Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng thiết kế ngược và tính bền cản xe ô tô

Khám phá quy trình thiết kế ngược cản ô tô: từ quét 3D, dựng mô hình bằng Catia đến phân tích, mô phỏng và tính bền chi tiết trên Ansys.

• Tác giả: Võ Trường Vinh
• Người hướng dẫn: Th.S Thái Huy Phát
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Ứng dụng thiết kế ngược trong thiết kế và tính bền cản xe ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Ngược Trong Ngành Ô Tô

Thiết kế ngược (Reverse Engineering) là công nghệ tiên tiến cho phép các kỹ sư tái tạo và cải tiến các bộ phận ô tô dựa trên mẫu vật thực tế. Phương pháp này đã trở thành một công cụ thiết kế không thể thiếu trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Bằng cách sử dụng công nghệ quét 3D và các phần mềm CAD như CATIA, các nhà thiết kế có thể chuyển đổi các hình dạng phức tạp thành mô hình kỹ thuật số. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải thiện độ bền cản xe, và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Ứng dụng thiết kế ngược trong tính toán bền cả xe đã mang lại những thay đổi đáng kể trong cách tiếp cận thiết kế hiện đại.

1.1. Ưu Điểm Của Công Nghệ Thiết Kế Ngược

Công nghệ này cung cấp độ chính xác cao khi tái tạo các hình dạng phức tạp. Tiết kiệm thời gian phát triển sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Cho phép cải tiến thiết kế dựa trên dữ liệu thực tế, cải thiện hiệu suất và độ bền. Hỗ trợ kiểm tra chất lượng bề mặt theo chuẩn A-Class Surface.

1.2. Nhược Điểm Và Thách Thức

Đòi hỏi đầu tư lớn về thiết bị quét 3D và phần mềm chuyên dụng. Yêu cầu kỹ năng cao từ các kỹ sư thiết kế. Có thể mất thời gian để xử lý dữ liệu scan và tối ưu hóa mô hình. Cần kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác.

II. Quy Trình Thiết Kế Ngược Cản Xe Ô Tô

Quy trình thiết kế ngược cản xe bao gồm nhiều giai đoạn kỹ thuật phức tạp. Đầu tiên là lựa chọn mẫu cản xe phù hợp để quét. Tiếp theo sử dụng máy quét 3D GOM ATOS để tạo ra dữ liệu điểm cloud chi tiết. Sau đó, các kỹ sư sử dụng phần mềm CATIA để xử lý file scan, tạo ra mô hình 3D chính xác. Quá trình này bao gồm làm sạch dữ liệu, khớp nối các bề mặt, và tối ưu hóa hình học. Cuối cùng, mô hình được kiểm tra và xác thực bằng các dụng cụ đo lường và phần mềm kiểm tra chất lượng để đảm bảo tiêu chuẩn A-Class Surface.

2.1. Giai Đoạn Quét Scan 3D

Sử dụng máy quét GOM ATOS để tạo dữ liệu điểm cloud ba chiều của cản xe. Thiết bị này sử dụng công nghệ đo lường quang học để đạt độ chính xác cao. Kết quả quét được lưu thành file dữ liệu chi tiết phục vụ cho giai đoạn xử lý tiếp theo.

2.2. Xử Lý File Scan Bằng CATIA

Phần mềm CATIA được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu điểm cloud thành mô hình CAD tiêu chuẩn. Quá trình bao gồm làm sạch dữ liệu nhiễu, khớp nối các bề mặt, và tạo ra đối tượng 3D có thể sử dụng trong sản xuất và mô phỏng tính bền.

III. Kiểm Tra Và Đánh Giá Chất Lượng Thiết Kế

Sau khi hoàn tất thiết kế ngược, cần thực hiện kiểm tra toàn diện để đảm bảo chất lượng. Tiêu chuẩn A-Class Surface là yêu cầu quan trọng trong thiết kế vỏ ô tô, đảm bảo bề mặt có độ mịn, không có sai lệch hình học lớn. Kiểm tra được thực hiện bằng dụng cụ đo lường chính xác và phần mềm kiểm tra chuyên dụng. Các kỹ sư so sánh mô hình thiết kế với mẫu gốc để xác định độ sai lệch. Nếu sai lệch nằm trong giới hạn cho phép, mô hình được chấp nhận. Ngược lại, cần điều chỉnh thiết kế và kiểm tra lại cho đến khi đạt yêu cầu.

3.1. Tiêu Chuẩn A Class Surface

A-Class Surface là chuẩn bề mặt cao nhất cho thiết kế ô tô. Yêu cầu độ bề mặt phải mịn và liên tục không có gợn sóng hay độ cong bất thường. Sai lệch hình học phải nằm trong giới hạn 0.1-0.2mm tùy theo từng tiêu chuẩn cụ thể.

3.2. Phương Pháp Kiểm Tra

Sử dụng dụng cụ đo CMM (Coordinate Measuring Machine) để đo lường tọa độ các điểm trên bề mặt. Sử dụng phần mềm quét để so sánh dữ liệu với mô hình thiết kế. Phương pháp này giúp xác định mức độ sai lệch và đưa ra quyết định chấp nhận hoặc điều chỉnh.

IV. Ứng Dụng Phần Mềm ANSYS Trong Tính Toán Bền Cản Xe

Phần mềm ANSYS Workbench là công cụ mô phỏng tính bền vật liệu được sử dụng để phân tích độ bền cản xe dưới các tác động cơ học. Quy trình tính bền bao gồm nhập mô hình 3D từ CATIA, định nghĩa tính chất vật liệu (ABS plastic, Composite E-Glass, hợp kim nhôm), thiết lập điều kiện biên và lực tác động. Sau đó, phần mềm chia lưới mô hình và thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Kết quả cho thấy ứng suất sinh ra trong cản xe, biến dạng, và hệ số an toàn. Các kỹ sư sử dụng thông tin này để tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo độ bền đáp ứng yêu cầu.

4.1. Chọn Vật Liệu Và Tính Chất

ABS plastic nhẹ, chi phí thấp, phù hợp ứng dụng chung. Composite E-Glass có cường độ cao, nhẹ, dùng cho ứng dụng yêu cầu khắc khe. Hợp kim nhôm có độ bền cao, hỗ trợ tải trọng lớn. Lựa chọn vật liệu phụ thuộc yêu cầu thiết kế cụ thể.

4.2. Phân Tích Kết Quả Tính Bền

ANSYS cung cấp bản đồ ứng suất chi tiết, cho thấy vùng chịu tải trọng cao nhất. Hệ số an toàn được tính toán để xác định tính an toàn của thiết kế. Nếu hệ số an toàn đủ cao (thường > 2.0), thiết kế được chấp nhận. Ngược lại cần cải tiến thiết kế để tăng độ bền.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Hiện này với ngành công nghệ 4.0 đang phát triển một cách chóng mặt. Bên cạnh đó sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô, xe đang trở thành một phương tiện rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đồng thời yêu cầu về đổi mới và thời trang luôn là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế xe hiện nay. Xu hướng hiện nay của việc sản xuất ô tô vừa kết hợp việc nghiên cứu thực tiễn, công nghệ hiện đại vừa tích hợp sử dụng các phần mềm CAD/CAM để thiết kế tạo ra mô hình ảo và sản xuất ra chi tiết thực tế và sử dụng CAE để kiểm tra các thông số như dòng chảy, tính bền…của các mẫu thiết kế.

Đối với các nhà sản xuất, nó là cơ hội và cũng là thách thức, để đảm bảo chất lượng tốt hơn, độ chính xác cao hơn. Các nhà sản xuất ô tô hiện nay đã có thêm một giải pháp cho việc nâng cao hiệu quả và chất lượng đó chính là việc ứng dụng công nghệ Scan 3D vào thiết kế và sản xuất ô tô. Các doanh nghiệp ô tô ở việt nam cũng đã và đang phát triển lĩnh vực sản xuất ô tô, các chi tiết, bộ phận của ô tô. Tiêu biểu như công ty Cổ phần ô tô Trường Hải, công ty Cổ phần ô tô Việt hàn – Hyundai, công ty Samco… Mới đây nhất là tập đoàn Vingroup mở nhà máy Vinfast để mở rộng việc sản xuất ô tô tạo nên thương hiệu ô tô Việt nam.

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM là một trong các trường nổi tiếng Việt nam về chất lượng đào tạo, nhất là trong lĩnh vực ô tô. Mục tiêu đào tạo của trường là đào tạo ra những kỹ sư có năng lực và chuyên môn. Ngành chủ yếu đào tạo ra nguồn nhân lực bên mảng kinh doanh, dịch vụ và sửa chữa ô tô. Nhưng hiện tại Việt Nam đã sản xuất được ô tô riêng cho Việt Nam.

Chính vị vậy chúng ta nên đẩy mạnh chương trình đào tạo về lập trình, thiết kế để giúp sinh viên có nhiều hướng đi trong công việc. Kỹ thuật ngược ra đời từ những năm 1990 và được hoàn thiện dần theo sự phát triển của máy tính và các phần mềm hổ trợ thiết kế ba chiều. Hiện nay ngành công nghệ xử lý tái tạo ngược này đang rất phát triển trên cả thể giới lẫn Việt Nam. Với rất nhiều công 1 dụng như phục hồi sản phẩm, tạo khuôn cho sản phẩm giúp việc sản xuất hàng loạt các chi tiết.

Bên cạnh đó còn có thể tính toán bền kết cấu, va chạm, bền mỏi cho các chi tiết. Điều đó chính là lý do giúp chúng em chọn đề tài tốt nghiệp “ Ứng dụng thiết kế ngược trong thiết kế và tính bền cản xe ô tô”. Trong đề tài chúng em tập trung vào ứng dụng thiết kế ngược cản trước ô tô để tính bền va chạm chi tiết. Từ đó đưa ra kết luận đánh giá so sánh cản trước xe Toyota Hybrid Prius giữa các vật liệu composite, nhôm và nhựa ABS.

Nhằm giúp các bạn học sinh, sinh viên dễ dàng tiếp thu và học tập đạt được hiệu quả cao. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu - Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên, có thể hướng dẫn các sinh viên chi tiết qua từng bài giảng lý thuyết. - Giúp sinh viên ứng dụng ngay bài học lý thuyết vào thực hành.

- Sinh viên có điều kiện quan sát mô hình một cách trực quan, dễ cảm nhận được công nghệ thiết kế ngược và ứng dụng nó để thiết kế ra các chi tiết ô tô. - Giúp sinh viên nắm được các bước tính bền thử nghiệm độ bền các chi tiết bằng nhiều vật liệu khác nhau. - Góp phần đa dạng hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong giáo dục và đào tạo. Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập các tài liệu về phần mềm thiết kế Catia và Ansys Workbench.

- Thu thập tài liệu liên quan về thiết kế ngược. - Tìm hiểu phần mềm thiết kế ngược. - Tiến hành thiết kế và tính bền cản ô tô và đưa ra nhận xét. - Biên soạn, viết tập thuyết trình đề tài tốt nghiệp.

Giới hạn đề tài Với yêu cầu về nội dung, các mục tiêu và thời gian có hạn cộng với nguồn tài liệu hiện có, đề tài chỉ giới hạn tập trung thiết kế cản trước ô tô với công nghệ thiết kế ngược, lập quy trình thiết kế, sử dụng phần mềm Ansys tính bền từ đó đưa ra nhận xét sản phẩm. Vì vậy đề tài không đề cập đến công đoạn sản xuất thực tế. Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đề tài nhóm đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó là những phương pháp như: Tham khảo tài liệu, thu thập các thông tin liên quan. Học hỏi những kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè… Từ đó tìm ra những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài cũng như cách thiết kế bằng phần mềm.

Các bước thực hiện - Thu thập, tham khảo tài liệu. - Scan cản trước ô tô. - Thiết kế cản xe ô tô dựa trên file scan 3D bằng phần mềm Catia. - Tiến hành tính bền cản ô tô bằng phần mềm Ansys Workben.

- Tiến hành xuất bản vẽ kiểm tra các thông số. - Phân tích và tổng hợp tài liệu. - Dịch tài liệu. - Viết thuyết trình.

Kế hoạch nghiên cứu Đề tài được thực hiện trong vòng 6 tuần, các công việc được bố trí như sau: - Giai đoạn 1: + Thu thập tài liệu xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, xác định mục tiêu nghiên cứu. + Scan cản trước xe Toyota Hybrid Prius với máy quét scan 3D. + Thi công thiết kế cản trước xe ô tô Toyota Hybrid Prius trên phần mềm sử dụng cho thiết kế ngược. 3 + Tiến hành tính bền file cản xe thiết kế bằng phần mềm Ansys.

+ Tiến hành đo đạc, kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm. - Giai đoạn 2: + Thu thập các tài liệu liên quan tới công nghệ thiết kế ngược. + Thu thập các tài liệu liên quan đến các chuẩn thiết kế, cách kiểm tra trong quy trình thiết kế bề mặt vỏ ô tô. + Dịch tài liệu và tìm hiểu công nghệ thiết kế ngược.

