BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2020-94

S KC 0 0 7 4 0 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ
SV2020 - 94
Chủ nhiệm đề tài: Lê Qui Chí

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
ỨNG DỤNG AI TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ
SV2020 - 94
Thuộc nhóm ngành khoa học:
SV thực hiện: Lê Qui Chí

Nam, Nữ : Nam

Dân tộc: Hoa

Lớp, khoa: 16144CL3

Khoa Đào tạo Chất lượng cao

Năm thứ: 4 / Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí
Người hướng dẫn: TS. Đặng Quang Khoa

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

2


MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................................7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................8
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...............................................9
LỜI MỞ ĐẦU ...............................................................................................................11
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TỐI ƯU HÓA .........................................14
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................16
1. Khái niệm tối ưu hóa cấu trúc: ..............................................................................16
2. Phân loại: ...............................................................................................................16
2.1 Sizing Optimization: ........................................................................................16
2.2 Shape Optimization: ........................................................................................18
2.3 Topology Optimization: ..................................................................................19
3. Ưu nhược điểm của tối ưu hóa ..............................................................................20
3.1 Ưu điểm ...........................................................................................................20
3.2 Nhược điểm .....................................................................................................20
4. Ứng dụng ...............................................................................................................20

4.1 Trong lĩnh vực hàng không .............................................................................20
4.2 Trong lĩnh vực ô tô: .........................................................................................24
4.3 Trong công nghệ in 3D ....................................................................................27
4.4 Trong lĩnh vực kiến trúc ..................................................................................30
4.4.1 Trung tâm Hội nghị quốc gia Doha ..........................................................30
4.4.2 Cấu trúc dầm chữ I ...................................................................................31
5. Quy trình tối ưu hóa thiết kế..................................................................................33
CHƯƠNG III: SHAPE GENERATOR TRONG PHẦN MỀM AUTODESK
INVENTOR 2018 ..........................................................................................................35
1. Giới thiệu sơ lược ..................................................................................................35
3


Bài tập 1: Bracket ......................................................................................................36
Tổng quan: .............................................................................................................36
Các bước thực hiện: ...............................................................................................36
2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator: ................................36
2.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints: ......................................................37
2.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region: ..................................................39
2.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape: ............42
2.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết: ........................................................................44
2.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: ............................................................45
Bài tập 2: Tấm đỡ ......................................................................................................49
Tổng quan: .............................................................................................................49
Các bước thực hiện: ...............................................................................................49
2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator: ................................50
2.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints: ......................................................51
2.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region: ..................................................53
2.5 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape: ............56
2.6 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết: ........................................................................58

2.7 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn: ............................................................59
CHƯƠNG IV: GENERATIVE DESIGN TRONG PHẦN MỀM FUSION 360..........63
1. Giới thiệu sơ lược ..................................................................................................63
1.1 Nơi dữ liệu Fusion 360 lưu trữ ........................................................................63
1.2 Chiến lược thiết kế ..........................................................................................63
2. Generative Design là gì? .......................................................................................63
3. Sự khác nhau giữa Generative Design so và thiết kế truyền thống .......................64
CHƯƠNG V: SO SÁNH SHAPE GENERATOR, GENERATIVE DESIGN CỦA
FUSION 360 VÀ GENERATIVE DESIGN CỦA SOLID EDGE 2020 ......................66
CHƯƠNG VI: CASE STUDIES ...................................................................................68
6.1 Case Study 1: Front Upper Arm trong hệ thống treo ..........................................68
4


6.1.1 Giới thiệu: .....................................................................................................68
6.1.2 Tính tốn:......................................................................................................68
6.1.2.1 Xét trường hợp xe và xe kéo đứng n: ................................................70
6.1.2.2 Tính tốn phần Double Wishbone Suspension: ....................................71
6.1.3 Các bước thực hiện: ......................................................................................74
6.1.3.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Shape Generator ...........................74
6.1.3.2 Bước 2: Thêm Material và Constraints .................................................74
6.1.3.3 Bước 3: Thêm Loads và Preserve Region .............................................77
6.1.3.4 Bước 4: Điều chỉnh Shape Generator Settings và Promote Shape........81
6.1.3.5 Bước 5: Thiết kế lại chi tiết ...................................................................83
6.1.3.6 Bước 6: Phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa .................................83
6.1.3.7 Kết luận và Phân tích:............................................................................87
6.2 Case study 2: Dầm chữ I......................................................................................89
6.2.1 Giới thiệu ......................................................................................................89
6.2.2 Mục đích nghiên cứu: ...................................................................................89
6.2.3 Phân tích phần tử hữu hạn và Tối ưu hóa:....................................................89

6.2.3.1 Trường hợp thứ nhất: Dầm bị tải bên phải ............................................90
6.2.3.1 Trường hợp thứ hai: Dầm bị tải phân bố đều ........................................95
6.3 Case Study 3: Giá đỡ .........................................................................................100
6.3.1 Giới thiệu chung: ........................................................................................100
6.3.2 Các bước thực hiện .....................................................................................100
6.3.2.1 Bước 1: Mở file và vào môi trường Generative Design ......................101
6.3.2.2 Bước 2: Thêm Material và Loads ........................................................101
6.3.2.3 Bước 3: Thêm Constraints ...................................................................102
6.3.2.4 Bước 4: Điều chỉnh Manufacturing Settings và Generate...................103
6.3.2.5 Bước 5: Hiển thị Stress trong thiết kế .................................................104
6.3.2.6 Bước 6: Tối ưu thêm chi tiết ...............................................................106
6.3.2.7 Bước 7: Phân tích phần tử hữu hạn: ....................................................107
5


6.3.2.8 Bước 8: Thực nghiệm chi tiết ..............................................................111
6.3.2.9 Bước 9: Phân tích và kết luận..............................................................112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................116

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật về AlSi10Mg
---------Bảng 3.1 Thông số của vật liệu thép
---------Bảng 4.1 So sánh sự khác nhau giữa Generative design và thiết kế truyền thống.
---------Bảng 5.1: So sánh sự khác nhau giữa ba mô đun.
---------Bảng 6.1 Giá trị của từng biến.
Bảng 6.2: Thông số vật liệu Stainless steel.

Bảng 6.3: So sánh khối lượng của hai thiết kế.
Bảng 6.4: Bảng vật liệu Steel
Bảng 6.5: So sánh khối lượng của hai dầm chữ I.
Bảng 6.6: So sánh khối lượng của hai thiết kế.
Bảng 6.7 Thông số nhựa PLA
Bảng 6.8 Thông số chuyển vị của hai giá đỡ.
Bảng 6.9 So sánh khối lượng của hai thiết kế.

7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
SiO: Sizing Optimization
ShO: Shape Optimization
TO: Topology Optimization
SIMP: Solid Isotropic Material with Penalization
FE: Finite Element
FSD: Fully Stressed Design
MDO: Multidisciplinary Design Optimization
ODB: Offset Deformable Barrier
FBD: Free diagram body.

8


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Ứng dụng AI trong thiết kế cơ khí
- Chủ nhiệm đề tài: Lê Qui Chí

Mã số SV: 16144013

- Lớp: 16144CL3

Khoa: Đào tạo Chất lượng cao

- Thành viên đề tài:
STT Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Hà Nguyễn Như Nguyệt

16144117

16144CL3

Đào tạo CLC

2


Trần Hà Minh Trường

18144199

18144CL2

Đào tạo CLC

- Người hướng dẫn: TS. Đặng Quang Khoa
2. Mục tiêu đề tài:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tối ưu hóa.
- Nghiên cứu về tối ưu hóa trên các phần mềm (Inventor, Fusion 360, Solid Edge 2020)
- Hướng dẫn cách làm các case study tối ưu hóa trên các phần mềm đó.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa khối lượng nhưng vẫn đảm bảo về độ bền của chi
tiết.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Đã hoàn thành báo cáo nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tối ưu hóa
- Đã tối ưu hóa các chi tiết trên các phần mềm (Inventor, Fusion 360, Solid Edge 2020).
- Đã hoàn thành hướng dẫn sử dụng modun tối ưu hóa trên các phần mềm thơng qua các
case study.
- In 3D sản phẩm đã được tối ưu hóa trên phần mềm Inventor 2019.
9


5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
- Thiết kế ra sản phẩm có hình dạng độc đáo và mang tính thẩm mỹ hơn.
- Thiết kế ra sản phẩm giảm tải khối lượng nhưng vẫn giữ nguyên hoặc làm tăng độ bền.
- Phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng như hàng không, oto, xây dựng,...

