Quy mô và độ phức tạp của các thiết kế sản phẩm được phân tích và thử nghiệm với Abaqus – phần mềm mô phỏng kỹ thuật đa vật lý và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) – ngày càng tăng cao. Mô hình con (Submodel) là một kỹ thuật hiệu quả được sử dụng khi cần có kết quả mô phỏng sản phẩm chi tiết được yêu cầu cho một số lượng nhỏ, được xác định vị trí trong một mô hình lớn hơn, cho phép người phân tích giảm đáng kể nhu cầu tính toán và thời gian phân tích.
Chúng ta có thể bắt đầu bằng cách phân tích cấu trúc toàn cục nhằm xác định các khu vực có phản ứng lực tải đạt giới hạn, sau đó tạo một mô hình con cục bộ cho các khu vực này. Mô hình con được tạo có dạng hình học và lưới tinh chỉnh được cải thiện, cung cấp độ chính xác cao hơn so với mô hình toàn cục. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí phân tích trong khi vẫn duy trì đủ chi tiết ở các vùng quan trọng.
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về submodeling, hai kỹ thuật tạo mô hình con có sẵn trong Abaqus và cách triển khai. Ngoài ra, bài viết cũng sẽ nêu bật những hạn chế của việc sử dụng submodeling trong Abaqus và tầm quan trọng của việc xác minh kết quả phân tích.
Lý thuyết về Submodeling
Submodeling trong Abaqus dựa trên nguyên lý Saint-Venant, trong đó biên dạng của mô hình con được đặt đủ xa khỏi vùng quan tâm bên trong submodel để thay thế lực tác dụng bằng các lực cục bộ tương đương. Giải pháp mô hình cục bộ được sử dụng để xác định hành vi của ranh giới mô hình con thông qua các biến điều khiển đại diện cho các lực tác dụng. Giải pháp trong khu vực quan tâm sẽ không bị thay đổi bởi các hiệu ứng cuối cùng, miễn là tải trọng cuối vẫn tương đương về mặt tĩnh.
Ví dụ ở Hình 1 minh họa thanh dầm có nhiều lỗ hổng cục bộ. Mô hình toàn cục của thanh dầm được sử dụng để xác định các lực tác dụng lên mô hình con nhằm mô phỏng hành vi của submodel ngay cả khi mô hình có lưới thô. Các phân tích được thực hiện độc lập trên mô hình toàn cục và mô hình con, với các biến điều khiển là liên kết duy nhất giữa hai mô hình. Nhờ đó, chúng ta có thể linh hoạt thay đổi các đặc điểm hình học, loại phần tử, đặc tính vật liệu… của mô hình con để cải thiện độ chính xác của vùng mô hình con. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải xác nhận tính hợp lệ của kết quả để đảm bảo chúng có ý nghĩa vật lý. So sánh biểu đồ đường viền gần biên dạng của vùng được submodel của mô hình toàn cục và mô hình con là một cách để xác nhận tính nhất quán của kết quả.
Phương pháp Submodeling trong Abaqus
Trong Abaqus, có hai phương pháp kỹ thuật có sẵn cho thiết lập submodel dựa trên nút (node) và dựa trên bề mặt (surface).
- Dựa trên nút (node): áp dụng phép nội suy trường kết quả nút từ mô hình toàn cục lên các nút. Đây là kỹ thuật phổ biến và được sử dụng rộng rãi.
- Dựa trên bề mặt (surface): áp dụng phép nội suy trường ứng suất lên các điểm tích phân bề mặt của mô hình. Kỹ thuật này chỉ giới hạn cho các ứng dụng thể rắn – rắn và phân tích tĩnh. Đối với tất cả các mục đích khác, nên áp dụng dựa trên nút.
Tùy thuộc vào thuộc tính của mô hình, có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật này hoặc kết hợp cả hai kỹ thuật trong cùng một phân tích.
