Tại sao chia lưới quan trọng đối với các mô phỏng chất lưu CFD và kết cấu FEA

CHIA LƯỚI LÀ GÌ ?

Chia lưới là quá trình mà trong đó không gian hình học liên tục của một đối tượng được chia nhỏ thành hàng nghìn hoặc nhiều hình dạng để xác định đúng hình dạng vật lý của đối tượng.

Lưới càng chi tiết, mô hình 3D CAD sẽ càng chính xác, cho phép mô phỏng độ trung thực cao.

Chia lưới, còn được gọi là tạo lưới, là quá trình tạo ra một lưới hai chiều và ba chiều; nó chia các hình học phức tạp thành các phần tử có thể được sử dụng để rời rạc hóa một miền.

Vì việc chia lưới thường tiêu tốn một phần đáng kể thời gian để thu được kết quả mô phỏng, các công cụ chia lưới tự động nâng cao có thể cung cấp các giải pháp nhanh hơn và chính xác hơn.

TẠI SAO CHIA LƯỚI LẠI QUAN TRỌNG?

Tạo lưới phù hợp nhất là nền tảng của mô phỏng kỹ thuật. Lưới ảnh hưởng đến độ chính xác, độ hội tụ và tốc độ của mô phỏng.

Máy tính không thể giải quyết các mô phỏng trên hình dạng hình học thực tế của mô hình CAD vì không thể áp dụng các phương trình chủ đạo cho một hình dạng tùy ý. Các phần tử lưới cho phép giải các phương trình chủ đạo trên các thể tích có hình dạng và được xác định về mặt toán học.

Thông thường, các phương trình được giải trên các lưới này là các phương trình vi phân từng phần. Do tính chất lặp của những tính toán này, việc thu được kết quả cho các phương trình này thực tế là không thể làm bằng tay và do đó các phương pháp tính toán như tính toán động lực học chất lưu ( 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.

) được sử dụng.

CÓ NHỮNG KIỂU TẠO LƯỚI KHÁC NHAU NÀO?

Công cụ chia lưới ANSYS MESHING

Tạo lưới thích hợp nhất là nền tảng của mô phỏng kỹ thuật. Ansys Meshing thích ứng phù hợp với loại giải pháp sẽ được sử dụng trong dự án và đặt ra các tiêu chí tương ứng để tạo ra lưới phù hợp nhất.

Để phân tích nhanh hoặc cho người dùng mới, một lưới sử dụng được có thể được tạo trong một vài bước ngắn gọn. Khi có thể, Ansys Meshing sẽ tự động tận dụng các nhân máy tính khả dụng để thực hiện xử lý song song và giảm đáng kể thời gian tạo lưới.

NHỮNG LƯU Ý KHI CHIA LƯỚI MÔ HÌNH KẾT CẤU

Chia lưới các mô hình kết cấu trong Ansys Mechanical là tất cả về việc cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán.

Thông thường, khi lưới mịn hơn với các phần tử nhỏ hơn tạo ra kết quả chính xác hơn, nhưng các lưới nhỏ hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để giải.

Tuy nhiên, có một điểm mà lưới được tinh chỉnh đủ để nắm bắt chính xác các kết quả, do đó làm cho chi phí tính toán bổ sung là không cần thiết.

Mức độ tinh chỉnh này thường phụ thuộc vào bài toán và cần cả kinh nghiệm và kỹ thuật đánh giá để xác định.

Tuy nhiên, những lưu ý được liệt kê dưới đây sẽ giúp bạn tạo một lưới chính xác và hiệu quả trong phân tích kết cấu của riêng bạn.

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP TỐT NHẤT KHI TẠO LƯỚI FEA

Finite Element Analysis (FEA) - là mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học thuộc về số được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite  Element Method). Quá trình này là cốt lõi của kỹ thuật cơ khí, cũng như nhiều ngành khác.

1. Mật độ lưới

Nói chung, trong Phân tích phần tử hữu hạn ( FEA

Finite Element Analysis (FEA) - là mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học thuộc về số được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite  Element Method). Quá trình này là cốt lõi của kỹ thuật cơ khí, cũng như nhiều ngành khác.

