کاربردهای روش اجزاء محدود

اهداف آموزش: ضرورت استفاده از روش اجزاء محدود، کاربردهای روش اجزاء محدود، اجزای محدود در مهندسی، نانوتکنولوژی و اجزای محدود، کاربرد FEM در طراحی اجزاء

در پست قبلی در مورد تاریخچه روش اجزا محدود کمی صحبت شد حالا می رسیم به ضرورت بکارگیری و کاربردهای روش اجزا محدود. با ما باشید.

چرا اجزای محدود؟

پیچیدگی هندسی، رفتار پیچیده ماده، شرایط مرزی و نیز بارگذاری‌های متنوع موجود در مسائل، واقعیت رسیدن به حل دقیق را با دشواری‌های فراوان روبرو ساخته است. استفاده از حل‌های تقریبی با دقت قابل قبول که در زمان محدود به‌دست می‌آید، گشایشی عظیم در حل این مسائل به‌شمار می‌رود. روش اجزای محدود یکی از بهترین انتخاب‌ها در این زمینه است. این روش، یک راه حل عددی برای رسیدن به حل تقریبی در بسیاری از مسائل فیزیکی و مهندسی است که رفتار حاکم بر آن‌ها به‌کمک یک (و یا یک دستگاه) از معادلات دیفرانسیل بیان می‌شود. در روش اجزاء محدود از توابع پیوسته چند تکه‌ای و هموار برای تقریب کمیت مجهول مورد نظر سود برده می‌شود. هدف اصلی در این روش، یافتن حل یک مسأله پیچیده از طریق جایگزینی آن با یک مدل ساده‌تر است. روش اجزای محدود استفاده وسیعی در بسیاری از کاربردهای مهندسی و غیرمهندسی نظیر پزشکی و دندانپزشکی پیدا نموده و نرم‌افزارهای تجاری بسیار متنوعی بر اساس تحلیل اجزای محدود به بازار عرضه شده است. با هدف آشنایی اولیه با کاربردهای این روش، به‌صورت مجمل به شرح برخی از آن‌ها می‌پردازیم.

حوزه‌های کاربرد اجزاء محدود

• طراحی ماشین به‌کمک کامپیوتر

امروزه بسیاری از قطعات مکانیکی که از شکل هندسی بسیار پیچیده‌ای برخوردار هستند و طراحی آن‌ها با روش‌های تحلیلی امکان‌پذیر نمی‌باشد به کمک اجزای محدود صورت می‌گیرد. این نوع از طراحی را شبیه‌سازی به کمک کامپیوتر می‌نامند.

• شبیه‌سازی فرآیندهای شکل‌دهی فلزات

بسیاری از فرآیندهای شکل‌دهی فلزات از قبیل کشش ورق، کشش سیم، حدیده‌کاری، نورد، فورج (آهنگری) و ماشین‌کاری را می‌توان با استفاده از روش اجزای محدود تحلیل نمود و تحولاتی را که در جریان تغییر شکل ماده رخ می‌دهد مشاهده کرد. این امر به محقق امکان می‌دهد تا بتواند تأثیر پارامترهای مختلف طراحی را بر روی قطعه پیش‌بینی کند.

• مسائل دینامیکی

یکی از موضوعات مهم در مهندسی مکانیک، تحلیل پرتابه‌ها و بالستیک‌ها می‌باشد. ظراحی زره‌ها نظیر جلیقه ضد گلوله و کلاه‌خود، تانک‌ها و نفربرهای زرهی در برابر نفوذ گلوله، مقاومت سنگر و آشیانه‌های بتنی در مقابل بمب و موشک، برخورد اجرام آسمانی با بدنه ماهواره‌ها و برعکس(طراحی گلوله، موشک و سایر پرتابه‌ها برای رسیدن به نفوذپذیری بیشتر) از جمله مباحث مطروحه در این حوزه است.

