ในปี คศ. 1954 มีความเสียหายเกิดขึ้น 2 ตำแหน่งกับเครื่องบินเจ็ตของ Havilland Comet โดยถูกระบุว่าเป็นผลของ “ความล้าของโลหะ” (Metal Fatigue) ในช่วงนั้นคำๆ นี้ถูกนำเสนอในหน้าหนังสือพิมพ์หลายฉบับและในที่สาธารณะต่างๆ อยู่เป็นเวลานาน ในเครื่องบินมีห้องโดยสารที่ต้องรับแรงดัน มีหน้าต่าง 4 เหลี่ยมที่ถูกแรงดันซ้ำๆ ที่เกิดจากการบินขึ้นในแต่ละเที่ยว ทำให้เกิดรอยแตกขึ้นที่มุมของหน้าต่าง รอยแตกดังกล่าวได้ขยายมากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งทำให้ห้องโดยสารแตกพังในระหว่างการบิน ก่อให้เกิดโศกนาฏกรรมคร่าชีวิตผู้โดยสารไป 68 ศพ ภัยพิบัติในครั้งนั้น ได้ปลุกให้วิศวกรพยายามสร้างความปลอดภัยในการออกแบบห้องโดยสารให้มีความแข็ง แกร่งมากยิ่งขึ้น
รูปแสดงความเสียหายที่เกิดขึ้นกับห้องโดยสารภายในเครื่องบิน
(Ref: http://aerospaceengineeringblog.com/dehavilland-comet-crash/)
ความสำคัญของ “การวิเคราะห์ความล้า” ยัง คงต้องมีมากขึ้นเรื่อยๆ ตราบเท่าที่บริษัทยังต้องการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุให้ได้มากยิ่งขึ้น เพื่อทำให้สามารถประหยัดเรื่องการใช้วัสดุให้น้อยลง ประหยัดค่าใช้จ่าย และถึงแม้ว่าการลดความหนาของวัสดุลงเพียงนิดเดียว อาจทำให้บริษัทมีเงินเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย จากการผลิตเป็นจำนวนมากๆ แต่อีกสิ่งที่ไม่ควรลืมก็คือ การป้องกัน “ความล้าของวัสดุ” ที่จะเกิดขึ้น ก็มีความสำคัญมากขึ้นตามปริมาณการผลิตด้วยเช่นเดียวกัน ไม่เช่นนั้นหากเกิดความเสียหายในระหว่างการใช้งานและอยู่ในการรับประกัน สินค้า บริษัทอาจจะต้องสูญเสียเงินในการซ่อมบำรุงเป็นจำนวนมากเช่นเดียวกัน และอาจส่งผลให้มีความเสียหายในชีวิตและทรัพย์สินเกิดขึ้นด้วย
ความโชคดีในปัจจุบันก็คือมีเครื่องมือและเทคนิคที่สามารถช่วยแก้ไขเรื่องที่ มีความซับซ้อนแบบนี้ได้ และสามารถทำได้ค่อนข้างเร็ว หนึ่งในนั้นก็คือ SolidWorks Simulation ซึ่งเป็นโปรแกรมหรือเครื่องมือที่สามารถทำได้รวดเร็ว เชื่อถือได้และช่วยประหยัดเรื่องค่าใช้จ่ายได้ ช่วยให้วิศวกรสามารถคาดการณ์และแก้ไขปัญหาที่จะเกิดจาก “ความล้าของวัสดุ” ได้
Fatigue คืออะไร?
โดยปกติส่วนใหญ่การออกแบบจะคำนึงถึงความปลอดภัยของชิ้นงาน โครงสร้างหรือผลิตภัณฑ์ การออกแบบแบบนี้วิศวกรต้องวิเคราะห์ว่าสามารถรับแรงสูงที่สุดได้หรือไม่ ค่าความปลอดภัยที่ได้จะถูกนำไปใช้ในการรับประกันสินค้า ลักษณะของการวิเคราะห์คือการรับแรงแค่เพียงครั้งเดียวและคงที่ (Static Load) แต่จริงๆ แล้วโครงสร้างมักถูกนำไปใช้งานต่างออกไป เช่น การรับแรงแบบไม่คงที่ การรับแรงซ้ำๆ บ่อยๆ เป็นต้น ทำให้ความเสียหายที่เกิดขึ้นมักจะเกิดเมื่อใช้งานไประยะนึงแล้ว
ความหมายของ Fatigue ก็คือ ความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการรับภาระแรงซ้ำๆ หรือแรงที่ไม่คงที่ โดยที่ภาระแรงนั้นยังไม่ได้ทำให้ชิ้นงานเสียหาย เมื่อรับเพียงครั้งเดียวอาการของความล้าก็คือลักษณะการแตกพังที่บริเวณใดๆ ของชิ้นงาน การแตกพังดังกล่าวมักเป็นผลมาจากการรับ Stress ที่สูงมากจากการรับแรงหรืออาจจะเป็นจุดที่รับ Stress มาก่อนหน้าที่จะรับแรงก็ได้
โปรแกรมงานวิเคราะห์อย่างเช่น SolidWorks Simulation สามารถคาดการณ์บริเวณที่มีความเข้มข้นของ Stress และสามารถช่วยให้วิศวกรที่ออกแบบคาดการณ์ได้ว่าการออกแบบของพวกเขามีแนวโน้ม ที่จะมีอายุการใช้งานนานแค่ไหน ก่อนที่จะเริ่มมีอาการของความล้าเกิดขึ้น
กลไกของความล้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสามกระบวนการ คือ
1. Crack Initiation เริ่มแตก
2. Crack Propagation แตกขยายมากขึ้น
3. Fracture แตกหัก
การวิเคราะห์ความล้าโดย SolidWorks Simulation สามารถคาดการณ์การเริ่มแตก (Crack Initiation) ของวัสดุเพียงเท่านั้น แต่ด้วยการออกแบบของวิศวกรต้องการป้องกันความเสียหายที่จะเกิดจากความล้า ดังนั้นการรับทราบถึงกระบวนการในข้อที่ 1 ก็แทบจะเพียงพอแล้ว ส่วนกระบวนการในข้อ 2 และ 3 จะอยู่ในการวิเคราะห์แบบ Nonlinear Dynamics
การประเมินความแข็งแรงต่อความล้าของวัสดุ
สองปัจจัยหลักที่ควบคุมเรื่องเวลาที่ใช้สำหรับการเริ่มแตกของวัสดุและขยายมากพอที่จะทำให้เกิดความเสียหายขึ้น คือ
1. ส่วนประกอบหรือชนิดของวัสดุ
2. บริเวณที่เกิดความเครียดสูง
วิธีการการทดสอบความล้าของวัสดุ ต้องย้อนกลับไปถึงเดือนสิงหาคมในศตวรรษที่ 19
Wöhler ได้ทำการสร้างเครื่องมือและดำเนินการทดสอบความล้าขึ้นครั้งแรก โดยมีลักษณะดังรูป
รูปแสดงหลักการของการทดสอบความล้าของวัสดุ
หลักการทำงานของเครื่องทดสอบความล้าก็คือ การให้ปลายของชิ้นงานทดสอบด้านหนึ่งติดอยู่กับมอเตอร์เพื่อให้เกิดการหมุน ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งจะประกอบเข้ากับ Bearing และรับแรงจากตุ้มน้ำหนัก เมื่อชิ้นงานหมุนจะทำให้จุดบนผิวชิ้นงานได้รับแรงดึงและแรงกดสลับกันไปทำให้ เกิดความล้าภายในชิ้นงาน
จากนั้นทำการพล็อตข้อมูลที่ได้จากการทดสอบดังกล่าว เพื่อแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ของแต่ละชนิดของ Stress เทียบกับจำนวนรอบของการรับโหลดซ้ำๆ ที่นำไปสู่ความเสียหายหรือที่เรียกว่า SN Curve
รูปแสดงตัวอย่าง S-N (Stress & Cycle) Curve
S-N Curve ถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ Low Cycle และ High Cycle โดยทั่วไป Low Cycle กำหนดที่ต่ำ 10,000 Cycle ตามรูป ลักษณะของเส้นกราฟจะแตกต่างกันไปตามชนิดของวัสดุ เมื่อเราได้ข้อมูล S-N Curve เราจะใช้ข้อมูลนี้ไปเป็นส่วนหนึ่งในการวิเคราะห์ทั้งการวิเคราะห์ด้วยมือ หรือใช้โปรแกรมส่วนใน SolidWorks Simulation เองจะเหมาะกับการนำไปวิเคราะห์ที่ช่วง High Cycle
ตัวอย่างการวิเคราะห์ Fatigue ด้วย SolidWorks Simulation
ถังสแตนเลสรับความดันเมื่อวิเคราะห์การรับ Load เพียงครั้งเดียวจะเห็นว่าค่า Maximum Stress ยังน้อยกว่าค่า Yield Stress และมีค่าความปลอดภัยอยู่ประมาณ 2.9 แต่เมื่อตรวจสอบด้วยฟีเจอร์ Fatigue Check Plot ปรากฎว่ามีโอกาสเสียหายเนื่องจากความล้า
เมื่อใช้ฟีเจอร์ Fatigue ใน SolidWorks Simulation วิเคราะห์ผลที่ได้พบว่าถังรับความดันจะมีความเสียหายในรอบการใช้งานที่ 69,408 รอบ
ตัวอย่างนี้เมื่อมีข้อมูลในการป้อนค่าครบ ใช้เวลาประมาณ 10 นาที ก็สามารถประเมิน ความล้าที่จะเกิดขึ้นกับชิ้นงานในเบื้องต้นได้ แสดงให้เห็นถึงความง่ายและรวดเร็วในการวิเคราะห์เป็นอย่างมาก
ในการออกแบบความสมดุลระหว่างการประหยัดวัสดุและความปลอดภัยในชีวิต กลายเป็นสิ่งที่มีความสำคัญมากขึ้นทุกวัน และแม้การศึกษาเรื่อง “ความล้าของวัสดุ” จะเป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อน ต้องทำความเข้าใจกับหลักการอย่างมากมาย แต่การมีโปรแกรมวิเคราะห์มาช่วยอย่างเช่น SolidWorks Simulation ก็ทำให้เราสามารถสรรสร้างจินตนาการ ปรับปรุง ลองผิดลองถูกได้อย่างง่ายและรวดเร็ว
บทความ : วสันต์ จันทร์หยวก
