: thiết kế mô hình 3D hoặc bản vẽ 2D, phân tích phần tử hữu hạn, mô phỏng động lực học… Giá thành rẻ hơn, khai thác tính năng tương đối

đơn giản nên phù hợp các công ty nhỏ và vừa Bao gồm:

- Phần mềm CAD: Autodesk Inventor (có phần Design

Accelerator để tính toán thiết kế chi tiết máy), AutoCAD,

SolidWorks, SolidEdge, Intergraph, Mechanical Desktop,

CADAM,, ThinkDesign… là các phần mềm hạng trung phổ biến

(Abaqus), Autodesk Algor Simulation, DADS, ADAMS…

(Abaqus), Autodesk Algor Simulation, DADS, ADAMS…

Vericut, Duct, Cimatron, Visi…

- Các phần mềm diễn hoạt máy tính: 3D Studio VIZ, 3DS

MAX, Envision, Vis Mockup…

- Các phần mềm hỗ trợ thiết kế tạo kiểu dáng công nghiệp

-Một số thông tin thêm về các hệ thống CAD/CAM:

Từ những năm 2004 trở về sau thì công nghiệp phần mềmCAD nằm trong tay 4 nhà sản xuất lớn: 3 công ty giải pháp

PLM: Dassault với CATIA và ENOVIA, Simens PLM softwarevới Unigraphics và iMAN, PTC với Pro/ENGINEER vàWindChill và công ty Autodesk với ADP (Autodesk solution forDigital Prototyping): Autodesk Inventor, AutoCAD Giữa cácphần mềm hạng trung là sự cạnh tranh giữa SolidWorks(Dassault), Inventor (Autodesk) và SolidEdge (Simens)…

Thứ hạng các công ty sở hữu các hệ thống CAD/CAE trong năm

2009 (đứng đầu là Microsoft và IBM):

- Autodesk (hạng 16) sở hữu: AutoCAD, Autodesk Inventor

8

- Autodesk (hạng 16) sở hữu: AutoCAD, Autodesk Inventor

(bao gồm Mold design và Simulation), AutoCAD Mechanical, Autodesk Algor Simulation, Autodesk AliasStudio, Autodesk

Moldflow, AutoCAD Architecture, Autodesk Maya, Revit

Architecture, Autodesk 3ds Max, AutoCAD Civil 3D…

- Dassault (hạng 17) sở hữu: Catia, Solidworks, SIMULIA

(Abaqus), DELMIA, ENOVIA và 3DVIA …

- PLM Siemens software (hạng 40): Unigraphics, Ideas NX,

SolidEdge, Feamap, iMAN…

- PTC (Parametric – hạng 50): Pro/ENGINEER, Windchill,

Mathcad, ProductView, CoCreate, InSight…

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Autodesk Inventor

Trong các năm gần đây phát triển nhanh chóng, được pháttriển từ năm 1999 và đến 2005 là phần mềm CAD bán chạynhất trên thế giới Ngoài chức năng mô hình hóa trongAutodesk Inventor còn có thể:

Phần II MÔ HÌNH HÓA SẢN PHẨM CƠ KHÍ

Trong CAD có phương pháp để xây dựng mô hình 3 chiều:

- Đầu tiên tạo solid cơ sở, sau đó khắc, cắt, dán… bằng các

phép đại số boole Ứng dụng trong Pro-ENGINEER,

SolidWorks, Autodesk Inventor, SolidEdge…

- Tạo hình từ những mặt cong phức tạp trên cơ sở những

đường cong biên 3 chiều, sau đó tạo mặt cong và chuyển sang solid Ứng dụng trong CATIA, Unigraphics (NX), Autodesk Alias

10

solid Ứng dụng trong CATIA, Unigraphics (NX), Autodesk Alias Studio, Rhinoceros…

- Nắn hình - tương tự với các thao tác làm việc nắn, kéo giãn,

tạo hình với đất sét Đây là kỹ thuật dựng hình CAD 3D dùng

trong ngành mỹ thuật công nghiệp, một kỹ thuật dựng hình sẽrất mạnh trong tương lai Ứng dụng trong ThinkDesign…

