Tổng quan về CAE

Đại khái là vậy, mấy cái vụ ngữ nghĩa này xin dành lại cho các giáo sư Hàn lâm tiếng Việt. Vậy CAD và khác nhau ra sao và CAE dùng để làm cái gì ? Tôi xin đưa ra một ví dụ đơn giản nhất cho dễ hiểu. Đó là tấm cản đằng trước của xe hơi. Ngày trước chưa có kỹ thuật CAE thì mấy ông thợ gò , làm khuôn v.v.. cứ theo cái mẫu của ông họa sĩ Design vẽ sẵn làm theo, miễn gắn lên xe thấy nó đẹp là được rồi, không cần biết nó nặng nhẹ, rủi bị tông lộn có bể hay không bể , chết người hay không chết thì họ cũng không cần biết, kiểu giống như chế mấy cái xe bục bịch ở trong nam mà người bắc gọi văn hoa hơn là xe Công Nông vậy.

Ở xứ chạy xe tông cái đùng , chết đền 10 triệu tặng thêm cái hòm .Mũ bảo hiểm gấp xếp lại được bán chạy và dân trẻ khoái hơn cái mũ bảo hiểm loại “nồi cơm điện” hoặc bác “hai lúa Tây Ninh” chế máy bay đòi bay chơi coi sinh mạng của mình như giấy mà báo chí khen rầm rầm làm các giáo sư đại học nhà ta ê hề mặt mũi thì cỡ vậy là đủ. Mức độ vẽ , design cái xe như vậy với sự trợ giúp của computer chỉ ngừng ở lãnh vực của CAD.

Nhưng mà thời thế thay đổi,mạng người ngày càng đắt giá hơn thì cái xe với cản gò đại vậy chắc là bán không được vì không biết có an toàn hay không. Muốn chế chiếc xe có cái cản an toàn thì phải thực nghiệm, tính toán ứng lực, tính độ xung kích, tính hệ số an toàn v.v…Vậy thì chúng bắt đầu đi vô thế giới của CAE, thế giới của các ông kỹ sư thiết kế. Ngày xưa chưa có Computer thì các ông kỹ sư chế vài chục cái đủ kiểu cho nó va đập để làm thực nghiệm va đập, xung kích xong rồi lựa cái còn “sống sót” ít thương tích nhất gắn vô xe.

Sau này cao hơn một chút khi khái niệm FEM ra đời thì kỹ sư tính toán bằng tay, nhưng rồi cũng phải chế thật nhiều để lựa ra được cái tốt nhất, vì cái cản mà ngồi tính tay để tìm cho ra các thông số tối ưu thì tính xong một cái cũng mất vài năm. Mới có chuyện tía của tôi thời năm 60 được người Nhật mướn tính tìm giải pháp để chế 24 con ốc gắn cái động cơ máy bay lên chiếc máy bay YS11 cho nó an toàn, chỉ có 24 con ốc phải ngồi tính tay 4 năm. Thành ra cái thời gian và chi phí làm khuôn, làm thử nghiệm, thực nghiệm rất dài và rất đắt đỏ.

Khoảng 15 năm trước thôi , tiền để nghiên cứu thành công một cái cản xe hơi cũng phải mất khoảng 10 đến 30 triệu USD, bạn nào làm khuôn sắt thì biết, một bộ khuôn để chế cái cản thực nghiệm không thôi rẻ nhất cũng khoảng từ 400.000USD trở lên. Thữ chừng chục cái mới lựa ra được một cái như vậy thì công ty cũng “méo mặt” vì tiền nghiên cứu. Để tránh bớt những thực nghiệm lãng phí tiền bạc và thời gian thì người ta phải dựa vào CAE để tìm phương pháp tối ưu gần thực tế nhất.

Như vậy có thể tóm tắt công dụng của CAE là làm các thực nghiệm, tính toán, mô phỏng để tìm phương pháp thiết kế tối ưu nhất , giá rẻ nhất , thời gian nhanh nhất trên máy tính dựa trên các thuật toán FEM v.v… Khoảng 25 năm trước khi mà kỹ thuật hardware còn yếu và kỹ thuật CAD 3 chiều chưa mạnh như bây giờ thì người dùng ngôn ngữ C hay Fortran để giải các bài toán FEM thì cần thiết phải có những kỹ sư chuyên môn về CAE để đọc các trị số trong kết quả mà máy tính đưa ra để phân tích.

Gần đây với sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật CAD 3D , nhất là ứng dụng của kỹ thuật Solid Modelling thì không cần đến các kỹ sư CAE chuyên môn, các kỹ sư bình thường cũng có thể nhìn , xem kết quả dự đoán các mô phỏng tính toán bằng mắt trên màn hình máy tính. Mặc dầu vậy những bài toán khó như Phân tích va đập , xung kích , biến hình lớn thuộc hệ phi tuyến tính cấu tạo Phân tích thì vẫn còn cần các kỹ sư CAE chuyên môn để phân tích.

2) Các bước để thao tác CAE đối với một kỹ sư thiết kế

1. Thu thập thông tin : Thu thập các thông tin liên quan đến điều kiện thiết kế như Cường độ, không gian, Cơ năng v.v..
2. Xử lý thông tin: Xử lý ,sàng lọc các thông tin , điều kiện ràng liên quan đến sản phẩm thiết kế để tìm ra hướng giải pháp và mục tiêu thiết kế.
3. Đưa ra ý tưởng: Đưa ra ý tưởng gần với cấu tạo của sản phẩm nhất. Trong trường hợp này thì chưa cần đến bước vào thao tác CAD vội, bạn chỉ cần vẽ khái quát ý tưởng trên giấy. Nếu bế tắc thì nên tìm chuyện gì vui vẻ để relax, gặp người yêu , đi tắm , uống cafe,đi hút thuốc chẳng hạn , những ý tưởng bất ngờ tốt nhất lại thường xuất phát từ những lúc ta thoải mái trong đầu óc nhất.
4. Chỉnh lý ý tưởng , dự đoán hiện tượng xảy ra trong quá trình phân tích để đi đến quyết định nội dung phân tích: Bạn tự lập một bảng phân tích và cho điểm về các yếu tố cấu thành sản phẩm thiết kế trong các ý tưởng của bạn như Tính năng, phẩm chất, giá thành, tính sản xuất v..v . Sau đó lọc ra ý tưởng nào điểm cao nhất thì xử lý trước , cái nào điểm ít hơn thì xử lý sau. Từ đó bạn có thể dự đoán tìm ra các khuyết điểm của sản phẩm dự định thiết kế.
5. Dùng CAD để design sản phẫm theo ý của bạn hay của khách hàng.
6. Bắt đầu bước vào CAE. Có 3 bước :

* Pre-processing – Dùng preprocessor để soạn những thông số cần thiết để Phân tích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số vùng biên, các thông số hoàn cảnh (enviromental factor) v.v.. * Analysis solver – Thực hành solver để simulation * Phân tích hình ảnh hoặc các trị số do kết quả đưa ra từ Post-processing

3) Phương pháp Phân tích CAE

Có 3 Phương pháp Phân tích CAE là

1. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM)
2. Phương pháp sai phân hữu hạn  ( Finite difference method; FDM)
3. Phương pháp phần tử biên. (Boundary element method; BEM)
4. Các lãnh vực ứng dụng CAE và các phần mềm CAE chuyên dụng

Các lãnh vực ứng dụng của CAE là Cơ khí kỹ thuật, Điện cơ, Điện tử, Kiến trúc, Công chánh, Hóa học. Tùy theo mỗi ngành mà ứng dụng của CAE và phần mềm chuyên dụng khác nhau .Dưới đây là tên các phần mềm CAE chuyên dụng để Phân tích cho từng ngành (Phần trong ngoặc là tên các phần mềm, các bạn cần tham khảo).

• Cấu tạo Phân tích ( Phân tích kết cấu) ….. ( MSC.Nastran、ANSYS、ABAQUS、Amps、Mpact、CATIA Analysis, MSC.SIMDESIGNER, NX, ADVC）
• Phân tích ứng lực ….. （MSC.SIMDESIGNER,MSC.Fatigue、ANSYS, CATIA Analysis, Amps,Abaqus）
• Phân tích dao động, chấn động ….. （Abaqus, ANSYS、MSC.Nastran、CATIA Analysis, NX）
• Phân tích âm hưởng ….. （LMS/VirtualLab.Acustics, Auto-SEA、ANSYS）
• Phân tích xung kích , va đập ….. （Pam-Crash、LS-DYNA、ABAQUS, RADIOSS, Amps）
• Phân tích lưu thể …. (FLUENT、STAR-CD、FLOW-3D、FloWizard、STRAEM、PHOENICS、Pam-Flow、DYNAFLOW、ANSYS CFX、NX）
• Phân tích điện từ trường …. （PHOTO-Series、MagNet6、JMAG-Studio、Pam-Cem、ANSYS）
• Phân tích cơ cấu ….. （MSC.ADAMS、LMS Virtual.Lab Motion、LMS DADS、FunctionBay RecurDyn、NX）
• Phân tích về điện áp ….. （ANSYS）

Đặc biệt trong lãnh vực chế tạo khuôn được ứng dụng rất nhiều.

• Khuôn nhựa （3DTIMON、PLANETS、Moldflow、SimpoeMold）
• Khuôn dập （Pam-Stamp、JSTAMP-Works、Autoform）
• Khuôn đúc （MAGMASOFT、Procast、ConiferCast、JSCAST、ADSTEFAN、CAPCAST、Pam-Cast、AnyCAST）
• Khuôn gỗ tạo hình khuôn cát （ArenaFlow）
• Khuôn rèn （MSC.SuperForge、DEFORM、FORGE3

TS Phan Quế Thanh – Honda Motors Japan