تحلیل سازههای مکانیکی به روش المان محدود (FEA)
تجزیه و تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis) استفاده از محاسبات، مدلها و شبیهسازیها برای پیشبینی و درک رفتار یک شیء تحت شرایط فیزیکی مختلف است. مهندسان از FEA برای یافتن آسیبپذیریهای موجود در نمونههای طراحی خود استفاده میکنند. در FEA یا روش المان محدود FEM ، ساختار یک شیء با شبکه بندی به چندین المان تقسیم میگردد، این المانها در نقاطی به نام گره به یکدیگر متصل میشوند. FEM مجموعهای از معادلات جبری را بر روی گرهها ایجاد و به صورت عددی حل مینماید. مهندسان، توسعهدهندگان و طراحان میتوانند از نتایج حاصل برای تجزیه و تحلیل ساختار سازههای مدنظر بهره ببرند.
بسیاری از ویژگیهای فیزیکی محصول، مانند رفتار ساختاری یا رفتار سیال و انتقال حرارت آن، با استفاده از معادلات دیفرانسیل جزئی PDEs توصیف میشوند. تجزیه و تحلیل المان محدود به عنوان یک روش برای رایانهها به منظور حل PDEs خطی و غیرخطی میباشد. لازم به ذکر است که FEA تنها یک راهحل تقریبی ارائه میدهد و تنها یک رویکرد عددی برای یافتن نتایج تخمینی معادلات دیفرانسیل جزئی است.
استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود میتواند تعداد ساخت نمونههای فیزیکی و آزمایشهای انجام شده را کاهش دهد و در عین حال بسیاری از جزئیات ساختاری قطعه را در فاز طراحی بهینه کند. نرمافزارهای تجزیه و تحلیل المان محدود در دهه ۱۹۷۰ میلادی با برنامههایی مانند Abaqus، Adina و Ansys رونمایی شدند. در حال حاضر، بهینهسازی مجازی و رایانهای در چرخه توسعه محصول جایگاه مرسومی در اکثر صنایع پیدا کرده است. با به کارگیری FEA کیفیت محصول در مرحله طراحی بهبود ببخشیده میشود و زمان لازم برای ورود محصول به بازار کاهش مییابد.
تجزیه و تحلیل استاتیکی و دینامیکی سازه
این نوع از FEA یک مدل کوچک را بر اساس نسبتهای تعریف شده تحلیل میکند. در این آزمون هر ساختاری که در شبیه سازی عددی سالم بماند، قادر است تا در بارگذاریهای مشابه با ساختاراصلی و در مقیاس کامل نتایج مشابه را تولید کند. در تحلیل عددی سازهها، امکان بررسی و شناسایی نقاط تمرکز تنش، تنشهای فون میزز، تنشهای اصلی، کرنش، تغییر شکل، تنشهای پسماند، طول عمر قطعه و تخمین تعداد سیکل منجر به شکست خستگی در بارگذاریهای دینامیکی امکان پذیر است. به کمک روش المان محدود ضریب اطمینان و قابلیت اطمینان در سازههای پیچیده قابل ارزیابی میشود
تجزیه و تحلیل حرارتی سازه
با تجزیه و تحلیل حرارتی علاوه بر بررسی تغییرات دما، میتوان اثر انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت جا به جایی و انتقال حرارت تشعشعی را بر سازه بررسی کرد. تحلیل حرارتی سازه با استفاده از تحلیل المان محدود، برای بهینه سازی تولیدات در صنایعی نظیرخودروسازی، هوافضا، الکترونیک و صنایع نفت و گاز بسیار موثر است. این روش به مهندسان امکان میدهد تا قبل از ساخت فیزیکی قطعه، عملکرد حرارتی آن را بررسی کنند و نقاط ضعف و بهینهسازیهای ممکن را شناسایی کنند.
تجزیه و تحلیل مودال سازه
تجزیه و تحلیل مودال با استفاده از روش المان محدود (FEM) یک روش مهم و کاربردی در مهندسی سازه است که به بررسی و تحلیل رفتار دینامیکی سازهها میپردازد. با استفاده از تئوری آنالیز مودال، مقادیر وضعیت تحریک (فرکانسها و حالتهای وضعیت) برای سازه به دست میآید. با تحلیل مودال، میتوان واکنشهای سازه را به تحریکهای مختلفی نظیر ارتعاشات طبیعی یا ارتعاشات ناشی از بارگذاریها بررسی کرد و پاسخ هارمونیک قطعه را تخمین زد. تجزیه و تحلیل مودال برای تعیین فرکانسهای رزونانسی و نقاط ضعف سازه بسیار مفید است و به مهندسان امکان میدهد تا با برنامهریزی مناسب، طراحی و بهینهسازی سازه را انجام دهند.
