آباکوس چیست؟ آشنایی با نرم افزار و کاربردهای آن

آباکوس یک نرم افزار تحلیل، شبیه سازی و مدل سازی پیشرفته است که براساس علم اجزا محدود یا المان های محدود (FEM) شکل گرفته است. به زبان ساده تر توانایی آباکوس پیش بینی رفتار سیستم به وسیله معادلات دیفرانسیل است. این نرم افزار جزو دسته بندی نرم افزار های تحلیل CAE مهندسی به حساب می آید؛ یعنی برای حل مسائل مختلف در مورد هر قطعه صنعتی و شبیه سازی اتفاقات گوناگون استفاده می شود.  رابط کاربری بسیار جذاب اما پیچیده ای دارد. برای یادگیری آن باید وقت زیادی را صرف کنید، اما این وقت گذاشتن برای یادگیری آباکوس، ارزشش را دارد.

مثل هر نرم افزار تحلیل دیگری، آباکوس دارای محیط ساده طراحی قطعه CAD است، اما این محیط، دسترسی گسترده ای برای طراحی به شما نمی دهد. در نتیجه پیشنهاد ما استفاده از نرم افزار های CAD یعنی کتیا (Catia) و سالیدورک (Solidworks) است. آباکوس ارتباط خوبی با کتیا و سالیدورک دارد و کمتر پیش می آید که خروجی نرم افزار های طراحی سه بعدی را نتواند اجرا کند. این نرم افزار مختص رشته مکانیک نیست و در رشته های مختلفی از آن برای تحلیل و مدلسازی و شبیه سازی استفاده می شود.  استاتیک و شبه استاتیک، ارتعاشات، شکل دهی فلزات، انفجار و آکوستیک، انتقال حرارت، برخورد و ضربه تحلیل مکانیزم، انتقال جرم، تحلیل حرارتی اجزاء الکتریکی، تراوش و پیزو الکتریک، دینامیک (Dynamic)، گرما، شکست (Fracture)، گسترش ترک (Crack propagation) از جمله معروف ترین حوزه هایی هستند که آباکوس در آنها کاربرد دارد.

سفارش انجام پروژه سالیدورک

سفارش انجام پروژه کتیا (Catia)

تاریخچه آباکوس ABAQUS

ایده این نرم افزار توسط دکتر دیوید هبیت و برای تز دکترایش ارائه شد. هبیت با دیدن استقبال اساتید به فکر تاسیس شرکت و عملی کردن ایده افتاد. در نهایت در سال 1978 میلادی و به کمک دو دوست خود یعنی کارلسون و سورنسون توانست شرکت خود (HKS) را در جهت عملی کردن ایده اش تاسیس کند. HKS در همان سال، حلگری (Solver) با ویژگی های FEM را به بازار عرضه کرد و در نهایت در سال 1991 اولین نسخه گرافیکی ABAQUS/CAE را وارد بازار کردند.

آشنایی جزئی با المان محدود FEM

FEM مخفف عبارت Finite Element Method است و در واقع علم حل کردن تقریبی معادلات دیفرانسیل جزئی و انتگرال هاست. سوالی که در ذهن شما نقش بسته این است که معادلات دیفرانسیل و انتگرال ها چطور در شبیه سازی و مدل سازی و تحلیل استفاده می شوند. هر قطعه ای در صنعت تشکیل شده از مجموعه ای از اشکال هندسی است که برای تحلیل این قطعات باید مقادیر عددی مثل محیط و مساحت و حجم این اشکال هندسی را محاسبه کرده و باهم جمع کنیم تا به یک مقدار تقریبی برسیم. در دوران دبیرستان با اشکال مهندسی دایره و مستطیل و مربع و ذوزنقه و . . .  آشنا شدیم اما قطعات صنعتی خیلی پیچیده تر از این اشکال هندسی ساده هستند. با استفاده از FEM و روش های حلی عددی آن می توان این قطعات را به اشکال کوچکتری تقسیم کرد و موارد مورد نیاز را با ساده تر کردن اشکال محاسبه تقریبی کرد. اگر درس المان محدود را پاس کرده باشید، متوجه می شوید که این کار بسیار زمان بر هست. برای تحلیل عددی هر سوال به حداقل 1 ساعت زمان نیاز دارید و این درصورتی است که اشتباهات عددی نداشته باشید. تنها در این صورت به پاسخ درست دسترسی پیدا می کنید. با استفاده از این روش می توانید مقادیری مثل کرنش، تنش و لنگرها را محاسبه کنید. مراحل حل مسئله های المان محدود، عموما به صورت زیر است :

1. ساده کردن سوال
2. گسسته کردن و تغییر دادن اجزای بزرگ به اجزای کوچک تر
3. اعمال مقادیر شرایط مرزی و بارگذاری به مسئله
4. حل مسئله با معلوم ها و مجهول ها (در این مرحله معمولا با یک ماتریس بزرگ چند در چند مواجه می شویم. این ماتریس در نگاه اول بسیار ترسناک به نظر می رسد اما بسیاری از ماشین حساب های مهندسی می توانند آنها را حل کنند.)

مطلب پیشنهادی: نرم افزار SPSS

کاربردهای آباکوس

1. مدل سازی برای انواع مختلف المان ها
2. حل سوال های غیر خطی و خطی
3. دارا بودن ابزار مدل سازی سه بعدی با رابط گرافیکی عامه پسند
4. قابلیت پشتیبانی از برنامه نویسی پایتون برای برنامه نویسی داخل آباکوس
5. امکان اسکریپت نویسی
6. دارای کتابخانه های اولیه و قابلیت تغییر کتابخانه ها و اضافه کردن کتابخانه ها به عنوان ورودی

انتخاب واحد اندازه گیری مناسب

شاید در نگاه اول فکر کنید که آباکوس نیز مثل هر نرم افزار CAD (نرم افزارهای طراحی مدل های صنعتی) دیگری، دارای سیستم انتخاب واحد اندازه گیری است. طبیعتا باید بر حسب شرایط مسئله، یکا مورد نیاز خود را انتخاب کنید. اما این طور نیست آباکوس فاقد واحد اندازه گیری است یعنی در هیچ جا از نرم افزار آباکوس، نیاز به تعیین یکا نیست.

پس چطور باید در حل مسائل با استفاده از آباکوس واحد مناسب را پیدا کنیم؟به هر حال اگر یک مسئله با جایگذاری چند واحد اندازه گیری حل شود، پاسخ به دست آمده نادرست است.

برای این کار لازم است قبل از شروع روند حل مسئله با نرم افزار، یکاها را به یک سیستم اندازه گیری وارد کنیم یعنی اگر نیاز به تبدیل واحد هست، حتما باید به صورت دستی انجام شود و اعداد جدید در نرم افزار قرار گرفته شوند. برای تبدیل واحد ها می توانید از جدول زیر استفاده نمایید.

1 اینچ = 2. 54 سانتی متر = 0. 0254 متر = 0. 083333 فوت

1 نیوتن  N = 0. 2248 پوند-نیرو lbf

1 ژول = 8. 85 اینچ پوند نیرو in lbf = 0. 7375 فوت پوند ft lb

1 کیلو گرم بر متر مکعب = 0. 0019 اسلاگ بر فوت مکعب

درجات آزادی در آباکوس

در ادامه به تعریف انواع ماژول های استفاده شده در آباکوس می پردازیم. اما لازم به ذکر است که آباکوس برای حل برخی از مسائل نیاز به تعیین درجات آزادی حول شکل یا قطعه صنعتی دارد. ماژول های step و interaction از جمله مواردی هستند که باید درجات آزادی شکل را در این قسمت برای آنها تعریف کنیم.  

حلگر (Solver)های مختلف آباکوس

این نرم افزار شامل 5 قسمت مختلف است که از هر کدام برای هدف خاصی استفاده می شود. در این قسمت به معرفی قسمت های مختلف آباکوس می پردازیم:

حلگر CAE

برای مدل سازی و اسمبلی (ASSEMBLY) قطعات مختلف استفاده می شود. بعد از این مرحله می توانید شکل را بر اساس المان محدود FEM تحلیل کنید. این قسمت به تنهایی شامل 3 بخش پیش پردازش، پردازش و اعلام نتیجه است. لازم به ذکر است که CAE آباکوس بیشترین استفاده را در بین سایر بخش ها دارد و درواقع آباکوس به دلیل داشتن این قسمت معروف و مشهور شده است.

حلگر استاندارد Standard

برای حل مسائل خطی و غیر خطی استاتیکی، شبه استاتکی، دینامیکی، تحلیل های مودال، انتقال حرارت و کمانش و پس کمانش از این حلگر استفاده می شود. روشی که این حلگر استفاده می کند، روش سنتی انتگرال گیری غیر صریح است.

حلگر Explicit

برای حل مسائلی با درجه غیر خطی بالا و با استفاده از روش انتگرال گیری صریح کاربرد دارد. فرق این حلگر با حلگر استاندارد در این است که مسائل پیچیده تر غیرخطی که حلگر استاندارد قابل به محاسبه آنها نیست، توسط حلگر Explicit به سادگی آب خوردن حل می شود. می توانیم به شبیه سازی های شوک، برخورد و ماشین کاری در این زمینه اشاره کنیم که به وسیله حلگر Explicit انجام شد.