+ Thu thập các tài liệu liên quan đến quá trình tính bền bằng phần mềm Ansys Workbench. + Viết báo cáo cho đề tài. 4 CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS TRONG THIẾT KẾ VÀ TÍNH BỀN 2. Giới thiệu phần mềm Vào năm 2019 với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp cơ khí ô tô thì việc ứng dụng các phần mềm thiết kế, tính toán bền vào việc chế tạo, sản xuất và lắp ráp, cải tiến các sản phẩm là rất quan trọng.

Các phần mềm này không những mô phỏng một cách gần đúng các mô hình thực tế mà còn giúp tối ưu hóa được một số kết cấu không cần thiết, giảm được chi phí sản xuất, giảm được các công đoạn kiểm tra đánh giá. Trước đây, các phần mềm dùng để thiết kế cơ khí, lắp ráp và mô phỏng động lực học thường không thể tính toán được các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán tính bền kết cấu, các bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về điện từ trường, các bài toán tương tác đa vật lí…Ngược lại, các phần mềm ứng dụng trong tính toán thì không có khả năng thiết kế, mô phỏng và lắp ráp. Những năm gần đây, nhờ việc phát triển của các phần mềm công nghiệp và sự hợp tác của các nhà cung cấp phần mềm đã giải quyết được các vấn đề đặt ra. Catia là một phần mềm ứng dụng mạnh trong việc thiết kế cơ khí, lắp ráp, mô phỏng động học… Kết nối và tương tác hai chiều được với phần mềm Ansys ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật vũ trụ, hàng không, công nghiệp ô tô, kết cấu-cơ học…đưa ra các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp ô tô nói riêng ngày càng phát triển.

Giới thiệu phần mềm Catia Catia được viết tắt từ cụm từ (Computer Aided ThreeDimensional Interactive Application). Có nghĩ là “Xử lí tương tác không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính”, Catia là một bộ phận phần mềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được hãng Daussault Systemes (Đây là một công ty của Pháp phát triển phần mềm chuyên dùng thiết kế máy bay) phát triển và IBM là nhà phân phối trên toàn thế giới. Catia được viết bằng ngôn ngữ C++. Phần mềm Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay, là tiêu chuẩn của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán 5 lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, xây dựng, tàu thủy và cao hơn là công nghiệp hàng không.

Nó giải quyết công việc một cách triệt để, từ khâu thiết kế mô hình CAD (Computer Aided Design) đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM (Computer Aided Manufacturing), khả năng phân tích tính toán, tối ưu hóa lời giải dựa trên chức năng CAE (Computer Aided Enginneering) của phần mềm Catia. Một số ứng dụng của phần mềm Catia Catia được chia làm 3 cấp độ: - Cấp độ 1 (Platform 1): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế. - Cấp độ 2 (Platform 2): Bao gồm các module hỗ trợ thiết kế và phân tích, mô phỏng. - Cấp độ 3 (Platform 3): Bao gồm module cấp độ 2 và các module phân tích chính xác trong công nghiệp hạng nặng như: Hàng không, ô tô, đóng tàu… Một số ứng dụng của phần mềm Catia: - Catia trong thiết kế cơ khí: Ứng dụng này cho phép thiết kế cơ các chi tiết cơ khí, tạo lập sản phẩm lắp ghép, thiết kế hàn, thiết kế khuôn, thiết kế kim loại tấm, thiết kế khung dây và bề mặt, xuất bản vẽ 2D từ mô hình 3D có sẵn.

6 - Ứng dụng Catia trong thiết kế cơ khí.1: Thiết kế cơ khí bằng Catia - Catia ứng dụng trong thiết kế ô tô, máy bay, tàu thủy.2: Thiết kế động cơ tàu thủy bằng Catia 7 - Ứng dụng Catia trong thiết kế ô tô.3: Xe ô tô được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm CATIA - CATIA ứng dụng trong lập trình và mô phỏng gia công.4: Mô phỏng gia công phay bằng Catia 8 - Ứng dụng trong phân tích động lực học.5: Phân tích động lực học bằng Catia - Ứng dụng trong quá trình tạo mẫu và thiết kế ngược.6: Ứng dụng Catia trong thiết kế ngược 9 - Ứng dụng trong kết cấu xây dựng và kiến trúc.