مقدمه
تحلیل اجزاء محدود (FEA) به عنوان یکی از ابزارهای اصلی در فرآیند طراحی صنعتی، نقش کلیدی در ارزیابی عملکرد و بهینه‌سازی مکانیزم‌ها و قطعات ایفا می‌کند. با توجه به نیاز روزافزون صنعت به تحلیل‌های دقیق و معتبر، تولید یک مدل CAD سازگار و مناسب برای FEA اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. اگرچه FEA قادر به پردازش انواع مختلف اشکال است، مدل‌های پیچیده CAD می‌توانند به مشکلاتی در محاسبات و زمان‌بر شدن تحلیل‌ها منجر شوند. بنابراین، بهینه‌سازی مدل‌های CAD برای سازگاری بهتر با FEA می‌تواند فرآیند تحلیل را تسهیل و سرعت بخشد. در این مقاله، به بررسی ۱۰ راهکار کاربردی برای بهبود سازگاری مدل‌های CAD با تحلیل اجزاء محدود خواهیم پرداخت تا از این طریق، تحلیل‌های دقیق‌تر و سریع‌تری به دست آید.
۱۰ راه برای سازگارتر کردن مدل‌های CAD با تحلیل اجزاء محدود (FEA)
تحلیل اجزاء محدود (FEA) مرحله کلیدی در فرآیند طراحی است. در واقع، امروزه صنعت معمولاً از دپارتمان‌های طراحی درخواست یک برگه تحلیل محاسباتی برای تأیید محصول نهایی دارد. علاوه بر این، FEA ابزار اساسی برای توسعه یک مکانیزم، محاسبه عمر آن و بهبود آن به شیوه‌های مختلف است. صحبت درباره اهمیت آن به تنهایی چندین صفحه نیاز دارد. در این مقاله، ما بر روی نحوه تسهیل و تسریع FEA با بهبود شیوه‌های CAD تمرکز خواهیم کرد.
اگرچه FEA می‌تواند تقریباً با هر شکلی که به آن داده شود، کار کند، اما هنوز هم ممکن است هشدارهای نادرست را محاسبه کند و/یا نیاز به زمان و تلاش زیادی داشته باشد اگر مدل CAD پیچیده باشد. بنابراین، در زیر ۱۰ نکته برای کمک به شما در سازگارتر کردن مدل‌های CAD با FEA آمده است:
۱) تقارن کمک می‌کند
استفاده از تقارن در طراحی قطعات می‌تواند فرآیند مش‌بندی (Mesh Generation) در تحلیل اجزاء محدود (FEA) را به‌طور قابل‌توجهی ساده‌تر کند. قطعات متقارن نیاز به تعداد کمتری از المان‌های مش دارند، که هم محاسبات سریع‌تر و هم دقت بیشتری را به همراه خواهد داشت. علاوه بر این، تقارن در طراحی قطعات باعث تعادل بهتر در توزیع بار و اینرسی شده و می‌تواند به بهبود عملکرد کلی سیستم‌های مکانیکی کمک کند.
۲) تقارن چرخشی هم مفید است!
قطعاتی با تقارن چرخشی، مانند شفت ها پره ها یا بخش‌هایی از موتورهای توربینی، نه تنها از نظر آیرودینامیکی ایده‌آل هستند، بلکه در فرآیند تحلیل اجزاء محدود (FEA) نیز به بهبود زمان و دقت محاسبات کمک می‌کنند. قطعات دارای تقارن چرخشی را می‌توان با استفاده از شرایط مرزی ساده‌تر، شبکه‌بندی کرد و تحلیل را با سرعت بیشتری انجام داد.
۳) فضای کافی بین نواحی بحرانی بگذارید
هنگام طراحی قطعاتی که نواحی بحرانی یا تحت فشار بالایی دارند، باید دقت کنید که فضای کافی میان این نواحی برای مش‌بندی و تحلیل دقیق باقی بگذارید. قرار دادن نواحی بحرانی بسیار نزدیک به یکدیگر می‌تواند باعث مشکلاتی در شبکه‌بندی و تحلیل اجزاء محدود شود و همچنین دقت تحلیل را تحت تأثیر قرار دهد. علاوه بر این، قطعاتی که در نواحی بحرانی طراحی مناسبی ندارند، ممکن است در عمل دچار خرابی مکانیکی شوند.هنگام طراحی قطعات، فاصله مناسب بین نواحی بحرانی ایجاد کنید تا نرم‌افزار FEA بتواند به درستی این نواحی را مش‌بندی کند. همچنین، اطمینان حاصل کنید که هندسه طراحی شده با اصول مکانیکی هم‌خوانی داشته باشد و امکان توزیع یکنواخت تنش را فراهم کند.
۴) اشکال را منشوری یا تیز طراحی نکنید
تغییر شدید شیب در سطوح باعث تمرکز تنش‌های بی‌فایده می‌شود. برای جلوگیری از محاسبات گمراه‌کننده در تحلیل اجزاء محدود، اشکال و ویژگی‌ها باید تا حد امکان گرد باشند. هر زمان که یک لبه گرد یا یک ناحیه پیوندی را مشاهده کردید، به جای لبه‌های تیز از شعاع استفاده کنید. لبه‌های تیز می‌توانند محاسبات را فریب دهند و معمولاً بی‌فایده هستند. با این حال، در برخی شرکت‌ها مهندسان بعد از تحویل CAD، هندسه را “اصلاح” کرده و اشکال گرد، سوراخ‌ها و لبه‌های کوچک را حذف می‌کنند.
۵) یک مدل ساده سازی شده ایجاد کنید
اگر می‌خواهید ویژگی‌ها را پنهان یا هندسه را بهینه و اصلاح کنید، بدتر از این نیست که به طرح اولیه برگردید و آن را تغییر دهید و سپس با تغییرات پی‌درپی ناشی از آن مواجه شوید. علاوه بر این، پس از پایان اولین دور محاسبات و ارائه نتایج تحلیل، طراحان معمولاً باید مدل CAD را برای بهبود عمر یا مقاومت قطعه تغییر دهند. بنابراین، ایجاد یک مدل CAD قابل ویرایش آسان، صرفه‌جویی در زمان برای FEA است.
۶) از تماس‌های غیرضروری جلوگیری کنید
این یک اشتباه کلاسیک تازه‌کار است. طراحان اغلب قطعات خود را به گونه‌ای فشرده می‌کنند که مانع حرکت یا ایجاد لرزش یا بار نمی‌شود، اما در عین حال نیاز به توجه در مرحله شبکه‌بندی خواهد داشت. در FEA، تماس‌ها توجه ویژه‌ای دریافت می‌کنند، بنابراین تماس‌های غیرضروری نیاز به محاسبات غیرضروری دارند.
۷) جزئیات اتصالات بین قطعات را مشخص کنید
اتصالات میان قطعات در مدل‌های CAD باید با دقت تعریف و مدلسازی شوند. نوع اتصال (مثلاً پیچ، جوش، پین) تأثیر زیادی بر نتایج تحلیل دارد. بسیاری از طراحان به اشتباه تنها به مدلسازی کلی قطعات بسنده کرده و جزئیات اتصالات را نادیده می‌گیرند. این امر می‌تواند باعث نتایج نادرست در تحلیل FEA شود. اتصالات مکانیکی را به صورت دقیق و کامل مدل کنید. برای مثال، مدل کردن پیچ‌ها به‌جای استفاده از یک اتصال ساده یا گره‌های پیوندی، به نتایج تحلیل نزدیک‌تر به واقعیت کمک می‌کند. این کار از تمرکز تنش‌های نادرست یا تغییرات ناخواسته در تحلیل جلوگیری می‌کند.
۸) عناصر ساختاری را پنهان کنید
در بسیاری از موارد، عناصر ساختاری یا ویژگی‌هایی که صرفاً برای فرآیند طراحی CAD ایجاد شده‌اند (مانند خطوط کمکی، سطوح مرجع، یا سوراخ‌های موقت) ممکن است به اشتباه در تحلیل FEA وارد شوند. این عناصر می‌توانند باعث افزایش زمان محاسبات یا تولید نتایج گمراه‌کننده شوند. حذف یا پنهان‌سازی این عناصر پیش از تحلیل اجزاء محدود بسیار مهم است.تمامی ویژگی‌های غیرضروری را قبل از انتقال مدل به تحلیل FEA حذف یا پنهان کنید. به‌ویژه، سطوح اضافی یا ویژگی‌هایی که فقط برای ساختاردهی CAD بوده‌اند و نیازی به تحلیل ندارند را باید به‌طور کامل مدیریت کنید. این کار علاوه بر بهبود سرعت تحلیل، از وقوع خطاهای غیرضروری در محاسبات جلوگیری می‌کند.
۹) چندوظیفه‌ای باشید (یا حداقل از همه چیزهایی که باید انجام شود، آگاه باشید)
بسته به دپارتمان‌های طراحی در شرکت های مختلف، وظایف ممکن است به روش‌های مختلف تقسیم شوند. معمولاً، یا گروهی از طراحان وجود دارند که فقط طراحی و مدلسازی می کنند و گروهی دیگر که به CAE (مهندسی کمک‌محاسباتی) می‌پردازند، یا گروهی از چندوظیفه‌ای‌ها که هر دو کار را می‌کنند و کل فرآیند را انجام می‌دهند. در هر صورت، ضروری است که طراح از تحلیل محاسباتی CAE/CAD آگاه باشد. طراحی که با تمام مراحل تحلیل نیز آشنا است، قادر خواهد بود مشکلات فنی را پیش‌بینی کند،تقاط حساس و دارای تمرکز تنش را شناسایی کند و طرح خود را اصلاح کند تا کمترین تغییرات در زمان تحلیل در طرح ایجاد شود.