- Nắm bắt được xu hướng thiết kế trong tương lai.
- Nắm bắt được xu hướng gia công (in 3D) trong tương lai.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài
TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2020
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài

TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2020
Người hướng dẫn

10


LỜI MỞ ĐẦU
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài:
-

Trong nước:

Đất nước ta cũng đã triển khai cuộc cách mạng 4.0 ứng dụng trong ngành cơ khí sẽ dựa
trên nền tảng cơng nghệ số và tích hợp tất cả các cơng nghệ thơng minh để tối ưu hóa
quy trình, phương thức sản xuất, tạo ra các “nhà máy cơ khí thơng minh”.
Những trường đại học trong nước đã biết đến những mô đun tối ưu hóa trong các phần
mềm thiết kế và hiện đang triển khai giảng dạy cho các sinh viên.
Còn những doanh nghiệp đã nắm bắt được xu hướng thiết kế tối ưu hóa để tạo ra những
thiết kế độc đáo, bắt mắt hơn.
-


Ngồi nước:

Năm 2003, bắt đầu tối ưu hóa cấu trúc cánh của một chiếc máy bay để đáp ứng các tĩnh
năng và động năng. Mơ hình tồn cầu bao gồm khoảng 5.000 vỏ, các yếu tố gân và dằm.
Sau đó, cơng việc đã tập trung vào việc tối ưu hóa hỗn hợp và cấu trúc tổ ong của một
radome. Như phần cơ khí và chức năng điện từ trái ngược nhau trong thiết kế, cả hai
đều được tối ưu hóa đồng thời dựa trên phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu.
Từ năm 2004-2011, Trung tâm hôi nghị quốc gia Doha, Qatar được xây dựng. Bề ngoài
giống như hai cái cây lấy cảm hứng từ cây đa Sidrat al-Muntaha, biểu tượng linh thiêng
của đạo Hồi, tượng trưng cho sự kết thúc của Thiên đường thứ Bảy, bao quanh mặt tiền
bằng kính và nâng đỡ mái vịm phía trên.
Từ năm 2005, các nghiên cứu đã tập trung vào tối ưu hóa hình dạng của cấu trúc động
cơ aero, ví dụ, đĩa tuabin, cánh quạt, trục, hỗ trợ đàn hồi và các bộ phận vòi phun thuộc
một loại phức tạp cấu trúc cong làm việc dưới tải trọng khí động học, quán tính quay tải
và điều kiện nhiệt độ cao.
Dựa trên các thực tiễn trên, nhận ra rằng tối ưu hóa cấu trúc liên kết cơ bản đã trở nên
quan trọng để thúc đẩy sự phát triển công nghiệp biên giới, đặc biệt là thiết kế các hệ
thống máy bay và hàng không vũ trụ tiên tiến.
1.2 Lý do chọn đề tài
11


Trong thời đại công nghệ 4.0, vận dụng nhiều đến trí tuệ nhân tạo để giảm bớt khối
lượng cơng việc cũng như nâng cao cuộc sống của con người, nhóm chúng tôi đã chọn
đề tài “Ứng dụng AI trong thiết kế cơ khí “để đáp ứng với những yêu cầu của kỹ thuật
công nghệ hiện tại và trong tương lai. Đề tài mang xu hướng mới lạ trong tương lai khi
vận dụng các modun trong phần mềm để tối ưu hóa hình dáng và khối lượng của các chi
tiết máy và các chi tiết trong đời sống hằng ngày. Nó khơng những có thể tiết kiệm vật
liệu mà cịn có những hình dạng độc đáo, mới lạ, Đó cũng chính là lý do thúc đẩy nhóm

chúng tơi chọn đề tài này.
1.3 Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tối ưu hóa.
- Nghiên cứu về tối ưu hóa trên các phần mềm (Inventor, Fusion 360, Solid Edge 2020)
- Hướng dẫn cách làm các case study tối ưu hóa trên các phần mềm đó.
1.4 Phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Cách tiếp cận
Sử dụng phương pháp định lượng trong q trình tính tốn, phân tích mơ phỏng kết
hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả.
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
a. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu:
Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế:
đảm bảo tính đa dạng của hình dạng sản phẩm, độ bền và tận dụng được các kết quả
của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài
b. Phương pháp phân tích thực nghiệm:
-

Dựa trên các kết quả và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được thông số phù
hợp để in được sản phẩm.

-

Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau.

c. Phương pháp phân tích so sánh:
Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 sản phẩm trước và
sau khi tối ưu hóa về các yếu tố:

12



- Hình dạng của sản phẩm.
- Độ bền của sản phẩm.
Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao.

13


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ TỐI ƯU HĨA
Trong những thập kỷ gần đây, các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc đã đạt được tiến bộ
vượt bậc với hiệu suất ngày càng cao của máy tính và thuật tốn điện toán. Giải pháp
thực tế và phức tạp vấn đề tối ưu hóa trải qua các điều kiện tải phức tạp là làm cho có
thể để đáp ứng các buổi biểu diễn thiết kế đa ngành. Trong số những người khác, tối ưu
hóa cấu trúc liên kết đã trở thành một trong những kỹ thuật hứa hẹn nhất.
Trong Thế kỷ 21, nhiều dự án máy bay và hàng không vũ trụ mới đang được thiết lập
tại Trung Quốc. Điều này mang lại những thách thức lớn trong việc phát triển phương
pháp thiết kế sáng tạo và xử lý các vấn đề khoa học và kỹ thuật mới được ban hành từ
thực tiễn kỹ thuật phức tạp. Ngày nay, các ứng dụng công nghiệp đang trở thành một
trong những thách thức quan trọng nhất trong cộng đồng thiết kế tối ưu hóa cấu trúc,
đặc biệt là tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho các hệ thống cấu trúc máy bay hoặc hàng
không vũ trụ. Trong phạm vi này, các công trình nghiên cứu cơ bản và sáng tạo được
thực hiện. Nhóm nghiên cứu của Kỹ thuật mơ phỏng & điện tốn hàng khơng vũ trụ tại
Đại học Bách khoa Tây Bắc ở Trung Quốc đang trở thành một trong những nhóm nghiên
cứu tích cực nhất trong ngành học này và được thúc đẩy để phát triển các kỹ thuật và
giải pháp sau đây.
Năm 2003, thế giới bắt đầu tối ưu hóa cấu trúc cánh của một chiếc máy bay để đáp ứng
các tĩnh năng và động năng. Mơ hình tồn cầu bao gồm khoảng 5.000 vỏ, các yếu tố gân
và dằm. Sau đó, cơng việc đã tập trung vào việc tối ưu hóa hỗn hợp và cấu trúc tổ ong
của một radome. Như phần cơ khí và chức năng điện từ trái ngược nhau trong thiết kế,
cả hai đều được tối ưu hóa đồng thời dựa trên phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu.

Từ năm 2005, các nghiên cứu đã tập trung vào tối ưu hóa hình dạng của cấu trúc động
cơ aero, ví dụ, đĩa tuabin, cánh quạt, trục, hỗ trợ đàn hồi và các bộ phận vòi phun thuộc
một loại phức tạp cấu trúc cong làm việc dưới tải trọng khí động học, quán tính quay tải
và điều kiện nhiệt độ cao.
Vào đầu năm 2006, bị thúc đẩy bởi việc tối ưu hóa đồng thời tải trọng và các cấu trúc
hỗ trợ sau chuyến thăm của một số kỹ sư hàng khơng vũ trụ. Mục đích là để tích hợp tối
ưu hóa hình học với tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho hệ thống các phương tiện phóng
14


lớn. Do đó, một phương pháp thiết kế tích hợp của một hệ thống đa thành phần đã được
phát triển. Cấu hình cấu trúc hỗ trợ và bố trí của các vệ tinh được tối ưu hóa để cải thiện
hiệu suất động tồn cầu. Tối ưu hóa hình dạng và kích thước đã được tiếp tục sử dụng
để chi tiết hóa thiết kế cấu trúc cho các yêu cầu về độ bền. Do đó, hiệu suất động năng
tăng 17% với trọng lượng tiết kiệm hơn 7% so với thiết kế ban đầu.
Dựa trên các thực tiễn trên, nhận ra rằng tối ưu hóa cấu trúc liên kết cơ bản đã trở nên
quan trọng để thúc đẩy sự phát triển công nghiệp biên giới, đặc biệt là thiết kế các hệ
thống máy bay và hàng không vũ trụ tiên tiến. Mục đích của bản thuyết minh này là để
trình bày những thành tựu gần đây và cách thức để tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Các
phương pháp, kỹ thuật và ứng dụng được tóm tắt trong bản thuyết minh này hy vọng sẽ
cung cấp được kiến thức cơ bản về đề tài này.

15


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Khái niệm tối ưu hóa cấu trúc:
Tối ưu hóa cấu trúc bao gồm quá trình xác định phân phối vật liệu tốt nhất trong miền
khối lượng vật lý, để truyền hoặc hỗ trợ (các) điều kiện tải được áp dụng một cách an
toàn. Để đạt được điều này, các ràng buộc áp đặt bởi sản xuất và cách sử dụng cuối cùng

phải được xem xét. Một số trong số này có thể bao gồm tăng độ cứng, giảm ứng suất,
giảm chuyển vị, thay đổi tần số tự nhiên của nó, sản xuất bằng các phương pháp thông
thường hoặc tiên tiến.
2. Phân loại:
Phân loại theo cách tối ưu hóa:


Sizing Optimization.



Shape Optimization.



Topology Optimization.

Hình 2.1: Phân loại cho các loại tối ưu hóa
2.1 Sizing Optimization:
SiO là một phương pháp cổ điển và dễ dàng thực hiện bằng cách chọn kích thước mặt
cắt của các giàn, dầm và khung hoặc độ dày của màng, tấm và vỏ làm biến thiết kế, như
trong hình 2.2. Sizing Optimization có thể được coi là một phương pháp thiết kế chi tiết
của mơ hình kết cấu liên quan đến một số lượng lớn các thiết kế. Nó đã được phát triển
hồn thiện và đang trở thành phương pháp phổ biến trong cộng đồng kỹ thuật. Trong
16


SiO, kỹ sư hoặc nhà thiết kế biết cấu trúc sẽ trơng như thế nào, nhưng khơng biết kích
thước của các thành phần tạo nên cấu trúc đó.


Hình 2.2: Tối ưu hóa kích thước cho các cấu trúc trong máy bay
Ví dụ, nếu một dầm sẽ được sử dụng, chiều dài và vị trí của nó có thể được biết, nhưng
khơng phải là kích thước mặt cắt ngang của nó (hình 2.3A). Một ví dụ khác là cấu trúc
giàn trong đó kích thước tổng thể của nó có thể được biết nhưng không phải là các khu
vực cắt ngang của mỗi phần tử giàn (thanh), hình 2.3B. Một ví dụ khác là sự phân bố
dày của cấu trúc vỏ. Về cơ bản, bất kỳ tính năng nào của một cấu trúc địi hỏi kích thước
của nó.

17


Hình 2.3: Ví dụ về Sizing Optimization: (A) cấu trúc dầm khơng có kích thước, (B)
cấu trúc giàn chưa xác định kích thước mặt cắt ngang
2.2 Shape Optimization:
ShO nhằm mục đích thiết kế các ranh giới hoặc lỗ hổng cấu trúc trong một cấu trúc, như
trong hình 2.4. Phương pháp này có thể được sử dụng trong thực tế để cải thiện các vị
trí như phân phối ứng suất. Thường tồn tại một số lượng nhỏ các biến thiết kế hình học
do tham số hóa liên kết. Vì sự thay đổi liên kết trực tiếp thay đổi mơ hình hình học, phân
tích độ nhạy hình dạng liên quan đến các biến thiết kế hình học ln là một vấn đề cần
được xem xét cẩn thận. Rõ ràng, cả hai Shape Optimization và Sizing Optimization đều
là các quy trình thiết kế chi tiết mà không thay đổi cấu trúc liên kết cụ thể của cấu trúc.