), lưới mịn hơn tạo ra kết quả chính xác hơn. Các phần tử nhỏ hơn trong một lưới mịn hơn có thể nắm bắt chính xác hơn các gradient ứng suất trên phần tử.

Tuy nhiên, việc thêm nhiều phần tử hơn vào Mô hình phần tử hữu hạn sẽ làm tăng thêm chi phí tính toán theo hai cách:

1) Nhiều phần tử hơn có nghĩa là cần phải giải nhiều phương trình hơn ở mỗi bước thời gian, làm tăng cả thời gian giải và yêu cầu về bộ nhớ.

2) Các tệp kết quả từ các phân tích này chiếm nhiều dung lượng đĩa hơn để lưu trữ.

Để tránh chi phí không cần thiết này, người dùng có thể hạn chế các khu vực có mật độ lưới cao ở các khu vực quan tâm trong phân tích của họ.

Điều này thường được giới hạn trong các khu vực trong đường dẫn tải của mô hình, nơi có mức ứng suất đáng kể.

Các đặc điểm hình học khác, chẳng hạn như bán kính cong, có sự tập trung ứng suất lớn cũng yêu cầu một lưới dày để có thể dự đoán chính xác ứng suất.

Các khu vực cách xa đường dẫn tải hoặc tập trung ứng suất có thể được chia lưới với các phần tử lớn hơn. Nói chung, các khu vực này có mức ứng suất không đáng kể và có thể được mô hình hóa chính xác với các phần tử lớn.

Ansys Mechanical cung cấp một loạt các công cụ để giúp bạn kiểm soát mật độ lưới của mình.

Có các kiểm soát lưới tổng thể để kiểm soát kích thước lưới trong toàn bộ mô hình cũng như kiểm soát kích thước cục bộ cho phép tinh chỉnh trong các khu vực quan tâm.

2. Sự hội tụ và ứng suất kỳ dị

Để xác định mức độ mật độ lưới cung cấp kết quả chính xác, trước tiên chúng ta phải hiểu sự hội tụ. Khi một kết quả đã hội tụ, làm tinh thêm lưới trong khu vực đó sẽ không còn tạo ra sự thay đổi có ý nghĩa trong kết quả đó nữa.

Với kinh nghiệm, các kỹ sư có thể xác định khi nào họ có một lưới đủ dày để đạt được sự hội tụ.

Ansys Mechanical cũng bao gồm một công cụ tích hợp hỗ trợ xác định sự hội tụ.

Đầu tiên Ansys Mechanical sẽ giải mô hình bằng lưới do người dùng tạo ra.

Sau đó, lưới sẽ được tinh chỉnh ở những vị trí có ứng suất cao. Ansys Mechanical lặp lại quá trình này cho đến khi sự thay đổi kết quả giữa mỗi lời giải đạt đến giá trị đủ thấp hoặc đạt được một số lượng lời giải cụ thể.

Các hình ảnh dưới đây cho thấy công cụ này đang hoạt động. Một hình ảnh tóm tắt mỗi lời giải; nó cho thấy số lượng nút và phần tử trong lưới cho mỗi lời giải cũng như sự thay đổi ứng suất trong mỗi lời giải.

Trong ví dụ này, bạn có thể thấy sự thay đổi về ứng suất ngày càng nhỏ hơn với mỗi lần tinh chỉnh lưới, hội tụ vào một kết quả.

Điều quan trọng cần lưu ý là một kết quả có thể không nhất thiết là đã đạt được sự hội tụ.

Trong trường hợp ứng suất, chúng tôi gọi đây là điểm kỳ dị ứng suất. Những điểm kỳ dị này là “điểm nóng” nhân tạo của các ứng suất thường là do các giả định hoặc đơn giản hóa mô hình hóa.

Các điểm kỳ dị về ứng suất có thể do các đặc điểm hình học như góc hoặc cạnh sắc gây ra.

Ứng suất có thể hiểu là lượng lực truyền qua một diện tích cụ thể. Trong các đặc điểm hình học này, khi kích thước phần tử giảm, “diện tích” tiến gần đến 0, làm cho ứng suất phân kỳ đến một giá trị vô hạn.

Một nguồn phổ biến khác của các điểm kỳ dị ứng suất xảy ra tại các vùng không có sự liên tục về độ cứng trong mô hình. Những vùng này có thể bao gồm những thứ như biên nơi hai vật thể tiếp xúc hoặc biên của ngàm hay gối đỡ (support).

Điều quan trọng là người dùng có thể xác định được khu vực nào của ứng suất là điểm kỳ dị ứng suất nhân tạo và khu vực nào là thực và cần có lưới đủ để có thể thu được kết quả chính xác.

Trong ví dụ dưới đây, công cụ hội tụ được sử dụng ở một vị trí có điểm kỳ dị ứng suất. Trong trường hợp này, việc tinh chỉnh lưới không dẫn đến sự thay đổi nhỏ hơn về ứng suất ở mỗi lời giải; nó làm tăng sự thay đổi.

Nếu chúng tôi tiếp tục tinh chỉnh lưới ở vị trí này, ứng suất sẽ không bao giờ hội tụ vào một giá trị. Thay vào đó, nó sẽ phân kỳ, tiến tới một giá trị vô hạn.

3. Hình dạng và chất lượng phần tử

Có hai hình dạng phần tử chính được sử dụng trong phân tích kết cấu trong Ansys Mechanical, phần tử lục diện (hex) hoặc tứ diện (tet).

Các hình dạng phần tử khác như các phần tử hình chóp hoặc hình nêm cũng tồn tại, chủ yếu là các phần tử chuyển tiếp giữa các phần tử tet và hex.

Hình dạng phần tử lý tưởng cho một phân tích thường được xác định bởi hình dạng được biểu diễn trong phân tích.

Nói chung, việc sử dụng các phần tử tet dễ hơn các phần tử hex trên các hình học có độ phức tạp cao. Để có thể sử dụng lưới lục giác trên hình học phức tạp, hình học phải được chia thành các phần nhỏ và dễ chia lưới hơn.

Điều này có thể làm tăng đáng kể lượng thời gian dành cho một phân tích. Tuy nhiên, cũng có một sự đánh đổi về hiệu quả đối với phần tử tet.

Cần sử dụng nhiều phần tử tet hơn để biểu diễn cùng một hình học hơn phần tử hex. Người dùng sẽ quyết định tốt nhất hình dạng phần tử nào sẽ phù hợp nhất để phân tích.

Chất lượng hình dạng của các phần tử được sử dụng trong phân tích kết cấu cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Các phần tử có hình dạng méo mó hoặc lệch có thể tạo ra kết quả không chính xác.

Ansys Mechanical bao gồm nhiều tiêu chí chất lượng lưới khác nhau cho phép người dùng kiểm tra hình dạng của phần tử.

Các tiêu chí chất lượng này bao gồm chất lượng phần tử, tỷ số hình dạng, tỷ lệ Jacobian và hơn thế nữa.

Người dùng có thể vẽ từng tiêu chí chất lượng lưới này trên lưới của họ để có thể xác định các phần tử có chất lượng kém.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐT NHẤT ĐỂ MÔ PHỎNG MÔ HÌNH CHẤT LƯU

1. SỬ DỤNG BAO PHỦ HÌNH HỌC ĐỂ TẠO CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯU KÍN NƯỚC

Hình học mà các kỹ sư thiết kế gửi cho các kỹ sư phân tích hiếm khi đủ sạch để nhập vào chương trình mô hình hóa chất lưu. Theo truyền thống, việc sửa những khoảng trống và rò rỉ trong hình học này có thể mất hàng giờ, thậm chí vài ngày.

Do đó, bạn (với tư cách là kỹ sư phân tích) nên sử dụng phần mềm 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.

có thể phủ một lưới bề mặt xung quanh hình học không liên tục.

