آشنایی با نرم افزار المان محدودی اباکوس( Abaqus)

امروزه با توسعه روز افزون قابلیتهای نرم افزارهای محاسبات مهندسی، این نرم افزارها تقریبا در تمامی کمپانی ها و شرکت هایی که محصولات صنعتی تولید می نمایند، چه پیش از ساخت محصول و چه  در فرآیند توسعه آن، به منظور شبیه سازی عملکرد محصول مورد استفاده قرار می گیرند. این شبیه سازی در واحدهایی به نام محاسبات مهندسی و یا مهندسی به کمک کامپیوتر  انجام می شود. شبیه سازی محصول با کاهش تعداد آزمایشات و تست هایی که بر روی نمونه ها انجام می شود، سبب کاهش هزینه تولید و توسعه محصول نهایی می شود. تقریباً تمامی دستگاه ها، ادوات، ماشین ها و وسایل اطراف ما دارای برهمکنش های مکانیکی با محیط اطراف خود و حتی بین اجزای درونی خودشان هستند. شبیه سازی پدیده ها و برهم کنش های مکانیکی نظیر انتقال حرارت و چگونگی توزیع دما، میزان تحمل در برابر بارهای ضربه ای، سایش، خستگی و پاسخ سازه به تحریک های متناوب که در این محصولات روی می دهد، سبب پیش بینی عملکرد انها در شرایط مختلف می شود. در این خصوص شرکت Simulia افزاری با نام Abaqus FEA را ارایه می دهد که می تواند در محیط های صنعتی و آکادمیک، افرادی را که می خواهند به کمک تکنیک المان محدود پدیده های متنوع مکانیکی را شبیه سازی کنند، یاری نماید. 

 از آنجا که این نرم افزار بر اساسی مسائل غیرخطی بناگذاری شده توانایی بالایی جهت شبیه سازی جهان واقعی دارد. این نرم افزار به کاربر توانایی مدل کردن پیچیده ترین پدیده ها را با در نظر گرفتن اثرات بسیار ظریف میدهد. بدین ترتیب با توسعه دامنه وسیع صنایع در سالهای ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۰ این نرم افزار به عنوان نرم افزار منتخب در میان سایر نرم افزارها جایگاه ویژهای یافت. نظر به این که ABAQUS یک ابزار مدل سازی عمومی و گسترده می باشد، استفاده از آن تنها محدود به تحلیل های مکانیک جامدات و سازه ( تنش – تغییر مکان ) نمی شود. با استفاده از این نرم افزار می توان مسائل مختلفی نظیر انتقال حرارت، نفوذ جرم، تحلیل حرارتی اجزاء الکتریکی، آکوستیک، مکانیک خاک و پیزوالکتریک را مورد مطالعه قرار داد. آباکوس با وجود اینکه مجموعه قابلیت های بسیار گسترده ای را در استفاده از نرم افزار در اختیار کاربر قرار می دهد، کار با آن نسبتا ساده می باشد. پیچیده ترین مسائل را می توان به آسانی مدل کرد. به عنوان مثال مسائل شامل بیش از یک جزء را می توان با ایجاد مدل هندسی هر جزء و سپس نسبت داده رفتار ماده مربوطه به هر جزء و سپس مونتاژ اجزاء مختلف مدل کرد. در اغلب مدل سازی ها، حتی مدل های با درجه غیر خطی بالا، کاربر می بایست تنها داده های مهندسی نظیر هندسه مسئله، رفتار ماده مربوط به آن، شرایط مرزی و بارگذاری آن مسئله را تعیین کند. آباکوس در یک تحلیل غیرخطی، به طور اتوماتیک میزان نمو بار و روا داری های همگرایی را انتخاب و همچنین در طول تحلیل مقادیر آنها را جهت  دستیابی به یک جواب صحیح تعدیل می کند. در نتیجه کاربر به ندرت می بایست مقادیر پارامترهای کنترلی حل متعددی مسئله را تعیین کند. 

