Article - SolidWorks Simulation, Article Mi, Articles

โครงถัก (Truss) แข็งแรงแค่ไหน?? วิเคราะห์ให้ชัวร์ก่อนสร้าง ตอน 2

ครั้งที่แล้วได้อธิบายถึงการวิเคราะห์ปัญหาโครงถักด้วย SOLIDWORKS Simulation (Link เข้าอ่าน) ในครั้งนี้จะอธิบายการวิเคราะห์ปัญหาเดียวกันนี้ด้วยซอฟต์แวร์ SIMULIA Abaqus ซึ่งถือว่าเป็นซอฟต์แวร์วิเคราะห์ระดับสูงซึ่งเหมาะกับปัญหาที่มีความซับซ้อน พร้อมทั้งเปรียบเทียบผลการคำนวณให้ดูว่ามีความแตกต่างกันมากน้อยเพียงใด (ตามรูปที่ 22)

วิเคราะห์โครง Truss

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างงานปัญหาด้านโครงถัก (Truss) หน่วยความยาว: เมตร (m.)

เริ่มต้นการวิเคราะห์ด้วย SIMULIA Abaqus อันดับแรกหลังจากที่ทำการ Launch โปรแกรมขึ้นมา ให้เลือก Create Model Database “With Standard/Explicit Model”

รูปที่ 2 แสดงหน้าต่างเริ่มต้นการทำงานของ SIMULIIA Abaqus

ให้เข้าสู่โหมดการสร้างพาร์ทโดยลักษณะของปัญหาจะเป็น 2D Truss

รูปที่ 3 แสดงการเข้าสู่โหมดการสร้างพาร์ท

ทำการสร้างสเก็ตซ์ของโครงถักตามรูปที่ 1 โดยใช้คำสั่ง Lines พร้อมให้ขนาด และ Constraint ตามต้องการ

รูปที่ 4 แสดงโหมดการสร้างสเก็ตซ์ของโครงถัก

เมื่อทำการสร้างสเก็ตซ์เสร็จแล้วให้ออกจากโหมดสเก็ตซ์

รูปที่ 5 แสดงแบบจำลอง 2D Truss ที่สร้างเสร็จแล้ว

จากนั้นให้ป้อนข้อมูลของวัสดุโดยกรอกข้อมูลแค่ Young’s Modulus และ Poisson’s Ratio ก็เพียงพอสำหรับการคำนวณแล้ว

รูปที่ 6 แสดงขั้นตอนการป้อนข้อมูลค่าคุณสมบัติของวัสดุ

ทำการป้อนข้อมูลในส่วนของ Beam Section ซึ่งประเภทของปัญหาคือ Truss พร้อมเลือกวัสดุให้ตรงกับข้อมูลที่สร้างไปก่อนหน้านี้ ในส่วนของ Cross-section area กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1 m2 เพื่อความสะดวกในการตรวจเช็คค่าของแรงที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วนซึ่งเราทราบกันดีอยู่แล้วว่าแรงที่กระทำกับชิ้นส่วนจะกระทำเฉพาะในแนวแกนเท่านั้น

รูปที่ 7 แสดงการป้อนข้อมูล Beam Section

จากนั้นทำการกำหนด Beam Section ให้กับโครงถักที่ได้สร้างขึ้นก่อนหน้านี้

รูปที่ 8 แสดงการกำหนด Section ให้กับโครงถัก

ทำการเปลี่ยนชื่อแบบจำลองจาก Model เป็น Truss Static Load แล้วเข้าสู่ขั้นตอนของการสร้างเมช

รูปที่ 9 การเปลี่ยนชื่อและการเปลี่ยนโมดุลเพื่อทำการสร้างเมช

ทำการกำหนดประเภทของเอเลเมนต์โดยเลือกเป็น Linear 2D Truss (T2D2)

รูปที่ 10 แสดงการเลือกประเภทของเอเลเมนต์

กำหนดขนาดของเอเลเมนต์

 

