ใช้คอมพิวเตอร์ช่วยสร้างสารสนเทศมีประโยชน์อย่างไร ในงานออกแบบทางวิศวกรรม
การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในงานออกแบบทางวิศวกรรม
ทุกท่านคงจะทราบกันเป็นอย่างดีว่า ในปัจจุบันนี้การแข่งขันทางการค้านั้นสูงมาก เวลาทุกเสี้ยววินาทีหมายถึง ผลประโยชน์อันมีค่าของบริษัท ถ้าหากช้าเพียงนิดเดียว ก็อาจจะเสียโอกาสทางการค้าได้ ในงานทางวิศวกรรมก็เช่นกัน เวลาที่ใช้ในการออกแบบ และสร้างผลิตภัณฑ์ หมายถึงโอกาสทางการค้า และผลประโยชน์ของบริษัท อย่างไรก็ดี เพื่อดึงดูดใจผู้ซื้อ งานออกแบบ และสร้างผลิตภัณฑ์ทางวิศวกรรมนั้น ต้องคำนึงถึงรูปแบบของผลิตภัณฑ์ และฟังก์ชั่นการทำงาน ที่มีลูกเล่นหลากหลาย รวมไปถึงความปลอดภัย ในการใช้งาน ที่ได้ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ด้วยเหตุนี้ก็อาจจะก่อให้เกิดความล่าช้า ในการออกแบบ และทดสอบผลิตภัณฑ์ต้นแ บบขึ้นมาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และถ้าหากว่า ผลิตภัณฑ์ต้นแบบนั้น ไม่ผ่านมาตรฐานการทดสอบ ก็อาจจำเป็นจะต้องย้อนกลับมาแก้ไข ออกแบบ และทำการสร้าง ผลิตภัณฑ์ต้นแบบกันใหม่อีก
ดังนั้นขั้นตอนในการออกแบบจึงเป็นจุดสำคัญที่จะสร้างความมั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์นั้นจะ สามารถผ่านมาตรฐานการทดสอบต่างๆได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดก็คือ การออกแบบรถยนต์ ที่นอกจากจะต้องมีรูปทรงสะดุดตา และดึงดูดใจผู้ซื้อแล้ว ในขณะเดียวกันนั้นรถยนต์ ก็ยังจำเป็นต้อง มีความปลอดภัยในการใช้งานที่สูง และเ ชื่อถือได้ การประยุกต์เอาคอมพิวเตอร์ เข้ามาช่วยในการออกแบบ และจำลองการทดสอบ (simulation) ได้ถูกนำเอามาใช้อย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ทั้งนี้ก็เพื่อลดเวลา และค่าใช้จ่ายในการออกแบบและ พัฒนาผลิตภัณฑ์ และก็เพื่อสร้างความมั่นใจว่า ผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมานั้น สามารถผ่านการทดสอบได้ ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม การจำลองปัญหาบนคอมพิวเตอร์ เป็นการประหยัดเงิน ทุนในการวิจัย และพัฒนาได้เป็นอย่างมาก
อีกทั้งผลคำตอบที่ได้ก็เป็นที่ยอมรับและสอดคล้องเป็นอย่างดีกับการทดลองจริง เมื่อต้นทุน การวิจัย และระยะเวลาในการออกแบบลดลง ต้นทุนของสินค้าก็ลดตามลง ราคาสินค้าก็จะถูกลง ทีนี้ผู้บริโภคก็มีกำลังซื้อผลิตภัณฑ์นั้นได้
คราวนี้ทุกท่านคงจะเห็นประโยชน์ของการนำเอาคอมพิวเตอร์มาใช้ ในการออกแบบ สร้างผลิตภัณฑ์ กันบ้างแล้วนะครับ คราวนี้ผมก็จะขอกล่าวถึง รายละเอียดการใช้ โปรแกรมคอมพิวเตอร ์มาจำลองการทดสอบกันต่อไป โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ว่านี้ก็คือ โปรแกรมไฟไนท์เอลิเมนต์ ไฟไนท์เอลิเมนต์ คืออะไร? ไฟไนต์เอลิเมนต์ คือวิธีการทางคณิตศาสตร์ ซึ่งถูกนำมาประยุกต์ เขียนเป็นโปรแกรมสำเร็จรูป เพื่อใช้คำนวณ แก้ปัญหาทางวิศวกรรม เช่น คำนวณหาความแข็งแรง ของวัสดุหรือชิ้นส่วนเครื่องกล ศึกษาพฤติกรรมการไหลของของไหล การถ่ายเทความร้อน ในชิ้นส่วนเครื่องกล รูปแบบการกระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, คลื่นเสียง ฯลฯ ทำไมจึงจำเป็นต้องใช้วิธีไฟไนท์เอลิเมนต์ ? คำตอบ มีมากมาย ประการแรกก็คือ ในการออกแบบชิ้นส่วนเครื่องกล เราจำเป็นต้องรู้ขีดความสามารถในการรับภาระ ของชิ้นส่วนนั้น ถ้าหากรูปทรงของชิ้นส่วนไม่ซับซ้อน เราก็สามารถคำนวณหา คำตอบที่แน่แท้ได้ (analytical solution) แต่ถ้ารูปทรงของชิ้นส่วนซับซ้อน เราจำเป็นต้องใช้ วิธีไฟไนท์เอลิเมนต์ เพื่อช่วยในการคำนวณหาค่าความเค้น (stress) ความเครียด (strain) หรือการเสียรูปทรง (deformation) ของชิ้นส่วนนั้นได้ หลักการของวิธีไฟไนท์เอลิเมนต์ กล่าวอย่างง่ายๆ ก็คือ เราทำการเติมรูปทรงของผลิตภัณฑ์ ด้วยชิ้นส่วนเล็กๆ ที่มีรูปทรงเรขาคณิต เช่น สามเหลี่ยม สี่เหลี่ยม ลูกบาศก์ เป็นต้น เนื่องจากเราสามารถคำนวณหาคำตอบที่แน่แท้ ของชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตได้ ดังนั้นเมื่อ เราเติมชิ้นส่วนเล็กๆ เหล่านี้ลงไปในชิ้นส่วนใหญ่ เราก็สามารถศึกษาพฤติกรรมโดยรวมของระบบได้ ประวัติของวิธีไฟไนท์เอลิเมนต์? แนวคิดเบื้องต้นของวิธีไฟไนท์เอลิเมนต์ เริ่มมาจาก การหาวิธีการ เพื่อใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้าง ของเครื่องบิน Hrenikoff ได้เสนอการใช้ วิธี frame work เพื่อแก้ปัญหาทาง elasticity เป็นรายแรก ต่อมาในปี ค.ศ. 1943 Courant ก็ได้ตีพิมพ์บทความวิชาการ เกี่ยวกับการนำวิธีการ polynomial interpolation บนขอบเขตสามเหลี่ยม เพื่อใช้เป็นแนวทางในการประมาณผลคำตอบ และนอกจากนี้ Courant ก็ยังแนะ นำการใช้วิธีการของ Rayleigh-Ritz มาใช้ในการหาผลคำตอบ ของปัญหาทางวิศวกรรมอีกด้วย ซึ่งน่าจะเป็นที่มาของวิธีไฟไนท์เอลิเมนต์นั่นเองจนกระทั่งในปี ค.ศ. 1953 วิศวกรจึงได้นำเอาเครื่องคอมพิวเตอร์ มาแก้สมการของ stiffness matrix เป็นครั้งแรก หลังจากนั้นอีกเจ็ดปี Clough จึงได้ตั้งชื่อวิธีการนี้ว่า วิธีการไฟไนท์เอลิเมนต์ ในปี ค.ศ. 1960 ไฟไนท์เอลิเมนต์ในปัจจุบัน
ในปัจจุบันแทบจะพูดได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ ได้ผ่านการออกแบบด้วย วิธีการไฟไนต์เอลิเมนต์แทบทั้งนั้น ดังเช่นที่ผมได้ยกตัวอย่างเอาไว้ตอนต้นเกี่ยวกับ การออกแบบรถยนต์ ที่เรียกได้ว่าไฟไนท์เอลิเมนต์ ได้มีส่วนร่วมแทบทุกชิ้นส่วนเลยทีเดียว ผลิตภัณฑ์พลาสติกก็เช่นกัน ได้มีการนำเอาไฟไนท์เอลิเมนต์ มาศึกษาการไหลของน้ำพลาสติก เพื่อใช้ออกแบบ แม่พิมพ์ฉีดพลาสติกที่สามารถผลิตชิ้นงานที่มีขนาด, รูปทรงที่มีความเที่ยงตรงสูง และมีผิวเรียบสวยงาม
แหล่งที่มา : vcharkarn.com