Chắc có lẽ trong các bạn trẻ mới đụng vào thế giới CAD/CAM/CAE sẽ cảm thấy là một cái gì vĩ đại, đáng sợ còn hơn cả CAD. Thực ra cũng chẳng có gì ghê gớm cả. Trong bài viết này tôi xin mô tả một cách đơn giản khái quát về CAE.
CAE là thuật ngữ viết tắt của cụm từ "Computer Aided Engineering".
Vậy CAD và CAE khác nhau ra sao và CAE dùng để làm cái gì ?
Tôi xin đưa ra một ví dụ đơn giản nhất cho dễ hiểu. Đó là tấm cản đằng trước của xe hơi. Ngày trước chưa có kỹ thuật CAE thì mấy thợ gò , làm khuôn cứ theo cái mẫu của họa sĩ vẽ sẵn làm theo, miễn gắn lên xe thấy nó đẹp là được rồi, không cần biết nó nặng nhẹ, rủi bị tông lộn có bể hay không bể , chết người hay không chết thì họ cũng không cần biết. Mức độ vẽ cái xe như vậy với sự trợ giúp của computer chỉ ngừng ở lãnh vực của CAD.
Muốn chế chiếc xe có cái cản an toàn thì phải thực nghiệm, tính toán ứng lực, tính độ xung kích, tính hệ số an toàn v.v...Vậy thì chúng bắt đầu đi vô thế giới của CAE.
Ngày xưa chưa có Computer thì các kỹ sư chế vài chục cái đủ kiểu cho nó va đập để làm thực nghiệm va đập, xung kích xong rồi lựa cái còn "sống sót" ít thương tích nhất gắn vô xe. Sau này cao hơn một chút khi khái niệm FEM ra đời thì kỹ sư tính toán bằng tay, nhưng rồi cũng phải chế thật nhiều để lựa ra được cái tốt nhất, vì cái cản mà ngồi tính tay để tìm cho ra các thông số tối ưu thì tính xong một cái cũng mất vài năm. Thành ra cái thời gian và chi phí làm khuôn, làm thử nghiệm, thực nghiệm rất dài và rất đắt đỏ. Thữ chừng chục cái mới lựa ra được một cái như vậy thì công ty cũng "méo mặt" vì tiền nghiên cứu. Để tránh bớt những thực nghiệm lãng phí tiền bạc và thời gian thì người ta phải dựa vào CAE để tìm phương pháp tối ưu gần thực tế nhất.
Như vậy có thể tóm tắt công dụng của CAE là làm các thực nghiệm, tính toán, mô phỏng để tìm phương pháp thiết kế tối ưu nhất , giá rẻ nhất , thời gian nhanh nhất trên máy tính dựa trên các thuật toán FEM.
Khoảng 25 năm trước khi mà kỹ thuật CAD 3D chưa mạnh như bây giờ thì người dùng ngôn ngữ C hay Fortran để giải các bài toán FEM thì cần thiết phải có những kỹ sư chuyên môn về CAE để đọc các trị số trong kết quả mà máy tính đưa ra để phân tích. Gần đây với sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật CAD 3D , nhất là ứng dụng của kỹ thuật Solid Modelling thì không cần đến các kỹ sư CAE chuyên môn, các kỹ sư bình thường cũng có thể nhìn , xem kết quả dự đoán các mô phỏng tính toán bằng mắt trên màn hình máy tính. Mặc dầu vậy những bài toán khó như giải tích va đập , xung kích , biến hình lớn thuộc hệ phi tuyến tính cấu tạo giải tích thì vẫn còn cần các kỹ sư CAE chuyên môn để phân tích.
2) Các bước để thao tác CAE đối với một kỹ sư thiết kế
1. Thu thập thông tin : Thu thập các thông tin liên quan đến điều kiện thiết kế như Cường độ, không gian, Cơ năng v.v..
2. Xử lý thông tin: Xử lý ,sàng lọc các thông tin , điều kiện ràng liên quan đến sản phẩm thiết kế để tìm ra hướng giải pháp và mục tiêu thiết kế.
3. Đưa ra ý tưởng: Đưa ra ý tưởng gần với cấu tạo của sản phẩm nhất. Trong trường hợp này thì chưa cần đến bước vào thao tác CAD vội, bạn chỉ cần vẽ khái quát ý tưởng trên giấy.
4. Chỉnh lý ý tưởng , dự đoán hiện tượng xảy ra trong quá trình phân tích để đi đến quyết định nội dung phân tích: Bạn tự lập một bảng phân tích và cho điểm về các yếu tố cấu thành sản phẩm thiết kế trong các ý tưởng của bạn như Tính năng, phẩm chất, giá thành, tính sản xuất v..v . Sau đó lọc ra ý tưởng nào điểm cao nhất thì xử lý trước , cái nào điểm ít hơn thì xử lý sau. Từ đó bạn có thể dự đoán tìm ra các khuyết điểm của sản phẩm dự định thiết kế.
5. Dùng CAD để design sản phẫm theo ý của bạn hay của khách hàng.
6. Bắt đầu bước vào CAE. Có 3 bước :
* Pre-processing – Dùng preprocessor để soạn những thông số cần thiết để giải tích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số vùng biên, các thông số hoàn cảnh (enviromental factor) v.v..
* Analysis solver – Thựic hành solver để simulation
* Phân tích hình ảnh hoặc các trị số do kết quả đưa ra từ Post-processing
3) Thủ pháp giải tích CAE
Có 3 thủ pháp giải tích CAE là
1) Hửu hạn yếu tố pháp (Finite Element Method, FEM)
2) Hữu hạn sa phân pháp ( Finite difference method; FDM)
3) Biên giới yếu tố pháp. (Boundary element method; BEM)
Các lãnh vực ứng dụng của CAE là Cơ khí công học, Điện cơ, Điện tử, Kiến trúc... Tùy theo mỗi ngành mà ứng dụng của CAE và phần mềm chuyên dụng khác nhau .Dưới đây là tên các phần mềm CAE chuyên dụng để giải tích cho từng ngành
(Phần trong ngoặc là tên các phần mềm, các bạn cần tham khảo).
Cấu tạo giải tích ( Giải tích kết cấu) ..... ( MSC.Nastran, ANSYS, ABAQUS, Amps, Mpact, CATIA Analysis, MSC.SIMDESIGNER, NX, ADVC）
Giải tích ứng lực ..... （MSC.SIMDESIGNER,MSC.Fatigue, ANSYS, CATIA Analysis, Amps, Abaqus）
Giải tích dao động, chấn động ..... （Abaqus, ANSYS, MSC.Nastran, CATIA Analysis, NX）
GIải tích âm hưởng ..... （LMS/VirtualLab.Acustics, Auto-SEA, ANSYS）
Giải tích xung kích , va đập ..... （Pam-Crash, LS-DYNA, ABAQUS, RADIOSS, Amps）
Giải tích lưu thể .... (FLUENT, STAR-CD, FLOW-3D, FloWizard, STRAEM, PHOENICS, Pam-Flow, DYNAFLOW, ANSYS CFX, NX）
Giải tích điện từ trường .... （PHOTO-Series, MagNet6, JMAG-Studio, Pam-Cem, ANSYS）
Giải tích cơ cấu ..... （MSC.ADAMS, LMS Virtual.Lab Motion, LMS DADS, FunctionBay RecurDyn, NX）
Giải tích về điện áp ..... （ANSYS）
Đặc biệt trong lãnh vực chế tạo khuôn được ứng dụng rất nhiều.
Khuôn nhựa （3DTIMON, PLANETS, Moldflow, SimpoeMold）
Khuôn dập （Pam-Stamp, JSTAMP-Works, Autoform, Dynaform, Hyperworks）
Khuôn đúc （MAGMASOFT, Procast, ConiferCast, JSCAST, ADSTEFAN, CAPCAST, Pam-Cast, AnyCAST）
Khuôn gỗ tạo hình khuôn cát （ArenaFlow）
Khuôn rèn （MSC.SuperForge, DEFORM, FORGE3）
(nguồn Meslab)
