تحلیل اجزای محدود (FEA)، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و دینامیک چند بدنه (MBD) سه نوع شبیه سازی پرکاربرد در مهندسی هستند که هرکدام برای حل مسائل خاصی طراحی شدهاند.
تکنیکهای شبیهسازی یک یا چند روش را برای حل مسائل فیزیکی به کار میبرند. مهندسان بسته به مسئلهای که نیاز به حل آن دارند یا ویژگیهایی که باید تحلیل شوند، یک تکنیک را انتخاب میکنند. به عنوان مثال، تحلیل المان محدود (FEA) معمولاً برای تحلیلهای سازهای و حرارتی استفاده میشود، در حالی که دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای مسائل جریان سیال اختصاص دارد.
همچنین بخوانید: طراحی مبتنی بر مدل و 12 اصطلاح مرتبط با آن
اگرچه بسیاری از پلتفرمهای نرمافزاری از یک تکنیک خاص برای حل مسائل خاص استفاده میکنند، نرمافزارهای شبیهسازی چندفیزیکی از چندین تکنیک برای حل همزمان چندین مسئله استفاده میکنند. نرم افزار های چندفیزیکی همچنین به تعاملات پدیده های فیزیکی مختلف و اینکه چگونه این تعاملات بر عملکرد سیستم، ساختار یا اجزا تأثیر میگذارند، توجه میکنند. اگرچه این مقاله به طور جداگانه به تکنیک های FEA، CFD و دینامیک چندبدنه (MBD) میپردازد، اما ابزارهای نرمافزاری چندفیزیکی معمولاً همه این تکنیکها را در یک پلتفرم ترکیب میکنند.
همچنین بخوانید : شبیه سازی هیبریدی در مهندسی معکوس
شبیه سازی تحلیل المان محدود (FEA)
1.تعریف و کاربرد ها
تحلیل المان محدود (FEA) یک تکنیک محاسباتی است که برای تحلیل رفتار سازهها و اجزای پیچیده تحت شرایط مشخص به کار میرود. اگرچه اصطلاحات FEA و FEM (روش المان محدود) اغلب به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما FEM به روش گسسته سازی اشاره دارد و FEA به تکنیک تحلیلی که از FEM استفاده میکند.
شبیهسازی FEA در صنایع مختلف برای کاربردهای متفاوت به طور گستردهای استفاده میشود، از جمله:
- تحلیل سازهای ایستا و دینامیک: ارزیابی استحکام و دوام سازهها یا اجزا تحت شرایط پایدار و متغیر.
- تحلیل مدال: درک ویژگیهای ارتعاش طبیعی سازهها یا اجزا و پیشبینی عملکرد آنها تحت شرایط مختلف.
- تحلیل حرارتی: مطالعه توزیع حرارت و تنشهای حرارتی در اجزا.
- دینامیک سیالات: شبیهسازی جریان سیال و تعامل آن با سازهها (اغلب با CFD ترکیب میشود).
- تحلیل الکترومغناطیسی: بررسی میدانهای الکترومغناطیسی در دستگاههای الکتریکی.
- بیومکانیک: درک رفتار بافتهای بیولوژیکی برای طراحی ایمپلنت های پزشکی.
2.روش شبیه سازی:
در مرحله پیشپردازش FEA، مهندسان یک مدل را به تعداد محدودی از عناصر کوچکتر تقسیم میکنند تا یک مش ایجاد کنند. آنها انواع مختلفی از عناصر، از جمله عناصر 1 بعدی، 2 بعدی یا 3 بعدی را بر اساس هندسه مدل و ماهیت مسئله انتخاب میکنند. به عنوان مثال، مهندسان هوافضا ممکن است از عناصر 1 بعدی برای قابهای بدنه، عناصر 2 بعدی برای سطح بیرونی هواپیما و عناصر 3 بعدی، معمولاً عناصر تترا یا هگزا، برای چرخدندههای فرود استفاده کنند.
FEA میتواند برای تخمین تنش و تغییر شکل سازهها تحت بار استفاده شود. سپس، مهندسان ویژگیهای ماده را برای هر مادهای که در مدل استفاده میشود، مشخص میکنند. این ویژگیها شامل مدول یانگ و نسبت پواسون هستند که مشخص میکنند یک ماده تحت تنش چگونه تغییر شکل میدهد. مهندسان همچنین شرایط مرزی، از جمله محدودیتها و بارهای اعمال شده به مدل را تعریف میکنند. نرمافزار FEA از ویژگیهای ماده و شرایط مرزی برای ساخت ماتریسهای ریاضی برای هر عنصر استفاده میکند. سپس سیستم معادلات را حل میکند و در نتیجه پاسخ ماده به بارهای اعمال شده را پیشبینی میکند.
در مرحله پسپردازش، مهندسان نتایج، مانند میدانهای جابجایی، توزیعهای تنش و نقاط شکست بالقوه را تحلیل میکنند تا عملکرد و ایمنی طراحی را ارزیابی کنند.
همچنین به عنوان مثالی از شبیه سازی FEA بخوانید : شبیه سازی فنر با سالیدورک
شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)
1.تعریف و کاربردها
CFD یک تکنیک شبیهسازی است که به طور گستردهای برای تحلیل رفتار سیالات (مایعات و گازها) و تعاملات آنها با سطوح استفاده میشود. معادلات بنیادی حاکم بر جریان سیال، معادلات ناویه-استوکس هستند که از قوانین حفظ جرم، تکانه و انرژی مشتق شدهاند. حلکننده های CFD اغلب از روش حجم محدود (FVM) برای گسستهسازی این معادلات استفاده میکنند، اما در برخی مسائل سادهتر، از روش تفاضل محدود (FDM) نیز استفاده میشود. همچنین میتوان از FEM استفاده کرد، اما این روش به دلیل نیاز به تعداد زیادی عنصر، هزینه محاسباتی بالایی دارد.
نرمافزار شبیهسازی CFD جریانهای سیال را که داخلی یا خارجی به یک مدل هستند، تحلیل میکند. مدلهای CFD خارجی معمولاً برای تکمیل، اطلاعرسانی یا جایگزینی آزمایشهای تونل باد و آیرودینامیکی در بخشهای هوافضا و خودروسازی استفاده میشوند. شبیهسازیهای CFD داخلی نیز در این صنایع برای کمک به طراحی و بهینهسازی جریانهای سوخت، دودهای خروجی یا احتراق داخلی مرتبط با موتور خودرو استفاده میشوند. شبیهسازیهای CFD همچنین میتوانند فرآیندهای اختلاط، انتقال حرارت، واکنشهای شیمیایی و دیگر پدیدههایی که شامل جریان گازها یا مایعات هستند را مدلسازی کنند.
2.مراحل و چالشهای شبیهسازی
مهندسان با وارد کردن هندسه آزمایش از CAD به نرمافزار CFD شروع میکنند. هندسه در شبیهسازی، با سادهسازی اشکال پیچیده که محاسبات را بدون تأثیر بر نتایج افزایش میدهند، توسط ابزارهای موجود در نرمافزار پیشپردازش میشود. سپس، مهندسان مشخص میکنند که آیا میدان جریان داخلی یا خارجی است. هنگامی که سیال در یک محیط بسته جریان یابد، جریان داخلی است و هنگامی که در فضایی باز جریان یابد، جریان خارجی است. هنگام انتخاب یک میدان جریان خارجی، مهندسان باید همچنین مشخص کنند که جریان سیال تا چه فاصلهای از هندسه ورودی محاسبه خواهد شد. سپس شرایط اولیه، مدلهای جریان و ویژگیهای مواد را وارد میکنند.
