Ứng dụng Catia trong tính toán và thiết kế mô phỏng cơ khí

ỨNG DỤNG CATIA TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CƠ KHÍ hoangnam11@gmail.com Nội dung: Mở đầu Lịch sử phát triển Yêu cầu cấu hình máy tính Tài liệu học tập và nghiên cứu Catia và các ứng dụng của nó Ưu điểm và hạn chế của phần mền 1. Mở đầu Xét về ngành cơ khí, nếu trước đây chúng ta sử dụng các chương trình như MasterCAM, Cimatron, EdgeCAM, Pro Engineer chủ yếu để gia công và phân khuôn, SolidWork, SolidEdge, Mechanical Desktop, Inventor trong thiết kế 3D, lắp ráp-mô phỏng chuyển động, cũng như tính toán, phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ lên từng phần trong sản phẩm, khảo sát sự biến dạng vật thể dưới tác động của lực v.v. Các chương trình này thường làm việc riêng lẽ đôi khi không thuận tiện trong quá trình sản xuất. Các hãng sản xuất lớn thường có xu hướng dùng một phần mềm trọn gói, khả năng đáp ứng được nhiều công việc để có thể làm từng công đoạn riêng biệt sau đó qua một bộ phận cuối cùng tổng hợp, để dễ bảo mật cùng với nhiều yếu tố khác thuận lợi trong quản lý sản xuất. Để có thể tính toán thiết kế thường phải dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) đây là một phương pháp ngày càng được sử dụng rộng rãi với sự trợ giúp của máy tính. Thay vì sử dụng các chương trình chuyên dùng như ANSYS hay ANGOR để giải các bài toán, sau đó liên kết với các chương trình CAD-CAM để tạo ra quá trình mô phỏng rất khó thực hiện. Các hãng nước ngoài có xu hướng dùng các phần mềm CAD/CAM có các công cụ tính toán FEM tích hợp sẵn trong chương trình để việc tính toán, thiết kế dễ dàng hơn. Catia là một trong những chương trình này. Với Catia, đây là một chương trình đầy quyền năng tích hợp nhiều modul thiết kế, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong quá trình sản xuất, người thiết kế phải học sử dụng rất nhiều chương trình riêng biệt để có các phân hệ tương ứng phục vụ cho việc thiết kế thì nay với Catia, chúng ta có đầy đủ các công cụ, lệnh cũng như các giải pháp cho nhiều ngành nghề thiết kế khác nhau như Cơ khí, Cơ-Điện tử, Điện-Điện tử, Tự động Hóa, Giao thông, Kiến trúc v.v. Ngoài các chức năng cơ bản trong thiết kế cơ khí như vẽ phác, biên dạng, bề mặt, thiết kế thép tấm, lắp ráp, chú giải sai số, gia công và phân khuôn, Catia còn có các chức năng chuyên sâu Shape Design & Styling như: Vẽ các biên dạng phức tạp, số hóa và tối ưu các biên dạng bề mặt, tạo những hình ảnh tương tác bắt mắt cũng như tạo chuyển động qua chức năng Photo Studio của chương trình. Các hãng sử dụng Catia: Theo thống kê của nhà sản xuất, hiện nay có khoảng trên 20.000 hãng trên toàn thế giới sử dụng Catia như: Daimler Chrysler, Boeing, BMW, Volvo, Ferrari, United airlines, Mercedes-Benz, Toyota, Honda, FORD, Huyndai, Deawoo, Volkswagen, Pratt Whitney, Goodyear Tire, Kelsey-Hayes, Freightliner Truck, Lockheed Martin, Lear Jet, Northrop Grumman Corp. Phần mền Cad/Cam có tính năng tương tự: Unigraphics. Unigraphics cũng được sử dụng ở các hãng: GMC, Nissan, Isuzu, Mazda… 2. Lịch sử phát triển của mần mền Catia CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) là một bộ phần mền thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được Công ty Dassault Systemes(Pháp) phát triển và IBM phân phối trên toàn thế giới. Catia được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++. Phần mềm này được viết vào cuối những năm 1970 và đầu 1980 để phát triển máy bay chiến đấu Mirage của Dassault, sau đó được áp dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, đóng tàu, và các ngành công nghiệp khác. Kiến trúc sư Fank Gehry đã sử dụng nó để thiết kế các Bảo tàng Guggenheim Bilbao và Walt Disney Concert Hall. Lúc đầu phần mềm tên là CATI (Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive ), đổi tên thành CATIA năm 1981, sau khi Dassault tạo ra một chi nhánh để phát triển, bán các phần mềm và ký hợp đồng không độc quyền phân phối với IBM. Năm 1984, Hãng sản xuất máy bay Boeing đã chọn CATIA là công cụ chính để thiết kế 3D, và trở thành khách hàng lớn nhất. Năm 1988, CATIA phiên bản 3 đã được chuyển từ các máy tính Mainframe sang UNIX. Năm 1990, General Dynamics/Electric Boat Corp đã chọn CATIA như là công cụ chính thiết kế 3D, thiết kế các tàu ngầm hạt nhân của Hải quân Hoa Kỳ. Năm 1996, nó đã được chuyển từ một hệ điều hành sang bốn hệ điều hành Unix, bao gồm IBM AIX, Silicon Graphics IRIX, Sung Microsystems SunOS và Hewlet-Packard HP-UX. Năm 