Giáo trình tin học ứng dụng

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TS. TẠ TUẤN HƢNG (Chủ biên)
ThS. NGUYỄN THÀNH NAM, ThS. ĐỖ THÀNH PHƢƠNG
ThS. CHU VĂN HUỲNH, ThS. VŨ THẾ TRUYỀN

GIÁO TRÌNH

TIN HỌC ỨNG DỤNG
TRONG CƠ KHÍ
Dùng cho đào tạo Đại học, Cao đẳng
Ngành: Cơ khí

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ
Hà Nội, 2020


2


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... 8
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... 15
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 17
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 19
1.1. Ứng dụng máy tính trong thiết kế, lập trình và mơ phỏng trong
cơ khí ....................................................................................................... 19
1.1.1. Trợ giúp của máy tính trong thiết kế ............................................. 19

1.1.2. Trợ giúp của máy tính trong tính tốn, phân tích .......................... 20
1.1.3. Trợ giúp của máy tính trong điều khiển q trình gia cơng........... 22
1.1.4. Tính tích hợp các phần mềm cơ khí và lập trình ........................... 24
1.2. Giới thiệu phần mềm MATLAB.................................................... 26
1.3. Giao diện và các thành phần.......................................................... 29
1.3.1. Giao diện màn hình chính .............................................................. 29
1.3.2. Giao diện đồ thị.............................................................................. 30
1.3.3. Giao diện các ứng dụng ................................................................. 31
1.3.4. SIMULINK và các môđun mô phỏng............................................ 31
1.4. HELP VÀ DEMO ........................................................................... 47
Chƣơng 2. DỮ LIỆU VÀ TÍNH TỐN TRONG MATLAB .................... 49
2.1. Dữ liệu số trong MATLAB ............................................................ 49
2.2. Biến và hàm trong MATLAB ........................................................ 50
2.2.1. Biến ................................................................................................ 50
2.2.2. Toán tử và hàm .............................................................................. 51
2.3. Véctơ và ma trận ............................................................................. 52
2.3.1. Véctơ .............................................................................................. 53
2.3.2. Ma trận ........................................................................................... 55
3


2.3.3. Tính tốn với véctơ và ma trận ...................................................... 60
2.4. Đa thức ............................................................................................. 64
2.4.1. Giá trị của đa thức .......................................................................... 64
2.4.2. Tìm nghiệm của đa thức ................................................................ 65
2.4.3. Tìm đa thức khi biết trƣớc nghiệm ................................................ 65
2.4.4. Cộng (trừ) các đa thức ................................................................... 66
2.4.5. Nhân hai đa thức ............................................................................ 66
2.4.6. Chia hai đa thức ............................................................................ 66
2.5. Dữ liệu dạng cấu trúc và trƣờng ................................................... 67

2.5.1. Cấu trúc .......................................................................................... 67
2.5.2. Trƣờng ........................................................................................... 69
2.6. Chuyển đổi dạng dữ liệu ................................................................ 71
2.6.1. Hàm chuyển đổi từ ký tự sang ASCII và ngƣợc lại ....................... 71
2.6.2. Hàm chuyển đổi từ dữ liệu số sang chuỗi và ngƣợc lại ................. 71
2.7. Nội và ngoại suy trong MATLAB ................................................. 75
2.7.1. Hàm nội suy một biến .................................................................... 75
2.7.2. Hàm nội suy hai biến ..................................................................... 76
2.7.3. Nội suy bằng hàm polyfit............................................................... 78
2.7.4. Ngoại suy bằng hàm spline ............................................................ 78
2.8. Đồ họa trong MATLAB ................................................................. 78
2.8.1. Cửa sổ Figure ................................................................................. 79
2.8.2. Đồ họa 2 chiều (2D Graphics) ....................................................... 83
2.8.3. Đồ họa 3 chiều (3D Graphics) ....................................................... 84
Chƣơng 3. LẬP TRÌNH TRONG MATLAB............................................... 95
3.1. Scripts file và functions .................................................................. 95
3.1.1. Scripts file ...................................................................................... 95
3.1.2. Function ......................................................................................... 97
3.2. Các lệnh nhập, xuất trong MATLAB ......................................... 100

4


3.2.1. Các lệnh nhập dữ liệu .................................................................. 101
3.2.2. Mở tệp để ghi hoặc đọc dữ liệu ................................................... 104
3.2.3. Lệnh đóng tệp fclose .................................................................... 104
3.2.4. Lệnh ghi dữ liệu ........................................................................... 104
3.2.5. Các lệnh xuất dữ liệu ................................................................... 105
3.3. Các toán tử so sánh ....................................................................... 106
3.4. Cấu trúc điều kiện hoặc rẽ nhánh ............................................... 107

3.4.1. Các lệnh if .................................................................................... 107
3.4.2. Lệnh switch .................................................................................. 109
3.5. Các vòng lặp .................................................................................. 112
3.5.1. Vòng lặp for ................................................................................. 112
3.5.2. Vòng lặp while ............................................................................. 116
3.5.3. Lệnh break ................................................................................... 117
3.6. Một số hàm tìm nghiệm và cực trị............................................... 117
3.6.1. Tìm điểm 0 của hàm số ................................................................ 117
3.6.2. Tìm điểm cực tiểu ........................................................................ 118
3.7. Đạo hàm, tích phân và giải phƣơng trình vi phân ..................... 120
3.7.1. Đạo hàm ....................................................................................... 120
3.7.2. Ngun hàm và tích phân ............................................................ 121
3.7.3. Giải phƣơng trình vi phân thƣờng ............................................... 124
3.8. Lập trình giao diện đồ họa ........................................................... 128
3.8.1. Giới thiệu về GUIDE ................................................................... 128
3.8.2. Một số mẫu GUIDE ..................................................................... 129
3.8.3. Tạo một ứng dụng đơn giản bằng GUIDE ................................... 134
3.8.4. Lập trình giao diện theo chƣơng trình ......................................... 144
Chƣơng 4. SIMULINK ................................................................................. 155
4.1. Giới thiệu chung ............................................................................ 155
4.2. Các khối và hàm cơ bản trong SIMULINK ............................... 158

5


4.3. Hệ thống con .................................................................................. 185
4.3.1. Ƣu điểm của hệ thống con ........................................................... 185
4.3.2. Cách tạo một hệ thống con .......................................................... 185
4.4. Quy trình mơ hình hóa cơ bản ..................................................... 188
4.4.1. Định nghĩa hệ thống ..................................................................... 188

4.4.2. Mơ hình hóa hệ thống .................................................................. 190
4.4.3. Mô phỏng hệ thống ...................................................................... 193
4.5. Ví dụ tạo mơ hình đơn giản.......................................................... 199
4.5.1. Mở mơ hình mới trong SIMULINK Editor ................................. 200
4.5.2. Tìm các khối đƣa vào SIMULINK Editor ................................... 201
4.5.3. Di chuyển và thay đổi kích thƣớc khối ........................................ 203
4.5.4. Kết nối các khối ........................................................................... 203
4.5.5. Xác định tham số cấu hình ........................................................... 206
4.5.6. Chạy mô phỏng ............................................................................ 206
4.5.7. Quan sát kết quả mô phỏng.......................................................... 207
4.6. Mở một mơ hình có sẵn ................................................................ 208
4.7. Khắc phục lỗi khi mô phỏng bằng SIMULINK ......................... 208
4.7.1. Khởi động và ngừng mơ phỏng ................................................... 208
4.7.2. Chẩn đốn mô phỏng ................................................................... 210
4.7.3. Mô phỏng thử nghiệm và gỡ lỗi .................................................. 210
Chƣơng 5. MƠ PHỎNG MỘT SỐ MƠ HÌNH CƠ KHÍ BẰNG MATLAB
SIMULINK ..................................................................................................... 217
5.1. Mơ hình dao động ¼ ..................................................................... 217
5.1.1. Phân tích mơ hình vật lý .............................................................. 217
5.1.2. Xây dựng phƣơng trình vi phân mơ tả dao động của mơ hình ¼ 218
5.1.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng mơ hình dao động ¼ .................... 218
5.1.4. Xuất kết quả và đánh giá.............................................................. 220
5.2. Mơ hình dao động ½ ..................................................................... 223

6


5.2.1. Phân tích mơ hình vật lý .............................................................. 223
5.2.2. Xây dựng phƣơng trình vi phân mơ tả dao động của mơ hình ½ 224
5.2.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng dao động ½................................... 226

5.2.4. Chạy mơ phỏng và đánh giá kết quả ............................................ 229
5.3. Mơ hình xi lanh thủy lực .............................................................. 233
5.3.1. Phân tích mơ hình vật lý .............................................................. 234
5.3.2. Xây dựng phƣơng trình tốn học mơ tả hệ thống ........................ 234
5.3.3. Xây dựng chƣơng trình mơ phỏng ............................................... 236
5.3.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá .................................................... 239
5.4. Mô hình ly hợp .............................................................................. 242
5.4.1. Phân tích mơ hình vật lý .............................................................. 243
5.4.2. Xây dựng phƣơng trình tốn học mơ tả hệ thống ........................ 243
5.4.3. Xây dựng chƣơng trình mơ phỏng ............................................... 245
5.4.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá .................................................... 250
5.5. Mơ hình động cơ ........................................................................... 251
5.5.1. Phân tích mơ hình vật lý .............................................................. 251
5.5.2. Xây dựng phƣơng trình tốn học mơ tả động cơ đốt trong .......... 252
5.5.3. Xây dựng chƣơng trình mơ phỏng ............................................... 254
5.5.4. Kết quả mô phỏng ........................................................................ 257
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 262

7


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

8

MATLAB:

MATrix LABoratory

LTE:

Long Term Evolution

2D:

Two Dimensional space

3D:

Three Dimensional space

MIMO:

Multiple In, Multiple Out

HDL:

Hardware Description Language

FFT:

Fast Fourier Transform

HIL:

Hardware-in-the-loop


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các giai đoạn thiết kế một sản phẩm cơ khí ........................... 24

Hình 1.2. Các nhóm phần mềm tích hợp khi thiết kế phƣơng tiện giao
thơng ........................................................................................................ 25
Hình 1.3. Màn hình MATLAB ............................................................... 29
Hình 1.4. Màn hình Menu Plots .............................................................. 30
Hình 1.5. Màn hình APPS ....................................................................... 31
Hình 1.6. Cửa sổ SIMULINK ................................................................. 32
Hình 1.7. Cửa sổ Aerospace Blockset ..................................................... 32
Hình 1.8. Cửa sổ Audio System Toolbox ............................................... 33
Hình 1.9. Cửa sổ Communications System Toolbox .............................. 33
Hình 1.10. Cửa sổ Computer Vision System Toolbox............................ 34
Hình 1.11. Cửa sổ Control System Toolbox ........................................... 35
Hình 1.12. Cửa sổ DSP System Toolbox ................................................ 35
Hình 1.13. Cửa sổ Embedded Coder ....................................................... 36
Hình 1.14. Cửa sổ Fuzzy Logic Toolbox ................................................ 37
Hình 1.15. Cửa sổ HDL Coder................................................................ 37
Hình 1.16. Cửa sổ HDL Verifier ............................................................. 38
Hình 1.17. Cửa sổ Neural Network Toolbox .......................................... 38
Hình 1.18. Cửa sổ Phased Array System Toolbox .................................. 39
Hình 1.19. Cửa sổ Simscape ................................................................... 40
Hình 1.20. Cửa sổ SIMULINK 3D Animation ....................................... 40
Hình 1.21. Cửa sổ SIMULINK Coder .................................................... 41
Hình 1.22. Cửa sổ SIMULINK Control Design ..................................... 41
Hình 1.23. Cửa sổ SIMULINK Design Optimization ............................. 42
Hình 1.24. Cửa sổ SIMULINK Design Verifier ..................................... 43
Hình 1.25. Cửa sổ SIMULINK Desktop Real-Time............................... 43
Hình 1.26. Cửa sổ SIMULINK Real-Time ............................................. 44
Hình 1.27. Cửa sổ Stateflow ................................................................... 44
Hình 1.28. Cửa sổ System Identification Toolbox .................................. 45
Hình 1.29. Cửa sổ Vehicle Network Toolbox ......................................... 45