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

2.1 Autodesk Alias Studio

Autodesk AliasStudio (tên cũ là Alias StudioTools) Đây là công

cụ để phát thảo, mô hình hóa và tạo hình ảnh được kết hợp vào 1 phần mềm Đáp ứng yêu cầu nhà thiết kế: vẽ phát thảo,

vẽ tự do hình dạng và kiểu dáng sản phẩm, tạo hình dạng kết cấu, tạo hình ảnh thật để xem trước hình dạng sản phẩm và trao đổi dữ liệu các phần mềm CAD khác

Đây là phần mềm CAID, khác với CAD, là công cụ chuyên về

hướng kiểu dáng của thiết kế, tức là hình dạng bên ngoài của sản phẩm Nó không đi vào thiết kế chi tiết chính xác như các

12

sản phẩm Nó không đi vào thiết kế chi tiết chính xác như các

hệ thống CAD: Inventor, Pro/ENGINEER, SolidWorks …, tuy nhiên Alias có các công cụ mạnh tạo đường cong và mặt cong chính xác

Từ phiên bản 2010, Autodesk AliasStudio chia thành các sản

phẩm riêng biệt: Autodesk Alias Automotive (tên cũ Autodesk AutoStudio), Autodesk Alias Design( tên cũ Autodesk

DesignStudio), và Autodesk Alias Surface (tên cũ Autodesk

SurfaceStudio)

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

2.2 Phần mềm Autodesk Inventor

Có thể ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong các

môn Nguyên lý máy, Chi tiết máy và cơ sở thiết kế máy:

-Mô hình hóa chi tiết

-Mô hình hóa bản vẽ lắp

- Mô phỏng lắp ráp, động học và động lực học

- Phân tích kết cấu, thiết kế tối ưu

14

1 Mô hình hóa chi tiết (Part Modelling)

Part Modeling là môi trường mô hình hóa tham số chi tiết

3D bằng các công cụ của phần mềm

- Phân tích kết cấu, thiết kế tối ưu

- Tính toán chi tiết máy

- Lập tài liệu thiết kế từ các mô hình 3D

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

CSG

Part Modelling

16

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

2 Lắp ráp Assembly

Assembly Modeling là môi trường để lắp ráp các chi tiết

đã mô hình hóa trong Part Modeling thành các cụm lắpráp hoặc kết cấu máy hoàn chỉnh Những cơ cấu, kếtcấu phức tạp được lắp ráp dễ dàng trong môi trườngAutodesk Inventor, sử dụng các ràng buộc thông minhnhư: Angle, Flush, Insert, Mate, Tangent, Motion

như: Angle, Flush, Insert, Mate, Tangent, Motion

Có 2 phương pháp: Top down hoặc Bottom up

Các chi tiết lắp ráp có thể được tạo trong cùng một bản vẽhoặc có thể nhập từ các bản vẽ khác Trong môi trường nàybao gồm cả Design Accelator - tính toán và mô hình hóa cácchi tiết máy, Wedment Assembly - lắp các chi tiết bằng mốighép hàn và Frame Generator để tạo kết cấu khung Ngoài racòn có Content Center là thư viện các mô hình chi tiết tiêuchuẩn.

18

chuẩn

Video quá trình lắp ráp Cơ cấu Norton

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Bản vẽ lắp 3D

3 Trình diễn lắp ráp

Quá trình lắp được thể hiện rõ ràng, trực quan trên môi trường Autodesk Inventor và có thể mô phỏng lắp ráp trên môi trường Presentation:

20

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Mô phỏng lắp ráp hộp giảm tốc trục vít

