top of page

Step-by-Step Guide to Performing Finite Element Analysis (FEA) in Engineering Projects

Updated: Apr 28, 2023

เคยมั้ย? ตอนเราเรียน อาจารย์มักจะพูดถึงการออกแบบ หรือวิเคราะห์ความเสียหายงานทางด้านวิศวกรรมโดยใช้คำว่า “Finite element analysis หรือ FEA”

Finite element analysis หรือ FEA คืออะไร?

Finite element analysis หรือ FEA ก็คือเทคนิคการวิเคราะห์เชิงตัวเลขสำหรับการหาคำตอบโดยประมาณของสมการเชิงอนุพันธ์ ซึ่งปัจจุบันก็จะมีหลากหลายโปรแกรมที่ได้ถูกพัฒนาเพื่อใช้วิเคราะห์ปัญหาต่าง ๆ โดยมีตัวอย่างการใช้งานต่าง ๆ ดังบทความดังนี้


แม้ว่าเราจะเข้าใจทฤษฎีพื้นฐานของ FEA แล้ว แต่ปัญหาของนักทำ FEA มือใหม่นั้นคงหนีไม่พ้นว่า เราจะเริ่มต้นสร้าง FE-model จากตรงไหนก่อน


บทความนี้จะเล่าลำดับขั้นตอนการทำ FEA และแสดงตัวอย่าง โดยใช้โปรแกรมที่ชื่อว่า Abaqus ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในปัจจุบัน


ก่อนอื่นต้องเกริ่นถึงภาพรวมของกระบวนการการทำ FEA ก่อน โดยที่ขั้นตอนหลักที่เราต้องลงมือทำแบ่งออกเป็น ขั้นแรกสร้าง part หรือการ import ตัว part จากโปรแกรมอื่นเข้ามาที่โปรแกรมคำนวณ ถัดมาเป็นการปรับ part ของเราให้กลายเป็น FE-model สำหรับการคำนวณ ขั้นตอนสุดท้ายก็วิเคราะห์ผลการคำนวณ


โดยในตัว Abaqus เองนั้นจะมี module ให้เราทำงานตามลำดับอยู่แล้ว ซึ่งจะประกอบด้วย


  1. "Part" การสร้าง part หรือการ import part

  2. "Properties" การกำหนดสมบัติของวัสดุให้เหมาะกับปัญหาที่ต้องการวิเคราะห์

  3. "Assembly" การนำโมเดลที่มีมากกว่า 1 ชิ้นมาประกอบเข้าด้วยกัน

  4. "Step" การกำหนดช่วงเวลาในการคำนวณ

  5. "Interaction" การกำหนดสมบัติการประกอบเข้าด้วยกันหรือมีปฏิสัมพันธ์แบบอื่น ๆ

  6. "Load" การกำหนดรูปแบบของภาระและเงื่อนไขขอบเขต

  7. "Mesh" การทำ mesh และเลือกรูปแบบของ element

  8. "Jobs" การสร้างไฟล์เพื่อเริ่มคำนวณ

  9. "Visualization" การแสดงผลลัพธ์ของการคำนวณ


โดยที่


1. "Part" เป็น module ที่มีไว้สำหรับการสร้าง part หรือ import part จากโปรแกรมอื่น ซึ่งมีคำสั่งที่สำคัญ เช่น การปรับหรือการซ่อมตัว part ที่ไม่สมบูรณ์ตอน import เข้ามา คลิปด้านล่างแสดงตัวอย่างการ import part จาก file นามสกุล .stp และทำการปรับแก้ไขรูปร่างให้ง่ายต่อการทำงานต่อไป



2. "Properties" เป็น module สำหรับกำหนดสมบัติของวัสดุให้เหมาะกับปัญหาที่ต้องการวิเคราะห์ เช่น elastic properties เหมาะสำหรับวัสดุโลหะหรือพลาสติก หรือ hyper elastic เหมาะสำหรับวัสดุยาง เป็นต้น



