Trong mô phỏng số (Simulation), hướng dẫn chia lưới trong SOLIDWORKS Simulation là cầu nối chuyển đổi mô hình thiết kế (CAD) sang mô hình toán học (FEA). Hiểu rõ cấu trúc các loại lưới không chỉ giúp bạn có kết quả đẹp mà còn đảm bảo tính sống còn của bài toán: Độ tin cậy.
Về bản chất, các phần mềm FEA không giải trực tiếp trên toàn bộ vật thể phức tạp. Thay vào đó, chúng chia vật thể thành hàng triệu đơn vị hình học đơn giản gọi là Phần tử (Elements).
- Mục đích: Thiết lập hệ thống phương trình đại số tại các Nút (Nodes) để tính toán chuyển vị và tại các Phần tử (Element) để tính toán về cơ lý và ứng suất của vật thể.
- Lý do: Một lưới tồi (quá thô hoặc phần tử bị méo) sẽ dẫn đến sai số làm lệch kết quả ứng suất, thậm chí khiến bài toán không thể hội tụ.
Cách chia lưới trong SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS Simulation cung cấp cho người dùng 3 loại phần tử dựa trên đặc điểm hình học của chi tiết. Để dễ dàng chia lưới trong SOLIDWORKS Simulation người dùng chỉ cần chọn loại phần tử phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất và tài nguyên của máy tính:
- Solid Mesh (Phần tử khối – Tetrahedral)
- Shell Mesh (Phần tử vỏ – Triangular)
- Beam Mesh (Phần tử dầm – Line)
Phần tử khối – Solid Mesh
Trong môi trường SOLIDWORKS Simulation, các phần tử lưới khối (Solid Mesh) mặc định sử dụng dạng tứ diện (Tetrahedral). Loại lưới này sở hữu khả năng thích ứng linh hoạt với các hình học phức tạp và mọi góc cạnh của sản phẩm, giúp tối ưu hóa thời gian chia lưới tự động. Tuy nhiên, để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng, người dùng cần kiểm soát chặt chẽ các thông số chất lượng lưới trong quá trình thiết lập.
Cũng như các phần mềm FEA khác, SOLIDWORKS SIMULATION cung cấp cho người dùng 2 chất lượng chia lưới đối với chia lưới dạng khối bao gồm
- Draft Quality – lưới bậc 1: Sử dụng các phần tử tứ diện có 4 nút tại các đỉnh với các cạnh thẳng. Ưu điểm là tốc độ tính toán nhanh, nhưng độ chính xác không cao và dễ dẫn đến hiện tượng “cứng hóa” mô hình (stiffening).
- High Quality – lưới bậc 2: Đây là tiêu chuẩn vàng cho các bài toán cần độ chính xác cao. Bằng việc bổ sung các nút trung điểm trên các cạnh, phần tử bậc 2 có khả năng uốn cong linh hoạt, giúp mô tả chính xác các vùng tập trung ứng suất và các bề mặt cong phức tạp.
Phần tử vỏ – Shell Mesh
Đối với các mô hình có độ dày mỏng đáng kể như kim loại tấm, chi tiết nhựa hoặc vật liệu composite, việc sử dụng lưới khối thường không mang lại hiệu quả cao về mặt tính toán. Thay vào đó, SOLIDWORKS Simulation cung cấp giải pháp Shell Mesh dựa trên các phần tử tam giác 2D. Các phần tử này được định vị tại các bề mặt đặc trưng (Top Surface. Mid Surface, Bottom Surface) của chi tiết.
Chia lưới dạng Shell trong SOLIDWORKS SIMULATION
Thay vì phân tách lưới theo chiều dày vật lý, phần mềm sẽ gán giá trị độ dày (Thickness) trực tiếp vào các phần tử thông qua các thuật toán tích hợp. Phương pháp này cho phép kỹ sư giảm thiểu hàng triệu bậc tự do (DOF) trong mô hình, từ đó rút ngắn đáng kể thời gian giải bài toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Đặc biệt, việc áp dụng Shell Mesh giúp loại bỏ các sai lệch về ứng suất cắt (shear locking) vốn thường xảy ra khi sử dụng phần tử khối cho các kết cấu mỏng.
Phần tử dầm – Beam Mesh
Trong chia lưới trong SOLIDWORKS Simulation đối với các hệ kết cấu dạng khung (Structural Members) có tiết diện không đổi dọc theo trục, phần tử dầm (Beam Mesh) là giải pháp mô hình hóa tối ưu nhất. Thay vì mô tả chi tiết hình học 3D, loại lưới này đơn giản hóa cấu trúc thành các phần tử đường (Line elements) nối giữa hai nút bậc cao.
Thuật toán giải của Beam Mesh dựa trên các nền tảng lý thuyết kinh điển như Euler-Bernoulli hoặc Timoshenko, cho phép tính toán chính xác các biến dạng uốn và cắt. Mỗi nút trong phần tử dầm sở hữu đầy đủ 6 bậc tự do (3 tịnh tiến và 3 xoay), giúp mô phỏng toàn diện các tác động nội lực như mô-men xoắn, mô-men uốn và lực dọc trục.
Nhờ khả năng tinh giản số lượng phần tử mà vẫn giữ được độ tin cậy, Beam Mesh là lựa chọn hàng đầu cho các bài toán phân tích hệ khung quy mô lớn, giúp rút ngắn thời gian tính toán xuống chỉ còn vài giây.
Tổng kết ứng dụng
Việc lựa chọn loại phần tử lưới phù hợp không chỉ là một bước kỹ thuật mà còn là yếu tố quyết định đến tính chính xác và hiệu quả kinh tế của bài toán mô phỏng. Tổng kết lại, phạm vi ứng dụng thực tiễn của các loại lưới chính bao gồm:
- Solid Mesh: Được xem là tiêu chuẩn phổ quát cho các chi tiết cơ khí dạng khối, các thành phần đúc, rèn hoặc các cụm lắp ghép phức tạp trong ngành chế tạo máy và công nghiệp ô tô.
- Shell Mesh: Giải pháp tối ưu cho các cấu trúc thành mỏng như bồn chứa, vỏ tàu, khung vỏ máy bay và các chi tiết dập tấm, đặc biệt hiệu quả trong ngành hàng không và công nghiệp phụ trợ.
- Beam Mesh: Sự lựa chọn hàng đầu cho các hệ thống giàn không gian, khung nhà xưởng, cầu đường hoặc kết cấu khung gầm xe, đóng vai trò then chốt trong ngành xây dựng và kết cấu thép.
Tuy nhiên, chia lưới trong SOLIDWORKS Simulation mới chỉ là bước khởi đầu. Để thu được kết quả mô phỏng phản ánh đúng thực tế, kỹ sư cần kết hợp kiểm soát các yếu tố liên quan như điều kiện tiếp xúc (Contact), điều kiện biên (Boundary Conditions) và các thuật toán kiểm soát sai số. Đây sẽ là những nội dung chuyên sâu được phân tích trong các bài viết tiếp theo của ViHoth Solutions.
Liên hệ chúng tôi nếu bạn cần tìm hiểu bất cứ thông tin nào về sản phẩm SOLIDWORKS qua email support@vihoth.com
Công ty TNHH Giải Pháp và Công Nghệ ViHoth | Đại lý ủy quyền SOLIDWORKS Việt Nam
Head Office: No. 4, Huy Du Street, Cau Dien Ward, Nam Tu Liem District, Hanoi, VN
Office: +84-4-379.70256 Fax: +84-4-37970257
Website: www.vihoth.com Email: info@vihoth.com