การวิเคราะห์อายุการใช้งาน (Fatigue Analysis) Part 1

              ในปัจจุบันสิ่งผู้พัฒนาต้องคำนึงถึงด้วยคือเรื่องอายุการใช้งานของชิ้นงานว่าจะสามารถทำไปใช้งานได้นานเท่าไร  เพื่อจะได้วางแผนเรื่อง

1. การซ่อมบำรุง  จะได้เปลี่ยนอะไหล่ก่อนที่จะเกิดความเสียหายหนัก  ซึ่งอาจเป็นสาเหตุให้งานหยุดชะงัก

2. การรับประกัน  สำหรับผู้ผลิตที่ดำเนินธุรกิจย่อมต้องกำหนดการรับประกันให้ลูกค้ามั่นใจว่าของที่ซื้อไปต้องใช้งานได้แน่ๆ และหากมีปัญหาอย่างน้อยๆก็จะไม่ต้องเสียอะไรเพิ่มในช่วงเวลารับประกัน  นอกจากนี้ทางผู้ผลิตเองจะได้กำไรจากการขายอะไหล่ด้วย  ทำให้ยังสามารถดำเนินธุรกิจต่อไปได้

              ความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการใช้งานเป็นระยะเวลานานเราเรียกว่า ความล้า (Fatigue)  ซึ่งจะเกิดขึ้นจากแรงกระทำซ้ำๆ โดยการวิเคราะห์ความล้าจะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นจำนวนครั้งที่ชิ้นงานสามารถรับแรงกระทำนั้นๆได้  จากนั้นเราก็นำจำนวนครั้งมาแปลงเป็นระยะเวลาที่สามารถใช้งานได้ เช่น วิเคราะห์แป้นถีบจักรยาน  พบว่าสามารถรับแรงได้ 20,000 ครั้ง  จากนั้นผู้ผลิตก็จะมีข้อมูลว่าโดยเฉลี่ยแล้ว  คนจะถีบจักรยานเดือนๆหนึ่งประมาณกี่ครั้ง สมมติว่ามีข้อมูลว่าเดือนหนึ่งๆคนจะใช้จักรยาน 200 ครั้ง  แสดงว่าจักรยานนี้จะมีอายุการใช้งาน 20,000/200 = 100 เดือน  หรือประมาณ 8 ปี

 

สำหรับการวิเคราะห์ความล้า  ข้อมูลอย่างแรกที่เราต้องการ คือ SN Curve ซึ่งเป็นข้อมูลของวัสดุต่างๆที่เรานำมาใช้สร้างผลิตภัณฑ์  มีแกน X แสดงถึงจำนวนครั้งที่วัสดุสามารถทนรับแรงขนาดนั้นๆได้  และแกน Y แสดงถึงขนาดของแรงกระทำ

ค่า SN Curve หาได้จากการทดสอบวัสดุ  ซึ่งการทดสอบจะนำวัสดุไปรับแรงดึงหรือกดที่ค่าหนึ่งๆ จากนั้นใส่แรงกระทำซ้ำๆจนกว่าชิ้นงานจะเกิดความเสียหาย  เราก็จะได้จุดบนกราฟมาหนึ่งจุด  จากนั้นจึงลองเปลี่ยนขนาดของแรงและใส่แรงกระทำซ้ำๆจนเกิดความเสียหาย  เราก็จะได้ข้อมูลมาอีกจุดหนึ่ง  ทำเช่นนี้เรื่อยๆจนได้จุดมากพอจะเขียนเป็นเส้นกราฟได้ (ลองดูในคลิปวีดีโอนี้ได้ครับ https://www.youtube.com/watch?v=msVt0mrvopg)

จากวิธีการข้างต้นจะเห็นว่าการหาค่า SN Curve ค่อนข้างใช้เวลาและค่าใช้จ่ายพอสมควร  เพราะจุดบทกราฟ 1 จุดหมายถึงการทำลายชิ้นงานทดสอบ 1 ชิ้น  แต่ถ้าวัสดุที่ทำผลิตภัณฑ์เป็นโลหะ  เราประมาณค่า SN Curve ด้วยสูตรคำนวณดังรูปต่อไปนี้

จากรูปด้านบนจะเห็นว่าเราจะได้จุดมา 3 จุดคือ

-         ตำแหน่งแกน X = 0, แกน Y = ค่า Ultimate strength ของวัสดุ

-         ตำแหน่งแกน X = 1,000 ครั้ง, แกน Y = 0.9 x ค่า Ultimate strength ของวัสดุ

-         ตำแหน่งแกน X = 1,000,000 ครั้ง, แกน Y = 0.5 x ค่า Ultimate strength ของวัสดุ

 หลังจากได้จุดทั้ง 3 มาแล้ว  เราสามารถเขียน SN Curve ได้โดยใช้กราฟที่เป็นสเกล log-log (แกน X,Y เป็นค่า log)  

สำหรับ Part แรกจะขอจบไว้เท่านี้ก่อน  ส่วนใน Part ถัดไปเราจะมาดูกันว่าในโปรแกรม SolidWorks Simulation จะต้องกำหนดค่าอะไรบ้าง  แล้วผลลัพธ์ที่ได้มีวิธีการดูอย่างไร

ขอบเขตของการวิเคราะห์งาน Static

โมดูล Static ในโปรแกรม SolidWorks Simulation เป็นโมดูลเริ่มต้นที่ทุกคนต้องเคยผ่านการใช้งานมา  เนื่องจากเป็นโมดูลพื้นฐาน  อีกทั้งบางคนที่ยังไม่รู้จัก SolidWorks Simulation ดีพอ  ก็อาจจะคิดว่า SolidWorks สามารถวิเคราะห์งานได้ทุกรูปแบบโดยใช้แค่โมดูลนี้โมดูลเดียว  ซึ่งถือว่าเป็นความเข้าใจผิดที่อันตราย  เพราะการวิเคราะห์งานแต่ละประเภทนั้น  ก็ต้องใช้สมการในการแก้ที่แตกต่างกัน  ดังนั้นและเรามารู้จักกับการวิเคราะห์แบบ Static กันก่อนเลยว่าจริงๆแล้วจะต้องใช้ในการวิเคราะห์ลักษณะไหนกันแน่



โมดูล Static หรือเรียกอีกอย่างเพื่อให้เกิดความเข้าใจที่ตรงกันมากขึ้นขึ้นว่า Linear Static จะใช้ได้กับงานที่ผ่านเงื่อนไข 3 อย่างดังนี้

1. วิเคราะห์งานที่มีพฤติกรรมเป็นแบบ Linear หรือเป็นแบบเชิงเส้น  ยกตัวอย่างเช่นคานอันหนึ่งดังรูป

ถ้าหากแรงกด P = 100 N  ทำให้ปลายคานงอลงมา 1 mm
ถ้าเพิ่มแรงกด P = 200 N  ก็จะทำให้ปลายคาดงอลงมา 2 mm
ถ้าเพิ่มแรงกด P = 300 N  ก็จะทำให้ปลายคาดงอลงมา 3 mm
จะเห็นได้ว่าขนาดของแรงกดจะแปรผันตรงกับระยะการงอ  แบบนี้จะเรียกว่าเป็นเชิงเส้น

สำหรับการวิเคราะห์ Static ก็คือให้ดูวัสดุของชิ้นงานเรา  ถ้าเป็นโลหะช่วงก่อนถึง Yield Stress จะมีพฤติกรรมเป็นแบบเชิงเส้น  แต่ถ้าเลยจุด Yield Stress ไปแล้ว  ผลการวิเคราะห์จากโมดูล Static อาจจะมีค่ามากเกินความเป็นจริงดังรูป

ส่วนวัสดุที่เป็นพลาสติกหรือยางอาจจะไม่เหมาะกับการวิเคราะห์ด้วยโมดูล Static เนื่องจากช่วงที่วัสดุมีพฤติกรรมแบบเชิงเส้นมีอยู่ค่อนข้างน้อย  แต่ถ้าช่วงที่เราดูผลลัพธ์ยังอยู่ในช่วงที่มีพฤติกรรมแบบเชิงเส้นก็ยังพอจะได้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถืออยู่

2. ชิ่นงานมีการบิดงอน้อยๆ หรือพูดอีกอย่างคือมีการเปลี่ยนรูปไปจากแบบเดิมไม่มาก  เนื่องจากถ้าชิ้นงานมีการบิดงอไปจากรูปเดิมเยอะ ค่าต่างๆที่เซตไว้ควรจะต้องมีการอัพเดตตามรูปร่างที่เปลี่ยนด้วย ผมขอยกตัวอย่างคานในการอธิบายดังนี้

ข้อ a คือรูปร่างคานและทิศทางของแรงที่เรากำลังจะวิเคราะห์

ข้อ b คือคานมีการบิดงอน้อยๆ ซึ่งเราอาจจะตั้งสมมติฐานว่า  เพราะชิ้นงานบิดงอน้อยมาก  ทำให้จึงไม่ส่งผลให้ทิศทางของแรงกระทำเปลี่ยนไป

ข้อ c คือคานโดนแรงกดเยอะ  ทำให้รูปร่างเปลี่ยนไปมาก  หากต้องการผลลัพธ์ที่ถูกต้อง  ทิศทางของแรง  หรือแม้แต่ mesh ที่จำลองรูปร่างโมเดลนั้นๆก็ควรจะต้องมีการอัพเดตตามการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น





สำหรับการวิเคราะห์ในโมดูล Static จะมีข้อความเตือนขึ้นมาเมื่อโปรแกรมพบว่ามีการบิดงอมากเกินไป

