Phần mềm CAD với các công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tốt nhất trong năm 2020.

Date
Tháng Chín 16, 2020 Posted By
tuan_ty
Categories

Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hay còn gọi là phần mềm FEA (Finite Elements Analysis) đã và đang là công cụ cực kì mạnh mẽ và thông dụng của mọi kỹ sư cơ khí trên thế giới.

Trên thị trường, có rất nhiều thách thức phải đối mặt để giữ được sức cạnh tranh với các công ty khác. Để có thể có lợi nhuận cao, sản phẩm cũng phải có chất lượng tương xứng. Vì vậy, các kỹ sư phát triển sản phẩm, kỹ sư QA, kỹ sư thiết kế, … phải nỗ lực hết sức để có thể đạt được chất lượng đó.

Vấn đề chung của các kĩ sư hiện nay bao gồm thực hiện các bài kiểm tra để đảm bảo các bộ phận và vật liệu của sản phẩm hoạt động đúng như thiết kế. Điều đó có nghĩa là các phản ứng của các chi tiết trong các điều kiện làm việc khác nhau bao gồm lực, dao động và nhiệt độ,…

Trước đây, các thử nghiệm này được thực hiện bằng cách tạo ra một nguyên mẫu của sản phẩm và thực hiện các thử nghiệm trên đó. Tuy nhiên, việc chế tạo và thử nghiệm như vậy  thường rất mất thời gian và tiền bạc, dẫn đến tăng chi phí sản phẩm.

Do đó, việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn sẽ tối đa hóa năng suất và giảm thiểu lãng phí trong việc sản xuất.


Phân tích phần tử hữu hạn là gì?

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một loại phương pháp phân tích trên máy tính, nó được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý, mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Elements Method). FEM là một phương pháp số, sử dụng các mô hình toán học để giải các bài toán kết cấu phức tạp và thường được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân bậc 1 ,2,… .

Các kỹ sư thường sử dụng phân tích phần tử hữu hạn trong quá trình thiết kế các chi tiết cơ khí và trong các bài toán xây dựng. Thay vì tạo nguyên mẫu cho các thí nghiệm thực tế, họ chuyển sang sử dụng các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA).

Việc sử dụng các phần mềm đó trong giai đoạn thiết kế sẽ giúp sản phẩm được tối ưu hóa và việc sản xuất sản phẩm sẽ nhanh hơn và thuận tiện hơn.

Vậy làm thế nào để sử dụng FEA trong quá trình thiết kế?

 Có nhiều giai đoạn khác nhau trong quá trình thiết kế. Một trong số đó là thử nghiệm để xem liệu các chi tiết (sản phẩm) có đáp ứng các yêu làm việc trong môi trường thực tế đúng như mong đợi hay không.

Đầu tiên, chúng ta phải chắc chắn rằng vấn đề chúng ta cần giải quyết đã được xác định.Để xác định các yêu cầu đó, thông thường việc nghiên cứu thị trường sẽ được thực hiện để có thể xác định và chỉ rõ các yêu cầu. Sau đó, việc đánh giá các khả năng khác nhau sẽ diễn ra  là bước tiếp theo. Điều này bao gồm mô hình hóa các bộ phận khác nhau và thậm chí lắp ráp toàn bộ bằng phần mềm CAD để có thể hình dung tốt hơn.

Hiện nay, hầu hết các phần mềm CAD hiện tại bao gồm nhiều module khác ngoài module dựng hình. Nhiều phần mềm cũng đã bao gồm các module  FEA.Thậm chí, nhiều loại  phần mềm CAD còn có thể tính toán Động lực học chất lỏng (CFD).

Do đó, các mô hình đã được dựng hình của quá trình trước có thể được sử dụng để kiểm tra. Nếu cần thiết, chúng ta có thể thiết kế lại các bộ phận dựa trên dữ liệu và kết quả của việc phân tích (FEA).

Ngoài ra, chúng ta cũng có thể xuất các mô hình sang một phần mềm mô chuyên dụng như ansys, abaqus,revit,… .Các phần mềm trên sẽ cho ra kết quả mô phỏng chính xác hơn và có nhiều chức năng hơn. Ví dụ, tối ưu hóa sản phẩm là việc làm cần thiết cho việc sản xuất hàng loạt lớn. Vấn đề dư bền sẽ khiến cho kích thước của sản phẩm lớn hơn điều này sẽ tốn nhiều vật liệu, nếu sản xuất hàng loạt lớn hoặc hàng khối sẽ dẫn đến lãng phí rất lớn.

Các khía cạnh cần xem xét khi áp dụng FEA.

Bây giờ, chúng ta xét đến một số khía cạnh cần xem xét khi áp dụng FEA trong quá trình thiết kế:

Loại phân tích phải được xác định rõ ràng, có thể là tĩnh hoặc động.

Mô hình phải được tối ưu hóa FEA. Đây là lý do tại sao các phần mềm CAD hiên nay rất mạnh, vì tất cả dữ liệu của mô hình CAD luôn có sẵn trên phần mềm.

Do bản chất của FEA là phương pháp số nên sẽ có sai số. Để kiểm tra sai số và kiểm tra dữ liệu đầu vào chúng ta đặt trong phần mềm có chính xác  hay không, một số phép tính phải được thực hiện bằng tay. Đây là cách duy nhất để chúng ta xác nhận lại kết quả của FEA

Phần mềm CAD với khả năng FEA

Ngày nay, có rất nhiều phần mềm CAD và FEA được cung cấp bởi các công ty, hãng khác nhau. Với những tiến bộ công nghệ không ngừng, việc tạo ra các giải pháp cụ thể hơn với các tính năng khác nhau trở nên dễ dàng hơn. Câu hỏi lớn nhất còn lại là – cái nào phù hợp với bạn?

Kết hợp các khả năng FEA vào danh sách các tính năng là một trong những lợi thế lớn của phần mềm CAD. Ở đây chúng tôi cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về các phần mềm  mạnh mẽ nhất với các công cụ phân tích phần tử hữu hạn được tích hợp sẵn, làm nổi bật những lợi ích và hạn chế có thể có của từng loại giúp bạn dễ dàng hơn trong việc chọn phương án tốt nhất.

Autodesk Inventor

Autodesk lần đầu tiên đạt được sự chú ý trên toàn thế giới bằng loạt dự thảo AutoCAD 2D. Giờ đây, Autodesk đã phát triển, trở thành một trong những nhà cung cấp phần mềm CAD và phân tích phần tử hữu hạn hàng đầu.

Inventor là phần mềm thiết kế cơ khí và CAD 3D của Autodesk. Nó bao gồm các tính năng CAD cổ điển như mô hình tham số, mô hình hóa lắp ráp và tạo bản vẽ. Nhưng nó cũng có nhiều công cụ mới mạnh mẽ hơn như tự động hóa thiết kế, thiết kế khung tự động,…

Phần mềm này cũng cho phép chúng ta thiết kế kim loại tấm trong một môi trường riêng biệt so với thiết kế các chi tiết thông thường.  Đồng thời, nó cũng cung cấp sự linh hoạt tuyệt vời cho hình ảnh cũng như góc nhìn của các video mô phỏng chuyển động.

Về khả năng phân tích phần tử hữu hạn, chúng ta có thể dễ dàng chạy phân tích ứng suất tĩnh và phân tích động lực học trên các mô hình của mình. Phần mềm cung cấp hộp thoại cài đặt, bảng tham số và hướng dẫn mô phỏng để hỗ trợ bạn trong quá trình mô phỏng.

Ngoài ra, Autodesk cũng cung cấp Inventor Nastran, phần mềm mà được họ định nghĩa là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng. Phần mềm này sẽ hoạt động như một phần mở rộng cho các khả năng FEA do Inventor cung cấp. Nó bao gồm nhiều loại phân tích, kiểu xuất dữ liệu và vật liệu khác nhau để chúng ta phân tích. Ví dụ, khả năng chạy các nghiên cứu ứng suất, động lực học và truyền nhiệt tuyến tính và phi tuyến.

