Tự động hóa thiết kế khung ô tô khách ứng dụng Catia, Ansys & BIW

Tìm hiểu quy trình tự động hóa thiết kế khung ô tô khách bằng Catia, Ansys. Khám phá ứng dụng công nghệ BIW trong sản xuất khung xe tại Việt Nam.

• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Văn Trạng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế khung Ô tô khách-Ứng dụng công nghệ BIW vào sản xuất khung xe Ô tô Việt Nam
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khám phá công nghệ BIW Tương lai của thiết kế khung ô tô

Công nghệ Body in White (BIW) là thuật ngữ chỉ giai đoạn trong quy trình sản xuất ô tô mà các tấm kim loại của thân xe được hàn lại với nhau. Giai đoạn này diễn ra trước khi các bộ phận chuyển động (cửa, mui xe, cốp) và các thành phần khác như động cơ, hệ thống treo, nội thất được lắp đặt. Kết quả của giai đoạn này là một cấu trúc thân vỏ liền khối (unibody) hoặc khung gầm riêng biệt, được gọi là 'body in white' vì màu sắc trắng nguyên bản của kim loại hoặc lớp sơn lót chống gỉ. Đây là nền tảng quyết định đến độ cứng, độ an toàn và hiệu suất tổng thể của chiếc xe. Tự động hóa với công nghệ BIW không chỉ là một xu hướng mà là một cuộc cách mạng, giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa dây chuyền lắp ráp thân vỏ, giảm thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các hệ thống robot hàn tự động và dây chuyền thông minh đóng vai trò trung tâm trong việc định hình lại ngành công nghiệp ô tô. Theo nghiên cứu về “Tự động hóa quá trình thiết kế khung Ô tô khách”, việc ứng dụng công nghệ BIW là một bước đi chiến lược để nâng cao tỷ lệ nội địa hóa và khả năng cạnh tranh cho các doanh nghiệp ô tô tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh các yêu cầu về an toàn và hiệu suất ngày càng khắt khe.

1.1. Định nghĩa Body in White BIW trong ngành công nghiệp ô tô

Body in White (BIW) là bộ khung cơ bản của một chiếc xe, bao gồm sàn xe, các cột A, B, C, mui xe, và các tấm vách ngăn. Giai đoạn này tập trung vào việc tạo ra bộ xương sống của chiếc xe thông qua các kỹ thuật dập kim loại tấm và công nghệ hàn BIW. Các tấm thép, chủ yếu là thép cường độ cao (AHSS), được dập thành hình dạng mong muốn và sau đó được ghép nối chính xác bằng hàng nghìn mối hàn điểm, hàn laser hoặc hàn hồ quang. Cấu trúc BIW chịu trách nhiệm chính trong việc bảo vệ hành khách khi có va chạm, đồng thời cung cấp nền tảng vững chắc để lắp ráp các bộ phận khác. Chất lượng của giai đoạn BIW ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác lắp ráp, khả năng chống ồn, rung và độ bền lâu dài của xe.

1.2. Vai trò cốt lõi của BIW trong quy trình sản xuất ô tô hiện đại

Trong quy trình sản xuất ô tô hiện đại, BIW không còn là một công đoạn độc lập mà là trái tim của hệ thống sản xuất. Nó là nơi các công nghệ tiên tiến nhất như robot hàn tự động, thị giác máy tính (computer vision) và nhà máy thông minh 4.0 được ứng dụng mạnh mẽ nhất. Vai trò của BIW bao gồm: đảm bảo an toàn va chạm thông qua việc sử dụng vật liệu tiên tiến và thiết kế tối ưu; quyết định độ cứng xoắn của thân xe, ảnh hưởng đến cảm giác lái và sự ổn định; và là nền tảng cho việc tích hợp các hệ thống khác. Một quy trình BIW được tối ưu hóa thiết kế sẽ giúp giảm trọng lượng xe, cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm chi phí sản xuất, tạo ra lợi thế cạnh tranh to lớn.

II. Thách thức trong thiết kế khung ô tô truyền thống tại Việt Nam

Quá trình thiết kế khung ô tô truyền thống tại Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức cố hữu. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự thiếu liên kết đồng bộ giữa giai đoạn thiết kế và giai đoạn kiểm nghiệm bền. Thông thường, việc thiết kế và tính toán độ bền diễn ra tuần tự, không có sự tương tác hai chiều. Điều này dẫn đến kết cấu khung xe chưa hợp lý, thường có khối lượng lớn nhưng độ bền và độ cứng lại không đồng đều. Thời gian thiết kế kéo dài do các quy trình thủ công và thiếu tự động hóa. Theo tài liệu nghiên cứu, các doanh nghiệp trong nước thường nhập khẩu chassis và chỉ hoàn thiện phần khung vỏ, làm tăng giá thành và giảm tỷ lệ nội địa hóa. Việc thiếu các công cụ mô phỏng kỹ thuật số tiên tiến khiến việc tối ưu hóa thiết kế trở nên khó khăn. Các kỹ sư phải dựa nhiều vào kinh nghiệm hoặc các mẫu thiết kế có sẵn từ nước ngoài, hạn chế khả năng đổi mới và tạo ra những sản phẩm thực sự phù hợp với điều kiện vận hành trong nước. Những thách thức này đòi hỏi một giải pháp toàn diện, kết hợp tự động hóa và các công nghệ mới để nâng cao năng lực cạnh tranh.

2.1. Hạn chế về khối lượng và độ bền không đồng đều của khung xe

Một trong những hệ quả trực tiếp của quy trình thiết kế truyền thống là kết cấu khung gầm ô tô (chassis) và thân vỏ có khối lượng lớn nhưng hiệu quả chịu lực chưa cao. Việc thiếu các công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trong giai đoạn thiết kế ban đầu khiến các kỹ sư có xu hướng sử dụng vật liệu dày hơn mức cần thiết để đảm bảo an toàn, gây lãng phí và tăng trọng lượng xe. Ngược lại, một số khu vực chịu ứng suất cao lại không được gia cố đủ, dẫn đến độ bền không đồng đều trên toàn bộ kết cấu. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của xe mà còn làm giảm hiệu suất vận hành và tăng mức tiêu thụ nhiên liệu, đi ngược lại xu hướng sử dụng vật liệu nhẹ trong ô tô.

2.2. Sự thiếu liên kết giữa khâu thiết kế và kiểm nghiệm độ bền

Sự tách biệt giữa hai quy trình thiết kế và kiểm nghiệm là một nút thắt lớn. Trong phương pháp truyền thống, mô hình được thiết kế hoàn chỉnh rồi mới được chuyển sang giai đoạn phân tích, mô phỏng. Nếu kết quả kiểm nghiệm không đạt yêu cầu, toàn bộ quá trình phải quay lại từ đầu, gây tốn kém thời gian và chi phí. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc tích hợp phần mềm CAD/CAM/CAE có thể giải quyết vấn đề này. Một quy trình tự động hóa cho phép các thay đổi trong thiết kế (CAD) được cập nhật ngay lập tức và phân tích lại (CAE), tạo ra một vòng lặp tối ưu hóa liên tục, giúp đạt được kết cấu lý tưởng trong thời gian ngắn nhất.

III. Hướng dẫn tự động hóa thiết kế khung ô tô với CAD CAM CAE

Giải pháp cho những thách thức của phương pháp truyền thống nằm ở việc tự động hóa quá trình thiết kế bằng các công cụ phần mềm CAD/CAM/CAE. Đây là một phương pháp tiếp cận tích hợp, nơi thiết kế, phân tích và sản xuất được liên kết chặt chẽ. Nghiên cứu “Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế khung Ô tô khách” đã đề xuất một quy trình cụ thể: sử dụng phần mềm CATIA để xây dựng mô hình 3D tham số hóa và phần mềm Ansys Workbench để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Điểm cốt lõi của quy trình này là việc liên kết các thông số thiết kế trong CATIA với một bảng tính Excel. Khi các yêu cầu về tải trọng hoặc kích thước xe thay đổi, kỹ sư chỉ cần cập nhật các giá trị trong file Excel, mô hình 3D trong CATIA sẽ tự động cập nhật theo. Quá trình này không chỉ rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế mà còn cho phép thực hiện vô số kịch bản mô phỏng kỹ thuật số để tìm ra phương án tối ưu hóa thiết kế nhất. Việc này giúp tạo ra một khung xe vừa nhẹ, vừa đảm bảo các tiêu chuẩn về độ bền và an toàn.

3.1. Ứng dụng phần mềm CAD CAM CAE CATIA Ansys hiệu quả

Sự kết hợp giữa CATIA và Ansys tạo thành một hệ sinh thái mạnh mẽ cho việc tự động hóa. CATIA, với các module như Part Design và Assembly Design, cho phép xây dựng mô hình 3D phức tạp của khung gầm ô tô (chassis) và thân vỏ. Đặc biệt, khả năng tạo các liên kết tham số (parametric design) là chìa khóa. Ansys Workbench, một công cụ CAE hàng đầu, có khả năng tương tác hai chiều với CATIA. Nó nhập mô hình hình học, thực hiện chia lưới phần tử, áp đặt các điều kiện biên (tải trọng, ràng buộc) và giải bài toán bền kết cấu. Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng được trực quan hóa, giúp kỹ sư nhanh chóng xác định các điểm yếu trong thiết kế và đưa ra điều chỉnh kịp thời.

3.2. Kỹ thuật mô phỏng kỹ thuật số để tối ưu hóa thiết kế

Mô phỏng kỹ thuật số là quá trình tạo ra một phiên bản ảo của sản phẩm và thử nghiệm nó trong môi trường máy tính trước khi chế tạo nguyên mẫu vật lý. Kỹ thuật này cho phép đánh giá hàng loạt yếu tố như độ bền tĩnh, độ bền động, độ bền mỏi và các kịch bản va chạm. Bằng cách thay đổi các thông số như tiết diện thanh thép, loại vật liệu (ví dụ: chuyển sang thép cường độ cao AHSS), hoặc vị trí các mối hàn, kỹ sư có thể quan sát ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất tổng thể. Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được một thiết kế cân bằng hoàn hảo giữa trọng lượng, độ bền và chi phí, thực hiện đúng mục tiêu tối ưu hóa thiết kế.

IV. Phương pháp triển khai dây chuyền lắp ráp thân vỏ theo BIW

Sau khi hoàn tất giai đoạn thiết kế tối ưu, việc triển khai một dây chuyền lắp ráp thân vỏ hiệu quả theo tiêu chuẩn BIW là bước tiếp theo. Quy trình này bắt đầu từ công đoạn dập (Stamping), nơi các cuộn thép được máy dập công suất lớn tạo hình thành các bộ phận riêng lẻ như sàn xe, nóc xe, cột trụ, và các tấm thân vỏ. Các chi tiết này sau đó được chuyển đến dây chuyền hàn thân xe (Body Shop). Tại đây, công nghệ tự động hóa đóng vai trò chủ đạo. Hàng trăm robot hàn tự động hoạt động đồng bộ, thực hiện chính xác hàng nghìn mối hàn điểm để ghép nối các chi tiết thành một bộ khung hoàn chỉnh. Công nghệ hàn BIW hiện đại không chỉ giới hạn ở hàn điểm mà còn bao gồm hàn laser, hàn hồ quang MIG/MAG, mang lại các mối nối chắc chắn và thẩm mỹ. Toàn bộ quy trình được giám sát chặt chẽ bởi hệ thống kiểm soát chất lượng (QC) tích hợp, đảm bảo mọi khung xe xuất xưởng đều đạt độ chính xác và tiêu chuẩn an toàn cao nhất, sẵn sàng cho các công đoạn tiếp theo của quy trình sản xuất ô tô.

4.1. Tầm quan trọng của công nghệ hàn BIW và robot hàn tự động

Công nghệ hàn BIW là xương sống của dây chuyền lắp ráp thân vỏ. Việc sử dụng robot hàn tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với hàn thủ công: độ chính xác và tính lặp lại gần như tuyệt đối, đảm bảo chất lượng đồng đều cho mọi sản phẩm; tốc độ hàn nhanh, giúp tăng năng suất và giảm thời gian chu kỳ sản xuất; khả năng tiếp cận các vị trí khó và thực hiện các quy trình hàn phức tạp. Các robot này được lập trình để hoạt động theo một chuỗi phối hợp nhịp nhàng, tạo nên một dây chuyền sản xuất tự động hóa cao, giảm thiểu sai sót do con người và cải thiện an toàn lao động.

