Thiết kế quả cầu cột buồm bằng phần mềm Siemens để dành giải vô địch The Ameria’s Cup

Quả cầu cột buồm là một trong những bộ phận quan trọng trong kết cấu của thuyền đua, đóng vai trò kết nối hệ thống giàn khoan với thân tàu. Để đáp ứng yêu cầu về hiệu suất, bộ phận này cần có trọng lượng tối ưu nhưng vẫn đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải.

Trong dự án thiết kế thuyền đua America’s Cup 2021, INEOS TEAM UK đã ứng dụng các giải pháp phần mềm của Siemens để thiết kế lại quả cầu cột buồm, kết hợp tối ưu hóa cấu trúc, tự động hóa quá trình khám phá thiết kế và công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại.

INEOS TEAM UK và bài toán thiết kế quả cầu cột buồm

INEOS TEAM UK là đội đua thuyền buồm của Anh, có trụ sở tại Portsmouth. Đội được thành lập vào năm 2014 với mục tiêu đưa chức vô địch America’s Cup trở lại Vương quốc Anh.

America’s Cup là một trong những giải đấu thể thao quốc tế lâu đời nhất thế giới, được tổ chức lần đầu tiên vào năm 1851. Đây cũng là sân chơi quy tụ nhiều đội đua và các chuyên gia thiết kế du thuyền hàng đầu thế giới.

Trong quá trình chuẩn bị cho America’s Cup 2021, INEOS TEAM UK cần thiết kế lại quả cầu cột buồm để đáp ứng lịch trình thử nghiệm và đưa thuyền vào hoạt động trong thời gian ngắn.

Quả cầu cột buồm có vai trò kết nối giàn khoan, bao gồm cột buồm và cánh buồm, với thân tàu. Vì đây là khu vực chịu lực quan trọng, đội ngũ thiết kế phải giải quyết đồng thời hai yêu cầu: giảm trọng lượng nhưng vẫn duy trì độ bền cần thiết cho kết cấu.

Tối ưu hóa quả cầu cột buồm bằng Siemens NX

Để giải quyết bài toán thiết kế, INEOS TEAM UK kết hợp nhiều công nghệ của Siemens, bao gồm Siemens NX, Simcenter HEEDS và Siemens AM.

Đầu tiên, đội ngũ kỹ thuật sử dụng tính năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết (Topology Optimization) trong Siemens NX để xây dựng thiết kế sơ bộ cho quả cầu cột buồm.

Phương pháp này giúp xác định những khu vực vật liệu thực sự cần thiết để chịu tải, từ đó tạo ra một kết cấu tối ưu hơn về mặt trọng lượng mà vẫn đáp ứng các yêu cầu về độ bền.

Thay vì chỉ điều chỉnh thiết kế theo phương pháp thủ công, quá trình tối ưu hóa cho phép nhóm kỹ sư nhanh chóng tìm ra hình dạng phù hợp cho quả cầu cột buồm.

Khám phá hàng trăm phương án thiết kế với Simcenter HEEDS

Sau khi có thiết kế ban đầu từ Siemens NX, INEOS TEAM UK tiếp tục sử dụng Simcenter HEEDS để tự động hóa quá trình khám phá thiết kế.

HEEDS đã đánh giá khoảng 300 phương án thiết kế với 14 thông số khác nhau, giúp đội ngũ kỹ thuật có thể nhanh chóng so sánh nhiều phương án mà không cần thực hiện từng vòng thiết kế thủ công.

Quá trình này giúp INEOS TEAM UK xác định phương án thiết kế phù hợp nhất cho quả cầu cột buồm trong thời gian ngắn hơn đáng kể so với phương pháp lặp thiết kế truyền thống.

Sản xuất quả cầu cột buồm bằng công nghệ in 3D kim loại

Sau khi xác định được thiết kế tối ưu, mô hình được chuẩn bị bằng Siemens AM để phục vụ quá trình sản xuất bồi đắp kim loại.

Quả cầu cột buồm sau đó được chế tạo bằng máy in kim loại của Renishaw, cho phép hiện thực hóa hình dạng kết cấu tối ưu được tạo ra từ quá trình thiết kế và mô phỏng.

Việc kết hợp giữa thiết kế tối ưu hóa và công nghệ sản xuất bồi đắp giúp đội ngũ kỹ thuật có thể tạo ra những hình dạng phức tạp mà các phương pháp sản xuất truyền thống có thể gặp nhiều hạn chế.

Kết quả tối ưu thiết kế quả cầu cột buồm

Việc ứng dụng các giải pháp Siemens trong toàn bộ quy trình thiết kế đã mang lại những kết quả đáng chú ý.

Thiết kế mới giúp giảm khoảng 1 kg trọng lượng của quả cầu cột buồm, đưa trọng lượng xuống còn khoảng 47 kg. Đồng thời, ứng suất cục bộ trên bộ phận này cũng giảm khoảng 26%.

Như vậy, INEOS TEAM UK đã tạo ra một quả cầu cột buồm nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực, đáp ứng tốt hơn yêu cầu về hiệu suất của thuyền đua America’s Cup.

Siemens NX hỗ trợ tối ưu thiết kế như thế nào?

Case study của INEOS TEAM UK cho thấy việc kết hợp các công cụ trong hệ sinh thái Siemens có thể tạo ra một quy trình thiết kế khép kín:

Siemens NX → Simcenter HEEDS → Siemens AM → Sản xuất bồi đắp kim loại

Trong đó:

• Siemens NX: hỗ trợ thiết kế 3D và tối ưu hóa cấu trúc.
• Simcenter HEEDS: tự động hóa quá trình khám phá và đánh giá nhiều phương án thiết kế.
• Siemens AM: hỗ trợ chuẩn bị mô hình cho quy trình sản xuất bồi đắp.
• In 3D kim loại: hiện thực hóa thiết kế tối ưu thành sản phẩm thực tế.

Đây là một ví dụ điển hình cho cách các công nghệ CAD, CAE và Additive Manufacturing có thể được kết hợp để giải quyết những bài toán thiết kế có yêu cầu cao về trọng lượng, độ bền và thời gian phát triển sản phẩm.

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Từ năm 2018, SDE TECH trở thành Smart Expert Partner – đối tác của Siemens Digital Industries Software tại khu vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương, cung cấp các giải pháp như Siemens NX, Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và Teamcenter.

Các giải pháp Siemens có thể hỗ trợ doanh nghiệp trong nhiều giai đoạn của quá trình phát triển sản phẩm, từ thiết kế CAD, mô phỏng CAE, tối ưu hóa thiết kế đến sản xuất và quản lý vòng đời sản phẩm. Quý doanh nghiệp có nhu cầu tìm hiểu về các giải pháp Siemens có thể liên hệ SDE TECH:

• E-mail: sales@sde.vn – tech@sde.vn
• Hotline: 0909 107 719
• Website: www.sde.vn

Nguồn: Siemens