CAE là gì? Những ứng dụng trong kỹ thuật

1/ CAE là gì?

CAE được viết tắt của Computer-Aided Engineering là việc sử dụng các phần mềm máy tính để mô phỏng hoạt động để cải thiện thiết kế sản phẩm hoặc hỗ trợ trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho một loạt các ngành công nghiệp. Điều này bao gồm mô phỏng, xác nhận, và tối ưu hóa các sản phẩm, quy trình và công cụ sản xuất. Trong tương lai, hệ thống CAE sẽ là công cụ chính cung cấp thông tin để giúp các nhà thiết kế trong quá trình đưa ra quyết định.

• Hiện nay, với sự tiến bộ không ngừng nghỉ của Khoa học – Kỹ thuật, việc ứng dụng các phần mềm máy tính hỗ trợ các lĩnh vực ngành nghề ngày càng phổ biến. Đặc biệt, đối với khối ngành kỹ thuật cơ khí, xây dựng… tính chất công việc đòi hỏi phải làm việc với những mô hình phức tạp trên thực tế, với những số liệu không thể xử lý bằng phương pháp truyền thống hay máy tính thông thường, do đó, cần một phần mềm hỗ trợ xử lý số liệu, hình ảnh, tính toán cho kết quả nhanh và chính xác nhất nhằm hỗ trợ người kỹ sư, giúp tiết kiệm được thời gian, và nâng nao hiệu suất, năng suất và hiệu quả làm việc.
• Nếu CAD (Computer Aided Design) là phần mềm được dùng để thiết kế các chi tiết, sản phẩm theo định dạng 2D hoặc 3D, thì CAE (Computer Aided Engineering) có thể được hiểu là quá trình tiếp nối theo sau CAD. Đó là việc sử dụng phần mềm máy tính để mô phỏng hoạt động và phân tích ứng xử của sản phẩm, từ đó có hướng điều chỉnh để sản phẩm được tối ưu hơn. CAE sẽ là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu hỗ trợ người kỹ sư, người thiết kế đưa ra quyết định giải quyết vấn đề đặt ra.
• Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method – FDM) và phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM). Vì vậy, việc xây dựng quá trình mô phỏng và phân tích đòi hỏi người sử dụng có một nền tảng kiến thức về cơ khí, vật lý nhất định (ví dụ: lực, ứng lực, ứng suất, biến dạng,…)

2/ Ứng dụng của CAE trong kỹ thuật

• Phân tích động lực học các thành phần của bộ phận lắp ráp bằng cách phân tích phần tử hữu hạn FEA (finite element analysis)
• Phân tích nhiệt và chất lỏng sử dụng động lực học chất lỏng CFD (computational fluid dynamics)
• Phân tích chuyển động và động lực học của cơ cấu máy móc
• Mô phỏng hệ thống cơ điện tử, thiết kế hệ thống cơ điện tử đa miền.
• Phân tích hệ thống điều khiển
• Mô phỏng các quy trình sản xuất như đúc và dập
• Tối ưu hóa các sản phẩm hoặc quy trình

2.1/ Phân tích chi tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Bằng cách chia nhỏ chi tiết thành nhiều phần tử, khi tính toán cho ra kết quả chuẩn xác nhất, đặc biệt ở các chi tiết có bề mặt phức tạp. Việc này giúp người kỹ sư biết được ứng xử cơ học của chúng khi ở các trạng thái nhất định.

2.2/ Phân tích dòng chảy và truyền nhiệt (CFD).

Bài toán phân tích lưu chất nhằm xác định vận tốc, áp suất, hệ số truyền nhiệt của dòng chất lỏng trong sản phẩm. 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.

Đối với bài toán nhiệt, 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.

2.3/ Phân tích động học các cơ cấu

Hoạt động này giúp mô phỏng chuyển động của cơ cấu các chi tiết, tìm hiểu ứng xử của chi tiết trên yêu cầu của điều kiện làm việc. Từ đó, phát hiện ra sai sót trong thiết kế và tìm hướng khắc phục, giảm thiểu thời gian thử nghiệm thực tế và phát sinh lỗi kỹ thuật trong thời gian vận hành.

Các bài toán thường gặp:

• Các bài toán về va chạm.
• Đánh giá độ an toàn cho người sử dụng.
• Mô phỏng vật rơi tự do.

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.

2.4/ Mô phỏng các quá trình công nghệ như đúc, dập…

 Áp dụng công cụ CAE vào giai đoạn đầu của quá trình thiết kế khuôn đúc (hoặc dập) giúp khách hàng có thể:

• Đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu nhất cho quá trình sản xuất
• Rút ngắn quá trình tinh chỉnh khuôn thử nghiệm
• Dự đoán các khuyết tật, đặc biệt là độ co ngót của kim loại trước khi quá trình sản xuất bắt đâù và đưa ra giải pháp khắc phục kịp thời.
• Nâng cao tỷ lệ thành phẩm, giảm tỷ lệ phế phẩm.

3/ Những lợi ích khi sử dụng CAE

• Thiết kế có thể được đánh giá và hoàn thiện bằng sử dụng mô phỏng máy tính hơn là mẫu thử nghiệm vật lý, tiết kiệm tiền bạc và thời gian.
• CAE có thể cung cấp những thông tin trước đó khi quy trình được triển khai, làm cho thay đổi thiết kế ít tốn kém hơn.
• CAE giúp các nhóm kỹ thuật quản lý rủi ro và hiểu được ý nghĩa thực hiện các thiết kế của họ.
• Tỉ lệ sản phẩm bảo hành giảm xuống bằng cách xác định và loại bỏ các vấn đề tiềm năng.
• Khi kết hợp hợp lý vào phát triển sản phẩm và sản xuất, CAE có thể cho phép giải quyết vấn đề trước đó, có thể làm giảm đáng kể các chi phí liên quan đến sản phẩm.

4/ So sánh giữa CAD, CAM và CAE

Nhiều năm trở lại đây, nhiều phần mềm ra đời và nâng cấp để giúp cho con người tiết kiệm thời gian trong việc thiết kế, tính toán, sản xuất nhằm tăng năng suất lao động. Có những phần mềm tích hợp của CAD/CAM/CAE nhằm giúp cho con người tiện lợi hơn trong việc sử dụng. Nhưng đồng thời cũng làm cho chúng ta khó phân biệt được sự khác nhau giữa chúng.

CAD là gì? CAE là gì? CAM là gì? Những phần mềm này là gì và chúng khác nhau như thế nào? Điều đầu tiên cần biết về cả ba hệ thống này là hai chữ cái đầu tiên trong mỗi chữ viết tắt. “CA” là viết tắt của Computer-Aided, có nghĩa là cả ba hệ thống đều được tạo ra để giúp người dùng đạt được mục tiêu của mình nhanh hơn bằng cách sử dụng sức mạnh của máy tính để xử lý. Chữ cái cuối cùng cho CAD là Thiết kế (Design), cho CAE là Kỹ thuật (Engineering), và cho CAM, là Sản xuất ( Manufacturing ). Đây là những chương trình phần mềm kỹ thuật và sản xuất. Mỗi cái trong số chúng đều có những ứng dụng riêng.

Ví dụ: Để sản xuất một chiếc xe ôtô thì CAD sẽ chịu trách nhiệm phần thiết kế của xe ( kiểu dáng, kích thước của xe.. ) CAE sẽ tính toán phần kỹ thuật của xe ( tính toán độ lực, va chạm.. ) và CAM sẽ chịu trách nhiệm sản xuất, đưa sản phẩm ra thực tế.

5/ Nhận xét về ưu và nhược điểm của CAE

ƯU ĐIỂM

• Có thể kiểm tra tính năng và nâng cao chất lượng sản phẩm dẫn đến việc giảm chi phí giá cả của quá trình R&D và thời gian cung ứng sản phẩm ra thị trường.
• Nhờ vào việc dễ dàng kiểm tra chi tiết các đại lượng vật lý như trường ứng suất, biến dạng, áp suất, nhiệt độ, lực, v.v. giúp chúng ta có nhiều ý tưởng độc đáo, sáng tạo cho bản thiết kế.
• Đối với các hiện tượng vật lý khó và không thể quan sát, kiểm tra, làm thí nghiệm bằng phương pháp thông thường, thì CAE sẽ giúp chúng ta dể dàng quan sát.
• Hầu như ngày nay, kết quả CAE còn được xem là tài liệu kỹ thuật cơ bản dùng trong thuyết trình ý tưởng và thuyết thục đối tác cũng như khác hàng.

NHƯỢC ĐIỂM

• Vì hầu hết phần mềm CAE dùng phương pháp tính toán sai số, cho nên kết quả không thể 100% như thực tế, nhưng sẽ hữu ích khi so sánh tương đối.
• Vì kết quả CAE phụ thuộc vào cách chia lưới, áp đặt điều kiện biên, v.v. nên độ chính xác và tin cậy phụ thuộc vào kinh nghiệm, kiến thức của người sử dụng