آموزش نرم افزار آباکوس Abaqus در مهندسی مکانیک

امروزه کمتر مهندسی را در حوزه تحلیل تنش می‌توان یافت که نام نرم ‌افزار تحلیل تنش آباکوس را نشنیده باشد. در مقاله آشنایی با نرم افزار آباکوس و کاربردها خواندیم که نرم‌ افزار آباکوس (ABAQUS) یکی از معروف‌ترین و قدرتمندترین ابزارهای شبیه‌سازی عددی در حوزه تحلیل‌های تنش و جامدات است که تاریخچه آن به اوایل دهه 1970 میلادی برمی‌گردد. در این مقاله به معرفی بیشتر نرم‌افزار آباکوس، کاربردهای آن و ضرورتش برای مهندسین مکانیک می‌پردازیم.

آباکوس چیست؟

آباکوس (Abaqus) نرم‌افزاری پیشرو در زمینه تحلیل اجزای محدود (FEA) است که به‌طور گسترده در رشته مهندسی مکانیک و همچنین سایر رشته‌های مهندسی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار توسط شرکت Dassault Systemes توسعه پیدا کرده است. از آنجایی که آباکوس به 2 نسخه Standard (برای تحلیل‌های ایستا) و Explicit (برای تحلیل‌های دینامیک) تقسیم می‌شود، برای طیف وسیعی از مسائل قابل استفاده است. علاوه بر این، آباکوس قابلیت مدل‌سازی مسائل خطی و غیرخطی را دارد. بنابراین در انواع صنایع از جمله خودروسازی، هوافضا، نفت و گاز و ... کاربردی است.

ویژگی‌های منحصر به فرد آباکوس Abaqus

آباکوس نرم‌افزار قدرت‌مندی است که ویژگی‌ها و قابلیت‌های ممتاز آن، باعث شده به گزینه‌ای قابل اطمینان در بین مهندسین تبدیل شود. مهندسین با کمک این ویژگی‌ها می‌توانند سیستم‌های پیچیده را طراحی و تحلیل نمایند. بنابراین یادگیری عمیق و کاربردی این ویژگی‌ها، مهندسین را در مسیر دستیابی به بهترین عملکرد یاری می‌کند. اگر به تازگی وارد دنیای آباکوس شده‌اید، پیشنهاد می‌کنیم دوره آموزش آباکوس مقدماتی (ABAQUS) را از دست ندهید. اگر بخواهیم به مهم‌ترین ویژگی‌های منحصر به فرد آباکوس بپردازیم، می‌توانیم موارد زیر را نام ببریم:

• کتابخانه عناصر گسترده: آباکوس شامل یک کتابخانه عناصر جامع از خانواده‌های متنوع مانند continuum، shell، beam و truss می‌باشد که برای تحلیل‌های گوناگون مناسب هستند. 
• مدل‌سازی مواد پیشرفته: آباکوس از رفتارهای غیرخطی مواد پشتیبانی می‌کند که شامل این موارد می‌شوند: مدل‌های الاستیک – پلاستیک، الاستیسیته بیش از حد (مانند مواد لاستیکی)، ویسکوالاستیسیته و خزش، شکست و آسیب پیش‌رونده
• قابلیت‌های مولتی فیزیک: آباکوس شبیه‌سازی‌های میدان جفت شده را ادغام می‌کند از جمله: ترمو مکانیکی (انتقال حرارت با آنالیز فشار)، برهم‌کنش سیال – ساختار و کوپلینگ الکترومغناطیسی و آکوستیک ساختاری
• تکنولوژی حل دوگانه: Abaqus Standard برای حل مسائل استاتیک یا ایستا و Explicit برای حل مسائل دینامیک (مانند ضربه و انفجار)
• شخصی‌سازی از طریق پایتون و سابروتین: اسکریپت‌های پایتون، پیش‌پردازش و پس‌پردازش را در آباکوس خودکار می‌کنند. علاوه بر این، سابروتین‌های تعریف شده توسط کاربر (UMAT, VUMAT) مدل‌سازی سفارشی مواد را میسر می‌سازند.
• تماس قوی و مش‌بندی تطبیقی: تشخیص خودکار تماس برای برهم‌کنش‌های پیچیده.
• پشتیبانی از محاسبات با عملکرد بالا (HPC): پردازش موازی بهینه برای مدل‌های بزرگ‌مقیاس

آباکوس علاوه بر قابلیت‌هایی که عنوان شدند، ویژگی‌های دیگری نیز دارد که آن را به نرم‌افزاری متمایز تبدیل می‌کنند. مثلا دقت، انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری. آباکوس بهتر از خیلی از ابزارهای دیگر  FEA قادر به حل مسائل غیرخطی مانند هندسی، مواد و تماس است. ضمن اینکه در شبیه‌سازی از اجزای کوچک تا کل سیستم کاربرد دارد.

چرا هر مهندس مکانیک برای تحلیل تنش باید آباکوس Abaqus را یاد بگیرد؟

نرم‌افزار آباکوس یک ابزار استاندارد برای شبیه‌سازی‌های صنعتی است. این نرم‌افزار حرف اول را در FEA در سطح جهانی می‌زند و توسط صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی و مهندسی پزشکی به دلیل توانایی در شبیه‌سازی رفتارهای غیرخطی استفاده می‌شود. علاوه بر این، تکنولوژی حل‌گر‌های دوگانه آباکوس (Standard, Explicit) آن را به نرم‌افزاری همه‌کاره برای چالش‌های متنوع مهندسی تبدیل کرده است.

امروزه تخصص در آباکوس به یک مهارت پرتقاضا در بازار کار تبدیل شده است. کارفرمایان برای مهندسینی که قادر به کاهش هزینه‌های شبیه‌سازی و تسریع توسعه محصولات با آزمایش مجازی هستند، ارزش زیادی قائل‌اند. بنابراین تسلط به آباکوس می‌تواند فرصت‌های شغلی زیادی را در زمینه‌هایی مانند تحقیق و توسعه (R&D)، تحلیل ساختار و شبیه‌سازی تصادف ایجاد کند.

سایر دلایلی که موجب اهمیت یادگیری آباکوس برای مهندسین مکانیک می‌شوند عبارت‌اند از:

• قابلیت‌های فوق‌العاده در مولتی‌فیزیک: آباکوس در شبیه‌سازی میدان‌های جفت‌شده عالی عمل می‌کند. این موضوع در مسائل مدرن مهندسی مانند طراحی باتری بسیار حیاتی است. ماژول‌های یکپارچه مولتی‌فیزیک در آباکوس به مهندسین امکان حل برهم‌کنش‌های پیچیده را در یک پلتفرم واحد می‌دهد.
• بهره‌وری در زمان و هزینه: مهندسین با به‌کارگیری آباکوس می‌توانند هزینه‌های شبیه‌سازی فیزیکی را تا 50 درصد کاهش دهند، طراحی را در گام‌های ابتدایی توسعه بهینه‌سازی کنند و شبیه‌سازی شرایط خاص مانند تصادف یا انفجار را با ایمنی و دقت انجام دهند.
• کتابخانه مواد و عناصر غنی: آباکوس بیش از 50 مدل مواد (شامل کامپوزیت، لاستیک‌های هایپرالاستیک و خاک) و کتابخانه‌ای گسترده از عناصر (شامل پوسته، میله و مواد چسب‌ناک) را ارائه می‌دهد تا مهندسین به شبیه‌سازی مواد و هندسه‌های دنیای واقعی بپردازند.
• اتصال بین آکادمی و صنعت: آباکوس به‌طور گسترده در تحقیقات علمی استفاده می‌شود که با نیازهای صنعت همخوانی دارند. بنابراین یادگیری این نرم‌افزار به دانشجویان کمک می‌کند تا برای چالش‌های دنیای واقعی آماده شود و امکان همکاری با متخصصان را داشته باشند.

نمونه پروژه با نرم‌افزار آباکوس Abaqus

فرض کنید یک مهندس مکانیک بخواهد پروژه‌ای برای مدل‌سازی یک تیر ساده فولادی و تحلیل تنش و تغییر شکل آن انجام دهد. بنابراین باید مراحل زیر را در آباکوس پیاده‌سازی نماید:

تعریف مسئله

• ابعاد تیر: طول = 1 متر، عرض = 10 سانتی‌متر، ارتفاع = 5 سانتی‌متر
• بارگذاری: نیروی 1000 نیوتن به‌صورت متمرکز در وسط تیر
• تکیه‌گاه‌ها: 2 تکیه‌گاه ساده (پین و رولر) در دو انتهای تیر
• جنس: فولاد، مدول یانگ = 200 گیگا پاسکال، نسبت پواسون = 0.3

مدل‌سازی در آباکوس

• ورود به ماژول Part و ایجاد یک 3D Deformable Solid با مقطع مستطیلی
• تعریف ماده جدیدی با خواص فولاد در ماژول Property

تعریف مقطع (Section) و انتساب به تیر

• ایجاد یک Homogeneous Solid Section و انتساب آن به تیر

مونتاژ (Assembly)

• ایجاد نمونه از Part در ماژول Assembly

تعریف مراحل تحلیل

• ایجاد یک Static, General در ماژول Step

شرایط مرزی و بارگذاری

• تعریف یک انتهای تیر به‌صورت پین (PINNED) و انتهای دیگر به‌صورت رولر (ENCASTRE)
• اعمال نیروی 1000 نیوتن به سمت پایین در وسط تیر