4.2. Kỹ thuật dập kim loại tấm và sử dụng thép cường độ cao AHSS

Kỹ thuật dập kim loại tấm là công đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong việc tạo hình các bộ phận của thân xe. Các khuôn dập phức tạp, được thiết kế và chế tạo bằng công nghệ CAM, đảm bảo các chi tiết có hình dạng và kích thước chính xác. Xu hướng hiện nay là sử dụng các loại vật liệu mới như thép cường độ cao (AHSS) và hợp kim nhôm. AHSS cho phép tạo ra các chi tiết mỏng hơn, nhẹ hơn nhưng lại có độ cứng và khả năng hấp thụ xung lực tốt hơn thép thường. Điều này đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo thân vỏ liền khối (unibody) an toàn và hiệu quả, đáp ứng xu hướng sử dụng vật liệu nhẹ trong ô tô để cải thiện hiệu suất và giảm phát thải.

V. Phân tích kết quả ứng dụng BIW vào sản xuất khung xe khách

Việc ứng dụng tự động hóa và công nghệ BIW vào sản xuất khung xe khách tại Việt Nam, như mô tả trong nghiên cứu, đã mang lại những kết quả tích cực. Kết quả nổi bật nhất là việc xây dựng thành công mô hình 3D khung xương ô tô khách hoàn chỉnh, thỏa mãn các điều kiện bền ở trạng thái tĩnh. Quy trình tự động hóa liên kết giữa CATIA và Ansys đã chứng minh được tính hiệu quả, cho phép rút ngắn thời gian từ khâu lên ý tưởng đến khi có bản vẽ chế tạo cuối cùng. Việc sử dụng phần mềm CAD/CAM/CAE giúp các kỹ sư có cái nhìn toàn diện về ứng suất và biến dạng trên toàn bộ kết cấu khung gầm ô tô (chassis), từ đó đưa ra các điều chỉnh chính xác để tối ưu hóa thiết kế. Ví dụ, kết quả mô phỏng cho thấy các khu vực tập trung ứng suất cao, cho phép gia cố cục bộ thay vì tăng độ dày vật liệu trên diện rộng. Điều này giúp giảm khối lượng tổng thể của khung xe mà vẫn đảm bảo an toàn. Hệ thống kiểm soát chất lượng (QC) tích hợp trong dây chuyền BIW, đặc biệt là ứng dụng thị giác máy tính, đảm bảo các thông số hình học và chất lượng mối hàn luôn nằm trong giới hạn cho phép.

5.1. Xây dựng mô hình 3D và kiểm nghiệm bền khung gầm ô tô

Dựa trên các thông số của xe khách TB115CT-WLFII, một mô hình 3D chi tiết của khung gầm ô tô và thân vỏ đã được xây dựng bằng CATIA. Mô hình này sau đó được nhập vào Ansys Workbench để phân tích bền. Các tải trọng như trọng lượng bản thân, tải trọng hành khách và hành lý được áp đặt lên mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị tổng thể của khung xe. Những khu vực có ứng suất vượt quá giới hạn bền của vật liệu được xác định rõ ràng. Dựa trên kết quả này, các điều chỉnh về thiết kế, chẳng hạn như thay đổi tiết diện các thanh thép hoặc bổ sung các gân tăng cứng, được thực hiện và mô phỏng lại cho đến khi toàn bộ kết cấu đạt yêu cầu.

5.2. Giải pháp kiểm soát chất lượng QC bằng thị giác máy tính

Để đảm bảo chất lượng sản xuất hàng loạt, các giải pháp kiểm soát chất lượng (QC) tự động là không thể thiếu. Thị giác máy tính (computer vision) là một công nghệ then chốt trong lĩnh vực này. Các camera có độ phân giải cao được lắp đặt trên dây chuyền để quét và đo lường kích thước của bộ khung BIW sau khi hàn. Hệ thống sẽ so sánh các số đo thực tế với dữ liệu thiết kế 3D từ CAD. Bất kỳ sai lệch nào, dù là nhỏ nhất, cũng sẽ được phát hiện và cảnh báo. Ngoài ra, thị giác máy tính còn có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng các mối hàn, phát hiện các lỗi như nứt, rỗ khí hoặc hàn không ngấu, đảm bảo 100% sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn.