9


Hình 1.30. Cửa sổ Vision HDL Toolbox ................................................ 46
Hình 1.31. Cửa sổ truy cập Help của MATLAB .................................... 47
Hình 1.32. Cửa sổ truy cập Demo của MATLAB .................................. 47
Hình 2.1. Hình biểu diễn dữ liệu dạng 1×4 double ................................. 52
Hình 2.2. Hình biểu diễn dữ liệu dạng 3×4 double ................................. 52
Hình 2.3. Hình biểu diễn dữ liệu dạng 1×1 complex double .................. 53
Hình 2.4. Đồ thị dữ liệu dân số thế giới từ 1970 đến 2017 ..................... 76
Hình 2.5. Cửa sổ Figure ......................................................................... 79
Hình 2.6. Đồ thị đƣợc vẽ bởi các dịng lệnh ........................................... 83
Hình 2.7. Đồ họa 3D vẽ bằng lệnh plot3................................................. 84
Hình 2.8. Đồ thị hàm Z = sin(R)/(R-1) ................................................... 86
Hình 2.9. Các dạng đồ thị 3D.................................................................. 87
Hình 2.10. Đồ thị hàm S = y/(3+2x2+y2) ................................................ 87
Hình 3.1. Các giá trị đƣợc nhập vào Workspace..................................... 97
Hình 3.2. Đồ thị Pie............................................................................... 112
Hình 3.3. Biên dạng đƣờng ngẫu nhiên xây dựng bằng lệnh for .......... 116
Hình 3.4. Sơ đồ tính tích phân .............................................................. 121
Hình 3.5. Nghiệm của phƣơng trình y‟ = sin(t) + cos(t) ....................... 125
Hình 3.6. Nghiệm của phƣơng trình y‟ = 3t .......................................... 126
Hình 3.7. Nghiệm của phƣơng trình val der Pol ................................... 127
Hình 3.8. Các thành phần của Layout Editor ........................................ 129
Hình 3.9. Cửa sổ khởi đầu GUIDE ....................................................... 130
Hình 3.10. Cửa sổ Blank GUI ............................................................... 131
Hình 3.11. Cửa sổ GUI with Uicontrols ............................................... 131
Hình 3.12. Giao diện ngƣời học tính khối lƣợng .................................. 132
Hình 3.13. Cửa sổ GUI Với Axes and Menu ........................................ 132
Hình 3.14. Giao diện tạo rand (5) ......................................................... 133

Hình 3.15. Cửa sổ Modal Question Dialog ........................................... 133
Hình 3.16. Giao diện ngƣời học dạng Yes/No ...................................... 134
Hình 3.17. Giao diện vẽ các dạng đồ thị ............................................... 134
Hình 3.18. Thêm các nút ấn trong GUI ................................................. 135
Hình 3.19. Thêm Pop-up và Static text ................................................. 135

10


Hình 3.20. Cửa sổ căn chỉnh các nút ấn ................................................ 136
Hình 3.21. Hộp thoại nhập tên nút ấn ................................................... 137
Hình 3.22. Hộp thoại nhập Pop-up........................................................ 138
Hình 3.23. Cửa sổ nhập Static Text ...................................................... 138
Hình 3.24. Cách vào thiết lập Callback................................................. 142
Hình 3.26. Giao diện vẽ đồ thị hồn thành ........................................... 143
Hình 4.1. Cách khởi động SIMULINK bằng cầu lệnh.......................... 156
Hình 4.2. Cửa sổ ban đầu của SIMULINK của MATLAB 2016.......... 156
Hình 4.3. Màn hình Blank Model ......................................................... 157
Hình 4.4. Cửa sổ các khối chức năng của SIMULINK......................... 157
Hình 4.5. Nhóm Commonly Used Blocks ............................................ 158
Hình 4.6. Nhóm Continuous ................................................................. 159
Hình 4.7. Ví dụ về một số khối Continuous.......................................... 160
Hình 4.8. Nhóm Dashboard .................................................................. 161
Hình 4.9. Nhóm Discontinuities............................................................ 161
Hình 4.10. Khối Dead Zone với ngƣỡng -0,5 đến 0,5 .......................... 163
Hình 4.11. Nhóm Discrete .................................................................... 163
Hình 4.12. Nhóm Logic and Bit Operations ......................................... 165
Hình 4.13. Hộp thoại Logical Operator ................................................ 166
Hình 4.14. Các icon logic ...................................................................... 166
Hình 4.15. Nhóm Lookup Tables .......................................................... 167

Hình 4.16. Nhóm Math Operations ....................................................... 168
Hình 4.17. Một ví dụ về khối Devide.................................................... 170
Hình 4.18. Nhóm Model Verification ................................................... 171
Hình 4.19. Nhóm Model-Wide Utilities ............................................... 172
Hình 4.20. Nhóm Port & Subsystems ................................................... 173
Hình 4.21. Nhóm Signal Attributes....................................................... 174
Hình 4.22. Nhóm Signal Routing .......................................................... 175
Hình 4.23. Nhóm Sink .......................................................................... 176
Hình 4.24. Cửa sổ Scope ....................................................................... 176
Hình 4.25. Hộp thoại Scope .................................................................. 177
Hình 4.26. Hộp thoại XY Graph ........................................................... 178

11


Hình 4.27. Hộp thoại To Workspace .................................................... 178
Hình 4.28. Hộp thoại To File ................................................................ 180
Hình 4.29. Nhóm Sources ..................................................................... 180
Hình 4.30. Nhóm User-Defined Functions ........................................... 183
Hình 4.31. Nhóm Additional Discrete .................................................. 184
Hình 4.32. Nhóm Additional Math: Increment-Decrement .................. 184
Hình 4.33. Mơ hình phép cộng 2 số và hệ thống con tƣơng ứng .......... 186
Hình 4.34. Khối tính và chƣơng trình con xuất ra Workspace ............. 187
Hình 4.35. Tạo hệ thống con bằng tùy chọn ......................................... 188
Hình 4.36. Sơ đồ định nghĩa hệ thống của mơ hình .............................. 188
Hình 4.37. Sơ đồ quy trình mơ hình hóa ............................................... 191
Hình 4.38. Sơ đồ kết hợp các mơ hình .................................................. 193
Hình 4.39. Quy trình chuẩn bị mơ phỏng.............................................. 194
Hình 4.40. Sơ đồ quy trình chạy và đánh giá mơ phỏng ....................... 196
Hình 4.41. Cửa sổ Solver ...................................................................... 196

Hình 4.42. Cửa sổ Data Import/Export ................................................. 198
Hình 4.43. Cửa sổ Optimization ........................................................... 198
Hình 4.44. Cửa sổ Diagnostics .............................................................. 199
Hình 4.45. Mơ hình SIMULINK cần xây dựng .................................... 199
Hình 4.46. Cửa sổ khởi động SIMULINK ............................................ 200
Hình 4.47. Cửa sổ SIMULINK Editor .................................................. 201
Hình 4.48. Vị trí khối Sine Wave .......................................................... 202
Hình 4.49. Cách chọn khối Scope ......................................................... 202
Hình 4.50. Các khối cần thiết trong SIMULINK Editor ....................... 203
Hình 4.51. Kết nối khối Sine Wave và Bus Creator ............................. 204
Hình 4.52. Biểu tƣợng Ablue khi chọn kết nối các khối ....................... 204
Hình 4.53. Cách nối nhánh tín hiệu....................................................... 205
Hình 4.54. Mơ hình hồn thành ............................................................ 206
Hình 4.55. Cửa sổ Scope khi chƣơng trình chạy xong.......................... 207
Hình 4.56. Cách vào hộp thoại Style..................................................... 207
Hình 4.57. Cửa sổ Diagnostic Viewer................................................... 210
Hình 4.58. Cách chạy và hộp thoại Simulation Stepping ..................... 212

12


Hình 4.59. Các bƣớc mơ phỏng khác nhau ........................................... 213
Hình 5.1. Mơ hình dao động ¼ ............................................................. 217
Hình 5.2. Sơ đồ mơ phỏng dao động ¼ bằng SIMULINK ................... 219
Hình 5.3. Khai báo thông số trong khối Signal Builder ........................ 220
Hình 5.4. Một số kết quả hiển thị bằng Scope ...................................... 221
Hình 5.5. Các kết quả trong Workspace khi mơ phỏng xong ............... 221
Hình 5.6. Kết quả dao động của ô tô khi đi qua mấp mô dạng xung .... 222
Hình 5.7. Mơ hình dao động ½ ............................................................. 223
Hình 5.8. Mấp mơ mặt đƣờng dạng hình cosine ................................... 225

Hình 5.9. Sơ đồ mơ phỏng dao động ½................................................. 226
Hình 5.10. Sơ đồ mô phỏng dao động của khối lƣợng đƣợc treo ......... 227
Hình 5.11. Sơ đồ mơ phỏng tính lực đàn hồi và giảm chấn .................. 227
Hình 5.12. Sơ đồ mơ phỏng tính cầu trƣớc ........................................... 228
Hình 5.13. Sơ đồ mơ phỏng tính cầu sau .............................................. 228
Hình 5.14. Sơ đồ mơ phỏng mặt đƣờng cosine ..................................... 228
Hình 5.15. Đồ thị biên dạng đƣờng cosine ........................................... 230
Hình 5.16. Đồ thị gia tốc thẳng đứng của khối lƣợng đƣợc treo .......... 230
Hình 5.17. Đồ thị tải trọng thẳng đứng 1 bánh xe cầu trƣớc................. 231
Hình 5.18. Đồ thị tải trọng thẳng đứng 1 bánh xe cầu sau .................... 231
Hình 5.19. Biên dạng đƣờng ngẫu nhiên ISO C-D trong miền thời gian.
............................................................................................................... 232
Hình 5.20. Đồ thị gia tốc thẳng đứng của khối lƣợng đƣợc treo .......... 232
Hình 5.21. Đồ thị tải trọng thẳng đứng 1 bánh xe cầu trƣớc................. 232
Hình 5.22. Đồ thị tải trọng thẳng đứng 1 bánh xe cầu sau .................... 233
Hình 5.23. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực 1 xi lanh ................... 234
Hình 5.24. Sơ đồ mơ phỏng khối Bơm ................................................. 236
Hình 5.25. Sơ đồ mơ phỏng khối van điều khiển .................................. 236
Hình 5.26. Sơ đồ mơ phỏng xi lanh thủy lực ........................................ 237
Hình 5.27. Sơ đồ mơ phỏng quy luật van điều khiển ............................ 237
Hình 5.28. Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền động 1 xi lanh thủy lực .. 238
Hình 5.29. Cài đặt các thơng số mơ phỏng ........................................... 239
Hình 5.30. Đồ thị quy luật bơm Qb ....................................................... 240

13


Hình 5.31. Đồ thị quy luật van điều khiển Adk...................................... 241
Hình 5.32. Đồ thị áp suất trong hệ thống .............................................. 241
Hình 5.33. Đồ thị vị trí pít tơng ............................................................. 242

Hình 5.34. Sơ đồ ly hợp ma sát ............................................................. 243
Hình 5.35. Sơ đồ chuyển đổi giữa trạng thái Locked và Slipping của ly hợp
............................................................................................................... 245
Hình 5.36. Sơ đồ mơ phỏng ly hợp ....................................................... 245
Hình 5.37. Hệ thống con Unlocked ....................................................... 246
Hình 5.38. Hệ thống con Locked .......................................................... 247
Hình 5.39. Hệ thống con Friction Mode Logic ..................................... 248
Hình 5.40. Hệ thống con Requisite Friction ......................................... 248
Hình 5.41. Hệ thống con Lockup Detection ......................................... 249
Hình 5.42. Hệ thống con Break Apart Detection .................................. 249
Hình 5.43. Hệ thống con Lockup FSM ................................................. 249
Hình 5.44. Hệ thống con Friction Model .............................................. 249
Hình 5.45. Đầu vào hệ thống Fn và Tin.................................................. 250
Hình 5.46. Vận tốc góc ωe, ωv, ω .......................................................... 251
Hình 5.47. Sơ đồ mơ phỏng động cơ .................................................... 254
Hình 5.48. Sơ đồ khối Throttle và Manifold ......................................... 255
Hình 5.49. Sơ đồ khối Throttle ............................................................. 255
Hình 5.50. Sơ đồ khối Manifold ........................................................... 255
Hình 5.51. Sơ đồ khối Compression ..................................................... 256
Hình 5.52. Sơ đồ khối Combustion ....................................................... 256
Hình 5.53. Sơ đồ khối Engine Dynamics ............................................. 257
Hình 5.54. Sơ đồ khối valve timing ...................................................... 257
Hình 5.55. Sơ đồ khối Drag Torque ...................................................... 257
Hình 5.56. Tín hiệu đầu vào .................................................................. 258
Hình 5.57. Tốc độ động cơ .................................................................... 258
Hình 5.58. Mômen xoắn động cơ ......................................................... 259

14

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các hằng số và ký hiệu cơ bản trong MATLAB ....................... 49
Bảng 2.2. Các hàm toán học cơ bản .............................................................. 51
Bảng 2.3. Một số dạng khai báo véctơ và ma trận ...................................... 53
Bảng 2.4. Các phép toán cơ bản với ma trận ............................................... 63
Bảng 2.5. Một số câu lệnh về trƣờng và cấu trúc ........................................ 70
Bảng 2.6. Các lệnh chuyển đổi dữ liệu cơ bản trong MATLAB .............. 74
Bảng 2.7. Bảng dân số thế giới từ năm 1970 đến 2017 .............................. 75
Bảng 2.8. Ngƣỡng gia tốc ngang khi quay vòng theo v và δ11 .................. 77
Bảng 2.9. Một số quy ƣớc LATEX ............................................................... 82
Bảng 2.10. Bảng quy định màu và kiểu nét trong MATLAB ................... 84
Bảng 2.11. Các lệnh hiển thị trong đồ họa 3D ............................................ 85
Bảng 3.1. Một số ký hiệu hay dùng khi viết chƣơng trình trong MATLAB
............................................................................................................................ 95

Bảng 3.2. Một số dạng dữ liệu sử dụng trong MATLAB ........................ 100
Bảng 3.3. Một số toán tử logic sử dụng trong MATLAB ........................ 106
Bảng 3.4. Một số cấu trúc trong lập trình................................................... 107
Bảng 3.5. Một số lệnh đạo hàm trong MATLAB ..................................... 120
Bảng 3.6. Một số lệnh tính tích phân trong MATLAB ............................ 122
Bảng 4.1. Các biểu thức logic trong SIMULINK ..................................... 166
Bảng 4.2. Sự khác biệt giữa Stepper và Debugger ................................... 210
Bảng 4.3. Các lệnh gỡ lỗi SIMULINK ....................................................... 214
Bảng 5.1. Một số thông số của xe tải .......................................................... 229

15


16

LỜI NĨI ĐẦU
Giáo trình Tin học ứng dụng trong cơ khí dùng cho đại học, cao
đẳng ngành cơ khí của Trƣờng Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải.
Giáo trình tập trung cung cấp cho ngƣời học các kiến thức cơ bản về
MATLAB-SIMULINK và ứng dụng trong cơ khí động lực nhƣ các mơ
hình dao động ơ tơ, xi lanh thủy lực, động cơ, ly hợp,… Giáo trình cũng
là tài liệu tham khảo bổ ích cho những độc giả quan tâm đến các kỹ thuật,
kỹ năng lập trình nâng cao bằng các phần mềm tính tốn chun dụng
trong kỹ thuật nhƣ MATLAB.
Giáo trình bao gồm 5 chƣơng do TS. Tạ Tuấn Hƣng làm chủ biên,
chịu trách nhiệm biên soạn các Chƣơng 1 và 5; ThS. Nguyễn Thành Nam
biên soạn Chƣơng 2; ThS. Đỗ Thành Phƣơng biên soạn Chƣơng 3; ThS.
Vũ Thế Truyền và ThS. Chu Văn Huỳnh biên soạn Chƣơng 4. Với những
kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật Cơ khí,
chúng tơi hy vọng cuốn giáo trình này sẽ mang đến cho bạn đọc những
kiến thức và thơng tin bổ ích. Trong q trình học tập và nghiên cứu về
các kỹ thuật trong lĩnh vực lập trình, tính tốn và mơ hình hóa các hệ cơ
khí động lực nói riêng và trong lĩnh vực cơ khí nói chung.
Sau phần giới thiệu về tin học ứng dụng trong thiết kế, lập trình, mơ
phỏng và tổng quan về lịch sử phát triển, công dụng, các thành phần chính
của phần mềm MATLAB (Chƣơng 1), giáo trình trình bày về biến và
hàm, dữ liệu và tính tốn trong MATLAB với các cú pháp lệnh và các ví
dụ minh họa tƣơng ứng (Chƣơng 2). Các kỹ thuật lập trình bao gồm các
cấu trúc lệnh rẽ nhánh, vòng lặp và cách lập chƣơng trình bằng m.file
trong MATLAB. Một phần quan trọng khác đƣợc trình bày trong chƣơng
này là phần lập trình giao diện rất hữu ích cho việc tạo chƣơng trình
chun nghiệp (Chƣơng 3). Phần tiếp theo, giáo trình tập trung vào mô tả
SIMULINK là môđun quan trọng bao gồm các khối thực hiện các cơng
việc tính tốn, mơ phỏng đƣợc giới thiệu chi tiết. Một số khối tính tốn,

mơ phỏng thƣờng dùng trong Cơ khí đƣợc giới thiệu và có các ví dụ minh
họa (Chƣơng 4). Nội dung quan trọng của cuốn giáo trình là ứng dụng của
MATLAB SIMULINK trong các bài tốn cơ bản trong Cơ khí động lực
nhƣ bài tốn về xi lanh thủy lực, dao động ơ tô, ly hợp và động cơ đốt
trong (Chƣơng 5). Cuối mỗi chƣơng một lƣợng bài tập phù hợp để ngƣời
học có thể tự kiểm tra kiến thức của mình. Một số kiến thức, thông tin

17


trong cuốn giáo trình đƣợc tham khảo từ các tài liệu của hãng và các giáo
trình của các nhà khoa học trong và ngồi nƣớc.
Chúng tơi xin đặc biệt cảm ơn các ý kiến đóng góp của TS. Nguyễn
Quang Anh, PGS.TS. Bùi Hải Triều, PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc, TS. Vũ
Ngọc Tuấn, TS. Nguyễn Cơng Đồn, các nhà khoa học trong và ngồi
trƣờng đã đóng góp các ý kiến sâu sắc, tâm huyết cho cuốn giáo trình. Do
đƣợc xuất bản lần đầu tiên, giáo trình chắc chắn khơng tránh khỏi những
thiếu sót, hạn chế, cũng nhƣ khơng thể thỏa mãn hết nhu cầu của bạn đọc
trong lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng này. Chúng tôi rất mong nhận đƣợc
những ý kiến đóng góp của bạn đọc để có thể hồn thiện giáo trình trong
lần xuất bản tiếp theo. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Xin trân trọng cảm ơn.
Nhóm tác giả

18


Chƣơng 1
TỔNG QUAN

1.1. Ứng dụng máy tính trong thiết kế, lập trình và mơ phỏng trong
cơ khí
Trong những năm gần đây, máy tính đã trở thành một cơng cụ khơng
thể thiếu đƣợc trong các ngành kinh tế khác nhau. Đặc biệt trong lĩnh vực
tính tốn, thiết kế, gia cơng, sự hỗ trợ của máy tính đã giúp chúng ta giải
quyết hàng loạt các vấn đề mà trƣớc kia không làm đƣợc hoặc phải đƣa
vào các giả thiết để đơn giản hóa. Với sự trợ giúp của máy tính chúng ta
có thể nâng cao chất lƣợng sản phẩm, hạ giá thành. Cho phép rút ngắn
thời gian tạo ra, thay đổi kiểu, dáng của sản phẩm. Tất cả các yếu tố này
tạo cho sản phẩm có khả năng cạnh tranh cao trong nền kinh tế thị trƣờng.
Các trợ giúp của máy tính (CAx) trong ngành cơ khí tập trung vào một số
lĩnh vực nhƣ sau:
Máy tính hỗ trợ thiết kế: Computer Aided Design (CAD).
Máy tính hỗ trợ phân tích, tính tốn: Computer Aided Engineering
(CAE).
Máy tính hỗ trợ q trình sản xuất: Computer Aided
Manufacturing (CAM),…
1.1.1. Trợ giúp của máy tính trong thiết kế

Máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD) đƣợc dùng rộng rãi trong các thiết
bị nền tảng bằng máy tính hỗ trợ cho các kỹ sƣ, kiến trúc sƣ và các
chuyên viên thiết kế khác. Các sản phẩm từ hệ thống nền
tảng véctơ 2D đến các bề mặt và hình khối 3D tạo hình. Sự trợ giúp của
máy tính trong thiết kế là việc tạo ra và xử lí các thiết kế trên máy để giúp
đỡ ngƣời kĩ sƣ trong quá trình thiết kế. CAD đã đƣợc liên tục phát triển
trong những năm vừa qua và đã trở thành một công cụ khơng thể thiếu.
CAD xoay quanh việc liên kết thuộc tính tốt nhất của ba phần chính. Sự
phối hợp giữa khả năng của con ngƣời và máy tính để xử lý các vấn đề
đặt ra trong thiết kế đã tạo ra đƣợc một sự tối ƣu của các hệ thống CAD.
CAD dùng nhiều hình thức khác nhau trong các cơng ty sản xuất. Mơ

hình đơn giản nhất là họa hình 2D. Trong những năm gần đây, dạng mơ
hình 3D đƣợc sử dụng phổ biến. Các thiết bị đƣợc tạo nên từ việc tạo bề

19


mặt hay tạo hình khối, hay kết hợp cả hai. Các bộ phận riêng lẻ đƣợc lắp
thành một sản phẩm hồn chỉnh. Mơ hình lắp ráp giúp cho việc định hƣớng
các bộ phận có ăn khớp đến giai đoạn cuối cùng. Việc kiểm tra các tính
chất có thể đƣợc thực hiện trên mơ hình để bảo đảm độ bền. Các kỹ thuật
và phƣơng pháp phát triển từ A đến Z trong việc thiết kế với CAD đƣợc
phát triển liên tục. Bắt đầu từ việc tạo hình sản phẩm; có thể chia nhỏ thành
các chi tiết; tạo hình các chi tiết nhỏ có liên quan chặt chẽ đến từng hệ
thống kế tiếp. Thiết kế chi tiết các bộ phận chuyên biệt sau đó đƣợc hồn
tất trƣớc khi xây dựng nên việc lắp ráp cuối cùng.
Ngày nay, chức năng của CAD đã vƣợt ra ngồi việc hỗ trợ vẽ đơn
thuần. Các cơng việc nhƣ phân tích các phần tử hữu hạn, tính tốn sự
truyền nhiệt, tính tốn ứng suất, mơ phỏng động lực học cơ cấu, tính tốn
động lực học chất lỏng,… đƣợc thực hiện ngay trong các hệ CAD. Chúng
ta có thể sử dụng ngay các mơ hình đã đƣợc tạo ra một cách trực quan
trên màn hình, nơi mà chúng ta có thể dễ dàng gán cho nó các thuộc tính
vật lý khác nhau nhƣ vật liệu, các lực tác dụng lên chi tiết.
Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều phần mềm CAD với những
cấp độ khác nhau. Có những phần mềm giá chỉ vài trăm đô la với tính
năng hạn chế nhƣng cũng có những gói phần mềm giá hàng chục ngàn
đến hàng trăm ngàn đô la. Cũng có phần mềm CAD riêng lẻ và có những
phần mềm CAD tích hợp trong các phần mềm CAD/CAM. Ở Việt Nam,
trong lĩnh vực cơ khí, các phần mềm CAD phổ biến hiện nay là
AutoCAD, Mechanical Desktop, Inventor, Solid Works, Catia,
Pro/Engineer, Unigraphics, Solid Edge,…

1.1.2. Trợ giúp của máy tính trong tính tốn, phân tích

Nếu CAD là các phần mềm đƣợc dùng để thiết kế các chi tiết, sản
phẩm với định dạng 2D hoặc 3D, thì CAE có thể đƣợc hiểu là q trình
tiếp nối theo sau CAD. Đó là việc sử dụng phần mềm máy tính để mơ
phỏng hoạt động và phân tích ứng xử của sản phẩm, từ đó có hƣớng điều
chỉnh để sản phẩm đƣợc tối ƣu hơn. CAE sẽ là nguồn cung cấp thông tin
chủ yếu hỗ trợ ngƣời kỹ sƣ, ngƣời thiết kế đƣa ra quyết định giải quyết
vấn đề đặt ra. CAE, còn đƣợc gọi là phần mềm mơ phỏng, hỗ trợ các cơng
việc phân tích kỹ thuật. Phần mềm CAE bao gồm phân tích phần tử hữu
hạn (Finite Element Analysis, FEA), động lực học chất lỏng
(Computational Fluid Dynamics, CFD), động lực học hệ nhiều vật
(Multibody Dynamics, MBD) và khả năng tối ƣu hóa. Phần mềm CAE
cho phép ngƣời dùng mô phỏng, xác nhận và tối ƣu hóa các sản phẩm và
20


công cụ sản xuất. Một số sản phẩm CAE cho phép ngƣời dùng mơ hình
hóa các trạng thái khơng liên tục, trong khi những sản phẩm khác có thể
mơ hình hóa các trạng thái liên tục. Một số sản phẩm CAE là mơ phỏng
lai (Hybrid Simulators) có thể mơ hình cả liên tục và rời rạc.
FEA là một kỹ thuật trợ giúp của máy tính để xác định ứng suất,
biến dạng của các kết cấu. Phƣơng pháp này chia kết cấu thành các phần
tử nhỏ với dạng chuẩn đã biết. Sau đó bài tốn tổng thể sẽ đƣợc giải quyết
bằng việc sử dụng một thủ tục liên kết. Giao diện của các phần mềm FEA
đƣợc phát triển sao cho ngƣời dùng dễ dàng tạo ra đƣợc các chƣơng trình
nhập dữ liệu. Phần mềm phân tích sau đó sẽ tự động tạo ra các phƣơng
trình, giải quyết vấn đề đặt ra và đƣa ra những kết quả cần thiết. Bƣớc đầu
tiên trong FEA là tạo ra một mơ hình mà nó phân nhỏ kết cấu thành các
khối nhỏ có dạng chuẩn và xuất nó ra trong một lƣới hệ tọa độ. Các điểm

