Kĩ thuật mô phỏng: Tính năng và mục đích

Sự ra đời của chiếc máy tính có thể coi là bước ngoặt lớn trong nhiều lĩnh vực, trong đó có sản xuất. Thay vì phải chế tạo thử các chi tiết như trước đây, người thiết kế có thể rút ngắn thời gian và tiết kiệm chi phí nếu tận dụng triệt để những phần mềm mô phỏng. Bài viết dưới đây sẽ cho chúng ta cái nhìn khái quát về tính năng và mục đích của công nghệ mô phỏng hiện nay.

1. Tính năng của kĩ thuật mô phỏng

Tính năng đầu tiên của kĩ thuật mô phỏng là thể hiện tính trực quan (Visualization). Khi nói về tính trực quan, chúng ta có thể nghĩ nó bao gồm lỉ lệ (Scaling) và biểu thị quỹ tích (Tracking). Mặc dù vậy, phần lớn người sử dụng phân biệt riêng 2 tính năng này. Trong bài viết này chúng ta sẽ gọi chung 2 tính năng này là Mieruka.

Đầu tiên, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về tính trực quan. Ví dụ, khi bẻ cong 1 vật thì chúng ta không thể nhìn bằng mắt thường ứng lực sẽ tập trung tại điểm nào và với độ lớn bao nhiêu? Thêm một ví dụ khác, khi cầm mạnh một chiếc bút bi thì chúng ta cũng không thể nhìn thấy ứng lực tập trung ở điểm nào và độ lớn bao nhiêu. Ngược lại nếu sử dụng phần mềm mô phỏng trên máy tính người dùng sẽ dễ dàng phân biệt được lực tác dụng vào đâu và với giá trị bao nhiêu nhờ sự hiện thị các bậc mầu riêng biệt như xanh, đỏ. Đây được gọi là tính trực quan trong mô phỏng.

Tính năng tiếp theo của kĩ thuật mô phỏng là tỉ lệ. Ví dụ, khi tìm hiểu ảnh hưởng El Nino tới trái đất, người ta sẽ tìm hiểu xem mực nước biển đang dâng cao tại khu vực nào. Nếu không có tính năng tỉ lệ thì thật khó để có thể quan sát và so sánh những khu vực cách xa nhau tới vài trăm km. Hơn thế nữa, tính năng này cũng giúp người dùng có thể khuếch đại những vật thể siêu nhỏ như phân tử hay các loại hạt khác. Đây chính là tính năng tỉ lệ.

Tính năng thứ 3 là biểu thị quỹ tích. Kĩ thuật này sẽ giúp người dùng biểu thị quỹ tích của cả những cơn gió hay dòng phân tử khí. Một ví dụ khác, ngày trước khi chế tạo thân của những chiếc xe công thức 1 người ta phải tiến hành những thực nghiệm về hướng gió.Nhưng hiện nay, với công nghệ mới chúng ta hoàn toàn có thể thiết lập các điều kiện để tìm hiểu “Làm thế nào để giảm sức cản của gió”, “Phần đuôi sẽ thiết kế cuộn cong thế nào?”. Tính năng biểu thị quỹ tính được sử dụng trong mô phỏng cơn gió, dòng chất lỏng bằng các đường quỹ tích.

Ngoài tính năng Mieruka, kĩ thuật mô phỏng còn được đưa vào sử dụng nhằm giảm thiểu tối đa thời gian và chi phí trong hoạt động phát triển sản phẩm mới. Ví dụ, trong một doanh nghiệp sản xuất ô tô, nếu muốn chế tạo một chiếc khuôn đúc họ sẽ tiêu tốn vài ngàn đến vài chục ngàn USD. Khi chưa có máy tính, để chế tạo thử một chiếc máy và trước khi quyết định hình dạng cuối dùng của khuôn người ta sẽ phải chế tạo thử rất nhiêu mẫu. Và khi chế tạo thành công chiếc khuôn đúc dùng trong sản xuất hàng loạt, tất cả các mẫu thử trước đó sẽ phải bỏ đi. Nếu nói về mặt kinh tế, đây không phải là phải pháp tối ưu. Tuy nhiên hiện nay người ta hoàn toàn có thể dùng các phần mềm để tính toán cường độ lực cũng như các yếu tố khác tác động lên thân xe trước khi đưa ra quyết định cuối cùng để chế tạo khuôn dập.Với phương pháp này các nhà sản xuất đã tiết kiệm đáng kể chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm mới.

2. Mục đích của kĩ thuật mô phỏng

Kĩ thuật mô phỏng được sử dụng với 2 mục đích chính là tối ưu hóa và thống nhất hóa. Trong thiết kế và phát triển sản phẩm mới mục đích thống nhất hóa các giai đoạn như chế tạo thử, đánh giá hay chuẩn bị sản xuất luôn được đặt lên hàng đầu. Trước kia, sau khi kết thúc khâu thiết kế, nếu không xuất ra bản vẽ chúng ta sẽ không thể đánh giá được tính chính xác nếu không làm mẫu thử. Nhưng hiện này công đoạn này đã được thực hiện hoàn chỉnh mà không cần phải có bản vẽ nhờ sử dụng những tính năng của kĩ thuật mô phỏng.

Một ví dụ khác, để kiểm tra tính tối ưu hóa về kết cấu của một sợi dây đồng được dùng trong bảng điều khiển động cơ ô tô, thì cần phải biết được tính cứng và tính dẻo của sợi dây này. Nếu người thiết kế thực hiện đầy đủ các bước kiểm tra thì sẽ mất khả nhiều thời gian nhưng với tính năng tối ưu hóa chúng ta sẽ dễ dàng tìm được câu trả lời cho vấn đề này.

Hình 1 mô phỏng thanh trụ rỗng một đầu được cố định vào tường và đầu còn lại sẽ chịu một lực tác dụng nhất định. Nếu chỉ dùng công thức toán học thì việc tìm ứng lực ở mặt trong của trụ rỗng sẽ gặp khá nhiều khó khăn. Và chúng ta sẽ cùng suy nghĩ về bài toán tìm hình dạng và kích thước của trụ rỗng (biết khối lượng 3kg và độ lớn lực tác dụng) để ứng lực tập trung nhỏ nhất, hay nói cách khác là tìm hình dạng thích hợp nhất của trụ rỗng.

Đối với bài toán này nếu dùng phần mềm mô phỏng chúng ta sẽ thực hiện lần lượt các bước sau. Đầu tiên, sử dụng phần mềm để mô phỏng trụ rỗng với chiều dày lần lượt là 15 mm, 20mm, 25 mm và chiều dài tương ứng là 30mm, 40mm, 50mm. Lần lượt phân tích các mẫu này ta sẽ nhận được kết quả như hình 2. Vùng có mầu đỏ chính là bộ phận ứng lực lớn nhất sinh ra.

Tiếp đó, chúng ta sẽ lấy những giá trị ứng lực cực đại và trọng lượng đã phân tích để xây dựng biểu đồ 3D như hình 3. Nhìn vào biểu đồ chúng ta có thể thấy, thành ống càng dầy hay đường kính đầu ngoài càng lớn thì ứng lực cực đại sẽ nhỏ đi. Ngược lại, thành ống càng mỏng hay đường kính đầu ngoài nhỏ đi thì ứng lực cực đại sẽ lớn.

Vậy chúng ta sẽ chọn giá trị nào để nhận được phương án tối ưu. Điều này sẽ trở nên khó khăn khi bạn không phải là một nhà thiết kế giàu kinh nghiệm. Tuy nhiên vấn đề lại không quá khó nếu những phán đoán được thực hiện bằng phần mềm phân tích. Phương án tối ưu được thể hiện như hình 4.

Như vậy, ví dụ trên đã cho chúng ta hiểu rõ hơn về tính tối ưu hóa trong kĩ thuật mô phỏng.

Thực hiện: Bùi Linh

Bình Luận

comments