مقاله تحلیلی: طراحی بر اساس تنش، کرنش یا صلبیت؟

طراحی به چه معنا است؟

چیزی که من در مورد آنالیز المان محدود (FEA) دوست دارم این است که از آن می‌توانیم به‌عنوان یک ابزار استفاده کنیم. FEA یک گوی کریستالی نیست که به‌سادگی جواب‌ها را بدهد و من فکر می‌کنم که همین ویژگی آن را فوق‌العاده کرده است!

وقتی آنالیزی انجام می‌شود، بدیهی است که نتایجی حاصل خواهد شد. این به شما بستگی دارد که با نتایج چه‌کاری انجام دهید؟

واضح است که به پس پردازش نتایج نیاز دارید... سؤال این است که- این به چه معناست؟

همه چیز با تنش شروع می‌شود!

من فکر می‌کنم که شما چه یک فرد مبتدی باشید یا یک فرد حرفه‌ای، سطح تنش را در مدل بررسی خواهید کرد. واضح است که این کار باید انجام شود. تنش به‌خوبی نشان می‌دهد که چه مقدار به مدل شما آسیب وارد می‌شود- چیزی که قطعاً می‌خواهید بدانید.

بررسی‌های معمولی در واقع بدان معناست که شما تنش فون مایزز را طرح‌ریزی خواهید کرد و بعد بررسی می‌کنید که تنش‌ها چقدر بزرگ هستند. ممکن است شبیه به این باشد:

 هنگامی‌که بررسی تنش فون مایزز معادل، عالی باشد، کارهای دیگر ارزش انجام دادن دارند. یکی از آن‌ها بررسی مؤلفه‌های مختلف تنش است. زمانی که تنش معادل به‌خوبی میزان آسیب وارده به مدل را منعکس کند، مؤلفه‌های تنش روندی که اتفاق می‌افتد را نشان خواهند داد.

من فکر می‌کنم خوب است راجع به آن این‌گونه فکر کنیم: اتفاقی که در مدل رخ می‌دهد امری نسبتاً پیچیده است. غیرممکن است که بتوانیم آن را با یک عدد توصیف کنیم.

کاملاً درست است که حتی نتوانید بگویید که تنش از برش ناشی شده یا از خمش، یا حتی نمی‌توانید بگویید که مدل شما در کشش است یا در فشار! به این دلیل زمانی که تنش‌ها را بررسی می‌کنید بهتر است از یک روش فون مایزز کمی ساده‌تر استفاده کنید.

جنبه‌های مثبت و منفی طراحی تنش

طراحی تنش تا زمانی که تسلیم شروع شود واقعاً عالی کار می‌کند. سپس بسته به آنالیز دو اتفاق ممکن است رخ دهد:

• اگر از آنالیز خطی استفاده می‌کنید تنش‌هایی به دست خواهید آورد که بسیار بزرگ‌تر از تسلیم هستند و مفهوم فیزیکی واقعی ندارند.

• اگر شما از آنالیز غیرخطی مصالح استفاده می‌کنید بعد از تسلیم، تنش بسته به مدل مصالح تقریباً ثابت باقی می‌ماند (یا کاملاً ثابت). به این معنی که نتیجه‌گیری هنگامی‌که ناحیه قرمز بزرگ‌تر و بزرگ‌تر می‌شود، سخت خواهد بود.

 دلیل این است که معمولاً در مدل‌هایی که تنش‌هایی بزرگ‌تر از تسلیم ندارند، از تنش به‌عنوان شاخص آسیب به مدل استفاده می‌شود. در چنین مواردی، جواب‌ها بدون هیچ شکی واضح هستند.

هرچه شما سراغ مدل‌هایی با تنش بالاتر بروید که تسلیم ممکن است رخ دهد مسائل بیشتر و بیشتر نیاز به مهارت دارند.

چیزهایی که باید راجع به طراحی تنش بدانیم:

• بررسی فراتر از تنش فون مایزز معقول است. تنش معادل (فون مایزز) مناسب است، زیرا آسیب کلی را نشان می‌دهد، ولی درک مؤلفه‌های مختلف تنش (مانند تنش نرمال در جهت X) به شما می‌گوید که در مدل چه می‌گذرد.
• بر اساس ناحیه‌ی قرمز حدس نزنید! اگر شما تنش‌هایی بالاتر از تسلیم دارید نتیجه‌گیری درباره‌ی ظرفیت سخت خواهد شد. راه‌های دیگری برای این کار وجود دارد.

کرنش دوست شماست

این چیزی است که من سال‌ها برای فهمیدن آن در تلاش بودم! به نظر گامی منطقی می‌آید، ولی من به نحوی آن را فراموش می‌کردم... من آنالیز تنش را انجام می‌دادم و فروپاشی پلاستیک را بررسی می‌کردم، ولی مقادیر کرنش پلاستیک را بررسی نمی‌کردم. چند مدت پیش انجام این کار را شروع کردم و حالا اطمینان بیشتری دارم.

همان‌طور که در بالا اشاره کردم، استفاده از آنالیز خطی تنش امکان شناخت آنچه واقعاً در مدل آنالیز اتفاق می‌افتد را می‌دهد. بااین‌حال، هنگام استفاده از آنالیز غیرخطی پاسخ دقیقه مشخص نیست.

مگر اینکه کرنش‌های پلاستیک را بررسی کنید. می‌بینید که وقتی ماده تسلیم می‌شود تنش برای مدتی کم‌وبیش ثابت باقی می‌ماند. هرچند، کرنش پلاستیک به‌طور مداوم افزایش پیدا می‌یابد.

این بدان معناست که وقتی تنش در این ناحیه ثابت می‌شود (به دلیل تسلیم)، به‌سادگی می‌توانید کرنش را بررسی کنید. حتی آیین‌نامه‌هایی هم وجود دارد (مانند DNV-RP-C208) که نشان می‌دهند چه مقدار کرنش در حالت‌های مختلف یا در شرایط مختلف مجاز است. این مسئله آن را برای استفاده در آنالیز غیرخطی مصالح بسیار آسان می‌کند.

آیا طراحی مبتنی بر کرنش وجود دارد؟

من نظر کسی را خواندم که نوشته بود کاربران بی‌تجربه در طراحی از تنش استفاده می‌کنند. این در حالی است که کاربران باتجربه از کرنش استفاده می‌کنند.

من فکر می‌کنم وقتی‌که مسئله مربوط به FEA می‌شود، استفاده از کرنش در طراحی یکی از گام‌های اصلی است.

چیزهایی که باید در مورد طراحی کرنش بدانیم:

• اگر از نتایج تنش چیزی متوجه نمی‌شوید، می‌توانید از کرنش کمک بگیرید! در آنالیز غیرخطی مصالح، بررسی کرنش پلاستیک تمام اطلاعاتی که در مورد منحنی ظرفیت مصالح نیاز دارید را در اختیار شما قرار می‌دهد! تنها کرنش محدودی را که قبول خواهید کرد، تعیین کنید. فقط فراموش نکنید که در صورت لزوم، همگرایی مِش را بررسی کنید!
• کرنش تمام چیزی نیست که وجود دارد! باوجود اینکه تنش شاخص خوبی از اینکه در ماده چه می‌گذرد است اما بررسی پایداری مدل را فراموش نکنید. حتی اگر کمانش الاستیک نیز مسئله‌ای نباشد، کمانش پلاستیک ممکن است اتفاق بیفتد. آگاه باشید که حتی اگر کرنش‌ها کوچک باشند، تسلیم همچنان می‌تواند باعث فروپاشی پلاستیک شود و شما باید آن را جداگانه بررسی کنید!

صلبیت!

این موضوعی است که فکر می‌کنم کمی مجزا از دو موضوع دیگر باشد. ولی به این معنی نیست که بی‌اهمیت است!

برای من به‌عنوان مهندس عمران بدیهی است که بدانم اشیا نه‌تنها نباید بشکنند بلکه نباید خیلی تغییر شکل بدهند. در اکثر آیین‌نامه‌های مهندسی عمران الزاماتی درباره‌ی تغییر شکل مجاز بخش‌های مختلف سازه وجود دارد.

می‌توانم بگویم که این جنبه اولین بخش از طراحی صلبیت است. شما تنها تغییر شکل‌های مدل خود را ترسیم می‌کنید و سپس بررسی می‌کنید که آیا در مورد آن‌ها مشکلی وجود دارد یا خیر. معمولاً، متوجه خواهید شد که چه چیزی مجاز است. این کار بر اساس تجربه، انتظارات مشتریان یا بر اساس الزامات ساده‌ی آیین‌نامه که تغییر شکل‌ها را به‌خوبی تعیین می‌کنند، صورت می‌گیرد. مطمئناً استثنائاتی وجود دارد، ولی به‌عنوان یک قانون کلی، می‌توانم بگویم که دقیق است.

سکه روی دیگری هم دارد

اگر تغییر شکل‌ها زیاد باشند هر چیزی که نیاز داشته باشید را با صلبیت می‌توانید به دست آورید؛ اما وقتی تغییر شکل‌ها کوچک باشند موضوع دیگری است.

صلبیت اعضای مختلف، نحوه توزیع بار در مدل را تحت تأثیر قرار می‌دهد. وقتی تغییر شکل‌ها کوچک هستند به تلاش زیادی برای درک آن‌ها نیاز داریم. در واقع به این دلیل است که همه تغییر شکل‌ها قابل‌قبول هستند!

اگر سطوح تنش درست باشد، تغییر شکل‌ها قابل‌قبول هستند و کرنش غیرقابل‌قبولی وجود ندارد، پس این یک طراحی خوب است. در چنین موردی، به‌آسانی می‌توانید این بخش را نادیده بگیرید... مگر اینکه شما بخواهید عضو را بهینه کنید.

اگر قطعه‌ای وجود داشته باشد که به‌طور اساسی صلبیت کمتری نسبت به بقیه داشته باشد بسیار بار کمتری را تحمل خواهد کرد. سؤال این است که آیا باید آن را اصلاح کنیم؟ می‌توانید عضوی با صلبیت کمتر را حذف کنید یا آن را تقویت کنید به‌طوری‌که حداکثر بار را تحمل کند. یکی از این دو راه‌حل برای بهینه کردن راه‌حل بهتری است.

قطعاً، اعضایی وجود دارند که دقیقه باید به همین شکل طراحی شوند اما خوشبختانه خیلی از آن‌ها را می‌توان از این راه بهینه‌سازی کرد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.