نکات تولید شبکه در تحلیل المان محدود (FEA) و تشریح ارتباط سیال سازه
شبیه سازی یک ابزار حیاتی برای بسیاری از صنایع محسوب می‌شود. طبق تحقیقات گراند ویو (Grand View Research)، انتظار می‌رود بازار جهانی نرم‌افزارهای شبیه‌سازی با نرخ رشد مرکب سالانه ۱۷٫۱ درصد (CAGR) از سال ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۸ رشد کنند. این یک افزایش قابل توجه است و علت این امر در درجه اول به دلیل مزایای زیادی که نرم افزار شبیه سازی از جمله کاهش هزینه‌های توسعه محصول، آزمایش‌های فیزیکی و نمونه‌های اولیه معیوب برای تجارت‌های مختلف فراهم میکند، می‌باشد. در برنامه‌های مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) مانند شبیه‌سازی‌ها، انواع مختلفی از نرم‌افزارها برای تجزیه و تحلیل محصول شما وجود دارد، مانند آنالیز اجزای محدود (FEA)، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و بسیاری دیگر. برای انجام یک شبیه سازی CAE، سه مرحله مهم برای تجزیه و تحلیل وجود دارد: پیش پردازش، حل و پس پردازش. بیایید مرحله پیش پردازش FEA، به ویژه اهمیت یک مش با کیفیت خوب در انسیس را مورد بحث قرار دهیم.
مش بندی یکی از مهمترین مراحل در انجام یک شبیه سازی دقیق با استفاده از روش FEA است. مش از المان‌هایی که حاوی گره میباشند و شکل هندسی را پوشش می‌دهد تشکیل شده است. مش بندی فرآیند تبدیل اشکال نامنظم، به حجم های قابل تشخیصتر به نام “المان‌ها” می‌باشد.
ایجاد مش در المان محدود (FEA) به چه معناست؟
تحلیل المان محدود یک نمایش ریاضی از یک سیستم فیزیکی است که شامل یک قطعه/مجموعه، خواص مواد و شرایط مرزی است. در اکثر مواقع، نمی‌توان رفتار محصول در دنیای واقعی را با محاسبات دستی ساده تقریب زد. یک تکنیک عمومی مانند FEA با استفاده از معادلات دیفرانسیل جزئی میتواند روش مناسبی برای نمایش رفتارهای پیچیده به همراه ثبت دقیق پدیده‌های فیزیکی باشد. آنالیز المان محدود پیشرفت قابل توجهی داشته و بالغ شده و در سطح جهانی در دسترس است تا مهندسان طراح و همچنین متخصصین بتوانند از آن استفاده کنند.
مشبندی یا همان شبکه بندی یکی از مهمترین مراحل در انجام یک شبیه سازی دقیق با استفاده از روش اجزای محدود است. مش از المان‌هایی که حاوی گره میباشند (مکان‌های مختصاتی در فضا که میتوانند بر اساس نوع المان متفاوت باشند) و شکل هندسه را نشان میدهند، تشکیل شده است. یک حلگر FEA نمی‌تواند به راحتی با اشکال نامنظم کار کند و بهتر است از اشکال مکعبی شکل استفاده کرد. مشبندی فرآیند تبدیل اشکال نامنظم، به حجم‌های قابل تشخیصتر به نام “المان‌ها” می‌باشد.
قبل از شروع مش بندی، ابتدا باید یک مدل هندسی یا CAD را برای مثال در Ansys Mechanical آپلود کنید تا فرآیند شبیه سازی آغاز شود.
چگونه CAD/Geometry خود را برای مش بندی آماده کنیم؟
هنگام استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی FEA در انسیس، مانند Mechanical، مهم است که مشخص کنید چه ویژگی‌هایی از مدل CAD شما باید مش بندی شوند و چه ویژگی‌هایی نیاز به مشبندی ندارند. بسیاری از اوقات، هندسه CAD برای ساخت، بسیار پیچیده و پر جزئیات است. اما برای شبیه سازی در انسیس، ممکن است به همه جزئیات نیاز نداشته باشید، بنابراین میتوان بخش‌هایی از هندسه را در نظر نگرفت، که به معنای حذف آن جزئیات برای صرفه جویی در زمان است.
به عنوان مثال، محصول شما ممکن است دارای یک پلاک نام باشد. شما ممکن است نیازی به یادگیری اثرات فیزیکی این پلاک نداشته باشید، بنابراین میتوان برای جلوگیری از ایجاد مش، صفحه را در نظر نگرفت که این کار باعث صرفه‌جویی در مش بندی و زمان حل می‌شود.
با استفاده از Ansys SpaceClaim، پلاک نام در هندسه به راحتی حذف می‌شود تا از انجام یک تحلیل غیرضروری احتمالی روی صفحه جلوگیری شود.
یکی دیگر از جنبه‌های مهم آماده سازی مدل CAD برای شبیه سازی به کمک روش المان محدود، توصیف رابطه بین دو یا چند قسمت در هندسه است. به عنوان مثال، اگر هندسه شما گره‌هایی دارد که بین چند وجهه (یا لبه) مشترک است، مهم است که تصمیم بگیرید که یک شبکه منطبق (Conformal) باید روی آن اعمال شود یا یک شبکه غیر منطبق(Non-Conformal). از مش منطبق برای قطعاتی که با چسب یا جوش و از مش غیر منطبق برای قطعاتی که توسط مفصل‌ها یا اتصالات به یکدیگر وصل شده‌اند، استفاده می‌شود. در Ansys Mechanical، میتوانید این رویکردها را مطابق با نیازهای خود، ترکیب کنید.