chia của lƣới đƣợc gọi là nút và đƣợc dùng nhƣ các vị trí của mơ hình nói
mà các kết quả tính tốn đƣợc đƣa ra. Các thuộc tính độ cứng của mỗi
phần tử đƣợc tính tốn bằng chƣơng trình tính các phần tử hữu hạn và sau
đó đƣợc xếp vào một ma trận bên trong máy tính. Ma trận độ cứng này
cùng với giá trị của tải trọng và các điều kiện biên dùng để tính tốn
chuyển vị, tần số riêng, ứng suất và những đặc tính khác của kết cấu.
Trong nhiều trƣờng hợp các mơ hình phần tửu hữu hạn đƣợc phát triển
trên các mẫu thiết kế mà ta đã tiến hành các thử nghiệm và nhƣ vậy ta có
thể thực hiện việc kiểm tra chéo, tạo ra các thay đổi cho bản thiết kế và
trực tiếp kiểm nghiệm các thay đổi này trên các mơ hình hiện thời.
Các bài toán tổng hợp giải quyết việc phát triển các thuộc tính tốt
nhất của cơ cấu thơng qua một tập hợp các kết quả. Ngƣời thiết kế cung
cấp các thông số của cơ cấu và phần mềm sẽ phát triển các phƣơng án.
Bƣớc đầu tiên trƣớc khi thực hiện một bài toán tổng hợp là việc xác định
các thơng số khác nhau cho cơ cấu ví dụ nhƣ số lƣợng khâu, khớp, kiểu
khớp, đặc tính liên kết của các khâu bởi việc xác định khâu nào là cố
định. Các dạng nối kết cơ bản đƣợc định nghĩa nhƣ một chuỗi động học
bên trong chƣơng trình, sau đó các phân tích đƣợc tiến hành và các cấu
trúc của cơ cấu thỏa mãn yêu cầu thiết kế đƣợc xác định. Các phần mềm
giải quyết các bài toán động học tổng hợp thƣờng sử dụng đồ họa để cải
thiện quan hệ ngƣời và máy. Các điểm xác định bởi ngƣời dùng cũng nhƣ
các véctơ chuyển động có thể dễ dàng dịch chuyển trên màn hình. Sau khi
một số điểm xác định đƣợc chọn, phần mềm sẽ hiển thị tất cả các vị trí có
thể của những điểm thêm vào để hồn chỉnh cơ cấu. Một vài phần mềm

21


cịn có khả năng mơ phỏng một cách sinh động hoạt động của các cơ cấu
để kiểm tra một vài chi tiết chỉ tiêu ví dụ nhƣ khơng gian cần thiết cho

hoạt động của các cơ cấu. Các bài toán tĩnh kết hợp việc phân tích chuyển
động với các thuộc tính khối lƣợng và lực đặt vào cơ hệ để xác định các
phản lực ở khớp của cơ cấu. Bài tốn tĩnh có thể đƣợc thực hiện trên cơ
cấu tại vơ số các vị trí làm việc của cơ cấu khi coi vận tốc dịch chuyển
bằng 0. Mơ hình tĩnh có thể có nhiều bậc tự do. Chuyển động và lực đƣợc
tách biệt trong kiểu phân tích này. Trong các bài toán tĩnh chúng ta
thƣờng quan tâm tới các phản lực và lực liên kết. Các giá trị của lực này
rất cần thiết cho việc tính tốn ứng suất để xác định các chỉ tiêu về tải
trọng, độ tin cậy và độ bền mỏi,…
Các phân tích động lực sử dụng các thuộc tính khối lƣợng và lực để
tính tốn vị trí, vận tốc, gia tốc và các phản lực liên kết của tất cả các chi
tiết của mơ hình, khi kết hợp giữa lực và chuyển động trong hệ thống. Các
phép phân tích đƣợc hồn thành với từng bƣớc thời gian nhất định. Mỗi
bậc tự do của mơ hình đƣợc gắn với một tọa độ độc lập mà đối với nó
ngƣời phân tích phải xác định các điều kiện đầu về chuyển vị và vận tốc.
Các mơ hình tính tốn dùng cho phân tích động lực bao gồm cả các dữ
liệu về hình học và thuộc tính khối lƣợng của mơ hình cũng nhƣ các ngoại
lực. Mơ hình đƣợc tạo ra bởi các chi tiết, khớp, lực và các câu lệnh đƣợc
đƣa vào bởi ngƣời dùng.
Các sản phẩm CAE đƣợc sử dụng cho cả ứng dụng nghiên cứu và
công nghiệp. Nhiều sản phẩm CAE cung cấp một loạt các chức năng dƣới
dạng các nền tảng đa vật lý đa năng có thể đƣợc áp dụng cho một loạt các
trƣờng hợp sử dụng. Một số hệ thống CAE phù hợp cho mục đích cung
cấp chức năng hạn chế hơn trong một khu vực duy nhất, chẳng hạn nhƣ
để mơ hình hóa mạng hoặc cấu trúc cơ khí. Các sản phẩm CAE thƣờng
đƣợc triển khai với các ứng dụng CAx khác (CAD) (CAM), để hỗ trợ
quản lý vòng đời sản phẩm (Product Lifecycle Management, PLM). Các
phần mềm CAE phổ biến ở Việt Nam hiện nay là các cái tên nhƣ
ANSYS, ADAMS, ALASKA, CATIA, MAGMASOFT, Moldflow,
Procast tƣơng đối khá quen thuộc với các kỹ sƣ Việt Nam.

1.1.3. Trợ giúp của máy tính trong điều khiển q trình gia cơng

Để nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trƣờng, các nền công
nghiệp chế tạo liên tục phát triển bằng sự nâng cấp và tự động hóa q
trình sản xuất. Cuộc cách mạng trong lĩnh vực gia công bắt đầu từ sau thế
chiến thứ hai, vào năm 1952 khi Viện Công nghệ Massachusetts lần đầu
22