3. "Assembly" เป็น module ที่นำโมเดลที่มีมากกว่า 1 ชิ้นมาประกอบเข้าด้วยกัน



4. "Step" เป็น module สำหรับกำหนดช่วงเวลาในการคำนวณ เช่น เราอยากวิเคราะห์ปัญหาแบบ static หรือ dynamic



5. "Interaction" เป็น module สำหรับการกำหนดสมบัติการประกอบเข้าด้วยกันหรือมีปฏิสัมพันธ์แบบอื่น ๆ สำหรับ model ที่มีมากกว่า 1 ชิ้น ขึ้นไป ที่มีการประกอบและสัมผัสกันเราจำเป็นจะต้องกำหนดค่าระหว่างพื้นผิวต่าง ๆ ให้เหมาะสม เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานระหว่างวัสดุ หรือการกำหนดให้ FE-model ของเรานั้นมองเห็นขอบเขตของผิวสัมผัสในรูปแบบของ node หรือ surface เป็นต้น



6."Load" เป็น module สำหรับการกำหนดรูปแบบของภาระและเงื่อนไขขอบเขต เพื่อที่จะจำลองสภาวะต่าง ๆ ใน FE-model ให้สอดคล้องกับความเป็นจริง ดังนั้นเราจำเป็นต้องรู้จัก free body diagram ของชิ้นส่วนที่เราต้องการคำนวณก่อน จากนั้นเราจึงแปลงค่า free body diagram มาเป็น load และ boundary condition ข้อควรระวังสำหรับมือใหม่ก็คือเรามักจะ set ค่าผิดได้ง่ายมาก เนื่องจากนักทำ FEA บางคนนั้นค่อนข้างมีประสบการณ์ในการทดสอบทางด้านวิศวกรรมค่อนข้างน้อยจึงไม่สามารถเชื่อมโยงสิ่งต่าง ๆ เข้าไปในตัว FE-model ได้



7. "Mesh" เป็น module การทำ mesh และเลือกรูปแบบของ element ซึ่งก่อนจะคำนวณเราต้องกำหนด element ลงไปในตัว FE-model ของเราก่อนและเลือกขนาดให้เหมาะสมกับสิ่งที่เราต้องการคำนวณ ซึ่งวิธีการเลือกขนาดให้เหมาะสมนั้นจำเป็นต้อง validate ผลด้วยการทดสอบก่อน เช่น เทียบผลค่าความเครียด (strain) หรือในกรณีที่เราไม่สามารถทำการทดสอบได้ อีกวิธีนึงที่เหมาะสมทางอ้อมก็คือการทำ mesh sensitivity โดยดูผลการคำนวณ stress ที่ convergence เทียบกับขนาดที่เปลี่ยนไปของ element



8. "Jobs" เป็น module สำหรับการสร้างไฟล์เพื่อเริ่มคำนวณ ในหมวดนี้เป็นการเปลี่ยนไฟล์ FE-model ของเรามาอยู่ในรูปแบบภาษา python ซึ่งอยู่ในรูปแบบของไฟล์นามสกุล .inp อีกทั้งยังสามารถ monitor การคำนวณว่าถึงไหนแล้ว และมีสถานะการคำนวณเป็นอย่างไร



9. "Visualization" เป็น module สำหรับการแสดงผลลัพธ์ของการคำนวณ ในรูปแบบของไฟล์ .odb ซึ่งสามารถแสดงแถบสีค่าที่เราสนใจ หรือสามารถดึงออกมาเป็นตัวเลขในตำแหน่งที่เราสนใจได้ โดยบทความนี้จะยังไม่ลงรายละเอียดมาก เพราะส่วนแสดงผลนี้มีการทำงานได้หลากหลาย



ทั้งหมดที่ได้กล่าวมานั้น เราเชื่อว่านัก FEA มือใหม่คงพอจะเข้าใจและเห็นภาพมากขึ้นเกี่ยวกับ FEA เอาละเพื่อให้คุณเข้าใจกระบวนการมากขึ้น ถึงตาคุณแล้วที่จะลงมือทำ Let’s go!


 

เยี่ยมชมร้านค้า FE-model ได้ที่นี่:


429 views0 comments

Comments


bottom of page