Phần 1 CAE -FEM- là gì?

Nội dung

1. CAE là gì?

2. Điều kiện tiên quyết để khai thác hết sức mạnh của CAE

3. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là gì?

4. Tóm tắt

CAE là gì?

Trong những năm gần đây, phân tích CAE đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong thiết kế cơ khí. Tóm lại, CAE—viết tắt của Computer-Aided Engineering— là một kỹ thuật sử dụng máy tính để đưa ra các quyết định thiết kế tốt hơn trong quá trình phát triển sản phẩm. Nó làm như vậy bằng cách giúp đánh giá sự phù hợp của các ứng cử viên thiết kế và bằng cách đưa ra gợi ý về cách cải thiện chúng.

Trước khi sử dụng máy tính trong sản xuất, các chi tiết nhỏ về hình dạng và cấu trúc của sản phẩm chỉ có thể được nghiên cứu bằng cách xây dựng các nguyên mẫu thực tế. Hết vòng này đến vòng khác, các nguyên mẫu phải được xây dựng và kiểm tra độ bền cũng như các đặc tính khác trước khi có thể bắt đầu sản xuất hàng loạt - một quy trình vừa tốn kém vừa mất thời gian.

Trong bối cảnh đó, CAE ban đầu được phát triển ở Mỹ, với các gói phần mềm thương mại đầu tiên xuất hiện vào những năm 1970 và lĩnh vực này phát triển nhanh chóng khi khả năng của máy tính tăng lên trong suốt những năm 1980 và hơn thế nữa. Ngày nay, các kỹ thuật CAE được sử dụng từ những giai đoạn đầu tiên của quá trình thiết kế và phát triển—để xây dựng các mô hình toán học và vật lý, để dự đoán các thông số kỹ thuật, hiệu suất và chất lượng của sản phẩm thông qua các công cụ phần mềm và để tối ưu hóa các thiết kế sản phẩm.

Mặc dù các kỹ thuật CAE ban đầu được sử dụng để thiết kế các sản phẩm dựa trên kim loại như tên lửa và máy bay, ngày nay các phương pháp này cũng đã trở thành công cụ thiết yếu để phát triển các sản phẩm nhựa. Loạt bài này bắt đầu với phần giới thiệu chung về CAE, sau đó tiếp tục đề cập đến các chủ đề chuyên biệt hơn: sự khác biệt về tính chất của các loại nhựa khác nhau, mô phỏng quy trình sản xuất và mô phỏng phân tích cấu trúc cho các sản phẩm nhựa.

■ Các công cụ CAE được sử dụng như thế nào?

Ngày nay, toàn bộ quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm được số hóa, được mô tả bằng các thuật ngữ CAD và CAM. Điều này cho phép tích hợp liền mạch CAE.

​​Hệ thống CAD (Computer-Aided Design) giúp quản lý quá trình thiết kế sản phẩm. Các công cụ CAD 3D được sử dụng chủ yếu ngày nay cho phép thiết kế các bề mặt có dạng tự do – một cải tiến đáng kể so với thế hệ công cụ CAD 2D trước đây, vốn thiếu mức độ tự do đủ để xử lý sự phức tạp như vậy. Bằng cách sử dụng dữ liệu CAD 3D tại các dây chuyền sản xuất của nhà máy, thậm chí có thể tự thiết kế khuôn mẫu sản phẩm thông qua các kỹ thuật CAD.

​​Các hệ thống CAM (Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính) chuẩn bị thông tin cần thiết để sản xuất sản phẩm–chẳng hạn như dữ liệu điều khiển cho máy công cụ NC. Máy công cụ Điều khiển số (NC) là các công cụ điều khiển bằng máy tính để xử lý tự động các sản phẩm. Trong khi quá trình gia công thông thường liên quan đến việc người thợ máy quay mặt số và kéo đòn bẩy theo cách thủ công để thực hiện các vết cắt và khoan lỗ, các công cụ NC có thể được lập trình với dữ liệu điều khiển số để tự động hóa vị trí và kích thước vết cắt cũng như mọi khía cạnh khác của quy trình chế tạo.