Phương pháp dựa trên bề mặt có thể cung cấp kết quả ứng suất chính xác hơn trong phân tích tĩnh nếu giữa mô hình con và mô hình toàn cục có độ cứng chịu tải kiểm soát lực khác nhau. Ngược lại, khi độ cứng trong các vùng có thể so sánh với nhau được, mô hình con dựa trên nút sẽ có kết quả tương tự như khi dựa trên bề mặt. Khi đó, các kết quả sẽ được truyền từ mô hình toàn cục sang mô hình này một cách chính xác hơn, giảm sai số gây ra bởi các chế độ vật rắn. Ngoài ra, sự khác biệt về độ cứng có thể xảy ra do chỉnh sửa chi tiết trong mô hình như lỗ mở hoặc góc bo, hoặc do những thay đổi nhỏ về mặt hình học mà không bắt buộc phân tích lại mô hình toàn cục.
Nếu mô hình chịu các dịch chuyển hoặc độ quay lớn, mô hình con dựa trên nút có thể cải thiện độ chính xác khi truyền các dịch chuyển và độ quay lớn đó sang mô hình con. Tùy thuộc vào kết quả đầu ra được quan tâm nhất, mỗi phương pháp kỹ thuật đều có ưu điểm riêng:
- Dựa trên nút: sẽ cung cấp kết quả dịch chuyển chính xác hơn.
- Dựa trên bề mặt: sẽ cung cấp kết quả ứng suất chính xác hơn, giúp xác định chính xác hơn các phản lực tác dụng lên mô hình con.
Hai kỹ thuật này có thể được sử dụng trong cùng một mô hình nhưng ở các biên dạng khác nhau.
Xem thêm: Sự khác biệt giữa CAD CAE và CAM là gì?
Triển khai các mô hình con trong Abaqus
Mô hình cục bộ có thể được điều khiển bằng dữ liệu được lưu vào tệp cơ sở dữ liệu đầu ra (định dạng ODB hoặc SIM). Mô hình con dựa trên nút cũng có thể được điều khiển bằng tệp kết quả (.fil).
Chỉ những biến được ghi vào cơ sở dữ liệu đầu ra sẽ được sử dụng trong mô hình con, vì vậy, điều quan trọng là phải lưu dữ liệu đầu ra đầy đủ với tần suất đủ. Dữ liệu được lưu vào cơ sở đầu ra này phải được lưu trong hệ trục tọa độ toàn cục nhằm áp dụng phương pháp nội suy dữ liệu vào mô hình con. Trong trường hợp dữ liệu dạng nút, các giá trị luôn được nhập vào tệp cơ sở dữ liệu đầu ra tuân theo các hướng toàn cục, bất kể có sử dụng chuyển đổi tọa độ nút hay không.
Tất cả các biến điều khiển đều phải được lưu ở tần suất chung trong quá trình phân tích toàn cục và tần suất này phải đủ mịn. Điều này đảm bảo rằng mô hình cục bộ phản ánh chính xác trạng thái của mô hình toàn cục tại bất kỳ thời điểm nào. Nếu kết quả được lưu ở các tần suất khác nhau, tần suất thô nhất sẽ được sử dụng trong phân tích mô hình con.
Nên tạo một tập hợp duy nhất chứa tất cả các tập hợp nút và/hoặc tập hợp phần tử để điều khiển mô hình con. Trong Hình 2, tập hợp xác định ranh giới mô hình con được đánh dấu màu đỏ và được dán nhãn là Submodel-Region.
Mô hình con có thể được áp dụng bất kỳ loại tải trọng hoặc điều kiện biên nào. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng chúng được áp dụng nhất quán trong mô hình toàn cục. Điều này sẽ giúp đảm bảo rằng kết quả của mô hình được chính xác.
Chỉ các biến được điều khiển sẽ được nội suy và chuyển sang mô hình con. Bất kỳ trường được xác định trước nào cũng phải được cung cấp giống như trong mô hình toàn cục. Điều kiện ban đầu cũng phải nhất quán giữa hai mô hình.
Để đơn giản, có thể sao chép mô hình toàn cục ban đầu để tạo mô hình con (Hình 3). Sau đó, bạn có thể sử dụng các công cụ cắt để loại bỏ bất kỳ vật liệu nào nằm ngoài ranh giới của mô hình con (Hình 4). Phương pháp này sẽ cho phép bạn giữ lại các cài đặt của mô hình toàn cầu và giảm thiểu khả năng xảy ra lỗi trong việc tạo mô hình con.
Bước thời gian là khoảng thời gian giữa hai bước tính toán trong phân tích mô phỏng. Bước thời gian trong mô hình con phải giống với thời gian bước trong mô hình toàn cục. Điều này là cần thiết để đảm bảo rằng các kết quả của mô hình này được nội suy chính xác từ mô hình toàn cục.
Nếu bước thời gian của hai mô hình không khớp, thì các kết quả của mô hình con sẽ không chính xác.
Để điều chỉnh bước thời gian của mô hình toàn cục cho phù hợp với bước thời gian của mô hình, bạn có thể sử dụng tùy chọn “Scale time period of global step to time period of submodel step” khi triển khai các điều kiện biên (Hình 5).
Các nút điều khiển được xác định thông qua các điều kiện biên của mô hình. Bạn có thể chỉ định bậc tự do nào sẽ được điều khiển tại ranh giới của mô hình con – thông thường thì tất cả các bậc tự do tại các nút điều khiển đều được chỉ định.
Ngoài việc chia tỷ lệ thời gian, Abaqus có thể chia tỷ lệ giá trị của các biến điều khiển được áp dụng cho submodel từ mô hình toàn cục khi cần thiết. Trong Hình 5, một điều kiện biên của submodel được áp dụng và bao gồm tất cả các bậc tự do có sẵn cho các phần tử rắn liên tục (1-3) mà không có tỷ lệ.
Lưu ý rằng chỉ có thể điều khiển các biến giải cơ bản. Trong cả mô hình con từ rắn – rắn hoặc từ vỏ – vỏ, điều này bao gồm chuyển vị, nhiệt độ, điện thế, áp suất lỗ rỗng…
Không thể điều khiển vận tốc hoặc gia tốc trên ranh giới của mô hình con này. Abaqus sẽ tự động chọn các biến điều khiển khi sử dụng mô hình vỏ toàn cục để điều khiển một mô hình rắn cục bộ. Các điều kiện biên khác của nó có thể được tạo, chỉnh sửa hoặc xóa như bình thường.
Abaqus sử dụng phép nội suy cả trong không gian và thời gian để xác định giá trị của các biến nút điều khiển trong các bước phân tích mô hình con. Thứ tự nội suy không gian được xác định bởi thứ tự của các phần tử được sử dụng trong mô hình toàn cục. Mức tăng thời gian tự động được áp dụng độc lập trong phân tích toàn cục và mô hình con. Biến tăng thời gian độc lập được điều chỉnh bằng cách nội suy theo thời gian của các biến điều khiển. Nội suy tuyến tính theo thời gian được sử dụng giữa các giá trị đọc được từ cơ sở dữ liệu đầu ra hoặc tệp kết quả.
Khi mô hình toàn cục trải qua chuyển vị hoặc độ quay lớn, người dùng cần đảm bảo rằng nó cũng trải qua những dịch chuyển hoặc quay này.
Đối với mô hình con dựa trên nút, các nút điều khiển sẽ tự động di chuyển theo mô hình toàn cục. Điều này đảm bảo rằng mô hình con luôn được định vị chính xác so với hệ tọa độ toàn cầu.
Ngược lại, đối với mô hình con dựa trên bề mặt, việc chỉ sử dụng lực kéo bề mặt sẽ không cung cấp thông tin về chuyển vị. Thay vào đó, để tính đến các chuyển vị, cần phải bao gồm các điều kiện biên đã được áp dụng, các nút điều khiển và hiệu ứng quán tính.
Khi cả hai phương pháp được sử dụng, điều quan trọng là duy trì phương pháp điều khiển nhất quán trên toàn bộ vùng được chọn để tránh các ràng buộc quá mức, có thể gây ra kết quả không chính xác.
Khi thiết lập, các thuộc tính của Submodel cần được sửa đổi để tham chiếu đến cơ sở dữ liệu đầu ra hoặc tệp kết quả. Các thuộc tính mô hình được hiển thị trong Hình 6 sẽ khiến Abaqus đọc tệp cơ sở dữ liệu đầu ra Beam-Global.odb và sử dụng các kết quả đó trong phân tích của submodelđược định nghĩa trong tệp đầu vào Beam-Submodel.inp.
