معرفی قابلیت‌های نرم افزار ABAQUS

معرفی قابلیت‌های نرم افزار ABAQUS

ABAQUS مجموعه ای از برنامه های شبیه سازی قدرتمند مهندسی است که بر پایه روش اجزای محدود بنا نهاده شده و می‌تواند مسایلی با طیف گسترده از یک تحلیل خطی نسبتاً ساده تا تحلیل‌های غیرخطی بسیار پیچیده را حل کند.

آباکوس (ABAQUS) شامل کتابخانه گسترده ای از المان‌ها است که می‌تواند هر نوع هندسه ای را به صورت مجازی مدل‌سازی کند. همچنین این برنامه شامل لیست گسترده ای از مدل‌های رفتار ماده است که می‌تواند رفتار اغلب مصالح مهندسی مانند فلزات، لاستیک، پلیمرها، کامپوزیت‌ها، بتن مسلح، فوم‌های شکننده و حتی مصالح ژئوتکنیکی مثل خاک و سنگ را نیز شبیه سازی کند. 

از آنجایی که آباکوس (ABAQUS) به گونه ای طراحی شده که یک وسیله شبیه سازی عمومی با قابلیت‌های فراگیر باشد از آباکوس (ABAQUS) می‌توان برای حل مسایلی که خارج از حیطه مسایل مهندسی (تنش-کرنش) است نیز استفاده نمود.

نرم افزار آباکوس می‌تواند شبیه سازی مسایلی با تنوع فراوان همانند انتقال حرارت، انتشار جرم، مدیریت حرارت اجزای الکتریکی (تحلیل‌های کوپله الکتریکی حرارتی)، مسایل مربوط به صوت، مکانیک خاک (تحلیل‌های کوپله ای جریان آب منفذی - تنش) و تحلیل‌های پیزوالکتریک را انجام دهد.ABAQUS قابلیت‌های گسترده ای را برای شبیه سازی در کاربرد های خطی و غیرخطی فراهم می‌کند.

مسایلی که دارای اجزای متعدد و مصالح مختلف هستند را می‌توان با تعریف هندسه هر جز و اختصاص دادن مصالح تشکیل دهنده آن و سپس تعریف اندر کنش بین این اجزا شبیه سازی کرد. در تحلیل‌های غیرخطی آباکوس (ABAQUS) به صورت خودکار نمو بار و واداری همگرایی Convergence tolerance مناسب را انتخاب و به طور پیوسته در طول تحلیل این پارامترها را تنظیم می‌کند تا از بدست آمدن نتایج دقیق اطمینان حاصل شود. 

مبانی برنامه ABAQUS - مراحل پردازش در نرم افزار آباکوس

مبانی برنامه ABAQUS

یک تحلیل کامل در برنامه آباکوس (ABAQUS) معمولاً از سه مرحله تشکیل شده است:

  1. مرحله پیش از پردازش
  2. مرحله پردازش
  3. مرحله بعد از پردازش

این سه مرحله مطابق روند زیر به وسیله تعدادی فایل با یکدیگر ارتباط دارند.

  1. مرحله پیش از پردازش در نرم افزار ABAQUSE/CAE و یا نرم افزار دیگر
  2. فایل ورودی با نام Job.inp
  3. مرحله پردازش با قابلیت استاندارد و یا صریح ABAQUS
  4. فایل خروجی با نام‌های Job.odb، Job.dat، Job.res، Job.fil
  5. مرحله بعد از پردازش در نرم افزار ABAQUSE/CAE و یا نرم افزار دیگر

پیش پردازش (ABAQUS/CAE)

در این مرحله شما باید مدل مسئله را ساخته و یک فایل ورودی آباکوس (ABAQUS) ایجاد کنید. مدل را معمولاً می‌توان به صورت گرافیکی با استفاده از ABAQUS/CAE و یا سایر پیش پردازنده ها ایجاد کرد و یا می‌توان فایل ورودی آباکوس (ABAQUS) را با استفاده از یک ویرایشگر متن مثل Notepad ساخت.