Nói tóm lại, dữ liệu thiết kế được chuẩn bị bằng kỹ thuật CAD có thể được chuyển đổi thành dữ liệu điều khiển số cho các hệ thống CAM để cho phép vận hành tự động các máy công cụ. Các công cụ CAD và CAM thường được đóng gói cùng nhau trong các sản phẩm phần mềm được gọi là hệ thống CAD/CAM. Việc giảm đáng kể các bước xử lý tương tự thông thường đã cho phép kỹ thuật có độ chính xác cao hơn và các quy trình vận hành hiệu quả hơn.

​Quy trình thiết kế/phát triển điển hình có thể bao gồm việc sử dụng các công cụ CAD để thiết kế sản phẩm và khuôn mẫu, áp dụng phân tích CAE để sửa đổi dữ liệu thiết kế và loại bỏ các vấn đề về sản xuất sản phẩm, sau đó gửi dữ liệu đến máy công cụ NC dựa trên CAM để chế tạo sản phẩm.

Việc sử dụng CAE cho phép đánh giá các ứng cử viên thiết kế sản phẩm bằng cách sử dụng dữ liệu thiết kế do CAD tạo ra—trước khi mọi thứ được chế tạo. Trong khi thiết kế sản phẩm từng đòi hỏi một chu trình thử và sai rườm rà—liên quan đến việc điều chỉnh thủ công các nguyên mẫu được chế tạo và phụ thuộc vào kinh nghiệm và trực giác của các thợ thủ công lão luyện—ngày nay, toàn bộ quá trình có thể được phân tích thông qua mô phỏng máy tính. Các chu kỳ thử và sai không chỉ được tăng tốc mà phân tích CAE còn cho phép hiểu chi tiết hơn về kết quả so với thử nghiệm thuần túy thông thường.

 

■ Điều gì có thể xảy ra với CAE?

Nhưng những loại phân tích nào có thể thực hiện được với CAE? Các công cụ CAE ngày nay trải rộng trên nhiều miền ứng dụng, mỗi miền được xử lý bởi một loạt các gói phần mềm tùy chỉnh. Cụ thể hơn, CAE được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực công nghệ hiện đại—từ các sản phẩm cơ khí đến hệ thống điện và điện tử, thiết kế kiến trúc, quy trình hóa học, quy trình y tế, v.v.—cũng như trong nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên, làm phong phú thêm nhiều khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. cuộc sống.

Ví dụ, trong thiết kế cơ khí và các lĩnh vực liên quan, phân tích cấu trúc dựa trên CAE được sử dụng để đảm bảo rằng các bộ phận chuyển động của sản phẩm không ảnh hưởng đến các bộ phận khác mà không cần phải chế tạo nguyên mẫu.​

Nguồn: Mô hình trong video “Phân tích Liên hệ”, “Phân tích Gián đoạn và Thiệt hại”(Đã xem ngày 26 tháng 2 năm 2021).https://www.mscsoftware.com/product/marc

*Mô hình trong video “Phân tích tiếp xúc”, “Phân tích sự gián đoạn và thiệt hại” (Xem ngày 26 tháng 2 năm 2021).
https://www.mscsoftware.com/product/marc

 

Ngay cả trong lĩnh vực sản xuất dựa trên khuôn mẫu cụ thể, vẫn tồn tại các gói phần mềm thương mại chuyên biệt dành cho khuôn ép nhựa, đúc kim loại, khuôn đúc, khuôn ép và các lĩnh vực cụ thể khác. Kỹ thuật CAE được sử dụng phổ biến nhất cho ép phun nhựa là phân tích chất lỏng, cho phép các nhà thiết kế mô phỏng liệu vật liệu nhựa có thể được bơm đúng cách vào khuôn hay không.​

■ Một công cụ thiết yếu cho sản xuất hiện đại

Sử dụng các công cụ CAE để đánh giá dữ liệu thiết kế do CAD tạo ra giúp giảm số lần lặp lại nguyên mẫu, rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và giảm chi phí. Khi phần mềm tiến bộ và máy tính phát triển mạnh mẽ hơn và ít tốn kém hơn, các nhà thiết kế được trang bị CAD có thể sử dụng các công cụ CAE để tự thiết kế và phân tích sản phẩm—mà không cần phụ thuộc vào các kỹ sư chuyên môn để thực hiện các phân tích chuyên biệt. Sự ra đời của các hệ thống 3D CAD/CAM và CAE đã có tác động biến đổi cấu trúc của ngành sản xuất.

