Năm định hướng để “đột phá” đổi mới Năng lượng

Mô phỏng kỹ thuật giúp các nhóm phát triển sản phẩm trên toàn thế giới tạo ra sự đổi mới về năng lượng trong năm lĩnh vực chính.

Tác giả: Todd McDevitt, Giám đốc Marketing của ANSYS

Trong thị trường cạnh tranh gay gắt và nhu cầu của khách hàng ngày càng cao, có lẽ không có tính năng nào của sản phẩm thu hút sự chú ý của khách hàng hơn hiệu suất năng lượng. Các kỹ sư không chỉ phải tôn trọng những ưu tiên truyền thống liên quan đến năng lượng như: giảm tiêu thụ nhiên liệu và chất thải, và chi phí sản xuất thấp – mà bây giờ họ cũng phải xây dựng công ty trở thành người dẫn đầu trong mảng năng lượng và sáng tạo. Cải thiện dần dần là chưa đủ. Ngày nay, rõ ràng trọng tâm là đổi mới đột phá trong năng lượng.

Mô phỏng giúp các nhóm phát triển sản phẩm đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác, loại bỏ một số ý tưởng và theo đuổi một số khác. ANSYS đã xác định năm định hướng cực kỳ quan trọng với các công ty theo đuổi mục tiêu “đột phá đổi mới năng lượng”: điện khí hóa tiên tiến, hiệu suất cao cho thiết bị và nhiên liệu, thiết kế khí động học, giảm khối lượng hiệu quả và tối ưu hóa nhiệt.

ĐIỆN KHÍ HÓA TIÊN TIẾN

Xe lai (hybrid) và xe điện đã trở thành tiêu điểm trong nhiều năm, nhưng công nghiệp ô tô không phải là ngành duy nhất có sự đổi mới điện khí hóa. Trong nhiều ngành công nghiệp khác, hệ thống điều khiển bằng điện được thay thế cho các hệ thống cơ khí bởi chúng có nhiều ưu điểm về hiệu suất, trọng lượng nhẹ, diện tích nhỏ và ít phải bảo trì.

Ban đầu, các công ty có thể tốn nhiều thời gian và chi phí để kiểm tra hệ thống cơ khí cốt lõi và thay thế chúng bằng các hệ thống điện tiên tiến, nhưng lợi ích dài hạn với tỷ lệ chuyển đổi cũng như tiết kiệm năng lượng chính là lời giải thích xứng đáng cho khoản đầu tư này.

Các chương trình điện khí hóa đòi hỏi sự cân bằng giữa nhiều biến thiết kế, và các mô phỏng có thể lớn và phức tạp. Để đẩy nhanh thời gian tính toán và tinh giản việc phân tích tham số, công ty WEG Industries - một trong những nhà sản xuất động cơ điện lớn nhất thế giới - đã áp dụng ANSYS Maxwell trong môi trường HPC để nghiên cứu và cải thiện hiệu suất năng lượng. Bằng cách tận dụng các mô phỏng điện từ trên HPC, nhóm kỹ thuật của WEG đã giảm thời gian tính toán hơn 70 lần so với các phương pháp thiết kế thông thường.

HIỆU SUẤT MÁY VÀ NHIÊN LIỆU

Máy bay, ô tô, nhà máy điện, cơ sở sản xuất - tất cả đều phụ thuộc vào động cơ hoặc máy phát vì vậy chúng phải hoạt động tối ưu để tối đa hoá hiệu suất năng lượng. Đây là một nhiệm vụ phức tạp với các kỹ sư, họ phải xét đến hoạt động của máy trong nhiều điều kiện khác nhau. Ví dụ máy bơm, động cơ và tải phải được khớp chính xác khi khởi động, vận hành, và trong điều kiện cực đại.

Phương pháp tiếp cận kỹ thuật ở cấp hệ thống này đồng nghĩa với việc phải tạo ra sự cân bằng. Nhiệt độ cháy cao hơn có thể làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu nhưng cũng làm tăng lượng khí thải, vật liệu hỏng nhanh hơn hoặc các khía cạnh tiêu cực khác của hiệu suất. Nhóm phát triển sản phẩm cần cân bằng hiệu suất năng lượng của máy với độ bền lâu, độ an toàn, độ tin cậy và chi phí. Mô phỏng kỹ thuật chính là giải pháp thông minh giúp họ nhanh chóng đạt được điều đó.

THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC

Giảm lực cản không khí là cực kì quan trọng để tăng hiệu suất năng lượng ở máy bay và xe hơi. Lực cản này chiếm khoảng 22% lượng nhiên liệu tiêu thụ cho một xe tải khi đi đường cao tốc. Cải thiện khí động học không chỉ làm giảm chi phí nhiên liệu và bảo đảm lợi nhuận, mà còn giúp các hãng hàng không và các công ty vận tải đường bộ đáp ứng các tiêu chuẩn mới về tiết kiệm nhiên liệu và các quy định môi trường. Tuy nhiên, thử nghiệm khí động học thường liên quan đến các thiết bị phức tạp, tốn kém tiền bạc và thời gian.

Các công ty vận chuyển muốn dự đoán chính xác về khí động học của xe, họ cần phải dựa vào mô phỏng kỹ thuật. Viện hàng không và du hành vũ trụ Hoa Kỳ sử dụng mô phỏng tính toán động lực học chất lưu (CFD) để tạo ra các tiêu chuẩn công nghiệp và giúp các công ty hàng không đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của ngành. Tại Piaggio Aero Industries, các kỹ sư đã giảm được hơn 90% thời gian đánh giá thiết kế cánh mới bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS CFD và ANSYS DesignXplorer.

HIỆU QUẢ CỦA VIỆC GIẢM TRỌNG LƯỢNG

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, ít vấn đề kỹ thuật nào được chú ý nhiều như giảm trọng lượng xe. Mục tiêu này có thể được thực hiện theo hai cách, mỗi cách đều có điểm mạnh-yếu riêng.

Cách thứ nhất là thay thế các vật liệu truyền thống, như thép và nhôm, bằng vật liệu nhẹ hơn như nhựa hay composite. Làm như vậy, các kỹ sư cần đảm bảo tính ổn định và độ bền của các bộ phận được thay thế trong thời gian dài. Cần phải thiết kế lại quy trình sản xuất các bộ phận này, đồng thời cần quan tâm đến cả việc bảo dưỡng, tính đàn hồi và ứng suất dư.

Cách thứ hai là thay đổi hình dạng các bộ phận để giảm thiểu vật liệu. Bằng cách thay đổi chiều rộng, chiều dày và kích thước của các bộ phận, các kỹ sư có thể giảm trọng lượng tổng thể đáng kể mà vẫn đảm bảo không ảnh hưởng xấu đên chức năng của sản phẩm.

Khi thiết kế ảo, đội thiết kế cần lưu ý lợi ích của việc giảm trọng lượng đến các vấn đề về hiệu năng khác. Ví dụ, KTM Technologies, công ty chuyên về kỹ thuật composite, đã sử dụng mô phỏng thiết kế vỏ ô tô thể thao nhẹ hơn 20% mà không phải đánh đổi độ bền hay sự ổn định.

TỐI ƯU NHIỆT

Tối ưu nhiệt giúp các sản phẩm hoạt động tốt nhất và an toàn nhất. Trong lĩnh vực sản xuất, 36% năng lượng tiêu thụ được dùng cho các ứng dụng sưởi ấm. Tối ưu các hoạt động sưởi ấm công nghiệp sẽ tác động đáng kể đến lợi nhuận của công ty.

Tối ưu nhiệt của sản phẩm thông qua mô phỏng không chỉ dự báo nhiệt độ bên trong thiết bị và cho thấy các hiện tượng vật lý đằng sau các kết quả đó. Mô phỏng giúp xác định và giải quyết sớm các vấn đề về nhiệt trước khi từng bộ phận được kết hợp thành hệ thống đồng bộ. Từ đó, các nhóm phát triển sản phẩm tiết kiệm được thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo các sản phẩm hoạt động an toàn trong điều kiện thực tế.

Mô phỏng trở thành công cụ mang tính chiến lược cao tại các công ty sản xuất thiết bị sưởi ấm và làm mát do họ có mối quan tâm đặc biệt đến tối ưu nhiệt. Tại Whirlpool Brazil (công ty sản xuất đồ điện gia dụng: lò vi sóng, lò nướng, máy rửa bát, máy sấy quần áo…), các kỹ sư sử dụng phần mềm ANSYS để dự đoán các đặc tính nhiệt của sản phẩm trước giai đoạn sản xuất nguyên mẫu. Bằng cách giảm thiểu và tăng tốc lặp lại thiết kế, nhóm nghiên cứu đã giảm thời gian phát triển tổng thể từ 30-40%.

ĐIỀU GÌ LÀM NÊN NGƯỜI DẪN ĐẦU?

Kết quả xác minh đặc điểm chính của các đội kỹ thuật hàng đầu trong việc đổi mới năng lượng, đã được nghiên cứu bởi công ty chuyên khảo sát Aberdeen vào đầu năm nay nhận thấy:

Thứ nhất, các công ty dẫn đầu đổi mới đầu tư vào công nghệ tiên tiến. Họ không chỉ tận dụng nền tảng công nghệ mô phỏng ANSYS mà còn sử dụng các công cụ hỗ trợ như sản xuất bổ sung, phân tích dữ liệu lớn và các giải pháp tiên tiến khác. Họ nhận ra rằng dẫn đầu công nghệ giúp họ dẫn đầu thị trường.

Thứ hai, họ có tầm nhìn hệ thống. Những sản phẩm thông minh và tinh vi có nhu cầu về năng lượng rất phức tạp, sẽ là không đủ nếu chỉ quan tâm đến từng phần của sản phẩm. Thay vào đó, các nhóm phát triển sản phẩm phải xem xét các hệ lụy cho toàn hệ thống, tạo ra sự cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng với các đặc trưng hiệu năng khác.

Cuối cùng, các công ty dẫn đầu về đổi mới năng lượng luôn có cái nhìn táo bạo về tương lai. Họ không thiết kế sản phẩm giống với các sản phẩm cùng loại, mà họ cải tiến vượt bậc để bứt phá. Đổi mới năng lượng chính là cơ hội tạo nên sự khác biệt, bằng cách định hình lại cách năng lượng được sinh ra, sử dụng hoặc lưu trữ bằng các giải pháp sản phẩm của họ.


Nguồn: ANSYS Advantage V10I3, 2016

Lược dịch: Nguyễn Lan Phương - Advantech, Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail