Mô phỏng, hay còn gọi là tạo mẫu ảo, giúp các kỹ sư đánh giá hiệu suất thiết kế theo những cách mà thử nghiệm trong phòng thí nghiệm khó có thể thực hiện được. Hơn nữa, đây thường là phương pháp tiết kiệm chi phí, nhanh chóng và ít tốn công sức hơn so với các thử nghiệm vật lý. Một phương pháp có giá trị như vậy có lẽ sẽ đắt đỏ và khó triển khai, đúng không? Không hẳn vậy.
Tại sao cần mô phỏng?
Trước khi đi vào chi tiết các giai đoạn thiết kế, chúng ta hãy tự hỏi: "Tại sao cần mô phỏng?" Hãy xem xét một chu kỳ thiết kế, thường được chia thành ba giai đoạn: ý tưởng, sơ bộ và thiết kế chi tiết.
Ở giai đoạn đầu, việc tạo ra ý tưởng và thực hiện thay đổi diễn ra nhanh chóng. Tuy nhiên, khi thiết kế trở nên chính xác, phức tạp hơn, bất kỳ thay đổi nào cũng đòi hỏi nhiều giờ làm việc kỹ thuật hơn để thực hiện. Trong trường hợp xấu nhất, sản phẩm có thể đã được đưa ra thị trường trước khi các điều kiện lỗi được phát hiện. Đây chính là lý do tại sao chúng ta cần mô phỏng: để giảm chi phí và thời gian cho các thay đổi.
Hình 1: Chi phí thay đổi tăng dần theo các giai đoạn thiết kế
Mô phỏng, hay còn gọi là “phân tích” hoặc “tạo mẫu ảo”, cho phép bạn thử nghiệm thiết kế mà không cần tạo ra sản phẩm thực tế. Độ chính xác của mô phỏng có thể chỉ tập trung vào một vấn đề cụ thể hoặc mô phỏng toàn bộ sản phẩm trong mọi tình huống. Những mô phỏng tốt nhất thậm chí có thể thay thế thực nghiệm để đáp ứng các tiêu chuẩn hoặc chứng nhận sản phẩm.
Theo nghiên cứu, các công ty dẫn đầu sử dụng "tạo mẫu ảo trong nội bộ" nhiều hơn 30% so với các đối thủ cạnh tranh. Hiện nay, gần một nửa ngành công nghiệp CAD đã ứng dụng mô phỏng ở mức độ nào đó (Nguồn: Virtual Prototype Market Size, Grand View Research).
Khi sản phẩm tiến gần đến giai đoạn cuối, chẳng hạn như một cụm lắp ráp phức tạp, bạn cần các công cụ mô phỏng mạnh mẽ hơn để dự đoán chính xác cách nó hoạt động. Đây có thể là những mô phỏng mà bạn nghĩ đến khi nói về "mô phỏng".
Tuy nhiên, mô phỏng không chỉ dùng để dự đoán kết quả cuối cùng mà còn là một công cụ hữu ích trong mọi giai đoạn thiết kế. Có những công cụ đơn giản và rẻ hơn, phù hợp cho các giai đoạn ý tưởng và thiết kế sơ bộ.
Nếu bạn muốn bắt đầu sử dụng mô phỏng, hãy tiến hành từng bước, từ cơ bản đến nâng cao. Với công cụ phù hợp, đào tạo đầy đủ và một lộ trình rõ ràng, bạn sẽ dễ dàng đạt được mục tiêu cuối cùng thông qua các thành công nhỏ từng bước một.
Bắt đầu – Thiết kế ý tưởng
Mỗi doanh nghiệp có nhu cầu khác nhau, nhưng xu hướng chung là tích hợp phân tích ngay từ giai đoạn thiết kế ý tưởng và phát triển nó dần qua các bước thiết kế chi tiết.
Thiết kế thực tế rất phức tạp, nhưng cách mà một cấu trúc phản hồi thường có thể dự đoán được bằng các công thức đơn giản. Hãy thử nhìn quanh bàn làm việc của bạn – có bao nhiêu vật dụng có thể được mô tả bằng các khối hình học cơ bản như hình trụ hoặc hộp chữ nhật?
Ví dụ, trong hình dưới đây, mô hình máy nén 10 cấp và trục dẫn được tối giản thành các hình trụ. Điều này giúp trả lời câu hỏi: Lực cắt tác dụng lên bu lông khi trục chịu mô-men xoắn là bao nhiêu?
Hình 2: Mô hình máy nến 10 cấp và trục dẫn (trái) so với mô hình tối giản đại diện (phải)
Khi làm việc với mô hình thực tế, bạn có thể đặt câu hỏi như: Lực căng trước, độ khít giữa các chi tiết, hay sai số gia công có ảnh hưởng gì không?