مراحل تحلیل المان محدود سازهها
فرآیند تحلیل المان محدود سازه، به سه قسمت پیشپردازش، پردازش و پسپردازش تقسیم میشود.
در مرحله پیشپردازش، کاربر موظف است نوع تحلیل را انتخاب کرده ( تحلیل استاتیکی، تحلیلی دینامیکی، تحلیل حرارتی، تحلیل مودال ) و ورودیهای مورد نیاز مانند خواص مکانیکی متریال و شرایط مرزی مثل، نیروها، گشتاورها، دمای سطوح و.. را به هندسه تعریف کند. سپس، ساختار بایستی به المانهای کوچک تقسیم شود و شرایط مرزی برای هر المان تعیین شود. FEA برای انجام شبیهسازیهای لازم، باید یک شبکه مش حاوی هزاران تا میلیونها المان کوچک (بسته به ابعاد هندسه) که بهطور کلی شکل ساختار یک قطعه را تشکیل میدهند، ایجاد کند. محاسبات باید روی هر المان جداگانه انجام شود؛ ترکیب نتایج هر یک از این پاسخهای جداگانه، نتیجه نهایی را برای ساختار کلی ارائه میدهد
در مرحله پردازش، نرمافزار FEA معادلات حاکم را حل کرده و رفتار سازه را بررسی میکند. این نتایج بسته نوع تحلیل انتخاب شده، خواهند بود. به عنوان مثتال اگر تحلیل استاتیکی مدنظر باشد، پردازش شامل محاسبه تنشها، کرنشها، جابجاییها و واکنشهای نیرویی در ساختار میباشد.
در مرحله پسپردازش، نتایج به صورت گرافیکی یا عددی نشان داده میشوند تا کاربر بتواند آنها را تفسیر کند. این مرحله میتواند شامل نمودارها، نمودارهای رنگی، نقشهها و گزارشهای جامع باشد.
مزایای تحلیل المان محدود سازهها
استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود دارای فواید بسیاری است که در ادامه به برخی از آنها اشاره می شود.
کاهش هزینه و زمان: استفاده از FEA میتواند هزینهها و زمان لازم برای ساخت و آزمایش نمونههای فیزیکی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. تحلیل المان محدود میتواند منجر به بهبود چشمگیر فرآیند طراحی و بهینهسازی فرآیندهای تولید گردد.
پیشبینی رفتار سازه: با استفاده از FEA، میتوان رفتار سازه را در شرایط مختلف مانند بارگذاری استاتیک، دینامیکی، حرارتی و زلزلهای پیشبینی کرد. FEA این امکان را فراهم می آورد تا هرگونه نقاط ضعف در ساختار شناسایی شده و طراحی بهبود بخشیده شود.
شبیهسازی و بهینهسازی طراحی : تحلیل سازهها با روش المان محدود به مهندسان امکان میدهد تا شبیهسازیهای متعددی را روی ساختار سازهها بررسی کرده و نتایج ناشی از طرحهای مختلفی را ارزیابی کنند. به کمک FEA طرحی که در تحلیلهای مختلف بهترین عملکرد را دارد، پیدا شده و طراحی بر اساس آن بهینه می گردد.
محدودیتهای تحلیل المان محدود سازهها
تحلیل المان محدود به عنوان یک ابزار قوی در صنعت و مهندسی شناخته شده است، اما همچنان محدودیتهایی نیز دارد، که در ادامه به برخی از آنها اشاره می شود.
تقریب: تجزیه و تحلیل المان محدود معمولاً برای مدلهای پیچیده و چند بعدی محدود است. این به معنای تقریب روی طراحی و رفتار واقعی ساختار است. در برخی موارد، ممکن است نیاز به تجزیه و تحلیل دقیقتر و برازش با دادههای تجربی باشد.
وابستگی به دانش مهندسی: استفاده موثر از تجزیه و تحلیل المان محدود نیازمند دانش مهندسی مناسب و تفسیر صحیح نتایج است. بدون درک صحیح از فرآیند تجزیه و تحلیل و قوانین فیزیکی پایه، ممکن است تحلیل نادرست و ناقصی ار نتایج بدست آید.
نیاز به منابع قدرتمند: تجزیه و تحلیل المان محدود نیازمند قدرت پردازشی قابل توجه است، به خصوص برای مدلهای پیچیده و با تعداد المانهای بالا. برای مدلهای بزرگ، ممکن است نیاز به استفاده از سرورها یا سیستمهای محاسباتی قوی باشد.