ข้อความนี้จะให้เราเลือกว่าต้องการวิเคราะห์ต่อโดยไม่มีการอัพเดตการตั้งค่าใดๆ(ให้กด No)  หรือจะเปลี่ยนรูปแบบการวิเคราะห์เป็น Large Displacement ซึ่งจะมีการอัพเดตการตั้งค่าเช่น ทิศทางของแรงกระทำให้(ให้กด Yes)   ถ้าเราเลือกการวิเคราะห์แบบ Large Displacement จะใช้เวลา Run นานขึ้น เพราะโปรแกรมต้องตรวจสอบว่าชิ้นงานมีการเปลี่ยนรูปร่างไปอย่างไรบ้าง  ส่วนเรื่องรายละเอียดของการวิเคราะห์แบบ Large displacement ผมขอยกไว้ในบทความหน้านะครับ


3. แรงกระทำเป็นแรงแบบค่อยๆกด  หรือพูดง่ายคือแรงที่ไม่ใช่การกระแทก  เนื่องจากแรงกระแทกจะทำให้เกิด Stress หรือ Displacement ได้มากกว่าแรงแบบค่อยๆกด  ดังนั้นสมการในการวิเคราะห์จะเป็นตัวอื่น

ตอนนี้เราก็น่าจะรู้กันแล้วนะครับว่าโมดูล Static สามารถวิเคราะห์งานประเภทไหนได้บ้าง

สาเหตุและการแก้ปัญหา Error "Model is unstable. Check that you have applied adequate fixture to stabilize the model."

ปัญหาอย่างหนึ่งของผู้เริ่มต้นใช้งาน SolidWorks Simulation หรือผู้ที่วิเคราะห์งาน Assembly ที่มีชิ้นส่วนจำนวนมากหรือมีการสร้าง Mesh หลายชนิดผสมกัน ได้แก่ Solid Mesh, Shell Mesh และ Beam Mesh  อาจจะมีโอกาสได้เจอกับ Error "Model is unstable. Check that you have applied adequate fixture to stabilize the model."  ซึ่งทำให้วิเคราะห์ชิ้นงานต่อไม่ได้

บทความนี้เราจะมาดูกันว่าสาเหตุที่เกิด Error ตัวนี้คืออะไร  และเราจะมีวิธีแก้ปัญหานี้อย่างไร

     สาเหตุที่ทำให้เกิด Error

          Error ตัวนี้เกิดจากชิ้นงานไม่อยู่นิ่งทำให้วิเคราะห์ไม่ได้  ลองนึกภาพดูว่าเวลาที่เราวิเคราะห์งานชิ้นหนึ่ง  ถ้าเราไม่ได้กำหนดจุดยึดอะไรเลย  มันจะเหมือนกันว่าชิ้นงานนี้ลอยอยู่ในอวกาศที่ไม่มีอะไรมาดึงมารั้งเอาไว้  พอชิ้นงานโดนแรงกระทำเช่นแรงผลัก  ชิ้นงานก็จะลอยกระเด็นออกไป  ทำให้เราวิเคราะห์ไม่ได้ว่าชิ้นงานนั้นต้องรับแรงเท่าไร

     วิธีแก้
          ในการเลือกวิธีแก้  เราต้องมาดูก่อนว่าปัญหาของเราเกิดจาก จุดยึดไม่เพียงพอ  หรือ  กำหนด Contact ไม่ครบ
     1. จุดยึดไม่เพียงพอ  คือการกำหนด Fixture ไม่พอทำให้ชิ้นงานอยู่นิ่งไม่ได้ เช่น

          ดังนั้นการแก้ปัญหาจุด Fixture ไม่เพียงพอ  เราต้องนึกถึงสภาพจริงของชิ้นงานว่ามีตรงไหนที่ต้องกำหนดจุดยึดเพิ่มได้อีก  แล้วเพิ่ม Fixture เพื่อยึดชิ้นงานให้อยู่กับที่ได้

     2. กำหนด Contact ไม่ครบ  อาจเกิดจาก 2 สาเหตุดังนี้

          - บริเวณที่สัมผัสกันระหว่างชิ้นงานเป็น ขอบชิ้นงานชนกับผิวชิ้นงานอีกชิ้น  หรือ  มุมของชิ้นงานชนกันผิวชิ้นงานอีกชิ้น  จะเห็นว่าตรงที่สัมผัสกันเป็นเส้นขอบหรือจุด  ดังนั้นเรากำหนด Contact set เพิ่มเข้าไปเพื่อให้ชิ้นงานมองเห็นว่ามีการชนกัน  สำหรับใครที่ยังไม่ค่อยเข้าใจเรื่อง Contact สามารถไปศึกษาเรื่อง Contact ในบทความ "ชนิดของ Contact สำหรับวิเคราะห์งาน Assembly"

          - การวิเคราะห์ชิ้นงานที่มี Mesh หลายชนิดอยู่ด้วยกัน  เช่น วิเคราะห์ Solid กับ Shell Mesh พร้อมกัน  ถ้ามีการวิเคราะห์ Mesh หลายชนิด  เราจำเป็นต้องกำหนด Contact Set เพื่อ Bond ชิ้นงานให้ติดกันด้วย