Giáo trình giảng dạy môn học - Cad ứng dụng trong thiết kế ôtô

GIÁO TRÌNH GIẢNG DẠY MÔN HỌCCAD ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ÔTÔGIẢNG VIÊN ĐẢM NHIỆM: NGUYỄN ĐÌNH HÙNGBỘ MÔN KỸ THUẬT ÔTÔ VÀ MÁY ĐỘNG LỰCNỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNHChương 1: Mở đầu1. Giới thiệu môn học1.1.Lịch sử phát triển1.2.Hệ thống CAD trong thiết kế Ô tô2. Qúa trình thiết kế ô tô theo CAD 2.1.Mô hình thiết kế truyền thống2.2.Ứng dụng và phát triển mô hình truyền thống theo CADChương 2: Biến đổi phẳng trong CAD1. Phần tử hình học 2D trong CAD1.1 Họ các đường cong bậc 1 và 21.2 Họ các đường cong bậc cao, Spline, Besier2.Các phép biến hình hình học2.1 Các phương pháp biến đổi hình học: tịnh tiến, xoay2.2 Các phương pháp xử lý: kéo, nén, cắt, biến hình học các đường cong phẳngChương 3: Biểu diễn 3D trong CAD1. Phân tích hình học 3D trong CAD2. Mặt4.Vật thể hình học5.Các phép biến hình 5.1 Biến hình mặt 5.2 Biến hình vật thể6.Các bài toán vật lý trong CAD 6.1 Trọng tâm + khối lượng 6.2 Biến dạngChương 4: Các phương pháp tính số1 Phương pháp sai phân2 Phương pháp phần tử biên3. Phương pháp phần tử hữu hạnChương 5: Các bài toán động lực học.1 Bài toán một chiều2 Bài toán hai chiều3 Các ứng dụng trong ngành ô tô - máy kéoChương 7: Bài tập lớn - Các bài toàn thực hành1 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực của động cơ xăng-diesel bằng mô hình 3D và mô phỏng động2 Xây dựng mô hình hệ thống phân phối khí 3D và mô phỏng động3 Xây dựng mô hình hệ thống cố định 3D và mô phỏng động 4 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực “li hợp-hộp số-các đăng-cầu chủ động” và mô phỏng động5 Xây dựng mô hình hệ thống treo và mô phỏng độngCác yêu cầu tự học đ/v sinh viên: 10 tiết1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CAD: Lịch sử phát triển của CAD liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy tính .Đương nhiên CAD bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ ICG là bộ phận cơ bản của CAD.+ Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính là dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa thập kỷ 50. APT là chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools, có nghĩa là “máy công cụ được lập trình tự động”. Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số.+ Một ý tưởng khác, ra đời vào khoảng cuối thập kỷ 50 có tên là “bút quang”. Ý tưởng về bút quang xuất hiện khi nghiên cứu cách xử lý dữ liệu ra đa của một dự án quốc phòng gọi là SAGE (Semi-Automatic Ground Environment system). Mục đích của dự án này là triển khai một hệ thống phân tích dữ liệu rađa và làm rõ mục đích được coi là máy bay địch trên màn hình CRT. Để tiết kiệm thời gian vào việc hiển thị máy bay đánh chặn của chủ nhà chống lại máy bay địch, người ta nghĩ ra bút quang, dụng cụ dùng để vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình và giúp cho CPU nhận biết vị trí cụ thể của màn hình vừa được bút quang tiếp xúc. + Năm 1963 Ivan Sutherland công bố một số kết quả đầu tiên về đồ hoạ máy tính, cho phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT. + Nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed-Georgia, Itek Corp, Mc. Ponell, v.v... đã bắt đầu thực hiện những dự án về đồ hoạ máy tính từ những năm 60. Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập, trong đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1969. Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khoá trao tay, trong đó gồm có hều hết hoặc toàn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng. Một số hãng khác phát triển theo hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Pat Hanratti mà công ty thành viên của nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (với phiên bản sau đó là ANVIL 4000), được coi là gói phần mềm CAD thông dụng. Ngày nay CAD/CAM thực sự đã trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ nhanh chóng, rât nhiều hãng sản xuất và cung cấp sản phẩm trong lĩnh vực này. Trong đó có AutoCAD ra đời từ cuối năm 1982 đến nay đã có Version 14 chạy trên Windows; AutoCAD 2000 và AutoCADIX chạy trên Windows và trên mạng Internet; hãng Gulf Publishing với các phần mềm thiết kế, dạy học và tư vấn trong lĩnh vực hoá chất và dầu khí, được thành lập từ năm 1985 tại London. Ở Việt Nam, CAD/CAM xuất hiện thông qua các phần mềm mua của nước ngoài để học tập, nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên cũng đã có những cố gắng bước dầu theo hướng tự sản xuất phần mềm trong nước. Chẳng hạn Viện Tin học năm 1992 đã cho ra đời gói phần mềm TOWER để trợ giúp thiết kế mẫu thảm len trong khuôn khổ Dự án VIE/88/035, năm 1988 Công ty tư nhân Hải Hoá cho ra đời gói phần mềm thiết kế kiến trúc - xây dựng1.2 hệ thống CAD trong ứng dụng thiết kế ôtô: Các hệ CAD hiện đại (còn gọi là CAD/CAM) được xây dựng trên cơ sở đồ hoạ máy tính tương tác (Interative Computer Graphics) viết tắt là ICG. Hệ thống đồ hoạ máy tính tương tác là một hệ hướng đến người sử dụng, trong đó máy tính được dùng để tạo ra, chuyển đổi và hiển thị dữ liệu dưới dạng các hình vẽ hay biểu tượng. Người sử dụng ở đây là nhà thiết kế, thực hiện truyền dữ liệu và ra lệnh cho các máy tính thông qua một số thiết bị vào (INPUT) như chuột, bàn phím ...Còn máy tính thì liên lạc với con người thông qua màn hình Hình ảnh được xây dựng từ những phần tử hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, vòng tròn v.v... Hình ảnh đó có thể được sửa đổi tuỳ theo lệnh của con người như phóng to, thu nhỏ, di chuyển vị trí trên màn hình và theo các phép biến đổi khác.Thông qua các thao tác này mà những chi tiết cần thiết của hình ảnh sẽ được tạo ra theo ý muốn của người thiết kế. Một hệ thống CAD hoặc (ICG) điển hình bao gồm phần cứng và phần mềm . * Phần cứng gồm có bộ phận xử lý trung tâm (CPU), một hoặc nhiều trạm công tác (Work Station) kể cả những terminal hiển thị đồ hoạ, và các thiết bị ngoại vi như máy vẽ, máy in, v.v... * Phần mềm gồm các chương trình máy tính để thực hiện việc xử lí đồ hoạ trên hệ thống. Thông thường các chương trình ứng dụng lập ra để thực hiện các chức năng cụ thể của hãng hay công ty. Ví dụ hãng thiết kế xây dựng thường phải có phần mềm phân tích ứng suất - biến dạng, hãng thiết kế - chế tạo máy thường phải có phần mềm phân tích động lực học cơ cấu1.3 Nhưng thuận lợi khi sửa dụng CAD:1. Nâng cao năng suất thiết kế của người kĩ sư: - Hiển thị hoá sản phẩm và các bộ phận cấu thành sản phẩm lên màn hình máy tính. - Giảm thời gian tổng hợp, phân tích và lập hồ sơ, tư liệu thiết kế cho người kĩ sư. Hạ giá thành sản phẩm và giảm thời gian thiết kế. 2. Nâng cao chất lượng thiết kế: Cho phép phân tích kĩ thuật một cách toàn diện và thấu đáo hơn. Cho phép đưa ra nhiều phương án để phân tích, so sánh. Giảm sai sót trong thiết kế, nâng cao độ chính xác của bản đồ án.3. Cải thiện và nâng cao điều kiện trao đổi thông tin: Tạo ra các bản vẽ kỹ thuật tốt hơn so với thiết kế truyền thống. Tiêu chuẩn hoá trong các bản vẽ cao hơn. Chất lượng hồ sơ, tư liệu thiết kế cao hơn. Bản vẽ đẹp, rõ ràng và ít sai sót. 4. Tạo ra một cơ sở dữ liệu trong máy tính để phục vụ cho giai đoạn chế tạo. Trong quá trình xây dựng hồ sơ tư liệu thiết kế cho một sản phẩm, các chi tiết tạo nên sản phẩm, đặc tính kỹ thuật, vật liệu v.v... sẽ tạo những cơ sở dữ liệu cần cho việc chế tạo sản phẩm, đồng thời cũng được tạo ra và lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính. 1.4 quá trình thiết kế ôtô theo mô hình truyền thống.a. Phát hiện nhu cầu: là bước đầu tiên, thường do một người nào đó phát hiện ra,đôi khi bất ngờ, rằng ở một nơi nào đó có một vấn đề cần xem xét, sửa chữa, bổ sung. Nó có thể là một nhược điểm của một cỗ máy đang sử dụng do người kỹ sư nhận ra, cũng có thể là một nhu cầu mới của khách hàng do người tiếp thị nhận biết được. b. Xác nhận vấn đề liên quan đến việc xác định đặc tính kỹ thuật tổng quát của mặt hàng sẽ được thiết kế ra, gồm: các đặc tính và chức năng, giá thành, chất lượng, vận hành... c. Tổng hợp và phân tích là hai bước liên quan mật thiết với nhau và có tính lặp cao trong quá trình thiết kế. Một chi tiết hay một bộ phận cấu thành một sản phẩm hoàn chỉnh như một máy chẳng hạn, sẽ được người thiết kế trừu xuất hoá, phân tích, cải tiến thông qua bước phân tích này rồi được thiết kế lại cho phù hợphơn. Quá trình đó được lặp đi lặp lại cho đến khi nào bản thiết kế là tối ưu theo những điều kiện ràng buộc đặt ra cho người thiết kế. Rồi chi tiết hay bộ phận đó được tổng hợp vào trong cái chung (một máy hoàn chỉnh chẳng hạn) mà nó là một bộ phận hợp thành, theo một quá trình lặp như trên. d. Đánh giá một bản thiết kế là căn cứ vào các yêu cầu kỹ thuật được thiết lập trong bước xác định vấn đề để ước lượng, cân nhắc, đo lường xem nó đạt được đến đâu. Việc đánh giá này thường cần đến sự chế tạo và thử nghiệm một mẫu thật để xem xét chức năng vận hành, chất lượng, độ tin cậy và các chỉ tiêu khác. e. Thể hiện là bước cuối cùng của quá trình thiết kế. Nó bao gồm việc thiết lập tư liệu thiết kế trong đó có các bản vẽ, các thuyết minh kỹ thuật, vật liệu chế tạo, bảng liệt kê các chi tiết và bộ phận lắp ghép v.v... Việc lập tư liệu chủ yếu là phải tạo ra được môt cơ sở dữ liệu về thiết kế. Trong từng lĩnh vực thiết kế ôtô,phương pháp tiếp