هنگام استفاده از شبیهسازی CFD باید توجه زیادی به مدلهای جریان انتخابی، بهویژه هنگام برخورد با جریانهای آشفته داشت. جریانهای آشفته با تغییرات تصادفی و بینظم در فشار و سرعت جریان مشخص میشوند. چندین کلاس مدل برای شبیهسازی آشفتگی استفاده میشود، مانند شبیهسازی عددی مستقیم (DNS)، شبیهسازی گردابه بزرگ (LES) و مدلهای ناویه-استوکس میانگین رینولدز (RANS). مدلهای مختلف آشفتگی ممکن است برای برخی کاربردها، هندسهها، سیالات، حجمهای جریانی، مقیاسها و میدانهای جریانی داخلی یا خارجی مناسبتر باشند.
سپس، هندسه معمولاً به سلولهای کوچک گسسته مشبندی میشود تا مسئله به بخشهای کوچکتر تقسیم شود و حل معادلات حاکم را آسانتر کند. این ورودیها سپس به یک حلکننده CFD منتقل میشوند تا محاسبات را تکرار کنند تا نتایج آنها به یک پاسخ همگرا شود.
همچنین به عنوان مثالی از شبیه سازی CFD بخوانید : شبیه سازی همزن با سالیدورک
شبیه سازی دینامیک چند بدنه (MBD)
در دنیای شبیهسازی ، MBD به متحرک سازی یک سیستم اسمبلی چند قطعه ای اشاره دارد، نه توسعه مبتنی بر مدل. توسعه مبتنی بر مدل یک ویژگی در نرم افزار های مدل سازی است که به کاربران این امکان را میدهد که اطلاعات قطعات مورد شبیه سازی را با یک مدل سه بعدی مرتبط کنند و آن را به یک منبع واحد برای آن قطعه تبدیل کنند.
شبیهسازیهای MBD سیستم های اسمبلی را که از قطعات سخت یا الاستیک تشکیل شدهاند، ارزیابی میکنند. با استفاده از معادلات حرکت، نرمافزار هر قسمت از سیستم را بر اساس جرم، مرکز جرم، ممان و ویژگیهای آن پس از اعمال نیروها یا گشتاورهای داخلی و خارجی ارزیابی میکند. حرکاتی که شبیه سازی های MBD ممکن است توصیف کنند شامل حرکات انتقالی و چرخشی قطعات هواپیما، تجهیزات ساختمانی، رباتها، وسایل نقلیه یا هر سیستم دیگری با قطعات متحرک است. برخی از ارزیابیهایی که مهندسان میتوانند با استفاده از MBD انجام دهند شامل مطالعه نویز، لرزش و سختی (NVH)، عملکرد وسیله نقلیه، سیستمهای کنترل الکترونیکی و غیره است.
نرمافزار شبیهسازی MBD میتواند برای تحلیل عملکرد بازوهای رباتیک استفاده شود. درست مانند تعریف مبتنی بر مدل، شبیهسازی MBD اغلب در اوایل چرخه توسعه محصول برای آزمایش مجازی عملکرد یک طراحی قبل از تولید فیزیکی استفاده میشود.
شبیهسازیهای MBD همچنین میتوانند در دوقلوهای دیجیتال برای نظارت و ارزیابی اجزای دنیای واقعی استفاده شوند. دوقلوهای دیجیتال MBD به ارزیابی حرکت سیستم های دنیای واقعی میپردازند. در حالی که دوقلوهای دیجیتال مبتنی بر طراحی مدل به طور سنتی سیستمهای صنعتی را ارزیابی میکنند.
همچنین به عنوان مثالی از شبیه سازی MBD بخوانید : محاسبات قدرت با سالیدورک
مقایسه کلی
در جدل زیر سه روش به طور کلی مقایسه شده اند
| جنبه | FEA | CFD | MBD |
|---|---|---|---|
| تمرکز | تنش، تغییرشکل، حرارت | جریان سیال و انتقال حرارت | حرکت و تعامل اجزا |
| روش اصلی | روش اجزای محدود (FEM) | حجم محدود یا تفاضل محدود | معادلات حرکت |
| فیزیک کلیدی | مکانیک جامدات | مکانیک سیالات | مکانیک سیستمهای متحرک |
| مثالها | تنش در بدنه هواپیما | کشش آیرودینامیکی خودروها | تحلیل حرکت بازوی رباتیک |