حلگر CDF

حلگر محاسباتی دینامیک سیالات است. مراحل حل مسئله توسط این حلگر بسیار شباهت به حلگر CAE دارد یعنی شامل مراحل پیش پردازش، پردازش و نمایش نتیجه است. منتهی این حلگر مسائل پیچیده کوپل سازه و سیالی را که حلگر CAE قادر به محاسبه آنها نیست، ممکن می سازد.

حلگر Electromagnetic

این حلگر مخصوص محاسبات پیچیده در زمینه الکترومغناطیس طراحی شده است. این حلگر کمترین استفاده را در بین بقیه حلگرها دارد اما قادر است کارهایی مثل محاسبه میدان مغناطیسی درون هسته هر سیم پیچی را به روش عددی انجاد دهد.

نحوه کار آباکوس قسمت CAE

این نرم افزار برای تحلیل قطعات از یک لوپ استفاده می کند. طبیعی است که قبل از شروع، باید قطعه را مدل سازی کنید. مدل سازی تنها به معنا طراحی جسم موردنظر نیست، بلکه باید جنس ماده، تعریف خواص ماده و مونتاژ اجزا را نیز عملی کنیم. بعد از این مرحله نوبت به

• تعیین نوع روش حل مسئله
• تعریف برخورد چند نقطه ای و اتصال دهنده
• تعیین بارگذاری روی جسم
• شبکه بندی مسئله و کوچک تر کردن اجزا موجود
• در نهایت بهینه سازی است

ترتیب در این روند چیزی است که هیچ وقت عوض نمی شود.

با تعریف کردن مسئله، به قسمت اصلی کار آباکوس یعنی job می رسیم در این مرحله، ما دخالتی در روند انجام کار نداریم. تنها کاری که باید بکنیم انتظار کشیدن برای حل مسئله است. اینکه چقدر باید منتظر بمانیم به پیچیدگی مسئله و سخت افزارهای سیستم ما بستگی دارد. مواردی وجود داشته که این مرحله بیشتر از 1 یا 2 روز به طول انجامیده است.

در نهایت با کامل شدن پردازش آباکوس صفحه ای به شما نمایش میدهد که می‌توانید تحلیل مسئله خود را به راحتی داخل آن مشاهده کنید. پارامترهایی تنش، کرنش و دیگر پارامترهای استاتیکی که به دست آوردن آنها در حالت عادی و با نوشتن بسیار سخت بود را می توانید تنها با چند کلیک مشاهده کنید. در واقع این مرحله خروجی مطلوب و موردنظر شما را به شما نمایش می دهد.

مطلب پیشنهادی: محصولات ادوبی

تعریف ماژول های مختلف استفاده شده در آباکوس

آباکوس برای مراحلی که در عنوان بالا به توضیح آنها پرداختیم، ماژول های خاصی را تعریف کرده است. به صورت خلاصه می‌خواهیم به بیان ماژول های مختلف نرم افزار آباکوس بپردازیم.

ماژول پارت PART :

با کمک این ماژول می توانید مدل هندسی مورد نظر خود را رسم کنید. برای فراخوانی مدل های رسم شده در کتیا و سالیدورکز نیز باید از این ماژول استفاده کنید.

ماژول خواص ماده PROPERTY :

با کمک این ماژول می توانید خواص مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی را به نرم افزار بشناسانید. در کل شناساندن ویژگی های یک ماده به این ماژول تعلق دارد. می توان به تعریف مقاطع دلخواه اجزا صنعتی و تعریف انواع مدل شکنندگی جسم پرداخت.

ماژول مونتاز ASSEMBLY :

از اسمش می شود کاربردش را نیز بیان کرد. برای اجزای صنعتی که شامل چند قطعه هستند استفاده می شود و وظیفه اسمبل ( ترکیب کردن ) قطعات را به عهده دارد.

ماژول حل کننده STEP :

روش های مختلف حل مسئله در این ماژول موجود است. وظیفه شما تعیین روش حلی است که به کمک آن به جواب قاطع تری دست پیدا خواهید کرد.

ماژول INTERACTION :

این ماژول در برخی مسائل کاربرد ندارد و به راحتی از این مرحله می توان گذشت، اما برای مسائلی که در سازه ترک وجود داشته باشد یا مسائل مربوط به انتقال حرارت یا مسائل دارای برخورد و تماس حتما باید از این ماژول استفاده کرد. در حالت عادی روی گزینه GENERAL قرار می گیرد.