cận truyền thống là tổng hợp một bản thiết kế sơ bộ theo cách thủ công rồi mới qua phân tích dưới một dạng nào đó. Bước phân tích này có thể gồm những bản tính toán kỹ thuật phức tạp hoặc phải qua đánh giá hoàn toàn chủ quan về phương diện thẩm mỹ mà bản thiết kế yêu cầu. Quá trình phân tích là để đạt được những cải thiện trong những chỉ tiêu cụ thể và như đã nói ở trên, đây là một quá trình lặp. Cứ mỗi lần lặp, chỉ tiêu được cải thiện thêm một ít đồng thời cũng tiêu hao thêm một lượng lao động tương ứng. Nếu không có sự tham gia của máy tính thì sự tiêu hao này sẽ có thể là rất lớn để hoàn thiện một đồ án thiết kế. 1.5 Ứng dụng CAD vào mô hình thiết kế ôtôthiết kế mà một hệ CAD hiện đại có thể chia ra làm 4 lĩnh vực sau: • Mô hình hoá hình học. • Phân tích kỹ thuật. • Rà soát và đánh giá thiết kế. • Vẽ tự động1.5.1 Mô hình hoá hình học. Trong CAD, mô hình hoá hình học tương ứng với giai đoạn tổng hợp, đòi hỏi mô tả hình dáng hình học của một đối tượng dưới dạng toán học theo cách máy tính có thể xử lý được. Mô hình toán học cho phép hình ảnh của đối tượng có thể hiển thị và thao tác trênmàn hình máy tính thông qua tín hiệu lấy từ CPU của hệ CAD. Phần mềm đồ hoạ phải được thiết kế sao cho thuận tiện và có hiệu quả với máy tính và cả người sử dụng.Trong lĩnh vực mô hình hoá hình học, người thiết kế xây dựng những hình ảnh của đối tượng trên màn hình máy tính bằng 3 loại lệnh: - Loại lệnh tạo nên những yếu tố hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, vòng tròn... - Loại lệnh thực hiện các phép biến đổi như dịch chuyển, thu nhỏ, phóng to, quay... - Loại lệnh làm cho các yếu tố hình học liên kết lại thành một hình dạng mong muốn.1. Mô hình khung dây. Đây là dạng cơ bản để thể hiện đối tượng tức là vật thể. Theo phương pháp thể hiện này, vật thể được hiển thị lên màn hình thành những nét liền liên kết với nhau. Mô hình khung dây được chia ra thành 3 loại tuỳ theo khả năng của hệ CAD: a. 2D hay đồ hoạ 2 chiều dùng cho đối tượng 2 chiều. b. 21/2 D để thể hiện những đối tượng 3 chiều đơn giản như trụ, lập phương. c. 3D hay đồ hoạ 3 chiều thể hiện những đối tượng 3 chiều phức tạp. Để tăng khả năng thể hiện một đối tượng phức tạp, mô hình khung dây được mở rộng ra thành loại có nét khuất và loại không có nét khuất. Ngoài ra, mô hình khung dây còn có một biến thể nửa cho phép thể hiện bề mặt theo cáh làm cho người quan sát có cảm nhận là vật thể đặc. Tuy vậy vật thể vẫn được lưu trữ trong máy tính dưới dạng mô hình khung dây. 2. Mô hình đặc là cách thể hiện tốt nhất vật thể 3 chiều. Phương pháp này sử dụng những hình dáng hình học đặc gọi là các nguyên thể để dựng nên đối tượng. 