Finite Element Analysis

17

Finite Element Analysis (FEA) เป็นวิธีทางคอมพิวเตอร์ในการทำนายว่าผลิตภัณฑ์จะตอบสนองต่อแรงต่างๆ ในโลกแห่งความเป็นจริงอย่างไร เช่น การสั่นสะเทือน ความร้อน การไหล และผลกระทบทางกายภาพอื่นๆ

โดยกำหนดระบบที่ซับซ้อนทางคณิตศาสตร์ ช่วยให้มองเห็นภาพโดยละเอียดของสิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ ด้วยเหตุนี้ FEA จึงเป็นเครื่องมือออกแบบที่ขาดไม่ได้ในด้านวิศวกรรม ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์การจำลองโดยละเอียดก่อนการสร้างต้นแบบทางกายภาพ ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและทรัพยากรได้อย่างมากสำหรับช่างซ่อมบำรุงทั่วไป

1. หลักการพื้นฐาน

• การแยกส่วน : ขั้นตอนแรกใน FEA คือ การสร้างโครงข่ายไฟไนต์เอลิเมนต์ของโมเดล ซึ่งเป็นการนำเสนอเสมือนของโครงสร้างทางกายภาพที่อยู่ระหว่างการพิจารณา กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการแบ่งระบบทั้งหมดออกเป็นส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กและเรียบง่ายกว่า โดยเรียกองค์ประกอบเหล่านี้ว่าโหนด 
• ประเภทองค์ประกอบ : ขึ้นอยู่กับประเภทของการวิเคราะห์ มีการใช้ประเภทองค์ประกอบที่แตกต่างกัน เช่น เชิงเส้น กำลังสอง จัตุรมุข หกเหลี่ยม ฯลฯ ตัวเลือกขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น เรขาคณิตขององค์ประกอบทางกายภาพ คุณสมบัติของวัสดุ เงื่อนไขเฉพาะ ระดับความแม่นยำที่ต้องการ
• เงื่อนไขขอบเขต : หลังจากการแยกส่วนแล้ว เงื่อนไขขอบเขตจะถูกนำไปใช้กับแบบจำลอง เงื่อนไขเหล่านี้แสดงถึงสถานะทางกายภาพของโหนดหรือองค์ประกอบบางอย่าง (เช่น ไม่ว่าจะคงที่หรือเคลื่อนย้ายได้ อุณหภูมิ ความดัน ฯลฯ) นอกจากนี้ ยังระบุภาระภายนอก (แรง แหล่งความร้อน ฯลฯ) อีกด้วย สิ่งเหล่านี้จำลองผลกระทบภายนอกที่คาดหวังในสถานการณ์จริง
• คุณสมบัติของวัสดุ : จำเป็นต้องกำหนดคุณสมบัติของวัสดุของแบบจำลองอย่างถูกต้องเพื่อคาดการณ์พฤติกรรมภายใต้สภาวะการทำงานได้อย่างสมจริง ซึ่งรวมถึงลักษณะเฉพาะของความเค้น–ความเครียด ความหนาแน่น คุณสมบัติทางความร้อน และอื่นๆ

2. ประเภทของการวิเคราะห์ FEA

การวิเคราะห์แบบสเถียร (Static Analysis) : พิจารณาการกระจัด ความเค้น ความเครียด และแรงในโครงสร้างหรือส่วนประกอบที่เกิดจากโหลดที่ไม่ก่อให้เกิดความเฉื่อยและผลกระทบจากการหน่วงอย่างมีนัยสำคัญ ใช้งานได้เมื่อไม่ต้องกังวลเรื่องไดนามิก

• การวิเคราะห์แบบไดนามิก (Dynamic Analysis) : ตรวจสอบว่าระบบตอบสนองอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งโดยปกติจะอยู่ภายใต้สภาวะชั่วคราว ใช้ในการคาดการณ์การสั่นสะเทือน แรงที่ขึ้นกับเวลา และแรงที่เกิดจากการเคลื่อนไหว ผลลัพธ์สามารถกำหนดความถี่ธรรมชาติ รูปร่างของกราฟ และการตอบสนองชั่วคราวของเครื่องจักรได้
• การวิเคราะห์เชิงความร้อน (Thermal Analysis) : ประเมินการตอบสนองของโครงสร้างต่อการเปลี่ยนแปลงความร้อน ซึ่งสามารถทำนายการขยายตัวทางความร้อน การไหลของความร้อน และการกระจายของอุณหภูมิในการออกแบบ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อส่วนประกอบที่คาดว่าจะทำงานภายใต้ช่วงอุณหภูมิต่างๆ
• พลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics) : จำลองว่าของไหลมีปฏิกิริยาอย่างไรกับโครงสร้างของแข็ง วิธีการนี้จะวิเคราะห์พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเร็วการไหล ความดัน และอุณหภูมิ ซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับก๊าซหรือของเหลว
• การวิเคราะห์ความล้า (Fatigue Analysis) : คาดการณ์ว่าผลิตภัณฑ์อาจล้มเหลวอย่างไรและตำแหน่งใดจากการทำงานแบบวนซ้ำเมื่อเวลาผ่านไป การวิเคราะห์การเริ่มต้นและการเติบโตของรอยแตกร้าว ช่วยให้เข้าใจและคาดการณ์อายุการใช้งาน และการเปลี่ยนแปลงการออกแบบใดที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพความทนทานได้
• การวิเคราะห์แบบควบคู่ (Coupled Analysis) : การวิเคราะห์นี้จะเกี่ยวข้องกับการโต้ตอบทางกายภาพหลายครั้ง เช่น การวิเคราะห์ทางเทอร์โมกล ซึ่งการถ่ายเทความร้อนส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของวัสดุ สิ่งนี้ต้องใช้วิธีควบคู่หรือหลักการหลายอย่างควบคู่กัน

3. การประมวลผลภายหลัง

หลังจากแก้สมการของระบบแล้ว ผลลัพธ์ก็พร้อมสำหรับการตีความและการตรวจสอบ เครื่องมือการแสดงภาพภายในซอฟต์แวร์ FEA สามารถแสดงปัจจัยได้หลายอย่าง เช่น

• แผนผังโครงร่างสำหรับความเครียด การกระจัด และอุณหภูมิ
• แผนภาพเวกเตอร์แสดงทิศทางการไหลและขนาดของของเหลว
• การเสียรูปของแบบจำลองภายใต้สภาวะการทำงานหนัก
• ข้อมูลแบบตารางสำหรับปริมาณโหนดและองค์ประกอบ มีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์เชิงตัวเลขโดยละเอียด

การใช้งานจริง : เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโครงสร้างรถยนต์ด้วย FEA