74 سال تاریخچه روش تحلیل اجزا محدود (FEA)

• آموزش, بلاگ

روش تحلیل اجزا محدود (Finite Element Analysis یا FEA)  در دهه 1950 میلادی آغاز شد. در آن زمان، مهندسان و ریاضیدان‌ها به دنبال روشی برای حل مسائل پیچیده مکانیکی و سازه‌ای بودند. ایده اصلی این بود که اگر سازه یا قطعه به اجزای کوچکتر تقسیم شود، حل آن آسان‌تر خواهد بود. این روش ابتدا در صنایع هوافضا و دفاعی مورد استفاده قرار گرفت، اما به تدریج به دیگر حوزه‌ها مانند عمران، مکانیک، الکترونیک، بیومکانیک و حتی اقتصاد نیز راه یافت.

مخصوصا در صنایع خودرو سازی که روش اجزا محدود خیلی پر رنگ تر دیده میشود.

تعریف روش تحلیل اجزا محدود

روش تحلیل اجزا محدود یک تکنیک عددی است که برای تحلیل مسائل پیچیده مهندسی و فیزیک استفاده می شود. این روش به ما امکان می‌دهد تا یک سازه یا جسم را به قسمت‌های کوچکتری به نام “المان” تقسیم کنیم.

هر المان به تنهایی ساده هست و به صورت مستقل و با استفاده از معادلات ریاضی تحلیل می‌شود. به این ترتیب، به جای تحلیل کل سازه، می‌توانیم برای هر المان معادلات کوچکتری بنویسیم و آن‌ها را حل کنیم. برای مثال هر المان مانند یک فنر عمل میکند که هر فنر به یکدیگر متصل شده و یک فنر بزرگتر تشکیل می دهد.به عبارت دیگر وقتی یک مسئله پیچیده داریم ، آن را به تکه های کوچکتر و ساده تر تقسیم میکنیم . این کار چندین مزیت دارد. شامل :

بیان جزئیات هندسه های پیچیده :

وقتی یک سازه یا شیء خیلی پیچیده هست و هندسه های عجیب و غریب دارد ، با این روش می توانیم آن هندسه را دقیق تر مدل کنیم. به جای اینکه یه مدل کلی و گنگ داشته باشیم، مدل دقیق تر می سازیم که جزئیات شکل بهتر مشخص باشد.

 در نظرگرفتن مواد با ویژگی های مختلف :

مثلا فرض کنید داخل یک قطعه ، هم فلز به کار رفته باشد و هم پلاستیک . با این روش می توانیم هر قسمتی را جداگانه و با ویژگی های خودش تحلیل کنیم . یعنی هر ماده ای را با خصوصیات خودش در نظر بگیریم.

بیان سادهٔ جواب کلی مسئله:

اگه بخواهیم جواب یک مسئلهٔ پیچیده را به دست بیاوریم، تحلیل کردن کل آن با هم خیلی دشوار می شود. ولی اگر به بخش‌های کوچیک‌تر تقسیمش کنیم، می‌توانیم راحت‌تر به جواب برسیم و درک کلی از رفتار سیستم داشته باشیم.

در نظر گرفتن ویژگی‌های یک المان خاص:

این یعنی می‌توانیم دقیقاً بررسی کنیم که داخل یک المان خاص چه اتفاقاتی رخ می دهد. مثلا اگر یک جایی تنش زیادی وجود داشته باشد یا دما بالا برود، می‌توانیم دقیقاً آن نقطه را تحلیل کنیم و ببینیم چه اتفاقی رخ می دهد . در اینصورتجزئیات بخش های کوچک سازه (المان) را هم در نظر می‌گیریم و فقط به جواب کلی بسنده نمی‌کنیم.

نحوه عملکرد FEA در هر ماژول

هر کدام از مراحل مدل سازی که در زیر ذکر شده است، در یک ماژول انجام می شود و از مسیر کلی کار از اولین ماژول به سمت آخرین ماژول است.

1.مدلسازی هندسی: در ابتدا باید مدل هندسی سازه یا قطعه مورد نظر را که می خواهیم تحلیل کنیم را ایجاد کنیم. این مدل معمولاً با استفاده از نرم‌افزارهایی مانند  ANSYS ، ABAQUS  یا  SolidWorks  طراحی می‌شود. این نرم افزارها این امکان را میدهند که مدل سه بعدی سازه را طراحی کنیم.

2.مش‌بندی (Meshing) : پس از ساخت مدل، آن را به المان‌های کوچکتر تقسیم می‌کنیم. که به این تقسیم بندی به اصطلاح مش بندی (مش ریزی) میگویند.مش ها میتوانند مثلثی ، مربعی،چهار وجهی، و یا هشت وجهی باشند. کیفیت مش‌بندی بسیار مهم است؛ زیرا اگر مش‌ها بزرگ باشند، ممکن است نتایج دقیق و درستی نگیریم و اگر خیلی ریز باشند، زمان محاسبات افزایش می‌یابد. بنابراین لازم است حتما آنالیز حساسیت المان یا Mesh Study در هر شبیه سازی انجام شود تا اندازه مناسب المان بدست آید.

3.تعریف شرایط مرزی و بارگذاری: بعد از مش بندی، باید شرایط مرزی(Boundary Conditions)  و بارهای وارده را تعریف کنیم. شرایط مرزی نشان‌دهنده این است که سازه کجا ثابت شده یا چگونه حرکت می‌کند و بارگذاری نشان‌دهنده نحوه اعمال نیروها و فشارها به سازه است.

4.حل معادلات: حالا که همه چیز اماده است، نرم‌افزار ، معادلات ریاضی مربوط به هر المان را حل می‌کند. این معادلات معمولاً پیچیده هستند و باید با استفاده از روش‌های عددی مانند روش گاوس-سایدل (Gauss-Seidel) حل شوند. در نهایت، نرم‌افزار مجموعه‌ای از نتایج عددی را ارائه می‌دهد که شامل تغییر شکل، تنش، کرنش یا دما در نقاط مختلف سازه است.

5.تحلیل نتایج: مرحله آخر تحلیل نتایج به دست آمده است. در اینجا می‌توانیم رفتار سازه یا قطعه تحت بارگذاری‌ها را بررسی کنیم و مناطقی که تنش بیشتری دارند یا احتمال شکست در آن‌ها وجود دارد را شناسایی کنیم. تحلیل و تفسیر نتایج،  بسیار تخصصی و نیاز به دانش و تجربه بالا دارد.

کاربرد روش‌ FEA در تحلیل های مختلف

تحلیل اجزا محدود خطی (Linear FEA) : این روش فرض می‌کند که تغییرات در سیستم خطی هستند، به این معنی که اگر بار دو برابر شود، تغییر شکل نیز دو برابر خواهد شد. این روش برای مسائل ساده‌تر و زمانی که تغییر شکل‌ها کوچک هستند، مناسب است.

تحلیل اجزا محدود غیرخطی (Nonlinear FEA) : در این روش، رفتار سازه خطی نیست و ممکن است تغییر شکل‌ها بزرگ باشد یا جنس ماده رفتار غیرخطی داشته باشد (مانند پلاستیک که پس از رسیدن به نقطه مشخصی دیگر مانند فنر عمل نمی‌کند). این روش پیچیده‌تر و نیاز به محاسبات بیشتری دارد.

تحلیل اجزا محدود دینامیکی (Dynamic FEA) : این روش برای تحلیل سازه‌هایی که تحت بارگذاری‌های متغیر با زمان هستند، مانند زلزله یا ضربه، به کار می‌رود. در اینجا باید رفتار سازه را در زمان‌های مختلف بررسی کنیم.

تحلیل اجزا محدود حرارتی (Thermal FEA) : برای مسائلی که در انها انتقال حرارت مهم هست، از این روش استفاده می‌کنیم و هدف آن بررسی تغییرات دما در نقاط مختلف جسم و تأثیر آن بر خواص ماده است.

تحلیل اجزا محدود الکترومغناطیسی (Electromagnetic FEA) : این روش برای تحلیل مسائل مربوط به میدان‌های الکترومغناطیسی به کار می‌رود، مانند طراحی موتورهای الکتریکی یا تجهیزات پزشکی مانند MRI.

کاربرد FEA در صنایع

• صنعت خودرو : برای طراحی قطعات ماشین و اطمینان از ایمنی و کارایی آن‌ها.

• هوافضا: برای تحلیل استحکام و پایداری قطعات هواپیما و فضاپیما.

• مهندسی عمران: برای تحلیل سازه‌ها مانند پل‌ها، ساختمان‌ها و سدها.

• مهندسی پزشکی: برای طراحی ایمپلنت‌ها و بررسی عملکرد اعضای مصنوعی.
• الکترونیک: برای تحلیل توزیع حرارت در قطعات الکترونیکی.

نرم‌افزارهای معروف FEA

• ANSYS : یکی از محبوب‌ترین نرم‌افزارهای FEA که برای تحلیل‌های مکانیکی، حرارتی و الکترومغناطیسی استفاده می‌شود.
• ABAQUS : نرم‌افزار قدرتمند دیگری که بیشتر در صنایع خودروسازی و هوافضا کاربرد دارد.
• COMSOL Multiphysics : برای تحلیل‌های چندفیزیکی به کار می‌رود، مانند مسائل حرارتی و مکانیکی.
• SolidWorks Simulation : برای تحلیل‌های ساده‌تر در محیط SolidWorks  استفاده می‌شود.
• Autodesk Simulation : نرم‌افزار دیگری که بیشتر در تحلیل‌های مهندسی عمران و مکانیک کاربرد دارد.

