Thiết kế nghịch đảo 3D là một phương pháp thiết kế tính toán chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực như máy móc tuabin và quang tử, trong đó hành vi chất lỏng hoặc điện từ mong muốn được xác định đầu tiên và hình học 3D tối ưu để đạt được hành vi đó được rút ra bằng toán học. Điều này trái ngược với các phương pháp thiết kế trực tiếp truyền thống, bắt đầu với một hình học và sau đó phân tích hiệu suất của nó, thường đòi hỏi thử và sai và tài nguyên tính toán mở rộng.

Các khía cạnh chính của thiết kế nghịch đảo 3D trong máy tuabin

• Điểm xuất phát: Thay vì đoán hình dạng lưỡi dao và phân tích dòng chảy, thiết kế nghịch đảo 3D bắt đầu bằng cách xác định áp suất 3D mong muốn hoặc phân bố tải trọng của lưỡi dao trên dòng chất lỏng. Sau đó, phương pháp này tính toán hình dạng lưỡi dao sẽ tạo ra hành vi dòng chảy đó13.

• Hiệu quả tham số: Thiết kế lưỡi dao 3D truyền thống có thể yêu cầu 30 đến 100 tham số để mô tả hình học, nhưng thiết kế nghịch đảo giảm điều này xuống còn ít nhất 8 thông số để tải lưỡi dao và 4 thông số cho hình dạng kinh tuyến, cho phép không gian thiết kế dễ quản lý và tập trung hơn1.

• Hình dạng lưỡi mịn: Phương pháp này đảm bảo bề mặt lưỡi dao nhẵn theo hướng spanwise, tránh các vấn đề không mịn thường gặp trong một số đầu ra thiết kế trực tiếp1.

• Đảm bảo hiệu suất: Công việc cụ thể (ví dụ: tỷ lệ áp suất hoặc đầu ở tốc độ dòng chảy chính xác) là đầu vào cho mã thiết kế nghịch đảo, vì vậy mọi thiết kế được tạo sẽ tự động đáp ứng các tiêu chí hiệu suất này, không giống như các phương pháp trực tiếp yêu cầu xác nhận CFD riêng biệt1.

• Tính toán nhanh: Thiết kế nghịch đảo có thể cung cấp hình học và giải pháp dòng chảy 3D đầy đủ trong vòng 10-15 giây, nhanh hơn đáng kể so với chạy CFD cho từng hình học ứng cử viên1.

• Chức năng mục tiêu đơn giản hơn: Bởi vì các thông số thiết kế liên quan trực tiếp đến tải trọng và phân phối áp suất của cánh quạt, bối cảnh tối ưu hóa đơn giản hơn, cho phép hội tụ nhanh hơn để thiết kế tối ưu1.

• Tính tổng quát: Đầu ra là sự phân bố tải trọng của lưỡi dao có thể khái quát hóa hơn trên các điều kiện hoặc kích thước thiết kế khác nhau so với một hình dạng lưỡi dao cụ thể1.

• Ứng dụng: Được sử dụng để thiết kế quạt, máy bơm, máy nén, tuabin và bộ chuyển đổi mô-men xoắn trong các cấu hình trục, dòng chảy hỗn hợp và ly tâm. Nó hỗ trợ tối ưu hóa đa mục tiêu như cân bằng hiệu quả so với nhiễu hoặc xâm thực17.

• Lý thuyết cơ bản: Cách tiếp cận này dựa trên các lý thuyết khí động học đại diện cho các cánh quạt dưới dạng các tấm xoáy liên kết với cường độ liên quan đến phân bố vận tốc xoáy. Điều này cho phép suy ra hình dạng lưỡi dao từ điều kiện vận tốc và áp suất3.

Thiết kế nghịch đảo 3D vượt ra ngoài máy móc turbo

• Khoa học vật liệu: Các phương pháp thiết kế nghịch đảo do AI điều khiển được sử dụng để khám phá các vật liệu mới bằng cách liên kết các đặc tính và cấu trúc vật liệu thông qua các mô hình học máy, cho phép khám phá hiệu quả các không gian thiết kế phức tạp4.

• Siêu vật liệu cơ học: Các khung học sâu như GAN có điều kiện 3D có thể trực tiếp tạo ra các cấu trúc voxel hóa 3D với các tính chất cơ học mục tiêu như mật độ và mô đun Young, tăng tốc thiết kế nghịch đảo của vật liệu kiến trúc5.

• Nanophotonics: Phương pháp thiết kế nghịch đảo tối ưu hóa các thiết bị nanophotonic 3D bằng cách kết hợp mô phỏng điện từ 3D toàn sóng với các kỹ thuật tối ưu hóa tích phân biên, cho phép thiết kế nhanh chóng và chính xác các thành phần quang tử phức tạp68.

Tóm tắt

Thiết kế nghịch đảo 3D là một cách tiếp cận mạnh mẽ, được định hướng bằng toán học, bắt đầu từ các đặc điểm dòng chảy hoặc trường mong muốn và rút ra hình học 3D tối ưu để đạt được các mục tiêu đó. Nó đặc biệt có tác động trong thiết kế máy tuabin, nơi nó giảm chi phí tính toán, cải thiện chất lượng thiết kế và tăng tốc độ tối ưu hóa. Phương pháp này cũng đang mở rộng sang khoa học vật liệu, siêu vật liệu cơ học và quang tử, thường tận dụng AI và học sâu để xử lý các thách thức thiết kế 3D phức tạp một cách hiệu quả.

Cách tiếp cận này trái ngược với các phương pháp thiết kế chuyển tiếp truyền thống bằng cách tập trung vào hiệu suất cuối trước tiên, cho phép kết quả thiết kế nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và có thể khái quát hóa hơn1356.