انواع روش‌های شبکه بندی: چهار وجهی در مقایسه با شش وجهی
دو روش اصلی برای ایجاد مش بر روی مدل‌های سه بعدی برای حل مسائل اجزای محدود در نرم افزار انسیس وجود دارد:
- ایجاد مش با المانهای چهاروجهی یا “Tet”
- ایجاد مش با المانهای شش وجهی یا “Hex”
المانهای شش وجهی یا “آجری” معمولاً نتایج دقیق‌تری در تعداد المان کمتر در مقایسه با المانهای چهاروجهی دست می‌آورند. اگر هندسه پیچیده باشد، استفاده از المانهای چهاروجهی ممکن است بهترین انتخاب باشد. این روش‌های مشبندی پیش‌فرض یا خودکار ممکن است برای برطرف کردن نیازهای شما کافی باشد، با این حال، روش‌های دیگری وجود دارند که میتوانند کنترل مش بیشتری را در اختیار شما قرار دهند.
مشبندی ترکیبی (Hybrid meshing)
در انسیس مکانیکال، با استفاده از روش Multizone که متشکل از المانهای چهار و شش‌وجهی می‌باشد، میتوانید قسمت‌های مختلف هندسه خود را با روش‌های مختلف مش بندی کنید. این ویژگی به شما این امکان را می‌دهد که آماده‌سازی هندسی کمتری انجام دهید و کنترل بیشتری بر روی مش‌های خود داشته باشید.
شبکه بندی جارویی (Sweep meshing)
با مش بندی جارویی، مش در واقع از طریق حجم و سطوح “جارو” می‌شود تا به ایجاد یک مش کارآمد با اندازه منظم کمک کند. تصمیم‌گیری در مورد استفاده از روش مش معمولاً به نوع تجزیه و تحلیل (صریح یا ضمنی) یا فیزیک شما و همچنین میزان دقتی که در حل خود میخواهید، بستگی دارد. روش‌های دیگری مانند مشبندی دکارتی و چهاروجهی‌های لایه‌ای در انسیس وجود دارند که برای تجزیه و تحلیل‌های خاص مانند تولید افزودنی استفاده می‌شوند.
روش‌های کنترل مش
با استفاده از کنترل‌های مش، میتوان شبکه دقیق‌تری روی هندسه ایجاد کرد. انسیس مکانیکال شما را قادر میسازد به جای مش سراسری، که کل CAD را با یک روش مش بندی میکند، مش های محلی (Local) را کنترل کنید. برخی از نمونه‌های کنترل‌های شبکه بندی محلی شامل اندازه‌گزاری محلی و استفاده از بدنه‌ی مجازی (Boi) برای ریزکردن شبکه در ناحیه‌ی خاص می‌باشد.
به عنوان مثال یک قاب موتورسیکلت (شاسی) را در نظر بگیرید که قرار است تحلیل جامداتی و اجزای محدود روی آن صورت بگیرد (به عنوان مثال تحلیل تنش و کرنش). ممکن است بخواهید یک مش کلی بر روی کل هندسه اعمال کنید؛ اما بهتر است از روش‌های متفاوتی در جاهایی که اتصالات جوش و پیچ و مهره هستند استفاده کنید. استفاده از کنترل‌های مشبندی محلی به شما این امکان را می‌دهد که مش باکیفیت‌تری در این مکان‌ها ایجاد کنید و کل موتورسیکلت را با المان های کوچک شبکه بندی نکنید که این کار از طولانی شدن زمان حل، جلوگیری میکند.
چرا شبکه باید از کیفیت خوبی در حل مسائل المان محدود برخوردار باشد؟
به زبان ساده، یک مش با کیفیت خوب به نتایج دقیق‌تر منتهی می‌شود. مش بی کیفیت باعث مشکلاتی در همگرایی می‌شود که میتواند منجر به نتایج نادرست و نتیجه‌گیری غلط شود.
کیفیت مش شما به چند سناریو بستگی دارد:
- چه نوع تحلیلی انجام میدهید.
- چقدر زمان میخواهید برای ایجاد مش صرف کنید.
- چقدر زمان میخواهید به حل کردن مسئله اختصاص دهید.
در برخی موارد، ممکن است به دنبال یک حل سریع باشید و نخواهید زمان زیادی را برای تنظیم مش خود صرف کنید. در مواقع دیگر، ممکن است یک حل یا نتیجه بسیار دقیق مدنظر باشد که لازم است مش خود با روش‌ها و کنترل‌های مختلف ایجاد کنید و این امر به زمان و تلاش بیشتری نیاز دارد.
یک مش خوب دارای معیار کیفیتی است که با نیازهای شما (نوع تجزیه و تحلیل، سطح دقت، زمان) مانند کیفیت المان‌ها و نسبت ابعاد مطابقت دارد. در نهایت، ما توصیه میکنیم هندسه خود را درک کنید و از ابزارهای موجود برای ایجاد بهترین مش ممکن استفاده کنید – که در نهایت منجر به طراحی بهتر محصول می‌شود.
برای آموزش نحوه‌ی تولید شبکه در مسائل المان محدود، دوره‌ی آموزشی “ انجام تحلیل‌های جامداتی در انسیس ” پیشهاد می‌شود.