در اینجا ما به بررسی اصول اساسی و کاربردهای مختلف روش تحلیل اجزا محدود (FEA) پرداختیم. اما برای درک بهتر و کامل‌تر این روش، لازم است با سیستم‌های مختصات مورد استفاده در FEA آشنا شوید. سیستم مختصات به تعیین موقعیت‌ها و توصیف دقیق رفتار اجزای مدل کمک می‌کند، که این امر به نوبه خود تأثیر مستقیمی بر دقت نتایج شبیه‌سازی دارد.

برای آشنایی بیشتر با سیستم‌های مختصات در FEA و نحوه‌ی استفاده صحیح از آن‌ها، لطفاً به بلاگ ما با عنوان «سیستم مختصات در FEA» مراجعه کنید. در این بلاگ، جزئیات و نکات کلیدی درباره‌ی انواع سیستم‌های مختصات و کاربرد آن‌ها در شبیه‌سازی‌های FEA را خواهید یافت.

آینده  FEA 

روش المان محدود (FEA) همچنان در حال پیشرفت و بهبود است. با پیشرفت‌های اخیر در محاسبات موازی  (Parallel Computing) و هوش مصنوعی، تحلیل‌های FEA سریع‌تر و دقیق‌تر شده است. همچنین، ترکیب FEA با تکنیک‌های یادگیری ماشین (Machine Learning) و داده‌کاوی (Data Mining) به بهبود پیش‌بینی‌ها و کمک به طراحی‌های نوآورانه کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

روش تحلیل اجزا محدود (FEA) ابزار بسیار قدرتمند و مفیدی است که به مهندسان و دانشمندان کمک می‌کند تا مسائل پیچیده را با دقت بالا تحلیل کنند. استفاده از این روش به جای ساخت تعداد زیادی نمونه اولیه، به کاهش هزینه‌ها و زمان طراحی کمک می‌کند. با این حال، نیاز به تخصص و دقت در استفاده از آن وجود دارد. با پیشرفت تکنولوژی، FEA به تدریج بهبود یافته و در صنایع مختلف کاربرد بیشتری پیدا کرده و به مهندسان در طراحی بهتر و پیش‌بینی مشکلات کمک می‌کند.

شرکت بنوموسی با استفاده از جدیدترین نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند ANSYS و ABAQUS، خدمات تخصصی در زمینه تحلیل اجزای محدود (FEA) ارائه می‌دهد. ما به شما کمک می‌کنیم تا با دقت بالا، عملکرد سازه‌ها و قطعات پیچیده را تحلیل کرده و بهترین تصمیمات را برای بهینه‌سازی طراحی و کاهش هزینه‌ها اتخاذ کنید.

شرکت بنوموسی با ارائه جلسات منتورینگ آباکوس راهنمای شما عزیزان در جهت رفع و بهبود ایرادات فنی و مهندسی پروژه های صنعتی و دانشجوی تان در زمینه مدل‌سازی، تحلیل، و صحت‌سنجی نتایج می باشد. این جلسات به صورت آنلاین و حضوری برگزار می‌شود و نیم ساعت اول رایگان است. برای اطلاعات بیشتر و رزرو وقت، از صفحه منتورینگ اباکوس ما دیدن کنید.

خدمات ما شامل:

• تحلیل دقیق هندسه‌های پیچیده و مواد با ویژگی‌های متفاوت
• کاهش هزینه‌ها و زمان تولید از طریق بهینه‌سازی طراحی
• ارتقای عملکرد و کیفیت قطعات بر اساس شبیه‌سازی‌های پیشرفته

برای استفاده از خدمات شبیه‌سازی و مشاوره رایگان ما، کافی است با ما تماس بگیرید. ما در تمام مراحل پروژه کنار شما هستیم تا بهترین نتایج را به‌دست آورید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت منتورینگ ، لطفاً با ما تماس بگیرید یا از وب‌سایت Banumusagr بازدید کنید. تیم ما آماده است تا شما را در دستیابی به نتایج مطلوب در تحلیل‌های عددی و شبیه‌سازی‌های مهندسی یاری کند.

راه های ارتباطی با شرکت بنوموسی :

TELEGRAM : https://t.me/BanuMusaGr

ایمیل: info@BanuMusaGr.com

تلفن همراه:  388 20 55 0915

تلفن:  35424520– 51 (98+)

آدرس: مشهد – کیلومتر 12 بزرگراه آسیایی (جاده قوچان)- جاده شهرک صنعتی توس- شهرک فناوری صنایع غذایی و بیوتکنولوژی شمال شرق- معاونت صنایع کوچک- مرکز خدمات.