รูปที่ 11 แสดงการกำหนดขนาดของเอเลเมนต์ให้กับชิ้นส่วนโครงสร้างทั้งหมด

ทำการสร้างเมช

รูปที่ 12 แสดงชิ้นงานหลังจากเสร็จสิ้นการสร้างเมช

ทำการแสดงหมายเลขเอเลเมนต์

รูปที่ 13 การแสดงหมายเลขเอเลเมนต์ในแต่ละชิ้น

นำพาร์ทที่เตรียมไว้เข้าสู่โมดุลแอสเซมบลีย์ (ต้องทำขั้นตอนนี้จึงจะสามารถทำการวิเคราะห์ได้)

รูปที่ 14 แสดงขั้นตอนการนำพาร์ทเข้ามายังโมดุลแอสเซมบลีย์

ทำการสร้างขั้นตอนของการคำนวณ (Step) โดยเลือกเป็น Static, Linear Perturbation

รูปที่ 15 แสดงการสร้างขั้นตอนของการคำนวณ (Step)

กำหนดโหลด (Loads) ตามรูปที่ 16

รูปที่ 16 แสดงวิธีการกำหนดเงื่อนไขของโหลด

กำหนดจุดซัพพอร์ต(BCs)โดยให้ด้านซ้ายเป็น Hinge(U1, U2 = 0) และ ด้านขวาเป็น Roller(U2 = 0)

รูปที่ 17 แสดงวิธีการกำหนดเงื่อนไขของจุดซัพพอร์ต

หลังจากเสร็จขั้นตอนในส่วนของ Pre-processing แล้ว ขั้นตอนถัดไปจะเป็นการคำนวนหาผลลัพธ์ที่ต้องการโดยให้เราทำการสร้าง Jobs (input file) เพื่อส่ง (Submit) ให้ส่วนของการคำนวณ (Solver) ทำการคำนวณผลลัพธ์ออกมา

รูปที่ 18 แสดงขั้นตอนการสั่งให้คำนวนหาผลลัพธ์

          เมื่อการคำนวนเสร็จสิ้นแล้วก็จะเป็นขั้นตอนของการแสดงผลลัพธ์ (Post-processing) โดยให้เราเลือก Results แล้วมาในส่วนของ Common Plot Options เพื่อเปิดการแสดงหมายเลขของเอเลเมนต์

รูปที่ 19 การเปิดแสดงหมายเลขเอเลเมนต์ ในส่วนของการแสดงผลลัพธ์

จากนั้นมาในส่วนของ Plot Symbols โดยอาจเลือกเป็น Undeformed Shape เพื่อแสดงทิศทางของความเค้นที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนแต่ละชิ้นว่าเป็นความเค้นดึง (Tensile Stress) หรือ ความเค้นอัด (Compressive Stress)

 

รูปที่ 20 การแสดงทิศทางของความเค้นที่เกิดขึ้นในแต่ละชิ้นส่วน

สำหรับการตรวจเช็คค่าแรงที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนแต่ละชิ้น เนื่องจากว่าเราได้กำหนดขนาดพื้นที่หน้าตัดของชิ้นส่วนทุกชิ้นไว้ 1m2 ดังนั้นเราสามารถใช้คำสั่ง Probe  values เช็คค่าของแรงได้โดยตรง

 

รูปที่ 21 แสดงค่าของแรงที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนแต่ละชิ้นโดยใช้คำสั่ง Probe values

เมื่อตรวจเช็คค่าของแรงที่ SIMULIA Abaqus คำนวนได้ในชิ้นส่วนที่ 7 และ 15 ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ไม่ได้รับแรง (Zero Force Member) ดังแสดงในรูปที่ 22 จะเห็นได้ว่ามีค่าเท่ากับ 2.11758e-11N ซึ่งใกล้เคียงและสามารถอนุมานให้มีค่าเท่ากับ 0 ได้ ถ้าจะให้เปรียบเทียบระหว่างบทความครั้งก่อนที่ใช้ SOLIDWORKS Simulation เราสรุปเป็นตาราง ตามรูปที่ 22 

รูปที่ 22 ตารางเปรียบเทียบผลการคำนวณระหว่าง SIMULIA Abaqus และ SW.Simulation

ผลการวิเคราะห์  SOLIDWORKS Simulation คำนวนได้ 2.694N โดยถ้าเราพิจารณาแรงที่คำนวนได้(SW.Simulation)ในชิ้นส่วนอื่นๆ ประกอบ จะเห็นว่ามีค่าที่ใกล้เคียงกับค่าที่คำนวณที่ได้ตามทฤษฎี ทั้งนี้ SW.Simulation เป็นเครื่องมือระดับเริ่มต้นซึ่งเน้นกลุ่มผู้ใช้งานในระดับขั้นตอนของการออกแบบ

สำหรับชิ้นส่วนที่ไม่ได้รับแรงนั้นปกติในงานจริงเราก็จะไม่ได้ใส่ชิ้นส่วนนี้เข้าไปให้สิ้นเปลื้องค่าใช้จ่ายอยู่แล้ว แต่ได้ทดลองทำการคำนวณ (ผลในช่อง Modify) ให้ดูเป็นตัวอย่างว่าชิ้นส่วนดังกล่าวไม่ได้มีผลอะไรต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง

ถึงอย่างไรก็ตามผู้ใช้งานยังต้องมีความเข้าใจในประเด็นเหล่านี้ด้วยไม่งั้นอาจโดนเครื่องมือหลอกได้ ในกรณีปัญหางานที่ท่านทำอยู่มีความซับซ้อนและต้องการผลคำนวณที่แม่นยำในระดับที่สูงขึ้น แนะนำให้พิจารณาทางเลือกเป็น 3DEXPERIENCE Simulation หรือ SIMULIA Abaqus จะเหมาะสมกว่า ซึ่งทาง บมจ.แอพพลิแคด เป็นตัวแทนจำหน่ายด้วยเช่นกัน โดยสามารถติดต่อได้ที่เบอร์ 082-699-6945

ข้อมูลเพิ่มเติม : https://bit.ly/3ehpir4
ทีมงานเข้าไปสาธิตเพิ่มเติม : https://bit.ly/3cf7zhk
สอบถามราคา : https://bit.ly/38mgeNQ

บทความแนะนำ

หาค่าความสมดุลของชิ้นงาน (Balancing) ทำอย่างไร ตอน 1

ความเค้นและอายุการใช้งานของขดลวดสปริง (Stress and Fatigue Coil Spring)

ความแตกต่างของการคำนวณด้วย Thermal และ Flow Simulation

อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศที่เราอยู่ เกิดความสบาย (Comfort Zone) จริงไหม

สอนการทำ Optimization กับชิ้นงานรับแรงใน SOLIDWORKS Simulation


Photo of author
WRITTEN BY

Monchai

Article - SolidWorks Simulation, Article Mi, Articles

โครงถัก (Truss) แข็งแรงแค่ไหน?? วิเคราะห์ให้ชัวร์ก่อนสร้าง

โครงถัก หรือ Truss เป็นโครงสร้างที่เรามักจะพบเห็นกันได้ทั่วไปซึ่งถ้ามองเผินๆ ก็ไม่ได้มีประเด็นอะไร แต่จริงๆ แล้วมันเป็นปัญหางานทางด้านวิศวกรรมประเภทหนึ่งที่ต้องมีการคำนึงถึงเรื่องความแข็งแรงตั้งแต่ขั้นตอนของการออกแบบ ตัวโครงถักจะประกอบด้วยชิ้นส่วน (Member) หลายชิ้นมาประกอบเป็นรูปทรงเรขาคณิตแบบง่ายๆ น้ำหนักเบา แต่มีความแข็งแรง ตัวอย่างปัญหางานที่เราอาจจะพิจารณาว่าเป็นปัญหาด้านโครงถัก เช่น โครงหลังคาบ้านพักอาศัย, โครงสร้างสะพาน, โครงสร้างเครน, เสาส่งสัญญาณโทรศัพท์เคลื่อนที่, เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง เป็นต้น

รูปที่ 1 โครงสร้างหลังคา (Roof Truss)

รูปที่ 1 โครงสร้างหลังคา (Roof Truss) จาก https://www.scgbuildingmaterials.com/

รูปที่ 2 เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง

รูปที่ 2 เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง จาก https://www.jooinn.com/

ปัญหาทั้งหมดที่ยกตัวอย่างไปนั้นล้วนสามารถที่จะนำ SOLIDWORKS Simulation มาประยุกต์ใช้งานได้ ซึ่งก็จริงอยู่ว่ามีซอฟต์แวร์เฉพาะทางสำหรับวิเคราะห์งานด้านโครงสร้างที่มีความซับซ้อนและสะดวกในการใช้งาน แต่ถ้าเรามี SOLIDWORKS Simulation อยู่แล้ว หรืองานไม่ได้มีความซับซ้อนมากนัก ก็ต้องพิจารณากันอย่างรอบด้านทั้งแง่ของความจำเป็นและงบประมาณในการจัดหาซอฟต์แวร์เฉพาะทางมาใช้งาน

การวิเคราะห์ปัญหาประเภทนี้เริ่มด้วยการใช้ทฤษฎี Engineering Mechanics (Static) ทำการวิเคราะห์หา Reaction Force ที่จุดซัพพอร์ตของโครงสร้างก่อน จากนั้นจึงหาแรงที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน โดยอาจจะใช้วิธี Method of Joints หรือ Method of Sections ประกอบกัน แล้วจึงนำแรงในแต่ละชิ้นส่วนมาคำนวณหาความเค้นตามทฤษฎีของ Mechanics of Material ซึ่งสูตรง่ายๆ ก็คือ

สมมติฐานสำหรับการวิเคราะห์หาแรงต่างๆ ของ Truss มีดังนี้

1. ทุกชิ้นส่วนเป็น Rigid Body และไม่พิจารณาเรื่องของน้ำหนัก
2. ทุกชิ้นส่วนจะเชื่อมต่อกันด้วย Pin โดยไม่พิจารณาเรื่องของความเสียดทาน
3. แรงที่กระทำ และ Reaction เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อเท่านั้น
4. แรงในแต่ละชิ้นส่วนเกิดขึ้นในแนวแกน (Axial Force) เท่านั้น

ตามที่ได้กล่าวไปว่า SOLIDWORKS Simulation สามารถวิเคราะห์ปัญหางานที่เป็นโครงถักได้ ซึ่งหลายท่านอาจจะพอทราบมาบ้างแต่ส่วนใหญ่ก็จะวิเคราะห์ปัญหาด้วย Beam เป็นหลัก ดังนั้นจึงขอใช้ตัวอย่างแบบง่ายเพื่อที่สามารถทวนสอบได้ว่าผลซิมฯ กับผลที่คำนวณทางทฤษฎีแตกต่างกันมากน้อยเพียงใดดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 ตัวอย่างงานปัญหาด้านโครงถัก (Truss) หน่วยความยาว: เมตร (m.)

จากรูปเราต้องเริ่มต้นด้วยการเขียน Free Body Diagram จากนั้นหา Reaction Force ที่ซัพพอร์ต a และ l ก่อนโดยใช้เงื่อนไข

รูปที่ 4 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนแรก

รูปที่ 5 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สอง

รูปที่ 6 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สาม

รูปที่ 7 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สี่

ใช้วิธี Method of Joints เพื่อคำนวณหาแรงที่กระทำกับชิ้นส่วนในแนวขวาง (Cross Member) 3, 7 และ 11

รูปที่ 8 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Joints ในจุด c, e และ g

ใช้หลักการเดิมคือ

สำหรับชิ้นส่วนที่เหลือขอไม่แสดงวิธีการคำนวณให้ดูเนื่องจากมีค่าเท่ากับชิ้นส่วนที่คำนวณไปแล้วเพียงแค่อยู่ฝั่งตรงข้ามกัน

ส่วนการเซ็ตอัพใน SOLIDWORKS Simulation นั้น ถ้าตัวโครงถักสร้างจากโมดุล Weldment ซอฟต์แวร์จะทำการเปลี่ยนชิ้นส่วนของโครงถักให้เป็น Beam พร้อมทั้งสร้างจุดเชื่อมต่อให้โดยอัตโนมัติ หลังจากนั้นให้เข้าไปแก้ไขชิ้นส่วนของโครงถักทั้งหมดโดยเปลี่ยนจาก Beam เป็น Truss

รูปที่ 9 แสดงวิธีการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่วิเคราะห์จาก Beam เป็น Truss

ในส่วนของซัพพอร์ตและโหลดต้องกำหนดที่จุดต่อ (Join) โดยซัพพอร์ตทางด้านซ้ายมือเลือกใช้เป็น Immovable (ux, uy, uz = 0), ซัพพอร์ตทางด้านขวามือเลือกใช้เป็น Use Reference Geometry (uy, uz = 0) ส่วนแรงอ้างอิงตามรูปที่ 3 (แรงที่กำหนดในแต่ละจุดต่อจะมีค่าเท่ากันทุกจุดตามที่ป้อนให้ซอฟต์แวร์)

รูปที่ 10 แสดงวิธีการกำหนดเงื่อนไขของ ซัพพอร์ตและโหลด

สำหรับการตรวจสอบผลการคำนวณที่ได้เราจะใช้คำสั่ง “List Beam Forces” เพื่อเช็คค่าของแรงหรือความเค้นที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน (ลำดับของชิ้นส่วนในซิมฯ จะไม่ตรงกับรูปที่ 3)

รูปที่ 11 แสดงวิธีการหาแรงที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน

ยกตัวอย่างจากรูปที่ 11 Beam-4 จะตรงกับชิ้นส่วนที่ 2 ในรูปที่ 3 ซึ่งมีค่าเท่ากับ 9,500N ที่จุดปลายทั้งสองด้านจะแสดงสัญลักษณ์ด้วยสีที่ต่างกันโดย สีแดงแทนจุดปลายด้านที่ 1 และสีน้ำเงินแทนจุดปลายด้านที่ 2 เมื่อดูเทียบกับ Local Coordinate จะทำให้ทราบว่าชิ้นส่วนนั้นรับแรงดึงหรือแรงอัด ซึ่งชิ้นส่วนที่ 2 จะรับแรงดึง

เปรียบเทียบค่าที่คำนวณได้ตามทฤษฎีกับค่าที่คำนวณได้จาก SOLIDWORKS Simulation

การแสดงผลลัพธ์ในส่วนที่เป็นความเค้นจะแสดงค่าของความเค้นในแนวแกน (Axial or Normal Stress) เท่านั้น

รูปที่ 12 แสดง Axial Stress ในแต่ละชิ้นส่วน

ตัวอย่างงานวิเคราะห์ที่ซับซ้อนขึ้นมาอีกระดับหนึ่งเป็น Space Truss ซึ่งก็สามารถทำได้เช่นกันดังแสดงในรูปที่ 13 เดี๋ยวจะหาทำได้เฉพาะเคสง่ายๆ เท่านั้นทำงานจริงไม่ได้

รูปที่ 13 แสดงผลของ Axial Stress ในเสาส่งไฟฟ้าแรงสูง

หวังว่าที่อธิบายไปทั้งหมดนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่ใช้งาน SOLIDWORKS Simulation อยู่แล้วให้ใช้งานซอฟต์แวร์ได้อย่างคุ้มค่า และเป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับผู้ที่กำลังพิจารณาจัดหาซอฟต์แวร์มาช่วยในการวิเคราะห์ปัญหางานที่ท่านทำอยู่  (อ่านต่อ : โครงถัก (Truss) แข็งแรงแค่ไหน?? วิเคราะห์ให้ชัวร์ก่อนสร้าง ตอน 2)

ข้อมูลเพิ่มเติม : https://bit.ly/3ehpir4
ทีมงานเข้าไปสาธิตเพิ่มเติม : https://bit.ly/3cf7zhk
สอบถามราคา : https://bit.ly/38mgeNQ

บทความแนะนำ

หาค่าความสมดุลของชิ้นงาน (Balancing) ทำอย่างไร ตอน 1

ความเค้นและอายุการใช้งานของขดลวดสปริง (Stress and Fatigue Coil Spring)

ความแตกต่างของการคำนวณด้วย Thermal และ Flow Simulation

อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศที่เราอยู่ เกิดความสบาย (Comfort Zone) จริงไหม

สอนการทำ Optimization กับชิ้นงานรับแรงใน SOLIDWORKS Simulation


Photo of author
WRITTEN BY

Monchai