Dù các yếu tố này có thể được phân tích trong các phần mềm FEA, việc đơn giản hóa mô hình sẽ giúp bạn dự đoán lực cắt nhanh chóng bằng các công thức tiêu chuẩn, từ đó đưa ra quyết định thiết kế một cách hiệu quả.
Giai đoạn 1: Tính toán tay & SOLIDWORKS SimulationXpress
Đội ngũ thiết kế của bạn có lẽ đã quen với việc đơn giản hóa thiết kế. Họ có thể sử dụng các công cụ như Excel hoặc học lập trình cơ bản bằng VBA hay Python để hỗ trợ tính toán. Ngoài ra, phần mềm SOLIDWORKS 3D CAD cũng cung cấp các công cụ tích hợp như SimulationXpress, rất hữu ích để thực hiện phân tích đơn giản.
SimulationXpress giúp gì cho bạn?
SimulationXpress, tích hợp sẵn trong SOLIDWORKS, giúp bạn phân tích các hình học phức tạp mà tính toán tay không xử lý được. Ví dụ:
So sánh các thiết kế về phân bố ứng suất, độ võng tối đa và hệ số an toàn.
Điều chỉnh kích thước và hình dạng thiết kế để giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ bền.
Hình minh họa dưới đây cho thấy so sánh các giá đỡ sắt có hình dạng tự do. Phân tích này chỉ mất chưa đến 1 phút để hoàn thành!
Hình 3: So sánh thiết kế bằng SimulationXpress
Khi nào chúng ta biết chúng ta đã thành công ở giai đoạn 1?
Khi sử dụng các công cụ như SimulationXpress, đội ngũ thiết kế của bạn sẽ:
Hiểu rõ hơn về các nguyên tắc cơ bản trong cơ học kết cấu.
Nâng cao kỹ năng tự tính toán tay.
Kết quả:
Thời gian thiết kế ở giai đoạn ý tưởng sẽ ngắn hơn.
Kỹ sư thiết kế có thêm cách giải thích thuyết phục cho các thay đổi thiết kế.
Quy trình làm việc hiệu quả hơn, đặc biệt với các nhiệm vụ cần xử lý nhanh chóng.
Mua phần mềm đầu tiên – Giai đoạn thiết kế sơ bộ
Khi thiết kế mô hình lắp ráp đã đủ chi tiết với các thành phần CAD đại diện và các điều kiện tương tác đầy đủ, việc đầu tư vào một công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoàn chỉnh sẽ trở nên cần thiết.
Nếu phần lớn sản phẩm của bạn được làm từ các vật liệu cứng (Rigid Materials), mục tiêu chính thường là tránh các hiện tượng biến dạng dẻo vĩnh viễn hoặc các dạng phá hủy khác. Công cụ FEA ở giai đoạn này cung cấp các phân tích được chuẩn hóa giúp nhà thiết kế dễ dàng thực hiện. Ngoài việc dự đoán kết quả cuối cùng, các công cụ này tích hợp trực tiếp trong phần mềm CAD, cho phép so sánh nhanh chóng các phương án thiết kế khác nhau.
Giai đoạn 2: SOLIDWORKS Premium và SOLIDWORKS Simulation Standard
Đây là bước khởi đầu cho việc phân tích các mô hình lắp ráp chịu tải.
Nếu bạn đã biết tải trọng cần áp dụng hoặc cần tính toán tải trọng bằng các công cụ phân tích chuyển động tích hợp, SOLIDWORKS Simulation Standard sẽ giúp bạn thiết kế đáp ứng các tiêu chí về độ bền và độ cứng mong muốn.
Ví dụ: Kết quả phần trăm hư hỏng được tạo từ SOLIDWORKS Simulation Standard cho thấy mức độ hư hỏng của thiết kế dưới tải xác định.
Hình 4: Kết quả phần trăm hư hỏng từ SOLIDWORKS Simulation Standard
Giai đoạn 3: SOLIDWORKS Simulation Professional
Nhiều công ty ngay từ đầu đã nhận ra rằng họ cần nhiều loại bài toán phân tích hơn, chứ không chỉ là bài toán tĩnh tuyến tính. Với trải nghiệm người dùng đồng nhất giữa tất cả các sản phẩm SOLIDWORKS, việc bắt đầu với SOLIDWORKS Simulation Professional cũng dễ dàng như các công cụ khác. Cấp độ tiếp theo này cho phép bạn dự đoán các chế độ hỏng hóc khác, như tần số tự nhiên, sự mất ổn định hoặc độ bền mỏi. Dưới đây là một ví dụ về một bồn chứa dưới tải áp suất.
Hình dưới đây là một bồn kim loại được chia thành hai phần, một bên sẽ bị hút chân không. Liệu vách ngăn của bồn có bị biến dạng vĩnh viễn dưới tải áp suất khí quyển không? Cần sử dụng mối hàn có kích thước như thế nào để giữ vách ngăn cố định? Phân tích tĩnh tuyến tính để tính toán độ dịch chuyển, ứng suất và tải trọng phản hồi cho các vật liệu cứng dưới tác dụng của các tải trọng ổn định và không đổi. Loại phân tích này sẽ cung cấp kết quả phản hồi dưới dạng hình ảnh và số liệu để trả lời các câu hỏi đó.
Hình 5: Bồn chứa với 14 psi tác dụng lên vách ngăn. Kết quả độ dịch chuyển được hiển thị với tỷ lệ X30
Một tấm kim loại dài mỏng như thế này có thể bị biếng dạng cong khi hút chân không tại một bên. Trong thực tế, điều này có thể xuất hiện là tấm kim loại bị cong nhẹ trong khi không khí bị hút ra khỏi một nửa bồn chứa, tuy nhiên, sau khi một lượng không khí nhất định bị loại bỏ, vách ngăn sẽ đột ngột "nổ" và độ biến dạng sẽ xảy ra. Thay vì dự đoán chính xác cách tấm kim loại biến dạng như thế nào, chúng ta có thể tránh được việc buckling bằng cách dự đoán tải áp suất tại điểm mà có thể xảy ra.
Hình 6: Kết quả dịch chuyển tĩnh tuyến tính (bên trái) và dự đoán chế độ buckling (bên phải). Phân tích cung cấp tải giới hạn mà tại đó buckling có thể xảy ra
Thêm các gia cường có thể giảm độ dịch chuyển ban đầu và ngăn chặn buckling. Bạn có thể tạo các phiên bản thiết kế có gia cường, tái sử dụng các phân tích đã thiết lập trước đó, và chạy hàng loạt nhiều phân tích trong một chuỗi tối ưu hóa để so sánh ý tưởng thiết kế một cách hiệu quả và thu được những thông tin thiết kế mạnh mẽ, giúp hướng tới thiết kế an toàn nhất.
Giai đoạn 4: SOLIDWORKS Simulation Premium
SOLIDWORKS Simulation Premium mở rộng khả năng thử nghiệm ảo vào các phân tích động lực học tuyến tính và phi tuyến tính – bao gồm các tải như tải đột ngột, tải tuần hoàn, rung ngẫu nhiên và tải đáp ứng cực đại. Về vật liệu, các phân tích tĩnh trong SOLIDWORKS Simulation Premium có thể phản ánh biến dạng dẻo và hành vi siêu đàn hồi. Gói Premium cũng cho phép mô phỏng tải kết hợp hoặc chuỗi tải phức tạp hơn.
Hình 7: Xem xét các kết quả dịch chuyển tại các tần số nhất định
Các lựa chọn thay thế SOLIDWORKS Simulation trên 3DEXPERIENCE
Trên nền tảng 3DEXPERIENCE, có một giải pháp thay thế SOLIDWORKS Simulation dưới dạng đám mây/SaaS do chính nhà phát triển cung cấp. Hai cấp độ thấp hơn của công cụ 3DEXPERIENCE STRUCTURAL FEA tương đương với SOLIDWORKS Simulation Professional và Premium. Mặc dù giao diện và phần mềm giải quyết FEA khác nhau (3DEXPERIENCE STRUCTURAL lấy cảm hứng từ Abaqus), nhưng nó vẫn kết nối với mô hình CAD gốc của bạn.
Bạn có thể chọn 3DEXPERIENCE nếu: bạn đang sử dụng phiên bản SOLIDWORKS trên nền tảng 3DEXPERIENCE, muốn sử dụng tính toán đám mây, hoặc có kế hoạch mở rộng sang các loại mô phỏng tiên tiến hơn trong tương lai.
Khi nào chúng ta biết chúng ta đã thành công ở giai đoạn 2-4?
Ở giai đoạn SOLIDWORKS Simulation Standard, việc sử dụng phân tích kết cấu sẽ giúp bạn trả lời câu hỏi như: "Thiết kế nào tốt hơn?" hoặc "Hướng thiết kế này có đúng không?".
Khi bạn nâng cấp lên các giai đoạn Professional và Premium, với khả năng dự đoán các hỏng hóc do các yếu tố vật lý, bạn sẽ có thể trả lời chắc chắn hơn, "Thiết kế của tôi có bị hỏng không?". Việc giảm thiểu rủi ro ngay từ giai đoạn đầu sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian thực nghiệm. Điều này có ba lợi ích lớn:
Giảm chi phí sản xuất mẫu thử nghiệm, từ đó có thể chi cho các việc khác.
Giảm thời gian sản xuất mẫu thử nghiệm, giúp sản phẩm ra thị trường nhanh hơn và các kỹ sư có thể làm việc vào các dự án khác.
Làm công việc kỹ thuật dễ dàng hơn – càng sớm trong quá trình phát triển, bạn sẽ có nhiều tự do để điều chỉnh và cải tiến thiết kế.
Phân tích tiên tiến – Thiết kế chi tiết
Khi thiết kế trở nên hoàn thiện và phức tạp hơn, bước tiếp theo là sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) mạnh mẽ hơn, có khả năng phân tích với độ chính xác cao, quy mô mô hình lớn và khả năng xử lý các kịch bản đa vật lý. Các công cụ này vẫn có thể liên kết với CAD và phục vụ cho người thiết kế, nhưng nếu khối lượng công việc đủ lớn (ví dụ: khi nhiều nhóm sử dụng mô phỏng cùng lúc hoặc khi các lắp ráp sản phẩm rất lớn), việc thuê một chuyên gia phân tích để phụ trách có thể là quyết định hợp lý.
Giai đoạn 5: 3DEXPERIENCE STRUCTURAL, Performance Engineer, Structural Mechanics Engineer, và Abaqus
Để bắt đầu giai đoạn này, công ty thiết kế cần xác định các yếu tố vật lý quan trọng đối với việc dự đoán phản hồi của sản phẩm. Các chi tiết của mô hình lắp ráp hoặc tình huống sử dụng mà bạn muốn mô phỏng có thể phức tạp đến mức vượt quá khả năng của các mẫu thiết lập mô phỏng đơn giản mà SOLIDWORKS Simulation cung cấp. Những yếu tố vật lý này cũng có thể vượt qua khả năng của công cụ FEA trước đó, đặc biệt trong các tình huống như hành vi vật liệu, biến dạng, hoặc sự tương tác giữa các thành phần.
Ví dụ, một nhà sản xuất gioăng cao su có thể quan tâm đến phản hồi phi tuyến tính của loại cao su khi bị nén và chịu áp lực. Trong khi đó, một nhà sản xuất chai thủy tinh có thể muốn xác định các thay đổi cần thực hiện trong dây chuyền sản xuất để ngăn chặn vỡ chai dưới các điều kiện tải như áp suất, cơ học chất lỏng-rắn trong quá trình vận chuyển, hoặc tác động rung.
Hình 8: Dự đoán chế độ dao động (bên trái), ứng suất phản hồi sử dụng động lực học tuyến tính (ở giữa), độ dịch chuyển phản hồi bao gồm tiếp xúc phi tuyến sử dụng Explicit Dynamics (bên phải)
Bất kỳ bài toán bạn muốn mô phỏng trong lĩnh vực kết cấu, các công cụ cấp độ cao của 3DEXPERIENCE STRUCTURAL (Structural Performance Engineer & Structural Mechanics Engineer), và Abaqus đều có thể xử lý từ các vấn đề đơn giản đến phức tạp, nhờ vào các công cụ mạnh mẽ và các giải pháp chuyên sâu mà chúng cung cấp.
Hình 9: Mô phỏng va chạm toàn bộ xe, sử dụng Explicit Dynamics
Khi sản phẩm ngày càng trở nên khó khăn và tốn kém trong việc sản xuất và thử nghiệm vật lý, việc sử dụng mô phỏng tiên tiến để số hóa quá trình thử nghiệm trở nên vô cùng giá trị. Mô phỏng giúp phát hiện và điều chỉnh các vấn đề trước khi sản phẩm được sản xuất hoặc thực nghiệm. Sử dụng hiệu quả mô phỏng nâng cao không chỉ giảm chi phí thử nghiệm mà còn tăng khả năng thành công với các kỹ thuật phức tạp, đồng thời duy trì sự cạnh tranh trên thị trường.
Các công cụ mô phỏng tiên tiến có thể được xem như một tờ giấy trắng. Những trình giải quyết mạnh mẽ không có rào cản và cho phép bạn thực hiện hầu hết mọi thứ. Vì vậy, vấn đề nằm ở nền tảng kiến thức vững chắc, sự sáng tạo và tham vọng. Mức độ kỹ năng có thể phát triển vô hạn – chỉ cần thời gian và kinh nghiệm để khai thác giá trị tối đa từ mô phỏng.