Khả năng chia lưới tự động này sẽ nhanh chóng lấp đầy tất cả các khe hở, dành nhiều thời gian hơn cho việc mô phỏng và phân tích kết quả.

2. KẾT HỢP CHỒNG CHẤT HÌNH HỌC ĐỂ TẠO NHANH CHÓNG BIÊN DÒNG CHẢY

Để thực hiện phân tích chất lưu, cần tạo ra một vùng thể tích chất lưu. Bạn có thể tạo một thể tích chất lưu bằng cách tạo một hình hộp xung quanh hình học kín nước và kết hợp tất cả các mặt chồng lên nhau giữa các chất rắn thành một mặt.

Điều này xử lý các vùng giao nhau giữa hình hộp và học học gốc. Sau đó, vùng thể tích có thể được trích xuất và nhập vào một mô hình chất lỏng.

Bạn có thể sử dụng chức năng “share topology” để tạo hình học dòng chảy bằng Ansys SpaceClaim. Với thao tác "lưới bề mặt" của Fluent, bạn có thể trích xuất thể tích dòng chảy từ khoảng trống giữa các biên trong hình học.

3. KẾT NỐI CÁC LƯỚI VỚI NHAU ĐỂ TRÁNH CÁC KHE HỞ

Bạn có thể giảm thời gian tính toán bằng cách tạo các mô hình chất lỏng với lưới thô cho các khu vực rộng lớn và các lưới mịn hơn cho các hình học chi tiết hơn.

Sau đó, thách thức chính là liên kết các lưới khác nhau này thành một lưới liên tục hoặc hy sinh độ chính xác bằng cách tạo ra các bề mặt lưới chung không phù hợp (không khớp).

Việc liên kết lưới một cách phù hợp là một công việc tẻ nhạt. Nó thường yêu cầu làm sạch hình học và chỉnh sửa lưới một cách thủ công để mọi thứ khớp với nhau một cách tinh vi.

Làm cách nào để bạn tận dụng các phương pháp chia lưới khác nhau và các loại phần tử trong một lưới duy nhất?

Khái niệm chia nhỏ một hình học thành nhiều phần được chia lưới để tận dụng các điểm mạnh của các phương pháp chia lưới khác nhau đã tồn tại từ lâu.

Quá trình kết nối các lưới khác nhau (cho dù có khớp hay không) có các mức độ tự động hóa khác nhau có sẵn cho người dùng. Các phương pháp tiếp cận trước đây, ngay cả khi được tự động hóa, thường bị giới hạn bởi sự thay đổi loại phần tử ở cấp độ tổng thể. Điều này dẫn đến kết nối phù hợp và không phù hợp giữa các vùng lớn được chia lưới riêng biệt.

Các bản cập nhật gần đây cho Fluent Meshing đưa khái niệm "Lưới đúng cho đúng công việc" lên cấp độ tiếp theo bằng cách giới thiệu Mosaic Meshing.

Công nghệ chia lưới được hỗ trợ bởi Ansys Fluent’s Mosaic có thể tự động tạo các loại lưới và phần tử khác nhau ở các khu vực cục bộ hoặc tổng thể khác nhau và liên kết các lưới này một cách phù hợp.

Cách tiếp cận này hiện dẫn đến một lưới poly-hexcore tận dụng các loại phần tử cần thiết:

• Hexcore (Phần tử lục diện với phương pháp tinh chỉnh lưới Cut-cell)
• Phần tử đa diện
• Lớp biên tường (Các phần tử lăng trụ và đa diện lớp biên )

Nó tự động kết hợp giữa các loại phần tử này để cung cấp cho bạn một lưới được tối ưu hóa cho độ chính xác và tốc độ chia lưới. Lưới tạo thành sẽ có một lớp biên gần tường và một lõi hình lục diện trong dòng chất lưu .

Hai vùng (gần tường và dòng chất lưu) sau đó sẽ được kết nối với một lớp lưới đa diện. Cách tiếp cận mới này có nghĩa là người dùng có thể nhanh chóng có được một lưới chất lượng cao, mạnh mẽ, được tối ưu hóa cho các giải pháp chính xác và ổn định.