Phần 12  Tối ưu hóa cấu trúc cho thiết kế

Nội dung

1. Trước hết

2. Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc

3. Tối ưu hóa Topology là gì?

4. Thông tin cần thiết để tối ưu hóa Topology

5. Quy trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết

6. Thiết kế chi tiết dựa trên kết quả tối ưu hóa Topology

7. Những thách thức của thiết kế bộ phận sử dụng tối ưu hóa cấu trúc

8. Tóm tắt

Giới thiệu

Đối với nhiều nhà thiết kế, việc cải thiện chức năng và hiệu suất của sản phẩm đồng thời đáp ứng các hạn chế như chi phí và khả năng sản xuất là một thách thức lớn. Tối ưu cấu trúc là một phương pháp để giải quyết vấn đề này.

Khái niệm về thiết kế tối ưu của các công trình được cho là đã xuất hiện từ những năm 1980^​ và sau khi các lý thuyết cơ bản được nghiên cứu trong giới học thuật, nó đã được ứng dụng trong công nghiệp, và sức mạnh tính toán của máy tính đã được cải thiện, và trong những năm gần đây, nó đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
​

Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc

Có ba phương pháp chính để tối ưu hóa cấu trúc: tối ưu hóa kích thước, tối ưu hóa hình dạng và tối ưu hóa cấu trúc.
Tối ưu về kích thước là một kỹ thuật để có được kích thước tối ưu bằng cách sử dụng các kích thước tùy ý, chẳng hạn như chiều dài và độ dày của một thành phần, làm biến số, như thể hiện trong Hình 1(a).
Hình dạng tối ưu là một kỹ thuật để tối ưu hóa hình dạng của một bộ phận bằng cách sử dụng hình dạng bên ngoài làm biến số, như thể hiện trong Hình 1(b).
Các kỹ thuật này phù hợp để sử dụng khi bạn muốn tinh chỉnh hình dạng bên ngoài mà không thay đổi cấu trúc cơ bản. Tuy nhiên, các kỹ thuật này không thể thay đổi đáng kể hình dạng cấu trúc, do đó cấu trúc có thể không thực sự tối ưu. Do đó, tối ưu hóa tô pô, được thể hiện trong Hình 1(c), là một kỹ thuật cho phép tối ưu với mức độ tự do cao hơn.
Trong bài viết này, tôi muốn giới thiệu về tối ưu hóa cấu trúc, một loại tối ưu cấu trúc.

Đặc trưng

Tối ưu hóa cấu trúc là phương pháp tối ưu về mặt cấu trúc nhằm tính toán cách sắp xếp vật liệu trong không gian cần thiết kế để tạo ra cấu trúc tối ưu.
Ví dụ, hãy xem xét trường hợp cả hai đầu đều được hỗ trợ và tải trọng được áp dụng cho bề mặt dưới cùng, như thể hiện ở bên trái trong Hình 2. Trong tối ưu hóa cấu trúc, khu vực có thể đặt vật liệu, được gọi là không gian thiết kế, hay nói cách khác là phạm vi tối ưu, được chia thành các phần tử nhỏ và các phép tính tối ưu được thực hiện trong khi điều chỉnh mật độ vật liệu cho từng phần tử.
Ví dụ về kết quả phân tích sau khi tối ưu hóa Topology được hiển thị ở bên phải trong Hình 2. Màu sắc biểu thị mật độ vật liệu và bằng cách đặt vật liệu vào các khu vực phân bố mật độ cao được hiển thị bằng màu đỏ, có thể tạo ra cấu trúc đảm bảo độ bền hiệu quả hơn.

Tối ưu hóa cấu trúc cho phép tối ưu hình dạng với mức độ tự do cao đến mức nó có lợi thế lớn là có thể đưa ra các giải pháp tối ưu mà khó có thể đạt được nếu chỉ sử dụng trực giác của con người.