طیف کاربرد نرم افزار ABAQUS

 نرم افزار آباکوس به شکل گسترده در صنایع اتومبیل سازی، هوا فضا و ساخت تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. این محصول، با سایر نرم افزارهای علمی و طراحی سازگار بوده و از زبان متن باز پایتون برای برنامه نویسی بهره می برد. به همین دلیل توانایی گستردهای در ایجاد تغییرات در مدل ماده و بارگذاری دلخواه را به کاربر می دهد. هم چنین این نرم افزار مجموعه بسیار مناسبی از قابلیتهای فیزیکی در دنیای واقعی نظیر پیزوالکتریک، محیطهای آکوستیک، محیطهای متخلخل را فراهم آورده است. جالب است بدانید که نرم افزار آباکوس در ابتدا با هدف بررسی رفتار فیزیکی غیر خطی مواد ارائه گردید و نتیجه آن قابلیت بالای نرم افزار کنونی در تحلیل بازه گسترده از مواد با رفتار غیرخطی (مانند الاستومرها یا شبه لاستیک ها) است.

 ویژگیهای نرم افزار ABAQUS 

 محیط کاربری بسیار زیبا و کاربرپسند
 محیط مدل سازی دو بعدی و سه بعدی بسیار پیشرفته و در عین حال قابل درک
ارتباط جامع با نرم افزارهای طراحی تراز اول دنیا مثل کتیا و سالید ورکس
کدهای حل گر قدرتمند و دقیق غیرخطی
قابلیت توسعه به کمک اسکریپت های پایتون  
قابلیت ایجاد GUI
امکان کاربری زیر برنامه های زبان فورتران (FORTRAN ) 
قابلیت تحلیلی به روش پردازش موازی

المان ها در ABAQUS

 با توجه به مهم بودن نوع تکنیک مش بندی و نیز نوع المان مورد استفاده، کاربر می بایست اطلاعات بیشتری در زمینه المان ها داشته باشد. طیف و سمیعی از المان ها در ABAQUS قابل استفاده است که از این جهت تواناییهای زیادی را به کاربر می دهد تا بتواند انواع مختلف مسایل را مدل کرده و تحلیل نماید. در ادامه پنج ویژگی یک المان که رفتار آن را معین می سازند نام برده شده اند.
 خانواده
 درجات آزادی
 تعداد گره ها
روش فرمول بندی
روش انتگرال گیری

محیط ها ABAQUS

این نرم افزار به محیط های ده گانه ای تقسیم بندی شده است. این محیط ها عبارتند از:
1-محیط part
در این محیط کار مدل سازی هندسی قطعات انجام می شود.
2-محیط property
در این محیط کار تعریف خصوصیات مواد مورد تحلیل، تعریف پرفیل سطح مقطع، نسبت دادن خواص تعریف شده به قطعات وسایر فعالیت ها انجام می شود. 
3-محیط Assembly
در این محیط کار مونتاژ قطعات مختلف در صورت وجود در تحلیل انجام می گیرد. در واقع موقعیت هندسی قطعات را کاربر تعیین می کند. 
4-محیط step
در این محیط گام های حل مسئله انتخاب می شوند. در اینجاست که کاربر نوع حلگر را نیز مشخص می کند. 
5-محیط interaction
در این محیط خاصیت فیزیکی تماس بین شطوح تعیین می شود. 
6-محیط load
در این محیط بارگذاری و شریط مرزی تعیین می گردد. 
7-محیط mesh
در این محیط کار المان بندی مدل انجام می شود. 
8-محیط job 
در این محیط کاربر با تعریف یک job  کاربر شروع مسئله را به پردازشگر اعلام می کند.
9- محیط  visualization
 در این محیط کاربر نتایج حل را مشاهده می کنند.
 

بخش های اباکوس

نرم‌افزار آباکوس شامل ۴ بخش است:
1.    Abaqus/Standard که یک تحلیل گر کلی بر مبنای روش اجزای محدود می‌باشد و از رویکرد انتگرال گیری ضمنی استفاده می‌کند.
2.    Abaqus/Explicit که یک تحلیل گر خاص اجزای محدود می‌باشد و از رویکرد صریح برای انتگرال گیری استفاده می‌کند و برای حل سیستم‌های غیرخطی شامل مسائل تماس و در حالت بارگذاری گذرا کاربرد دارد.
3.    Abaqus/CFD که یک نرم‌افزار تحلیل دینامیک سیالات است و از نسخه ۶٫۰ به بعد به این مجموعه نرم‌افزاری اضافه شد.
4.    Abaqus/Electromagnetic که یک نرم‌افزار تحلیل مسائل الکترومغناطیس است.
همان طور که گفتیم این نرم‌افزار از زبان برنامه نویس منبع باز پایتون برای برنامه نویسی در داخل نرم‌افزار پشتیبانی می‌کند. وجود امکان اسکریپت نویسی در داخل نرم‌افزار، قابلیت‌های مدل سازی آن را دو چندان می‌کند.
یکی از مهمترین قابلیت‌های نرم‌افزار آباکوس نسبت به سایر نرم‌افزارهای اجزای محدود موجود، امکان تغییر و اضافه کردن به امکانات و کتابخانه‌های نرم‌افزار است. قابلیتی تحت عنوان «ساب روتین» نویسی که ابزاری بسیار قدرتمند برای کاربران حرفه‌ای می‌باشد. ساب روتین در واقع یک مجموعه کد است که توسط کاربر با استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن برای کاربرد خاصی نوشته می‌شود. با استفاده از این قابلیت می‌توان مواردی نظیر تعریف مدل‌های رفتاری جدید، انجام بارگذاری‌های خاص و… را انجام داد.

مبانی نرم افزار اباکوس

یک تحلیل کامل در برنامه آباکوس معمولاً از سه مرحله تشکیل شده‌است:
1.    مرحله پیش پردازش
2.    مرحله پردازش
3.    مرحله پس پردازش
انواع پردازش در آباکوس به سه مرحله مطابق شکل زیر به وسیله تعدادی فایل با یکدیگر ارتباط دارند.
مرحله پیش پردازش (Abaqus/CAE)
در این مرحله شما باید مدل مسئله را ساخته و یک فایل ورودی آباکوس ایجاد کنید. مدل را معمولاً می‌توان به صورت گرافیکی با استفاده از ABAQUS/CAE یا سایر پیش پردازنده‌ها ایجاد کرد یا می‌توان فایل ورودی آباکوس را با استفاده از یک ویرایشگر متن مثل Notepad ساخت.
مرحله پردازش (Abaqus Standard/Explicit)
پردازش که معمولاً به صورت یک روند در پس زمینه اجرا می‌شود، مرحله‌ای است که در آن آباکوس استاندارد یا صریح مسئله عددی را که در مدل تعریف شده حل می‌کند. مثالهایی از خروجی تحلیل تنش عبارت است از تغییرمکان ها و تنش هایی که در فایلهای باینری ذخیره می‌شود و برای مرحله پس از پردازش مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسته به پیچیدگی مسئله‌ای که باید تحلیل شود و قدرت رایانه‌ای که تحلیل را انجام می‌دهد، زمان تحلیل می‌تواند بین چند ثانیه تا چند روز طول بکشد.
مرحله پس پردازش (Abaqus/Viewer)
ارزیابی نتایج را می‌توان بعد از اتمام مرحله پردازش یعنی وقتی که تنش ها تغییرمکان ها و سایر متغیرهای اساسی محاسبه شده‌اند انجام داد. ارزیابی معمولاً با استفاده از مدول بصری یا سایر پس‌پردازنده‌ها انجام می‌شود. مدول بصری داده‌های فایل خروجی باینری را می‌خواند و گزینه‌های متفاوتی مانند کانتورهای رنگی، انیمیشن، فرم تغییرشکل یافته یا نمایش داده ها به صورت نمودار برای نمایش نتایج دارد.
 

منابع:
فصل نامه علمی تخصصی سیمان و بتن، دانشگاه علم و صنعت ایران، شماره دهم
ویکی پدیا
دپارتمان سازه کارگشا، سامانه جامع صنعت ساختمان