Ưu điểm

Phần mềm mạnh mẽ từ một công ty nổi tiếng.

CAD được tích hợp sẵn, do đó chúng ta không cần thiết xuất và nhập file mô hình.

Hỗ trợ khách hàng bằng nhiều ngôn ngữ.

Có các hướng dẫn cụ thể, đầy đủ trong và ngoài trang web của công ty, bao gồm video hướng dẫn, bài báo và diễn đàn.

Các lắp ráp và mối hàn cũng có thể được kiểm tra mà không cần các thiết lập phức tạp.

Nhược điểm

Chỉ có thể phân tích đối với ứng suất tuyến tính và động lực học tuyến tính. Các loại khác như phi tuyến tính, rung động,… phải sử dụng Inventor Nastran.

Inventor Nastran không thể mua được dưới dạng một chương trình riêng mà chỉ có thể mua dưới dạng gói phần mềm. Gói phần mềm có thể bao gồm những phần mềm bạn không thực sự cần và nó có thể đắt tiền.

Chỉ dành cho Windows.

Dassault Systèmes SolidWorks

Một trong những đối thủ chính của Autodesk Invetor, SolidWorks là một phần mềm CAD 3D được tạo ra tại Pháp. Với khả năng tuyệt vời từ thiết kế cho đến sản xuất.

Trong số các tính năng chính của SolidWorks, nổi bật nhất là khả năng làm việc trong các bản vẽ lắp ghép 3D lớn và phức tạp. Phần mềm có thể làm việc trên một mô hình đơn giản và dễ dàng đưa vào trong  trong một hệ thống lớn, phức tạp.

SolidWorks là một gói CAD đầy đủ với các mô-đun khác nhau bao gồm một trong những phần mềm CAD-CAM tốt nhất. Các mô-đun này bao gồm:

  • 3D CAD
  • SolidWorks CAM
  • Composer
  • Electrical 3D
  • Electrical Schematics
  • Inspection
  • Simulation, v.v

FEA được áp dụng thông qua mô-đun SolidWorks Simulation. Mô-đun có ba cấp độ: Tiêu chuẩn (Standard), Chuyên nghiệp (Proffessional) và Cao cấp (Premium). Mô-đun Cao cấp (Premium) là bản có mô-đun FEA mạnh nhất. Các chức năng của mô-đun.

Nghiên cứu tĩnh

Nghiên cứu bền mỏi

• Phân tích chuyển động

•         Phân tích nhiệt

• Nghiên cứu dao động

• Nghiên cứu về giới hạn

• Nghiên cứu áp suất

• Nghiên cứu cấu trúc liên kết

• Nghiên cứu động lực học tuyến tính

• Phân tích phi tuyến tínhNgoài ra, chúng ta cũng có thể yêu cầu các chức năng bổ sung cho SolidWorks Simulation. Chúng có thể bao gồm mô phỏng dòng chảy và vật liệu nhựa hoặc các giải pháp cụ thể hơn. Ví dụ: các mô-đun tản nhiệt trong điện tử (Electronics Cooling) và tính toán độ bền vững (Sustainability) cung cấp cho chúng ta các tùy chọn để kiểm tra thiết kế. Tất cả các gói và mô-đun này đều được đưa vào trong phần mềm CAD 3D.

Hơn nữa, để cung cấp khả năng FEA cao hơn cho người dùng của họ, Dassault Systèmes SolidWorks cung cấp ABAQUS thông qua Trình thiết kế mô phỏng cấu trúc Simulia (Simulia Structural Simulation Designer) của họ. Đây là một phần mềm FEA chuyên dụng có khả năng tương thích tuyệt vời với giao diện CAD.

Ưu điểm

Phần mềm mạnh mẽ từ một công ty nổi tiếng và đã được kiểm chứng.

Mô-đun CAD được tích hợp, không cần thiết xuất và nhập tệp để chạy các nghiên cứu.

Nhiều loại mô phỏng trong cùng một gói.

Có thể mô phỏng CFD.

Các phần bổ sung được cung cấp dưới dạng các mô-đun độc lập, tiết kiệm chi phí, chỉ cần phải trả cho những chức năng cần thiết.

Có hỗ trợ bằng nhiều ngôn ngữ.

Có các hướng dẫn cụ thể, đầy đủ trong và ngoài trang web của công ty, bao gồm video hướng dẫn, bài báo và diễn đàn.

Nhược điểm

Tùy thuộc vào phiên bản và số lượng mô-đun sử dụng, yêu cầu hệ thống có thể rất cao.

Chỉ dành cho Windows.

Siemens Solid Edge

Solid Edge là một danh mục đầy đủ các công cụ phát triển sản phẩm do Siemens cung cấp. Công ty nổi tiếng của Đức cung cấp các công cụ để thiết kế cơ khí và điện, mô phỏng, sản xuất, quản lý dữ liệu và hơn thế nữa.

Trong bản mới nhất của Solid Edge, chúng ta có thể tìm thấy rất nhiều tính năng mới. Chúng bao gồm các công nghệ tiên tiến như tương tác thực tế (AR) và khả năng số hóa hoàn toàn quy trình từ thiết kế đến sản xuất.

Một tính năng nổi bật khác có trong Solid Edge là tối ưu hóa cho cả sản xuất bù đắp và sản xuất giảm trừ. Một số các quy trình sản xuất có thể xác định và thực hiện, bao gồm:

Cơ khí CNC

Cắt (Cutting)

Uốn (Bending)

Khuôn đúc (Moulding)

Hàn (Welding)

Lắp ráp (Assembling)

Sản xuất bù đắp (Additive manufacturing)

Cũng như SolidWorks, Solid Edge cung cấp các công cụ mô phỏng ở 3 cấp độ khác nhau: Solid Edge Premium, Solid Edge Simulation và Solid Edge Simulation Advanced. Mô phỏng Solid Edge cho phép người dùng kiểm tra kỹ thuật số và tối ưu hóa các bộ phận, lắp ráp và hệ thống hoàn chỉnh. Bạn có thể thực hiện sớm trong quá trình thiết kế để giảm khối lượng sản phẩm, tiết kiệm thời gian và chi phí.

Các chức năng của FEA trong Solid Edge bao gồm mô phỏng các bộ phận riêng lẻ, phân tích lắp ráp và tính toán động lực học chất lỏng (CFD). Với phần mềm CAD và Phân tích phần tử hữu hạn này, chúng ta có thể thực hiện:

Phân tích và mô phỏng ứng suất

Mô phỏng rung động

Mô phỏng chuyển động đầy đủ

Mô phỏng vênh

Mô phỏng nhiệt

Tất cả các tùy chọn đều dựa trên mô hình phần tử hữu hạn Femap và NX Nastran.

Ưu điểm

Phần mềm mạnh mẽ từ một công ty nổi tiếng.

Phần mềm CAD tích hợp, không cần xuất và nhập tệp để chạy các nghiên cứu.

Nhiều chức năng trong cùng một gói phần mềm.

Có thể kiểm tra CFD.

Khả năng có thể mở rộng trong hệ thống 3 cấp để bạn quyết định khi nào chi phí cao hơn thực sự hợp lý.

Có hỗ trợ bằng nhiều ngôn ngữ

Có các hướng dẫn cụ thể, đầy đủ trong và ngoài trang web của công ty, bao gồm video hướng dẫn, bài báo và diễn đàn,v.v

Bản quyền có thể được mua theo hàng năm hoặc hàng tháng. Nó cho phép người dùng linh hoạt trong việc quyết định cách thanh toán.

Nhược điểm

Tùy thuộc vào phiên bản bạn sử dụng, yêu cầu hệ thống có thể rất cao so với các phần mềm CAD và FEA khác.

Các phiên bản mới nhất chỉ giới hạn cho Windows 10 Enterprise hoặc Professional.

PTC Creo

Creo là một công ty nổi tiếng khác trong cộng đồng thiết kế và kỹ thuật. Phần mềm 3D CAD và Phân tích phần tử hữu hạn của họ là một đối thủ khó khăn cho các hãng phần mềm nổi tiếng khác.

Creo cung cấp các gói và công cụ phát triển sản phẩm CAD 3D. Những công cụ đó có tính năng mô hình hóa, thiết kế, mô phỏng và phân tích, tương tác thực tế.

Ngoài các khả năng thiết kế 3D mà bạn có thể tìm thấy trong bất kỳ phần mềm nào, Creo còn cung cấp các khả năng thiết kế dựa trên cơ sở dữ liệu. Bạn có thể tận dụng dữ liệu được sử dụng trong thế giới thực thông qua tính năng Thiết kế được kết nối thông minh của phần mềm (Smart Connected Design feature.).

Khả năng FEA trong Creo đã được nâng cấp trong những năm qua. Trong phiên bản mới nhất, họ đã thêm CFD với Tiện ích mở rộng phân tích luồng Creo (Creo Flow Analysis Extension). Một thành phần khác là công cụ Creo Simulation Live cung cấp phản hồi tức thì trong môi trường mô hình hóa.

Creo Simulation Live là tính năng đáng chú ý nhất, vì nó đưa các phân tích cấu trúc, nhiệt và phương thức đến các nhà thiết kế ngay lập tức. Có thể thực hiện mô phỏng mà không cần chia lưới hoặc đơn giản hóa mô hình.

Công nghệ này được tạo ra với sự hợp tác của một trong những tên tuổi uy tín nhất trong ngành phần mềm kỹ thuật, ANSYS. Do đó, Creo chắc chắn đã nâng cao uy tín và độ tin cậy của họ trên thị trường.

Với Creo 6.0, có thể chạy:

Phân tích cấu trúc

Kiểm tra nhiệt

Phân tích chuyển động

Mô phỏng bền mỏi

Phân tích điền đầy khuôn

Tất cả những khả năng này làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt như một CAD 3D hoàn chỉnh và phần mềm Phân tích phần tử hữu hạn.

Ưu điểm

Phần mềm mạnh mẽ từ một công ty nổi tiếng.

Phần mềm CAD tích hợp, không cần xuất và nhập tệp để chạy các nghiên cứu.

Nhiều chức năng trong cùng một gói phần mềm.

Có thể mô phỏng CFD và kiểm tra điền đầy khuôn.

Khả năng có thể mở rộng trong hệ thống đăng ký 5 cấp độ để bạn quyết định khi nào chi phí cao hơn thực sự chính đáng.

Có hỗ trợ bằng nhiều ngôn ngữ.

Có các hướng dẫn cụ thể, đầy đủ trong và ngoài trang web của công ty, bao gồm video hướng dẫn, bài báo và diễn đàn,v.v

Nhược điểm

Mô phỏng được giới hạn ở các lớp Design Premium và Design Premium Plus.

Chỉ dành cho Windows.         

Tóm lại:

Điều quan trọng cần đề cập là chúng ta hoàn toàn có thể tìm thấy phần mềm Phân tích phần tử hữu hạn rất mạnh mẽ và cụ thể là ANSYS. Chúng cung cấp khả năng thực hiện các nghiên cứu về lĩnh vực kỹ thuật phức tạp và cụ thể hơn. Tuy nhiên, loại phần mềm này không có công dụng như một chương trình CAD riêng biệt. Vì vậy chúng cần được sử dụng song song với một số chương trình mà chúng tôi đã đề cập trước đây.

Nếu bạn là sinh viên, giáo viên hoặc chủ doanh nghiệp nhỏ, bạn thường có thể được hưởng lợi từ các ưu đãi đặc biệt. Một số chương trình thậm chí còn miễn phí cho mục đích học tập, vì vậy hãy tận dụng cơ hội này để chọn cho mình một chương trình phù hợp.