Tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Trong những năm gần đây, nhiều phương pháp có sự trợ giúp của máy tính đã được phát triển để tìm ra thiết kế tối ưu nhất cho một bài toán. Những kỹ thuật thông minh này đã cho phép các kỹ sư tạo ra những thiết kế vượt xa những gì chúng ta có thể nghĩ ra theo cách thủ công. Một trong những phương pháp này là tối ưu hóa cấu trúc liên kết.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết (TO) là một phương pháp thiết kế dựa trên máy tính được sử dụng để tạo ra các thiết kế hiệu quả ngày nay. Các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân dụng, hóa sinh và kỹ thuật cơ khí chủ động sử dụng phương pháp này để tạo ra các giải pháp thiết kế sáng tạo vượt trội so với các thiết kế thủ công.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết là gì?

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết là một phương pháp toán học được sử dụng ở cấp độ khái niệm của phát triển thiết kế. Mục đích của phương pháp này là trải rộng lượng vật liệu hiện có hiệu quả hơn trên mô hình. Nó tính đến các ranh giới do nhà thiết kế đặt ra, tải trọng áp dụng và giới hạn không gian để tạo ra một thiết kế.

Nói một cách đơn giản, tối ưu hóa cấu trúc liên kết lấy mô hình 3D và tạo không gian thiết kế. Sau đó, nó loại bỏ hoặc thay thế vật liệu bên trong nó để làm cho thiết kế hiệu quả hơn. Trong khi thực hiện phân phối vật liệu, chức năng mục tiêu không tính đến tính thẩm mỹ hoặc tính dễ sản xuất. 

Ít nhất, phương pháp cần chúng tôi cung cấp cường độ tải và các ràng buộc trong đó phương pháp sẽ hoạt động. Sử dụng thông tin này, thuật toán tối ưu hóa tạo ra một đường dẫn tải có thể sử dụng lượng vật liệu tối thiểu. 

Khi một thiết kế được hoàn thiện, chúng tôi sử dụng các phương pháp sản xuất phụ gia (và đôi khi trừ đi) để sản xuất bộ phận. Như tên cho thấy, trong sản xuất phụ gia (ở đây được gọi là AM), vật liệu được thêm vào (ví dụ: in 3D) từng chút một cho đến khi mô hình cuối cùng hoàn tất. 

AM có khả năng tạo ra các hình dạng và cấu trúc phức tạp có thể cực kỳ khó tạo bằng các phương pháp khác. Đây là lý do tại sao chúng tôi thích nó hơn để tạo ra các sản phẩm phức tạp xuất hiện sau khi tối ưu hóa.

Tuy nhiên, đôi khi, thiết kế được đề xuất bởi tối ưu hóa cấu trúc liên kết quá phức tạp ngay cả đối với AM. Trong những tình huống như vậy, chúng tôi thực hiện những thay đổi nhỏ đối với thiết kế để cải thiện khả năng sản xuất của nó.

Nó hoạt động như thế nào?

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết được thực hiện trên một mô hình đã có sẵn. Chúng ta có thể chọn tối ưu hóa toàn bộ thành phần hoặc các thành phần của nó. Khu vực tập trung này được gọi là không gian thiết kế. 

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để tạo ra một lưới đơn giản của không gian thiết kế. Lưới được phân tích để phân bố ứng suất và năng lượng biến dạng. Điều này thông báo cho hệ thống về lượng tải mà các phần khác nhau đang xử lý.

Mặc dù một số phần sẽ có phân phối vật liệu tối ưu, nhưng sẽ có một số phần có thể sử dụng tính năng cắt xén. Các phần có năng lượng biến dạng thấp và mức độ căng thẳng được đánh dấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Khi tất cả các phần không hiệu quả trong không gian thiết kế được xác định, hàm mục tiêu sẽ dần dần loại bỏ vật liệu.

