Đề tài Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe

 1
 MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................4
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...............................................5
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................8
CHƯƠNG 1.....................................................................................................................9
TỔNG QUAN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FREECAD .................................................9
 1.1. Giới thiệu về phần mềm FreeCAD ....................................................................9
 1.2. Những khả năng chính của FreeCAD.................................................................11
 1.3. Làm quen sơ bộ với Freecad...............................................................................13
CHƯƠNG 2...................................................................................................................18
SỬ DỤNG PHẦN MỀM FREECAD ...........................................................................18
 2.1. Vẽ phác thảo (Sketcher Workbench) ..................................................................18
 2.2. Vẽ thiết kế 2D (Draft Workbench) .....................................................................21
 2.3. Thiết kế chi tiết (Part Design Workbench) .........................................................23
 2.4. Tạo chi tiết (Part Workbench).............................................................................26
 2.5. Tạo bản vẽ 2D từ bản vẽ 3D (Drawing Workbench)..........................................29
 2.6. Tính toán kiểm nghiệm độ bền chi tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Fem 
 Workbench)................................................................................................................32
CHƯƠNG 3...................................................................................................................39
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM FREECAD TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ ...............39
CHI TIẾT ĐẦU MÁY, TOA XE..................................................................................39
 3.1. Giới thiệu kết cấu bộ trục bánh xe đầu máy D19E .............................................39
 3.2. Xây dựng mô hình 3D bộ trục bánh xe đầu máy ................................................40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................47 2
 DANH MỤC HÌNH VẼ
 Trang
Hình 1.1. Giới thiệu phần mềm FreeCAD 9
Hình 1.2. Thiết kế chi tiết trên phần mềm FreeCAD 10
Hình 1.3. Thiết kế, tính toán chi tiết trên phần mềm FreeCAD 11
Hình 1.4. Giao diện ban đầu khi khởi động Freecad 13
Hình 1.5. Thanh công cụ của FreeCAD 13
Hình 1.6. Vùng truy cập nhanh của FreeCAD 14
Hình 1.7. Thanh Combo View 15
Hình 1.8. Giao diện Part Design 15
Hình 1.9. Menu truy cập nhanh 16
Hình 1.10. Hộp thoại chỉ thông tin chi tiết 17
Hình 2.1.Giao diện khi thiết kế Sketch 18
Hình 2.2. Thiết kế một số biên dạng đơn giản 19
Hình 2.3. Giao diện khi làm việc với Draft 23
Hình 2.4. Hình ảnh khi làm việc với Part Design 23
Hình 2.5. Minh họa khi tạo bản phác thảo 24
Hình 2.6. Minh họa khi tạo một vật thể 3D 25
Hình 2.7. Minh họa chi tiết sau khi sử dụng các lệnh chỉnh sửa 26
Hình 2.8. Giao diện khi làm việc với Part 27
Hình 2.9. Minh họa một số chi tiết khi thiết kế với Part 29
Hình 2.10. Thiết kế Bánh răng 29
Hình 2.11. Bản vẽ tiêu chuẩn sau khi được thiết lập 30
Hình 2.12. Các tùy chọn khi xuất các hình chiếu 2D 30
Hình 2.13. Bản vẽ khi chưa có kích thước 31
Hình 2.14. Hình vẽ khi đã ghi kích thước 32
Hình 2.15. Dầm đơn giản ban đầu 32
Hình 2.16. Chọn vật liệu cho dầm 33
Hình 2.17. Đặt ràng buộc cho dầm 34
Hình 2.18. Đặt tải trọng cho dầm 34
Hình 2.19. Khởi chạy chương trình tính ứng suất, chuyển vị 35 3
Hình 2.20. Bảng kết quả ứng suất 36
Hình 2.21. Chuyển vị theo phương X được hiển thị theo màu, phía màu xanh 
 36
lá là chuyển vị ít nhất, màu xanh dương là chuyển vị nhiều nhất
Hình 2.22. Chuyển vị theo phương Y được hiển thị theo màu, phía màu xanh 
 37
là chuyển vị ít nhất, màu đỏ là chuyển vị nhiều nhất.
Hình 2.23. Chuyển vị theo phương Z được hiển thị theo màu, , phía màu xanh 
 37
lá là chuyển vị ít nhất, màu xanh dương là chuyển vị lớn nhất.
Hình 2.24. Chuyển vị tổng cộng theo 3 phương X, Y, Z, cũng được hiển thị 
 37
theo đồ thị màu, màu xanh là chuyển vị ít nhất, màu đỏ là chuyển vị lớn nhất.
