01/02/2023

CAE – CÔNG NGHỆ KHÔNG THỂ THIẾU THỜI 4.0

Nội dung chính

1 LỊCH SỬ NGÀNH CAE
2 QUY TRÌNH MÔ PHỎNG CAE
3 ƯU VÀ NHƯỢC CỦA CAE
4 CAE VÀ CAD, CAM KHÁC NHAU NHƯ THẾ NÀO
5 LỢI ÍCH CỦA DÙNG CAE
6 TỔNG HỢP CÁC ĐỊNH DẠNG PHÂN TÍCH TRONG CAE
7 CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA CAE ?

LỊCH SỬ NGÀNH CAE

Khái niệm:

CAE- Computer-aided engineering là Phần mềm được sử dụng để phân tích mô phỏng ảo trên máy tính. Các công cụ CAE đang được sử dụng. Thuật ngữ bao gồm mô phỏng, xác thực, và tối ưu hóa các sản phẩm và công cụ sản xuất. Trong tương lai, hệ thống CAE sẽ là những nhà cung cấp thông tin chính để hỗ trợ các nhóm thiết kế trong việc ra quyết định. Computer-aided engineering được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như ô tô, hàng không, không gian và các ngành công nghiệp đóng tàu.

Lịch sử của ngành CAE=FEA=FEM (Finite Element Method) trải qua các mốc sau:

– Từ 1906 ứng dụng chủ yếu lĩnh vực xây dựng ID

– 1909 giải quyết phần tử hữu hạn nhỏ

– 1915 khái niệm quan trọng FEM

– 1940 hai nhà khoa học đặc nền tảng toán học đầu tiên cho FEM

– Thập niên 50 hàng không bắt đầu dùng mô phỏng

– 1960 Clough đặt tên là Finite elemant method FEM

– Cuối năm 1960 công nghiệp cơ khí nhận ra giá trị của FEM, rất nhiều phần mềm FEM được ra mắt trên thị trường.

– 1980 Phát triển đồ họa và tính toán

– 1990 sự xuất hiện của máy trạm PC mạnh mẽ, chi phí thấp hơn và FEA được áp dụng bởi các ngành công nghiệp quy mô vừa và nhỏ giải quyết bài toán phức tạp => Hypermesh ra đời.

QUY TRÌNH MÔ PHỎNG CAE

Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method – FDM) và phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM). Vì vậy, việc xây dựng quá trình mô phỏng và phân tích đòi hỏi người sử dụng có một nền tảng kiến thức về cơ khí, vật lý nhất định (ví dụ: lực, ứng lực, ứng suất, biến dạng,…)

Một quy trình mô phỏng CAE chuẩn bao gồm các bước:

Xây dựng mô hình – preprocessing: Trong giai đoạn pre-processing (70-80%) các kỹ sư sẽ mô hình hóa từ dữ liệu CAD, gán các đặc tính vật lý, tải trọng và các ràng buộc đi kèm.

Chạy bộ giải – solving, Solving: Thực hành Solving để mô phỏng tính toán bằng cách sử dụng một công thức toán học thích hợp
Đọc và phân tích kết quả -postprocessing.

Bước cuối cùng postprocessing kết quả sẽ được hiển thị để các kỹ sư xem xét đánh giá.

ƯU VÀ NHƯỢC CỦA CAE

Ưu điểm

Có thể kiểm tra tính năng và nâng cao chất lượng sản phẩm dẫn đến việc giảm chi phí giá cả của quá trình R&D và thời gian cung ứng sản phẩm ra thị trường.
Nhờ vào việc dễ dàng kiểm tra chi tiết các đại lượng vật lý như trường ứng suất, biến dạng, áp suất, nhiệt độ, lực, v.v. giúp chúng ta có nhiều ý tưởng độc đáo, sáng tạo cho bản thiết kế.
- Đối với các hiện tượng vật lý khó và không thể quan sát, kiểm tra, làm thí nghiệm bằng phương pháp thông thường, thì CAE sẽ giúp chúng ta dể dàng quan sát.
- Hầu như ngày nay, kết quả CAE còn được xem là tài liệu kỹ thuật cơ bản dùng trong thuyết trình ý tưởng và thuyết thục đối tác cũng như khác hàng.
Nhược điểm
- Vì hầu hết phần mềm CAE dùng phương pháp tính toán sai số, cho nên kết quả không thể 100% như thực tế, nhưng sẽ hữu ích khi so sánh tương đối.
- Vì kết quả CAE phụ thuộc vào cách chia lưới, áp đặt điều kiện biên, v.v. nên độ chính xác và tin cậy phụ thuộc vào kinh nghiệm, kiến thức của người sử dụng
Phần mềm SimSolid của Altair, là phần mềm không cần chia lưới (FEA), rất phù hợp cho các bài toán kết cấu, mối hàn, bulong, độ chính xác trong khoảng 0.5% so với việc chia lưới, nhưng rõ ràng, những bài toán khó, phức tạp thì cần phải chia lưới để đảm bảo độ chính xác.

CAE VÀ CAD, CAM KHÁC NHAU NHƯ THẾ NÀO

“CA” là viết tắt của Computer-Aided, có nghĩa là cả ba hệ thống đều được tạo ra để giúp người dùng đạt được mục tiêu của mình nhanh hơn bằng cách sử dụng sức mạnh của máy tính để xử lý. Chữ cái cuối cùng cho CAD là Thiết kế (Design), cho CAE là Kỹ thuật (Engineering), và cho CAM, là Sản xuất ( Manufacturing ). Đây là những chương trình phần mềm kỹ thuật và sản xuất. Mỗi cái trong số chúng đều có những ứng dụng riêng.

Các mô hình được sử dụng bởi phần mềm CAD và CAE gần như giống nhau. Tuy nhiên, kiểm tra kỹ hơn cho thấy chúng khác nhau về cơ bản. Cả hai đều có hình dạng của sản phẩm, tuy nhiên, từ quan điểm toán học, chúng không có nhiều điểm chung.

Có nhiều cách khác nhau để kết hợp các yếu tố hình học để tạo thành hình học 3D. Nhiều khả năng, các mô hình CAD được thiết kế như một tập hợp các thể tích hoặc cơ thể với các thông số như mật độ của vật liệu thực. Mô hình được sử dụng rộng rãi để lập mô hình CAD là mô hình tham số có lịch sử xây dựng. Điều này mang lại lợi thế là có thể thay đổi các tính năng một cách hồi tố, cho phép các đối tượng 3D được xây dựng dưới dạng sự kết hợp của các hình dạng hình học với các tham số.

Trong môi trường CAE, mô hình CAD được chuyển đổi thành lưới trong quá trình tiền xử lý. Lưới bao gồm các hình khối, hình lập phương hoặc tứ diện, vì vậy nói chung là các lưới đa giác. Do đó, việc so sánh mô hình CAD với đồ họa vector là hợp pháp, trong khi mô hình CAE có thể được mô tả như một mô hình pixelated.

Ví dụ: Để sản xuất một chiếc xe ôtô thì CAD sẽ chịu trách nhiệm phần thiết kế của xe ( kiểu dáng, kích thước của xe… ) CAE sẽ tính toán phần kỹ thuật của xe ( tính toán độ lực, va chạm… ) và CAM sẽ chịu trách nhiệm sản xuất, đưa sản phẩm ra thực tế.

Tuy nhiên, với phần mềm mô phỏng của tập doàn Altair thì bạn có thể không dùng tới CAD vì CAE có thể tham gia vào quá trình thiết kế của xe.

LỢI ÍCH CỦA DÙNG CAE

Rút ngắn chu kỳ thiết kế
Hỗ trợ thiết kế đưa ra các quyết định chính xác đối với sản phẩm đang được thực hiện.
CAE giúp đội ngũ kỹ thuật giảm rủi ro.
Thiết kế có thể được đánh giá và tinh chỉnh bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng trên máy tính thay vì thử nghiệm mẫu thật để tiết kiệm thời gian và chi phí.
Tích hợp dữ liệu CAE và quy trình quản lý để cải tiến thiết kế sâu rộng hơn.
CAE cung cấp sớm thông tin chi tiết về cách thức thực hiện trong quy trình sản xuất, khi mà thiết kế thay đổi qua đó tiết kiệm chi phí.
Đảm bảo các vấn đề rủi ro được giảm thiểu bằng cách xác định và loại bỏ các vấn đề tiềm tàng có thể xảy ra.

TỔNG HỢP CÁC ĐỊNH DẠNG PHÂN TÍCH TRONG CAE

Bài toán tuyến tính tĩnh: Static thay đổi rất chậm, tuyến tính vật liệu trong vùng biến dạng đàn hồi, biến dạng nhỏ, điều kiện biên không thay đổi chiếm 80% trong thực tế. Tiếp xúc là bài toán phi tuyến.

Phân tích tính toán mô phỏng Altair chỉ ra ứng xuất chuyển vị trong thiết kế

– Buckling analysis: Phân tích sự mất ổn định của kết cấu là hiện tượng các cấu trúc thành mỏng (thin structure) chịu tác dụng của tải trọng nén (compression loads) sẽ mặc dù chưa vượt qua giới hạn bền (material strength limits) nhưng có thể gây ra phá hủy lớn. Các kỹ sư sử dụng nó để tối ưu hóa các thành phần trong giai đoạn thiết kế của họ để phát triển các sản phẩm tốt hơn, nhanh hơn.

– Non linear static: Nguồn gốc phi tuyến: Vật liệu biến dạng vượt quá giới hạng đàng hồi vật liệu phi kim loại và kim loại, tiếp xúc 2 thanh chồng lên nhanh nếu như bỏ qua tiếp xúc, nó sẽ đâm xuyên, geometry biến dạng lớn.

– Dynamic: Tính toán giao động tự do và giao động cưỡng bức, đáp ứng tần số, thời gian giao động ngẫu nhiên.

– Thermal: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ, thay đổi nhiệt theo thời gian bằng cách mô tả chuyển động của vật thể hoặc cụm vật thể dưới sự tác động của lực khiến chúng chuyển động. Thermal giúp những kỹ sư CAE có thể kiểm soát và đánh giá được các quá trình trao đổi nhiệt giữa các sản phẩm và phát hiện sớm những lỗi thiết kế để tránh gây thiệt hại khi đưa vào sản xuất.

– CFD: Động lực học tính toán (CFD) đã trở thành một công cụ được áp dụng phổ biến để tạo ra các giải pháp cho dòng chất lỏng. Trong phân tích CFD, việc kiểm tra dòng chất lỏng theo các tính chất vật lý của nó như vận tốc, áp suất, nhiệt độ và mật độ. Để tạo ra một giải pháp cho một hiện tượng vật lý liên quan đến dòng chảy chất lỏng. Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố (ngoại cảnh) thực tế lên các đối tượng khảo sát.

– Bền mỏi: Bình thường nhỏ hơn ứng xuất cho phép nhưng sau thời gian tích lũy nó sẽ tăng dần lên và gây ra phá hủy, CAE sẽ cho biết bao nhiêu chu kỳ phá hủy, 2 bài toán số chu kỳ lớn và chu kỳ bé.

CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA CAE ?

Các ứng dụng CAE hỗ trợ một loạt các lĩnh vực kỹ thuật và hiện tượng. :

Phân tích động học ứng suất trên các chi tiết và cụm lắp ráp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA).
Phân tích âm học sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp phần tử biên (BEM).
Phân tích hệ thống.
Phân tích nhiệt và dòng chảy (CFD).
Phân tích động học và động lực học các hệ cơ khí (multibody dynamics).
Phân tích 1D các hệ thống cơ điện tử.
Mô phỏng các hiện tượng cơ học (MES).
Mô phỏng quy trình sản xuất như đúc, dập, đùn, ép.
Tối ưu hóa sản phẩm hoặc quy trình.