Thông tin cần thiết để tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Tối ưu hóa cấu trúc đòi hỏi những thông tin sau:

• Không gian thiết kế
• Nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau (tính chất vật lý, điều kiện tải, điều kiện biên, v.v.)
• Hàm mục tiêu
• Hạn chế

 
Không gian thiết kế đầu tiên là khu vực mà vật liệu của chi tiết bạn muốn tối ưu hóa có thể được đặt. Hãy thiết lập khu vực mà chi tiết thiết kế mục tiêu có thể được đặt trong các ràng buộc thiết kế, chẳng hạn như không ảnh hưởng đến các chi tiết khác. Khu vực này càng lớn, bạn càng có nhiều tự do trong thiết kế tối ưu. Cũng có thể xác định các khu vực mà vật liệu phải được đặt theo thông số kỹ thuật là không gian phi thiết kế. Ví dụ: nếu bạn muốn cố định một chi tiết bằng bu lông, bạn có thể xác định khu vực gần bu lông để cố định hình dạng là không gian phi thiết kế.
Loại dữ liệu đầu vào thứ hai là thông tin liên quan đến thông số kỹ thuật thiết kế chi tiết. Thông tin cần thiết cho phân tích kết cấu thông thường, chẳng hạn như đặc tính vật liệu (mô đun Young và hệ số Poisson), điều kiện tải trọng và điều kiện biên, cũng cần thiết cho tối ưu hóa cấu trúc.
Điều thứ ba chúng ta cần là một hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu thể hiện "chúng ta cụ thể muốn điều gì là tối ưu?". Ví dụ, nếu chúng ta muốn giảm trọng lượng của một bộ phận, hàm mục tiêu sẽ là "giảm thiểu khối lượng".
Ràng buộc thứ tư cho biết "hàm mục tiêu tối ưu trong những ràng buộc nào". Ví dụ, nếu hàm mục tiêu là giảm thiểu khối lượng và không có ràng buộc nào, câu trả lời sẽ là "khối lượng của không gian thiết kế = 0". Điều này không có nghĩa là hình dạng đã tối ưu. Nếu bạn muốn giảm trọng lượng mà vẫn duy trì một mức độ cứng nhất định, bạn có thể đặt ràng buộc "lượng biến dạng khi tải trọng tác dụng nằm trong phạm vi XX mm" để tối ưu hóa sự phân bố mật độ vật liệu trong ràng buộc đó.
Trên đây là thông tin tối thiểu cần thiết để thực hiện tối ưu hóa Topology.

Ngoài ra, các ràng buộc về phương pháp sản xuất cũng phải được tính đến và một số phần mềm có thể thực hiện tối ưu hóa cấu trúc với các ràng buộc này được thiết lập.

Việc chuẩn bị thông tin trên là bước quan trọng để tối ưu hóa Topology thành công, vì thiết lập đúng cách sẽ cải thiện độ chính xác của việc tối ưu và mang lại thiết kế hiệu quả.

Quá trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Sau khi chuẩn bị đầy đủ thông tin trên, bạn có thể chạy tối ưu hóa Topology. Sau khi hoàn tất các thiết lập phù hợp và gửi yêu cầu, tính toán tối ưu sẽ được thực hiện trên máy tính và người vận hành chỉ cần chờ kết quả tối ưu.
Ở đây, tôi muốn giải thích ngắn gọn về quy trình tính toán tối ưu. Quy trình tính toán tối ưu hóa Topology được thể hiện đơn giản trong Hình 3.
Đối với bất kỳ hình dạng nào, phương pháp phần tử hữu hạn (phân tích cấu trúc) được áp dụng để tính toán hàm mục tiêu và thể tích. Nếu hàm mục tiêu không đáp ứng các điều kiện hội tụ nhất định, phép tính độ nhạy sẽ được thực hiện. Chúng tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết về phép tính độ nhạy, nhưng đây là phép tính để tìm hướng bố trí mật độ vật liệu. Vị trí vật liệu trong không gian thiết kế sau đó được cập nhật dựa trên kết quả của phép tính này, và một phép tính số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện lại. Sau khi hoàn thành vòng lặp này, khi hàm mục tiêu đáp ứng các tiêu chí điều kiện hội tụ, phép tính tối ưu được coi là hoàn tất và kết thúc.
Nếu bạn muốn biết thêm về các phương pháp tính toán tối ưu, vui lòng tham khảo sách chuyên ngành.

