สำหรับบทความนี้อาจจะเชิงลึกในเฉพาะทางไปหน่อยซึ่งเกี่ยวกับกระบวนการที่ชื่อว่า Taylor Impact ซึ่งจะเกี่ยวกับอะไรนั้นวันนี้เรามาลองดูกันครับ

โดยปกติแล้วปัจจัยที่มีผลต่อการวิเคราะห์ Stress ในชิ้นงานนั้นจะประกอบไปด้วย รูปร่างของชิ้นงาน ภาระกรรมที่กระทำต่อชิ้นงาน เงื่อนไขขอบเขตต่างๆ และชนิดของวัสดุที่ใช้ทำชิ้นงาน ซึ่งเป็นไปตามสมการพื้นฐาน F = KX ที่เรารู้จักกันดี ซึ่งการออกแบบชิ้นงานนั้นจะถูกต้องหรือไม่นั้นส่วนหนึ่งก็ขึ้นอยู่กับการทำนายพฤติกรรมของ Stress ที่เกิดขึ้นในชิ้นงานนั่นเอง

ค่า F หรือภาระกรรมที่กระทำและค่า X หรือเงื่อนไขขอบเขตต่าง ๆ นั้นคือสิ่งที่เรามักจะกำหนดลงไปในการออกแบบอยู่แล้ว จากนั้นชิ้นงานจะตอบสนองต่อภาระกรรมและเงื่อนไขขอบเขตที่เรากำหนดลงไปอย่างไรนั้นก็ขึ้นอยู่กับค่า K หรือการตอบสนองของวัสดุที่ใช้สร้างชิ้นงาน โดยปกติแล้วเรามักจะนำวัสดุนั้นไปทดสอบดึงหรือ Tensile Test และสร้างเป็นกราฟของ Stress-Strain Curve ขึ้นมา แต่อย่างไรก็ตามในชีวิตจริงนั้นภาระกรรมที่กระทำต่อชิ้นงานนั้นมันมีความซับซ้อนอย่างมาก และอัตราความเร็วในการกระทำนั้นมันก็ไม่ได้ช้าเหมือนกับการทดสอบแรงดึงนี้ โดยปกติของวิศวกรแล้วเราก็มักจะใช้คำว่า Safety Factor เข้ามาช่วยนั่นคือออกแบบเพื่อให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ แต่ถ้าเราไม่อยากทำแบบนั้นหล่ะ จึงเป็นที่มาของการศึกษาการตอบสนองของวัสดุต่อภาระกรรมและเงื่อนไขขอบเขตที่มากกว่าการทดสอบแรงดึง ในปี 1914 หรือ 104ปีที่แล้ว นาย G.I. Taylor ได้ทำการศึกษากระบวนการตอบสองของวัสดุที่เกิดจากภาระกรรมกระทำที่ความเร็วสูง หรือเรียกว่า Dynamic Yield Strength โดยใช้การทดลองที่เรียกว่า Taylor Impact โดยการทดลองนี้จะสร้างวัสดุเป็นรูปแท่งทรงกระบอกและยิงเข้าหากำแพงเพื่อดูพฤติกรรมการเสียรูปของชิ้นงานเมื่อเกิดการกระแทกหรือในภาวะที่มีแรงกระทำสูงในช่วงเวลาอันรวดเร็ว และการทดลองนี้ก็กลายเป็นพื้นฐานให้ทุกคนได้ศึกษากันมาจนถึงปัจจุบันและก่อให้เกิดเทคโนโลยีต่างๆมากมายทางด้าน Impact Problem เช่น การออกแบบ Bumper ของรถยนต์เป็นต้น

โดยถ้าให้แท่งวัสดุทรงกระบอกยาว A พุ่งเข้าชนผนังด้วยความเร็ว V แล้ว ความยาวของแท่งทรงบอกนี้จะลดลงเหลือขนาด B โดยความสัมพันธ์ระหว่างความยาวเริ่มต้นกับความยาวที่หดสั้นลงนั้นสามารถหาได้จากสมการนี้

โอเคทีนี้เรามาลองกันครับว่าจะลองทำ Simulation Taylor Impact  ใน SOLIDWORKS กันว่าจะเป็นไปตามสมการข้างต้นกันไหมนะครับ

ผมได้สร้างชิ้นงานทรงกระบอกขนาด เส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 5 มม ยาว 25 มม มาดังรูป และกำหนดวัสดุให้กับทรงกระบอกนี้เป็นเหล็ก AISI 4340 โดยที่มีค่า Yield Strenght เท่ากับ 470 Mpa ค่า Tangent Modulus เท่ากับ 750 Mpa และค่าความหนาแน่นเท่ากับ 7850 kg/m3  ซึ่งจะโมเดลแสดงพฤติกรรมการเสียรูปของเหล็กนี้โดยใช้ Elasto-Plastic Modelโดยที่มีความสัมพันธ์ของ Stress-Strain และแท่งทรงกระบอกนี้จะพุ่งเข้าชนผนังระนาบ Front ด้วยความเร็ว ตั้งแต่ 100m/s จนถึง 500m/s เพื่อที่จะดูลักษณะการเสียรูป ที่เปลี่ยนแปลงไปตามความเร็ว

 

Simulation-Taylor-Impact-3.jpg

Simulation-Taylor-Impact-2.jpg

 

 

 

 

 

 

ผมเข้าโหมด SOLIDWORKS Simulation เลือกการวิเคราะห์แบบ Drop Test จากนั้นกำหนดทิศทางของการเคลื่อนที่ให้ตั้งฉากและพุ่งเข้าหาระนาบ Front และทุกอย่างก็พร้อมสำหรับการคำนวน

ผลการคำนวนแสดงให้เห็นถึงการเสียรูปของแท่งทรงกระบอกที่ความเร็วต่าง ๆ กัน แน่นอนยิ่งความเร็วสูงก็จะเสียหายมากกว่าที่ความเร็วต่ำ

Simulation-Taylor-Impact-4.jpg

จากนั้นผมทำการพลอตค่า Time History Graph ของ Node ที่ปลายทั้งสองด้านของตัวแท่งทรงกระบอกเพื่อหาความยาวที่เปลี่ยนไปหลังการชน ค่าที่แสดงออกมานั้นเป็นค่า Deformation ดังนั้นเราจำเป็นต้องแปลงเป็นค่าความยาวที่เหลือเองโดยวิธีการนั้นไม่ยากเกินไป จากนั้นผมทำการพลอตเทียบกับสมการของ Taylor Impact เพื่อดูอัตราส่วนระหว่างความยาวที่เหลือต่อความยาวเริ่มต้น กับค่าความเร็วในการชน และนี่คือสิ่งที่ได้ครับ

 

Simulation-Taylor-Impact-5.jpg

ยิ่งความเร็วในการชนยิ่งมากขึ้นเรื่อย ๆ ผลของการ Simulation เมื่อเทียบกับสมการทางทฤษฎีของ Taylor แล้วจะยิ่งห่างออกจากกันมากขึ้นเรื่อย ๆ  ที่ความเร็วน้อย ๆ นั้นจะให้ค่าที่ใกล้เคียงกัน สาเหตุนั้นมาจากหลายปัจจัยซึ่งปัจจัยหลักๆก็คือ การโมเดลพฤติกรรมการเสียรูปของวัสดุซึ่งในการจำลองนี้เราใช้ Elasto-Plastic Model ซึ่งแน่นอนมันให้ค่าที่ใกล้เคียงกันในการชนที่ความเร็วต่ำ ๆ หรือใกล้เคียง Static นั่นเอง ซึ่งเราใช้กันบ่อยในงานชีวิตประจำวัน มันจึงสามารถใช้ได้โดยที่ไม่ค่อยมีปัญหาใด ๆ แต่เมื่อความเร็วในการชนยิ่งสูงขึ้นเรื่อย ภาระกรรมที่กระทำนั้นกระทำในเสี้ยววินาทีและทำให้เกิดการเสียรูปอย่างรวดเร็ว พฤติกรรมนี้เรียกว่า High Strain Rate Phenomena ซึ่งอาจเกิดในช่วง 10-5 วินาที ทำให้พฤติกรรมของวัสดุนั้นเปลี่ยนแปลงไป หลายๆนักวิจัยจึงได้สร้างสมการเพื่ออธิบายพฤติกรรมของวัสดุที่ High Strain Rate นี้ขึ้นมาเช่น Johnson-Cook โมเดล เป็นต้น

Taylor Impact เป็นตัวอย่างการศึกษาที่ดีเกี่ยวกับการเริ่มงานในด้าน Impact หรืองานที่มีภาระกรรมกระทำในเสี้ยววินาที และการเลือกสมการมาเพื่อช่วยอธิบายพฤติกรรมการเสียรูปของวัสดุนั้นเป็นสิ่งที่สำคัญที่ควรตระหนัก หากท่านมีข้อสงสัยทางด้านเทคนิคทางเรายินดีให้บริการคำปรึกษาได้ครับ

บทความโดย แอดโจ๊ก

ติดต่อเราได้ที่
โทร 02-089-4145 (จ-ศ 8.30 – 17.00 น.)
ติดต่อได้ทุกเวลาโทร 097-158-8174
[email protected] : @metrosolidworks คลิก https://bit.ly/2yrNF24
เว็บไซต์ http://metrosystems-des.com/contact-us/
YouTube https://www.youtube.com/user/MetroSolidWorks
Facebook Fanpage https://www.facebook.com/metrosolidworks/
Inbox มาเลยก็ได้น้า
รัก SOLIDWORKS สุด ๆ คลิกเลย https://www.facebook.com/groups/2076765539017446/