• شبیه‌سازی شکست

شکست در بسیاری از قطعات تحت بارگذاری به‌ویژه بارهای نوسانی ممکن است رخ دهد. شبیه‌سازی این پدیده که به لحاظ طبیعت آماری و فیزیکی بسیار مشکل است از مباحث بسیار مهم در مهندسی مکانیک به‌شمار رفته و سال‌ها موضوع تحقیق پژوهشگران متعددی بوده است. از آن‌جا که پیش‌بینی شکست در بسیاری از کاربردهای مهندسی از قبیل تغییر شکل فلزات، برخورد پرتابه‌ها با اهداف، تصادف، قطعات تحت بارهای نوسانی نظیر پره‌های توربین، قطعات خودرو و بسیاری از موارد دیگر از اهمیت زیادی در طراحی برخوردار است، تئوری‌ها و مدل‌های بسیاری توسط محققین ارائه و این نظریه‌ها و مدل‌ها در نرم‌افزارهای اجزای محدود اجرا شده‌اند.

• علوم پزشکی

با تحول شگرفی که در زمینه ساخت اجزای مصنوعی بدن مانند دریچه قلب، قلب مصنوعی، پروتزهای مفصلی، کاشت دندان، پروتزهای شنوایی، دست و پاهای مصنوعی و غیره ایجاد گردیده، تحلیل این اجزای مصنوعی و بررسی عملکرد و پیوند آن‌ها و نیز عکس‌العمل بافت‌های بدن در برابر آن‌ها از مسائلی است که می‌وان آن‌ها را با استفاده از روش اجزای محدود مورد تحلیل دقیق قرار داد.

• طراحی سازه‌ها

سازه‌ها طیف بسیار گسترده‌ای از کاربردهای مهندسی به‌ویژه مهندسی عمران را تشکیل می‌دهند. سازه‌های اسکلت فلزی و بتنی مجزا نظیر سازه‌های خرپائی و قابی در پل‌ها و دکل‌های برق و سازه‌های پیوسته مانند سدها، تونل‌ها و گنبدها، مخازن نگه‌داری سوخت و بسیاری از موارد دیگر از جمله سازه‌هایی هستند که عمدتاً با روش اجزای محدود مورد تحلیل قرار می‌گیرند.

• کشاورزی و آب

امروزه روش اجزای محدود به‌وفور در علوم کشاورزی و آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. نفوذ آب و املاح در خاک برای آبیاری در کشاورزی و نفوذ آلودگی‌ها از قبیل آلودگی ناشی از دفن زباله‌های شهری در سفره‌های آب زیرزمینی برای مطالعات زیست محیطی از جمله کاربردهای روش اجزای محدود در بخش آب و کشاورزی می‌باشد.

• نانوتکنولوژی

یکی از تکنولوژی‌های نو که با رشد بسیار فزاینده خود نقش مهمی در بهبود زندگی بشر ایفا کرده نانوتکنولوژی است. در این میان، نانوذرات و به‌شکل خاص نانولوله‌های کربنی از اهمیت بسزائی برخوردارند. خوشبختانه، روش اجزای محدود توانسته تا حد زیادی در این شاخه از تکنولوژی نیز قابلیت‌های کاربردی خود را نشان داده و امروزه روشی تحت عنوان روش اجزای محدود مقیاس اتمی برای مطالعه عددی بسیاری از بررسی‌های مقیاس نانو مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• شبیه‌سازی آزمایش‌ها

بسیاری از مطالعات و تحقیقات مهندسی از طریق آزمایش صورت می‌گیرد. آزمایش‌ها عموماً زمان‌بر بوده و به تجهیزات گران‌قیمت و پیچیده نیاز دارند. به‌علاوه، نتایج آزمایشی بدست آمده از طریق ابزارهای اندازه‌گیری همواره مورد سوال بوده و حتی نتلیج حاصل از چند بررسی با دستگاه‌های مختلف ممکن است منجر به جواب‌های متفاوت گردد. شبیه‌سازی‌های عددی توانسته‌اند در بسیاری از موارد جایگزین روش‌های آزمایشی شوند و علاوه بر ارزانی و سهولت، دقت بالایی را ارائه نمایند. بعلاوه، شبیه‌سازی‌های عددی را می‌توان در مواردی که امکان بررسی آزمایشی وجود ندارد مورد استفاده قرار داد.

مرجع برای مطالعه بیشتر علاقمندان : The Finite Element Method, G.R.Liu and S.S.Quek ; Butterworth-Heinemann Press

منبع : آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک