Đăng ký thành viên

Bước vào kỷ nguyên mới của mô hình hóa và mô phỏng

Các công ty sử dụng mô phỏng có thể thu được nhiều lợi ích, nhưng các kỹ năng phần mềm lại là một yếu tố hạn chế. Các ứng dụng mở ra nhiều cơ hội hơn.

Một mô hình chỉ hữu ích khi nó thực tế (Ảnh st)

Quy trình thiết kế kỹ thuật đã sử dụng mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính trong trong nhiều thập kỷ. Đến thời điểm này, bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển (R&D) nhiều khả năng đều đã có thể trực tiếp sử dụng phần mềm mô phỏng hoặc gián tiếp sử dụng các kết quả tạo ra từ mô hình của người khác. Nhưng trong kinh doanh và trong cuộc sống, "những kế hoạch mà con người chuẩn bị kỹ lưỡng nhất vẫn có thể sai sót." Một mô hình chỉ hữu ích khi nó thực tế, và đôi khi tham số kỹ thuật thay đổi với nhịp độ khó theo kịp hoặc chưa được biết đầy đủ cho đến sau này trong quá trình phát triển.

Mô hình hóa và mô phỏng thì tuyệt vời, nhưng...

Một trong những điều yêu thích nhất khi làm việc tại một công ty phần mềm đa vật lý là có thể tận mắt chứng kiến tất cả những phương cách sử dụng mô phỏng thông minh và sáng tạo của khách hàng để đưa thế giới tiến về phía trước. Đã có kỹ sư về loa phóng thanh nói về việc biến một ý tưởng trong đầu của họ thành một sản phẩm khả thi, vừa đạt yêu cầu kỹ thuật vừa trông đẹp mắt, và họ đã ghi nhận công lao của mô phỏng trong việc thúc đẩy quá trình lặp lại thiết kế của họ. Một lần khác, một khách hàng đã sử dụng phần mềm để tự động hóa quy trình thiết kế bến bốc dỡ các tuabin gió ngoài khơi bằng cách tạo ra thư viện linh kiện của riêng họ, kết hợp kinh nghiệm học được với phân tích cấu trúc. Một người khác đã trình diễn cách họ thực hiện các thí nghiệm để tạo ra dữ liệu vật liệu, mà sau đó sử dụng chúng trong các mô hình máy tính thực tế của mình.

Có vô số ví dụ về cách mô hình hóa và mô phỏng tăng tốc đổi mới và giảm chi phí tổng. Tuy nhiên, việc sử dụng mô phỏng theo cách mà 30 năm qua đã thực hiện đòi hỏi chuyên môn và đào tạo cụ thể về cách sử dụng phần mềm được lựa chọn. Vì vậy, mặc dù các công ty sử dụng mô phỏng có rất nhiều lợi ích, nhưng tổng lợi ích vẫn bị giới hạn bởi số lượng nhân viên đã học được các kỹ năng cần thiết để xây dựng các mô hình tính toán. Nhưng điều đó không nhất thiết phải xảy ra.

Đưa mô phỏng lên tầm cao mới thông qua các ứng dụng tùy chỉnh

Lấy ví dụ một công ty phát triển thiết bị biến áp điện. Việc cấp điện cho lưới điện bao gồm đưa điện qua các khoảng cách lớn, đòi hỏi những điện áp cao nguy hiểm. Để bảo vệ người dân trong cộng đồng, các công ty đặt các máy biến áp gần khu dân cư và các tòa nhà để giảm điện áp khi đến nơi. Các máy biến áp vốn gây ồn, nhưng có thể thiết kế chúng để gần như im lặng nhất có thể. Giống như hầu hết mọi thứ trên đời này, máy biến áp bao gồm nhiều yếu tố vật lý kết nối với nhau - trong trường hợp này là điện từ, âm học và cơ học kết cấu - điều đó có nghĩa là phần mềm mô phỏng đa vật lý chính là công cụ đắc lực để tối ưu hóa thiết kế của chúng.

Khi các tổ chức xây dựng và phân phối các ứng dụng mô phỏng tùy chỉnh của riêng họ, mọi người trong lực lượng lao động sẽ có thể đưa ra quyết định dựa trên các dự báo có tính đến sự phức tạp của thế giới thực và các định luật vật lý cơ bản.

