Các nghiên cứu tiên phong trong công nghiệp dựa trên phần mềm ANSYS mang lại những kết quả chất lượng cao
Hình ảnh mẫu xe KTM X-BOW; nhờ vào phương pháp tiếp cận mới, nhóm thiết kế đã đưa ra mẫu thử nghiệm từ bản phác thảo chỉ trong vòng 18 tháng.
Nhu cầu sử dụng vật liệu composite đang tăng nhanh ở hầu hết các ngành công nghiệp, điều này thúc đẩy các công nghệ mới trong thiết kế, phân tích và tối ưu. Các ngành công nghiệp phải đối diện với áp lực ngày càng lớn khi bắt buộc phải tung ra những sản phẩm mang tính đột phá để tăng năng lực cạnh tranh cũng như đáp ứng nhu cầu thị trường. Trong nhiều ứng dụng, thiết kế cần các vật liệu nhẹ nhưng vẫn đủ độ cứng vững thì vật liệu composite lớp là một giải pháp tiềm năng. Mặc dù thiết kế nhanh hơn, giới thiệu sản phẩm thường xuyên hơn với các công nghệ mới hơn có thể không thỏa hiệp với chất lượng sản phẩm cuối, độ tin cậy và thời gian tung ra thị trường của sản phẩm.
Đối với KTM Technologies, công nghệ, kỹ thuật và tư vấn về vật liệu sợi composite đóng vai trò cốt lõi trong định hướng kinh doanh. Được thành lập vào năm 2008, KTM Technologies có trụ sở tại Áo, là một phần của tập đoàn KTM, công ty tập trung vào việc sử dụng vật liệu composite hiệu năng cao trong phương tiện vận chuyển như ô tô, mô tô và xe đạp. KTM Technologies đi tiên phong trong việc cung cấp các giải pháp và hỗ trợ khách hàng trong linh vực kỹ thuật vật liệu composite thông qua một cách tiếp cận toàn diện. Các bộ phận làm việc cùng nhau – từ thiết kế đến phát triển sản phẩm, từ mô phỏng đến chế tạo để mang lợi ích cho khách hàng.
Phương pháp tổng hợp sợi đặc biệt trong các vật liệu composites là sử dụng sợi carbon thay đổi liên tục, một loại vật liệu sợi mới được phát triển, các sợi vật liệu hiện thời được tái sử dụng vào các lớp composite, và các ứng dụng mới được tìm ra. Các kỹ sư KTM phải cân bằng giữa các tiêu chí như hiệu năng và chi phí trong khi vẫn phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của khách hàng. Công ty sử dụng các phần mềm mô phỏng ANSYS, phần mềm động lực học lưu chất (CFD) để tối ưu hình dạng của những chiếc ô tô KTM X-Bow đảm bảo hành khách cảm thấy thoải mái nhất trong buồng lái bằng cách giảm thiểu tác động của dòng chảy rối và dòng có tốc độ cao khi xe chạy.
ANSYS COMPOSITE PREPPOST
Trong thiết kế của vật liệu composite, có hai hoặc nhiều hơn hai vật liệu được sử dụng với các thuộc tính rất khác nhau, làm cho vật liệu composite có khối lượng nhẹ, độ bền cao cũng như có độ dẻo dai để đáp ứng việc chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp. KTM thúc đẩy ANSYS Composite PrepPost chạy các mô phỏng trong giai đoạn phát triển ý tưởng sản phẩm. Điều này cho phép các kỹ sư đưa ra các quyết định nhanh chóng trước khi thỏa thuận với khách hàng về thời gian và nguồn lực của dự án. Giao diện thân thiện của phần mềm giúp người dùng nhanh chóng làm quen và nhanh chóng thực hiện được các tính toán trên đó. Các nghiên cứu tiên phong trong công nghiệp dựa trên phần mềm ANSYS mang lại những kết quả chất lượng cao.
Xe đạp điện Audi e-Bike Wörthersee
Khung các bon siêu nhẹ, với khối lượng chỉ 1600g; không làm giảm hiệu suất cũng như tính thẩm mỹ của thiết kế.
Được công bố vào năm 2012, Audi e-Bike Wörthersee là mẫu xe mang phong cách sống năng động mang tính thể thao vào một chiếc xe đạp điện bền chắc, với chiếc xe này, người lái có thể dễ dàng xử lý ngay cả trong những tình huống khó khăn nhất. Chiếc xe này nâng tầm những giới hạn của thiết kế như kết cấu nhẹ, kết nối điện tử và đa năng.
Toàn bộ khung xe, bánh xe, tay lái và càng bánh sau được làm bằng nhựa được gia cố bằng vật liệu sợi các bon (CFRP) để đáp ứng các yêu cầu về kết cấu trong khi vẫn mang lại một thiết kế đẹp mắt. Khung xe chỉ nặng 1600g: thiết kế bằng vật liệu composties tiên tiến, mặc dù khối lượng nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tăng cứng cho các vị trí cần thiết để đáp ứng tải trọng tĩnh và tải trọng động.
Mô phỏng phá hỏng của khung xe các bon
Phân tích phá hỏng của tay lái
Chỉ trong 16 tuần, KTM Technologies đã tạo ra bản thiết kế của xe và chuyển nó vào giai đoạn chế tạo mẫu thử. Nó bao gồm dữ liệu 3-D, làm khuôn, sản xuất, lắp ráp và thậm chí cả tiếp thị sản phẩm. Bằng cách áp dụng cách tiếp cận toàn diện, với sự hợp tác sâu rộng trong tất cả các lĩnh vực khác nhau, các nhà thiết kế của KTM đã sử dụng mô phỏng ANSYS Composite PrepPost để tối ưu thiết kế. Ví dụ, họ đã tối ưu khung xe bằng việc đơn giản hóa thiết kế cũng như hạn chế việc chồng chéo và gấp nếp của các lớp.
Khung xe được thiết kế theo một số tiêu chuẩn tải trọng của Viện tiêu chuẩn Đức (DIN), ví dụ như tải bàn đạp, tải rung lắc, tải phanh cùng với các trường hợp tải khác từ ghế lái cứng và ghế có thể điều chỉnh được. Sau quá trình đó, thiết kế được chỉnh sửa bằng cách làm mỏng các lớp vật liệu composite ở các vùng có ứng suất thấp, góp phần làm giảm khối lượng khung xe. Những thay đổi nhỏ trong trong chu trình thiết kế có thể chỉ ra những vị trí tồn tại ứng suất cục bộ.
Đầu ra của ANSYS Composite PrepPost chính là cẩm nang hướng dẫn chi tiết hỗ trợ cho việc sản suất sản phẩm. Khả năng xếp nếp độc đáo chỉ ra hướng chính xác của tất cả các lớp. Nếu không có ANSYS Composite PrepPost thì khó có thể hoàn thành được dự án này trong một thời hạn ngắn như vậy.
Mẫu xe thể thao KTM X-Bow
KTM X-BOW (phát âm là “cross-bow”) là mẫu xe thể thao có khối lượng nhẹ, nó đã chứng minh khả năng tối ưu thiết kế và chức năng của xe mà các kết cấu composite có thể đem lại. Được phê chuẩn cho tham gia giao thông, mẫu xe thể thao có động cơ nằm giữa này được xây dựng dựa trên công nghệ dành cho xe đua. Thân xe liền là sự kết hợp sáng tạo trong công nghệ sợi các bon, đây là công nghệ tiên phong mà trước đó chỉ dành riêng cho xe đua, công nghệ này đem đến những lợi thế vượt trội về khối lượng và sự an toàn. Với thiết kế liền khối, lớp vỏ ngoài là bộ phận chịu lực chính giống như kết cấu vỏ của một quả trứng, trái ngược lại kết cấu của khung bên trong. Cách tiếp cận này giới hạn các tải kết cấu được phép tác dụng, nó sử dụng một cách thiết kế lớp composite mới, có thể cho phép lên tới 300 lớp trong một số bộ phận.
Sử dụng phần mềm ANSYS Composite PrepPost trong quá trình phát triển sản phẩm cho phép đội ngũ thiết kế của KTM đánh giá được sự phụ thuộc về hướng của các lớp khác nhau, các đặc tính vật lý và có thể là cả việc ép các lớp, các hướng sợi, và các đặc tính khác. Tất cả các chi tiết có thể được phân tích và mô phỏng một cách chính xác để đáp ứng được các yêu cầu một cách thống nhất. Nhóm thiết kế khai thác đầy đủ các tính năng thiết kế linh hoạt của phần mềm. Chỉ trong vòng nửa ngày, các kỹ sư có thể nhanh chóng chạy 3 trường hợp khác nhau ở giai đoạn thiết kế, qua đó xác định được mẫu thiết kế nào đáp ứng được tốt nhất các yêu cầu đặt ra.
Tấm vỏ thân xe liền bằng vật liệu composite có hơn 300 lớp cắt.
Quá trình đánh giá giới hạn phá hủy của các lớp trong thân liền giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.
Sử dụng phần mềm tính toán động lực học lưu chất của ANSYS, KTM đã thiết kế ra bộ phận kính chắn gió ưu việt giúp cho hành khách có được sự thoải mái nhất. Mô phỏng được thực hiện ứng với trường hợp xe chạy với tốc độ 140km/h, vùng màu đỏ chỉ ra vị trí không khí có tốc độ lớn: vận tốc dòng khí khi có kính chắn gió (hình bên trái) và không có kính chắn gió (hình bên phải).
Nhóm thiết kế đã phân tích ứng xử phá hủy của mẫu thiết kế composite dưới nhiều trường hợp tải trọng khác nhau trước khi đề xuất bản thiết kế cuối cùng. Do trong thiết kế, tất cả các bộ phận quan trọng (bao gồm hệ thống treo trước và sau và các ghế ngồi) được gắn liền vào thân xe nên họ phải thực hiện nhiều phân tích nhiều trường hợp tải khác nhau ứng với cả tải tĩnh và tải động. Ví dụ, các điểm nối động cơ sau với phần khung nhôm phía sau của xe phải chịu các tải trọng lớn, bao gồm cả mô men xoắn sinh ra khi xe vào cua ở tốc độ cao. Thiết kế đặc biệt cho X-BOW sử dụng một tay đòn nối trực tiếp với khung carbon liền.
Các thiết kế ban đầu của KTM X-BOW được vạch ra khi chưa sử dụng phần mềm Composite PrepPost. Tuy nhiên, một khi nhóm thiết kế ứng dụng phần mềm này, ngay lập tức họ đã giảm được tới 20% khối lượng xe – yếu tố cực kì quan trọng với những chiếc xe đua.
Hơn nữa, phần mềm tính toán động lực học lưu chất của ANSYS đã được sử dụng để giảm vận tốc dòng khí trong khoang lái. Bằng việc bổ sung thêm kính chắn gió vào thiết kế. Với cải tiến này, các kỹ sư đã đem đến cho hành khách cảm giác thoải mái nhất.
Các nhà thiết kế phải dự đoán được sản phẩm cuối cùng sẽ hoạt động ra sao trong thực tế, cụ thể là trên đường đua. Việc dự đoán phá hỏng, sự tách lớp vật liệu, giới hạn bền và các tham số thay đổi là rất quan trọng trước khi bước vào giai đoạn chế tạo mẫu và sản phẩm. Với vật liệu composite, chỉ có phần mềm mô phỏng đáng tin cậy mới có thể mang đến cái nhìn thấu đáo vào quá trình làm việc của các lớp vật liệu. Thực hiện mô phỏng với Composite PrepPost giúp tránh được các chi phí phát sinh muộn trong giai đoạn thiết kế và chế tạo, các chi phí này nếu có sẽ ảnh hưởng lớn tới cả dự án.
Sử dụng tính năng sắp xếp độc đáo của phần mềm ANSYS, nhóm thiết kế có thể định nghĩa chính xác hướng của mọi lớp. Bước đầu, các kỹ sư thực hiệc việc tối ưu bằng cách chỉnh sửa về mặt hình học, ví dụ như bổ sung thêm các gân và các chi tiết tăng cứng ở các vùng có vấn đề. Sau đó, khi chọn kết cấu lớp, họ có thể tinh chỉnh lại thiết kế.
Nhóm thiết kế quan tâm đặc biệt đến khả năng chạy các mô phỏng khác nhau một cách linh hoạt với các mô hình phức tạp. Với phần mềm Composite PrepPost, các kỹ sư tạo ra các biến một cách nhanh chóng ngay sau khi các tham số vừa được định nghĩa. Đội ngũ kỹ thuật nhanh chóng xây dựng, chạy và chỉnh sửa các mô hình mô phỏng và thậm chí có thể khai thác được thông tin về chi phí, thông tin này rất hữu ích khi làm việc với các thiết kế ban đầu và xác định các biến nhạy ở một lớp nhất định. Việc xác định sớm được thông tin này có thể giúp tiết kiệm được thời gian và vật liệu ở các công đoạn sau. Sau nhiều lần đánh giá và giải lặp, kết quả là nhóm thiết kế đưa ra một bộ cẩm nang để chỉ dẫn cho giai đoạn chế tạo. ANSYS Composite PrepPost mang lại cho công ty sự tin tin cậy lớn về tính toàn vẹn và ứng xử của sản phẩm cuối cùng.
Kế thừa những gì đã có, KTM đã sử dụng thành công vật liệu composite trong thiết kế cho cả xe đạp điện và xe đua. Đây chỉ là hai ví dụ điển hình chứng minh cho sự thành công của công ty trong lĩnh vực sử dụng vật liệu composite hiệu năng cao.
Những hỗ trợ cho công ty KTM Technologies GmbH được thực hiện bởi kênh đối tác CADFEM của tập đoàn ANSYS. Một số phần của bài viết này ban đầu được in trong tạp chí CADFEM.
BVT (Nguồn: Tạp chí ANSYS Advantage tập 8 số 2,2014)