Tối ưu kiểu dáng sản phẩm cơ khí

Tối ưu hóa kiểu dáng  luôn tồn tại song song với quá trình thiết kế mẫu sản phẩm, đặc biệt là các chi tiết cơ khí. Sau khi đã dựng mô hình trên phần mềm thiết kế 3D, người ta sử dụng những công cụ chuyên tính toán các thống số nhằm cân bằng các yếu tố: kiểu dáng, khối lượng, độ bền, chi phí gia công,..

Mục đích của tối ưu hóa về dáng là tìm cách phân bố vật liệu tốt nhất cho cấu trúc để đạt giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất về một tiêu chuẩn nào đó (độ cứng toàn phần, năng lượng biến dạng, tần số tự nhiên…) thỏa mãn những ràng buộc (giảm thể tích, ứng suất…). Do đó người thiết kế có thể loại bỏ những phần vật liệu không cần thiết, tiết kiệm chi phí lớn nhất trong sản xuất là vật liệu.

Việc tối ưu vật liệu dành cho cấu trúc sản phẩm sẽ làm cho sản phẩm sau khi sản xuất có trọng lượng nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Đặc tính này vô cùng quan trọng và là một trong những chỉ tiêu cần đạt được trong nhiều lĩnh vực như: hàng không, vũ trụ, ô tô, tàu thuỷ và các ngành công nghiệp nặng khác…

Việc tối ưu được khối lượng sản phẩm mang lại lợi nhuận đáng kể cho nhà sản xuất và nhiều thuận lợi khác cho khách hàng. Mặt khác, điều đó còn mang lại cho chúng ta nhiều ý tưởng mới trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu các biện pháp nhằm tối ưu vật liệu cho cấu trúc sản phẩm, tạo nên nhiều kiểu dáng mới cho thiết kế từ một không gian thiết kế ban đầu chưa rõ hình dáng.

Tối ưu hóa về dáng có thể được dùng để thiết kế ban đầu hoặc là phương tiện tinh chỉnh thiết kế đã có, là bước đầu của giai đoạn phát triển sản phẩm. Khi dữ liệu được nhập vào, phần mềm tối ưu hóa sẽ số hóa việc xây dựng hình dáng để có giá trị tốt nhất của vật liệu, độ cứng và thỏa mãn yêu cầu tải trọng. Cụ thể là mô hình chi tiết sẽ được chia ra nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử sẽ được đặc trưng bằng một giá trị số’nằm trong khoảng 0-1. Tính tối ưu về dáng là tìm giá trị tối ưu của tập hợp số đó sao cho đạt giá trị tốt nhất về năng lượng biến dạng (tích số của lực tác dụng và chuyển vị) thỏa điều kiện ràng buộc về thể tích cho trước. Những màu sắc trên mô hình 3D cho biết những  phần chịu lực cần phải giữ lại (tương ứng với giá trị 1) và những phần cần phải bỏ đi (tương ứng với giá trị 0).

Để nhận được tối ưu toàn bộ hình học tôpô cần phải tạo ra những sửa đổi cho phép tạo ra một biên dạng mới. Do đó cần phải xác định giá trị của biến thiết kế phù hợp để cung cấp cho việc ứng xử tối ưu của cấu trúc. Trong cách tiếp cận này, phần thiết kế được tạo lưới của những điểm nút, và những diểm nút này bao gồm tại những vùng mà tải trọng tác dụng và những diều kiện biên ràng buộc. Cấu trúc nền được xây dựng bởi việc kết nối những điểm nút, có thể sử dụng tối ưu cấu trúc nền này với trọng lượng tối thiểu của vật thể để ứng suất nằm trên vùng tải trọng phá hủy dẻo. Trong suốt quá trình tối ưu hóa, những thành phần không cần thiết của của cấu trúc nền được tự động loại bỏ khi mà mặt cắt ngang của vật thể giảm đến không bởi thuật toán tối ưu. Các phần mềm tối ưu hóa kiểu dáng phát triển từ những năm 1990: MSC/Nastran – OPTISHAPE, Altair OptiStruct, ANSYS – Topology, MSC/Nastran – Topology Optimization.

