Đặc điểm chung của các phần mềm này mô phỏng, phân tích (FEA) là sử dụng giá trị gần đúng. Vậy làm thế nào để đánh giá được mức độ chính xác của các phần mềm FEA?
SOLIDWORKS Simulation là phần mềm phân tích mô phỏng tiêu biểu trong hệ thống các giải pháp phần mềm SOLIDWORKS. SIMULIA là giải pháp phân tích trên nền tảng đám mây được tích hợp trong 3DEXPERIENCE. Đây đều là những giải pháp phân tích mạnh mẽ cho kỹ sư thiết kế công nghiệp.
Đặc điểm chung của các phần mềm mô phỏng FEA
Các nhà phát triển phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA – ) thường đưa ra các giải pháp của họ là vượt trội so với các đối thủ cạnh tranh, những người mà họ cố gắng mô tả là không phải là đối thủ ngang hàng. Tuy nhiên, họ không giải thích rằng nhiều gói trong số này sử dụng cùng một nền tảng phương pháp toán học: phương pháp phần tử hữu hạn (FEM: Finite Element Method). Nói cách khác, độ chính xác của kết quả mô phỏng không phụ thuộc vào phương pháp toán học cơ bản, thường là giống nhau và có nhiều vấn đề hơn để xem liệu một vấn đề có được thiết lập chính xác hay không.
FEM là một kỹ thuật số rời rạc để tính gần đúng các giải pháp cho các vấn đề giá trị biên cho các phương trình vi phân chi phối vật lý và kỹ thuật. Mô hình này được biểu diễn dưới dạng toán học như là một sự rời rạc của việc chia lưới hình học và chia hình học thành các phần tử được biểu diễn bằng toán học bằng một phương trình, kết hợp các phương trình phần tử thành một hệ phương trình, sau đó sử dụng đại số ma trận để giải các phương trình đó. Bởi vì phần lớn các giải pháp FEA, bất kể gói nào, đều dựa trên các nguyên tắc FEM, các giải pháp của chúng sẽ luôn là một xấp xỉ của thực tế. Tuy nhiên, khi được thực hiện chính xác, giải pháp gần đúng này đủ gần để cung cấp độ chính xác cần thiết để đưa ra các quyết định thiết kế quan trọng.
Nói một cách đơn giản, trong khi có một phản ứng vật lý thực tế, có thể đo lường được đối với trường hợp hình học, tải trọng và điều kiện biên cụ thể, không có câu trả lời hoàn hảo hoặc lý tưởng trong FEA, chỉ có một xấp xỉ. Tuy nhiên, độ chính xác của tính gần đúng đó, nó phản ánh chặt chẽ thực tế vật lý thực tế như thế nào vẫn rất quan trọng để dự đoán và hiểu hành vi thiết kế, và đưa ra các quyết định thiết kế, kỹ thuật và phát triển sản phẩm thận trọng. Do tất cả các gói FEA sử dụng cùng một nguyên tắc FEM cơ bản, độ chính xác của kết quả phụ thuộc nhiều vào mức độ ban đầu của một vấn đề mô phỏng được thiết lập thông qua định nghĩa của người dùng về các điều kiện biên cho một trường hợp cụ thể, bao gồm các ràng buộc, mức độ tự do (DOF), tính chất vật liệu, và tải trọng. Nhà thiết kế và kỹ sư phải áp dụng chính xác tải và điều kiện biên để có được câu trả lời gần nhất có thể.
Do đó, độ chính xác của kết quả mô phỏng từ các gói FEA khác nhau có mối tương quan trực tiếp để dễ dàng và chính xác thiết lập một vấn đề FEA, và đây là nơi chúng ta thấy có sự khác biệt lớn giữa các hệ thống FEA có sẵn. Với cùng một nền tảng toán học, FEA và các giải pháp mô phỏng chủ yếu được phân tách bằng các công nghệ được sử dụng để meshing, solving, preprocessing (setting up the simulation), postprocessing the results.
Làm thế nào đánh giá mức độ chính xác của các phần mềm mô phỏng, phân tích phần tử hữu hạn?
Vậy làm thế nào bạn có thể đánh giá độ chính xác của các kết quả được tạo ra bởi các phần mềm FEA khác nhau khi tất cả chúng đều tạo ra các giải pháp xấp xỉ trực tiếp. Chạy cùng một vấn đề mô phỏng thiết lập đúng trong các hệ thống FEA khác nhau, làm thế nào chúng ta có thể biết giải pháp gần đúng nào là gần nhất với câu trả lời thực sự? Nó là một đề xuất bị mất để so sánh gần đúng. Một cách tiếp cận tốt hơn để xác định độ chính xác của kết quả FEA là so sánh các kết quả đó với thực tế, sử dụng dữ liệu thử nghiệm đã biết, hoặc các tiêu chuẩn kiểm tra và xác nhận của ngành.
Vấn đề về mô hình hóa, phân tích và mô phỏng cộng đồng, được biết đến với cái tên NAFEMS, là cơ quan độc lập được công nhận về các hoạt động tốt nhất trong mô phỏng kỹ thuật. Nhiệm vụ của nó là cung cấp kiến thức, hợp tác quốc tế và các cơ hội giáo dục để sử dụng và xác nhận mô phỏng kỹ thuật. Là một phần của công việc NAFEMS, tổ chức tiến hành và xuất bản các nghiên cứu kiểm tra và điểm chuẩn, dựa vào đó tất cả các gói FEA thương mại so sánh độ chính xác của kết quả.
Trong ví dụ: có hơn 100 nghiên cứu xác thực NAFEMS được nhúng để tham khảo trong phần mềm SOLIDWORKS® Simulation trong Help menu. Các điểm chuẩn của NAFEMS, cũng như các điểm chuẩn được thực hiện bởi AFNOR (hiệp hội tiêu chuẩn hóa của Pháp), đã chỉ ra rằng kết quả mô phỏng của SOLIDWORKS thường nằm trong phạm vi 1% của giải pháp thực tế. Khi đánh giá độ chính xác của các kết quả được tạo bởi các gói FEA khác nhau, hãy đảm bảo tìm hiểu xem chúng so sánh với các điểm chuẩn được thực hiện bởi các nhóm độc lập như NAFEMS và AFNOR như thế nào. Mặc dù các nhà thiết kế và kỹ sư thường cảm thấy rằng độ chính xác trong 5% của giải pháp thực sự là đủ tốt, tùy thuộc vào sản phẩm, các gói FEA tạo ra kết quả chính xác trong vòng 1% của giải pháp thực và giúp dễ dàng thiết lập các vấn đề FEA hơn, như SOLIDWORKS Simulation, sẽ cung cấp một mức độ chính xác tương đương, nếu không tốt hơn các chương trình mô phỏng khác.
Ngoài việc tìm kiếm các điểm chuẩn độc lập như NAFEMS khi đánh giá độ chính xác của FEA, cũng xem xét liệu giải pháp có nhận được chứng nhận từ một nhóm ngành có uy tín hay không. DIN – Ủy ban Tiêu chuẩn Hàng không Vũ trụ (NL) chịu trách nhiệm về các tiêu chuẩn quốc gia của Đức. Nó đại diện cho lợi ích tiêu chuẩn hóa của Đức ở cấp độ châu Âu (CEN) và quốc tế (ISO) trong các lĩnh vực từ vật liệu, quy trình công nghệ và bộ phận cơ khí, đến cơ khí và thiết bị bay, vận tải hàng không và thiết bị mặt đất và điện tử. Phần mềm SOLIDWORKS Simulation đã nhận được chứng nhận NL. Phần mềm SIMULIA Architectural Professional Engineering (SPE), sử dụng công nghệ bộ giải Abaqus, đã được chỉ định NL kể từ khi được giới thiệu, cũng như chứng nhận là người giải NL tốt nhất cho công nghệ và cơ khí tiên tiến.
Những phần mô phỏng tích tiêu biểu của Dassault Systemes
Như chúng tôi đã thấy, việc đo lường độ chính xác của các kết quả được tạo bởi gói FEA cụ thể có liên quan nhiều hơn đến cách người dùng xác định các vấn đề mô phỏng so với toán học cơ bản. Đây là lý do tại sao một giải pháp mô phỏng cung cấp các khả năng dễ sử dụng hơn thường tạo ra kết quả chính xác hơn.
Phần mềm SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS Simulation bắt nguồn từ phần mềm COSMOS, được phát triển vào đầu những năm 1980 bởi Structural Research Analysis Corp., được Dassault Systèmes SOLIDWORKS mua lại vào năm 2001. Kể từ đó, phần mềm đã được nhúng hoàn toàn vào hệ thống thiết kế CAD của SOLIDWORKS, cung cấp tích hợp CAD tốt nhất và dễ sử dụng trong ngành. Với SOLIDWORKS Simulation, không có dịch giả bên thứ ba, hỏng dữ liệu hoặc hình học lộn xộn để sửa chữa. Nói tóm lại, không có nhu cầu cần thêm bộ xử lý trước trong SOLIDWORKS Simulation vì hệ thống CAD là bộ tiền xử lý. Chẳng hạn, bạn xác định các thuộc tính vật liệu của mình trong SOLIDWORKS CAD và phải nhập lại chúng để chạy mô phỏng trừ khi bạn muốn thay đổi vật liệu.
“Phần mềm SOLIDWORKS Simulation Premium cung cấp kết quả chính xác và tạo ra các giải pháp nhanh hơn nhiều so với phần mềm ANSYS® FEA mà chúng tôi đã sử dụng trước đây”, ông Fernando Díaz giải thích, giám đốc kỹ thuật của Resemin, nhà sản xuất máy khoan ngầm quốc tế hàng đầu và các thiết bị liên quan. “Một liên hệ phi tuyến với phân tích độ dẻo được sử dụng phải mất hai ngày để giải quyết với ANSYS. Với phần mềm SOLIDWORK Simulation Premium, chúng tôi đã giải quyết cùng một loại vấn đề trong vài giờ. Điều này giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian trong việc xác nhận thiết kế của chúng tôi trước khi tạo mẫu.”
Phần mềm SIMULIA
Phần mềm SIMULIA là một giải pháp mô phỏng dựa trên đám mây chạy trên nền tảng Dassault Systèmes 3DEXPERIENCE®. Tận dụng kỹ thuật phân tích phi tuyến mạnh mẽ và công nghệ phân tích tiếp xúc của Abaqus, SIMULIA là một thương hiệu FEA nổi tiếng với kỹ thuật mô phỏng cơ học tiên tiến. Với SIMULIA, các nhà thiết kế và kỹ sư có thể chạy mô phỏng trên máy tính để bàn cục bộ hoặc trên đám mây, cung cấp mức độ linh hoạt có thể giúp tăng cường thiết lập vấn đề và độ chính xác của kết quả. Thay vì sử dụng các tài nguyên điện toán của các phần mềm mô phỏng trên máy tính để bàn, hoặc đầu tư vào phần cứng máy tính lớn hơn, đắt tiền hơn, các nhà thiết kế và kỹ sư có thể dành nhiều thời gian hơn cho máy tính để bàn để thiết lập các vấn đề chính xác và đảm bảo độ chính xác và ít thời gian chờ đợi mô phỏng hơn.
“Vì SIMULIA hoạt động trên nền tảng 3DEXPERIENCE trên đám mây và hoàn toàn tương thích với dữ liệu mô hình hóa SOLIDWORKS của chúng tôi, nó cung cấp các lợi thế bổ sung”, Peter Kjellbotn, kỹ sư cơ khí và chuyên gia mô phỏng tại InF Focus Energy Services, nhà phát triển sáng tạo các sản phẩm lỗ nhỏ ngành dầu khí. “Một phần mềm độc lập với phần cứng, giải phóng các máy trạm của chúng tôi cho những thứ khác và sử dụng dữ liệu SOLIDWORKS, tiết kiệm thời gian và tiền bạc vì chúng tôi không phải trải qua các giao thức xuất nhập khẩu tốn thời gian. Giải pháp cũng tự động lưu trữ dữ liệu trên đám mây và hỗ trợ cộng tác. Với SIMULIA, chúng tôi chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của mình.”
Nguồn: SOLIDWORKS DS
Dịch: Ann Phạm