Mô phỏng lắp ráp các nối trục

22

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

4 Tạo bản vẽ 2D từ mô hình 3D (Drawing)

Tạo bản vẽ kỹ thuật 2D, 3D từ 3D solid, kim loại tấm, lắp ráp và trình diễn lắp ráp File bản vẽ vẫn giữ sự liên kết với các file gốc Tạo bản vẽ kỹ thuật phụ thuộc vào hệ

thống chiếu: hệ thống A (góc chiếu thứ ba) hoặc hệ

Các phương pháp tạo bản vẽ trong kỹ thuật bao gồm:

- Trực tiếp tạo bản vẽ kỹ thuật trong 2 chiều (sắp trở thành quá khứ AutoCAD…)

- Chuyển từ mô hình hoặc mặt cong 3D thành các bản vẽ 2D (Hiện nay)

- Trực tiếp thiết kế từ mô hình solid hoặc mặt cong 3D và tạo bản vẽ 3D (Thời điểm chuyền tiếp - Tương lai gần)

24

bản vẽ 3D (Thời điểm chuyền tiếp - Tương lai gần)

http://www.youtube.com/watch?v=gTKSBzg67xs

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

a Bản vẽ chi tiết 2D

9 10

Ø25k6

k6

330 136

385

Ø35k6

1 3 5 7 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

STT KÍ HIỆU TÊN GỌI Slg Klg VẬT LIỆU Tờ Ghi chú

Nắp ổ trục Bánh răng lớnỔ bi đỡBánh răng nhỏ Vòng chắn dầu Trục dẫn Đệm lót Trục bị dẫn Vít M8 Que thăm dầu

Bu lông M10 Đai ốc M10 Vòng đệm

Bu lông vòng M8 Vít M8*22 Nắp cửa thăm Nút thông hơi Đệm lót nắp cửa Nắp hộp

Bu lông M12Đai ốc M12Vòng đệm Thân hộp

Nút tháo dầu M16*1,5 Chốt trụ Lỗ bu lông M16

4 1 1 1 1 24 1 4 2 1 1 6 6 1 4

165

25 Đệm lót 1

GX 15-32 Cao suCT 45DL100Cr CT45 XêvanitCT45Nỉ CT45 CT38 CT38 CT38 CT31 Nỉ

GX 15-32 CT38 Mn65

GX 15-32 Nỉ CT31

GX 15-32

3038636 220 7

164954,5 440 7,6

52328,7 1460 8

u 2 = 2

u 1 = 3,318

3 2 1 Thông số Trục

Mômen xoắn T(Nmm) Số vòng quay n(vg/ph) Công suất P(Kw)

Tỉ số truyền (u)

Yêu cầu kỹ thuật

1.Bôi lớp sơn mỏng trên bề mặt làm việc của một trong hai bánh răng ,quay chúng ăn khớp một vòng Kiểm tra và điều chỉnh khoảng cách trục sao cho diện tích mặt răng ăn khớp khoảng 50% theo chiều cao và 40% theo chiều rộng răng.

2 Độ không đồng tâm giữa mặt lỗ bánh răng và đường tròn cơ sở nằm trong khoảng :0,05-0.1 mm

3 Dùng sơn và các vật liệu khác che kín các bề mặt lắp ghép nhằm tránh hiện tượng rò rỉ dầu

4 Đổ dầu vào hộp sao cho dầu ngập khoảng gấp 2 chiều cao răng của bánh răng.

5.Cho chạy không tải với vận tốc 1000vg/ph để kiểm tra các rung động, tiếng ồn, quá nhiệt của dầu bôi trơn 6.Lỗ chốt định vị nắp và thân hộp được gia công sau khi đã lắp và điều chỉnh

Dấu Khối lượng Tỉ lệ

Sđ Slg Số tài liệu Chữ ký Ngày Thiết kế

Kiểm tra

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOATPHCM KHOA: CƠ KHÍ LỚP: CĐ 01/1

Số tờ: 1 Tờ : 1 1:1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

CƠ ỨNG DỤNG 270

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

c Bản vẽ 3D

d Tạo bản vẽ lắp 3D từ mô hình 3D

28

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

36 35 34 33 32

31 29

28 27 26 25

20 22 24 26 28

Bu lơng ghép bích n?p và thân M12

1 14

15

16

Ổ lăn 1

Bánh răng 1 Trục 1

Nắp ổ 4 Then 8x7

1

1 2

1

1 2 1

1 1

4 Vít tách nắp M10 Nắp quan sát Nút thông hơi M27 Chốt định vị

Que thăm dầu

1 1 1 2

1 Vòng đệm n?p quan sát

Nắp ổ 2 Vòng phớt 1

N?p h?p

Bu lơng c?nh ? M12 6

4 Vít n?p quan sát M8 36

5 Design Accelator- tính toán và thiết kế chi tiết máy

• Ứng dụng Autodesk Inventor để tính toán và thiết kế các chi tiết máy sau:

30

• Ngoài ra trong Autodesk Inventor còn có sổ tay tra cứu các chi tiết máy (Engineer’s Handbook)

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Thiết kế bộ truyền bánh răng

Vẽ bộ truyền bánh răng

32

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Lựa chọn hàm biên dạng cam

Phần III PHÂN TÍCH KẾT CẤU, ĐỘNG HỌC

VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

Lĩnh vực thiết kế máy tập trung vào kết cấu và chuyển động máy Ứng dụng hệ thống CAD/CAE trongthiết kế máy liên quan đến tối ưu kết cấu và mô phỏngchuyển động và động lực học máy Tuy nhiên trình tự thiết

kế chi tiết, hệ thống và quá trình sẽ khác nhau

Mô phỏng động học trên máy tính: Mô phỏng máy tính là

một quá trình mô hình hoá và phân tích chính xác một tìnhhuống thực theo yếu tố thời gian trong một môi trường ảo

34

huống thực theo yếu tố thời gian trong một môi trường ảo

Mô hình ảo ba chiều tương ứng với các đặc điểmcủa sản phẩm trong thực tế và thực hiện quá trình tínhtoán phân tích và mô phỏng chúng trong môi trường máytính

Các phần mềm mô phỏng tích hợp trong các hệthống CAD, CAD/CAE như: MSC ADAMS, DynamicDesigner, SIMPACK, LMS DADS, MECANO, FEDEM,Universal Mechanism, Visual Nastran Desktop 4D,Working Model, Autodesk Algor Simulation

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Mô hình thật

Mô hình máy tính

Mô hình thật cơ cấu không gian

VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

Mô hình thật cơ cấu không gian

Mô hình máy tính

3.1 Mô phỏng động học (Dynamic Simulation)

Kỹ thuật mô hình hóa lắp ráp cũng là một đặc tính quan

trọng của Autodesk Inventor Bao gồm cả Dynamic

Simulation cho phép mô phỏng động học và động lực

học Ứng dụng:

- Phân tích và tổng hợp cơ cấu

- Sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng chuyển động,

động học và động lực học các cơ cấu và hệ thống truyền

3 Cơ cấu 1 bậc tự do, kín (các cơ cấu thông dụng)

4 Nhiều bâc tự do, hở (tay máy)

5 Phẳng, Không gian…

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Để mô phỏng động học cơ cấu hoặc bộ truyền thực hiệntheo trình tự sau:

Mô phỏng động học máy may

38

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Quỹ đạo điểm trên cơ cấu

Tay gắp sản phẩm

40

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Mô phỏng tay máy

Mô phỏng toàn bộ máy hoặc quá trình

42

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

44

Tùy vào chỉ tiêu tính ta phân tích độ bền, độ cứng,

truyền nhiệt, dao động, độ bền mỏi… Các chi tiêu này có đầy đủ trong các môdun của các hệ thống CAE

Bước 3: Thêm vào hệ thống tọa độ

Bước 4: Gán ràng buộc và tải trọng

Các hệ thống CAD (Catia, Unigraphics NX,Pro/ENGINEER, I-DEAS NX, Solidworks, Solid Edge, AutodeskInventor, Mechanical Desktop…) mô hình hoá hình dạng hìnhhọc của sản phẩm dựa trên tham số, sau đó được xuất trựctiếp qua hệ thống CAE (SIMULIA (Abaqus), ANSYS, ALGOR,COSMOS, MSC Nastran, HyperWorks, FEDEM, SAMCEF,MSC SimXpert, LMS DADS, FEMLAB…) Hệ thống CAE sẽtiến hành chia lưới, đặt điều kiện biên, gán tải trọng, thiết lậpđặc tính vật liệu và những thông tin liên quan khác và sau đó

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

1 Autodesk Inventor và ANSYS Workbench

Tần số dao động riêng

48

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

MÔI TRƯỜNG LẮP RÁP (Đã được ràng buộc) Khởi động DYNAMIC SIMULATION Tự động chuyển đổi ràng buộc giữa các khớp Gán thêm ràng buộc thông thường

(Spring,2DContact ) Kiểm tra các ràng buộc thừa và sửa chữa Tạo các ràng buộc trong môi trường mô phỏng (Thiết lập vị trí ban đầu, gán trọng lực ) Chạy mô phỏng DYNAMIC SIMULATION Phân tích kết quả từ OUTPUT GRAPHER

3 Kết hợp giữa Dynamic Simulation và Stress Analysis trong Autodesk Inventor.

Điều chỉnh khớp

Điều chỉnh đối tượng

Điều chỉnh môi trường làm việc Chạy lại mô phỏng DYNAMIC SIMULATION Mô phỏng thành công và xuất kết quả

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Trong các phiên bản mới của Inventor còn bao gồm Parametric Studies và Optimization technology cho phép ta hiệu chỉnh các thông số thiết

kế trong môi trường phân tích ứng suất mô hình lắp và chọn các lựa chọn thiết kế khác nhau Khi ñã chọn lời giải tốt nhất, Inventor sẽ cập nhật

mô hình 3D theo các thông số tối ưu (H.9.9).

Trong các phiên bản mới của

Inventor còn bao gồm

Parametric Studies và

Optimization technology cho

phép ta hiệu chỉnh các thông

số thiết kế trong môi trường

phân tích ứng suất mô hình

Chúng ta có thể xây dựng mô hình bằng nhiều cách khácnhau Trên cơ sở bảng phân loại cơ cấu và bộ truyền

chúng tôi tạo được thư viện mô hình hình học và mô

phỏng động học các cơ cấu và bộ truyền như sau

3.3 Thư viện mô phỏng động học

52

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Các cơ cấu

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động

58

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Phần IV VÍ DỤ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ SẢN

PHẨM CƠ KHÍ TRÊN CƠ SỞ MÔ PHỎNG

Quá trình thiết kế đồng thời cho sản phẩm cơ khí được

chia thành các bước sau:

1) Bước 1: Phân tích nhu cầu thị trường hoặc do phát triển

công nghệ mới

2) Bước 2: Xác định các tính năng kỹ thuật của sản phẩm

thiết kế

60

3) Bước 3: Ý tưởng thiết kế, lựa chọn phương án

4) Bước 4: Thiết kế chi tiết (kỹ thuật) sản phẩm

5) Bước 5: Chế tạo sản phẩm

6) Bước 6: Đưa sản phẩm ra thị trường

Theo LTC

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Lựa chọn phương án (ý tưởng thiết kế)

62

Một trong các nguyên công đã được chọn làm phương án thiết kế

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Thiết kế kỹ thuật

64

Kết quả tính toán các chi tiết trên máy tính

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Vẽ phát thảo nguyên công

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

Mô phỏng lắp ráp và động lực học các cụm chi tiết

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

PHAN V Ứng dụng tin học trong olympic

Chi tiết máy

• Hiện nay một số nước đã tổ chức thi

olympic ứng dụng tin học vào môn Chi tiết máy và cơ sở thiết kế máy

• Ví dụ hình thức thi môn Thiết kế ĐA môn

học Chi tiết máy.

76

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc