Over 10 years we helping companies reach their financial and branding goals. Onum is a values-driven SEO agency dedicated.

CONTACTS

Khái niệm CAE là gì?

CAE là viết tắt của Computer-aided engineering. Nó được hiểu khái quát là việc sử dụng phần mềm máy tính để hỗ trợ các nhiệm vụ phân tích kỹ thuật. CAE bao gồm:

  • Finite element analysis (FEA)
  • Computational fluid dynamics (CFD)
  • Multibody dynamics (MBD)
  • Durability và optimization

Hiện nay, Khoa học – Kỹ thuật đang tiến bộ không ngừng mỗi ngày. Vì vậy, việc ứng dụng các phần mềm máy tính hỗ trợ các lĩnh vực ngành nghề ngày càng phổ biến. Đặc biệt là đối với khối ngành kỹ thuật cơ khí, xây dựng… Tính chất công việc đòi hỏi phải làm việc với những mô hình phức tạp, với những số liệu không thể xử lý bằng phương pháp truyền thống hay máy tính thông thường. Do đó, chúng ta cần một phần mềm hỗ trợ xử lý số liệu, hình ảnh, tính toán cho kết quả nhanh và chính xác nhất. Điều này nhằm hỗ trợ người kỹ sư, giúp tiết kiệm được thời gian và nâng cao hiệu quả làm việc.

Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là:

  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM)
  • Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method – FDM)
  • 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 phải có một nền tảng kiến thức về cơ khí, vật lý nhất định (VD: lực, ứng lực, ứng suất, biến dạng,…). Một trong các phần mềm rất mạnh trong mô phỏng hiện nay là Abaqus.

Các bước cơ bản trong một bài toán CAE

  • Pre-processing : Sử dụng những thông số cần thiết để giải tích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số điều kiện biên, các thông số môi trường bên ngoài (enviromental factor)…
  • Analysis Solver : Đưa bài toán vào phân tích với bộ giải có sẵn
  • Post-processing : Xuất và phân tích các giá trị kết quả

Một số ứng dụng của CAE

Các lĩnh vực ứng dụng CAE gồm có: Cơ khí, điện cơ, điện tử… Tùy theo mỗi ngành mà ứng dụng của CAE và các phần mềm chuyên dụng (trong số đó có Abaqus) cũng khác nhau. Các ứng dụng phổ biến nhất của CAE là:

  • Phân tích động lực học các thành phần của bộ phận lắp ráp bằng cách phân tích phần tử hữu hạn FEA (finite element analysis)
  • Phân tích nhiệt và chất lỏng sử dụng động lực học chất lỏng CFD (computational fluid dynamics)
  • Phân tích chuyển động và động lực học của cơ cấu máy móc
  •  Mô phỏng hệ thống cơ điện tử, thiết kế hệ thống cơ điện tử đa miền
  • Phân tích hệ thống điều khiển
  • Mô phỏng các quy trình sản xuất như đúc và dập
  • Tối ưu hóa các sản phẩm hoặc quy trình

Một số bài toán phân tích cơ bản với Abaqus

Bài toán phân tích tĩnh

Bài toán động lực học được xét tới khi lực quán tính (initial forces) gây ra bởi gia tốc cấu trúc lớn và biến thiên nhanh theo thời gian. Lực quán tính tỷ lệ với khối lượng và gia tốc của vật. Trong trường hợp lực tác động lên cấu trúc biến thiên đủ chậm và do đó lực quán tính nhỏ thì bài toán đó được xem như là bài toán quasi-static. Ví dụ như áp suất máu tác động theo nhịp lên stent.

Bài toán tĩnh là bài toán khi không xét tới lực quán tính (initial forces), khi đó tác động của ngoại lực lên đối tượng cần khảo sát là rất chậm. Bài toán tĩnh thì có cả phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến. Các yếu tố phi tuyến có thể được xem xét tới như:

  • Vật liệu phi tuyến (biến dạng lớn, plastic ….)
  •  Dạng hình học phi tuyến (tiếp xúc, chuyển vị lớn,…)
                        Phân tích bền của Cabin chứa ô tô

Bài toán phân tích động lực học tuyến tính

Trong dạng bài toán này giả thiết biến dạng chỉ trong vùng elastic, lực damping phụ thuộc tuyến tính vào vận tốc và chuyển vị. Bên cạnh đó, động lực học tuyến tính giả thiết rằng ngoại lực tác động độc lập với chuyển vị và vận tốc của các nốt.

Hệ tuyến tính có thể được phân tích bởi các bài toán động lực học sau đây:

  • Tính toán eigenvalue (các mode dao động riêng)
  • Phản hồi tức thì trong miền thời gian (transient response)
  • Phản hồi bình ổn/ steady-state response (xét trong miền tần số)
  • Phản hồi ngẫu nhiên (dao động gây ra bởi kích động ngẫu nhiên)
Các mode dao động

Bài toán phân tích động lực học phi tuyến

Phản hồi động lực học của hệ cấu trúc phi tuyến phải được phân tích bởi giải thuật tích phân thời gian (mô phỏng tức thì trong miền thời gian). Các yếu tố phi tuyến có thể được xem xét tới như:

  • Vật liệu phi tuyến (biến dạng lớn, plastic ….)
  • Dạng hình học phi tuyến (tiếp xúc, chuyển vị lớn,…)
  • Abaqus/Standard và Abaqus/Explicit đều có thể sử dụng để phân tích bài toán động lực  học phi tuyến

Các bài toán dynamic sử dụng thuật giải Explicit có thể kể đến các bài toán va chạm, thả rơi khi đó thời gian diễn ra hiện tượng rất nhanh và vận tốc của vật là lớn.

Bài toán va chạm

Bài toán quasi-static

Bài toán quasi-static thường để giải quyết các vấn đề liên quan tới rất nhiều điều kiện tiếp xúc phức tạp và biến dạng rất lớn. Ví dụ áp dụng: bài toán bulk forming (cán thép), sheet metal forming (bài toán dập tấm),…

Bài toán uốn thép

Ưu điểm và nhược điểm của CAE

Ưu điểm của CAE

  • 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 của CAE

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. Thêm vào đó, kết quả CAE phụ thuộc vào cách chia lưới, áp đặt điều kiện biên,… nên độ chính xác và tin cậy phụ thuộc vào kinh nghiệm, kiến thức của người sử dụng.