طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود

پیشتر بیان شد که طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود و روش تحلیلی می تواند یک رویکرد بسیار مناسب باشد که به کاهش زمان برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی کمک بسیاری می کند. البته باید در نظر داشت که روش المان محدود بسیار ارجح تر می باشد.

مثالی از مجموعه تیرهای ضربه ای را در نظر بگیرید. طراحی ساختاری مجموعه‌های snap-fit ​​یک مشکل طراحی است که در بسیاری از قطعات پلاستیکی با آن مواجه است. تیرهای ضربه‌ای که مستقیماً در قطعات پلاستیکی قالب‌گیری می‌شوند، در طول مونتاژ محصول به طور مختصر یا لحظه‌ای منحرف می‌شوند و سپس در قسمت جفت‌گیری در قسمت زیرین قرار می‌گیرند (شکل 1).

تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با عملیات مونتاژ را می‌توان با استفاده از فرمول‌های مهندسی کلاسیک که برای تیرهایی که در معرض خمش هستند (در این مورد یک تیر یک سرگیردار) به دست آمده است، تخمین زد. فرمول ها با استفاده از مفروضاتی ، مانند طول تیر به طور قابل توجهی بیشتر از عمق تیر، به دست می آیند و بنابراین تنش های خمشی غالب است. سپس فرمول ها ممکن است برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً زیادی دارند، دقیق باشند. با این حال، هنگامی که فرمول های کلاسیک برای تیرهای نسبتاً کوتاه اعمال می شود، نتایج می تواند گمراه کننده باشد و باعث خطای قابل توجهی شود به عنوان مثال برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً پایینی دارند. یک مطالعه المان محدود نشان داده است که خطاهای مرتبط با تئوری خمشی کلاسیک با کاهش نسبت ابعاد تیر افزایش می یابد.

شکل 1. تیر یک سر گیردار ضربه ای

تکنیک‌های FEA را می‌توان به‌جای رویکرد کلاسیک در اینجا برای به دست آوردن توصیف دقیق‌تری از تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با انحراف تیر یا ضربه‌ به تیرهای یک سرگیردار استفاده کرد. هندسه کل قسمت پلاستیکی یا بخش قطعه با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مدل سازی شده است و یک شبکه المان محدود که از یک سری المان ساده به هم پیوسته در رئوس یا گره ها تشکیل شده است، بر روی این هندسه قرار می گیرد.

تعداد عناصر یا چگالی مش استفاده شده در آنالیز به عواملی مانند نرخ تغییر کرنش در آن ناحیه خاص از قطعه و ظرفیت کامپیوتر بستگی دارد. تراکم مش را می توان در مناطق مشکل دار مانند گوشه هایی که غلظت تنش بالا است افزایش داد. سپس شرایط/بارهای مرزی یا محدودیتی بر روی شبکه عناصر یا مدل کامپیوتری اعمال می‌شود و پاسخ بر حسب تنش، کرنش و انحراف زمانی که رایانه صدها معادله را به طور همزمان حل می‌کند، ایجاد می‌شود.

در حالت ایده‌آل، FEA برای قطعات پلاستیکی باید شامل اثرات ناشی از رفتار تنش-کرنش غیرخطی برای کاربردهای با کرنش بالا مانند اتصالات محکم باشد. این تکنیک‌های تحلیل ساختاری مبتنی بر کامپیوتر قادر به مدیریت هندسه‌های پیچیده‌تر و شرایط بارگذاری یا به طور کلی موقعیت‌هایی هستند که استفاده از فرمول‌های کلاسیک مناسب نیست. تکنیک های تجزیه و تحلیل FEA به ویژه برای کاربردهای دینامیکی مفید هستند زیرا هم انتقال حرارت و هم رفتار کرنش تنش را می توان در نظر گرفت.

صرف نظر از تکنیک تحلیلی مورد استفاده توسط طراح، دقت نتایج به‌دست‌آمده (به عنوان مثال، همبستگی آنها با عملکرد واقعی محصول) مستقیماً با توانایی طراح در تعیین کمیت مشکل طراحی به درستی مرتبط است. طراح باید مجموعه وسیعی از اطلاعات را به دست آورد و اطلاعات را تا حدی ساده کند که برای تحلیل مورد استفاده مناسب باشد.

به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل غربالگری اولیه را می توان با استفاده از هندسه های ساده شده انجام داد، در حالی که هندسه های واقعی تر (و پیچیده تر) و تحلیل های ساختاری مبتنی بر کامپیوتر برای محاسبات طراحی نهایی و حیاتی تر استفاده می شوند.

شکل 2. فرمول های خمشی کلاسیک برای تیرهای باریک به خوبی کار می کنند، اما برای تیرهای کوتاه مناسب نیستند، جایی که انحراف برشی و دیواره قابل توجه است.

امروزه استفاده از روش المان محدود با توجه به گسترش تکنولوژی ساخت رایانه ها با سرعت های بسیار بالا، برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی بسیار مقرون به صرفه می باشد.