Các kỹ sư R&D chịu trách nhiệm thiết kế máy biến áp mới cho một nhà chế tạo đều biết cách sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA), nhưng họ lại làm việc chặt chẽ với các nhóm và phòng ban khác không có chuyên môn này. Ví dụ, các nhà thiết kế được giao nhiệm vụ chế tạo các máy biến áp cuối cùng lại không quen thuộc với FEA. Thay vào đó, họ thích sử dụng các bảng tính và các công cụ khác dựa trên thống kê và các mô hình kinh nghiệm, vốn hiệu quả với các máy biến áp mà họ thường chế tạo, chứ không phải cho các thiết kế mới hoặc các kịch bản mới nơi mà đưa vào các kích thước khác nhau. Trong trường hợp đó, nhất thiết phải mô phỏng đa vật lý để có được các tiên đoán chính xác về độ ồn của máy biến áp cuối cùng. Ngoài ra, nếu thiết kế cuối cùng quá ồn, công ty sẽ phải thực hiện các sửa đổi tốn kém sau thực tế đó. Họ cần một cái gì đó tốt hơn.

Họ đã làm gì? Họ đã xây dựng các ứng dụng mô phỏng tùy chỉnh của riêng mình dựa trên các mô hình phần tử hữu hạn. Bằng cách đó, nhóm thiết kế của họ có thể nhập các tham số vào các trường đầu vào trong một giao diện người dùng đơn giản – do các kỹ sư nội bộ xây dựng, đã tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu của công ty. Vì các ứng dụng này có các mô hình đa vật lý cơ bản của riêng họ hỗ trợ, các nhà thiết kế khi đó có thể phân tích nhanh chóng và chính xác tiếng ồn mà máy biến áp sẽ phát ra. Đó là những sự kết hợp của các tham số hình học, vật liệu và các tham số thiết kế khác.

Một ví dụ về ứng dụng tùy chỉnh để phát triển các tủ đóng cắt cao áp, trong đó người dùng nhập điện áp và các kết quả hiển thị điện thế và phân bố trường điện dựa trên một mô hình tính toán cơ bản (Ảnh st)

Bây giờ, trong trường hợp này, các ứng dụng do các nhóm R&D xây dựng và dành cho các nhóm R&D để cải thiện công việc của chính họ. Mặc dù điều này mang lại lợi ích cho công ty và nhóm, nhưng nó vẫn "chỉ" là một ví dụ khác về việc sử dụng mô hình hóa và mô phỏng cho R&D. Các ứng dụng có tiềm năng vượt xa các nhóm người dùng phần mềm mô phỏng truyền thống và chúng ta đã bắt đầu thấy những ví dụ thực tế về điều đó.

Ra quyết định tại hiện trường, nhà máy và phòng thí nghiệm

Ngay cả khi các nhà chế tạo thiết bị đã tối ưu hóa thiết kế phù hợp, vẫn cần theo dõi và bảo trì lưới điện để ngăn ngừa và giải quyết các sự cố mất điện cũng như các vấn đề khác. Ví dụ, khi nói đến cáp điện, các kỹ thuật viên hiện trường thường xuyên kiểm tra tình trạng hoạt động bằng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng. Trong trường hợp cáp bị hỏng, các kỹ thuật viên có nhiệm vụ xử lý sự cố và xác định nguyên nhân gây ra sự cố. Có rất nhiều yếu tố tại nơi làm việc: môi trường đặt cáp, cấu trúc và vật liệu cáp, tạp chất trong cáp, các biến động điện áp và điều kiện vận hành. Cấu trúc của cáp đặc biệt phức tạp, bao gồm nhiều lớp và một lõi dây bện từ các sợi cách điện với nhau. Để hiểu rõ hơn về sự cố cáp, bạn cần phải phân tích bên trong cáp bằng phần mềm mô phỏng.

Tuy nhiên, việc cử một kỹ sư mô phỏng đi cùng các kỹ thuật viên là không thực tế và cũng không khả thi khi hướng dẫn họ cách sử dụng phần mềm mô phỏng. Tuy nhiên, có thể nhờ một kỹ sư mô phỏng xây dựng một ứng dụng tùy chỉnh để nhân viên xử lý sự cố ngoài hiện trường. Các ứng dụng mô phỏng sẽ cho phép họ đánh giá sự cố cáp dựa trên cả đặc điểm vật lý và các điều kiện tại chỗ, và cuối cùng giải quyết vấn đề theo thời gian thực.

Các ứng dụng mô phỏng tùy chỉnh sẽ cho phép các kỹ sư hiện trường đánh giá các sự cố dựa trên các yếu tố vật lý và điều kiện tại chỗ và cuối cùng giải quyết vấn đề này theo thời gian thực.