Trong quá trình cắt tỉa này, hệ thống cũng sẽ kiểm tra mức độ ảnh hưởng của cấu trúc tổng thể do quá trình loại bỏ. Nếu quy trình loại bỏ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của nó, quy trình sẽ dừng lại và vật liệu trong vùng đó được giữ lại.

Trước khi chạy thuật toán TO, chúng tôi đặt lượng vật liệu chúng tôi dự định loại bỏ dưới dạng phần trăm trên tổng số vật liệu. Ví dụ: chúng tôi có thể đặt tỷ lệ phần trăm giảm nguyên liệu mục tiêu là 50%.

Hệ thống loại bỏ vật liệu dư thừa theo từng giai đoạn. Ở mọi giai đoạn, nó kiểm tra cấu trúc để biết mức độ căng thẳng bằng cách lặp lại phân phối phần tử cho đến khi đạt được tỷ lệ phần trăm mục tiêu.

Những lợi ích

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết cải thiện một số thách thức tại một thời điểm. Hãy xem những lợi thế mà TO mang lại.

Tạo ra các giải pháp hiệu quả về chi phí và trọng lượng

Lợi ích hấp dẫn nhất của tối ưu hóa cấu trúc liên kết là khả năng giảm bất kỳ trọng lượng không cần thiết nào. Tối ưu hóa kích thước có nghĩa là cần ít nguyên liệu thô hơn.

Trọng lượng tăng thêm cũng tác động tiêu cực đến hiệu quả năng lượng. Các bộ phận cũng sẽ có giá cao hơn cho việc vận chuyển. Tất cả những lợi thế này chuyển trực tiếp thành tiết kiệm chi phí thực tế, điều quan trọng trong một thị trường cạnh tranh.

Một ví dụ tuyệt vời là cách General Electric sử dụng TO để giảm 84% trọng lượng của giá đỡ động cơ . Phần sửa đổi nhỏ này đã tiết kiệm cho các hãng hàng không gần 31 triệu đô la bằng cách cải thiện hiệu suất năng lượng tổng thể.

Quy trình thiết kế nhanh hơn

Vì các hạn chế về thiết kế và kỳ vọng về hiệu suất được tính đến ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành nên sẽ không mất nhiều thời gian như khi không có TO để đưa ra thiết kế cuối cùng.

Quy trình nhanh hơn cũng có nghĩa là thời gian đưa sản phẩm ra thị trường ngắn hơn, điều này đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm mới trong thị trường cạnh tranh. 

Sự bền vững

TO ngăn ngừa lãng phí vật liệu quá mức. Thuật toán có khả năng tạo ra các hệ thống xây dựng bền vững trong khi vẫn bắt nguồn từ logic cấu trúc hợp lý. Ngoài ra, như đã đề cập trước đó, các sản phẩm được tối ưu hóa về mặt cấu trúc giúp tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng.

Khi nhu cầu về các giải pháp thay thế bền vững tăng lên, ngày càng có nhiều ngành công nghiệp trong lĩnh vực sản xuất sử dụng TO do tính chất thân thiện với môi trường của nó.

Nhược điểm

Có một số vấn đề tối ưu hóa cấu trúc liên kết mà chúng ta phải biết để sử dụng nó một cách hiệu quả. Hãy để chúng tôi xem những gì họ đang có.

Hạn chế sản xuất

Các thiết kế mà TO đưa ra có thể khó sản xuất. Cho rằng AM khá linh hoạt về những gì nó có thể sản xuất, nên vẫn cần phải kiểm tra khả năng sản xuất trước khi hoàn thiện thiết kế. 

Nếu chúng ta cố gắng giải quyết vấn đề tối ưu hóa cấu trúc liên kết chỉ nghĩ về chức năng, có thể chúng ta sẽ thiếu sót khi nói đến chất lượng và hiệu quả xây dựng của mình.

Điều đáng chú ý ở đây là một số nhà cung cấp phần mềm cung cấp một tính năng gọi là giới hạn sản xuất cho TO. Do đó, có thể tạo ra các bộ phận chỉ có thể sản xuất được bằng các phương pháp thông thường.

Giá cao

Gần đây, chi phí của AM đã giảm nhưng nó vẫn còn cao hơn so với các phương pháp sản xuất truyền thống. Chúng ta cần xem xét tỷ lệ chi phí trên lợi ích trong từng trường hợp. 

Đối với sản xuất hàng loạt, việc tạo khuôn ép là một khả năng. Do đó, chúng ta có thể nhìn xa hơn là in 3D để tạo ra các bộ phận bằng nhựa.

Để thực hiện bật và tắt một số thành phần, AM có thể tỏ ra tốn kém, điều này gây cản trở trong hầu hết các trường hợp vì khoản đầu tư quá cao. Trong những trường hợp như vậy, sẽ có lợi hơn nếu thuê ngoài việc sản xuất cho một công ty dịch vụ in 3D.

Các ứng dụng của tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Nhiều ngành công nghiệp hiện đang hướng tới các phương pháp thiết kế tiên tiến như tối ưu hóa cấu trúc liên kết và thiết kế tổng quát . Mặc dù việc sản xuất các bộ phận có thể tốn kém hơn, nhưng vẫn có những lợi thế quan trọng được cung cấp.

Các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, y tế và ô tô là một trong số những ngành đang tìm kiếm sự hỗ trợ từ các phương pháp mô hình hóa toán học này.

hàng không vũ trụ

Du lịch hàng không là tốn kém. Ngay từ đầu, người ta đã cố gắng giảm khối lượng của máy bay càng nhiều càng tốt mà không ảnh hưởng đến sức mạnh của nó.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết giúp phân tích chi tiết các thành phần máy bay để cắt bỏ khối lượng thành phần không cần thiết. Điều này có nghĩa là một chiếc máy bay có thể chở nhiều hàng hóa hơn (hoặc sử dụng ít nhiên liệu hơn) trên cùng một hành trình.

Các lợi ích tương tự áp dụng cho các vệ tinh và tên lửa. Phương pháp toán học này giúp giảm các cấu trúc hỗ trợ và tạo ra các bộ phận nhẹ hơn trong khi vẫn giữ được độ bền ban đầu.

Y khoa

Trong lĩnh vực y tế, tối ưu hóa cấu trúc liên kết tạo ra các bộ phận cấy ghép và bộ phận giả hiệu quả cao. Sử dụng thuật toán, chúng tôi có thể tạo ra các bộ phận bắt chước mật độ xương và độ cứng của bệnh nhân. Nó còn tính đến giải phẫu của bệnh nhân và mức độ hoạt động của bộ phận được thiết kế cũng như tải trọng được áp dụng. 

Việc tối ưu hóa cải thiện giới hạn độ bền của bộ phận. Nếu khả thi, thuật toán sẽ thay thế cấu trúc rắn bằng mạng tinh thể. Việc giảm trọng lượng này là một lợi ích đáng hoan nghênh cho các bộ phận cấy ghép/bộ phận giả.

ô tô

Một số nhà sản xuất ô tô hiện đang sử dụng TO để thiết kế kết cấu (khung gầm) cũng như các bộ phận máy móc. Công nghệ này đã giúp giảm khối lượng khung xương trong khi duy trì (và thậm chí cải thiện trong một số trường hợp) sức mạnh tổng thể của sản phẩm ban đầu.

Giờ đây, ngoài vật liệu tổng hợp và chất kết dính, thép đang tìm thấy nhiều ứng dụng hơn do khả năng tạo ra các cấu trúc mạng tinh thể phức tạp bằng cách sử dụng AM.

phương pháp sản xuất

Tối ưu hóa hình dạng cấu trúc liên kết có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng tốt nhất trong khi sử dụng vật liệu tối thiểu. Chúng có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất phụ gia cũng như trừ đi.

AM mang lại nhiều sự tự do cho nhà thiết kế nhưng đối với các sản phẩm phẳng, các phương pháp sản xuất trừ tiên tiến có thể tạo ra các bộ phận có hình dạng phức tạp một cách hiệu quả.

Mỗi phương pháp sẽ áp đặt các ràng buộc sản xuất khác nhau đối với cấu trúc liên kết và hình học của các phần tử và quy trình sản xuất sẽ diễn ra như thế nào khi tạo ra nó. Một số phương pháp tuyệt vời có thể sản xuất các giải pháp sáng tạo này là:

in 3d

In 3D là công cụ giúp tối ưu hóa cấu trúc liên kết trở nên nổi bật. Nếu không có các quy trình phụ gia, gần như không thể tạo ra các cấu trúc phức tạp được thiết kế bằng nhiều kỹ thuật tối ưu hóa khác, đặc biệt là thiết kế tổng quát, ngoài TO.

In 3D cung cấp một cách nhanh chóng và hiệu quả để tạo ra các sản phẩm được tối ưu hóa về mặt cấu trúc liên kết với ít hoặc không lãng phí. Có rất nhiều ưu điểm đối với in 3D và rất ít hạn chế. Một trong những giới hạn của in 3D là chỉ một số ít kim loại có thể được sử dụng cùng với nó vì ban đầu nó được thiết kế cho nhựa.

Cơ khí CNC

Khi việc sử dụng TO trở nên phổ biến, người ta đã nỗ lực thêm các tính năng vào các chương trình máy tính cho phép các phương pháp sản xuất truyền thống tạo ra các thành phần này. 

Vì TO tạo ra các cấu trúc rỗng với các cấu trúc hỗ trợ có độ dày không đồng đều nên rất khó sử dụng gia công CNC cho các bộ phận phức tạp. Nhưng đối với các kiểu máy mà khả năng hiển thị trùng lặp hoàn toàn với Vmap (Bản đồ hiển thị), bộ phận này có thể được sản xuất bằng CNC. 

Khả năng hiển thị là một khái niệm được định nghĩa trong sản xuất để hiểu năng lực của một quy trình cụ thể để tạo ra một bộ phận nhất định. Trong các quy trình thực tế, một bộ phận được cho là có thể nhìn thấy nếu không có điểm nào trên bề mặt của nó bị che khuất khỏi các hướng quy trình. Không cần phải nói, máy CNC 5 trục sẽ có thể sản xuất các sản phẩm có độ khó cao hơn máy CNC 3 trục.

Sự cắt bằng tia laser

Gia công laser cũng có thể hoạt động như một quy trình sản xuất cho các sản phẩm TO. Phương pháp này có khả năng cắt các hình dạng phức tạp với độ chính xác tuyệt vời.

Cắt laser có thể được sử dụng trên một số vật liệu khác nhau (kim loại, gỗ, acrylic, MDF) làm cho nó trở nên hữu ích hơn khi có thể sản xuất trừ cho một bộ phận TO.

Phần mềm tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Có hơn 30 sản phẩm phần mềm có sẵn trên thị trường dành cho TO đi kèm với sự đánh đổi của riêng chúng. Một số chương trình phổ biến hơn những chương trình khác vì cách tiếp cận toàn diện đối với kỹ thuật này. Chúng ta hãy nhìn vào một số trong số họ.

Ansys cơ khí

Ansys tạo ra các giải pháp thiết kế cho mô phỏng kỹ thuật đa môi trường. Phần mềm Ansys Mechanical được cài đặt sẵn các tính năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết cấu trúc. Chương trình này có thể phân tích và tối ưu hóa các không gian thiết kế đơn giản cũng như phức tạp và thực hiện các chỉnh sửa khi cần thiết.

Nó đi kèm với các tính năng như:

• Phân tích phương thức của nhiều tải trọng tĩnh. 
• Các tùy chọn điều khiển để đặt độ dày vật liệu tối thiểu. 
• Khả năng làm việc với đối xứng phẳng và tuần hoàn. 
• Dễ dàng xác nhận kết quả.