Giới hạn của Submodel
Phương pháp Submodeling có một số hạn chế về các phương pháp và loại phần tử tương thích có thể sử dụng. Các phần tử có thể sử dụng ở cấp độ toàn cầu và mô hình con bao gồm:
- Các phần tử liên tục tam giác và tứ giác bậc nhất và bậc hai
- Các phần tử vỏ, hoặc phần tử màng
- Các phần tử liên tục tứ diện, nêm hoặc khối bậc nhất và bậc hai
Mô hình toàn cục có thể chứa cả phần tử rắn và phần tử vỏ, với điều kiện tất cả các nút điều khiển phải nằm trong các phần tử vỏ của mô hình toàn cục.
Các nút biên của mô hình này không thể nằm trong các vùng của mô hình toàn cục nơi không có đủ thông tin về nội suy biến điều khiển.
Các vùng không có đủ thông tin về biến điều khiển bao gồm:
- Các vùng chỉ có các phần tử một chiều (như dầm, giàn, liên kết hoặc vỏ trục đối xứng)
- Các vùng có các phần tử do người dùng tạo, các cấu trúc phụ, lò xo, giảm chấn, các phần tử đặc biệt khác hoặc các phần tử trục đối xứng.
Khi sử dụng các phần tử vỏ, thường nên tránh phần tử vỏ có năm bậc tự do ở mỗi nút (S4R5, S8R5, v.v.) ở cấp độ toàn cục vì các phép quay không được lưu. Các phần tử này không thể sử dụng trong mô hình con vỏ – rắn.
Mô hình con không thể được sử dụng trong các quy trình động tuyến tính dựa trên mô hình, nhiệt – điện ghép nối và nhiệt – điện hóa học ghép nối. Nó dựa trên bề mặt chỉ có thể được sử dụng trong các quy trình tĩnh tổng quan. Mô hình vỏ – rắn không thể được sử dụng với bất kỳ loại mô hình con nào khác trong cùng một mô hình.
Xác minh kết quả phân tích
Khi sử dụng phương pháp submodel, chúng ta sẽ thu được hai bộ kết quả phân tích: bộ đầu tiên từ mô hình toàn cục cho kết quả gần đúng về hành vi của vật thể, và bộ thứ hai từ mô hình cục bộ được tinh chỉnh cho kết quả chi tiết chính xác hơn.
Một bước quan trọng trong quy trình submodeling là xác minh các kết quả. Trong Hình 7, kết quả của một mô hình con dựa trên nút được hiển thị. Đầu tiên, mô hình được kiểm tra xem có thống nhất về chuyển vị trong vùng của mô hình con hay không trước khi vẽ biểu đồ gradient ứng suất. Nếu phát hiện sự khác biệt lớn về chuyển vị, điều này sẽ ảnh hưởng đến tất cả các kết quả tiếp theo và mô hình cần được xem xét và gửi lại.
Khi các chuyển vị được xác định là khớp nhau, ta có thể kiểm tra các giá trị đầu ra khác như ứng suất. Ở đây, sự cải tiến là gradient ứng suất đạt được bằng cách tăng mật độ lưới trong vùng mô hình con. Ứng suất trong các vùng khác của thanh dầm có thể thu được từ mô hình toàn cục, nơi nếu không có các lỗ tập trung ứng suất thì lưới thưa là đủ.
Cập nhật thông tin mới nhất về sản phẩm và các hoạt động của AES Việt Nam – Đơn vị phân phối phần mềm công nghiệp số 1 Việt Nam tại www.facebook.com/aesvietnamsoftware
Để lại thông tin đăng ký ngay hoặc liên hệ với AES Việt Nam để được tư vấn trực tiếp.
———-
AES Vietnam – CAD CAM CAE Software
☎ 096 1402 699 (Ms.Linh)
📧 contact@aesvietnam.com
📍 Trụ sở: M10 – L17, Khu A, KĐT Dương Nội, P. La Khê, Q. Hà Đông, TP. Hà Nội l 0345 331 633 (Mr. Thắng)
📍 Chi nhánh: Phòng 101, Tòa nhà SBI, Công viên phần mềm Quang Trung, P. Tân Chánh Hiệp, Q. 12, TP.HCM l 0339 695 500 (Ms.Duyên)
