nhiệt
Phân tích đa trƣờng là sự kết hợp của các phân tích từ các ngành kỹ thuật khác nhau để giải quyết một vấn đề kỹ thuật tổng thể. Do đó, ngƣời ta coi phân tích đa trƣờng nhƣ là một chuỗi các phân tích vật lý (multiphysics analysis): đầu vào của một phân tích vật lý nào đó phụ thuộc vào kết quả của một hay nhiều phân tích khác.
Trong một số trƣờng hợp các phân tích có thể có tác động một chiều (one-way coupling). Ví dụ, trong bài toán nhiệt, trƣờng nhiệt độ sinh ra biến dạng cơ (do nhiệt độ), nhƣng ngƣợc lại thì biến dạng cơ không tác động đến sự truyền nhiệt và phân bố nhiệt. Vì vậy, không cần phải lặp lại tính toán giữa hai trƣờng trên. Nếu mô hình tính toán bao gồm hai hay nhiều trƣờng có sự tƣơng tác qua lại (two-way coupling), bài toán lúc này trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Ví dụ trong bài toán phân tích áp điện, có sự tƣơng tác qua lại giữa hai trƣờng cơ và điện: sự phân bố điện áp là kết quả của chuyển vị đặt vào, và ngƣợc lại.
28
Bài toán phân tích phần tử hữu hạn đa trƣờng có thể giải bằng phƣơng pháp phân tích trực tiếp (direct coupling) hoặc phƣơng pháp truyền tải trọng (load transfer). Tính toán sự tƣơng tác qua lại giữa các trƣờng rất khó khăn vì mỗi trƣờng đƣợc giải trong một kiểu phân tích vật lý của quá trình mô phỏng. Tuy nhiên, trong thực tế có rất nhiều lĩnh vực kỹ thuật đặt ra yêu cầu trên nhƣ: phân tích ứng suất nhiệt, phân tích dòng chảy, phân tích nhiệt cảm ứng, bộ chuyển đổi siêu âm,... và đặc biệt trong công nghệ MEMS.
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tƣờng minh và không tƣờng minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trƣờng điện từ, bài toán tƣơng tác đa trƣờng vật lý nhƣ: ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA, Nastran, Marc, COMSOL Multiphysics, SAP2000, MIDAS, STAAP PRO, ETABS...
Hình 2. 9 Mô phỏng trên phần mềm ANSYS
Trong đó ANSYS là một phần mềm mạnh đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. Trong tính toán thiết kế mô phỏng, kiểm nghiệm, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trƣờng ứng suất, biến dạng, trƣờng nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định đƣợc độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ƣu cho công nghệ chế tạo.
1 MN MX X Y Z 0 3.276 6.553 9.829 13.10616.38219.65922.93526.21129.488 JUL 27 2007 12:58:28 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 USUM (AVG) RSYS=0 DMX =29.488 SMX =29.488
29
ANSYS còn cung cấp phƣơng pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, vật liệu siêu đàn hồi, các chất lỏng và chất khí …
2.4.1. Giải bài toán đa trƣờng bằng phần mềm ANSYS
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang đƣợc sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tƣơng tác giữa các môi trƣờng, giữa các hệ vật lý.
Trong hệ thống tính toán của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật đƣợc giải quyết bằng phƣơng pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS gồm 3 phần chính: - Tạo mô hình tính (preprocessor)
- Tính toán (solution)
- Xử lý kết quả (postprocessor).
Ngoài 3 bƣớc chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hƣớng cho bài tính. Trong quá trình này ta cần định hƣớng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ...), mô hình hoá nhƣ thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ ...), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell, Plate, Solid,...).
ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với ngƣời dùng (GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (cũng có thể dùng kết hợp 2 cách này: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả,..).
Trƣớc hết, cần chọn đƣợc kiểu phần tử, phù hợp với bài toán cần giải. ANSYS cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử, tƣơng ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, phần mềm sẽ chọn các môđun tính toán phù hợp, và đƣa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tƣơng ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, ANSYS yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc
30
tính toán còn phụ thuộc vào vật liệu. Mỗi bài toán cần đƣa mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu, cần nhập đủ các thông số vật lý của vật liệu. ANSYS là phần mềm giải các bài toán bằng phƣơng pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực. Vì vậy, cần đƣa vào mô tình hình học đúng. ANSYS là phần mềm giải bài toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, ANSYS cho phép chia lƣới phần tử do ngƣời sử dụng chọn hoặc tự động chia lƣới. Số lƣợng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lƣới càng nhỏ càng tốt. Nhƣng việc chia nhỏ phần tử phụ thuộc năng lực xử lý của máy tính. Để giải một bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đƣa vào các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ,...) đƣợc đƣa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học. Sau khi xác lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, ANSYS cho phép chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán. ANSYS cho phép xác lập các bƣớc lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao.