CAD/CAM/CAE

CAE – Đi từ ảo hóa đến hiện thực

Bình minh của một thời đại công nghiệp mới.

Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ hai (1891-1914), đánh dấu sự vươn lên mạnh mẽ của Đức và Hoa Kỳ trở thành hai cường quốc về công nghiệp hàng đầu thế giới, thời kì đi lên của điện khí hóa [1]. Sự bùng nổ của Cuộc Cách mạng này có thể là một trong những nguyên nhân sâu xa dẫn đến hai cuộc Đại chiến Thế giới đẫm máu và ác liệt nhất trong lịch sử loài người. Như một tất yếu của lịch sử, chiến tranh có quy mô càng lớn, thì càng thúc đẩy khoa học – kỹ thuật phát triển theo để phục vụ cho mục đích chiến tranh. Các phe tham chiến đều mong muốn sở hữu những vũ khí hiện đại hơn, hiệu quả chiến đấu cao hơn, và có sức hủy diệt lớn hơn, để có thể giành được ưu thế trên chiến trường và lợi thế sau khi kết thúc chiến tranh.

Những bước ngoặt thay đổi lịch sử thế giới

Nếu xem xét một cách tổng thể của dòng lịch sử, những thành tựu của loài người đều xuất phát từ những yêu cầu của “sự cạnh tranh”. Những cuộc chạy đua vũ trang hàng loạt – đặc biệt là tích trữ vũ khí hạt nhân, sản xuất vũ khí công nghệ cao, hay nổi bật hơn là cuộc đua vào không gian vũ trụ giữa hai cường quốc kinh tế lúc này là Mỹ và Liên Xô [2].

Những cuộc phát kiến lớn về địa lý (cuối thế kỉ XV đầu thế kỉ XVI) đã mở ra Thời đại Khám phá [3], một thời kỳ mà hàng hóa đã được giao thương khắp các vùng đất khác nhau và Trái Đất lúc này đã tròn hơn rất nhiều so với các tư tưởng của các Nhà thờ (trước thời kì Phục hưng). Nhưng cuộc phát kiến tiếp theo của nhân loại đã không còn giới hạn ở những miền đất xa lạ nữa, mà hướng tới biên giới phía bên ngoài bầu trời kia.

Tên lửa Titan II phóng tàu vũ trụ Gemini vào những năm 1960. Nguồn: NASA Human Space Flight Gallery.

Vệ tinh Sputnik 1 – vệ tinh nhân tạo đầu tiên đi vào quỹ đạo Trái Đất. Nguồn: NASA.

Dù là các cường quốc có nền khoa học – kỹ thuật phát triển hơn nhưng không có nghĩa là những ý tưởng đầu tiên về việc khám phá không gian cũng có thể được thực hiện một cách dễ dàng. Hàng loạt vụ thử phóng tàu thất bại, bản thân chúng ta vẫn còn biết quá ít về thế giới bên ngoài tầng khí quyển kia. Đã đến lúc cần phải nhìn lại mọi thứ mà chúng ta có, đã tới thời điểm mà chúng ta phải thay đổi những thứ mà ta từng biết.

4 giây sau khi rời bệ phóng vào ngày 12/12/1959, tên lửa Titan I đã rơi trở lại và phát nổ tại bãi thử thuộc trạm không quân Mũi Canaveral, Mỹ. Một cơn địa chấn xuất hiện ngay sau đó, nhưng không ai bị thương. Cảnh quay về sự cố phóng Titan I được lưu trữ để phục vụ quá trình nghiên cứu không gian sau này.

Ngày 12/12/1959, ngay sau khi rời bệ phóng khoảng vài giây, tên lửa Titan I đã rơi trở lại và phát nổ tại bãi thử thuộc trạm không quân Mũi Canaveral, Mỹ. Nguồn: Space Safety Magazine.

Nhưng thất bại không thể làm cho ước mơ bay vào không gian của nhân loại trở nên tan biến. Học hỏi từ thất bại, khắc phục được sai sót của mình, rồi mọi vấn đề sẽ được giải quyết tuần tự và hoàn toàn. Với sự ra đời của một trong những phát minh quan trọng nhất trong lịch sử loài người – máy vi tính (tiền thân của nó chính là máy tính điện tử đầu tiên ENIAC, ra đời vào năm 1946), nhờ vào những phép toán của máy tính, các nhà khoa học đã phát triển những công nghệ mới, phục vụ cho những mục đích mới, tiêu biểu là chương trình Apollo và đổ bộ lên Mặt trăng của NASA [4].

ENIAC – Một trong những chiếc máy tính điện tử đầu tiên. Nguồn: U.S.Army Photo.

Tàu Apollo 11 – con tàu vũ trụ đưa các nhà phi hành gia lần đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng vào ngày 16/7/1969. Nguồn: NASA.

Với sự thành công của việc đưa con người vào không gian đã mở ra một kỷ nguyên mới cho con người – Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ 3 – Cuộc Cách mạng Khoa học & Kỹ thuật. Với những phát minh lớn về công nghệ bán dẫn, công nghệ nano, kỹ thuật di truyền, nhiên liệu thay thế và các giải pháp về năng lượng, sự đi lên của ngành thông tin liên lạc – viễn thông, các hệ thống tự động hóa,… và đặc biệt là sự ra đời của máy tính điện tử và những giải pháp đi kèm với nó đã làm thay đổi đáng kể bộ mặt thế giới mà chúng ta đã từng biết [5].

Thách thức của nền kinh tế – vận mệnh của nền công nghiệp ô tô

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ (1973-1974) tại Trung Đông, đã tác động đáng kể tới các nền kinh tế ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Sự khan hiếm về nhiên liệu, buộc các nhà sản xuất ô tô ở Đức và Mỹ (Hai đế chế ô tô hàng đầu thế giới thời bấy giờ) phải xem xét kỹ hơn về việc phổ biến những mẫu xe nhỏ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn để thay thế dần những loại xe truyền thống vốn đã cũ kỹ lại kích thước cồng kềnh [6].

Chính những năm đầy biến động đó đối với các nhà sản xuất ô tô và người mua này đã định hình lại nền công nghiệp ô tô lúc đó. Với yêu cầu kiểm soát chặt chẽ và các tiêu chuẩn về kiểu dáng thiết kế cho các mẫu xe, và sự xuất hiện thêm một thế lực mới trong thị trường vốn đã đầy tính căng thẳng không chỉ trong khu vực nội địa và thế giới – các hãng xe lớn của Nhật Bản như: Honda, Toyota,… [7].

Như là một tất yếu, cạnh tranh thúc đẩy sự phát triển, kiến tạo nên những giá trị mới, và ngành công nghiệp sản xuất ô tô cũng không nằm ngoài vòng ảnh hưởng. Để có thể cạnh tranh với nhau, các hãng sản xuất ô tô cũng phải tự áp dụng cho mình những thành tựu mới nhất về khoa học – kỹ thuật. Giống như sự thành công trong các cuộc chuyến thám hiểm vào vũ trụ, với sự trợ giúp của máy tính mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới – công nghệ thông tin, cùng với sự phát triển của các vấn đề kỹ thuật khác, một bộ mặt mới của ngành sản xuất ô tô đã xuất hiện.

Kết quả hình ảnh cho application of computer for manufacturing

Quá trình hoạt động của một phân khúc lắp ráp ô tô dưới bằng việc thiết lập ảo hóa. Nguồn: Wikimedia Commons.

Công nghệ thông tin cũng đã len lỏi vào từng ngóc ngách trong mọi lĩnh vực sản xuất, các nhà phát triển phần mềm đã đưa ra rất nhiều giải pháp tuyệt vời để thay đổi nền sản xuất công nghiệp. Với sự hỗ trợ của máy tính, các nhà sản xuất ô tô đã giảm được chi phí và thời gian phát triển sản phẩm, đồng thời nâng cao độ an toàn, tiện dụng và độ bền của các xe mà họ sản xuất ra được [8], đồng thời giải quyết được nhiều vấn đề tiềm ẩn xảy ra trong quá trình vận hành thực tế. Từ lúc đó trở đi, một thuật ngữ mới trong ngành công nghiệp ô tô đã ra đời – đó là CAE.

Dây chuyền sản xuất xe hơi

Mô phỏng một dây chuyền tự lắp ráp ô tô bằng máy tính. Nguồn: Raconteur.

CAE – Nhìn nhận mọi thứ bằng con mắt của công nghệ 3D 

CAE (Computer Aided Engineering): Là một khái niệm để chỉ các phần mềm được ứng dụng để hỗ trợ đắc lực cho các kỹ sư, đội ngũ thiết kế và R&D trong việc phân tích mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp [9].

Hình ảnh có liên quan

Công việc CAE tại các phòng nghiên cứu và phát triển. Nguồn: Skupina TPV.

Các yêu cầu của công việc này bao gồm:

  • Tối ưu hóa thiết kế.
  • Đánh giá, kiểm tra chất lượng thiết kế.
  • Đánh giá khả năng gia công, chế tạo.
  • Phân tích mức độ an toàn của sản phẩm trước khi đưa ra sản xuất.
Kết quả hình ảnh cho application of cad cam cae

Một số vấn đề mà các giải pháp CAE ứng dụng. Nguồn: figes.com.

Các lĩnh vực ứng dụng cho của CAE trong các ngành công nghiệp là không giới hạn: Hàng không, quốc phòng, không gian vũ trụ, năng lượng, kiến trúc, cơ khí, xây dựng, thiết bị công nghiệp, hàng tiêu dùng, công nghệ cao, vận tải, khoa học đời sống,… thậm chí là trong các quy trình, tiện ích và dịch vụ, giáo dục,… đều có những vai trò nhất định [10].

Simulation driven design

Ứng dụng của việc mô phỏng trong thực tiễn. Nguồn: Altair Hyperworks.

Các ông lớn trong lĩnh vực này phải kể đến như: Dassault Systemes (Pháp), Siemens PLM Software (Đức), Autodesk (Mỹ),… Với các giải pháp CAD/CAM/CAE toàn diện, tập trung giải quyết các vấn đề liên quan như: cơ học kết cấu, dao động – đàn hồi, biểu diễn các hệ tuyến tính và phi tuyến, các đặc trưng mang tính động lực học (nguyên văn: Dynamic Response), cách thức hoạt động của hệ thống cơ điện tử, rơi tự do, va chạm, âm hưởng, cơ học chất lưu, phân tích cơ cấu, mô phỏng các quá trình truyền nhiệt, giải tích về điện từ trường, đặc biệt là các bài toán về khuôn (khuôn đúc, khuôn nhựa, khuôn dập liên hoàn,…) và mô phỏng dòng chảy trong khuôn,…

Một lĩnh vực phổ biến của CAE :

Simulation: Mô phỏng quá trình, tính toán độ bền, đo đạc các thông số vật lý, kiểm tra chất lượng sản phẩm. Trong đó, cơ sở của phần này là các kiến thức về:

FEA (Finite Element Analysis): Phân tích phần tử hữu hạn (thuật ngữ này thường được phổ biến trong các ngành công nghiệp) [11].

  • Linear Static Analysis & Nonlinear Analysis (Phân tích ở trạng thái tĩnh tuyến tính và phân tích phi tuyến tính).
  • Dynamic Analysis (Phân tích về động lực học).
  • Buckling Analysis (Phân tích biến dạng).
  • Fatigue Analysis (Kiểm tra về tải trọng động-tính toán độ bền mỏi).
Hình ảnh có liên quan

Phân tích ứng suất trong chi tiết máy. Nguồn: Patriot Engineering Company.

Dự đoán cấu trúc chịu lực của sân vận động

Dự đoán cấu trúc chịu tải trọng của sân vận động. Nguồn: Altair Hyperworks.

Nếu trước đây, nhiều nhà sản xuất, thiết kế phải đau đầu với những bài toán về tiết kiệm chi phí, khắc phục sự cố khi đưa ra sản xuất, thì giờ đây CAE đã có mặt để giải quyết hoàn toàn trọn vẹn các vấn đề đó. Với ứng dụng từ việc ảo hóa trong sản xuất, các doanh nghiệp sản xuất có thể tối đa hóa thiết kế của mình, khắc phục các lỗi trong kết cấu của sản phẩm, tiết kiệm chi phí sản xuất và vật liệu tạo nên sản phẩm, từ đó đưa ra được sản phẩm có chất lượng phù hợp nhất với nhu cầu thực tiễn.

Kết quả hình ảnh cho buckling analysis

Kiểm tra độ bền mỏi của một kết cấu. Nguồn: Progetti – OAC Ingegneria.

Phân tích điện trường trong thiết kế về các điện cực. Nguồn: Altair Hyperworks.

Kiểm tra mật độ từ thông qua cuộn rotor nghiêng. Nguồn: Altair Hyperworks.

 

Một công nghệ đầy hứa hẹn trong tương lai

Không dừng lại ở phạm vi công nghiệp sản xuất và các ngành công nghệ cao. Ứng dụng mà CAE đem lại là rất tiềm năng, mặc dù chưa thực sự phổ biến ở các nước đang phát triển, nhưng với sự đi lên của công nghệ số và sự kết nối toàn cầu thông qua mạng Internet, thì việc trao đổi các dữ liệu sản xuất, các đề án nghiên cứu và thực tiễn sẽ trở nên rộng khắp trên phạm vi toàn cầu.

Cũng có một số ứng dụng ít được biết đến vào các ngành khác như : viễn thông – liên lạc, công nghiệp năng lượng,…

Biểu diễn cường độ sóng radio tại một khu vực địa lý của ăng ten định hướng. Nguồn: Altair Hyperworks.

Tối ưu hóa thiết kế kết cấu cho máy phát năng lượng sóng Wave

Tối ưu hóa thiết kế cho một hệ thống máy phát năng lượng thủy triều. Nguồn: Altair Hyperworks.

Thậm chí trong ngành công nghiệp đồ gia dụng, CAE đã góp phần tạo nên những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao và giá thành ngày càng rẻ. Những sản phẩm được nâng cao chất lượng này đang ngày đang ngày càng xuất hiện nhiều trong đời sống sinh hoạt của người dân.

Blender simulation with smoothed particle hydrodynamics (SPH) (Courtesy of EuroPro)

Mô phỏng quá trình trộn trong máy xay – một sản phẩm gia dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày. Nguồn: Altair Hyperworks.

Bottle optimization: Increased performance and reduced mass

Tối ưu hóa thiết kế vỏ chai: tăng dung tích và giảm khối lượng. Nguồn: Unilever.

Thậm chí, khi sử dụng các công nghệ tính toán, mô phỏng mở rộng tới lĩnh vực y học, nó cũng góp phần trong công việc chuẩn đoán, đưa ra những định hướng điều trị có những bước tiến tích cực trong việc thay đổi và cải thiện tình trạng sức khỏe của những người bệnh trên quy mô lớn.

Coarct-ARBEs

Mô phỏng chu trình tuần hoàn máu trong cơ thể người bằng công nghệ CFD. Nguồn: bloodflow.engin.umich.edu.

Analysis of bones

Phân tích xương chân người. Nguồn: Altair Hyperworks.

Trong tương lai, với làn sóng ảnh hưởng của Cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0, lĩnh vực CAE sẽ ngày càng được ứng dụng rộng khắp ở các nước đang phát triển, đặc biệt là ở một nền công nghiệp Việt Nam còn non trẻ và đang hướng tới mục tiêu Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa. Hiện nay, với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ trong lĩnh vực phần mềm máy tính, các lĩnh vực CAE đang dần được kết hợp với CAD, CAM để tạo thành một giải pháp CAD/CAM/CAE toàn diện hỗ trợ đắc lực cho các ngành công nghiệp (với mọi quy mô và hình thức) và nhiều lĩnh vực khác. Điều đó vừa là cơ hội cũng như thách thức đối với một nền công nghiệp đang thời kỳ đổi mới toàn diện như ở nước ta.

Tham chiếu

Một số phương pháp của CAE ứng dụng vào thực tế khảo sát

1. CFD( Computational Fluid Dynamics): Tính toán động lực học chất lưu, các vấn đề về khí động học trong kỹ thuật, mô phỏng tác động của dòng chảy nhiệt trong các quá trình [12].

Đây là một giải pháp được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực, nghiên cứu thực tiễn như: xây dựng các công trình đập thủy điện, thiết kế các hệ thống thông gió, khảo sát khí tượng, cũng như thử nghiệm các phương tiện, khí tài quân sự – trinh sát, khảo sát các dòng chảy của vật liệu trong khuôn,… Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố ngoại cảnh (thực tế) lên các đối tượng khảo sát.

  • Flow Simulation (Mô phỏng dòng chảy chậm).
  • Plastic (Mô tả các dòng chảy nhựa trong các bộ khuôn mẫu).
  • Thermal Analysis (Phân tích các quá trình truyền nhiệt).
Multiphase flow simulation of a waterfall

Nhiều giai đoạn của quá trình chảy từ một thác nước. Nguồn: Simscale.

Kết quả hình ảnh cho Simulation aerospace

Khảo sát tác động của dòng khí đối với máy bay trong quá trình bay. Nguồn: F-16.net.

Kết quả hình ảnh cho CFD Solidworks Flow Simulation

Quá trình chuyển động của nước qua van bằng mô phỏng dòng chảy chậm. Nguồn: SOLIDWORKS 3D CAD | Stratasys 3D | Printing.

  • Kinematics & Thermal Analysis: Mô phỏng các bài toán về động học và động lực học, những quá trình dưới sự tác động của nhiệt.

    Kết quả hình ảnh cho simulation thermal

    Mô tả các dữ liệu nhiệt trong chip vi xử lý bằng ANSYS. Nguồn: Ansys Blog.

kf_extra.png

Dữ liệu quá trình đốt trong động cơ bằng mô phỏng nhiệt. Nguồn: Siemens.

CONVERGE WEBINAR

Đo đạc các thông số cơ bản trong mô phỏng quá trình hoạt động của một động cơ đốt trong. Nguồn: Digital Engineering.

Bằng các dữ liệu phân tích và tính toán, những kỹ sư CAE có thể kiểm soát và đánh giá được các quá trình tương tác và trao đổi nhiệt trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như các bộ vi mạch, chip xử lý trong các bo mạch, nhưng quan trọng là phát hiện kịp thời những lỗi thiết kế để tránh gây thiệt hại khi sản xuất hàng loạt.

2. MBS (Mutli Body System) – bài toán hệ nhiều vật [13].

  • Crash Analysis (Các bài toán về va chạm).
  • Occupant Safety (Đánh giá độ an toàn cho người sử dụng).
  • Drop Test Simulation (Mô phỏng vật rơi tự do).
Hệ thống an toàn để bảo vệ tai nạn của đoàn tàu (Theo sự hỗ trợ của Sharma Associates Inc.)

Hệ thống túi khí an toàn để bảo vệ người lái tàu khi có tai nạn. Nguồn: Sharma Associates Inc

Kết quả hình ảnh cho impact simulation

Thử nghiệm tai nạn ô tô, đánh giá khả năng tác động tới người lái. Nguồn: CTAG.

Đây là một trong những chìa khóa quan trọng trong sự thành công của các thương hiệu xe ô tô nổi tiếng trên thế giới như: Ford, Tesla, BMW, Ferrari, Volkswagen, Audi,… với tiêu chí an toàn và chất lượng của sản phẩm đã tạo nên tên tuổi cho những ông trùm trong ngành này.