ماژول بارگذاری LOAD :

این ماژول در مسائل حتما باید استفاده شود و نقاطی که به آنها فشار وارده و نیرو وجود دارد باید به صورت دقیق در این قسمت جایگذاری شود. کوچکترین اشتباه در این قسمت، پاسخی دورتر از حد انتظار به شما خواهد داد.

ماژول مش MESH :

این ماژول مدل ما را به قسمت های کوچکتر برای حل مسئله به روش FEM تبدیل می کند. به دو حالت می توانید از این ماژول استفاده کنید :

1. مش خودکار که نرم افزار به صورت کاملا خودکار مدل شما را مش زنی می کند. این روش برای حل مسائل پیشنهاد نمی شود.
2. مش دستی که باید به وسیله افرادی که در این نرم افزار حرفه ای هستند انجام شود. هرچقدر مش ها بیشتر باشد، نتیجه به واقعیت نزدیک تر است.

ماژول بهینه سازی OPTIMIZATION :

آخرین ماژول کاربردی برای تعریف مدل به نرم افزار هست. همان که از اسمش پیداست وظیفه بهینه سازی فیزیکی مدل را بر عهده دارد.

تفاوت آباکوس با نرم افزارهای رقیب خود انسیس Ansys و فلوئنت Fluent  (آباکوس یا انسیس یا فلوئنت)

البته که برای عملی سازی هر سه نرم افزار، فعالیت های زیادی صورت گرفته و هرسال شاهد پیشرفت هر سه آنها در نسخه های جدیدی که ارائه می کنند هستیم، اما در برخی مسائل، هریک از نرم افزار های گفته شده قدرت بیشتری برای حل مسئله را دارد همین امر باعث ایجاد تفاوت بین این 3 نرم افزار قدرتمند دنیای CAE می شود. البته لازم به ذکر است که انسیس و آباکوس برای حل مسائل مختلف از روش المان محدود FEM استفاده می کنند و در همین ابتدا نیز باید به این نکته اشاره کرد که رابط کاربری آباکوس نسبت به هر دو نرم افزار دیگر برتری چشمگیری دارد. در این قسمت از مقاله می خواهیم قدرتمندی هر یک را در حوزه های مختلف بررسی کنیم تا در زمانی که به دنبال سفارش یا انجام پروژه آباکوس یا نرم افزارهای مشابه بودید، بتوانید بهترین انتخاب را کنید.

مدلسازی : قبل از تحلیل باید قطعه مورد نظر مدلسازی شود. البته پیشنهاد ما برای این مرحله استفاده از کتیا و سالیدورکز است که میتوانید قطعه مدل شده را از آنها خروجی بگیرید و وارد نرم افزار های تحلیلی کنید، اما اگر اصرار دارید که حتما از نرم افزارهای تحلیلی برای مدلسازی اولیه هم استفاده کنید، پیشنهاد ما آباکوس است، زیرا امکانات بیشتری برای مدلسازی در اختیار شما قرار می دهد.

حوزه سیالات : در این حوزه فلوئنت بدون رقیب پادشاهی می کند و انسیس و آباکوس به گرد پای فلوئنت هم نمی رسند. اگر مسئله ای حوزه سیالات دارید بدون لحظه ای تردید از فلوئنت برای حل آن استفاده نمایید.

مکانیک شکست : آباکوس جواب های دقیق تری ارائه می دهد.

تحلیل ترک به روش XFEM: آباکوس قدرتمند تر است.

مدلسازی مواد هوشمند : انسیس برتری دارد، زیرا در آباکوس نیاز به کدنویسی پیشرفته دارد، ولی در انسیس امکاناتی برای تحلیل این حوزه وجود دارد.

سفارش انجام پروژه انسیس

مسائل استاتیکی، شبه استاتیکی و دینامیکی: انسیس پادشاه است، زیرا شباهت بیشتری بین جواب های آزمایشگاهی و جواب های انسیس وجود دارد.

تحلیل های غیر خطی: آباکوس جواب های دقیق تری به شما می دهد.

مسائل مکانیک ضربه ای : با وجود افزونه کمکی LS-Dyna در انسیس، دیگر نمی توان در حل این جور مسائل آباکوس را برتر دانست

در نهایت…

آیا شما از نرم افزار آباکوس استفاده می‌کنید یا نرم افزارهای مشابه و رقیب را ترجیح می‌دهید؟ چرا؟ آیا این مقاله مفید بود؟ نظرتان را برای ما بنویسید.

سفارش انجام پروژه آباکوس