1998, phiên bản CATIA V5 đã được phát hành, với sự hỗ trợ cho UNIX, Windows NT và Windows XP từ 2001. Năm 2008, Dassault công bố CATIA V6, hỗ trợ cho các hệ điều hành Windows, các hệ điều hành không phải Windows không được hỗ trợ nữa. 3. Yêu cầu cấu hình máy Dung lượng phần mền Catia V5, V6 khoảng 1,2G và CD help, sau khi cài đạt khoảng 3 G. Do đó yêu cầu cấu hình máy tính là khá cao, ở đây đưa ra cấu hình máy có thể đáp ứng tốc độ thao tác của một người thiết kế chuyên nghiệp: - CPU: pentium 4 - Ram: 1 G - Hard disk: trống 2 G sau khi cài đặt - Screen resolution: 1024 x 768, colour 16 bit 4. Tài liệu học tập và nghiên cứu Thiết kế sản phẩm với CATIA P3V5 – Nguyễn Hữu Lộc Bài tập thiết kế sản phẩm với CATIA P3V5 – Nguyễn Hữu Lộc Thiết Kế Cơ khí Và Mô Phỏng 3D Với Catia – Phạm Quang Huy Inside CATIA – Paul Carman, Paul Tigwell CATIA V5r16 for Designers – Sham Tikoo CATIA V5 Workbook – Richard Cozzens CATIA V5 FEA Tutorials Release 17 – Nader Zamani 5. Catia và các ứng dụng của nó Catia là một phần mền phức hợp của CAD/CAM/CAE bao gồm các modul chính sau: Mechanical Deigsn, Shape Design and Styling, Analysis, Manufacturing, Equipments and systems, Infrastructure Design, Product synthesis. 5.1. Mechanical Deigsn: Cho phép xây dựng các chi tiết, các sản phẩm lắp ghép trong cơ khí. Vẽ và thiết kế các chi tiết 2D, 3D. Xuất bản vẻ 2D.                    - Lắp ráp các chi tiết, Mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết. - Tạo mô hình khung dây và mặt ngoài. - Ghi chú thích và sai số kích thước trong không gian 3D. 5.2. Shape Design and Styling:  Modul này cho phép thiết kế các bề mặt có biên dạng, kiểu dáng phức tạp trong lĩnh vực thiết kế vỏ ô tô, tàu biển, máy bay,… - Thiết lập bản vẽ nhanh, vẽ các biên dạng phức tạp. Tối ưu các biên dạng bề mặt. Xây dựng hình dạng chi tiết bằng số hóa tọa độ các điểm. Tạo những hình ảnh tương tác bắt mắt qua việc thay đổi Camera, gán vật liệu, cũng như tạo chuyển động, diễn họa kết quả ở không gian phối cảnh qua chức năng Photo Studio. Tái lập nhanh cấu trúc bề mặt một chi tiết. 5.3. Analysis: Module này cho phép tính toán kiểm tra và mô phỏng chi tiết chịu tải trọng trong môi trường kết cấu liên tục hoặc trong môi trường nhiệt độ. Từ đó cho phép tối ưu kết cấu. Phân tích cấu trúc. Phân tích cấu trúc bộ phận lắp ráp. Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn. Phân tích dung sai của mô hình lắp ráp bị biến dạng. Kiểm chứng chi tiết đã được phân tích. 4.4. Manufacturing:  Cho phép mô phỏng quá trình gia công chế tạo chi tiết thông qua việc lựa chọn dao, chế độ cắt, gá đặt từ đó cho phép người thiết kế lựa chọn quá trình chế tạo hợp lý nâng cao chất lượng gia công và tiết kiệm vật liệu. Gia công cơ khí, gia công khuôn. Gia công bề mặt xác định bởi 3 trục tọa độ và bề mặt xác định bởi nhiều trục tọa độ. Xuất giữ liệu sang G-code tiện lợi gia công trên CNC 5.5. Equipments and systems: Cho phép xây dựng các trang thiết bị, các hệ thống của một nhà máy theo tiêu chuẩn. Thiết kế mạch điện, mạch in, hệ thống đi dây. Thư viện thiết bị điện rất phong phú. Thiết kế, lắp đặt hệ thống đường ống dẫn. Thiết kế hệ thống giữ xe, nhà để xe. 5.6. Infrastructure Design : Cho phép thiết kế mặt bằng xưởng, nhà máy, dây chuyền sản xuất. 5.7. Product synthesis: - Tạo mới và gọi thiết bị hay dùng trong thiết kế cơ khí từ thư viện mẫu có sẵn như bánh răng, đai truyền, bulông v.v. . . để thiết kế nhanh và dễ. Phân tích sai số trong lắp ráp kết cấu. Mô phỏng động học. Các ứng dụng của Catia: Thiết kế các chi tiết, kết cấu trong cơ khí, thiết kế khuôn. - Thiết kế các kiểu dáng hình học 3D với những mặt cong bất kỳ. Phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Mô phỏng động học. Gia công CNC. Thiết kế nhà xưởng. Thiết kế hệ thống điện, điện tử, thủy lực. 6. Ưu điểm và hạn chế của phần mền Ưu điểm: Phần mền trọn gói, giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm trên máy tính. Khả năng đồ họa mạnh, vẽ và đưa ra mô hình cấu trúc nhanh và chính xác. Thư viện phần tử lớn, thuận lợi trong thiết kế . Giải và mô phỏng được nhiều bài toán trong kỹ thuật. Cho phép xuất kết quả ra nhiều dạng khác nhau. Chạy trên nhiều hệ điều hành. Cài đặt chương trình không khó. Hạn chế: Catia không có hỗ trợ SNAP, OSNAP làm tốn thời gian truy bắt điểm. Có nhiều thanh công cụ, đôi khi làm rối đối với những người chưa thành thạo với Catia. Tài liệu chủ yếu là tiếng Anh, tiếng Đức, tiếng Nhật mà chưa có nhiều tài liệu tiếng việt.