Hình 2.25. Hiệu ứng đồ họa minh họa cho chuyển vị của dầm khi đặt tải trọng 37
Hình 3.1. Bộ trục bánh xe đầu máy D19E 39
Hình 3.2. Mô hình 3D trục bánh 40
Hình 3.3. Bản vẽ trục bánh xuất từ mô hình 3D 40
Hình 3.4. Mô hình 3D bánh xe 41
Hình 3.5. Bản vẽ bánh xe xuất từ mô hình 3D 41
Hình 3.6. Mô hình 3D bánh răng 42
Hình 3.7. Bản vẽ bánh răng xuất từ mô hình 3D 42
Hình 3.8. Các chi tiết của bộ trục bánh xe khi chưa lắp ráp 43
Hình 3.9. Lắp ráp bánh răng vào trục 43
Hình 3.10. Lắp ráp bánh xe phía không có bánh răng vào trục 44
Hình 3.11. Lắp ráp bánh xe còn lại vào trục hoàn thiện bộ trục bánh xe 44 4
 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
2D Two Dimension
3D Three Dimension
CAD Computer-aided design
CAM Computer-aided manufacturing
CAE Computer-aided engineering
CAX Computer-aided technologies
CNC Computer numerical control
PLM Product lifecycle management 5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD 
trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe.
- Sinh viên thực hiện: 
Phan Trần Minh Đạt
Nguyễn Đức Thông
Trần Văn Quỳnh
- Lớp: Tàu điện - Metro - K56 Khoa: Cơ khí Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 4
- Người hướng dẫn: KS. Nguyễn Đức Toàn
2. Mục tiêu đề tài:
 Sử dụng được phần mềm FreeCAD và ứng dụng phần mềm trong quá trình thiết 
kế một số chi tiết đầu máy, toa xe.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay 
thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao như Catia, Inventor, 
Solidworks, v.v. 
- Ứng dụng phần mềm trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Một tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD.
- Bản vẽ thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. 6
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và 
khả năng áp dụng của đề tài: 
 Vấn đề sở hữu trí tuệ và bản quyền các phát minh, sáng chế cũng như các sản 
phẩm thương mại đã được các nước phát triển quan tâm và thực hiện từ lâu. Tuy 
nhiên, ở Việt Nam, vấn đề này mới chỉ trong giai đoạn bước đầu đưa vào thực hiện. 
Đây là vấn đề tất yếu cần được quan tâm trong quá trình hội nhập và phát triển của đất 
nước. Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho 
việc học tập, giảng dạy cũng như nghiên cứu khoa học trong việc thiết kế các chi tiết 
máy đều là các phần mềm thương mại đắt tiền như Catia, Inventor, Solidworks, (có 
giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho một bản). Tuy nhiên, trên thực tế, các phần mềm này 
hầu như không được mua bản quyền mà thường được sử dụng dưới dạng “bẻ khóa”. 
Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn 
phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao có ý thực 
tiễn cao trong quá trình hội nhập. Giúp giảm chi phí đào tạo. Hơn thế nữa, vì đây là 
phần mềm mã nguồn mở do đó nếu được đưa vào nghiên cứu có thể cải thiện, nâng 
cấp phần mềm có nhiều tính năng phù hợp và tiện lợi cho từng chuyên ngành. Thậm 
chí, nếu được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thì phần mềm này hoàn toàn có thể thương 
mại hóa theo đúng giấy phép mã nguồn mở của phần mềm. Đây cũng là xu hướng đã 
và đang được các trường đại học ở các nước tiên tiến thực hiện. 
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên 
tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở 
đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): 
 Ngày 14 tháng 04 năm 2017 
 Sinh viên chịu trách nhiệm chính
 thực hiện đề tài
 (ký, họ và tên)
 Phan Trần Minh Đạt 7
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực 
hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):
 Mặc dù mới là sinh viên năm thứ hai, nhóm sinh viên thực hiện đã nỗ lực để 
hoàn thành được các mục tiêu của đề tài.
 Ngày 14 tháng 04 năm 2017 
 Người hướng dẫn
 (ký, họ và tên)
 Nguyễn Đức Toàn
 8
 MỞ ĐẦU
 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài và lý do lựa chọn đề tài: 
Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho việc 
học tập, giảng dạy cũng như nghiên cứu khoa học trong việc thiết kế các chi tiết máy 
đều là các phần mềm thương mại đắt tiền như Catia, Inventor, Solidworks, (có giá 
tới hàng ngàn đô la Mỹ cho một bản). Tuy nhiên, trên thực tế, các phần mềm này hầu 
như không được mua bản quyền mà thường được sử dụng dưới dạng “bẻ khóa”. Vì 
vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn 
phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao có ý thực 
tiễn cao trong quá trình hội nhập. Giúp giảm chi phí đào tạo. Hơn thế nữa, vì đây là 
phần mềm mã nguồn mở do đó nếu được đưa vào nghiên cứu có thể cải thiện, nâng 
cấp phần mềm có nhiều tính năng phù hợp và tiện lợi cho từng chuyên ngành. Thậm 
chí, nếu được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thì phần mềm này hoàn toàn có thể thương 
mại hóa theo đúng giấy phép mã nguồn mở của phần mềm. Đây cũng là xu hướng đã 
và đang được các trường đại học ở các nước tiên tiến thực hiện. Mặt khác, theo các 
thông tin nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu, hiện tại, chưa có một tài liệu tiếng Việt nào 
hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD. 
 Mục tiêu đề tài: Sử dụng được phần mềm FreeCAD và ứng dụng phần mềm 
trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe.
 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu: Dựa trên cơ sở các tài liệu được cung 
cấp trên trang chủ của phần mềm (tài liệu tiếng Anh), kết hợp với các kiến thức đã 
được học tập về vẽ kỹ thuật trong trường đại học, tiến hành nghiên cứu sử dụng phần 
mềm trong việc thiết kế các chi tiết dưới dạng 3D nói chung và các chi tiết đầu máy, 
toa xe nói riêng. 
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là phần mềm 
FreeCAD, bộ trục bánh xe đầu máy; Phạm vi nghiên cứu là sử dụng một số mô đun 
trong phần mềm FreeCAD để xây dựng mô hình 3D bộ trục bánh xe đầu máy trên cơ 
sở bộ trục bánh xe đầu máy D19E. 9
 CHƯƠNG 1
 TỔNG QUAN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FREECAD
1.1. Giới thiệu về phần mềm FreeCAD 
 FreeCAD là phần mềm thiết kế 2D, 3D, CAD chuyên nghiệp, từ đơn giản như vẽ 
2D đến phức tạp như mô phỏng chuyển động, kiểm nghiệm độ bền, lập trình CNC, 
cung cấp những công cụ hữu hiệu nhất, phục vụ cho công việc và học tập, đặc biệt, 
đây là phần mềm hoàn toàn miễn phí và có mã nguồn mở, được đóng góp bởi cộng 
đồng lập trình, kĩ sư Hiện nay, vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
 Hình 1.1. Giới thiệu phần mềm FreeCAD
 FreeCAD hiện đã được trang bị đầy đủ các tính năng, công cụ cơ bản tương 
đồng với các phần mềm thiết kế thông dụng hiện nay như Catia, Solidworks,... 10
FreeCAD cho phép bạn thiết kế các bản vẽ CAD, CAM, CAX, CAE và PLM, phục vụ 
trên đa số các lĩnh vực thiết kế như cơ khí, xây dựng, kiến trúc, 
 FreeCAD được hỗ trợ các chức năng tiên tiến dựa trên cơ sở OpenCascade, một 
công cụ thiết kế hình học mạnh mẽ, tính năng thiết kế mô hình 3D được cung cấp bởi 
các thư viện 3D coin và python API, đây là tính năng rất hữu ích và mang lại hiệu quả 
cao trong quá trình thiết kế.
 Ngoài ra, FreeCAD cũng có khả năng thiết kế bản vẽ 2D, tuy nhiên đây không 
phải trọng tâm. Nhưng phần mềm này hoàn toàn thiết kế được những bản vẽ 2D cơ 
bản mà không gặp phải nhiều trở ngại.
 Phần mềm FreeCAD có thể hoạt động trên tất cả các hệ điều hành như 
Window, Mac OS, Linux,... Với sự hỗ trợ đắc lực của FreeCAD , quá trình thiết kế 
được đơn giản hóa một cách tối đa, mang lại hiệu quả thiết kế cao hơn, chính xác hơn, 
đặc biệt là hiệu quả kinh tế cao hơn khi so sánh với các phần mềm thương mại hiện 
nay. 
 Một số hình ảnh khi thiết kế với FreeCAD:
 Hình 1.2. Thiết kế chi tiết trên phần mềm FreeCAD