Xu hướng công nghệ mô phỏng số ứng dụng trong ngành công nghiệp hàng không

Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và công nghệ thông tin, các công cụ mô phỏng số ngày càng phát triển và hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Báo cáo này trình bày 06 xu hướng công nghệ mô phỏng số có khả năng ứng dụng cao trong ngành hàng không như: tối ưu động cơ, tối ưu phương thức rời rạc miền tính toán, tối ưu thiết kế giao diện buồng lái, mô phỏng in 3D, mô phỏng hỗ trợ thiết kế sơ bộ và mô phỏng hệ đa vật lý. Các công nghệ này hoàn toàn có thể được áp dụng trong nhiều ngành khác nhau.

1.    GIỚI THIỆU
Mô hình hóa, mô phỏng số là một công cụ được hình thành với mục đích đưa ra dự đoán và đánh giá hiệu năng của một hệ thống vật lý tồn tại trong thực tế mà phương pháp phân tích lý thuyết hoặc thực nghiệm gặp khó khăn khi thực hiện. Ngày nay, các nghiên cứu về mặt toán học tối ưu và sự phát triển bùng nổ của sức mạnh tính toán cho phép dễ dàng sử dụng mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế và hoạt động của một hệ thống. Trên thực thế, công nghệ mô phỏng có tốc độ thay đổi ngày càng nhanh cả về số lượng lĩnh vực áp dụng và về vai trò trong từng lĩnh vực riêng. Cuối năm 2018, hội nghị mô phỏng số lớn nhất thế giới ứng dụng trong ngành hàng không American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) đã trình bày những công nghệ tiên tiến nhất, những kinh nghiệm lớn nhất từ các chuyên gia trong mô phỏng công nghiệp. Trong báo cáo tổng kêt hội nghị của mình, AIAA đề cập đến 06 công nghệ lớn trong lĩnh vực mô phỏng số xứng đáng được nghiên cứu và ứng dụng trong năm 2019 - 2020.
Các công nghệ mới trong mô phỏng số lần lượt được trình bày trong các phần tiếp theo như: phần 2 trình bày việc tối ưu thiết kế động cơ sử dụng mô hình cháy và mô hình dòng chảy rối tiên tiến; phần 3 trình bày công nghệ lưới Mosaic, công nghệ rời rạc hóa miền tính toán hiện đại nhất hỗ trợ tối đa giải quyết các bài toán biên dạng phức tạp; phần 4 trình bày ứng dụng công nghệ thực tế ảo để trực quan hóa kết quả mô phỏng ứng dụng trong tối ưu thiết kế giao diện và xác định vị trí đặt các cảm biến; phần 5 là ứng dụng mô phỏng số trong quá trình in vật thể 3D có tính đến các quá trình cơ học và nhiệt để giảm thiểu khả năng in lỗi; phần 6 trình bày ứng dụng mô phỏng số phục vụ trong thiết kế sơ bộ nhằm chuyển nhanh từ ý tưởng sang thực tế; phần 7 là hệ sinh thái các công cụ mô phỏng hệ thống đa vật lý thời gian thực phục vụ bài toán tạo ra bản số hóa; phần 8 trình bày một số kết luận về các xu hướng công nghệ và phương hướng áp dụng trong công việc nghiên cứu.

2. TỐI ƯU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ
Động cơ tua bin phản lực khí nén được coi như trái tim của máy bay, là nơi sản sinh toàn bộ năng lượng cho mọi hoạt động vận hành và khai thác trên máy bay. Vì vậy, động cơ là thành phần luôn luôn được quan tâm cải tiến bậc nhất. Để đảm bảo yêu cầu giảm thời gian của quá trình phát triển và tránh các hạn chế của thiết bị đo trong thực nghiệm, mô phỏng số đã cho thấy vai trò cần thiết và ngày càng quan trọng hơn trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế.
Quá trình cháy trong động cơ máy bay là một quá trình vật lý liên tục và phức tạp được trình bày trong hình 1 bao gồm: (1) quá trình phun nhiên liệu dạng sương; (2) hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí; (3) phản ứng hóa học và chuyển đổi chất; (4) quá trình đánh lửa; (5) quá trình nhiệt; (6) khí thải sinh trong quá trình cháy; (7) tính ổn định của ngọn lửa; (8) tương tác khí động, độ bền cơ học và bền nhiệt của cánh turbin; (9) mức độ nhiên liệu dư.
Các mô hình mô phỏng quá trình cháy hiện đại cho phép tính toán hiệu năng cao bài toán trong đó xảy ra đồng thời nhiều hiện tượng vật lý với độ chính xác cao. Trong các mô hình cháy này, một số dạng nhiên liệu cháy mới đã được cập nhật và bổ sung các tương tác hóa học để tăng khả năng dự đoán được các hiện tượng cháy phức tạp.

Hình 1: Mô hình cháy nghiên cứu động cơ phản lực

Bên cạnh đó, dòng chảy chất lỏng và chất khí cũng được dự đoán chính xác và nhanh chóng hơn nhờ sử dụng mô hình dòng chảy rối tiên tiến (Large Eddy Simulation). Như vậy, mô phỏng số động lực học chất lỏng (CFD) có thể được sử dụng để phát triển thế hệ tiếp theo của động cơ nhờ sự hoàn thiện của các mô hình cháy và mô hình dòng chảy bậc cao.

3. CÔNG NGHỆ LƯỚI MOSAIC
Rời rạc hóa miền tính toán (chia lưới) là một quá trình quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích bài toán động lực học chất lỏng. Nguyên lý chung của việc rời rạc là giữ thể tích của các phần tử lưới nhỏ tại vùng tính toán gần với bề mặt vật thể và ngược lại. Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất là khả năng đảm bảo lưới bắt bám biên dạng vật thể mà vẫn giữ chất lượng và khả năng chuyển tiếp lưới từ vùng lưới nhỏ sang vùng lưới lớn.
Công nghệ lưới Mosaic mới sử dụng các phần tử lưới lục giác là bước đột phá trong việc rời rạc miền tính toán. Công nghệ này nâng cao khả năng bám các biên dạng phức tạp và tự động thích nghi với các vật thể có kích thước lớn trong các cấu hình tối ưu lực nâng (High-lift configuration).

Hình 2: Chia lưới máy bay biên dạng phức tạp (Mosaic)

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, công nghệ chia lưới Mosaic cho chất lượng lưới cao hơn với số lượng phần tử nhỏ hơn. Mặt khác, công nghệ chia lưới này cho phép đẩy nhanh quá trình tiền xử lý và tính toán khí động cũng như độ chính xác cao hơn các phương pháp truyền thống.

4. CÔNG NGHỆ THỰC TẾ ẢO, TRỰC QUAN HÓA MÔ PHỎNG
Trong quá trình nghiên cứu và sản xuất, nhu cầu trực quan hóa kết quả mô phỏng là khách quan. Đặc biệt trong ngành hàng không, ví dụ: trên buồng lái có hàng trăm loại đồng hồ và nút bấm chức năng cần được thiết kế và bố trí khoa học để phi công sử dụng được dễ dàng và hiệu quả, tránh sai sót không đáng có (hình 3). Bài toán đặt ra cho mô phỏng như sau: (1) kỹ sư thiết kế buồng lái muốn trải nghiệm cảm giác giao diện người máy (Human Machine Interface); (2) đánh giá sự thay đổi về khả năng hiển thị khi máy bay đi qua các vùng ánh sáng khác nhau; (3) tìm vị trí tối ưu để đặt các cảm biến.

Hình 3: Thiết kế buồng lái thế hệ mới

Trong năm 2018, một số giải pháp tổng hợp dữ liệu (CEI), trực quan hóa và hiển thị (EnSight) cho phép tích hợp với công nghệ thực tế ảo (VRXPERIENCE) để tạo ra trải nghiệm toàn diện hơn cho phép người kỹ sư phân tích, đánh giá thiết kế buồng lái và các giao diện người dùng khác.

Hình 4: SPEOS - công cụ mô phỏng ánh sáng

SPEOS là công cụ mô phỏng ánh sáng, tầm nhìn của con người và việc quan sát theo các nguyên tắc vật lý. Nó dự đoán sự chiếu sáng và hiệu suất quang học của các hệ thống thiết kế (hình 4). Bằng cách này, kỹ sư có thể dễ dàng thử nghiệm và đánh giá hiệu suất quang học của các cảm biến trên máy tính thay vì thực hiện trong thế giới thực nhằm xác định vị trí đặt cảm biến tối ưu.
Các kỹ sư hàng không có thể kết hợp cả hai công cụ VRXPERIENCE và SPEOS để tạo ra thế giới ảo nhằm kiểm tra hiệu năng làm việc của cảm biến tại các vị trí khác nhau. Vì vậy, công nghệ này là phù hợp để nghiên cứu và phát triển các thiết bị thông minh sử dụng nhiều cảm biến như máy bay và các thiết bị không người lái.

5. MÔ PHỎNG GIA CÔNG CƠ KHÍ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D
Công nghệ in 3D cho phép xây dựng các dạng hình học phức tạp mà các phương pháp truyền thống không thể thực hiện được. Khả năng này tạo ra lợi thế vô cùng lớn cho các công ty thiết kế, chế tạo các cấu trúc siêu nhẹ và chịu lực cao trong ngành hàng không. Ngoài ra, nó còn cho phép sinh ra những chi tiết có thể tích nhỏ với độ chính xác cao trong khoảng thời gian gia công thấp.
Tuy nhiên, việc in 3D một chi tiết trong công nghiệp không dễ dàng như việc in ấn một tài liệu 2D. Các tính chất như ứng suất nội, quá trình nguội hoặc tốc độ in không phù hợp có thể gây ra lỗi cho sản phẩm. Hơn nữa, vật liệu in các chi tiết công nghiệp có giá thành đắt đỏ. Vì vậy, việc in lỗi làm tăng chi phí nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Hình 5: Quy trình mô phỏng công nghệ in 3D

Do đó, người kỹ sư vận hành thiết bị in 3D cần am hiểu và đảm bảo rằng thiết kế được gia công đã được xây dựng chính xác theo đúng quy trình (hình 5). Hiện tại, công cụ mô phỏng cho phép người kỹ sư dự đoán các biến dạng và các loại ứng suất xuất hiện trong quá trình in 3D. Dữ liệu này dùng để tối ưu thiết kế, quy trình in nhằm đảm bảo vật thể in ra chính xác ngay từ lần đầu tiên.

6. MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC
Trong ngành công nghiệp hàng không, thiết kế sơ bộ là một quá trình quan trọng. Bởi vì, kỹ sư càng đánh giá sớm và chính xác về thiết kế thì số lượng thiết kế lại càng giảm. Nhờ đó, quy trình phát triển sản phẩm càng được rút ngắn.
Trên thực tế, các sản phẩm ngày càng trở nên phức tạp và quy trình phát triển truyền thống đang làm chậm quá trình chuyển hóa từ ý tưởng thành sản phẩm thực tế. Như vậy, yêu cầu đặt ra với mô phỏng là cần phải đủ đơn giản để nhanh chóng kiểm tra ý tưởng ngay khi nó hình thành. Ngoài ra, các công cụ cần đủ độ mở để có thể phù hợp với các quy trình trong công nghiệp. Thật vậy, hình 7 thể hiện rõ ràng vai trò của mô phỏng số trong từng giai đoạn của quá trình nghiên cứu và sản xuất: (1) giai đoạn ý tưởng: mô phỏng có thể ước tính chính xác 80% chi phí trong quá trình thiết kế; (2) giai đoạn thiết kế: mô phỏng giúp giảm 9 lần thời gian và 90% chi phí so với phương pháp truyền thống; (3) giai đoạn gia công: giảm khối lượng chi tiết đến 25% nhờ tối ưu hình học và in 3D; (4) giai đoạn vận hành: mô phỏng giúp tăng hiệu suất hoạt động 10-20% và giảm chi phí vận hành; (5) giai đoạn sản xuất: giảm thời gian kiểm định các thiết bị không người lái thông minh từ 10000 năm xuống còn 2-3 năm.