VI. Xu hướng tất yếu Nhà máy thông minh 4

Tương lai của ngành thiết kế và sản xuất khung ô tô gắn liền với hai xu hướng không thể đảo ngược: nhà máy thông minh 4.0 và việc sử dụng vật liệu nhẹ trong ô tô. Công nghệ BIW và các quy trình tự động hóa thiết kế chỉ là những mảnh ghép đầu tiên. Một nhà máy thông minh sẽ tích hợp toàn bộ các công đoạn, từ thiết kế (CAD/CAE), lập kế hoạch sản xuất, vận hành dây chuyền lắp ráp thân vỏ bằng robot, cho đến kiểm soát chất lượng (QC) và quản lý chuỗi cung ứng vào một hệ thống kết nối duy nhất. Dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến sẽ được phân tích để tối ưu hóa liên tục hiệu suất. Song song đó, cuộc đua giảm trọng lượng xe để tăng hiệu quả năng lượng (đặc biệt với xe điện) sẽ thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới như hợp kim nhôm, sợi carbon, và các loại thép cường độ cao (AHSS) thế hệ mới. Việc kết hợp một quy trình sản xuất thông minh với các vật liệu tiên tiến sẽ tạo ra những chiếc xe an toàn hơn, nhẹ hơn và thân thiện với môi trường hơn.

6.1. Tích hợp BIW vào mô hình nhà máy thông minh 4.0

Trong mô hình nhà máy thông minh 4.0, dây chuyền BIW không còn hoạt động độc lập. Nó được kết nối với các hệ thống khác thông qua Internet vạn vật công nghiệp (IIoT). Các robot hàn tự động có thể tự chẩn đoán lỗi và yêu cầu bảo trì. Hệ thống thị giác máy tính cung cấp dữ liệu QC trực tiếp cho bộ phận thiết kế để cải tiến sản phẩm. Toàn bộ quy trình sản xuất ô tô trở nên linh hoạt, có khả năng tùy biến sản phẩm theo yêu cầu của khách hàng mà không làm gián đoạn dây chuyền. Sự tích hợp này tạo ra một vòng lặp cải tiến liên tục, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành một cách đáng kể.

6.2. Triển vọng của vật liệu nhẹ và kết cấu thân vỏ liền khối

Triển vọng của vật liệu nhẹ trong ô tô là rất lớn. Kết cấu thân vỏ liền khối (unibody) làm từ vật liệu đa chủng loại (multi-material), kết hợp giữa AHSS, nhôm và composite, đang trở thành tiêu chuẩn. Thiết kế này giúp tối ưu hóa từng bộ phận: sử dụng thép siêu cứng cho các vùng bảo vệ hành khách và dùng nhôm hoặc composite cho các bộ phận như nắp capo, cửa để giảm trọng lượng. Công nghệ BIW phải phát triển tương ứng để có thể hàn, dán và ghép nối các loại vật liệu khác nhau này một cách hiệu quả. Đây là một thách thức nhưng cũng là cơ hội để tạo ra những bước đột phá trong thiết kế xe hơi thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 1. Phân tích được tình hình nghiên cứu thiết kế khung xương ô tô khách trong nước. Từ đó đưa ra mục tiêu nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Đưa ra phương pháp tính toán thiết kế và ứng dụng các phần mềm vào quá trình tự động hóa thiết kế khung ô tô khách.

Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng thu được. Từ đó tối ứu hóa khung xương ô tô khách theo yêu cầu đặt ra. 14 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA VÀ ANSYS TRONG THIẾT KẾ 2. Giới thiệu phần mềm Hiện nay 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 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 Three Dimensional 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 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 khấu thiết kế mô hình CAD ( Computer Aided Design) đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM (Computer Aided Manufacturing), khả năng 15 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 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… Hình 2.

1 Khung xương xe khách thiết kế bằng Catia 16 - Catia ứng dụng trong việc thiết kế xe sinh thái, dùng làm dữ liệu lưu trữ và phục vụ quá trình chế tạo thân xe. - Catia trong lắp rắp và mô phỏng động lực học. 3 Động lực học máy bay mô phỏng bằng Catia Hình 2. 2 Thiết kế xe sinh thái bằng Catia - Ứng dụng trong lập trình và mô phỏng gia công.

