H. 1-7 Sơ đồ cấu hình thông dụng của một thiết bị chẩn đoán hiện đạ
1.5 Ph−ơng pháp mô phỏng động cơ theo h−ớng chẩn đoán
Trong kỹ thuật chẩn đoán, khi xây dựng mô hình chẩn đoán rất cần nhận dạng các trạng thái chuẩn của một đối t−ợng chẩn đoán. Tr−ớc đây để nhận dạng các trạng thái chuẩn ng−ời ta th−ờng sử dụng các ph−ơng pháp thực nghiệm trên các đối t−ợng mẫu. Ph−ơng pháp này có chi phí thí nghiệm lớn, không linh động. Ngày nay kỹ thuật mô phỏng số đã đ−ợc ứng dụng hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật và trong kỹ thuật chẩn đoán, mô phỏng số rất thích hợp để mô tả quá trình, mô tả trạng thái chuẩn với nhiều −u điểm v−ợt trội. Để tiến hành mô phỏng số thông th−ờng đ−ợc tiến hành theo sơ đồ sau:
Xây dựng mô hình Tính toán toán học Ph−ơng pháp giải số Ch−ơng trình mô phỏng Thử nghiệm ch−ơng trình
Hiệu chỉnh hoàn thiện
Mô phỏng
Hình 1-7 Xây dựng một ch−ơng trình mô phỏng
* Ph−ơng pháp xây dựng mô hình
Để mô phỏng động cơ đốt trong, tr−ớc hết phải xây dựng các mô hình mô tả đầy đủ nhất các quan hệ, các mối liên kết, các quá trình vật lý, hoá học xảy ra trong động cơ, cũng nh− phản ứng của động cơ theo tác động từ bên ngoài. Tuỳ theo mục đích mô phỏng mà có thể xây dựng mô hình từng phần tử cấu trúc của động cơ và nghiên cứu riêng biệt hay kết nối lại để có một động cơ hoàn chỉnh, tuỳ theo nhiệm vụ nghiên cứu mà có thể xây dựng mô hình tĩnh học hay động lực học, mô hình chuyển hoá năng l−ợng hay mô hình cơ học để nghiên cứu biến dạng hay rung động..
Trên thực tế có thể lựa chọn hai ph−ơng pháp tổng thể để xây dựng mô hình : Ph−ơng pháp các phần tử hữu hạn (FEM- Finit Element Methode) và hệ thống đa thể (MBS - Multi Body Systems).
Khi xây dựng mô hình động cơ theo hệ thống đa thể, kết cấu động cơ đ−ợc quy đổi thành một số hệ thống thành phần hay còn gọi là các phần tử. Các phần tử này có thể là một bộ phận của động cơ nh− trục khuỷu, bánh đà… hay là cả một quá trình nh− quá trình nạp, xả … Các phần tử đ−ợc kết nối với nhau bởi quan hệ cấu trúc hay các quan hệ vật lý. Mỗi phần tử đ−ợc mô tả bởi các mô hình vật lý khác nhau, các mô hình có thể đ−ợc mô tả bằng một số ph−ơng trình toán học giải đ−ợc bằng ph−ơng pháp số. Để tăng độ chính xác của mô hình cần tách càng nhỏ các phần tử và mô tả chính xác hơn về các phần tử.
Các phần mềm mô phỏng hiện đại th−ờng có các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn hoá, đối với phần tử cấu trúc này đã lập sẵn ph−ơng trình vi phân mô tả chúng và kết nối với các phần tử bên cạnh đã đ−ợc định nghĩa. Các phần tử này đ−ợc liên hệ với nhau trong một sơ đồ khối do đó ng−ời sử dụng không nhất thiết phải có kiến thức về các hàm số toán học cũng nh− ph−ơng pháp tạo dựng nên các phần tử. Những điều quan trọng cho ng−ời sử dụng ở đây là: - ổn định hoạt động.
- Tốc độ tính toán và độ chính xác tính toán. - Thuận tiện sử dụng.
- Không nhạy cảm với lỗi.
- Có khả năng mở rộng nhờ các mô đun. - T−ơng hợp với Version cũ.
+ Ph−ơng pháp phần tử hữu hạn
Ph−ơng pháp phần tử hữu hạn dựa trên quan niệm vật chất là một môi tr−ờng liên tục. Sau đó có thể mô tả môi tr−ờng liên tục bởi các ph−ơng trình đạo hàm riêng, tuy nhiên đa số các ph−ơng trình đó không thể giải đ−ợc bằng ph−ơng pháp giải tích. Ng−ời ta chỉ có thể chia nhỏ thể tích vật chất thành hữu hạn các thể tích cá biệt nhỏ và chỉ có thể giải gần đúng hệ ph−ơng trình các phần tử hữu hạn mô tả hệ thống. Nhờ tập hợp các nghiệm riêng ng−ời ta nhận
đ−ợc lời giải tổng quát của môi tr−ờng liên tục. Chất l−ợng của lời giải tổng quát có thể đ−ợc cải thiện nhờ làm nhỏ hơn nữa các phần tử hữu hạn và cải thiện phép giải gần đúng mỗi phần tử cá biệt. Các phần tử hữu hạn có thể đ−ợc mô tả làm dầm, thanh, tấm diện tích hai chiều hoặc phần tử thể tích ba chiều. Các định luật ứng dụng để mô tả phần tử hữu hạn là:
- Các ph−ơng trình lực.
- Biến dạng (cơ học hoặc nhiệt). - Các ph−ơng trình truyền nhiệt. - Các định luật vật liệu.
Các phần tử đ−ợc kết nối với nhau ở các nút, tại đó tính đến t−ơng tác giữa phần tử này với phần tử khác.
Trong kỹ thuật động cơ ph−ơng pháp phần tử hữu hạn đ−ợc ứng dụng để tính toán sự biến dạng của piston, vòng găng, trục khuỷu, phân tích rung động của động cơ …
Khi sử dụng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn quan trọng nhất là kinh nghiệm xây dựng mô hình. Điều đó phụ thuộc cả việc lựa chọn đúng các phần tử và vị trí ch−a phải là tới hạn thì các cấu trúc thô sẽ tiết kiệm đ−ợc thời gian tính, còn các vị trí giới hạn thỉ chỉ có cấu trúc tinh mới cho độ chính xác yêu cầu.
* Xây dựng ch−ơng trình mô phỏng
Để mô phỏng động cơ trên máy tính số có thể thực hiện theo các h−ớng sau:
- Lập trình tự do, th−ờng để mô phỏng các quá trình hoặc các phần tử đơn lẻ phức tạp, giải các ph−ơng trình đại số, các ph−ơng trình vi phân bằng các ph−ơng pháp số nh− ph−ơng pháp Newton, nội suy Newton, nội suy Gauss, tích phân số, ph−ơng pháp Eurler - Cauchy hoặc Runge-Kutta.
- Lập trình theo h−ớng các phần mềm mở, hoặc dựa theo ý t−ởng, ph−ơng thức tiến hành để giải quyết các bài toán về động lực học và tĩnh học của một số phần mềm mở sẵn có, khi đó có thể tự do lựa chọn ngôn ngữ lập trình hoặc dựa hẳn vào các phần mềm mở phổ biến, sử dụng hoàn toàn các thuật toán, các mô đun chức năng tiêu chuẩn để giải quyết các bài toán mô phỏng cần xây dựng.
- Sử dụng các phần mềm chuyên biệt, viết cho động cơ đốt trong