Hình 6: Mô phỏng tương tác rắn-lỏng thời gian thực

Ứng dụng ANSYS Discovery Live được xây dựng để cung cấp giải pháp mô phỏng trong thời gian thực. Công cụ được xây dựng để dễ dàng sử dụng và tăng tốc quá trình thử nghiệm các ý tưởng thiết kế trước khi thực hiện phân tích chuyên sâu. Discovery Live có thể mô hình hóa về kết cấu và khí động theo thời gian thực.
Ví dụ, người kỹ sư thiết kế có thể thay đổi các tham số thiết kế để nghiên cứu xu thế thay đổi và các ưu, nhược điểm trong thiết kế của họ chỉ trong một vài phút. Sử dụng dữ liệu này, kỹ sư có thể tiệm cận đến thiết kế tối ưu để tiến hành phân tích chuyên sâu.
Sự thuận tiện trong thay đổi thiết kế và thời gian mô phỏng nhanh cho phép người sử dụng dễ dàng tùy biến thiết kế và ngay lập tức nhìn thấy ảnh hưởng của nó lên tính năng của sản phẩm.

7. MÔ PHỎNG HỆ ĐA VẬT LÝ
Điện hóa (Electrification) là một sáng kiến lớn trong ngành hàng không vũ trụ (hình 9). Máy bay điện sẽ giúp các kỹ sư đơn giản hóa thiết kế của họ và thực hiện các tính năng mới như IoT và phiên bản số (Digital Twin).

Hình 7: Thế hệ máy bay mới điện hóa nhiều hơn

Các công cụ mô phỏng hệ đa vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc thực thi và triển khai ngành công nghiệp hàng không điện khí hóa. Cụ thể, các công cụ có khả năng hỗ trợ kỹ sư tối ưu các thành phần quan trọng trên máy bay như: pin, pin nhiên liệu, biến tần, động cơ, thiết bị truyền động, thanh truyền, cáp.

8. KẾT LUẬN
Xu hướng công nghệ mô phỏng số trong năm 2019 là những công nghệ mới nhất tập trung vào các vấn đề mới nhất trong ngành công nghiệp hàng không nói riêng và ngành công nghiệp sản xuất nói chung. Xu thế công nghệ khẳng định rằng mô phỏng số đang đi sâu và rộng vào tất cả các lĩnh vực trong khoa học kỹ thuật nhằm hỗ trợ tối đa cho người kỹ sư thiết kế tạo ra các sản phẩm có tính năng tốt trong thời gian nhanh và chi phí thấp. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra thách thức lớn cho người sử dụng các công cụ mô phỏng cần có những am hiểu nhất định để phát huy tối đa khả năng của các công cụ mô phỏng. 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.    AIAA SciTech Forum. https://arc.aiaa.org/series/6.-scitech/.
2.    http://www.ansys.com/blog/simulation-technology-aerospace-engineers-aiaa
3.    https://www.ansys.com/product/fluid/reacting-flows  
4.    https://www.ansys.com/resource-library/white-paper/ansys-fluent-mosaic-technology
5.    https://www.ansys.com/products/optical
6.    https://www.ansys.com/blog/custom-made-products-additive-manufacturing-simulation
7.    https://www.ansys.com/blog/modern-product-development-play-with-designs. 
8.    https://www.ansys.com/about-ansys/dimensions-magazine/spring-2018/electrifying-the-aviation-industry