Trong đó, hạng mục Drop Test Simulation: là một bài kiểm tra thả rơi tự do đánh giá tình trạng nguyên vẹn của kết cấu chi tiết. Được ứng dụng rất nhiều trong các đối tượng: hộp đen của máy bay, điện thoại di động, đồ điện dân dụng (tivi, tủ lạnh,…), hàng dân dụng,…

Kết quả hình ảnh cho drop test simulation

Thử nghiệm thả rơi đánh giá độ bền của một chiếc điện thoại di động. Nguồn: Digital Manufacturing Services & Software.

Dao động của nước trong chai nhựa khi bị thả rơi qua việc mô phỏng. Nguồn: DHIO Research.

3. Boundary Element Method (BEM): Phương pháp phần tử biên [14].

  • Là một công cụ rất mạnh mẽ và hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề về âm học hay phân tích về NVH Analysis (Noise Vibration and Harshness analysis – tạm dịch: phân tích về độ ồn, độ rung và độ xóc) [15].
Aeroacoustics with NVH

Mô phỏng NVH trong quá trình lái xe ô tô. Nguồn: Altair Hyperworks.

Thường được áp dụng trong lĩnh vực thiết kế về tự động: ô tô, dây chuyền sản xuất, động cơ,…

3. Finite Difference Method (FDM): Phương pháp sai phân hữu hạn [16].

4. Finite Volume Method (FVM): Phương pháp thể tích hữu hạn [17].

5. Optimization (Tối ưu hóa sản phẩm hoặc quy trình).

6. Validation (Kiểm tra, xác nhận thông tin sản phẩm).

7. Manufacturing tools (Công cụ sản xuất).

Tham khảo

[1] Cách mạng công nghiệp lần thứ hai, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/Cách_mạng_công_nghiệp_lần_thứ_hai

[2] Chạy đua vào không gian, Wikipedia, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/Chạy_đua_vào_không_gian

[3] Thời đại khám phá, Wikipedia, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/Thời_đại_Khám_phá

[4] ENIAC, Wikipedia, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/ENIAC

[5] Cách mạng Khoa học-Kỹ thuật, Wikipedia, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/Cách_mạng_khoa_học_-_kỹ_thuật

[6] Khủng hoảng dầu mỏ 1973, Wikipedia, URL: https://vi.wikipedia.org/wiki/Khủng_hoảng_dầu_mỏ_1973

[7] History of the automobile, Wikipedia, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_automoblie

[8] CAE in the automotive industry, Computer Aided Engineering (CAE), Wikipedia, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_engineering

[9] CAE / Computer Aided Engineering, Siemens PLM Software: PLM – Product Lifecycle Management, URL: https://www.plm.automation.siemens.com/en/plm/cae.shtml

[10] Industry, Siemens PLM Software: PLM – Product Lifecycle Management, URL: https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/industries/

[11] Finite Element Analysis, 3D CAD Design Software, URL: http://www.solidworks.com/sw/products/simulation/finite-element-analysis.htm

[12] Computational Fluid Dynamics, Simscale – CFD, FEA, and Thermal Simulation in the Cloud | CAE, URL: https://www.simscale.com/product/cfd/

[13] Multi-Body System Dynamics, CAE Simulation Solutions, URL: http://www.cae-sim-sol.com/en/services/multibody-system-dynamics

[14] Boundary Element Method, Springer link, URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-94-011-0784-6_3?LI=true

[15] NVH, Altair | HyperWorks, URL: http://www.altairhyperworks.com/solution/NVH

[16] Finite Difference Method, MRST –  MATLAB Reservoir Simulation Toolbox, URL: https://www.sintef.no/projectweb/mrst/modules/mimetic/

[17] Finite Volume Method, Scholarpedia, URL: http://www.scholarpedia.org/article/Finite_volume_method

 

RESPONSIVE LEADERBOARD AD AREA

Bài viết nổi bật

RESPONSIVE LEADERBOARD AD AREA

Copyright © 2019 MES LAB. Address: An Lac Building, 368B Quang Trung Street, Ha Dong District, Ha Noi, Vietnam
Hotline: 082.547.4020 | Email: meslab.org@gmail.com (Dr. Tuan A. Tran)

To Top