Ứng dụng phần mềm hyperworks tối ưu hóa khung xe buýt thaco city b60

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60 Học viên: Lê Công Tín Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 8520116 Khóa: K35 Trường Đại họ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LÊ CÔNG TÍN

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT THACO CITY B60

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của TS Phan Minh Đức Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Quảng Nam, ngày 30 tháng 09 năm 2019

Tác giả luận văn

Lê Công Tín

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn,

TS Phan Minh Đức, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, chỉ bảo giúp đỡ tôi tận tâm và khoa học trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin trân trọng bày tỏ lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Công ty Cổ phần ô tô Trường Hải, Công ty TNHH MTV sản xuất và lắp ráp ô tô Tải Chu Lai – Trường Hải, và Phòng R&D đơn vị nơi tôi đang công tác đã luôn tạo điều kiện, ủng hộ, và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình theo học cao học

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các chuyên gia, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình tôi, những người luôn ở bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và là động lực để tôi hoàn thành luận văn

Quảng Nam, ngày 30 tháng 09 năm 2019

Tác giả luận văn

Lê Công Tín

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 11

1.1 Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam 11

1.2 Đặc điểm cấu tạo của khung xe buýt 12

1.2.1 Phân loại kết cấu khung xe buýt 12

1.2.1.1 Khung xe không chịu tải 12

1.2.1.2 Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng cùng với chassis) 13

1.2.1.3 Khung xe chịu toàn tải 14

1.2.2 Yêu cầu đối với khung xe buýt 15

1.2.2.1 Độ cứng 15

1.2.2.2 Độ bền 16

1.2.2.3 Độ bền mỏi 16

1.2.2.4 Yêu cầu đến vấn đề an toàn giao thông 16

1.2.3 Đặc tính làm việc của khung xe buýt 17

1.2.3.1 Đặc tính dao động 17

1.2.3.2 Đặc tính rung ồn 17

1.2.3.3 Đặc tính biến dạng 17

1.3 Ý nghĩa của việc phân tích kết cấu khung xe buýt 17

1.4 Kết luận chương 1 19

Chương 2 PHẦN MỀM HYPERWORKS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Phần mềm HyperWorks 20

2.1.1 Giới thiệu phần mềm HyperWorks 20

2.1.2 Các Modul của phần mềm HyperWorks 20

2.1.3 Đặc điểm của phần mềm HyperWorks 21

2.1.4 Các kiểu phần tử hữu hạn trong HyperWorks 22

2.1.4.1 Phần tử 1D 22

2.1.4.2 Phần tử 2D 22

2.1.4.3 Phần tử 3D 23

2.1.4.4 Các kiểu phần tử khác 23

2.1.5 Cấu trúc tổng thể của một bài toán bên trong phần mềm HyperWorks 24

2.2 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn 24

2.2.1 Sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn 24

2.2.2 Ý tưởng cơ bản và trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 25

2.2.2.1 Ý tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 25

2.2.2.2 Trình tự phân tích phần tử hữu hạn 26

2.3 Lý thuyết tối ưu hóa 31

2.3.1 Khái niệm tổng quát 31

2.3.2 Lý thuyết tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks 31

2.3.2.1 Khái niệm 31

2.3.2.2 Biến thiết kế 33

2.3.2.3 Phương pháp Gradient 33

2.3.2.4 Điều chỉnh giới hạn 36

2.4 Cơ sơ phân tích tải trọng tác dụng lên khung xe 37

2.4.1 Trường hợp xe chuyển động ổn định trên đường nằm ngang 37

2.4.2 Trường hợp xe phanh trên đường nằm ngang 38

2.4.3 Trường hợp xe chuyển động quay vòng 39

2.5 Kết luận chương 2 40

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHUNG XE BUÝT TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS 41

3.1 Quy trình phát triển sản phẩm 41

3.1.1 Quy trình phát triển sản phẩm thông thường 41

3.1.2 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE 41

3.1.2.1 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thử nghiệm ảo 41

3.1.2.2 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ thiết kế đề xuất và thử nghiệm ảo 42

3.2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn khung xe buýt 43

3.2.1 Tạo mô hình phần tử (chia lưới) 43

3.2.1.1 Đơn giản hóa mô hình thực tế về mô hình phân tích 43

3.2.1.2 Chọn kiểu phần tử mô phỏng 43

3.2.1.3 Mô phỏng liên kết 44

3.2.1.4 Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới 44

3.2.2 Các bước xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trong phần mềm HyperWorks 45

3.2.2.1 Các bước chính của một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks 45

3.2.2.2 Cấu trúc thư mục chính của một bài toán mô phỏng trên HyperWorks 47 3.3 Kết luận chương 3 47

Chương 4: THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG XE BUÝT B60 TRÊN PHẦN MỀM HYPERWORKS 48

4.1 Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trong HyperWorks 48

4.1.1 Thiết kế sơ bộ tổng thể hình dạng khung xe buýt 48

4.1.2 Thiết kế đề xuất kết cấu khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks 50

4.1.2.1 Mục tiêu tối ưu hóa 50

4.1.2.2 Thực hiện tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks 50

4.1.2.3 Kết quả tối ưu hóa hình học khung xe buýt 56

4.1.3 Thiết kế chi tiết khung xe buýt B60 58

4.1.3.1 Thiết kế khung xương mảng đầu 58

4.1.3.2 Khung xương mảng hông trái 58

4.1.3.3 Khung xương mảng hông phải 59

4.1.3.4 Khung xương mảng mui 59

4.1.3.5 Khung xương mảng đuôi 60

4.1.3.6 Khung xương mảng sàn 60

4.2 Tính bền khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks 62

4.2.1 Phân tích các trường hợp tải trọng và các nhân tố tải trọng 62

4.2.2 Bài toán tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks 63

4.2.3 Các trường hợp tính bền khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks 64

4.2.3.1 Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng phẳng 64

4.2.3.2 Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô 65

4.2.3.3 Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô 65

4.2.3.4 Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu 66

4.2.3.5 Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động tiến 66

4.2.3.6 Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi 66

4.2.3.7 Trường hợp xe quay vòng ngoặt 67

4.2.4 Phương pháp đặt tải trọng tác dụng lên khung xe buýt 68

4.2.4.1 Tải trọng phân bố 68

4.2.4.1 Tải trọng tập trung 68

4.2.5 Cơ sở lý thuyết phân tích kết quả 71

4.2.6 Kết quả tính toán khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks 73

4.2.6.1 Trường hợp xe chuyển động với vận tốc lớn trên đường bằng 73

4.2.6.2 Trường hợp các bánh xe trục trước đi qua mấp mô 74

4.2.6.3 Trường hợp các bánh xe trục sau đi qua mấp mô 75

4.2.6.4 Trường hợp xe chuyển động chậm trên đường rất xấu 76

4.2.6.5 Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang trái 77

4.2.6.6 Trường hợp xe quay vòng ngoặt sang phải 78

4.2.6.7 Trường hợp phanh gấp khi chuyển động tiến 79

4.2.6.8 Trường hợp xe phanh gấp khi chuyển động lùi 80

4.2.6.9 Trạng thái các kiểu dao động của khung xe buýt 81

4.2.6.10 Nhận xét kết quả tính bền khung xe buýt B60 82

4.3 Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks 83

4.3.1 Phương pháp tối ưu hóa gauge 83

4.3.2 Mục tiêu tối ưu hóa 83

4.3.3 Ứng dụng tối ưu trên phần mềm HyperWorks 84

4.3.3.1 Quá trình thực hiện tối ưu hóa khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks 84

4.3.3.2 Tối ưu khung xe buýt B60 85

4.4 Kết luận chương 4 90

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91

1 KẾT LUẬN 91

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORKS TỐI ƯU HÓA KHUNG XE BUÝT

THACO CITY B60

Học viên: Lê Công Tín Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 8520116 Khóa: K35 Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn này trình bày quy trình thiết kế ứng dụng CAE vào tối ưu hóa, phân tích

độ bền kết cấu trong các trường hợp chịu tải thông thường của ô tô buýt để thực hiện thiết kế mới khung xe buýt Thaco City B60 Phần mềm HyperWorks đã được sử dụng để mô phỏng độ bền và chuyển vị kết cấu khung xe, với phương pháp bù quán tính, 8 chế độ tải trọng khi ô tô chở số người định mức (60 người) Kết cấu khung xe được tối ưu trên quan điểm giảm khối lượng, với các điều kiện ràng buộc về vật liệu sử dụng và thực tế công nghệ hiện nay của Thaco Công cụ mô phỏng giúp rút ngắn quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm Kết quả mô phỏng giúp giảm chi phí thử nghiệm của nhà máy và giảm tiềm ẩn khiếm khuyết của sản phẩm; khẳng định độ tin cậy của sản phẩm; góp phần giảm giá thành sản phẩm và cải thiện môi trường