4 Mô phỏng gia công phay bằng Catia - Ứng dụng trong phân tích động lực học. 5 Phân tích động lực học bằng Catia - Ứng dụng trong kết cấu xây dựng và kiến trúc. 7 Thiết kế xây dựng kiến trúc bằng Catia Ứng dụng trong thiết kế đường ống cấp. 6 Thiết kế đường ống cấp bằng Catia 2.

Chức năng của các module chính trong Catia Phầm mềm Catia được tích hơp trên 170 module, đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong tất cả các ngành nghề như: Cơ khí, ô tô, hàng không, kiến trúc, điện – điện tử, hệ thống đường ống, quản lý vòng đời sản phẩm… Các module này người dùng có thể mua riêng để đáp ứng với nhu cầu phù hợp của các ngành nghề. Đối với từng mục đích sử dụng thì người dùng tìm hiểu từng chắc năng riêng của các module đó. Trong ngành cơ khí chúng ta sử dụng một số module chính như: 19 - Module Mechanical Design: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế cơ khí. Các module con và chức năng của chúng: + Part Design: Thiết kế chi tiết.

+ Assembly Design: Tạo lập sản phẩm lắp ghép. + Weld Design: Thiết kế hàn. + Mold Tooling Design: Thiết kế khuôn. + Drafting: Xuất bản vẽ 2D từ mô hình 3D có sẵn.

+ Sheet Metal Design: Thiết kế kim loại tấm. + Wireframe and Surface Design: Thiết kế khung dây và bề mặt. 8 Module Mechanical Design - Module Shape: Chuyên sử dụng cho việc thiết kế tạo hình bề mặt. Các module con và chức năng của chúng: + FreeStyle: Thiết kế bề mặt, khối rắn tự do.

+ Imagine & Shape: Thiết kế bề mặt, hình khối từ ảnh chụp. + Generative Shape Design: Thiết kế bề mặt, hình khối tiến hóa. 9 Module Shape - Module Machining: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng chương trình gia công. Các module con và chức năng của chúng: + Lathe Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công tiện.

+ Prismatic Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay trên máy phay 3 trục. + Surface Machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay mặt cong. + Advanced machining: Thiết lập và mô phỏng chương trình gia công phay trên máy phay 4, 5 trục. 10 Module Machining 21 - Module Machining Simulation: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng máy CNC.

Các module con và chức năng của chúng: + NC Machine Tool Simulation: Mô phỏng máy CNC. + NC Machine Tool Buider: Thiết lập máy CNC. 11 Module Machining Simulation 2. Giới thiệu phầm mềm Ansys Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) để phân tích các bài toán vật lý – cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng rời rạc hóa và gần đúng để giải.

Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn. Với bài toán kết cấu, phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu. Ansys có thể giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với các vật liệu đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý tưởng, dẻo nhớt,… Để bắt đầu giải bài toán ta đi chọn kiểu phần tử 22 phù hợp với bài toán cần giải.

Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau, mỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Cùng với việc chọn phần tử thì Ansys cũng yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán cũng phụ thuộc vào vật liệu được chọn, mỗi bài toán cần đưa ra mô hình vật liệu, cần xác lập rõ vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyết tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu cần nhập đủ các thông số vật lý của vật liệu.

Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học. Vì vậy, cần đưa vào mô hình hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mô hình hình học 2D và 3D, các kích thước thực, hình dáng được giản đơn hóa hoặc mô hình như vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình hình học với các điểm, đường, diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử.

Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt. Việc chia nhỏ phần tử này còn phụ thuộc vào năng lực từng phần mềm.

Nếu sử dụng phiên bản công nghiệp số nút và phần tử có thể đến con số hàng trăm nghìn, phiên bản đại học đến chục nghìn. Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa vào các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ,…) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học. Sau khi xác lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, Ansys cho phép chọn các dạng bài toán.

Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán. Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ quan hệ các bước lặp và độ hội tụ. Các kết quả tính toán được ghi lưu vào các file dữ liệu.