Tối Ưu Hóa Là Gì? Phần Mềm OptiStruct Optimization Số Một Về Tối Ưu Hóa CAE.

OPTIMIZATION

Trong lĩnh vực mô phỏng phân tích kỹ thuật CAE không thể không nhắc đến công nghệ tối ưu hóa, vậy tối ưu hóa trong kỹ thuật là gì?
Hiểu đơn giản: Tối ưu hóa là tìm ra ưu điểm để sản xuất ra một sản phẩm chất lượng tốt nhất cho người tiêu dùng, vừa đảm bảo về mặt độ bền của từng sản phẩm vừa đáp ứng cho con người trong mỗi tầng lớp trong xã hội về mặt giá thành và cuối cùng là đáp ứng về mặt thẩm mỹ cho mọi nền văn hóa của các khu vực trên thế giới.

Ví dụ: Với vị trí địa lý và sức ảnh hưởng của thiên nhiên, người Nhật đã tối ưu hóa trong việc xây dựng nhà cửa để chống chọi lại với các thiên tai xảy ra hằng năm.

Nói sâu về công nghệ tối ưu hóa trong CAE, công nghệ này đưa ra các dự đoán hình học phù hợp với điều kiện thực tế đầu vào. Công nghệ tối ưu hóa có nhiều phương pháp khác nhau như Shape, Size, Topology hoặc Topography.

1. Shape optimization:

Shape optimization nghĩa là tối ưu hóa hình dạng cấu trúc bằng cách hiệu chỉnh bề mặt 2D hoặc 3D của khối sao cho đạt thể tích tối thiểu nhất trong khi vẫn đảm bảo độ cứng vững và ràng buộc chuyển vị.

3. Size optimization:

Tối ưu hóa kích thước (Size optimization) bao gồm việc sửa đổi các thuộc tính liên quan đến kích thước của cấu trúc phần tử như độ dày, kích thước mặt cắt ngang của thanh dầm, độ cứng của lò xo và khối lượng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa.

3. Topology optimization:

Tối ưu hóa Topology là việc tối ưu hóa bố cục vật liệu trong môt khối lượng thiết kế vật lý nhất định, điều kiện tải và các điều kiện ràng buộc nhất định để đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất của sản phẩm. Điều này được sử dụng để xác định các thiết kế mẫu phù hợp nhất với yêu cầu cụ thể sau đó chúng được tinh chỉnh để sản xuất. Các thiết kế này ban đầu thường có hình dạng phù hợp với phương thức sản xuất in 3D trước khi chúng được sửa đổi để phù hợp với các phương pháp sản xuất thông thường.

Topology optimization thường ứng dụng cho các chi tiết đúc.

4. Topography optimization:

Topometry optimization tương tự như Topology optimization nhưng được áp dụng cho các chi tiết dạng tấm (phần tử 2D có độ dày) với các tham số bị giới hạn theo độ dày chi tiết.

Topography optimization tương tự như Topometry optimization chỉ áp dụng cho các phần tử dạng tấm (phần tử 2D có độ dày) như vỏ chi tiết nhằm mục đích tìm ra một dãy mô hình gân dập nổi phù hợp nhất với chi tiết. Ứng dụng với các chi tiết dạng tấm.

3 yếu tố quan trọng cần nắm trong tối ưu hóa

Mục tiêu (Objective): Tối ưu cái gì? Ví dụ như khối lượng, độ bền, chi phí, độ an toàn,…
Thay đổi các biến (Variables): Cụ thể ở đây là vật liệu, vị trí, khối lượng,…
Điều kiện ràng buộc (Constraints): Các điều kiện mà sau khi thực hiện quá trình tối ưu hóa mọi giá trị của biến bắt buộc phải thõa mãn. Ví dụ như FOS, độ bền, kích thước,…

Ví dụ về các bước tối ưu hóa 1 sản phẩm:

Tùy vào từng yêu cầu của mỗi bài toán sẽ chọn các phương pháp thích hợp để giải quyết bài toán đó, dưới đây là 3 phương pháp thường dùng để tối ưu hóa 1 bài toán:

Phương pháp xấp xỉ địa phương (Local Approximation)
- Phương pháp này dựa trên phương pháp Gradient-based.
- Điều kiệu để sử dụng phương pháp này là các trường hợp không đổi hỏi chi phí cao.
- Bài toán yêu cầu phân tích độ nhạy.
Phương pháp xấp xỉ toàn cầu (Global Approximation):
- Phương pháp này dựa trên phương pháp Approximation-Based.
- Giải quyết các vấn đề phi tuyến.
Phương pháp thăm dò (Exploratory):
- Phương pháp này phù hợp cho các bài toán phi tuyến với số lượng biến lớn.
- Mục đích thăm dò sự ảnh hưởng khi thay đổi giả trị của từng biến lên sản phẩm.
- Giải quyết các vấn đề riêng biệt.

Một số hình ảnh về tối ưu hóa:

Con người đã nghiên cứu về hình dáng của các loài chim khi bay để áp dụng vào việc tối ưu hóa cải tiến máy bay nhằm đạt được tốc độ tối đa.

Có thể thấy sự khác biệt lớn giữa tàu hỏa và tàu siêu tốc, để tối ưu thời gian và độ ồn con người không ngừng cải tiến về hình dáng cũng như vật liệu tạo nên con tàu để đạt được tốc độ nhanh nhất.