Ứng dụng thiết kế tối ưu hóa SW – Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc xe đạp

Trước đây chúng ta đã hoàn thành mặt cong tối ưu hóa đáp ứng yêu cầu thiết kế cấu trúc cơ bản khung xe, tiếp tục tối ưu hóa thiết kế mô hình xe. Còn nhớ bức ảnh tay đua xe đạp địa hình cao cấp ở kỳ đầu không? Dưới tình hình không xem xét yếu tố xe đạp, tay đua nhoài người về phía trước trên yên xe để giảm diện tích cản gió, sức cản gió tương tự cũng giảm.

Đối với xe đạp địa hình, thì không đơn giản như vậy. Kỳ này là tối ưu hóa động lực học thể lưu, nghĩa là lực kéo gây ra bởi tải trọng gió được tối thiểu hóa, chúng tôi sử dụng SolidWorks Flow Simulaition để nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa cấu trúc xe đạp. Phân tích này thì tương tối đơn giản, có thể dùng phần mềm phân tích thể lưu khác, giải pháp dễ dàng như Fluent .
Trong phân tích thể lưu, chúng tôi có thể xem xét thực thể được phân tích như một cấu trúc ổn định tĩnh, như vậy thì tỉ trọng tốc độ gió lớn hơn tốc độ dòng chảy tự nhiên thực tế.

Miền này được phân tích bằng phương pháp thể tích hữu hạn, qua phương pháp này, đem “chiếc hộp” phân tách thành các phần nhỏ hơn để tính toán dễ dàng (ô vuông càng nhỏ và càng nhiều thì kết quả sẽ càng chính xác, nhưng thời gian tính toán sẽ càng dài ), vấn đề sàng lọc sẽ được thảo luận sau. Trục X sẽ được dùng làm hướng tải gió .
Sử dụng các công cụ dẫn đường để xác định các loại tiền xử lý, lưu ý rằng hiện tại là phân tích lưu lượng bên ngoài. Trong điều kiện môi trường xung quanh (áp suất khí quyển tiêu chuẩn), tốc độ dòng chảy tự do được xác định là 14 m / s (50 km), các giá trị mặc định khác. Tải trọng tốc độ gió sẽ không thay đổi trong suốt quá trình phân tích .

 Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc xe đạp (minh họa 1)

Trước khi chúng tôi khởi động máy phân tích tính toán, chúng tôi cần nhập một số mục tiêu công trình. Đó là phương pháp tốt để những thu thấp các số liệu liên quan đồng thời đảm bảo thu được kết quả .
Bằng cách thiết lập một mục tiêu toàn diện tối đa theo hướng X (đây là lực kéo cần thiết ), chúng ta có thể dễ dàng tìm ra giá trị này .Khi tính toán, có thể thấy quá trình thu thập giá trị này .
Giá trị lực kéo thu được là 4,16 N, đây là giá trị tham chiếu của chúng tôi. Phân tích bước đầu thông qua biểu đồ cắt tốc độ chèn chúng ta có thể hiểu hơn hành vi lưu động. Trong điều kiện lý tưởng, phạm vi tốc độ dòng chảy không thể quá lớn .
Một biểu đồ quỹ đạo dòng chảy được tạo ra sẽ cho phép chúng ta xác định các khu vực của dòng chảy hỗn loạn và không ổn định .
Bản đồ quỹ đạo dòng chảy rõ ràng cho thấy một số khu vực có vấn đề ở gần ống đầu và gióng yên (đây là một thiết kế không tốt) .
Quay lại việc sau khi tối ưu hóa ống đầu kết hợp giữa viền ống đầu và hình dạng kiểu giọt nước và kiểu cánh, phân tích lại, có thể thấy, lưu động có sự cải thiện rõ rệt .
Lực kéo mới là 3,658 N (lực cản giảm 12%)
Bây giờ lắp bộ phận quan trọng của xe vào, tiến hành phân tích, phán đoán ảnh hường khác. Khi tiến hành phân tích lưu lượng trên các modun hoặc các linh kiện phức tạp, tốt nhất là thêm kiểm tra hình học để đảm bảo rằng phân tích được thiết lập chính xác.

 Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc xe đạp (minh họa 2)

Công cụ“mô hình kiểm tra”có thể tính toán thể tích chất lỏng đồng thời tạo ra tài liệu thực thể linh kiện cần phân tích, để phán đoán phân tích miền thể rắn và thể lỏng có đúng không .

Đối với phân tích hiện nay, khung xe, bánh xe, bình đều làm rỗng. Tuy nhiên, các khoang rỗng này không ảnh hưởng đến phân tích lưu lượng bên ngoài, vì vậy chúng tôi cho giả định nó đặc có thể đảm bảo thời gian xử lý càng nhanh .
Mô hình sau khi đơn giản hóa (bản đồ bán giải phẫu )như sau:
Từ hình ảnh trên có thể thấy, mặt cắt ngang của modun chất rắn cho thấy bộ phận thực sự là thể rắn và không bao gồm bất kỳ lỗ rỗng không mong muốn nào. Điều này thì tiết kiệm thời gian và bảo đảm tính chuẩn xác .
Bây giờ chúng ta có nhiều modun hơn, bạn cần quay lại thiết lập phân tích để tinh chỉnh lưới và đảm bảo kết quả chính xác . Trong điều kiện lý tưởng, cần có 3-4 lưới sàng lọc trên mỗi con đường hẹp để đảm bảo tính chính xác của phép tính. Chúng ta có thể tính toán khe hở tối thiểu trong hình học bằng cách kiểm tra khoảng cách đầu tiên và sau đó đặt giá trị này là kích thước khe hở nhỏ nhất trong cài đặt lưới cho nghiên cứu dòng chảy.

Sau đó có thể thay đổi thanh trượt sàng lọc cho đến khi lưới đáp ứng yêu cầu, ví dụ ở đây thiết lập là 4.

Khi phân tích tình huống phức tạp hơn, có thể khó phân biệt một thành phần đơn lẻ (chẳng hạn như bình nước) ảnh hưởng đến dòng chảy thế nào. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể tạo bản đồ quỹ đạo tiếp xúc với bề mặt được chỉ định. Nếu bạn muốn xem làm thế nào một chai nước ảnh hưởng đến các đặc tính dòng chảy. Khi tạo bản đồ quỹ đạo dòng chảy, bạn có thể chọn modun đồng thời kích hoạt tất cả các mặt để đạt tới cực điểm .

Điều này có thể bảo đảm chúng ta chỉ nhìn thấy quỹ đạo tiếp xúc với bình .
Kết quả phân tích cho thấy, ảnh hưởng của chiếc bình này lên tất cả lực kéo kể trên (<1%)có thể bỏ qua. Đây có thể là do không gian ở đây tương đối lớn, vì vậy nó được thiết kế đặc biệt để chứa bình. Thông thường ở quảng cáo của các nhà chế tạo xe đạp cắt kim loại bánh sau sẽ “khiến lưu thông khí bánh sau mượt mà hơn”, để chúng tôi kiểm tra một chút xem có thật sự như vậy không .
Chúng tôi lắp đặt hai thí nghiệm, 1 là thiết kế ban đầu, cái còn lại là tiến hành cắt kim loại khung xe bánh sau. Có thể thấy, sau khi cắt kim loại, lưu động khi mượt mà hơn, giảm 4% lực cản. Còn một cách nói khác là hệ thống phanh xe ẩn, ý tưởng là để ẩn caliper phanh dưới khung xe hoặc phía sau nĩa xe. Caliper phanh có ảnh hưởng lớn thế nào đến lực kéo? Có đáng để hi sinh tính năng phanh không ? Chúng ta cùng xem nhé !

Dựa vào phân tích lần này, thiết kế này chỉ tối ưu hóa 0,42%.Như vậy có thể thấy,phải cân nhắc liệu cần thiết hy sinh tính năng phanh để có được cải tiến này.Thí nghiệm tối ưu hóa xe đạp lần này kết thúc,trong bài viết không đề cập đến bước thao tác chi tiết, chỉ là cung cấp mạch suy nghĩ, làm sao thể thiết kế trên sản phẩm, sử dụng công cụ chuyên nghiệp, tối ưu hóa sản phẩm khoa học hơn, có nhiều công cụ thử nghiệm phân tích tương tự, thấy rõ các chi tiết thiết kế sản phẩm, nâng cao kỹ năng nghề nghiệp bản thân.

Xe đạp Nghĩa Hải là nhà phân phối độc quyền các dòng xe đạp Nhật Bản với thương hiệu Maruishi nổi tiếng, có bề dày hoạt động hơn 130 năm. Hãng xe đạp Maruishi có nhiều dòng xe và đa dạng về kiểu dáng, mẫu mã như xe đạp cào cào, xe đạp mini, xe đạp địa hình, xe đạp gấp, xe đạp thể thao,…