Hình 2.4: Tối ưu hóa hình dạng các cutouts trong cấu trúc vách mỏng

18


Trong Shape Optimization, ẩn số là dạng hoặc đường viền của một phần ranh giới của
miền cấu trúc. Hình dạng hoặc đường biên có thể được biểu diễn bằng một phương trình
chưa biết hoặc bởi một tập hợp các điểm có vị trí khơng xác định (Hình 2.5).


Hình 2.5: Miền thiết kế với đường biên được biểu diễn dưới dạng phương trình f (x, y)
2.3 Topology Optimization:
TO nhằm mục đích tìm ra một mơ hình rắn tối ưu bố trí vật liệu trên một miền thiết kế
cụ thể với các điều kiện biên đã cho, như trong hình 2.6. Phương pháp này thường được
sử dụng ở giai đoạn thiết kế sơ khai để tối ưu hóa độ cứng và tần số tự nhiên của cấu
trúc. Topology Optimization ban đầu là một giá trị riêng biệt 0-1. Thách thức chuyên
môn là giải pháp của một chương trình số ngun quy mơ lớn. Ứng dụng thành cơng
nhị phân Lagrangian cho bài tốn số ngun quy mơ lớn đã được tìm thấy trong tác
phẩm của Beckers [BEC 97, BEC 99], người đã đề xuất một phương pháp kép để đối
phó với các biến thiết kế rời rạc.

19


Hình 2.6: Topology Optimization điển hình của dầm MBB (Ben 03)
3. Ưu nhược điểm của tối ưu hóa
3.1 Ưu điểm


Tăng khả năng chịu tải của chi tiết.



Đơn giản hóa hình dáng thiết kế.



Tiết kiệm thời gian thiết kế.




Dễ dàng thay đổi thiết kế.



Tạo ra nhiều hình dáng thiết kế.



Tiết kiệm tiền giao công cho doanh nghiệp.



Giảm tối đa trọng lượng thiết kế nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kĩ thuật.

3.2 Nhược điểm


Phải biết sử dụng phần mềm.



Hình dáng thiết kế khó sản xuất.

4. Ứng dụng
4.1 Trong lĩnh vực hàng khơng
Airbus trong một số nghiên cứu gần đây đã sử dụng các cơng cụ cấu trúc liên kết, kích
thước và hình dạng của Altair, nhằm cố gắng đạt được các thiết kế thành phần nhẹ hơn
và hiệu quả hơn. Các thành phần được xem xét bao gồm sườn cạnh cánh dẫn đầu, sườn

hộp cánh chính,…
20


Quá trình thiết kế này (hình 2.12) đã được sử dụng để tối ưu hóa các thành phần máy
bay khác nhau. Các ví dụ bao gồm trong các phần sau cho thấy cách tối ưu hóa cấu trúc
liên kết có thể được sử dụng để đề xuất các thiết kế ban đầu tốt cho các bộ phận máy
bay, nhưng cũng cho thấy cách tối ưu hóa cấu trúc theo sau tối ưu hóa kích thước và
hình dạng chi tiết có thể được sử dụng để cung cấp các thiết kế thành phần máy bay hiệu
quả đáp ứng sản xuất, ổn định và hạn chế căng thẳng.

