[4CHaUI] Các kiến thức liên quan đến CAE

[Dương Trần]

MỤC NÀY MÌNH TẠO VỚI MỤC ĐÍCH CẬP NHẬT CÁC TIN TỨC, KIẾN THỨC LIÊN QUAN ĐẾN CAE CHO CỘNG ĐỒNG CÁC BẠN SINH VIÊN TRONG VÀ NGOÀI 4C

HY VỌNG ĐƯỢC CÁC TẤT CẢ CÁC BẠN ĐÓNG GÓP VÀ XÂY DỰNG.

[Dương Trần]

Qui trình thiết kế theo hướng CAE


Qui trình thiết kế theo hướng CAE có những tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực trong công nghiệp như hàng không vũ trụ, xe hơi, y-sinh học, tâm lý khách hàng, hàng hải, điện tử,… trong nhiều năm gần đây. Có nhiều lý do để giải thích cho điều này. Tuy nhiên, nổi bật trong số đó là:

+ Thiết kế theo hướng CAE cung cấp ý tưởng và thiết kế mới
+ Sản phẩm tạo ra có chất lượng tốt hơn
+Thiết kế nhanh hơn

Trong ngữ cảnh khác, mô phỏng tiết kiệm thời gian, giảm các loại chi phí sản xuất, tăng cường hiệu quả cạnh tranh của doanh nghiệp.
Trong khi thực hiện phân tích, người ta thường hướng đến tối ưu thiết kế, nhưng phương pháp và công cụ được sử dụng để đạt các kết quả tối ưu thường xuyên thay đổi.

Ở nhiều nơi, phương thức thiết kế là “trial and error”, tạm dịch là “thử, sai, rồi sửa” là một quá trình dựa vào các lựa chọn từ tiêu chí ban đầu, rồi sau đó vừa làm vừa sửa. Qui trình này đã trở nên không còn phù hợp ở thời điểm hiện tại vì rất nhiều lý do.

Hiện nay, tối ưu hóa số học (bằng các phương pháp số) đã được áp dụng để tìm kiếm và xác định thiết kế tối ưu. Với cách tiếp cận dưới đây (từ Altair), bước tối ưu hóa “Concept” được thực hiện ngay từ giai đoạn ban đầu khi mang đến những quan điểm thiết kế mới.
Qui trình đề xuất của phương pháp thiết kế theo hướng CAE (tối ưu CAE) được cho như sau:

1. Xác định không gian thiết kế lớn nhât có thể có (Ví dụ 1 cái gân trợ lực có hình tam giác đặc)
2. Thực hiện việc chia lưới cho kết cấu (Có hai phần cần làm rõ: 1. Là design – những phần có thể tối ưu hóa; 2. Là phần non-design – những phần bị tác dụng lực, có liên kết…)
3. Xác định các đặc tính vật liệu
4. Thiết lập các đặc tính tải trọng và các ràng buộc
5. Xác định mục tiêu tối ưu hóa

[Dương Trần]

CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN ĐẾN CAE - P2

Xin chào các bạn, hôm nay mình tiếp tục giới thiệu đến các bạn những kiến thức về CAE.

CAE (Computer Aided Engineering) được áp dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp và ở hầu hết các sản phẩm mà chúng ta sử dụng hằng ngày. Một số mảng kỹ thuật có sự góp mặt của CAE là:

1. Phân tích kết cấu (Structural analysis)
- Là việc xác định ảnh hưởng của tải trọng (ngoại lực) lên kết cấu vật lý và các thành phần của chúng. Các kết cấu tuân theo kiểu phân tích này bao gồm tất cả những gì phải chịu tải trọng. Ví dụ: khung các công trình như nhà, cầu,... khung máy bay, ô tô, vỏ máy... Sức bền vật liệu hay chi tiết máy là những môn học giúp chúng ta phân tích kết cấu. Với sự hỗ trợ của máy tính, việc tính toán độ bền công trình hay kết cấu đã được cải thiện hiệu quả đáng kể. 

-  Kết quả của quá trình phân tích kết cấu với CAE chính là thông số về ứng suất, biến dạng hay chuyển vị của kết cấu. Từ những kết quả trên, các kỹ sư sẽ có những cơ sở để đánh giá kết cấu được thiết kế có đảm bảo điều kiện làm việc hay không. Nếu không thì cần tăng cường ở đâu. 

- Phân tích kết cấu với máy tính được áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, thiết kế và chế tạo máy, sản phẩm. Những kiểu phân tích thường được áp dụng với phân tích kết gồm có: 

• Tuyến tính, phi tuyến tĩnh (Linear / Non-linear Static)
  
• Phân tích mỏi (Fatigue)
  
• Dao động (Vibration)
  
• Tuyến tính / Phi tuyến động (Linear / Non-linear Dynamics)
  

Hình 1: Kết quả phân tích chuyển vị của cầu.

2. Tính toán động lực học chất lưu (Computational fluid dynamics - CFD)
- CFD là một nhánh thuộc cơ học chất lưu mà sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải các bài toán về dòng chảy (bao gồm cả khí và chất lỏng).

- Các máy tính được dùng để thực hiện việc tính toán, sau đó mô phỏng quá trình chảy của dòng chất lỏng và sự tương tác (nếu có giữa chúng) với các bề mặt được xác định bởi điều kiện biên (boundary condition).

- CFD áp dụng rộng rãi vào các vấn đề kỹ thuật, nghiên cứu trong nhiều mảng học tập và công nghiệp. Ví dụ: Phân tích khí động học, hàng không vũ trụ, mô phỏng thời tiết, động cơ đốt,...

(Video mô phỏng tốc độ dòng chảy với Solidworks)

3. Tối ưu hóa (Optimization)
- Là các bài toán liên quan đến tối ưu hóa thiết kế kết cấu, sản phẩm. 

(Video minh họa về tối ưu thiết kế chi tiết gá)

4. Động lực học đa vật (Multi-Body Dynamics - MBD)
- Nghiên cứu về MBD là phân tích chuyển động các hệ cơ cấu dưới tác động của lực.

(Video mô phỏng xu hướng chuyển động của đai trong quá trình động cơ hoạt động)

Cảm ơn các bạn đã theo dõi.

[Dương Trần]

CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN ĐẾN CAE - P3

Trong bài trước, mình có đề cập để một số lĩnh vực có áp dụng CAE. Bài này mình sẽ nói sâu hơn về ứng dụng CAE trong Structural Analysis, 
phân tích Tuyến tính tĩnh - Linear Analysis.

Trong cơ học, chúng ta có thể xác định trạng thái "tĩnh" hay trạng thái cân bằng của hệ là khi tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0. Tương tự như vậy, khi một kết cấu cân bằng, tổng ngoại lực tác dụng lên vật và nội lực trong vật cân bằng.

Đầu tiên, bắt đầu Linear - có nghĩa là "tuyến tính"

  Linear (tuyến tính) là để chỉ mối quan hệ giữa sự biến dạng của vật liệu và ứng suất, Trong phân tích tuyến tính tĩnh, bộ giải phần tử hữu hạn (Finite Element Solver) sẽ luôn dựa vào đường thẳng đàn hồi của vật liệu để tính, tức tuân theo định luật Hooke (hàm bậc nhất, không đổi theo thời gian), hay còn gọi là miền đàn hồi của vật liệu. Đây cũng là phạm vi tính toán của kiểu phân tích này.




  Trên hình là ví dụ về đường cong biến dạng của một liệu (nhìn quen quen, giống môn Vật liệu học mà ae từng học). Phạm vi đàn hồi của vật liệu là từ vị trí số 1 đến vị trí số 2. Trong phạm vị này, vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực sẽ biến dạng, nhưng có thể quay trở về vị trí ban đầu nếu không chịu lực tác dụng nữa.

Tiếp theo, đến Static - tĩnh.

Có hai điều kiện để phân tích tĩnh, đó là:

1. Lực tĩnh, không thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi là rất chậm, không ảnh hưởng đến khả năng phản hồi của vật liệu
   
2. Phương trình cân bằng (tổng các lực và moment bằng 0)
   

Mô hình phần tử hữu hạn phải đầy đủ các điều kiện này tại mỗi nút. Bao gồm thiết lập về điều kiện biên và ngoại lực. Điều kiện của bài toán tức là các ràng buộc về dịch chuyển của mô hình sao cho giống với điều kiện thực tế nhất

Ví dụ với bài toán như hình trên, quy trình tổng quan như sau:
B1: Xây dựng mô hình, chọn vật liệu là thép thường.
B2: Thiết lập điều kiện biên: Bao gồm ràng buộc và lực. 

- Tại vị trí mặt bích của dầm với tường được liên kết bằng 4 bulong, do vậy là liên kết ngàm, hạn chế cả 6 bậc tự do (3 tịnh tiến và 3 xoay)
- Vật nặng được quy thành lực, đặt ở đầu dầm (màu tím như hình) 

B3: Chạy kết quả

Trong hình là kết quả ứng suất mà dầm phải chịu. Vùng màu đỏ thể hiện ứng suất lớn nhất.

Hình trên là kết quả chuyển vị của dầm. Vùng lớn nhất, màu đỏ có mức chuyển vị là xấp xỉ 5.9mm.

Phương trình trong bài toán phân tích tuyến tĩnh là:

F = kx

Trong đó:

• F: Ma trận tổng lực tác dụng lên vật
  
• k: Ma trận độ cứng toàn bộ các phần tử
  
• x: Ma trận chuyển vị nút
  

Tất cả bộ giải FEA trong các phần mềm tính toán mô phỏng sẽ giải bài toán phân tích tuyển tính tĩnh dựa trên phương vào phương trình trên (Định luật Hooke) và phương pháp thành lập và tính toán sẽ là phương pháp phần tử hữu hạn (một phương pháp số tính gần đúng giá trị của phương trình), mình sẽ nói về phương pháp này ở các bài tiếp theo.

Sau khi có được Vector chuyển vị tại mỗi nút, ta sẽ đi tìm giá trị ứng suất tại mỗi nút thông qua quan hệ mỗi quan hệ giữa ứng suất biến dạng: 

Ứng suất = Độ biến dạng x Modul đàn hồi của vật liệu

Phân tích tuyến tính tĩnh là bài toán cơ bản và quan trọng trong phân tích kết cấu. Áp dụng để tính độ bền của kết cấu tại thời điểm mà lực tác dụng là lớn nhất. Khi đó, ta có thể kiểm tra được kết cấu được thiết kế có đảm bảo cứng vững khi chịu tác dụng của lực không. Các bài toán phân tích tuyến tĩnh áp dụng rộng rãi để kiểm tra khả năng chịu tải cố định của các kết cấu như khung máy, công trình,...

Cảm ơn các bạn đã theo dõi.