Ứng dụng ANSYS trong thiết kế thuyền đua Zyz

Bởi: Antonio Mancuso - chuyên gia thiết kế và phương pháp học trong kỹ thuật công nghiệp tại trường đại học degli Studi di Palermo (Ý)
Antonio Mancuso và Giuseppe Pitarresi (Trường ĐH degli Studi di Palermo), Davide Tumino (Trường ĐH degli Studi di Enna Kore)

Thiết kế đầu tiên của thuyền đua Zyz

Trong năm 2008, đội đua thuyền Zyz đã bắt tay vào thiết kế và chế tạo các loại thuyền đua nhỏ để tham gia các cuộc thi chèo thuyền giữa các trường đại học của Ý với tên gọi 1001velaCUP. Trong suốt 8 năm đầu, cả đội đã không ngừng cố gắng tạo ra những chiếc thuyền khác nhau với mục tiêu tối ưu hoá mọi chi tiết ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận hành của con thuyền.

Quy tắc R3 được áp dụng trong cuộc thi gây ra những giới hạn về cấu trúc và hình học trong thiết kế như: chiều dài tối đa x sườn ngang thuyền là 4.6 x 2.1m, trong khi tỉ lệ trọng lượng tối thiểu cấu tạo thân thuyền phải đạt mức 70% nguyên liệu từ gỗ.

Thành tựu bước đầu của đội là một chiếc thuyền đua nhỏ có tên là Zyz. Quá trình thiết kế ra chiếc Zyz chủ yếu dựa trên các phân tích thuỷ tĩnh cho phần thân thuyền.

Việc xác định kích thước những kết cấu bên trong thuyền không tuân theo bất cứ một nghiên cứu có tính hệ thống nào nhưng chiếc thuyền đã thực sự ra đời nhờ vào kinh nghiệm của cả đội.

Toàn bộ quá trình đóng thuyền đều sử dụng kỹ thuật ghép ván truyền thống, do vậy chiếc thuyền tạo ra bị vượt quá kích cỡ đề ra và phải có những sửa đổi nhất định sau những cuộc đua đầu tiên,

Áp dụng mô phỏng trong việc thiết kế thuyền đua

Những kinh nghiệm đầu tiên với Zyz đã giúp đội đua nảy ra ý tưởng rằng cần phải tìm ra một hướng tiếp cận khác trong quá trình thiết kế. Với chuyên môn sẵn có, các thành viên trong đội đã tiến hành phương pháp tiếp cận tích hợp toàn diện thiết kế đồng bộ, sử dụng các công cụ phân tích số.

Họ đã đi đến thống nhất về phương pháp học, trong đó kết hợp song song giữa phương pháp phần tử hữu hạn ( FEM

Finite Element Method (FEM) - (phương pháp phần tử hữu hạn) là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học. Các lĩnh vực vấn đề điển hình được quan tâm bao gồm các lĩnh vực truyền thống là phân tích kết cấu, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ.

) và công cụ tính toán động lực học dòng chảy ( CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

) trên mô hình CAD tham số cho chiếc thuyền mới.

Sự kết hợp dễ dàng với các thông số CAD bên ngoài (CREO 3.0 từ PTC) và giữa các gói động lực học dòng chảy và cơ học kết cấu đã hỗ trợ nhóm thiết kế trong việc ứng dụng ANSYS Workbench and Fluent là các công cụ số trong quá trình thiết kế.

Mô phỏng động lực học dòng chảy để tạo hình dạng và kết cấu

Bắt đầu với hình dáng điển hình của một loại thuyền nhỏ, dưới một số giả thiết sơ bộ về tổng dịch chuyển, vận tốc gió và các điều kiện khi chèo thuyền và sau một quá trình lặp đi lặp lại, họ đã tạo ra được hình dạng và cấu trúc cuối cùng của chiếc thuyền LED ( viết tắt của Linen Epoxy Dinghy).

Kết quả của các phân tích động lực học dòng chảy ( CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

) trong nghiên cứu áp suất lên buồm, thân thuyền và các bộ phận phụ được dùng làm điều kiện tải đầu vào cho các phân tích phần tử hữu hạn ( FEM

Finite Element Method (FEM) - (phương pháp phần tử hữu hạn) là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học. Các lĩnh vực vấn đề điển hình được quan tâm bao gồm các lĩnh vực truyền thống là phân tích kết cấu, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ.

). Để đánh giá được hiệu suất mặt thoáng của thân thuyền, họ đã áp dụng mô hình thể tích chất lỏng (Volume of Fluid -VOF) trên thân tàu với một cấu trúc lưới hexahedral (sáu mặt) chất lượng cao, đồng thời phân tích các bản vẽ khác nhau của buồm và các bộ phận phụ.

Mô phỏng giúp tối ưu hóa kết cấu thuyền

Nếu coi CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

là công cụ đánh giá hình dạng bên ngoài ưu việt nhất cho thân thuyền, buồm và các bộ phận phụ thì phương pháp phân tích phần tử hữu hạn ( FEM

Finite Element Method (FEM) - (phương pháp phần tử hữu hạn) là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học. Các lĩnh vực vấn đề điển hình được quan tâm bao gồm các lĩnh vực truyền thống là phân tích kết cấu, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ.

) được dùng để tối ưu hoá hình dạng kết cấu trong thân thuyền.

Lựa chọn đầu tiên của đội là phát triển một loại vật liệu xanh cho thân thuyền: Phần kết cấu 3 lớp (sandwich) được làm từ vỏ lanh tổng hợp và phần lõi gỗ xốp cũng được thiết kế và chế tạo. Loại gỗ dán okoumè (một loại gỗ xuất xứ từ Tây phi) được chọn cho phần cấu trúc bên trong.

Bên cạnh đó, họ còn tạo ra mô hình phân tích phần tử hữu hạn thực tế cho thân thuyền bằng cách sử dụng môđul ANSYS Composite PrepPost (ACP). Một chuỗi xếp chồng cân xứng của các vật liệu vỏ-lõi-vỏ được bổ sung vào môđul APC và được sử dụng trong ANSYS Mechanical để phân tích cấu trúc.

Các điều kiện tải trọng đặt trước cho cột buồn và các dây chằng giữ cột buồm đã được thêm vào trọng tải thông qua kết quả phân tích động lực học dòng chảy ( CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

) đồng thời thực hiện các phân tích cấu trúc tĩnh sơ bộ.

Những kết quả ban đầu đã cho thấy các vị trí chịu ứng suất bề mặt lớn nhất của thân thuyền và các mạn sườn. Hình dạng cuối cùng được quyết định và LED được chế tạo bằng công nghệ resin Infusion - truyền dẫn keo chân không áp lực cao - tại các phòng thí nghiệm của Đại học Palermo.

Đánh giá kết quả mô phỏng

Từ đó, nhóm đã quyết định lên kế hoạch thiết lập thử nghiệm hướng tới hai mục tiêu: đánh giá những kết quả sơ bộ đạt được bằng phương pháp phần tử hữu hạn đồng thời thiết lập một hệ thống giám sát thời gian thực trạng thái biến dạng của con thuyền.

Thiết bị đo điện trở (ER) lưới đơn và vành điều chỉnh lưới kép được gắn trong các khu vực mà FEM

Finite Element Method (FEM) - (phương pháp phần tử hữu hạn) là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học. Các lĩnh vực vấn đề điển hình được quan tâm bao gồm các lĩnh vực truyền thống là phân tích kết cấu, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ.

cho kết quả nhằm xác định các giá trị biến dạng quan trọng. Coi thân tàu là một “chiếc bánh sandwich” gồm các lớp vỏ lanh tổng hợp và một lõi gỗ xốp kết tụ với 4 vành điều chỉnh lưới 3 lớp cộng thêm vành điểu chỉnh bù nhiệt để xác định các yếu tố biến dạng chủ yếu.

Để xác định được những biến dạng tối đa trên các nẹp gia cường theo chiều dọc và ngang làm từ gỗ dán okoumè, bốn thiết bị đo biến dạng lưới đơn và một thiết bị đo biến dạng bù nhiệt đã được thiết lập. Các kết quả của FEM

Finite Element Method (FEM) - (phương pháp phần tử hữu hạn) là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân dạng số phát sinh trong kỹ thuật và mô hình toán học. Các lĩnh vực vấn đề điển hình được quan tâm bao gồm các lĩnh vực truyền thống là phân tích kết cấu, truyền nhiệt, dòng chất lỏng, vận chuyển khối lượng và điện thế điện từ.

và ER khá phù hợp đối với mô phỏng điều kiện tải đơn giản trong phòng thí nghiệm.

Việc sử dụng có tính hệ thống các công cụ mô phỏng số của ANSYS được trình bày cụ thể tại đây: Fluent dùng để xác định đầy đủ động lực học dòng chảy đối với thân thuyền, buồm và các bộ phận phụ; ACP nhằm mô phỏng một cách thực tế các đặc tính vật liệu của kết cấu “sandwich xanh” và ANSYS Mechanical xác định trạng thái biến dạng của kết cấu bên trong.

Và thành tựu cuối cùng chính là LED, một chiếc thuyền siêu nhẹ và chắc chắn, có khả năng cạnh tranh cao trong các loại thuyền đua.

Nguồn: ANSYS Blog

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