Cuộc đua của những chiếc thuyền bay

Bởi Steve Collie, Kĩ sư khí động học, Emirates Team New Zealand, Auckland, New Zealand

Vài năm gần đây, giải đua thuyền buồm quốc tế America’s Cup đã có những thay đổi vô cùng mạnh mẽ. Bằng việc sử dụng loại cánh mới thay thế cho buồm truyền thống, những chiếc thuyền buồm có thể chạy nhanh gấp bốn lần. Emirates Team New Zealand đang nỗ lực để dẫn đầu trong cuộc đua này. Họ sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Multiphysics để đánh giá hàng ngàn trường hợp khác nhau và phát triển một thiết kế tốt nhất để hướng đến chiếc cúp tiếp theo.

“Các công cụ tích hợp của ANSYS Multiphysics bao gồm mô phỏng chất lưu, mô phỏng kết cấu và mô phỏng vật liệu composite - giúp ETNZ vượt qua những thách thức một cách dễ dàng.”

America’s Cup là giải đấu hàng đầu dành cho môn đua thuyền và nó nhận được sự cổ vũ cuồng nhiệt từ phía người hâm mộ. Giải đấu được tổ chức hàng năm kể từ năm 1851, tại đây các thủy thủ cùng với thuyền của họ từ khắp các nước trên thế giới đến tranh tài nhằm hướng tới chiếc cúp vàng danh giá. Giải đấu tiếp theo vào năm 2017 dự kiến tổ chức tại Bermuda. Cuộc đua thú vị này là một thánh thức lớn về cả thể chất và tinh thần dành cho các đoàn thủy thủ. Nhưng trước mỗi cuộc đua, những chiếc thuyền tham dự America’s Cup phải đạt được những tiêu chuẩn kỹ thuật và có một quy trình sản xuất vô cùng chặt chẽ. Bởi vậy, việc thử nghiệm vật lý cho tất cả các cải tiến có thể đối với một con tàu phức tạp như vậy là điều không tưởng (chưa kể đến việc không đảm bảo về mặt tài chính). Emirates Team New Zealand (ETNZ) đã chuyển sang sử dụng phần mềm mô phỏng kỹ thuật ANSYS Multiphysic để phát triển một chiếc thuyền buồm mạnh mẽ, có độ tin cậy cao và khả năng cạnh tranh tốt.

THIẾT KẾ CÁNH

Mô hình CAD của cánh buồm

Cánh của thuyền buồm là kiểu cánh kép gồm có hai thành phần: một cánh chính và một cánh treo. Trong đó, cánh treo được gắn với cánh chính bằng cơ cấu khớp bản lề. Cánh chính là kết cấu cứng tuyệt đối tạo thành bộ khung cho cánh, đồng thời cũng là thanh xà chính chạy dọc theo thân cánh (là cột buồm trong kết cấu thuyền buồm truyền thống). Cánh treo được chia thành ba phần để có thể dễ dàng tạo độ cong (độ vồng) nhằm tạo ra lực đẩy bằng cách thay đổi góc giữa cánh chính và cánh treo. Các phần của cánh treo có thể được xoay để giảm năng lượng riêng và thay đổi tâm áp suất khí động học. Hệ thống dẫn động thủy lực được sử dụng để tạo độ cong và góc xoay cho các phần của cánh treo. Từ đó có thể tạo ra dạng khí động học hiệu quả nhất dựa trên các điều kiện thời tiết thực tế.

Các quy tắc của giải đua đã khắc phục nhiều khía cạnh về thiết kế của những chiếc thuyền buồm, ví dụ như hình dáng của vỏ tàu, cánh và thiết kế của bong tàu. Vì vậy, ngoài những đóng góp mà đội ngũ kỹ thuật giàu kinh nghiệm đã mang lại thì sự thành bại của giải đấu dựa trên hiệu năng của hệ thống cơ sở, bao gồm cấu trúc cánh để mang lại hiệu suất tối ưu trong một dải điều kiện rộng. Đội ngũ kỹ sư của Emirates Team New Zealand-những người đã vươn lên sau thất bại tại chính cuộc đua này vào năm 2013 - đã chịu những áp lực rất lớn về thời gian để thiết kế một chiếc thuyền buồm cho một thử nghiệm mới, chỉ trong vòng 5 tháng để có thể theo đúng kế hoạch là vươn lên vị trí dẫn đầu trong cuộc đua năm 2017. Bằng việc sử dụng mô phỏng đa môi trường ANSYS Fluid-Structure Interaction (FSI-mô phỏng tương tác giữa chất lỏng và kết cấu) và mô phỏng vật liệu composites, ETNZ đã có thể kiểm tra hàng trăm phương án thay đổi trong quá trình xử lý, nhằm tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành thử nghiệm vật lý. Thử nghiệm sử dụng thuyền buồm trong thực tế luôn tiêu tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc, hơn nữa không thể thử nghiệm vật lý trên tất cả các thiết kế mà không sử dụng mô phỏng.