Bài toán tối ưu hóa được trình bày theo hình 1. Trong trường hợp này, hàm mục tiêu chính là công biến dạng. Lượng vật liệu bị ràng buộc và phân bố trong không gian thiết kế. Không gian thiết kế được cố định bởi những vùng đặc và rỗng. Để giải quyết bài toán tối ưu hóa này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều phương pháp: phương pháp tiêu chuẩn tốì ưu (OC), phương pháp lập trình lồi liên tục (SCP), phương pháp lập trình tuyến tính liên tục (SLP), phương pháp lập trình bậc hai liên tục (SQP), thuật toán di truyền (GA)… Trong tối ưu hóa về dáng có hai loại, đó là tối Ưu hóa về dáng cấu trúc liên tục và tối ưu hóa về dáng cấu trúc rời rạc. Tối ưu hóa về dáng cấu trúc liên tục là tôi ưu những cấu trúc khối tạo bởi những phần tử liên  tiếp nhau, có thể ở dạng đặc hoặc rỗng. Tốì ưu hóa về dáng cấu trúc rời rạc là những bài toán tối ưu cho những cấu trúc do phần tử rời rạc tạo thành như khung, giàn… Phương pháp GA là phương pháp rất hiệu quả trong việc giải các bài toán tối ưu hóa cấu trúc rời rạc. Phương pháp này đã được rất nhiều các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây ứng dụng và phát triển mạnh mẽ. Nội dung cơ bản của phương pháp này là dựa trên thuật toán di truyền như trong sinh học. Nó mã hóa các biến thiết kế thành những chuỗi nhị phân. Những chuỗi nhị phân này trong quá trình sinh sản, lai tạo, và đột biến sẽ cho ra những thế hệ mới. Chọn lọc tự nhiên sẽ lọc ra những phần tử tốt và xóa những phần tử không thích hợp. Quá trình này được thực hiện liên tục để cho ra kết quả tối ưu. Chọn lọc tự nhiên ở đây chính là các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc được dùng để kiểm nghiệm mức độ phù hợp của các nghiệm tìm được.

Quá trình tối ưu hóa về dáng theo những bước chính sau: 1. Tạo không gian hình dáng ban đầu cho chi tiết và thiết lập các thông số tải trọng, điều kiện biên. 2. Định nghĩa hàm mục tiêu, hàm ràng buộc và các tham số điều khiển. 3. Tính toán dựa trên thuật toán để loại bỏ dần những vật liệu không cần thiết (theo chỉ tiêu loại bỏ của thuật toán). 4. Xác định xem kết cấu đã thỏa mãn điều kiện ràng buộc và yêu cầu kỹ thuật hay chưa. 5. Nếu chưa thì quay lại bước 3, còn thỏa mãn thì qua bước 6.
6. Xem kết quả.

Đến nay, tối ưu hóa về dáng vẫn đứng riêng rẽ trong khi tối ưu hóa hình dạng và kích thước đã được kết hợp thành một quá trình chung. Sự tách rời của tối ưu hóa về dáng là do nó chỉ được dùng để tìm những ý tưởng thiết kế khi thiết kế sơ bộ, trong khi tối ưu hóa hình dạng và kích thước được dùng để thiết kế chi tiết ở những giai đoạn sau của thiết kế.
Tuy nhiên, những yêu cầu từ các ngành công nghiệp đã chỉ ra răng ngay từ lúc nghiên cứu ý tưởng cũng cần phải xem xét sự tác động của yếu tố tham số chính về hình dạng và kích thước đến tối ưu hóa về dáng. Do vậy, việc tập hợp ba phần tối ưu hóa về dáng, kích thước, hình dạng trong một phần mềm tối ưu không những cho phép sự tự do tìm thiết kế tốt hơn mà còn giúp cho việc đạt được mục tiêu hiệu quả hơn.

Đặc biệt, nhờ sự phát triển của công nghệ in 3D – tạo mẫu nhanh, giờ đây, bạn có thêm 1 công cụ giúp tạo mẫu trên các máy in 3D để kiểm nghiệm các tính toán trong phần mềm.