3. Đồ hoạ màu là khả năng thú vị mà ngày nay hệ CAD nào cũng có. Nhờ có màu mà hình ảnh được hiển thị lên màn hình mang nhiều nội dung thông tin hơn, nó giúp cho các chi tiết trong một bản vẽ lắp trở nên dễ phân biệt, làm nổi bật những kích thước quan trọng hoặc những bộ phận chủ chốt và nhiều lợi ích khác nữa. 1.5.2 Phân tích kỹ thuật. Khi triển khai một đồ án thiết kế kỹ thuật thường cần đến một sự phân tích nào đó tuỳ theo loại công trình như về ứng suất, biến dạng, truyền nhiệt hoặc mô tả sự ứng xử động học của hệ thống. Máy tính chó thể giúp thực hiện các nhiệm vụ này một cách nhanh chóng và có hiệu quả. Các hệ CAD phổ biến thường bao gồm các phần mềm phân tích kỹ thuật hoặc có thể giao diện với các phần mềm này. • Phân tích thuộc tính khối lượng: diện tích bề mặt, trong lượng, thể tích, trọng tâm, mômen quán tính,v.v.. Đối với một mặt phẳng hoặc tiết diện ngang của một vật thể nó còn cho ta biết cả chu vi, diện tích và ác thuộc tính quán tính nữa. • Phân tích phần tử hữu hạn: là một trong những khả năng mạnh nhất của một hệ CAD. Với kỹ thuật này vật thể được chia thành nhiều phần tử với số lượng hữu hạn tuỳ ý. Mỗi phần tử là một ô chữ nhật hay tam giác, tất cả tạo nên một mạng lưới gồm các nút. Nhiều hệ CAD có khả năng tự động phân chia các nút và xác định cấu trúc mạng lưới của toàn vật thể, người sử dụng chỉ cần đưa ra một số thông số cần thiết cho mô hình phần tử hữu hạn rồi hệ CAD sẽ làm các công việc tính toán tiếp theo. 1.5.3 Rà soát và đánh giá thiết kế. Rà soát là công việc được tiến hành sau khi thiết lập xong bản vẽ nhằm kiểm tra độ chuẩn xác thiết kế và sự đúng đắn của việc lựa chọn kết cấu, mối ghép,v.v... a. Việc kiểm tra độ chuẩn xác: thiết kế nếu được thực hiện trên màn hình đồ hoạ thì rất thuận tiện và có hiệu quả. Các khả năng của phần mềm về tự động ghi kích thước và cho dung sai ở những nơi người thiết kế yêu cầu khiến cho những sai sót trong việc ghi kích thước lên bản vẽ được giảm đi rất nhiều. Người thiết kế cũng có thể thu nhỏ hay phóng to một chi tiết nào đó để xem xét cận cảnh. b Đánh giá : nhằm xem xét sản phẩm nếu được chế tạo theo bản thiết kế thì có đạt được các chỉ tiêu về động học, thao tác vận hành v.v...như ban đầu đề ra không. Nét đặc trưng của các hệ CAD hiện đại là khả năng đánh giá động học, là khả năng hoạt hoá chuyển động của các cơ cấu trong bản thiết kế như khớp treo, các khâu truyền động, đồng thời giúp người thiết kế kiểm tra độ lấn của các phần tử khi chuyển động để khắc phục.1.5.4 Vẽ tự động. Vẽ tự động là dùng máy vẽ để tạo ra bản vẽ kỹ thuật trên giấy, trực tiếp từ cơ sở dữ liệu của hệ CAD. Khi giá thành của một hệ CAD còn khá cao thì việc một phòng thiết kế có vẽ tự động là còn phải cân nhắc, nhưng khi giá thành đó hạ xuống thi việc vẽ tự động ngày càng trở nên phổ biến ở các cơ sở thiết kế. Một hệ CAD thường cho phép tăng năng suất trong khâu xuất bản vẽ lên gấp năm đến mười lần so với vẽ thủ công. Hơn thế nữa, nó còn có nhiều ưu điểm về xử lý đồ hoạ như tự động ghi kích thước và mặt cắt, thu phóng bản vẽ, đặc tả từng phần hình vẽ hoặc quay vật thể theo một góc tự chọn. Nó còn cho phép chuyển đổi hình chiếu, chẳng hạn từ chiếu song song sang chiếu phối cảnh. Trong phép chiếu trực giao, hầu hết các hệ CAD đều có khả năng tạo ra sáu hình chiếu tương ứng với sáu mặt phẳng chiếu nếu thấy cần. Ngoài ra các hệ CAD còn cho phép người thiết kế lập trình bổ sung để đưa các tiêu chuẩn riêng của bản hãng nào đó.CAD ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ÔTÔ