DỰ BÁO ÁP SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC

Mô hình đơn giản của một thành phần trên cánh treo được sử dụng trong giai đoạn đầu tiên của mô phỏng.

Để xác định áp suất khí động bằng cách sử dụng các mô phỏng ANSYS CFD, đội ngũ kỹ sư của ETNZ đã bắt đầu với việc thiết kế các mô hình CAD trên máy tính cho kết cấu cánh chính và cánh treo. Họ xoay mô hình CAD trên toàn bộ dải cho phép của cánh treo và tạo ra một miền nghịch đảo cho phân tích dòng chảy. Sau đó, họ mô phỏng để tính toán hiệu suất của mỗi mô hình dưới tác dụng của một loạt các tốc độ và hướng gió khác nhau cũng như trạng thái của thuyền buồm. Các kết quả thu được từ mô phỏng sẽ được nhập vào trong một ma trận. Sau đó ma trận này sẽ là đầu vào của của một mô phỏng hiệu suất nhằm dự đoán hiệu suất của thuyền dựa trên điều kiện gió, góc xoay của cánh treo, hướng gió và nhiều điều kiện khác. ANSYS DesignXplorer đã giảm thiếu số lượng mô phỏng cần thực hiện để có thể biểu diễn chính xác không gian tham số. Phân tích này yêu cầu đánh giá sự tác động của số lượng lớn các biến số. Nền tảng mở của ANSYS sẽ cho phép các quá trình mô phỏng được hoàn toàn tự động bằng cách sử dụng các tập lệnh.

MÔ PHỎNG KẾT CẤU

Quy trình thiết kế cánh treo được bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình hình học ban đầu trong CAD. Sau đó, các kĩ sư xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu bằng ANSYS Workbench. Cánh treo được làm từ các vật liệu tổng hợp (composite) siêu nhẹ. Vì vậy, các lớp composite được thiết kế và tối ưu hoá bằng ANSYS Composite PrepPost. Để thiết lập một mô phỏng FSI một chiều, áp suất từ nhiều phân tích CFD được nhập và ánh xạ vào kết cấu. Vì mô phỏng CFD được thực hiện dựa trên sự biến dạng của cánh nên dữ liệu về áp suất phải được quy đổi về mô hình cánh không có biến dạng. Sau đó, sử dụng tập lệnh được viết bởi các kĩ sư ETNZ để áp dụng cho mô hình kết cấu. Áp suất có thể ánh xạ lại kết cấu khi sử dụng ANSYS Mechanical. Quy trình và mô hình này được phát triển với sự trợ giúp của các chuyên gia kĩ thuật ANSYS và đối tác đến từ kênh LEAP Australia, cho phép ETNZ đáp ứng được các yêu cầu về thời gian của nhà sản suất.

Bước tải đầu tiên trong giai đoạn thứ ba của mô phỏng: Một điều kiện biên nhiệt được áp dụng để tạo ứng suất kéo căng cánh buồm

Các kỹ sư của ETNZ tăng dần tính phức tạp trong các mô hình kết cấu. Giai đoạn 1 là mô hình đơn giản của một cánh treo đơn được sử dụng để thiết kế khung kết cấu. Giai đoạn hai là sự kết hợp của cả 3 phần cánh treo được sử dụng chủ yếu để thiết kế các liên kết hình học. Trong giai đoạn 3, áp suất được xác định bằng mô phỏng CFD dựa trên mô hình đã được phát triển trong giai đoạn hai. Các phân tích này nhằm xác định tải trọng yêu cầu để kiểm tra khớp bản lề của cánh treo và được lần lượt sử dụng cho việc thiết kế các bộ truyền động thủy lực và hệ thống điều khiển.

Đội ngũ kỹ thuật đã thực hiện hàng trăm vòng lặp để tối ưu hóa mô hình hình học và cấu trúc của các phân lớp nhằm đạt được hình dạng mong muốn và mô men nhỏ nhất cần phải tác động, dưới các điều kiện tải trọng cụ thể. Đồng thời, họ cũng nỗ lực để giảm tối đa khối lượng của kết cấu nhưng vẫn đảm bảo rằng nó có thể chịu được tải trọng dự kiến trong suốt cuộc đua.

CHIẾC THUYỀN BUỒM ĐẦU TIÊN VÀ TIẾP TỤC PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ

Các thiết kế được trình bày ở trên đã được thử nghiệm cho một chiếc thuyền buồm dài 13,7m vào mùa hè năm 2016. Trong khi đó, các kỹ sư của ETNZ đang trong quá trình xây dựng một chiếc thuyền toàn diện hơn từ các bộ phận riêng biệt đến kết cấu tổng thể. Các kỹ sư sẽ sử dụng mô hình thiết kế chi tiết của các bộ phận chính kết hợp với mô phỏng FSI hai chiều để phân tích đáp ứng của kết cấu dưới những tác dụng khí động học của cánh. Mô phỏng FSI hai chiều có thể phân tích được các đáp ứng động lực học của cánh trong điều kiện gió mạnh hay bão, khi buồm đang thay đổi góc quay, hoặc dưới tác động của việc đổi hướng chạy khi đang vận hành.

Những thiết kế mới sẽ đạt được tốc độ nhanh gấp bốn lần so với những chiếc thuyền buồm trong giải America’s Cup 10 năm trước. Nguyên nhân chính của việc này là các đội tham gia giải đua sử dụng thuyền đôi (thuyền hai thân) thay vì sử dụng thuyền đơn (thuyền một thân) như trong quá khứ. Khả năng lướt trên mặt nước giúp thuyền có thể tăng tốc trong thời gian ngắn. Di chuyển với cánh thay vì buồm cũng đã mang lại khả năng tăng tốc đáng kể cho thuyền buồm.

Lợi dụng sức mạnh của gió giúp tăng tốc trong khi có thể tiêu tốn ít năng lượng nhất có thể là một vấn đề phức tạp. ETNZ đã sử dụng một quy trình phát triển hoàn toàn dựa trên mô phỏng nhằm kiểm tra hàng ngàn những phương án thiết kế cánh (buồm). Mục tiêu cuối cùng là tăng khả năng điều khiển chính xác và nhanh chóng trong khi vẫn giữ được những chỉ tiêu về khối lượng. Bộ tích hợp các công cụ phân tích đa trường trong ANSYS bao gồm mô phỏng chất lưu, mô phỏng kết cấu và mô phỏng composite giúp ETNZ có thể đạt được mục tiêu của mình. Mục đích cuối cùng đó là tái hiện lại thành công của năm 1995 và 2000-mang chiếc cúp vàng về New-zealand.

SỨC MẠNH CỦA KỸ THUẬT CAO

Các đội trong những môn thể thao có tính cạnh tranh khốc liệt như giải đua xe công thức một và đua thuyền, phải phát triển các thiết bị của họ để đạt được hiệu năng cao nhất thì mới có thể duy trì khả năng cạnh tranh. Họ áp dụng những công nghệ tốt nhất từ mọi lĩnh vực để có thể dẫn đầu trong cuộc đua. Mô phỏng kỹ thuật gắn liền với các môn thể thao này, bởi vì nó cho phép đội ngũ kỹ sư có thể kiểm tra nhiều sự thay đổi trong thiết kế, từ đó tìm được kết quả tốt nhất trước khi áp dụng vào sản suất thực tiễn.

Bước tải thứ hai trong giai đoạn 3 của mô phỏng: Mỗi bộ điều khiển thực hiện xoay góc để tạo các hình dạng khác nhau cho cánh.

Đối với giải đua thuyền buồm America’s Cup, chuyển đổi năng lượng gió thành mô men giúp thuyền di chuyển và tiết kiệm năng lượng nhiều nhất cũng có nguyên lý tương tự với việc điều khiển các tua bin gió để tạo ra điện. Cả hai đều sử dụng nguyên lý là thu thập gió để tạo ra năng lượng; nếu thu thập được nhiều hơn (và điều khiển tốt hơn), thì sẽ đạt được một kết quả tốt hơn. Cũng giống như bất kỳ tua bin nào (điều khiển bằng khí, gió, hơi hoặc nước) để tạo năng lượng điện hoặc để tạo lực đẩy cho các thiết bị bay. Đối với một chiếc thuyền buồm, một chiếc xe đua F1 hoặc một chiếc máy bay, khí động học và khối lượng góp phần làm tiêu tốn rất nhiều năng lượng.

Mô phỏng kỹ thuật là công cụ vô cùng quan trọng đối với các kỹ sư thiết kế hàng đầu muốn tạo đột phá trong việc đổi mới năng lượng – cho dù đó là trong công nghiệp thể thao hay nghiên cứu khoa học.

 


Nguồn: ANSYS Advantage V10I3, 2016

Lược dịch: Đỗ Tuấn Du - Advantech, Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theowww.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