Trong thế giới ngày nay, trong bối cảnh thời gian phát triển ngày càng thu hẹp và nhu cầu giảm chi phí ngày càng tăng, có thể nói rằng phân tích CAE đã trở thành một công cụ hoàn toàn không thể thiếu cho sản xuất hiện đại.​

Điều kiện tiên quyết để khai thác toàn bộ sức mạnh của CAE

Mạnh mẽ và thuận tiện như các kỹ thuật CAE có thể, việc thành thạo nghệ thuật CAE hiện đại đòi hỏi nhiều hơn là chỉ học một vài công cụ phần mềm. Người ta có thể hy vọng rằng kết quả phân tích CAE có thể đơn giản đến mức mọi người có thể hiểu được ngay lập tức, bất kể nền tảng hoặc chuyên môn của họ—nhưng điều này còn lâu mới xảy ra. Thay vào đó, khả năng diễn giải chính xác các kết quả CAE và kết hợp chúng vào các thiết kế không chỉ đòi hỏi kiến thức về cách sử dụng phần mềm mà còn phải có nền tảng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ bản về cơ học vật liệu và hiểu biết thấu đáo về các kỹ thuật CAE cơ bản.​

 

■ Nguyên tắc cơ bản của cơ học vật liệu

Cơ học vật liệu là một môn học nghiên cứu cách các thành phần kết cấu biến dạng và đứt gãy dưới các loại lực tác dụng khác nhau. Trong cơ học vật chất, các lực được biểu diễn bằng các vectơ. Trong khi các lực (như trọng lực) sẽ luôn tác dụng lên một vật thể, chúng được cân bằng đối với một vật thể cấu trúc đứng yên.

Lực tác dụng lên các cấu kiện kết cấu bao gồm cả ngoại lực (hay tải trọng) và nội lực phát sinh bên trong các cấu kiện để chống lại ngoại lực. Các loại ngoại lực bao gồm tải trọng kéo, tải trọng nén, tải trọng cắt, tải trọng uốn và tải trọng xoắn. Nội lực được đặc trưng bằng cách sử dụng các khái niệm về ứng suất và biến dạng. Ứng suất được định nghĩa là nội lực trên một đơn vị diện tích bề mặt. Do nội lực tác động lên các vật thể là vô hình nên các tính toán được thực hiện bằng cách xem xét một cách khái niệm các lát cắt ngang qua các vật thể và sử dụng các khái niệm về mặt cắt ngang ảo và các hệ số mặt cắt ngang. Việc xem xét các lực trên một đơn vị diện tích bề mặt cho phép tách ảnh hưởng của các tính chất vật liệu khỏi ảnh hưởng của hình học. Do đó, nếu đã biết các thuộc tính vật liệu, nhà thiết kế có thể chỉ tập trung vào hình học của bộ phận khi phát triển một bộ phận.

​

Ví dụ, xét một thanh có tiết diện tròn được kéo từ cả bên trái và bên phải để tạo ra tải trọng kéo P là 100 N. Giả sử tiết diện ảo có diện tích mặt cắt 20 mm ²​, ứng suất σ được cho bởi

　　　　　　σ=100/20 N/mm2=5 N／mm ² =5MPa

σ=100/20 N/mm²=5  N/mm²=5MPa

​tức là ứng suất phát sinh bên trong thanh là σ=5 N/mm ​²​. Hóa ra là có cùng đơn vị với áp suất, biến dạng cũng thường được biểu thị bằng MPa .

Biến dạng đo mức độ mà vật liệu biến dạng về hình dạng. Do biến dạng có thể được đo bằng số bằng cách sử dụng máy đo biến dạng (ngày nay cũng bằng cách đo độ biến dạng của mẫu trong video (DIC)), nên biến dạng thường được sử dụng để mô tả đặc tính trong phòng thí nghiệm của các vật thể thực tế, trong khi ứng suất thường được sử dụng trong quy trình thiết kế.。

Mặc dù tính toán cơ học vật liệu có thể được thực hiện bằng tay đối với các vật thể đơn giản, nhưng hầu hết các vật thể trong thế giới thực đều có cấu trúc phức tạp cực kỳ khó phân tích thông qua tính toán thủ công. Ví dụ, ứng suất trên cơ thể được hiển thị ở bên trái trong hình dưới đây không khó để xác định bằng tay. Tuy nhiên, việc bổ sung thậm chí chỉ một lỗ duy nhất vào thân, như minh họa ở bên phải, làm cho các phép tính cơ học vật liệu trở nên cực kỳ phức tạp do sự tập trung ứng suất ở vùng lân cận lỗ.

Đối với những trường hợp như vậy, chúng tôi sử dụng các công cụ CAE. Các kỹ thuật CAE cho phép phân tích các vật thể có hình dạng phức tạp một cách dễ dàng.

 

■ Ba cách tiếp cận chính đối với CAE

Các phân tích CAE tiến hành bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau để chia nhỏ các vật thể và cấu trúc thành các đơn vị nhỏ dễ phân tích, tạo ra các hệ phương trình kết hợp có thể được giải bằng số. Có ba kỹ thuật CAE chính được sử dụng phổ biến hiện nay để mô phỏng chất lỏng nhớt và chất rắn: phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử biên và phương pháp phần tử hữu hạn.​​​​​​

(1) Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) là phương pháp phân tích lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay. Kỹ thuật này, được sử dụng rộng rãi để phân tích chất lỏng, tiến hành bằng cách rời rạc hóa các đối tượng quan tâm trên một mạng trực giao được gọi là lưới sai phân hữu hạn. Một nhược điểm của kỹ thuật FDM là chúng không phù hợp với việc phân tích các vật thể có ranh giới cong hoặc các điều kiện biên phức tạp khác.

(2) Phương pháp phần tử biên (BEM) là một kỹ thuật trong đó chỉ các đường biên của vùng vật liệu được rời rạc hóa để phân tích tính toán. Cách tiếp cận này thường được sử dụng để nghiên cứu cấu hình của trường điện từ.​​

(3) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp phân tích được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Theo cách tiếp cận này, các đối tượng quan tâm được chia nhỏ thành các tập hợp có hình dạng đơn giản như hình tam giác hoặc hình chữ nhật. Bởi vì phương pháp này có khả năng mô hình hóa không chỉ các hệ thống 2D mà cả 3D, nên nó được sử dụng rộng rãi cho các mục đích như phân tích kết cấu, phân tích nhiệt, phân tích ứng suất và phân tích rung động.​

​

 

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là gì?

■ Kỹ thuật FEM lần đầu tiên được sử dụng trong thiết kế cấu trúc của máy bay

Phương pháp phần tử hữu hạn ban đầu được phát triển vào những năm 1950 để phân tích độ bền của cấu trúc cánh máy bay trong thiết kế máy bay. Với sự ra đời của động cơ phản lực, cấu trúc máy bay trở nên cực kỳ phức tạp, do đó đòi hỏi phải tính toán độ bền của cấu trúc với độ chính xác đầy đủ.

Đây cũng là khoảng thời gian mà các máy tính kỹ thuật số đa năng trở nên phổ biến rộng rãi, cho phép thực hiện các phép tính số một cách nhanh chóng.

 

■ Triết lý cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn tiến hành bằng cách chia nhỏ các vật thể và vùng vật liệu thành các tập hợp các hình dạng đơn giản như hình tam giác và hình chữ nhật; một phân khu như vậy được gọi là rời rạc hóa lưới. Mỗi thành phần riêng lẻ trong lưới được gọi là phần tử và mỗi đỉnh bao gồm các phần tử được gọi là nút​.

Trong phân tích ba chiều, các vật thể được chia nhỏ thành các phần tử ba chiều (đặc).

Xem xét các lực bên ngoài (chẳng hạn như trọng lực hoặc áp suất) tác động lên mỗi phần tử mang lại phương trình cho phần tử đó; bởi vì mỗi phần tử được kết nối với nhiều nút, các lực bên ngoài tác động lên từng phần tử riêng lẻ được truyền qua các nút tới các nút lân cận và từ đó tới toàn bộ cấu trúc. Tập hợp các phương trình cho tất cả các phần tử tạo ra một hệ phương trình tuyến tính đồng thời, có thể được giải để thu được chuyển vị hoặc ứng suất cho từng phần tử. Nói tóm lại, phương pháp phần tử hữu hạn giải các bài toán khó bằng cách phân tách chúng thành một tập hợp các phương trình đơn giản và giải chúng. Tất nhiên, khi phương pháp này được sử dụng để phân tích các vấn đề phức tạp, số lượng các phương trình được ghép nối có thể khá lớn—hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu—yêu cầu tính toán ma trận dựa trên máy tính để có được các giải pháp.​

 

■ Các tính năng chính của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Các nút được gán cho các đỉnh của mỗi phần tử được gọi là các phần tử bậc nhất. Trong một số trường hợp, các nút cũng được gán cho các điểm trung gian trong các hình, mang lại các phần tử bậc hai. Độ chính xác của phép tính có thể được cải thiện bằng cách tăng số lượng nút.

​

Ngoài ra, độ chính xác cũng có thể được cải thiện bằng cách tinh chỉnh sự rời rạc của lưới để tăng số lượng phần tử trong mô hình. Một trong hai cải tiến này làm cho giải pháp phần tử hữu hạn gần đúng tiến gần đến giải pháp lý thuyết chính xác của vấn đề—với chi phí đòi hỏi nhiều thời gian tính toán hơn. Mặt khác, cho dù chúng ta tinh chỉnh mô hình tỉ mỉ đến mức nào thì nhìn chung cũng không thể tái tạo được hình dạng thực của các vật thể phức tạp. Cuối cùng, phân tích CAE không gì khác hơn là một kỹ thuật để chuyển đổi các vấn đề phức tạp thành các mô hình có thể tính toán được để đưa ra các giải pháp gần đúng.

Không cần phải nói, các quy trình thiết kế trong thế giới thực phải được hoàn thành trong một khoảng thời gian hữu hạn. Do phân tích phần tử hữu hạn và các kỹ thuật CAE khác được sử dụng để rút ngắn thời gian phát triển, nên các yêu cầu về độ chính xác được áp dụng cho một phân tích nhất định phải được chọn phù hợp với mục đích phân tích và bối cảnh mà nó được thực hiện.

 

Bản tóm tắt

Sự ra đời của các phân tích 3D CAD/CAM và CAE đã thay đổi thế giới thiết kế và sản xuất sản phẩm. Ngày nay, những kỹ thuật này không chỉ được sử dụng cho máy bay và ô tô, mà còn cho các sản phẩm nhựa và nhiều mục đích khác; không còn nghi ngờ gì nữa, chúng đã trở thành những công cụ không thể thiếu trong sản xuất hiện đại.

Đồng thời, việc tận dụng tối đa các công cụ mạnh mẽ này không chỉ đơn giản là mua máy tính và cài đặt phần mềm: việc khai thác toàn bộ tiềm năng của các kỹ thuật CAE đòi hỏi sự hiểu biết thấu đáo về các nguyên tắc cơ bản, nền tảng lý thuyết và triển khai thực tế của chúng.

 

Phần tiếp theo: "Những điểm chính của CAE nhựa -Sự khác biệt so với Kim loại-".

​​