Tiếp theo, hãy xem xét một công ty tập trung vào chế tạo. Môi trường trong nhà có thể kiểm soát chặt chẽ, nhưng vẫn còn nhiều yếu tố không chắc chắn có thể ảnh hưởng đến kết quả chế tạo. Nếu bạn có thể tiên đoán trước, doanh nghiệp sẽ hoạt động tốt hơn. Hãy lấy một nhà máy chế tạo phụ gia chế tạo các bộ phận thông qua phương pháp nung chảy bột kim loại làm ví dụ. Trở lại văn phòng, các kỹ sư mô phỏng có thể tối ưu hóa các thiết kế trước khi chế tạo, nhưng kết quả cuối cùng vẫn có thể không khớp với mô hình nếu điều kiện cơ sở không lý tưởng tại thời điểm chế tạo. Nhiệt và độ ẩm bên trong cơ sở có thể khiến bột kim loại bị oxy hóa và hấp thụ hơi ẩm trong quá trình lưu kho, và điều này sẽ làm thay đổi cách dòng bột di chuyển, nóng chảy, tích điện và hóa rắn. Hơn nữa, bột dễ cháy và độc hại, thậm chí còn độc hại hơn khi đã khô. Nói cách khác, việc đo lường và quản lý độ ẩm trong nhà máy ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như sự an toàn của người lao động.

Một công ty như vậy đã mô hình hóa nhà máy của riêng họ và xây dựng các ứng dụng mô phỏng xung quanh nhà máy để theo dõi và tiên đoán điều kiện nhà máy dựa trên các biến số như khí hậu bên ngoài, số lượng các máy móc đang hoạt động và cách bố trí các máy móc. Nhân viên của họ sau đó có thể sử dụng các ứng dụng ngay tại chỗ để hình dung ra cách điều chỉnh hệ thống thông gió và lịch trình chế tạo, nhằm tạo ra các điều kiện mà họ cần để đạt các kết quả chế tạo tốt nhất.

Ứng dụng mô phỏng để tiên đoán các điều kiện của cơ sở chế tạo (Ảnh st)

Bây giờ, nếu bạn đang thực hiện các thí nghiệm trực tiếp trong phòng thí nghiệm hoặc sử dụng các thiết bị thử nghiệm, tất nhiên bạn có thể thấy chính xác kết quả thực tế dựa trên các dữ liệu đầu vào đã lựa chọn cẩn thận và thiết lập có kiểm soát. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp thử nghiệm thực nghiệm với mô phỏng, bạn có thể cải thiện hiểu biết và đưa ra những tiên đoán nhanh hơn bằng cách sử dụng các kết quả từ phòng thí nghiệm. Ví dụ, nếu bạn đang nghiên cứu về bôi trơn nhiệt đàn hồi thủy động lực học của các tiếp điểm bánh răng, bạn có thể biết được thông qua quan sát rằng một lớp phủ cacbon giống kim cương trên bề mặt bánh răng giúp cải thiện hiệu suất của chúng, nhưng điều đó chỉ cho bạn thấy điều gì xảy ra chứ không phải lý do tại sao.

Trong trường hợp này, việc có một ứng dụng mô phỏng trong phòng thí nghiệm sẽ cho phép bạn dễ dàng nhập các thông tin chi tiết về thiết lập thực tế và có được một mô phỏng đa vật lý về cách nhiệt truyền bên trong hệ thống. Một nhóm nghiên cứu đã thực hiện chính xác điều này, từ mô hình, đã hiểu rằng sự cải thiện hiệu suất bắt nguồn từ thực tế là lớp phủ giữ nhiệt trong tiếp điểm tiếp xúc, làm giảm độ nhớt của chất bôi trơn và do đó làm giảm ma sát. Họ sẽ không thể biết được điều này nếu chỉ nhìn bằng mắt thường.

Mô phỏng có thể sử dụng như một công cụ ra quyết định hiệu quả trong văn phòng, hiện trường, nhà máy và phòng thí nghiệm. Khi các tổ chức xây dựng và phân phối các ứng dụng tùy chỉnh của riêng mình, mọi người trong lực lượng lao động sẽ có thể đưa ra quyết định dựa trên các dự báo có tính đến sự phức tạp của thế giới thực và các định luật vật lý cơ bản mà trước hết không cần phải học cách sử dụng phần mềm mô phỏng hoặc chiếm nhiều thời gian của người khác. Thế giới luôn thay đổi và các ứng dụng mô phỏng giúp các công ty và nhóm thuộc mọi loại hình bắt kịp nhịp độ.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo "ieee", tháng 5/2025