Từ khóa – Quy trình thiết kế sản phẩm ứng dụng CAE; tối ưu hóa khung xe buýt; độ bền khung

xe buýt; phần mềm HyperWorks

AN APPLICATION OF HYPERWORKS SOFTWARE OPTIMIZATION

STRUCTURE OF THACO CITY B60 BUS FRAME Abstract – This thesis paper presents the procedure of designing CAE applications into

optimization, structural durability analysis in the normal load cases of buses to implement the new design of Thaco City B60 bus body HyperWorks software has been used to simulate body construction durability and displacement, with inertial compensation, 8 load modes when carrying a rated number of 60 people The body structure is optimized from the point of view

of volume reduction, with the conditions of the materials used and the current technology of THACO Simulation tools help shorten the design process, optimize the process of designing and manufacturing products Simulation results help reduce plant testing costs and reduce product defects potential; confirm the reliability of the product; contributing to reducing product costs and improving the environment

Key words – CAE application design process; optimize bus frame; bus frame duarability;

HyperWorks software;

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

{P}e Vectơ tải trọng nút của phần tử thứ e

{q}2 Vectơ chứa tất cả các bậc tự do (chuyển vị nút) đã biết

{q}1 Vectơ chứa các bậc tự do đã biết

{P}1 Vectơ tải gồm các phần tử đã biết

{P}2 Vectơ tải gồm các phần tử còn lại

R1 Giá trị phản hồi dự đoán

R0 Giá trị phản hồi tham chiếu

v1, v2 Giá trị mới của biến thiết kế

Mpb Tải trọng phân bố

nt Tổng số nút trong miền khối lượng phân bố

mn Khối lượng tại mỗi nút trong miền phân bố

c Ứng suất chảy của vật liệu

max Ứng suất tính lớn nhất theo Von-Mises

max Chuyển vị tính lớn nhất

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CKD Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Completely Knocked Down” Nghĩa là xe

lắp ráp với 100% linh kiện nhập khẩu

R&D Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Research & Development” Nghĩa là nghiên

cứu và phát triển CAD Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Computer Aided Design” Nghĩa là thiết kế

với sự trợ giúp của máy tính CAE Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Computer Aided Engineering” Nghĩa là sử

dụng công cụ máy tính để phân tích đối tượng hình học FEA Viết tắt cụm từ tiếng anh “Finite Element Application” Nghĩa là ứng dụng

phương pháp phần tử hữu hạn DVs Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Design Variable” Nghĩa là tham số thiết kế NVH Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Noise, Vibration and Harshness” Nghĩa là

độ ồn, rung và xóc CBU Viết tắt của cụm từ tiếng anh “Complete Build-up” Nghĩa là xe được nhập

khẩu nguyên chiếc

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Các modul chính của phần mềm HyperWorks 21

4.1 Thông số kỹ thuật tổng thể xe buýt Thaco 48

4.3 Tổng hợp kết quả phân tích bền khung xe buýt trên phần

4.4 Kết quả tối ưu hóa mật độ phân bố vật liệu khung xương

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Khung và chassis của một chiếc xe buýt kiểu khung xe

1.3 Kết cấu khung xe kiểu khung xe chịu toàn tải 14

2.5 Cấu trúc tổng thể của một bài toán trong phần mềm

2.8 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô chuyển động trên đường nằm

2.10 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi quay vòng 39 3.1 Sơ đồ quy trình thiết kế sản phẩm thông thường 41 3.2 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như thử

3.3 Quy trình phát triển sản phẩm ứng dụng CAE như công cụ

3.4 Mô hình phần tử hữu hạn của khung xe buýt 45 3.5 Thiết lập các điều kiện biên cho bài toán 46

3.7 Kết quả hiển thị trực quan trên Modul Hyperview 46

4.6 Khai báo vùng không gian thiết kế cho mô hình khung xe

4.8 Vùng không gian thiết kế mặt trước 52

4.12 Thiết lập thông số hàm điều kiện ràng buộc – Volumefrac 53 4.13 Thiết lập thông số hàm mục tiêu – Compliance 53 4.14 Đường dẫn thiết lập giá trị cho hàm điều kiện 54 4.15 Giao diện thiết lập giá trị cho hàm điều kiện 54

4.18 Giao diện thiết lập chạy tính toán tối ưu hóa 55

4.31 Các tải trọng tác động lên khung xe buýt 62

4.33 Phản lực tác dụng lên các bánh xe trong trường hợp xe

chuyển động với tốc độ lớn trên đường bằng 65 4.34 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp các bánh xe

4.35 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp các bánh xe

4.36 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe chuyển

4.37 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe phanh

4.38 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe phanh

4.39 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe quay

4.40 Phản lực tác dụng lên bánh xe trong trường hợp xe quay

4.42 Phân bố tải trọng trên khung xương xe buýt B60 71 4.43 Sơ đồ mô tả đường cong vật liệu đồng chất, đẳng hướng 72 4.44 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe chuyển động

4.45 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe chuyển động với

4.46 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp các bánh xe trục

4.47 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp các bánh xe trục

4.48 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp các bánh xe trục

4.49 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp các bánh xe trục sau

4.50 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe chuyển động

4.51 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe chuyển động

4.52 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe quay vòng

4.53 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe quay vòng ngoặt

4.54 Kết quả mô phỏng chuyển vị trường hợp xe quay vòng

4.55 Kết quả mô phỏng ứng suất trường hợp xe quay vòng ngoặt

4.61 Trạng thái dao động xoắn trên khung xe buýt 81 4.62 Trạng thái dao động uốn dọc trên khung xe buýt 81 4.63 Biến thiết kế tương ứng của khung xương mảng hông 85 4.64 Ứng suất lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau

4.65 Chuyển vị lớn nhất trong 8 trường hợp chịu tải trước và sau

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Nâng cao chất lượng vận tải hành khách bằng ô tô có sức

chở lớn theo hướng tiện nghi, an toàn và giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, giảm thải ô nhiễm môi trường [1] nhận được sự quan tâm lớn của các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước Hiện nay để đáp ứng nhu cầu vận chuyển liên tỉnh và trong các đô thị lớn, chẳng hạn thành phố Hồ Chí Minh đặt ra mục tiêu đáp ứng khoảng 20% nhu cầu đi lại bằng xe buýt đến năm 2025 [2] THACO xác định việc phát triển xe buýt theo hướng hiện đại và có số chỗ đến 60 (Thaco City B60) là rất quan trọng trong chiến lược phát triển sản phẩm Khung xe có vai trò đặc biệt, là tổng thành kết cấu lớn, phức tạp; chi phí sản xuất của khung xe khoảng 50% tổng chi phí sản xuất xe và giữ tỷ lệ 30% chất lượng của xe [3] Thiết kế khung xe buýt cần đáp ứng nhiều yêu cầu, trong đó có tối ưu mật

độ phân bố vật liệu, đảm bảo độ bền Thực trạng hiện nay, ở hầu hết các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô trong nước, việc sản xuất khung xe buýt nói chung được thực hiện theo thiết kế mua từ nước ngoài, hoặc theo thiết kế của sản phẩm tương tự, có tính đến

sự hiệu chỉnh theo đề nghị, góp ý của khách hàng hoặc các đề xuất cải tiến của bộ phận R&D Điều này dẫn đến các loạt sản phẩm đầu tiên chưa được tối ưu, tiềm ẩn những khiếm khuyết do không phù hợp với điều kiện vận hành ở Việt Nam hoặc kéo dài thời gian phát triển sản phẩm Gần đây ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng công cụ CAE vào cải tiến khung xe buýt [4, 5], đem lại hiệu quả nhất định nhưng nhìn chung các đề tài chưa cụ thể hóa được quy trình tính toán và chủ yếu thực hiện cải tiến khung xe buýt đã có sẵn

Chính vì vậy tối ưu hóa khung xe buýt ngay từ thiết kế đầu là hết sức cấp thiết Đề tài trình bày quy trình thiết kế khung xe buýt Thaco City B60 có ứng dụng công cụ CAE vào công đoạn thiết kế định hình và công đoạn tối ưu độ bền Ứng dụng phần mềm HyperWorks tối ưu hóa hình dáng, khối lượng và phân tích bền khung xe buýt Thaco City B60 trong các trường hợp chịu tải thông thường Điều đó có ý nghĩa rất lớn trong bối cảnh nền công nghiệp ô tô trong nước đang dần chuyển từ sản xuất lắp ráp sang thiết

kế, lắp ráp hoàn thiện

MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Xây dựng hoàn thiện quy trình nghiên cứu phát

triển sản phẩm của Thaco; nâng cao năng lực tính toán thiết kế của đội ngũ Phòng R&D; xây dựng phương pháp tối ưu hóa khung xe buýt trên phần mềm HyperWorks góp phần hoàn thiện sản phẩm xe buýt

Mục đích nghiên cứu của đề tài: Tối ưu hóa thiết kế khung xe buýt Thaco City

B60

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Luận văn chọn đối tượng nghiên cứu và tính toán là khung

xe buýt Thaco City B60

Phạm vi nghiên cứu: Do tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu nên luận văn

chỉ giới hạn và tập trung nghiên cứu đánh giá độ bền dưới tác dụng của tải trọng bình thường trong một số chế độ làm việc và phương án tối ưu hóa khung xe buýt bằng lý thuyết và mô hình hóa

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: Cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán độ bền

và mô hình tối ưu hóa khung xe buýt Độ bền khung ô tô được tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Hyperworks Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu để giảm trọng lượng và phân tán vùng tập trung ứng suất trên khung xe buýt

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Luận văn góp phần xây dựng phương pháp tính toán độ bền

khung xe buýt Thaco City B60 Xây dựng phương pháp đánh giá độ bền và hướng đề xuất cải thiện kết cấu nhằm nâng cao độ bền và tối ưu trọng lượng khung xe buýt Thaco City B60

Ý nghĩa thực tiễn: Luận văn chỉ ra được tính hiệu quả hơn khi ứng dụng phần mềm

HyperWorks vào thiết kế khung xe buýt Bên cạnh đó luận văn giúp rút ngắn được thời gian thiết kế sản phẩm mới từ đó giúp giảm được chi phí cho công tác nghiên cứu thiết

kế ban đầu Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để tính toán thiết kế các kiểu loại xe buýt tương tự tại Thaco

CẤU TRÚC NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN: Bố cục của luận văn ngoài phần mở

đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Phần mềm HyperWorks và cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán khung xe buýt trên phần mềm

HyperWorks

Chương 4: Thiết kế tối ưu khung xe buýt B60 trên phần mềm HyperWorks

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam

Ngành công nghiệp ô tô không những giữ một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển thông qua đáp ứng nhu cầu vận tải, góp phần phát triển sản xuất và kinh doanh thương mại mà còn là một ngành kinh tế mang lại lợi nhuận rất cao nhờ sản xuất ra những sản phẩm có giá trị vượt trội Sớm nhận thức được tầm quan trọng này, các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Hàn Quốc,…đã rất chú ý phát triển ngành công nghiệp ô tô của riêng mình trong quá trình công nghiệp hóa để phục vụ không chỉ nhu cầu trong nước mà còn xuất khẩu sang các nước khác

So với các quốc gia trên thế giới, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ra đời khá muộn Sau quá trình đổi mới, Chính phủ Việt Nam đã có nhiều chính sách nhằm khuyến khích

sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, đưa ô tô trở thành mũi nhọn trong công nghiệp hóa và hiện đại hóa Sau hơn 25 năm phát triển, thị trường Việt Nam đang là sân chơi của nhiều thương hiệu nổi tiếng thế giới như Toyota, Honda, Ford, Mercedes, BMW,…và cả những doanh nghiệp nội địa như Trường Hải, TMT, Thành Công Trong năm 2018, mặc dù sản xuất, lắp ráp xe nguyên chiếc còn nhiều khó khăn, nhưng công nghiệp phụ tùng linh kiện ô tô tại Việt Nam cũng đạt được một số kết quả nhất định (về công nghệ sản xuất, kim ngạch xuất khẩu), chủ yếu nhờ một số doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài, doanh nghiệp chế xuất, là cơ sở sản xuất để xuất khẩu đi toàn cầu [6]

Mặc dù đạt được một số thành tựu sau hơn 25 năm xây dựng và phát triển, nhưng hiện tại Việt Nam vẫn sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô vừa và nhỏ, công nghệ đa phần còn lạc hậu Đa số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước chủ yếu lắp ráp dạng CKD

Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô buýt đang được các nhà sản xuất trong nước chú trọng đẩy mạnh phát triển Bằng việc tăng mạnh

tỷ lệ nội địa hóa, tăng tính năng an toàn, đầu tư quy mô vào công tác nghiên cứu và phát triển sản phẩm, bước đầu đã tạo ra được một số sản phẩm xe buýt đáp ứng tốt nhu cầu thị trường trong nước và tiến tới xuất khẩu Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống ô tô, thì cần phải đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo khung vỏ

Trong vài năm trở lại đây, việc phát triển mạnh mẽ các công cụ hỗ trợ cho tính toán kết cấu đã góp phần giảm thiểu thời gian phát triển sản phẩm, giảm chi phí cho việc thử nghiệm Ứng dụng phần mềm vào tính toán thiết kế đã phần nào làm thay đổi cái nhìn tổng quan về thiết kế Tại Việt Nam nhìn chung việc ứng dụng phần mềm tính toán thiết

kế đang được đẩy mạnh tại các doanh nghiệp sản xuất linh kiện cơ khí Ứng dụng phần mềm vào thiết kế mạnh mẽ nhất tiêu biểu như Công ty ô tô Trường Hải

Cùng với sự phát triển đó, trong những năm gần đây đã xuất hiện một số đề tài nghiên cứu ứng dụng phần mềm như HyperWorks, Analysis,…tính toán khung xe như

đề tài “Thiết kế cải tiến kết cấu xe ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm trực diện – tác giả Nguyễn Thành Tâm - 2015”, “Nghiên cứu tính toán tối ưu hóa thân xe buýt – nhóm tác giả Trần Hữu Nhân, Phan Đình Huấn, Phạm Xuân Mai”,…, đã tạo tiền

đề cho các quá trình nghiên cứu và thiết kế khung xe buýt

1.2 Đặc điểm cấu tạo của khung xe buýt

1.2.1 Phân loại kết cấu khung xe buýt

Theo hình thức chịu tải (phản ánh sự khác biệt giữa cấu trúc khung và quy trình sản xuất khung xe), có thể phân loại khung xe buýt thành 3 loại chính:

- Khung xe không chịu tải

- Khung xe bán tải

- Khung xe chịu toàn tải

1.2.1.1 Khung xe không chịu tải

Khung xe không chịu tải là một cấu trúc khung thông thường, trong đó khung được lắp ráp trên chassis bằng các giá đỡ như đệm su hoặc lò xo Với kết cấu này, chassis chịu toàn bộ tải trọng đặt lên nó; khung chỉ chịu một phần nhỏ tải trọng do uốn cong của chassis, do đó loại cấu trúc kiểu khung xe không tải có khung gầm chắc chắn và khối lượng lớn

Khung và chassis được liên kết đàn hồi Do các kết cấu liên kết có tính đàn hồi tương đối với nhau, nên phần lớn rung động từ mặt đường bị giảm dần hoặc bị triệt tiêu, điều này tạo sự thoải mái nhất định cho hành khách trên xe Trong giai đoạn đầu phát triển xe buýt ở Việt Nam, hầu hết các xe buýt đều có cấu trúc này

Cấu trúc khung xe không chịu tải có các đặc điểm chính như sau:

- Chassis và khung được liên kết bằng giảm chấn lò xo hoặc đệm su để giảm rung

và ồn ở mức độ nhất định

- Chassis và khung được tách rời tạo điều kiện cho quá trình lắp ráp các cấu thành đơn giản, thuận lợi cho quá trình sản xuất công nghiệp

- Chassis là kết cấu chịu lực chính để lắp ráp các chi tiết, cụm chi tiết

Tuy nhiên, kết cấu khung xe buýt theo kiểu này có một số nhược điểm chính sau:

- Về cơ bản, khung xe không tham gia vào quá trình chịu tải trọng Để đảm bảo cho quá trình hoạt động, chassis phải được thiết kế có độ cứng lớn dẫn tới tăng khối

lượng toàn bộ xe Điều này không phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay là giảm trọng lượng, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu

- Quá trình sản xuất chassis rất phức tạp, đầu tư lớn cho khuôn dập, tăng chi phí cho quá trình sản xuất, chu kỳ phát triển ngắn

- Với chassis và khung tách biệt làm tăng trọng tâm của xe buýt, giảm độ ổn định khi xe hoạt động ở tốc độ cao, tăng rung và ồn

Hình 1.1 - Khung và chassis của một chiếc xe buýt kiểu khung xe không chịu tải

1.2.1.2 Khung xe kiểu bán tải (chịu tải trọng cùng với chassis)

Khung xe kiểu bán tải là một kết cấu khung xe được liên kết liền khối với khung chassis, khung xe chịu một phần tải trọng Một kiểu kết cấu mang đặc điểm chung của kết cấu khung không chịu tải và khung chịu toàn tải

Hình 1.2 – Kết cấu khung xe buýt kiểu khung bán tải Đặc điểm của cấu trúc này là chassis vẫn được sử dụng, kết cấu toàn bộ khung và chassis được hàn cứng hoặc liên kết bằng bu lông, vì vậy khung xe lúc này chịu một phần tải trọng uốn và xoắn

So với kết cấu khung không chịu tải, kiểu kết cấu khung bán tải có thể giảm chiều cao của sàn thấp hơn, nâng cao độ ổn định hơn, và có thể giảm các yêu cầu về độ cứng của chassis qua đó có thể giảm được trọng lượng của xe, nâng cao độ ổn định hơn kết cấu khung không chịu tải Tuy nhiên do việc giữ lại khung gầm giống như kết cấu

“khung xe không chịu tải” nên rất khó để hạ thấp trọng tâm của xe buýt như mong muốn

và việc giảm trọng lượng của xe cũng bị hạn chế

1.2.1.3 Khung xe chịu toàn tải

Khung xe chịu toàn tải là một cấu trúc khung xe không tách rời, không có chassis riêng biệt

Đặc điểm lớn nhất là khung xe có cấu trúc giàn lưới bao gồm các chi tiết hộp, dập tiết diện Toàn bộ khung vỏ là một cấu trúc vòng kín, bao gồm sáu tấm kết cấu liên kết cứng với nhau (trái, phải, trước, sau, trên, dưới) Tải trọng tác động lúc này được toàn

bộ khung hấp thụ

Tùy theo các mức độ khác nhau của lực tác động vào phần trên và phần dưới của

xe, khung chịu lực có thể chia làm hai loại:

- Loại chịu tải cơ bản

- Loại chịu tải tổng thể

Hình 1.3 – Kết cấu khung xe kiểu khung xe chịu toàn tải

a) b)

Hình 1.4 – Kiểu kết cấu chịu tải a) – Loại chịu tải cơ bản; b) – Loại chịu tải tổng thể

Kết cấu khung chịu tải cơ bản có nghĩa là phần chịu tải chính của xe buýt là một phần của cấu trúc khung xe phía bên dưới với độ bền và độ cứng cao Kích thước xe buýt thiết kế theo cấu trúc này có thể được điều chỉnh thích hợp để đạt được mục đích, đồng thời khối lượng của toàn bộ xe cũng được giảm thiểu đáng kể

Kết cấu khung chịu tải tổng thể có nghĩa là toàn bộ cấu trúc khung đều chịu tác động của tải trọng Khung có kết cấu bằng các chi tiết có các tiết diện tương tự nhau Khi toàn

bộ phần khung chịu tải, độ cứng của các chi tiết trong kết cấu được sử dụng tối đa Với cấu trúc này, khung vỏ xe buýt có thể đạt đến sự cân bằng tốt nhất so với các kiểu kết cấu còn lại, do đó có thể giảm độ cứng của toàn bộ kết cấu, từ đó giảm được khối lượng đáng kể theo đúng yêu cầu

Kết cấu kiểu khung chịu tải có các ưu điểm hơn so với các kết cấu khác như sau:

- Trọng lượng bản thân giảm đáng kể, cường độ và độ cứng kết cấu được cải thiện

- Cấu trúc hợp lý và tỷ lệ sử dụng vật liệu cao

- Trọng tâm thấp và ổn định khi xe chạy ở tốc độ cao

- Độ an toàn được nâng cao

Đồng thời với các ưu điểm trên, kết cấu kiểu khung chịu tải tổng thể cũng còn một

số nhược điểm sau:

- Khung chịu tải có yêu cầu cao về cách ly rung và giảm tiếng ồn, điều này có nghĩa chất lượng sản phẩm được nâng cao nhưng cũng đồng thời làm tăng giá thành

- Yêu cầu độ chính xác cao của việc hàn khung xe khách, chất lượng các mối hàn phải được kiểm tra nghiêm ngặt (biến dạng hàn, ứng suất hàn…)

- Với các yêu cầu kỹ thuật cao, khung xe buýt kiểu này hiện tại chỉ được áp dụng

ở một số công ty lớn và trên các dòng xe cao cấp

1.2.2 Yêu cầu đối với khung xe buýt

Khung xe buýt phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản bao gồm độ cứng, độ bền, độ bền mỏi và các yêu cầu khác tùy thuộc vào mục đích, điều kiện vận hành

1.2.2.1 Độ cứng

Độ cứng của kết cấu khung có liên quan đến biến dạng khi có các tác động của lực như lực quán tính, lực va chạm

Độ cứng của kết cấu khung có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của các cụm

hệ thống trên ô tô và sự dao động Khi có các lực va chạm lớn nhất trong khoảng cho phép tác động, khung vẫn đảm bảo được khả năng vận hành Có hai khái niệm độ cứng khác nhau của khung ô tô trong thực tế

1.2.2.2 Độ bền

Độ bền của khung ô tô bảo đảm không có phần nào của kết cấu mất khả năng làm việc khi chịu tác động của các loại tải trọng trong giới hạn cho phép Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trên khung xe xuất hiện các biến dạng và ứng suất, độ bền có thể được hiểu một cách khác là lực tác dụng lớn nhất mà kết cấu khung có thể chịu được mà ứng suất sinh ra nhỏ hơn giá trị ứng suất cho phép của vật liệu

1.2.2.3 Độ bền mỏi

Độ bền mỏi cũng là một trong các tiêu chí quan trọng đối với khung ô tô, do trong thực tế việc mất khả năng làm việc của kết cấu khung không chỉ do quá tải đột ngột vượt quá giới hạn cho phép mà còn do hiện tượng mỏi của vật liệu khi chịu các tải trọng gây

ra sự thay đổi có chu kỳ của ứng suất phát sinh trên kết cấu

1.2.2.4 Yêu cầu đến vấn đề an toàn giao thông

- An toàn tích cực (an toàn chủ động): Là đặc tính an toàn bao gồm tất cả các tính chất của ô tô giúp cho người lái điều khiển ô tô vượt qua các chướng ngại Bao gồm các yếu tố: An toàn chuyển động, trạng thái, khả năng quan sát và khả năng điều khiển

- An toàn thụ động: Bao gồm các đặc tính và chất lượng kết cấu khung vỏ để khi xảy ra tai nạn đảm bảo tổn thất là ít nhất nhằm:

 Bảo vệ các phương tiện tham gia giao thông

 Bảo vệ được người ngồi bên trong xe

 Bảo vệ được hành lý bên trong xe

1.2.3 Đặc tính làm việc của khung xe buýt

Các đặc tính của khung xe buýt thường được quan tâm khi thiết kế chế tạo là đặc tính dao động, đặc tính rung ồn và đặc tính biến dạng

1.2.3.1 Đặc tính dao động

Đặc tính dao động của xe liên quan đến độ cứng và sự phân bố khối lượng của khung

xe Độ cứng uốn và xoắn có ảnh hưởng đến dao động của kết cấu khung, thường được

sử dụng như các tiêu chuẩn đánh giá khả năng làm việc của kết cấu khung ô tô Sự phân

bố khối lượng của khung trong không gian sẽ tạo ra vô số các tần số dao động riêng và tương ứng với chúng là các dạng dao động riêng của khung Do vậy, khung ô tô có thể

bị biến dạng cục bộ, tương ứng với các ứng suất tập trung xuất hiện tại các phần riêng biệt trên kết cấu khi kích động ngoài có tần số trùng với tần số dao động riêng nào đó của kết cấu

1.2.3.2 Đặc tính rung ồn

Đặc tính rung ồn liên quan đến các chỉ tiêu về rung ồn Trên ô tô do sự dao động khung khi chuyển động trên đường cũng là một trong các nguồn gây rung ồn Mức độ rung ồn do khung ô tô gây ra phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo khung

vỏ ô tô

1.2.3.3 Đặc tính biến dạng

Đặc tính biến dạng liên quan đến việc nâng cao tính an toàn của xe Đặc tính này đảm bảo cho khung xe ít chịu tác động của các lực va chạm thông thường Điều này có nghĩa là kết cấu của khung ô tô cần phải có đặc tính biến dạng phù hợp cho các phần khác nhau của ô tô

1.3 Ý nghĩa của việc phân tích kết cấu khung xe buýt

Khung xe buýt là một phần quan trọng của toàn bộ chiếc xe Khung đóng vai trò nòng cốt trong nghiên cứu, phát triển, sản xuất và vận hành xe buýt Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế và sản xuất xe buýt, chất lượng khung xe chiếm hơn 30% tổng chất lượng của xe buýt và chi phí sản xuất của khung xe là khoảng 50% tổng chi phí sản xuất [3] Do đó, công nghệ thiết kế và sản xuất khung xe tiên tiến được ứng dụng để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản xuất xe buýt

Khung vừa là bộ phận chịu tải vừa là bộ phận có chức năng như giá đỡ của toàn bộ các chi tiết trong cấu trúc của xe buýt Trong quá trình làm việc của xe buýt, khung phải chịu nhiều tải trọng khác nhau đòi hỏi phải có đủ độ cứng để đảm bảo kết cấu làm việc

ổn định và các bộ phận lắp ráp trên khung được gắn chặt không tạo sự dao động Trong khi vận hành với các điều kiện tải trọng khác nhau không có biến dạng, hư hỏng quá mức Đồng thời khung xe buýt là nơi cần có sự thuận tiện, thoải mái cho người lái xe và

hành khách Các yếu tố tác động như độ ồn, rung động, khí thải, thời tiết phải hạn chế một cách tối thiểu Một kết cấu khung hợp lý tạo sự tin cậy và hiệu quả để giảm thiệt hại cho hành khách và người đi đường Ngoài ra, cấu trúc hình dạng bên ngoài hợp lý

và khoa học của khung xe có thể giảm sức cản không khí khi xe di chuyển (khí động học), cải thiện công suất, tiết kiệm nhiên liệu và ổn định lái xe tốc độ cao, và còn đóng vai trò làm mát động cơ và thông gió bên trong

Có thể thấy rằng khung xe buýt có ảnh hưởng rất quan trọng đến thiết kế và sản xuất chung của xe buýt Do đó, trong quá trình sản xuất xe buýt, bằng cách tối ưu hóa kết cấu khung vỏ, thiết kế cấu trúc khung xe với cấu trúc hợp lý và hiệu suất vượt trội là một công việc hết sức cấp thiết Việc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cao của khung xe buýt

mà không có sự trợ giúp của thiết kế và phân tích trên máy tính là hết sức khó khăn, tăng thời gian thiết kế và rất khó hoàn thành

Ngành công nghiệp sản xuất xe buýt trong nước đang bước đầu phát triển Việc sản xuất những chiếc xe chở khách cỡ trung và lớn đã trải qua quá trình sửa chữa, chuyển đổi xe tải thành xe buýt, lắp ráp CDK, và hiện tại một số công ty ô tô lớn trong nước đã mạnh dạng đầu tư và phát triển xe buýt mang thương hiệu Việt

Khả năng nghiên cứu và thiết kế (R&D) của xe buýt trong nước nhìn chung vẫn còn thấp và vẫn còn một khoảng cách lớn với trình độ phát triển quốc tế Nguyên nhân chủ yếu là do nhiều nhà sản xuất xe buýt ở trong nước đang sử dụng kiểu thiết kế thủ công trong giai đoạn đầu và thiết kế thủ công trong quá trình cải tiến thiết kế dẫn đến thời gian phát triển lâu, chất lượng xe sản xuất không đồng đều, số lượng nhỏ không đáp ứng nhu cầu thị trường và ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh ngay trong nước Đồng thời khung xe buýt còn tồn đọng nhiều vấn đề về độ cứng, tuổi thọ, độ rung và tiếng ồn dẫn đến hiệu suất thấp và các mối nguy hiểm luôn thường trực Mặc dù một số doanh nghiệp

sử dụng các phương pháp tăng cường độ cứng và tối ưu hóa kết cấu để cải thiện một số cấu trúc, nhưng thiếu cơ sở lý thuyết và thường khó triển khai và áp dụng

Với sự phát triển của công nghệ máy tính, một số công ty ô tô tại Việt Nam hiện tại đang dần chuyển đổi từ thiết kế thủ công hoặc thiết kế với sự hỗ trợ của công nghệ CAD (Computer-aided design – Thiết kế bằng sự hỗ trợ của phần mềm máy tính) sang thiết

kế kết hợp CAD/CAE (Computer Aided Engineering – Sử dụng công nghệ máy tính để phân tích đối tượng hình học CAD) trên cơ sở phương pháp phân tích gần đúng phần tử hữu hạn

Tính năng lớn nhất của phương pháp phần tử hữu hạn là nó có thể giải quyết các vấn đề cơ học rất phức tạp (hình dạng cấu trúc và điều kiện biên) Phần tử hữu hạn có thể ứng dụng để thực hiện phân tích tĩnh, động và phân tích đặc tính nội tại trên hầu hết các bộ phận lắp ráp trong toàn bộ cấu trúc ô tô buýt Chính vì vậy luận văn “Ứng dụng phần mềm HyperWorks tối ưu hóa khung xe buýt Thaco City B60” là hết sức cấp thiết

Luận văn nghiên cứu phương pháp phân tích các yếu tố hữu hạn trên đặc tính tải trọng thông thường của một chiếc xe buýt sản xuất trong nước và đề xuất một số biện pháp tối ưu hóa cho cấu trúc khung xe buýt dựa trên kết quả phân tích Phân tích phần tử hữu hạn của cấu trúc khung xe buýt có giá trị tham chiếu nhất định cho thiết kế cấu trúc và tối ưu hóa khung xe buýt thực tế, cung cấp ý tưởng và phương pháp để nghiên cứu thêm trong giai đoạn sau Do đó, trong quá trình thiết kế và phân tích cấu trúc khung xe buýt trong tương lai, việc áp dụng phân tích phần tử hữu hạn sẽ trở thành một xu hướng tất yếu, điều này sẽ hướng sự phát triển của xe buýt sang một bước nhảy vọt mới

1.4 Kết luận chương 1

1 - Nền công nghiệp ô tô trong nước đang trên đà tăng trưởng, phát triển và cạnh canh gay gắt từ các xe CBU Trong bối cảnh đó, để ngành công nghiệp ô tô đủ sức cạnh tranh và trở thành ngành công nghiệp trụ cột của Việt Nam, các doanh nghiệp ô tô trong nước cần phải chú trọng đầu tư cho vấn đề nghiên cứu, phát triển sản phẩm để sản xuất các xe có chất lượng cao với chi phí thấp

2 - Kết cấu chính của khung xe buýt theo đặc tính chịu tải được phân thành 3 loại chính là: Khung xe không chịu tải, khung xe bán tải, và khung xe chịu hoàn toàn tải trọng Hiện nay tại Việt Nam đa phần các xe buýt sử dụng loại kết cấu khung xe bán tải

3 - Khi tiến hành thiết kế khung xe buýt phải đảm bảo các yêu cầu về độ cứng, độ bền và vấn đề an toàn giao thông

4 - Các đặc tính cần quan tâm khi thiết kế khung xe buýt là đặc tính dao động, đặc tính rung ồn và đặc tính biến dạng

5 - Trong quá trình sản xuất xe buýt, bằng cách tối ưu hóa kết cấu khung vỏ, thiết

kế cấu trúc khung xe với cấu trúc hợp lý và hiệu suất vượt trội là một công việc hết sức cấp thiết trong xu hướng thiết kế hiện đại (giảm khối lượng, nâng cao độ bền, chất lượng sản phẩm) Việc ứng dụng công nghệ số trong tính toán mô phỏng sẽ giúp giải quyết được các vấn đề phức tạp trong thực tế mà tính toán lý thuyết là rất khó khăn và tốn nhiều thời gian chi phí; thời gian thiết kế và chi phí cho việc thiết kế cũng đồng thời giảm thiểu đáng kể

Chương 2 PHẦN MỀM HYPERWORKS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phần mềm HyperWorks

2.1.1 Giới thiệu phần mềm HyperWorks

HyperWorks là một trong những phần mềm CAE (Computer Aided Engineering) nổi tiếng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với khả năng phân tích chính xác dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Phần mềm phục vụ cho việc tính toán, mô phỏng, tối ưu hóa chi tiết, kết cấu nhằm giảm chi phí, giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, tăng độ tin cậy của sản phẩm

HyperWorks được xây dựng trên một nền tảng tối ưu hóa thiết kế, quản lý dữ liệu hiệu quả và tự động hóa các quá trình HyperWorks là một giải pháp mô phỏng cho doanh nghiệp phục vụ thăm dò thiết kế và ra quyết định nhanh chóng Là một giải pháp CAE toàn diện nhất trong ngành công nghiệp, HyperWorks cung cấp một bộ tích hợp chặt chẽ của các công cụ hàng đầu để mô hình hóa, phân tích, tối ưu hóa, trực quan, báo cáo và quản lý dữ liệu hiệu quả Cam kết chắc chắn một triết lý hệ thống mở, HyperWorks tiếp tục dẫn đầu ngành công nghiệp với khả năng tương tác rộng với các giải pháp CAD và CAE thương mại khác

2.1.2 Các Modul của phần mềm HyperWorks

1 HyperMesh

Chia lưới cấu trúc không gian của chi tiết, tạo nền tảng cho việc phân tích tính toán về sau

Hypermesh cung cấp bộ công cụ

dễ dàng sử dụng để tạo và chỉnh sửa các mô hình CAE

2 HyperView

Tạo ra báo cáo kết quả phân tích một cách trực quan, dựa trên kết quả phân tích phần tử hữu hạn

và mô phỏng đa vật thể

3 HyperGrapth

Altair Hypergraph là một công

cụ phân tích dữ liệu và vẽ biểu

đồ mạnh mẽ, giao diện tương thích với các định dạng file phổ biến

4 HyperCrash

Môi trường mô hình hóa hiệu chỉnh cao cho việc phân tích va chạm và an toàn

5 Radioss

Radioss là một hệ thống phân tích phần tử hửu hạn, cho phép giải quyết các bài toán tuyến tính hay phi tuyến Phân tích kết cấu, chất lỏng, dập kim loại tấm, các hệ thống cơ khí, …

6 Optistruct

Dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, công nghệ đa chi tiết động học thông qua phân tích tiên tiến và các thuật toán tối ưu hóa để đưa ra các kết cấu có trọng lượng nhẹ và hiệu quả

Đây là giải pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho thiết kế và tối

ưu hóa kết cấu giúp giảm chi phí tăng năng suất, chất lượng sản phẩm

7 MotionView

MotionView là một giải pháp tích hợp để phân tích và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống đa chi tiết (multi-body)

9 MotionSolve

Một phần mềm phân tích chuyển động mạnh mẽ cho việc mô phỏng hệ thống cơ khí

Bảng 2.1 – Các modul chính của phần mềm HyperWorks

2.1.3 Đặc điểm của phần mềm HyperWorks

HyperWorks là một phần mềm có tính trực quan cao

Ứng dụng phần mềm HyperWorks vào trong thiết kế sẽ làm giảm chu trình thiết kế giúp giảm thời gian thiết kế và nâng cao hiệu suất công việc

Đối với quá trình thiết kế thông thường, sản phẩm sau khi thiết kế xong sẽ tiến hành sản xuất sản phẩm mẫu sau đó sản phẩm mẫu sẽ được mang đi thử nghiệm thực tế, nếu sản phẩm không đạt chất lượng thì quá trình sẽ quay trở lại thiết kế và thử nghiệm lại nhiều lần, với quá trình như vậy sẽ làm tăng thời gian thiết kế, tốn kém nhiều chi phí sản xuất sản phẩm mẫu và thời gian thử nghiệm dẫn đến hiệu quả làm việc sẽ giảm đi Đối với quá trình CAE, thay vì phải thiết kế và thực nghiệm nhiều lần thì phần mềm sẽ

hỗ trợ tính toán mô phỏng trên máy tính với các chương trình mô phỏng như: mô phỏng khí động học, mô phỏng va chạm, mô phỏng động lực học, …Với quá trình như vậy sẽ

làm giảm được thời gian thử nghiệm và chi phí sản xuất sản phẩm mẫu làm tăng hiệu quả công việc hơn

Tối ưu hóa thiết kế: Phần mềm sẽ tự tính toán và đưa ra các mô hình tối ưu hóa cho sản phẩm thiết kế như là tối ưu hóa về vật liệu (cắt bỏ những phần vật liệu thừa) giúp tiết kiệm vật liệu mà vẫn đảm bảo độ bền của chi tiết

2.1.4 Các kiểu phần tử hữu hạn trong HyperWorks

Với một phân tích bất kỳ, phần mềm cần tất cả ba kích thước được định nghĩa Nó không thể tính toán trừ khi hình dạng các chi tiết trong mô hình được định nghĩa đúng Theo hình dạng và kích thước có thể phân thành các loại phần tử 1D, 2D và 3D

2.1.4.1 Phần tử 1D

- Định nghĩa: Phần tử 1D có một thành phần kích thước lớn hơn rất nhiều so với các kích thước còn lại

- Dạng phần tử: Thanh (line)

- Kiểu phần tử: Rod, bar, beam, pipe, …

- Ứng dụng trong phần mềm HyperWorks: Trục dài, phần tử dầm, bu lông, phần tử kết nối, …

- Dạng phần tử: Hình tứ giác (quad), hình tam giác (tria)

- Kiểu phần tử: Tấm mỏng (thin shell), tấm (plate), màng (membrane), …

- Ứng dụng thực tế: Tấm kim loại, tấm nhựa, …

2.1.4.3 Phần tử 3D

- Định nghĩa: Là kiểu phần tử có các kích thước tương đương nhau

Hình 2.3 - Phần tử 3D [7]

- Dạng phần tử: Phần tử 4 cạnh (tetra), phần tử có 5 cạnh (penta), phần tử có 6 cạnh (hex), phần tử hình chóp (pyramid)

- Phần tử giảm chấn (damper): Hệ số giảm chấn

- Phần tử tiếp xúc (Gap): Khoảng cách hở của hai chi tiết, độ cứng, hệ số ma sát,…

- Phần tử liên kết cứng (Rigid): RBE2, RBE3

- Phần tử hàn: Weld

Hình 2.4 - Một số kiểu phần tử trong mô phỏng CAE [7]

2.1.5 Cấu trúc tổng thể của một bài toán bên trong phần mềm HyperWorks

Hình 2.5 - Cấu trúc tổng thể của một bài toán trong phần mềm HyperWorks [8] Một bài toán mô phỏng trên phần mềm HyperWorks thông thường gồm các bước sau:

- Bước 1: Import dữ liệu CAD từ phần mềm thiết kế

- Bước 2: Xử lý mô hình; xây dựng mô hình lưới từ mô hình CAD, cài đặt thuộc tính vật liệu, khai báo kiểu liên kết, khai báo điều kiện biên, thiết lập bài toán

- Bước 3: Giải bài toán; bộ giải Optistruct sẽ giải phương trình độ cứng để xác định chuyển vị tại các nút, từ đó tính ra biến dạng, ứng suất của các phần tử

- Bước 4: Xem kết quả tính toán; trực quan hóa kết quả tính thông qua hiển thị đặc tính làm việc, giá trị chuyển vị, ứng suất,…

2.2 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tính toán số được phát triển vào những năm 1960 để giải các bài toán vật lý, kỹ thuật và là một sản phẩm của thời đại máy tính Mặc dù khái niệm về phần tử hữu hạn đã được đề xuất vào những năm 1940, nhưng nó vẫn chưa nhận được sự quan tâm rộng rãi do những hạn chế của các tính toán tại thời điểm đó Với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật dân dụng, kỹ thuật hóa học, hàng không vũ trụ, xây dựng, hàng hải và các lĩnh vực kỹ thuật khác Hiện tại phương pháp phần tử hữu hạn là một phương tiện phân tích quan trọng

Trong bối cảnh công nghệ máy tính điện tử phát triển nhanh chóng, phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng rộng rãi để giải quyết các vấn đề kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như các vấn đề trạng thái ổn định, tuyến tính hoặc phi tuyến trong phân tích kết cấu, truyền nhiệt, lưu chất, điện từ và âm học Đầu những năm 1980, với sự phát

triển mạnh của phân tích phần tử hữu hạn, một số chương trình phần tử hữu hạn trên máy tính đã xuất hiện và tương đối nổi tiếng như HYPERWORKS, ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, ASKA và ADINA, v.v Những phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thương mại này có các chương trình tiền xử lý và hậu xử lý mạnh mẽ, có thể dùng kết quả để áp dụng vào công việc nghiên cứu

Trong những năm gần đây, phương pháp phần tử hữu hạn đã bước vào giai đoạn ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp, giúp cải thiện đáng kể thời gian và chất lượng thiết kế Việc chia lưới trong phương pháp phần tử hữu hạn giúp tăng cường khả năng

xử lý lưới, giúp cải thiện chất lượng và hiệu quả của lưới Đồng thời, nó tăng cường khả năng giải quyết các vấn đề tuyến tính và phi tuyến tính

Cho đến nay, phương pháp phần tử hữu hạn đã phát triển ở mức độ cao về tính linh hoạt của các thuật toán Ngoài ra còn có các ứng dụng chuyên sâu cho sự kết hợp của các vật liệu khác nhau và giải pháp cho các vấn đề hình học Đồng thời, nhiều hình thức của phương pháp phần tử hữu hạn mới đã xuất hiện, giúp cải thiện đáng kể khả năng và hiệu quả trong giải quyết các vấn đề khoa học và kỹ thuật Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghệ kỹ thuật và đã trở thành một sản phẩm công nghiệp Hiện tại phương pháp phân tích phần tử hữu hạn đang là phương pháp phân tích số mạnh mẽ nhất cho thiết kế

2.2.2 Ý tưởng cơ bản và trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.2.1 Ý tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

Nhìn chung, khi có một số vấn đề với hình học, tải trọng và tính chất vật liệu phức tạp, thường không thể giải hoặc rất khó giải bằng phương pháp toán học phân tích Do

đó, chúng ta cần dựa vào các phương pháp số để tính toán, như phương pháp phần tử hữu hạn Một trong những tư tưởng cơ bản trong phương pháp phần tử hữu hạn là xấp

xỉ hóa đại lượng cần tìm trong mỗi miền con

Đối với các vấn đề cơ học và vật lý, tính liên tục trong thực tế được phân tách thành một số đơn vị hữu hạn (số lượng nút hữu hạn được đặt trong mỗi đơn vị), nghĩa là toàn

bộ miền liên tục được xấp xỉ bởi các nút Đồng thời, giá trị các nút thường được sử dụng làm ẩn số cơ bản, nói cách khác là hàm xấp xỉ được nội suy theo các giá trị của nó tại các nút phần tử Kết quả là, trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìm là hàm bất kỳ

sẽ được xấp xỉ hóa bằng một đa thức nội suy qua các giá trị của chính nó tại các điểm nút của phần tử

Do đó, cấu trúc trong quy trình tính toán phân tích phần tử hữu hạn không phải là đối tượng hoặc cấu trúc ban đầu, mà là cấu trúc đối tượng rời rạc Kết quả của phép tính

và phân tích này không phải là giá trị thực, mà là một xấp xỉ Và rõ ràng nếu lưới phần

tử càng mịn thì kết quả nhận được càng tiến đến sự mô tả chính xác của nghiệm cần tìm

2.2.2.2 Trình tự phân tích phần tử hữu hạn

Đối với bài toán cấu trúc, phương pháp phần tử hữu hạn phân tách mô hình theo cấu trúc thực tế của thực thể ba chiều, sau đó tải thực tế trên cấu trúc được áp dụng cho từng

thành phần cấu trúc đơn vị để tìm ứng suất và chuyển vị của từng nút đơn vị

a) Phân biệt và lựa chọn phần tử

Cấu trúc của đối tượng cần phân tích được rời rạc với các phần tử hữu hạn, được chia thành các hệ thống tương đương với các nút liên kết và sau đó chọn loại phần tử phù hợp nhất để mô phỏng các tính chất vật lý thực tế

Trong quy trình phân tích phần tử hữu hạn, tổng số phần tử được sử dụng cũng như kích thước và hình dạng hình học của phần tử của đối tượng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc vật lý của đối tượng trong điều kiện tải thực tế và cũng dựa trên mức độ gần đúng mà người nghiên cứu mong đợi Các phần tử thường được sử dụng chủ yếu là phần

tử một chiều (bao gồm các phần tử thanh và các phần tử chùm), các phần tử hai chiều (phần tử tam giác hoặc các phần tử tứ giác), phần tử ba chiều (phần tử tứ diện và các phần tử lục giác)

b) Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử, ma trận độ cứng phần tử và vectơ tải phần tử

Khi giải bài toán theo mô hình tương thích (còn gọi là phương pháp chuyển vị) đại lượng cơ bản cần tìm trước tiên là chuyển vị Chuyển vị được xấp xỉ hóa và nội suy theo vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e Sau khi tìm được ma trận các hàm dạng, chúng ta biểu diễn được trường chuyển vị theo các chuyển vị nút phần tử {q}e [9]:

{u}e = [N].{q}e (2.1)

Từ đó, theo các phương trình liên hệ giữa chuyển vị và biến dạng (các phương trình Cauchy), biến dạng của một điểm trong phần tử sẽ là:

{}e = []{u}e = [][N]{q}e = [B]{q}e (2.2) Trong đó [B] = [][N] (2.3)

Và [B] được gọi là ma trận tính biến dạng (ma trận chứa đạo hàm của hàm dạng) Ứng suất tại một điểm thuộc phần tử, trong trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hook sẽ là:

{}e = [D][B]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.3) Hay {}e = [T]{q}e – [D]{0}e + {0}e (2.4)

Trong đó [T] = [D][B] (2.5) gọi là ma trận tính ứng suất phần tử

Phương trình (2.1), (2.2) và (2.4) cho ta biểu diễn chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử theo vectơ chuyển vị nút phần tử {q}e

 Thế năng toàn phần của phần tử

Thiết lập biểu thức tính thế năng toàn phần ∏e của phần tử theo công thức của ngoại lực We và thế năng biến dạng Ue của phần tử đó:

∏e({q}e) =1

2{q}eT[K]e{q}e− {q}eT{P}e (2.9) Trong đó ma trận độ cứng của phần tử [K]e được xác định theo:

{P}e: được gọi là vectơ tải phần tử

Dễ thấy rằng vì [D] là ma trận đối xứng nên tích [B]T[D][B] cũng đối xứng và do

đó [K]e là ma trận đối xứng

 Thiết lập phương trình cân bằng:

Theo nguyên lý dừng thế năng toàn phần, điều kiện cân bằng của phần tử tại các điểm nút:

∏e = 0 => ∏e

{q}e = 0 (2.12) Tiến hành lấy đạo hàm riêng lần lượt với từng chuyển vị nút và cho bằng 0, thu được

m phương trình (cho phần tử có m chuyển vị nút):

[K]e{q}e − {P}e = 0 (2.15) Suy ra:

[K]e{q}e = {P}e (2.16) Trong đó:

+ {P}e: Vectơ tải trọng nút của phần tử thứ e xét trong hệ tọa độ địa phương; + {q}e: Vectơ chuyển vị nút của phần tử thứ e xét trong hệ tọa độ địa phương; + [K]e: Ma trận độ cứng của phần tử thứ e xét trong hệ tọa độ địa phương

 Phương trình (2.16) là phương phương trình cân bằng của phần tử thứ e

c) Ghép nối các phần tử xây dựng phương trình cân bằng của toàn hệ

Giả sử hệ kết cấu được rời rạc hoá thành m phần tử Theo (2.16) ta viết được m phương trình cân bằng cho tất cả m phần tử trong hệ toạ độ riêng của từng phần tử Sau khi chuyển về hệ tọa độ chung của toàn kết cấu, tiến tới gộp các phương trình cân bằng của từng phần tử trong cả hệ, thu được phương trình cân bằng cho toàn hệ kết cấu trong

hệ tọa độ chung:

[K′]{q′} = {P′} (2.17)

Do thứ tự các thành phần trong vectơ chuyển vị nút {q’}e của từng phần tử khác với thứ tự trong vectơ chuyển vị nút {q’} của toàn hệ kết cấu, nên cần lưu ý xếp đúng vị trí của từng thành phần trong [K’]e và {P’}e vào [K’] và {P’} Việc sắp xếp này thường được áp dụng phương pháp số hay sử dụng ma trận định vị phần tử [H]e để thiết lập các

ma trận tổng thể và vectơ tải trọng nút tổng thể của toàn hệ kết cấu

Áp dụng ma trận định vị phần tử [H]e

Giả sử hệ kết cấu được rời rạc hoá thành m phần tử Số bậc tự do của toàn hệ là n Véctơ chuyển vị nút tổng thể có dạng:

{q′} = {q1′ q′2 … qn′}T (2.18) Với phần tử thứ e, số bậc tự do là ne, có vectơ chuyển vị nút trong hệ tọa độ chung

là q'e Các thành phần của q'e nằm trong số các thành phần của q' Do đó có sự biểu diễn quan hệ giữa 2 vectơ này như sau:

{q′}e = [H]e{q′} (2.19) (nex1) (nexn) (nx1) Trong đó: [H]e - là ma trận định vị của phần tử e, nó cho thấy hình ảnh sắp xếp các thành phần của vectơ q'e trong q'

Dựa vào (2.9) ta xác định được thế năng toàn phần cho từng phần tử Thay (2.19) vào (2.9), sau đó cộng gộp của m phần tử, xác định được thế năng toàn phần của hệ:

Nhận thấy đây chính là phương trình cân bằng cho toàn hệ, so sánh với (2.17) thu được:

d) Sử dụng điều kiện biên của bài toán

Hệ phương trình tổng thể [K]{q}={P} có thể viết dạng khối như sau:

[[K]11 [K]12[K]21 [K]22] {

[q]1[q]2b} = {[P]1

b[P]2} (2.25) Trong đó

- {q}2 : là vectơ chứa tất cả các bậc tự do (chuyển vị nút) đã biết;

- {q}1: là vectơ chứa các bậc tự do chưa biết;

- {P}b : là vectơ tải gồm các phần tử đã biết;

- {P}2: là vectơ tải gồm các phần tử còn lại của {P} và là chưa biết

Và phương trình dạng khối (2.25) có thể phân thành 2 hệ phương trình như sau:

{ [K]11 {q}1+ [K]12 {q}2

b = {P}1b[K]21 {q}1+ [K]22 {q}2b = {P}2 (2.26)

Vì {q}b đã biết nên ta có phương trình xác định {q}1 là:

[K]11{q}1 = {P}1b − [K]12{q}2b (2.27) Hay:

{q}1 = [K]11−1({P}1b− [K]12{q}2b) (2.28)

Và từ đó xác định được {P}2 thì phương trình còn lại:

{P}2 = [K]12T {q}1+ [K]22{q}2b (2.29) Trường hợp thường gặp là khi tất cả các bậc tự do (chuyển vị nút) cho trước là bằng

0, thì phương trình {q}1 chỉ còn:

[K]11{q}1 = {P}1b (2.30) Phương trình này suy ra một cách đơn giản từ phương trình tổng thể [K]{q} = {P} bằng cách xóa các hàng và các cột tương ứng với các bậc tự do tương ứng trong {q}1

và có giá trị bằng không

2.3 Lý thuyết tối ưu hóa

2.3.1 Khái niệm tổng quát

Bài toán tối ưu đặt ra như sau: Tìm x1, x2,…, xn sao cho hàm số Z = f(x1, x2,…, xn) đạt max (hay min) đồng thời thỏa mãn các điều kiện [10]:

θi(x1, x2, … , xn) ≤ bi

Φk(x1, x2, … , xn) = dk

j(x1, x2, … , xn) ≥ hj } (2.31) Trong đó: x1, x2, xn là các biến;

bi, dk, hj là các hằng số

Một cách tổng quát bài toán trên có thể đưa về dạng rút gọn:

Cực tiểu hóa (hoặc cực đại hóa) hàm:

Z = f(x1, x2, … , xn) (2.32) Với điều kiện:

gi(x1, x2,…, xn) { = } bi (2.33)

i = 1, 2, …, m

Ta gọi hàm Z là hàm mục tiêu, điều kiện (2.33) là điều kiện ràng buộc

Tập hợp các giá trị x1, x2, …, xn thỏa mãn điều kiện ràng buộc là một phương án Phương án làm cho hàm mục tiêu đạt giá trị cực đại (hay cực tiểu) gọi là nghiệm hay phương án tối ưu Miền thỏa mãn các điều kiện ràng buộc gọi là miền nghiệm

Bài toán tối ưu chia ra làm hai loại:

- Bài toán quy hoạch tuyến tính

- Bài toán quy hoạch phi tuyến

2.3.2 Lý thuyết tối ưu hóa trên phần mềm HyperWorks

2.3.2.1 Khái niệm

Tối ưu hóa có thể được định nghĩa là quá trình tạo cho một kết cấu hay cụm kết cấu

có thiết kế tốt nhất dựa trên các hàm mục tiêu cụ thể và chịu các ràng buộc thiết kế nhất định Có nhiều phương pháp hoặc thuật toán khác nhau có thể được sử dụng để tối ưu

hóa kết cấu, hiện nay trong phần mềm HyperWorks (Optistruct) đang áp dụng một số thuật toán dựa trên phương pháp Gradient

Các mô hình kết cấu sử dụng trong tối ưu hóa (Optimization) được phân loại theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như tuyến tính so với phi tuyến, tĩnh so với động, các hàm mục tiêu xác định so với các hàm mục tiêu ngẫu nhiên hoặc dài hạn so với nhất thời

Một vấn đề tối ưu hóa có thể được trình bày về mặt toán học [11] như sau:

- ω0(p) và ωi(p) là các giá trị mục tiêu của biến tối ưu hóa (mục đích cần đạt được);

- pj là giá trị đại diện cho các biến thiết kế (p1, p2,…, pn)

Hình 2.6 – Sơ đồ quy trình tối ưu hóa kết cấu

Thông số hình học, vật liệu

Điều kiện biên

Hệ thống phân tích phần tử hữu hạn

Đáp ứng các hàm mục tiêu

Đúng

Thay đổi thông số hình học và vật liệu

Sai

Thiết kế đề xuất

2.3.2.2 Biến thiết kế

Biến thiết kế (DVs - Design Variable) là các tham số hệ thống có thể thay đổi để tối

ưu hóa kết cấu Đối với HyperWorks, kiểu tham số dùng để xác định loại tối ưu hóa:

- TOPOLOGY: là một khái niệm toán học tối ưu hóa theo vật liệu cho một kết cấu trong một không gian thiết kế nhất định Biến thiết kế được định nghĩa là mật độ giả lập cho từng yếu tố và các giá trị này được thay đổi từ 0 đến 1 để tối ưu hóa mật độ phân bố của vật liệu

- TOPOGRAPHY: là một hình thức tối ưu hóa hình dạng hình học của kết cấu, trong

đó có hai phân vùng được phân chia cụ thể (được tối ưu hóa và không được tối ưu hóa)

- FREE-SIZE: là một phương pháp đặc biệt được thiết kế bởi Altair để tối ưu hóa cấu trúc 2D, trong đó các biến thiết kế là độ dày của từng yếu tố tối ưu

- SHAPE: là một cách tự động để sửa đổi hình dạng cấu trúc được xác định trước

để tìm hình dạng tối ưu

- GAUSE: là trường hợp cụ thể để tối ưu hóa kích thước

- FREE-SHAPE: là một cách tự động để sửa đổi hình dạng cấu trúc, dựa trên tập hợp các nút Các biến thiết kế được định nghĩa dựa trên một tập hợp các nút

- COMPOSITE SHUFFLE: được sử dụng cho vật liệu tổng hợp

2.3.2.3 Phương pháp Gradient

Optistruct sử dụng một quy trình lặp được gọi là phương pháp gần đúng để giải quyết vấn đề tối ưu hóa Phương pháp này dựa trên giả thuyết rằng chỉ có những thay đổi nhỏ xảy ra trong thiết kế với mỗi bước tối ưu hóa, kết quả của quá trình này là các kết cấu tối ưu nhỏ và cục bộ Những thay đổi lớn nhất trong kết cấu xảy ra trong các bước tối ưu hóa đầu tiên

a) Phương pháp Gradient

Đây là một thuật toán tối ưu hóa để tìm ra một hàm số sẽ đạt được cực tiểu được gọi

là phương pháp Gradient Thuật toán [11] có thể được mô tả như sau:

1 Bắt đầu từ một điểm X0 (Điểm xuất phát và cũng là điểm khởi tạo của vòng lặp)

2 Đánh giá hàm F (Xi) và độ dốc (Gradient) của hàm ∇F (Xi) tại điểm Xi

3 Xác định điểm tiếp theo sử dụng hướng dốc có giá trị âm: Xi+1 = Xi - ϒ∇F(Xi)

4 Lặp lại các bước 2 và 3 cho đến khi hàm hội tụ và nhỏ nhất