Mô phỏng FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp đã được chứng minh để rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mới. Phương pháp dựa trên các phân tích số học giúp sản xuất các sản phẩm bền và có khả năng phục hồi cao. Điều này cũng đảm bảo an toàn vận hành tối ưu.

Mô phỏng FEM cho thấy cách một thành phần hoặc vật liệu phản ứng với các tác động nhất định. Điều này dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Với phương pháp tính toán bằng số này, một thành phần hoặc toàn bộ cụm được chia thành một số lượng hữu hạn các phần tử (phân khu). Điều này cho phép tính toán hành vi cơ học của các khu vực nhỏ riêng lẻ và cuối cùng là của toàn bộ linh kiện. Mô phỏng FEM dựa trên các thuật toán đặc biệt xác định các giá trị gần đúng bằng cách sử dụng sự kết hợp phức tạp của các phương trình vi phân. Cần có một máy tính có cấu hình mạnh với khả năng tính toán cao để mô phỏng FEM. Phần mềm FEM thường được kết hợp với các ứng dụng CAD. Kết quả của mô phỏng FEM có thể được sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau với các vấn đề vật lý khác nhau. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là phân tích độ bền trên các linh kiện rắn có hình dạng phức tạp. 

Mô phỏng FEM giúp tiết kiệm về thời gian và chi phí, đặc biệt là khi nói đến các nguyên mẫu hoặc sản phẩm đắt tiền để sản xuất và sẽ đòi hỏi rất nhiều các thử nghiệm. Đặc biệt, mô phỏng FEM là công cụ quan trọng trong việc phát triển sản phẩm có kết cấu trọng lượng nhẹ, giảm sử dụng vật liệu và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.

Các điểm kỳ dị là những điểm quan trọng thường xuất hiện ở những vị trí có sự thay đổi đột ngột trong hình học, vật liệu hoặc các điều kiện biên và đòi hỏi sự chú ý đặc biệt trong mô hình phần tử hữu hạn. Tại những thời điểm này, cần phải tinh chỉnh mạng lưới để đạt được kết quả đáng tin cậy. Trong cơ học kết cấu, nhiều đỉnh ứng suất cục bộ thường xảy ra tại các điểm này, giá trị và mức độ của nó có thể phụ thuộc mạnh mẽ vào mức độ tinh chỉnh của lưới. Các điểm kỳ dị có thể có các nguyên nhân khác nhau:

• góc (điểm kỳ dị góc)
• giới thiệu tải trọng
• tiếp xúc giữa các thành phần khác nhau
• sự kết hợp của các vật liệu khác nhau

Để xác định độ bền mỏi của một thành phần linh kiện, chất lượng lưới cao là cần thiết. Để thể hiện ứng suất thu được một cách chính xác, lưới FEM phải càng mịn càng tốt để tính toán tĩnh hoặc theo chu kỳ. Theo nguyên tắc chung trong cơ học kết cấu: ít nhất 5 đến 6 phần tử hình vuông trên một cung 90 độ. Linh kiện cũng phải được nối mạng hợp lý theo cả ba hướng không gian để tính toán tuổi thọ, bởi vì sự sụt giảm điện áp theo hướng độ sâu cũng được đánh giá.

Để có thể thực hiện các phép tính trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, trước tiên, phải xem hình học của linh kiện từ chương trình CAD. Sau đó, các mục nhập bắt buộc được thực hiện trong bộ tiền xử lý FEM. Các thông số lưới như loại phần tử, kích thước phần tử, tính chất vật liệu, điều kiện đường biên và tải trọng tác động lên linh kiện như nhiệt độ hoặc áp suất sau đó được nhập vào. Sau khi thành phần đã được chia thành các phần tử nhỏ, một khung lưới đủ mịn được tạo ra. Các chức năng tiếp cận đặc biệt được xác định cho các yếu tố mô tả đặc tính của chúng đối với các ảnh hưởng và các điều kiện biên. Đây là những phương trình vi phân mô tả định luật vật lý tương ứng. Các phương trình vi phân này, kết hợp với các điều kiện biên tương ứng, điều kiện ban đầu và chuyển tiếp của tất cả các phần tử, dẫn đến một hệ phương trình hoàn chỉnh. Điều này sau đó được giải quyết gần đúng bằng cách sử dụng bộ giải phương trình được triển khai trong phần mềm mô phỏng FEM. Trong phân tích cơ học, các dịch chuyển (biến dạng) là số lượng kết quả chính. Các giá trị biến dạng và độ căng có thể được rút ra từ điều này. Kết quả dựa trên đặc tính của các bộ phận cho phép dự đoán phản ứng của toàn bộ linh kiện. Cuối cùng, phân tích phần tử hữu hạn phải được xác nhận. Phương pháp số thậm chí còn cho phép kết hợp các nhiệm vụ vật lý và do đó là một công cụ đa năng. Với sự giúp đỡ của nó, những sai lầm tốn kém trong các nguyên mẫu thực sự có thể tránh được trước. Ngoài ra, việc đánh giá mô phỏng FEM làm giảm thời gian gia tăng. Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép, trong số những thứ khác, tính toán cho:

• thống kê tuyến tính và phi tuyến tính
• cơ nhiệt
• tính năng động
• mô phỏng tạo hình
• độ ổn định hoạt động

Nhìn chung, các lỗi sau có thể xảy ra trong mô phỏng FEM:

• Phân tích vấn đề không chính xác có thể xảy ra do không đủ kiến thức cơ bản
• Nếu các quy tắc chia lưới FEM không được tuân thủ, điều này sẽ dẫn đến kết quả gần đúng bị lệch nhiều hơn
• Các phần tử với các hàm tiếp cận không phù hợp với vấn đề được phân tích
• Sử dụng các thông số vật liệu không đầy đủ
• Tải trọng đang hoạt động không được tính đến hoặc giả định không chính xác
• Các điều kiện biên khác không được áp dụng hoặc được áp dụng một cách đơn giản

Để loại trừ các lỗi có thể xảy ra, mô phỏng phải được xác minh. Điều này có thể được thực hiện, ví dụ, bằng cách so sánh một mô phỏng và kết quả thu được trong thử nghiệm.

Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng cho:

• Phân tích cấu trúc. Chúng được sử dụng để xác định tải trọng và biến dạng của vật liệu và thành phần cũng như để phân tích các tiếp điểm.
• Phân tích độ cứng. Sử dụng những điều này, kỹ sư FEM có thể xác định biến dạng của linh kiện do áp suất hoặc lực căng.
• Tính toán cường độ. Những điều này để xác định liệu linh kiện tương ứng có điểm mạnh phù hợp với các tiêu chuẩn liên quan hay không.
• Phân tích vòng đời. Chúng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm mới. Nếu các linh kiện và toàn bộ bộ phận lắp ráp không đủ bền, việc thu hồi sản phẩm sẽ dẫn đến chi phí đáng kể.
• Tính toán rão. Với sự trợ giúp của chúng, có thể xác định được sự biến dạng dẻo phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian của vật liệu hoặc linh kiện chịu tải (hành vi rão).
• Mô phỏng nhiệt. Chúng minh họa tác dụng cơ học của nhiệt lên các linh kiện. Trong quá trình sản xuất các mô đun năng lượng mặt trời, ví dụ, trong khi hàn các tế bào, có thể có sự giãn nở do nhiệt và ứng suất cơ học, được hình ảnh hóa với phần mềm mô phỏng FEM.
• Phân tích rung. Chúng được sử dụng để xác định cách mà tải trọng ảnh hưởng đến tần số tự nhiên của các thành phần: Kết cấu có thể bị hỏng do dao động tăng lên.

Công nghệ đo quang không tiếp xúc của ZEISS cung cấp thử nghiệm vật liệu hiệu quả trong các tình huống khác nhau. Điều này có thể dễ dàng tích hợp vào các thiết bị thử nghiệm hiện có và kiểm tra đặc tính của vật liệu, linh kiện và đồ đạc trong 2D hoặc 3D. Điều này không quan trọng cho dù các cấu trúc là cứng nhắc hoặc linh hoạt. Các hệ thống đo quang học từ ZEISS kiểm tra ảnh hưởng của tải nhiệt và cơ học và cung cấp một loạt các ứng dụng có thể có cho kết quả đo. Các hệ thống đo lường như vậy có thể được sử dụng

• để hỗ trợ mô phỏng số bằng cách xác định các thông số vật liệu bằng cách xác định các điều kiện biên
• để xác minh các mô phỏng số bằng cách so sánh và xác minh các điều kiện biên thông qua so sánh toàn bộ bề mặt của kết quả
• trong đặc tính vật liệu
• trong phát triển sản phẩm
• để đảm bảo chất lượng

Công nghệ đo quang không tiếp xúc của ZEISS cung cấp khả năng kiểm tra các vật liệu tấm khác nhau dưới ảnh hưởng của ứng suất dòng chảy. Khi phát triển các công cụ tạo hình mới, bạn phải quyết định một mô hình thiết kế. Với mục đích này, đặc tính của các mô hình dưới ảnh hưởng của tải trọng nhất định phải được xem xét. Ngay lập tức có thể nhìn thấy các điểm quan trọng và có thể thực hiện các điều chỉnh tương ứng.