پردازش (استاندارد و یا صریح ABAQUS)

پردازش که معمولاً به صورت یک پروسه در پس زمینه اجرا می‌شود، مرحله ای است که در آن آباکوس (ABAQUS) استاندارد و یا صریح مسئله عددی را که در مدل تعریف شده حل می‌کند. مثال‌هایی از خروجی تحلیل تنش عبارت است از تغییر مکان‌ها و تنش‌هایی که در فایل‌های باینری ذخیره می‌شود و برای مرحله پس از پردازش مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسته به پیچیدگی مسئله ای که باید تحلیل شود و قدرت کامپیوتری که تحلیل را انجام می‌دهد، زمان تحلیل می‌تواند بین چند ثانیه تا چند روز طول بکشد.

مرحله بعد از پردازش (ABAQUS/CAE)

ارزیابی نتایج را می‌توان بعد از اتمام مرحله پردازش یعنی وقتی که تنش‌ها تغییر مکان‌ها و سایر متغیر های اساسی محاسبه شده‌اند انجام داد. ارزیابی معمولاً با استفاده از ماژول گرافیک ساز 2 یا سایر پس پردازنده ها انجام می‌شود. ماژول گرافیک ساز داده های فایل خروجی باینری را می‌خواند و گزینه های متفاوتی مانند کانتور های رنگی، انیمیشن، فرم تغییر شکل یافته و یا نمایش داده ها به صورت نمودار X-Y برای نمایش نتایج دارد.

اجزای مدل آباکوس (ABAQUS)

مدل آباکوس (ABAQUS) از اجزای مختلف متعددی تشکیل شده است و این اجزا در کنار یکدیگر مسئله فیزیکی را که باید تحلیل شود، شکل می‌دهند. در ساده‌ترین حالت مدل تحلیلی شامل اطلاعات : هندسه مجزا، خصوصیات سطح مقطع المان‌ها، داده های مصالح، بارها و شرایط تکیه گاهی، نوع تحلیل و داده های خروجی مورد نیاز است.


هندسه مجزا

المان‌های محدود و گره ها، زیربنای هندسه سازه ای را که قرار است تحلیل شود، می‌سازد. هر المان در مدل بیانگر بخش مجزایی از سازه است که به نوبه خود از المان‌های متعدد و متصل به یکدیگر تشکیل شده است. المان‌ها توسط گره های مشترک به یکدیگر متصل می‌شوند. مختصات گره ها و نحوه اتصال المان‌ها (که نشان می‌دهد کدام گره به کدام المان تعلق دارد) هندسه مدل را تشکیل می‌دهد. تمامی المان‌ها و گره ها در یک مدل از مش بندی اعضا در آن مدل به وجود می‌آیند. معمولاً مش بندی تنها تقریبی از شکل واقعی سازه را به وجود می‌آورد. نوع المان، شکل، موقعیت و تعداد المان‌های استفاده شده در مش بندی جواب‌های حاصل از تحلیل را تحت تأثیر قرار می‌دهد. هرچه مش بندی ریزتر باشد (یعنی تعداد المان بیشتر در اثر مش بندی) نتایج حاصل از تحلیل دقیق‌تر خواهند بود. وقتی که مش بندی ریزتر شود، نتایج تحلیل به سمت یک جواب واحد میل می‌کند و زمان مورد نیاز برای تحلیل نیز افزایش پیدا می‌کند. جوابی که از مدل عددی به دست می‌آید، معمولاً پاسخ تقریبی از حل مسائل‌های است که شبیه سازی شده است. وسعت تقریب‌ها بستگی به هندسه مدل، رفتار مصالح، شرایط مرزی و بارگذاری دارد و این پارامترها میزان دقت جواب‌های عددی را در مقایسه با جواب‌های واقعی تعیین می‌کنند.


خصوصیات سطح مقطع المان‌ها

نرم افزار آباکوس (ABAQUS) شامل طیف وسیعی از المان‌ها است. بسیاری از این المان‌ها هندسه ای دارند که کاملاً از روی مختصات گره های آن‌ها تعیین نمی‌شود. برای مثال لایه های یک پوسته مرکب (کامپوزیت) یا ابعاد یک مقطع I شکل از روی گره های المان‌ها تعریف نمی‌شود. این داده های هندسی اضافی به عنوان خصوصیات سطح مقطع المان‌ها تعریف می‌شود و برای ساخت مدل هندسی کامل مسئله مورد نیاز است.


داده های مصالح

یکی از مواردی که باید برای المان‌های تعریف شده مشخص گردد، ویژگی‌های مصالح آن‌ها می‌باشد. از آن جا که تهیه داده های دقیق مصالح، به ویژه در مورد مدل‌هایی که در آن‌ها از مصالحی با رفتار پیچیده استفاده شده، سخت است، اعتبار نتایج آباکوس (ABAQUS) به دقت و در دسترس بودن داد ه های مصالح وابسته است.


بارها و شرایط تکیه گاهی

بارها سازه را دچار تغییر شکل می‌کنند و بنابراین باعث ایجاد تنش در سازه می‌شوند. معمول‌ترین انواع بارگذاری عبارتند از:

  • بار های متمرکز
  • بار های فشاری وارد بر سطوح
  • بار های کششی و انقباضی گسترده بر روی سطوح
  • بار ها و لنگر های خطی بر لبه های پوسته ها
  • نیرو های حجمی مانند نیروی جاذبه
  • بار های حرارتی

شرایط مرزی برای ایجاد قیود در بخش‌هایی از مدل به کار گرفته می‌شوند تا مدل ثابت باقی مانده یا به مقدار از پیش تعیین شد های حرکت کنند.

در تحلیل‌های استاتیکی شرایط مرزی کافی باید فراهم شود تا از حرکت مدل به صورت جسم صلب جلوگیری شود. در غیر این صورت حرکت جسم صلب مقید نشده باعث معکوس ناپذیری ماتریس سختی می‌گردد و این امر سبب می‌شود که تحلیل سازه قبل از اتمام قطع شود. نرم افزار آباکوس (ABAQUS) استاندارد در صورتی که در حین شبیه سازی به مشکلی در تحلیل برخورد کند، پیغام اخطاری (Warning) صادر می‌کند. در این مواقع لازم است کاربر پیغام‌های اخطار را تجزیه و تحلیل کند. در صورتی که حین تحلیل استاتیکی اخطار معکوس ناپذیر شدن ماتریس سختی را مشاهده کند، باید بررسی شود که آیا سازه یا قسمتی از آن دچار حرکت جسم صلب در اثر کمبود قیود تکیه گاهی شده است یا خیر. حرکت به صورت جسم صلب می‌تواند هم به صورت انتقالی و هم به صورت دورانی باشد. در تحلیل دینامیکی نیروهای اینرسی تا وقتی که تمامی اعضای مجزای مدل دارای جرم باشند، از ایجاد حرکت نامحدود ناگهانی جلوگیری می‌کند؛ لذا اخطارهای حل در یک تحلیل دینامیکی معمولاً بیانگر وجود سایر مشکلات در مدل مانند پلاستیک شدن بیش از حد هستند.

نوع تحلیل

نرم افزار آباکوس (ABAQUS) می‌تواند انواع گوناگون و متنوعی از شبیه سازی‌ها را انجام دهد که در اینجا تنها به دو نوع تحلیل استاتیکی و دینامیکی اشاره می‌شود. در یک تحلیل استاتیکی پاسخ بلند مدت سازه به بارهای اعمالی به دست می‌آید. در سایر مواقع پاسخ دینامیکی سازه به بارها مورد نظر است. برای مثال بارگذاری ناگهانی بر روی یکی از اجزا که در هنگام وارد شدن ضربه به وجود می‌آید و یا پاسخ سازه به یک زلزله.

داده های خروجی

با انجام تحلیل در نرم افزار آباکوس (ABAQUS) حجم گسترده ای از اطلاعات خروجی تولید خواهد شد. برای جلوگیری از اشغال شدن فضای سخت افزار، کاربر می‌تواند تنها اطلاعات مورد نیاز خود را قبل از انجام تحلیل درخواست کند. معمولاً پردازشگری مانند ABAQUS/CAE برای تعریف اجزای لازم مدل به کار برده می‌شوند.


روند تحلیل - المان‌های موجود در نرم افزار ABAQUS

نرم افزار ABAQUS/CAE محیط کاملی است که فضایی ساده و کاربر پسند برای ساختن مدل‌های آباکوس (ABAQUS)، انجام تحلیل و مشاهده و بررسی مراحل تحلیل و ارزیابی نتایج حاصل از شبیه سازی دارد.

نرم افزار ABAQUS/CAE به چندین ماژول تقسیم شده است و هر ماژول (modul) بخشی از پروسه مدل‌سازی را بر عهده دارد. برای مثال ماژول‌هایی برای تعریف هندسه مدل، خصوصیات مصالح و تولید مش بندی اختصاص داده شده است. با انتقال از یک ماژول به ماژول دیگر و انجام عملیات مدل‌سازی مرتبط با آن ماژول و تکرار این کار تا آخرین ماژول، مدل اجزای محدود ساخته خواهد شد. وقتی که ساختن مدل به اتمام رسید، نرم افزار ABAQUS/CAE یک فایل ورودی می‌سازد و مدل ساخته شده را به بخش پردازشگر نرم افزار تحویل می‌دهد. پردازنده های آباکوس (ABAQUS) استاندارد و آباکوس (ABAQUS) صریح فایل ورودی را خوانده و تحلیل را انجام می‌دهد و در حین تحلیل پیام‌هایی را به ABAQUS/CAE انتقال می‌دهد تا کاربر در جریان روند تحلیل قرار گیرد. سپس پایگاه داده اطلاعات خروجی ساخته می‌شود. در نهایت از ماژول Visualization برای خواندن از پایگاه داده اطلاعات خروجی و نمایش آن‌ها استفاده می‌شود.

 

المان‌های موجود در نرم افزار ABAQUS

در این بخش انواع المان‌های قابل استفاده در نرم افزار آباکوس (ABAQUS) به طور مختصر معرفی شده‌اند.


اجزای محدود و اجسام صلب

المان‌های محدود و اجسام صلب مؤلفه های اساسی یک مدل آباکوس (ABAQUS) هستند. المان‌های محدود شکل پذیر هستند در حالی که اجسام صلب بدون تغییر شکل در فضا حرکت می‌کنند. اگر چه کاربران برنامه های تحلیل اجزای محدود ممکن است شناختی از ماهیت المان‌های محدود داشته باشند، مفهوم عمومی اجسام صلب در یک برنامه اجزای محدود ممکن است تا حدودی جدید باشد.

برای افزایش بازده محاسباتی، برنامه آباکوس (ABAQUS) توانایی‌های عمومی در مورد مدل‌سازی اجسام صلب دارد. هر جسم یا بخشی از آن را می‌توان به صورت جسم صلب تعریف نمود. بیشتر انواع المان می‌تواند برای تعریف اجسام صلب مورد استفاده قرار گیرد. مزیت اجسام صلب نسبت به اجسام شکل پذیر این است که اجسام صلب تنها دارای شش درجه آزادی در یک گره مرجع که برای آن جسم صلب تعریف شده، هستند. برعکس، المان‌های شکل پذیر درجات آزادی متعددی دارند که برای محاسبه تغییر شکل آن‌ها محاسبات زیادی باید انجام شود. وقتی که این تغییر مکان‌ها قابل صرف نظر کردن باشند و یا برای کاربر مهم نباشند، مدل سازی جسم به صورت صلب به طور قابل ملاحظه ای از حجم محاسبات می‌کاهد بدون آنکه بر دقت نتایج خروجی

تأثیری داشته باشد.


المان‌های محیط پیوسته

خانواده‌ی المان‌های تنش / تغییر مکان سه بعدی Solid گسترده‌ترین کتابخانه المان‌ها در آباکوس (ABAQUS) است. کتابخانه های المان‌های موجود در آباکوس (ABAQUS) استاندارد و آباکوس (ABAQUS) صریح تفاوت‌هایی با هم دارند.

کتابخانه المان‌های سه بعدی در آباکوس (ABAQUS) استاندارد

کتابخانه المان سه بعدی آباکوس (ABAQUS) استاندارد شامل المان‌هایی با درون یابی مرتبه اول (خطی) و المان‌های با درون یابی مرتبه دوم Quadratic در دو یا سه بعد با استفاده از انتگرال گیری کامل یا کاهش یافته است. مثلث و چهار ضلعی در دو بعد در دسترس هستند؛ چهار وجهی، گوه های مثلثی و شش وجهی‌ها (بلوک) در سه بعد در دسترس هستند. همچنین امکان استفاده از المان‌های مثلثی و چهار وجهی اصلاح شده مرتبه دوم نیز فراهم شده است. به علاوه، المان‌های با مواد ترکیبی نیز در آباکوس (ABAQUS) استاندارد وجود دارد.

کتابخانه المان‌های سه بعدی در آباکوس (ABAQUS) صریح

کتابخانه المان سه بعدی در برنامه آباکوس (ABAQUS) صریح شامل المان‌های با درون یابی مرتبه اول (خطی) با انتگرال گیری کاهش یافته Reduced Integration در دو یا سه بعد است. مثلث‌ها و چهار وجهی‌های اصلاح شده با درون یابی مرتبه دوم نیز در این برنامه در دسترس هستند. المان‌های با انتگرال گیری کامل Full Integration یا المان‌های مرتبه دوم منظم در این برنامه در دسترس نیستند.

برای انتخاب نوع المان مثلاً در مدل سازی‌های سه بعدی بیش از بیست انتخاب وجود دارد. با در نظر گرفتن تعدد انواع المان‌های قابل استفاده، واضح است که دقت مدل سازی به شدت به نوع المانی که استفاده کرده‌اید وابسته است. تصمیم گیری برای انتخاب نوع المان به خصوص برای تازه کارها ممکن است دشوار باشد. با این حال می‌توان به این جعبه ابزار بیست تایی به عنوان وسیله ای نگریست که به شما این توانایی را می‌دهد که برای یک کار خاص ابزار دقیق مربوط به همان کار را انتخاب کنید.


المان‌های پوسته ای

در حالتی که یکی از ابعاد مدل (ضخامت آن) در برابر دو بعد دیگر بسیار کوچک‌تر باشد و تنش‌ها در جهت ضخامت مدل قابل طرف نظر کردن باشد، از المان پوسته ای برای مدل‌سازی سازه ها استفاده می‌شود. سازه ای مانند یک مخزن فشار که ضخامت آن کمتر از 0.1 ابعاد دیگر آن است را می‌توان با استفاده از المان‌های پوسته ای مدل سازی کرد.

فرض می‌شود که در المان‌های پوسته ای آباکوس (ABAQUS) مقاطع صفحه ای عمود بر صفحه پوسته به صورت صفحه باقی می‌ماند. در بکار گیری المان‌های پوسته ای ضخامت المان لزوماً نباید کمتر 0.1 ابعاد آن المان باشد. در یک مش بندی خیلی ریز ممکن است ضخامت یک المان حتی از دو بعد دیگر آن بیشتر باشد، هرچند که این مورد به طور عمومی توصیه نمی‌شود و بهتر است در این حالت از المان‌های سه بعدی استفاده نمود.

 

المان‌های تیر

المان‌های تیر وقتی مورد استفاده قرار می‌گیرند که یک بعد سازه مورد نظر (طول آن) به طور قابل توجهی از دو بعد دیگر بیشتر و تنش‌های طولی مهم‌ترین متغیر درخواستی باشد. تئوری تیر بر پایه این فرض است که تغییر شکل سازه را می‌توان تنها با استفاده از متغیرهایی که تابع محل مورد نظر در طول سازه است، به دست آورد. برای اینکه تئوری تیر جواب‌های قابل قبولی ارایه کند لازم است که ابعاد سطح مقطع سازه از 0.1 طول آن کوچک‌تر باشد.

در المان‌های تیر آباکوس (ABAQUS) فرض بر این است که صفحات عمود بر محور تیر پس از تغییر شکل به صورت صفحه باقی می‌ماند. در بکار گیری المان‌های تیر ابعاد سطح مقطع المان لزوماً نباید کمتر از 0.1 طول آن المان باشد. در یک مش بندی خیلی ریز ممکن است ابعاد سطح مقطع یک المان حتی از طول آن بیشتر باشد، هرچند که این مورد به طور عمومی توصیه نمی‌شود و بهتر است در این حالت از المان‌های سه بعدی استفاده نمود.


فیروز رضائی ; ۱٢:۱٩ ‎ب.ظ ; ۱۳٩۱/٢/۱۸