tiên giới thiệu một máy với bộ điều khiển số trong dự án đƣợc tài trợ bởi
không lực Hoa Kỳ mà nó đƣợc biết đến nhƣ là máy NC. Ý tƣởng đƣợc
dựa trên cơ sở một máy đọc đƣợc mã số hóa. Các ƣu điểm của máy NC là
khả năng lƣu trữ một chuỗi phức tạp các thao tác máy và tìm lại chúng để
sử dụng.
Sau hơn bốn thập kỉ phát triển, ngày nay máy điều khiển số đã trở
thành một nhân tố khơng thể thiếu đƣợc trong bất kì một ngành công
nghiệp chế tạo nào. Mặc dù máy NC có giá cao hơn máy gia cơng thơng
thƣờng có cùng kích cỡ từ 1,5 đến 5 lần thêm vào đó sự bảo trì chúng yêu
cầu tới những ngƣời đƣợc đào tạo và có kĩ năng cao và yêu cầu phải có các
nhà lập trình cho máy NC, nhƣng máy NC có hàng loạt các ƣu điểm sau:
• Thời gian chạy khơng của máy nhỏ;
• Những mệt mỏi của ngƣời điều khiển hầu nhƣ khơng tồn tại, từ
đó ngăn ngừa đƣợc các sai lầm có thể phát sinh của ngƣời điều
khiển;
• Tất cả các quy trình gia cơng đƣợc suy xét kĩ lƣỡng trƣớc khi cơng
việc bắt đầu;
• Tuổi thọ của dao dùng trên máy NC thƣờng là lớn hơn bởi vì tốc
độ và chiều sâu cắt đƣợc duy trì khơng đổi một cách liên tục;
• Mặt bằng cần thiết cho máy NC nhỏ hơn: một máy NC có thể thay
thế cho nhiều máy gia cơng thơng thƣờng, bởi vì nhiều ngun cơng

phức hợp khác nhau có thể thực hiện trên máy NC.
Việc sử dụng máy NC có hiệu quả thực sự cao đối với những dây
chuyền có khối lƣợng sản phẩm lớn vì thực chất chi phí chỉ tập trung
nhiều vào sản phẩm đầu tiên cịn chi phí cho các sản phẩm tiếp theo sẽ
giảm đi nhiều.
Khi gia công bằng máy CNC, chuyển động của dụng cụ cắt đƣợc
chi phối bằng bộ điều khiển số ở mỗi thời điểm ta cần có thơng tin về tọa
độ của bề mặt gia cơng, do đó đã xuất hiện các phần mềm dùng để tạo ra
các thông tin trên bề mặt đã đƣợc thiết kế dùng cho việc gia công. Các
phần mềm thiết kế và điều khiển các q trình gia cơng này tạo nên một
hệ thống mà ta thƣờng gọi là CAD-CAM.
Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng
tích hợp CAD/CAM. Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt
nhiều tùy thuộc tính năng của chúng. Các phần mềm CAM, CAD/CAM
23


phổ biến ở Việt Nam hiện nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM,
Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron,…
1.1.4. Tính tích hợp các phần mềm cơ khí và lập trình

Hình 1.1. Các giai đoạn thiết kế một sản phẩm cơ khí

Hiện nay, với sự tiến bộ không ngừng nghỉ của Khoa học - Kỹ
thuật, việc ứng dụng các phần mềm máy tính hỗ trợ các lĩnh vực ngành
nghề ngày càng phổ biến. Đặc biệt, đối với khối ngành kỹ thuật cơ khí,
xây dựng,… Tính chất cơng việc địi hỏi phải làm việc với những mơ hình
phức tạp trên thực tế, với những số liệu khơng thể xử lý bằng phƣơng
pháp truyền thống hay máy tính thơng thƣờng, do đó cần một phần mềm
hỗ trợ xử lý số liệu, hình ảnh, tính tốn cho kết quả nhanh và chính xác

nhất nhằm hỗ trợ ngƣời kỹ sƣ, giúp tiết kiệm đƣợc thời gian và nâng cao
hiệu suất, năng suất và hiệu quả làm việc. Hình 1.1 là một ví dụ sử dụng
sự liên kết giữa các phần mềm trong việc thiết kế. Với các yêu cầu của
sản phẩm mong muốn, ngƣời thiết kế sẽ lên ý tƣởng và dựng lên mơ hình
ảo bằng phần mềm 3D (SolidWorks, Inventor,…) và có xác định loại vật
liệu cần thiết. Từ đó thiết kế chi tiết mơ hình và đƣa ra các thông số thiết
kế. Với các thông số này, ngƣời thiết kế sẽ sử dụng các phần mềm phần
tử hữu hạn (ANSYS, Catia,…) để tính tốn bền và xác định các trạng thái
làm việc nguy hiểm. Ngoài ra, với các thơng số đó, ngƣời thiết kế cần mơ
phỏng bằng các phần mềm hệ nhiều vật (nhƣ MATLAB, ADAMS,…) từ
đó đƣa ra các báo cáo. Nếu sản phẩm đã đảm bảo đƣợc thì sẽ đƣa ra việc
chế tạo mẫu thử. Các báo cáo này cũng lại đƣợc sử dụng nhƣ các yêu cầu
đầu vào trong giai đoạn lên ý tƣởng.

24


Hình 1.2. Các nhóm phần mềm tích hợp khi thiết kế phƣơng tiện
giao thơng

Hình 1.2 mơ tả sự tích hợp các phần mềm để mơ phỏng tính tốn
các hệ thống nhằm đảm bảo hiệu quả khi thiết kế, tối ƣu sản phẩm khi sản
xuất. Với việc thiết kế mơ hình 3D bằng các phần mềm CAD, sau đó tính
tốn mơ phỏng bằng phần mềm dạng MBS, CFD với các điều kiện
chuyển động giả lập. Nhóm phần mềm FEM sẽ xác định các trạng thái
làm việc dƣới các điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Các mơ phỏng tính
tốn bằng MATLAB cho các kết quả tối ƣu cho sản phẩm.
Ngày nay, nhu cầu tự động hóa ngày càng tăng, chính vì vậy việc
xác định những cơng việc có thể tự động là một việc làm quan trọng, xác
định đƣợc những bƣớc cần tự động hóa đã khó, thực hiện nó cịn khó hơn,

và để thực hiện đƣợc nó thì những ngƣời thiết kế phải biết những mơ hình
tốn học nào sẽ đƣợc dùng cho bài tốn tự động đó. Và phải cần đến tốn
học mới có thể giải quyết một cách gọn gàng mà không cần tốn nhiều thời
gian thử đi thử lại, rồi đến lúc thay đổi một yêu cầu đầu vào nào đó lại bắt
đầu thiết kế và thử đi thử lại. Dĩ nhiên ngày nay đã có rất nhiều các phần
mềm nhanh gọn nhẹ đã hỗ trợ ngƣời kỹ thuật làm cơng việc này, đó là các
phần mềm CAD/CAM/CAE. Nhƣng nhu cầu của con ngƣời là không giới
hạn, luôn có những yêu cầu khác lạ mà nhiều phần mềm chƣa đáp ứng

25