Phân tích kết cấu, mô phỏng, đánh giá để đảm bảo độ bền hay tính toán tuổi thọ của sản phẩm là một hoạt động không thể thiếu trong khi phát triển sản phẩm. Dưới đây là một bài viết khá đặc biệt từ Jim Shaw, Giám đốc điều hành, Fastway Engineering và Alex Kemmler, VP Product Development, Aiwa Corporation. Trong bài đăng, bộ đôi này thảo luận về kinh nghiệm kiểm định chất lượng thiết kế kết cấu của họ bằng cách sử dụng mô phỏng nâng cao với Structural Professional Engineering (trước đây là SIMULIA Structural Simulation Engineer).
Quá trình phân tích, kiểm định chất lượng thiết kế kết cấu tai nghe
Thiết kế tai nghe headphone
Tai nghe chất lượng cao có thể là thứ khó nhất trên thế giới để thiết kế. Ngoài tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến đầu ra âm thanh – đáp ứng tần số, cộng hưởng, đường cong pha và méo, áp suất âm, DSP, v.v. – chúng tôi còn có thiết kế lấy con người làm trung tâm – màu sắc, kết cấu , các vật liệu, và dĩ nhiên là cảm giác. Tất cả kỹ thuật này cần phải được gói gọn trong một thiết kế nhỏ gọn phù hợp với tai nghe.
Cách tai nghe tương tác với đầu và tai của chúng ta là một cảm giác độc đáo và chủ quan cho mỗi cá nhân. Tuy nhiên, tất cả các kỹ sư của chúng tôi đều khẳng định: Hãy định lượng điều đó!, Đó chính xác là những gì chúng tôi đã làm với AIWA, thương hiệu âm thanh chất lượng cao mang tính biểu tượng gần đây đã được khởi động lại ở Mỹ. Tại Mỹ, thương hiệu AIWA đã được hồi sinh trong niềm đam mê theo đuổi việc mang mọi người lại với nhau xung quanh âm nhạc. AIWA có một công thức đơn giản để cung cấp các thiết bị âm thanh nghiêm túc mà không phải thỏa hiệp – với khả năng âm thanh tốt nhất, các thành phần chất lượng cao nhất và dịch vụ khách hàng đẳng cấp thế giới. Làm thế nào để tất cả đến với nhau? Với nghiên cứu và phát triển tiên tiến.
Nghiên cứu mẫu
Để tiến hành kiểm tra trải nghiệm người dùng toàn diện sẽ là một công việc rất lớn vì mẫu dân số sẽ cần phải bao gồm nhiều thuộc tính con người gần như vô tận: chiều rộng, đường kính, chiều cao và hình dạng liên quan đến đầu và tai của chúng ta.
Thiết kế kết cấu thử nghiệm (DOE) cho một cái gì đó như thế này sẽ vừa tốn thời gian vừa rất tốn kém. Đây là nơi mô phỏng hữu ích cho hoạt động kinh doanh. Thay vì tạo mẫu và thử nghiệm nhiều loại sản phẩm và con người, tại sao không sử dụng phương pháp Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng sự tương tác giữa tai nghe và đầu người. Nếu một mô hình làm việc nắm bắt chính xác vật lý có thể được tạo ra, thì chúng ta có thể dễ dàng áp dụng điều đó cho nhiều kiểu dáng tai nghe và hình dạng đầu người.
Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Trước tiên, hình học đại diện cho cả đầu người và tai nghe đã được tạo ra trong SOLIDWORKS. Một lần nữa, mục tiêu của chúng tôi ở đây không phải là thực hiện một DOE đầy đủ (đòi hỏi hàng trăm hình dạng và kích cỡ đầu người, cũng như hàng tá thiết kế tai nghe), mà là để chứng minh rằng một mô hình hoạt động có thể được tạo ra. Để làm điều này, trọng tâm của chúng tôi là đại diện chính xác cho vật lý trong FEA. Nó sẽ cung cấp cho chúng tôi các lực kết quả, và do đó áp lực, mà chúng tôi cảm thấy trên đầu khi chúng tôi trượt trên một cặp tai nghe chất lượng cao. Sau một số nghiên cứu đơn giản, chúng tôi nhận ra chuyển động cần thiết để cài đặt một bộ tai nghe khá phức tạp! Tai nghe được mở ra (phần cứng được nâng cấp), di chuyển qua đầu, đặt quanh tai và sau đó đóng lại vị trí cuối cùng.
Điều này có vẻ hơi quá mức để mô phỏng, vì vậy chuyển động được đơn giản hóa (và tính đối xứng được khai thác), với một mô hình đơn giản của một tai nghe bắt đầu ở trạng thái nghỉ, với phần đầu được dịch vào vị trí cuối cùng. Khi thực hiện điều này, mô phỏng tập trung vào sự tương tác phức tạp giữa đầu và tai nghe chứ không phải vào chính chuyển động.
Đánh giá các yếu tố vật lý liên quan đến tai nghe (headphone) – phân tích kết cấu
Sự tương tác giữa một cặp tai nghe mềm mại, thoải mái và đôi tai mỏng manh và nhạy cảm của chúng ta là một điều rất phức tạp. Nói mô hình toán học này là phi tuyến tính thì không đúng lắm. Tính phi tuyến tính trong FEA có thể có nhiều dạng: Hình học, Tính chất vật liệu và tiếp xúc trượt/ma sát là ba trong số các yếu tố vật lý phổ biến nhất. Chà, để tạo niềm tin vào mô hình làm việc của tai nghe, chúng tôi sẽ cần phải thực hiện cả ba:
Hình học phi tuyến:
Thiết kế kết cấu bao gồm: Khung tai nghe bao gồm một khung mỏng dài làm lệch hướng theo cách rất phi tuyến.
Liên hệ phi tuyến:
Khi tai nghe tiếp xúc với đầu (hoặc ngược lại trong mô hình của chúng tôi), có rất nhiều chuyển động cục bộ, tương đối ở các bề mặt giao diện. Tương tác phức tạp này chỉ có thể được ghi lại bằng toán học với một bước thời gian thoáng qua của các điều kiện biên.
Chất liệu phi tuyến tính:
Sự thoải mái mà chúng ta cảm nhận được từ tai nghe đến từ lớp bọt mềm bên trong miếng đệm, cũng như lớp vỏ đàn hồi (cao su) thực sự chạm vào tai chúng ta. Cả hai vật liệu này có mối quan hệ rất phức tạp giữa ứng suất và biến dạng của chúng. Nói cách khác, mô đun đàn hồi của chúng (phạm vi của đường ứng suất biến dạng) thay đổi khá nhiều thông qua phạm vi chuyển động.
Do các nguy cơ tiềm ẩn về phi tuyến, chúng tôi đã quyết định sử dụng công cụ FEA phi tuyến mới của Dassault Systemes, được gọi là Architectural Professional Engineering, kết hợp sức mạnh tính toán và bộ giải vật lý từ SIMULIA với kết nối CAD tham số và khả năng sử dụng từ SOLIDWORKS thông qua nền tảng 3DEXPERIENCE.
Quy trình học tập phân tích kết cấu với Structural Professional Engineering
Xuất phát từ SOLIDWORKS, chúng tôi đã khám phá những điều mới khi tham gia vào chương trình học tập phân tích kết cấu với phần mềm Structural Professional Engineer. Đầu tiên, chúng tôi cần phải có được hình học cho Structural Professional Engineering. Điều này khá dễ dàng vì có một tiện ích bổ sung cho SOLIDWORKS, vì vậy tất cả những gì cần để kết nối chỉ là một vài cú nhấp chuột. Tiếp theo, chúng tôi tự làm quen với GUI, điều này khá dễ dàng với bố cục phù hợp với bố cục CAx điển hình với cây mô hình, màn hình đồ họa và bảng điều khiển tính năng dọc phía dưới.
Quy trình công việc trong Structural Professional Engineering phù hợp với quy trình công việc FEA tiêu chuẩn, có thể được chia thành 3 bước chính: Xử lý trước, giải quyết và xử lý sau. Trong trường hợp này, do mức độ phi tuyến cao, chúng tôi tập trung vào ba lĩnh vực quan trọng: Định nghĩa vật liệu, Điều khiển lưới và Quản lý liên hệ.
VẬT LIỆU
Đối với các vật liệu phi tuyến, chúng tôi đã chọn Mô hình Hyperelastic để nắm bắt chính xác lượng lớn biến dạng và mô đun thay đổi. Đối với cao su, chúng tôi đã sử dụng mô hình Mooney-Rivlin tương đối đơn giản và đối với bọt, chúng tôi sử dụng vật liệu HyperMesh. Cả hai đều đủ đơn giản để ổn định, nhưng đủ phức tạp để chụp chính xác hơn các độ lệch.
CHIA LƯỚI MÔ PHỎNG
Để chia lưới, chúng tôi đã chọn sử dụng lưới dựa trên tứ diện, vì nó có thể dễ dàng chụp các bề mặt phức tạp của đầu người cũng như trên các vật liệu mềm của tai nghe. Tuy nhiên, thông thường, đối với các mô hình biến dạng cao (như vật liệu hyperelastic), lưới hex là lý tưởng vì các yếu tố có xu hướng biến dạng theo cách dễ dự đoán hơn. Vì vậy, để giải thích cho điều này, chúng tôi đã thắt chặt lưới trong các khu vực tiếp xúc và trong khối lượng biến dạng cao.
Quy trình chia lưới trong phần mềm Structural Professional Engineering phức tạp hơn một chút so với trong SOLIDWORKS, nhưng vì lý do chính đáng – có nhiều công cụ hơn và chúng có nhiều quyền kiểm soát hơn. Đối với các phân tích phi tuyến, điều này là bắt buộc, đặc biệt là với các mô hình hyperelastic. Biến dạng cao có thể khiến các phần tử bị biến dạng theo những cách rất kỳ lạ, và điều đó có thể khiến phân tích bị phân kỳ, hoặc thậm chí sụp đổ. Khắc phục sự cố là bắt buộc trong các phân tích FE phức tạp, nhưng giảm thiểu lượng thời gian chúng ta dành cho nó vẫn là một mục tiêu. Với một dải các công cụ lưới, chúng tôi thực sự có thể tối đa hóa chất lượng và thiết lập cho mình thành công, về mặt toán học.
Để đảm bảo rằng chúng tôi có đủ chi tiết để nắm bắt liên hệ, chúng tôi đã giảm kích thước mắt lưới với một số mục tiêu: Tạo các yếu tố đủ nhỏ để ghi hinhg hình học, tạo các yếu tố càng gần bằng nhau càng tốt, đảm bảo các yếu tố ở hai bên tiếp xúc có kích thước tương tự nhau.
Sử dụng Trình quản lý lưới, chúng tôi có thể nhanh chóng và dễ dàng xem lại Mô hình FE.
LIÊN HỆ
Quản lý danh bạ trong Structural Professional Engineering cũng có một chút khác biệt, và một lần nữa, nó cũng vì lý do tương tự như chia lưới – người dùng có quyền kiểm soát lớn hơn đối với các mô hình. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải đào tạo thêm một chút, vì vậy người dùng mới cần phải chuẩn bị để làm thêm một chút bài tập về nhà ở đây. Tin tốt là nhóm Structural Professional Engineering đã tạo ra một số trang, mô hình và hướng dẫn hữu ích, để giúp bạn tiếp tục học tập. Tin tưởng chúng tôi, đây là thời gian chi tiêu tốt, vì sự hiểu biết lớn hơn dẫn đến ít thời gian xử lý sự cố và độ tin cậy tổng thể lớn hơn trong mô hình.
GIẢI PHÁP
Với mô hình được thiết lập, con người có thể nghỉ ngơi và để máy tính thực hiện công việc của mình. Trong trường hợp này, Structural Professional Engineering hoàn toàn vượt trội. Bộ giải quyết của nó tự động thiết lập các bước thời gian, giúp giảm áp lực cho người dùng cuối. Các bước thời gian là rất quan trọng trong việc nắm bắt chính xác các tương tác phức tạp tại các địa chỉ liên lạc. Điều này là do Structural Professional Engineering phải tìm ra các yếu tố và nút nào được chạm vào, và mô hình chính xác liên hệ liên kết. Khi có hình học phức tạp liên quan, điều này có thể khá khó khăn.
Structural Professional Engineering sẽ nhận ra các bước thời gian nhất định, đó là một thách thức, và nó sẽ làm chậm quá trình phân tích, để cho phép liên lạc được mô phỏng cẩn thận. Tất cả điều này được thực hiện tự động. Ngoài ra, khi được giải quyết trong chế độ tương tác trực tuyến, người dùng cuối có thể quan sát quá trình này và do đó, nếu bước thời gian bắt đầu chậm lại, việc phân tích có thể bị dừng và có thể quan sát được kết quả đến thời điểm đó. Điều này cực kỳ quan trọng trong việc khắc phục sự cố và tiết kiệm nhiều giờ chờ đợi, kiểm tra, điều chỉnh và giải quyết thiết kế kết cấu của sản phẩm.
KẾT QUẢ
Kết quả phân tích kết cấu tai nghe có thể được trình bày theo cả hai khía cạnh định tính và định lượng. Về mặt định tính, chúng ta có thể xem xét sự căng thẳng (áp lực) đang xảy ra trên bề mặt của đầu và xung quanh tai. Tất nhiên, giả định rằng đầu của chúng ta hoàn toàn cứng nhắc là không thực tế, nhưng nó cho chúng ta một ý tưởng về sự phân phối áp lực sẽ là gì trong cuộc sống thực. Đối với cái gọi là tai nghe over-ear, khu vực tiếp xúc là khu vực xương bao quanh tai, do đó, trải nghiệm áp lực (và kết quả (thoải mái)) của người dùng có thể xấp xỉ một cách hợp lý với một vật cứng.
Về mặt định lượng, chúng ta có thể trích xuất một biểu đồ của lực phản ứng mỗi lần và điều này có thể cho chúng ta ý tưởng về trải nghiệm người dùng của người dùng Cameron trong toàn bộ quá trình đặt tai nghe. Để tương quan với dữ liệu thử nghiệm thực tế sẽ khá khó khăn, nhưng không phải là không thể.
KẾT LUẬN
Mục tiêu chính của bài tập phân tích kết cấu này là tạo ra một mô hình hoạt động trong đó vật lý có thể được nắm bắt chính xác, và mục tiêu đó khá dễ dàng được đáp ứng như có thể thấy ở đây. Các bước tiếp theo cho mô hình này là tinh chỉnh nó một chút với một số chi tiết hơn ở phía tai nghe và nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa các tính chất vật liệu của đầu và tai người. Ngoài các kế hoạch kiểm tra sẽ được tạo ra để làm thế nào để tương quan mô hình này với hoạt động thực tế trong thế giới thực. Nếu vòng lặp kỹ thuật có thể bị đóng, thì có thể xây dựng một DOE đầy đủ bằng cách sử dụng SOLIDWORKS và Structural Professional Engineering để điều tra, và tối ưu hóa nhiều tùy chọn thiết kế và hình học con người.
Dịch và biên tập: Ann Pham
