Non-linear Analysis VS Linear Static Analysis

โมดูลการวิเคราะห์ Non-linear ถือว่าเป็นการวิเคราะห์งานที่ได้ผลเหมือนจริงมากที่สุด  เนื่องจากไม่ว่างานใดๆก็ล้วนเป็น Non-linear ทั้งนั้น  แต่สาเหตุที่เรามีโมดูลต่างๆ เช่น Static, Thermal, Frequency ฯลฯ ซึ่งเป็นการวิเคราะห์ชิ้นงานในช่วง Linear เนื่องจากการวิเคราะห์งานแบบ Non-linear ต้องใช้เวลานานจึงจะได้ผลลัพธ์ออกมา  เราจึงมีการตั้งสมมติฐานบางอย่างขึ้นมา  เพื่อให้สามารถใช้โมดูลอื่นๆได้ (ดูเรื่องสมมติฐานในการวิเคราะห์ Linear Static ได้จากบทความนี้)  โดยที่ผลลัพธ์ยังคงน่าเชื่อถืออยู่  เพียงแต่ว่าถ้าหากลักษณะงานที่ต้องการวิเคราะห์ไม่อยู่บนสมมติฐานเหล่านั้น  เราก็จำเป็นต้องวิเคราะห์งานแบบ Non-linear เท่านั้น  ซึ่งการดูว่างานของเราจะต้องใช้ Non-linear หรือไม่  ให้ลองพิจารณาตามลักษณะงานดังต่อไปนี้

งานที่เป็น Non-linear จะแบ่งเป็น 3 แบบหลักๆ คือ

1. Material คือ ค่าวัสดุเป็นแบบ Non-linear ได้แก่ โลหะในช่วงที่เกินค่า Yield Strength, ยาง, พลาสติก เป็นต้น




กราฟ Stress-Strain แสดงขอบเขตการคำนวณของ Linear Static  และ Non Linear

ถ้าหากเราวิเคราะห์งาน Non Linear ด้วย Linear Static  ผลลัพธ์ความเค้น (Stress) ที่ได้จะมากกว่าความเป็นจริงดังกราฟ

2. Geometrical  คือ การบิดงอของชิ้นงาน  ถ้าหากชิ้นงานมีการบิดงอจนเปลี่ยนรูปไปมากๆ จะต้องใช้ Non-linear ในการวิเคราะห์  เนื่องจากรูปร่างที่เปลี่ยนไปทำให้ในขณะที่วิเคราะห์  โปรแกรมจำเป็นต้องมีการอัพเดตรูปร่างของชิ้นงานตลอดเพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนสภาวะต่างๆได้ เช่น การใส่แรงที่ตั้งฉากกับชิ้นงาน  เมื่อชิ้นงานบิดงอไป  ทิศทางของแรงก็ต้องเปลี่ยนตามด้วย

3. Boundary คือ สภาวะในขณะที่วิเคราะห์ไม่คงที่ตลอดเวลา เช่น ขณะที่วิเคราะห์  ตำแหน่งของจุดสัมผัสกันระหว่างชิ้นงานมีการเปลี่ยนแปลง เป็นต้น

จากรูปเปรียบเทียบระหว่างการวิเคราะห์แบบ Non Linear และ Linear Static  จะเห็นว่าขณะที่ชิ้นงานโดนกดลงมา  จุดสัมผัสระหว่างชิ้นงานจะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา  ทำให้จำเป็นต้องใช้ Non Linear ในการวิเคราะห์  ส่วนการวิเคราะห์แบบ Static จะไม่สามารถวิเคราะห์งานลักษณะนี้ได้  ทำได้แต่ใส่ระยะกดลงไปเพื่อดูจุดที่จะเสียหายมากที่สุดเท่านั้น

3 ข้อที่คนวิเคราะห์งานเหล็กโครงสร้างมักพลาดกันบ่อย

จากคำถามที่มีบ่อยๆเกี่ยวกับการวิเคราะห์เหล็กโครงสร้าง (Weldment) ผมได้นำมาสรุปเป็นข้อๆ พร้อมทั้งทำวีดีโอสำหรับสอนการวิเคราะห์แบบเป็นขั้นตอนตั้งแต่เตรียมโมเดล  การตั้งค่าเพื่อวิเคราะห์  และการดูผลลัพธ์นะครับ  โดยโมเดลที่นำมาใช้ในการสอนต้องยกเครดิตให้คุณ BT_57 จาก www.solidworksthai.com ที่เป็นผู้สอบถามเรื่องการวิเคราะห์และให้โมเดลนี้มาเพื่อนำมาทำเป็นวีดีโอสอนครับ

ข้อผิดพลาดที่มักเจอกัน

1. สร้าง Mesh ไม่ได้  เนื่องจากเราไปใช้การวิเคราะห์แบบ Solid Mesh ทำให้ต้องใช้ Mesh ขนาดเล็กมากจึงจะสร้าง Mesh ได้  แต่บางทีเราลืมไปกำหนดขนาด Mesh ให้เล็กลง  จึงสร้าง Mesh ไม่ได้
วิธีแก้คือให้เปลี่ยนเป็น Beam Mesh จะช่วยให้สร้าง Mesh ได้ง่ายขึ้น  แต่ไม่แนะนำให้ทำ Mesh ขนาดเล็กถ้าไม่จำเป็น  เพราะจะทำให้วิเคราะห์นานและกินทรัพยากรเครื่องคอมพิวเตอร์มากเกินความจำเป็น

