Topology Optimization là gì ?
Bạn đã từng thấy những sản phẩm có hình dạng tự nhiên và rất lạ mắt trong các phần mềm CAD chưa? Chúng trông rất ảo diệu và ngẫu hứng hơn là làm thành quả công việc có tính khuôn phép? Những sản phẩm này có thể là kết quả của một nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc liên kết (Topology Optimization). Loại ứng dụng này đã có từ lâu – vì vậy bạn nên dùng thử !
Hình biểu diễn của sản phẩm được tạo ra bởi tối ưu hóa cấu trúc
Theo một nghĩa nào đó, những hình dạng này thực sự rất lạ mắt. Tuy nhiên, chúng không bắt nguồn từ một bộ não con người, mà là từ logic xác định của một thuật toán máy tính. Tối ưu hóa cấu trúc liên kết lấy một không gian thiết kế 3D và loại bỏ vật liệu bên trong nó để đạt được thiết kế hiệu quả nhất. Phương pháp này không quan tâm đến tính thẩm mỹ, cách tiếp cận truyền thống hoặc bất kỳ ràng buộc thiết kế thông thường nào khác mà bạn thường sử dụng trong thiết kế. Ở cấp độ đơn giản nhất, bạn chỉ cần cho biết tải và các ràng buộc, nó sẽ tự xác định vật liệu cần thiết để chịu tải và ràng buộc đó.
Phía sau công nghệ Topology Optimization
Công nghệ đứng sau điều kỳ diệu này bắt đầu bằng một phép phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho sản phẩm cần tối ưu. Phân tích sơ bộ này không chỉ cung cung thông tin về phân bố ứng suất mà còn chỉ ra khu vực nào chịu tải nhiều nhất. Trên cơ sở phân tích ứng suất và năng lượng biến dạng của từng phần tử, thuật toán sẽ loại bỏ những phần tử chịu ứng suất nhỏ nhất và có năng lượng biến dạng thấp nhất. Tuy nhiên trong quá trình loại bỏ này, nó vẫn để mắt tới kết cấu tổng thể và trong một số tình huống, việc loại bỏ này sẽ bị hoãn lại.
Thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết hướng đến mục tiêu loại bỏ phần tử không cần thiết. Điều này dựa trên mục tiêu ban đầu do người dùng chỉ định. Nếu bạn muốn giữ lại 30% phần tử lưới thì 70% còn lại sẽ được phân vào nhóm bị loại bỏ. Trên thực tế, việc loại bỏ các phần tử này không hoàn thành chỉ trong một lần mà được tiến hành theo nhiều bước. Ở mỗi bước, sự phân bố các phần tử này sẽ được lặp đi lặp lại đến khi ứng suất đạt trạng thái ổn định.
Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc liên kết trong creo 5.0
Trong nhiều tình huống, việc xóa các phần tử khỏi lưới ở mỗi bước phức tạp về mặt kỹ thuật và tốn kém về mặt tính toán. Thay vì sử dụng phương pháp loại bỏ triệt để (hard kill), hệ thống sẽ sử dụng phươn pháp nhẹ nhàng hơn (soft kill). Độ cứng của phần tử sẽ bị giảm xuống gần bằng với độ cứng của chất dẻo (chewing gum) và mật độ cũng sẽ giảm tương ứng. Phần tử vẫn tồn tại nhưng gần như bị cho “ra rìa”.
Nhiều chương trình tối ưu hóa tiếp tục nới lỏng sự phân biệt nghiêm ngặt này giữa vật liệu gốc, chẳng hạn như thép (với mật độ tương đối bằng 1) và chất dẻo (với mật độ tương đối gần bằng 0). Một phần tử có thể chấp nhận bất kỳ độ và mật độ nào trong phạm vi giữa hai giới hạn này. Tuy nhiên, mỗi phần tử được “khuyến khích” di chuyển đến giá trị 1 hoặc 0.
Trong nhiều trường hợp, chương trình tối ưu hóa sẽ không thể đạt được các giá trị giới hạn là 1 hoặc 0 cho tất cả các phần tử. Một số phần tử sẽ kết thúc với một số giá trị ở giữa. Vì vậy, nó có nghĩa là gì khi đặc tính vật liệu tương đối của một phần tử có giá trị là 0.8? Nó không đại diện cho bất cứ thứ gì về mặt vật lý, nhưng đối với trình tối ưu hóa, nó đại diện cho việc phân phối vật liệu hiệu quả nhất. Sử dụng thang độ xám để biểu thị sự phân bố vật liệu sẽ hiển thị các vùng của vật liệu gốc có màu trắng (1) và vật liệu có màu đen (0) và các sắc độ xám ở giữa.
Nếu trình tối ưu hóa đang gặp khó khăn, thì hầu hết các khu vực trên đối tượng phân tích sẽ có các sắc thái xám khác nhau. Nếu trình tối ưu hóa có thể tìm thấy tải được xác định rõ ràng, thì phân phối gam màu sẽ rõ ràng hơn, chuyển sang màu đen hoặc trắng.
Vậy những hình dạng kỳ lạ mà tôi nhắc đến ở phần giới thiệu đến từ đâu ? Chúng không đại diện cho các phần tử bề mặt, thay vào đó chúng là các bề mặt được tái lập thông qua các đường viền trong thang màu xám. Độ mịn của các bề mặt được kiểm soát rất nhiều bởi độ mịn của lưới FEA bên dưới và mức độ phân bố của vật liệu gốc.
Bạn có thể kiếm soát
Tối ưu hóa cấu trúc liên kết đôi khi được mô tả như một cuộc đua điên cuồng! Thật tuyệt vời khi đưa ra các giải pháp triệt để – điều thú vị như cách gọi của tôi. Tuy nhiên, người kỹ sư vẫn có nhiều khả năng kiểm soát để hướng đến một sản phẩm hữu dụng hơn. Chúng bao gồm các ràng buộc chẳng hạn như giới hạn kích thước, yêu cầu tính đối xứng, hoặc khả năng chế tạo (đùn, cán, làm khuôn …). Thông qua việc chỉ định thể tích giữ lại, bạn có thể kiểm soát mức độ hoạt động của trình tối ưu hóa.
Tôi có nhiều gợi ý và mẹo về cách tiếp cận tối ưu hóa cấu trúc liên kết và tận dụng nó tốt nhất. Tôi sẽ chia sẻ những điều đó trong các bài viết sắp tới.