Thiết kế bộ phận từ kết quả tối ưu hóa Topology

Hình dạng tối ưu thu được từ tối ưu hóa Topology chỉ đơn thuần là việc trích xuất phân bố mật độ vật liệu trong không gian thiết kế, do đó không thể sử dụng nó như một hình dạng thiết kế. Cần phải chuyển đổi hoặc tạo dữ liệu CAD dựa trên kết quả.
Đây là quy trình khó khăn nhất khi áp dụng tối ưu hóa Topology vào thiết kế chi tiết. Việc chuyển đổi hình dạng tối ưu hóa Topology sang CAD thường dẫn đến hình dạng không thể sản xuất được. Nói cách khác, quy trình này không chỉ đòi hỏi kiến thức về CAE và tối ưu hóa Topology mà còn cả khả năng sản xuất thực tế.

[Ví dụ về tối ưu hóa Topology trong thực tế]
Vui lòng tham khảo trang thông tin kỹ thuật sau để biết các ví dụ thực tế về thiết kế bộ phận bằng cách sử dụng tối ưu hóa cấu trúc.
Tối ưu hóa cấu trúc liên kết | Nhựa Kỹ thuật Asahi Kasei

Những thách thức của thiết kế bộ phận sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Ngoài ra còn có những thách thức cần phải vượt qua trước khi triển khai tối ưu hóa cấu trúc trong thiết kế bộ phận.

• Chuẩn bị môi trường để tối ưu hóa Topology: Cần phải chuẩn bị phần mềm có khả năng thực hiện tối ưu hóa Topology và phần cứng liên quan. Quá trình tối ưu đòi hỏi phải tính toán số nhiều lần bằng phương pháp phần tử hữu hạn, do đó phần cứng phải có khả năng chịu được điều này.
• Kiến thức về tối ưu hóa Topology: Bạn sẽ cần kiến thức để thiết lập đúng thông tin cần thiết cho việc tối ưu hóa Topology như đã mô tả ở phần trước.
• Áp dụng kết quả tối ưu hóa cấu trúc vào thiết kế sản phẩm: Như đã đề cập ở phần trước, điều này cũng đòi hỏi kiến thức về khả năng sản xuất, đây là thách thức khó khăn nhất.

 
Asahi Kasei có môi trường và kiến thức cần thiết để thực hiện tối ưu hóa cấu trúc, cũng như kiến thức về ép phun nhựa chức năng, do đó có thể cung cấp các thiết kế tối ưu cho các bộ phận nhựa bằng cách sử dụng tối ưu hóa cấu trúc.
Nếu bạn đang muốn thiết kế các bộ phận bằng nhựa nhẹ hơn và bền hơn, vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Liên hệ chúng tôi

Bản tóm tắt

Bài báo này giới thiệu các khái niệm cơ bản và phương pháp tối ưu hóa cấu trúc. Công nghệ tối ưu hóa cấu trúc cho phép thiết kế các kết cấu nhẹ hơn và bền hơn bằng cách sắp xếp tối ưu vật liệu trong không gian thiết kế.
Khi triển khai điều này, điều quan trọng là phải thiết lập đúng thông tin như định nghĩa không gian thiết kế, đặc tính vật liệu, điều kiện tải, điều kiện biên, hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc, v.v. Ngoài ra, khi phản ánh kết quả tối ưu trong thiết kế sản phẩm thực tế, cũng phải chú ý đến các vấn đề thực tế như khả năng sản xuất và chuyển đổi sang dữ liệu CAD.
Bằng cách ghi nhớ những điểm này, tối ưu hóa cấu trúc có thể được sử dụng hiệu quả để đạt được thiết kế bộ phận có hiệu suất cao hơn.