2. วิเคราะห์ทั้งโมเดลเกินความจำเป็น  งานโครงสร้างส่วนใหญ่มีความสมมาตร  ดังนั้นเราสามารถลดโมเดลเหลือ 1/2 หรือ 1/4 เพื่อเพิ่มความเร็วในการวิเคราะห์งานได้

3. ใส่แรงผิด  ความผิดพลาดนี้เกิดได้ 2 สาเหตุหลักคือ
     - ทำ Symmetry (ลดโมเดลเหลือ 1/2 หรือ 1/4)  แต่ไม่ได้ลดขนาดของแรงที่ใส่ลง  ทำให้ใส่แรงเยอะกว่าความเป็นจริง
     - เลือก Beam ที่ใส่หลายอันแล้วใส่ขนาดของแรงทั้งหมด เช่น โครงสร้างรับน้ำหนักทั้งหมด 3 ตัน  มีเหล็กรับแรงทั้งหมด 3 แท่ง  ตอนกำหนดในโปรแกรมเราก็เลือกคลิกแท่งเหล็กทั้ง 3 อันแล้วใส่แรงในช่องใส่แรงเป็น 3 ตันเลย  ทำให้น้ำหนักที่โปรแกรมวิเคราะห์คือ 9 ตัน(3ตัน * แท่งเหล็ก 3 แท่ง)

ค่าวัสดุ (material properties) ที่จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์งานแต่ละประเภท

ในโปรแกรม SolidWorks จะมีฐานข้อมูลของวัสดุมาให้จำนวนหนึ่งอยู่แล้ว  แต่บางครั้งเราเองก็ต้องการเพิ่มวัสดุของตัวเองเข้าไป  เพื่อให้ได้ผลลัพธ์จากการวิเคราะห์ที่แม่นยำขึ้น  ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของน้ำหนักหรือการวิเคราะห์ความแข็งแรงก็ตาม  ปัญหาของคนที่จะใส่ค่าวัสดุของตัวเองมีอยู่ 2 อย่างที่ถามกันบ่อยๆคือ

1. จะใส่วัสดุเพิ่มเข้าไปใน SolidWorks ได้อย่างไร

2. ต้องใส่ค่าวัสดุอะไรบ้างถึงจะใช้วิเคราะห์ Simulation ได้

เราจะมาตอบคำถามข้างต้นกันในบทความนี้

วิธีเพิ่มวัสดุในโปรแกรม SolidWorks

ในหน้าต่างการใส่วัสดุของ SolidWorks จะแบ่งโฟลเดอร์ออกเป็น 2 ส่วนคือ

- ส่วนที่เป็นฐานข้อมูลฝังอยู่ในโปรแกรม  โฟลเดอร์จะเป็นสีเหลือง  ค่าวัสดุในโฟลเดอร์นี้เราไม่สามารถแก้ไขได้  หรือลบทิ้งได้

- ส่วนที่ให้เราเพิ่มหรือแก้ไขได้  โฟลเดอร์จะเป็นสีฟ้า  เราสามารถเพิ่ม  ลบ  แก้ไข  หรือก๊อปปี้ค่าวัสดุจากโฟลเดอร์สีเหลืองมาวางในโฟลเดอร์สีฟ้าเพื่อแก้ไขค่าวัสดุได้

ขั้นตอนการเพิ่มวัสดุในโฟลเดอร์สีฟ้า

ถ้ามีโฟลเดอร์ย่อยอยู่แล้ว  สามารถข้าม 2 ขั้นตอนข้างบนนี้ไปได้เลย

 

 

ต้องใส่ค่าวัสดุอะไรบ้าง

การวิเคราะห์ Simulation แต่ละแบบจะต้องการค่าวัสดุที่แตกต่างกัน  เนื่องจากสมการที่ใช้ไม่เหมือนกัน  การดูว่าการวิเคราะห์ไหนต้องใช้ค่าอะไรบ้างสามารถดูได้จากสีที่ค่าวัสดุนั้นๆในหน้าต่างการใส่วัสดุ

เมื่อเราเลือกฟังชั่นในการวิเคราะห์ที่ต้องการ  แล้วเข้าไปที่หน้าต่างการใส่วัสดุ  เราจะเห็นสีที่ค่าวัสดุ 3 สีคือ

1. สีแดง  จำเป็นต้องใช้ในการวิเคราะห์  ถ้าขาดไปจะวิเคราะห์ไม่ได้  

2. สีน้ำเงิน  อาจจะใช้ค่านี้ในการวิเคราะห์บางกรณี เช่น ในการวิเคราะห์ Static ค่า Thermal Expansion Coefficient จะเป็นสีน้ำเงิน  หมายความว่า ถ้าเรามีการวิเคราะห์การขยายตัวจากความร้อน  ก็จำเป็นต้องใช้ค่านี้  แต่ถ้าไม่สนใจเรื่องความร้อน  ค่านี้ก็ไม่จำเป็น

3. สีดำ  ไม่จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์เลย