Hình 2.7: Quá trình tối ưu hóa cấu trúc, kích thước và hình dạng để thiết kế các thành
phần máy bay
Về điều kiện lý tưởng, tất cả các kích thước của mặt cắt cũng như độ dày của lưới cắt
cũng phải được thay đổi như các thiết kế của tối ưu hóa, cho phép các chi tiết được tối
ưu hóa có độ ổn định trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng của gân. Nhưng trong thực
tế, các kỹ sư đã xây dựng các mơ hình phần tử hữu hạn để tối ưu hóa kích thước và hình
dạng chi tiết, thiết kế được tối ưu hóa được thực hiện với những khối lượng tối thiểu với
cả yêu cầu sản xuất và ứng suất cho phép. Ứng suất cho phép Von Mises được sử dụng
với hệ số giảm độ mỏi. Về thiết kế, hạn chế về sự cong vênh của chi tiết dưới tải trọng.
Việc tối ưu hóa để nó chi tiết trở thành một thiết kế khả thi với khối lượng cuối cùng
21


tổng cộng gần với trọng lượng của mục tiêu để đáp ứng với cơng việc chi tiết cần làm.
Sau đó, để tối ưu hóa chi tiết đó phải được phân tích một số tiêu chí khác bao gồm: độ
bền, độ mỏi,…Hình 2.13 cho thấy một khung sườn nguyên mẫu cho khung sườn mẫu
A380.

Hình 2.8: Cấu trúc liên kế, kích thước và hình dạng được tối ưu hóa ngun mẫu A380

được gia công từ hợp kim nhôm cường độ cao.
Khung bản lề Airbus A320
Khung bản lề Airbus A320 đã được tối ưu hóa, kết hợp phương pháp tối ưu hóa cấu trúc
liên kế.
Tối ưu hóa các bộ phận quy mơ nhỏ mang lại cơ hội lớn cho việc tiết kiệm trọng lượng
và có thể trở nên khả thi về mặt kinh tế nếu các công cụ được phát triển để giảm thời
gian sử dụng trong quy trình thiết kế,

22


Khung bản lề được cố định vào cửa xà cừ với 6 bu lông và gắn vào một khung tương
ứng trên cấu trúc chính. Khối lượng của thiết kế ban đầu là 918g.

Hình 2.9: Thiết kế ban đầu của bản lề Airbus 320
Ta có thể thấy được R1: là phản lực khi bu lông siết chặt vào bản lề và R2: áp lực của
bu lông khi siết vào. S là ma sát trược khi có lực tác dụng. Mũi tên màu đỏ là hướng kéo
bản lề khi bị lực tác dụng.

Hình 2.10: Sơ đồ lực
Sau khi đươc tối ưu hóa, khả năng áp suất lớn nhất của thiết kế giảm từ 836 MPa đến
443 MPa. Ngoài ra, trọng lượng của thiết kế cũng giảm 64% so với thiết kế ban đầu.
23


Hình 2.11: Biểu đồ phân tích ứng suất của thiết kế đã tối ưu.
4.2 Trong lĩnh vực ô tô:
Multidisciplinary Design Optimization có thể được định nghĩa là lĩnh vực kỹ thuật sử
dụng các phương pháp tối ưu hóa khác nhau để tìm giải pháp cho các vấn đề thiết kế
khác nhau bằng cách đơn giản kết hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Nó cũng được gọi bằng

các tên như tối ưu hóa đa ngành và tối ưu hóa thiết kế hệ thống đa ngành.
Ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành khốc liệt nhất về cạnh tranh. Có sự
cạnh tranh gay gắt giữa các công ty đang đưa ra các sản phẩm sáng tạo để đi trước đối
thủ. Việc sử dụng MDO trong ngành công nghiệp ô tô đã tăng gần gấp 10 lần. Mục đích
chính của việc sử dụng là tìm ra thiết kế tốt nhất có thể, xem xét các ngành kỹ thuật khác
nhau cùng một lúc. Giới thiệu như vậy giúp đưa ra các sản phẩm cải tiến nhiều. Khi thực
hiện các nghiên cứu tối ưu hóa, các giá trị số của cả hai hàm ràng buộc và hàm mục tiêu
cần phải được kiểm tra chéo cho các cài đặt liên quan đến thiết lập biến thiết kế. Tối ưu
hóa về mặt thiết kế dựa trên mơ hình có thể dễ dàng được thực hiện với cách tiếp cận
hiệu quả hơn nhiều vì nó liên quan đến các vịng đánh giá ít hơn liên quan đến các mơ
hình mơ phỏng chi tiết. Các loại cài đặt biến thiết kế khác nhau có thể được đánh giá
24