مش‌بندی

• مش‌بندی تیر با المان مکعبی 8 گرهی در ماژول Mesh

اجرای تحلیل

• ایجاد یک Job جدید و اجرای تحلیل

مشاهده نتایج

• ورود به ماژول Visualization و بررسی تغییر شکل، تنش و عکس‌العمل تکیه‌گاه‌ها

این پروژه یکی از نمونه‌های کاربرد آباکوس برای مهندسین مکانیک در سطح مقدماتی است. اما پروژه‌های دنیای واقعی در مقیاس بزرگ‌تر، می‌توانند پیچیده‌تر باشند و متغیرهای بیشتری نیاز به ارزیابی و تحلیل داشته باشند. مثلا ترکیب بارهای استاتیکی و دینامیکی، تحلیل تیرهای مرکب (ساخته شده با فولاد و بتن)، اتصالات پیچیده (مانند جوش یا پیچ)، تحلیل تماس، ترک و بررسی اثر تغییر ابعاد مقطع روی تنش و تغییر شکل، می‌توانند این پروژه را به یک شبیه‌سازی دینامیک غیرخطی تبدیل کنند. بنابراین پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری کاربردی و پروژه‌محور این نرم‌افزار، دوره آموزش آباکوس پیشرفته (ABAQUS) را از دست ندهید.

کاربردهای کلیدی آباکوس Abaqus درگرایش‌های مهندسی مکانیک

همان‌طور که تا اینجای مقاله مطالعه نمودید، ویژگی‌ها و قابلیت‌های آباکوس موجب محبوبیت این نرم‌افزار در رشته‌های مهندسی به‌خصوص مهندسی مکانیک شده است. مهندسی مکانیک به دلیل ماهیت آن، شامل گرایش‌ها و زیرشاخه‌های متنوعی می‌شود که نرم‌افزار آباکوس در هر کدام از آن‌ها کاربردهایی دارد. در این بخش، گرایش‌های مهندسی مکانیک و کاربرد آباکوس در آن‌ها را با تمرکز بر تکنولوژی‌های نوین در سال 2025 مطالعه می‌کنید:

ساخت و تولید:

• توسعه دوقلوهای دیجیتال (Digital Twins)
• شبیه‌سازی رفتار و عملکرد تجهیزات کارخانه جهت پیش‌بینی خرابی‌های احتمالی
• مدل‌سازی فرایندهای شکل‌دهی و جوشکاری برای کاهش عیوب و افزایش بهره‌وری

طراحی پایدار و سبک وزن:

• شبیه‌سازی مواد سبک مانند فیبر کربنی و فایبر گلاس برای کاهش وزن خودروها
• تحلیل عمر خستگی پره‌های توربین بادی و بهینه‌سازی دوام محفظه باتری‌های الکتریکی
• مدل‌سازی تجزیه PLA برای بسته‌بندی یکبار مصرف تحت فشار مکانیکی

چاپ 3 بعدی:

• طراحی مولد و تولید قطعات پیچیده با پیش‌بینی فشارهای حرارتی و بهینه‌سازی پارامترهای چاپ
• مدل‌سازی تنش‌های پسماند و تاب خوردگی قطعات فلزی پرینت‌های سه بعدی
• مدل‌سازی چسبندگی بین لایه‌ای در قطعات هیبریدی فلز - پلیمر

خودروهای برقی و خودران:

• تجزیه و تحلیل فرار حرارتی و یکپارچگی ساختاری باتری‌های خودروهای برقی
• شبیه‌سازی سناریوهای برخورد برای قاب‌های خودروهای خودران با استفاده از Abaqus/Explicit
• پیش‌بینی خستگی ناشی از ارتعاش را در کابل‌کشی خودروهای برقی ولتاژ بالا

بیومکانیک:

• آزمایش دوام ایمپلنت از طریق مدل‌سازی توزیع تنش
• رشد ترک استخوان و شبیه‌سازی آن
• شبیه‌سازی رفتار مواد هیدروژل

رباتیک:

• تحلیل بار دینامیکی و دوام مفاصل ربات‌ها
• شبیه‌سازی سناریوهای ایمنی ربات‌ها در محیط‌های صنعتی
• تجزیه و تحلیل تغییر شکل تغییر شکل محرک سیلیکونی برای گیره‌ها در کارهای ظریف

ارتعاشات و دینامیک:

• تحلیل سیستم‌های با رفتار غیر خطی
• مطالعه پاسخ دینامیکی سیستم‌ها تحت بارهای وابسته به زمان
• پیش‌بینی عمر خستگی قطعات تحت بارهای ارتعاشی متناوب

با پیشرفت پرسرعت تکنولوژی در دنیای امروز، مهندسین نیز باید خود را آماده تعامل با مسائل جدید کنند. بنابراین یادگیری نرم‌افزار پرکاربردی مانند آباکوس با دیدگاهی آینده‌نگر، یک ضرورت اجتناب ناپذیر است. همان‌طور که جدول نیز اشاره شد، مهندسین مکانیک می‌توانند با کمک قابلیت‌های آباکوس، فرایندهای نوآوری را تسریع کنند. برای مثال توسعه و گسترش تکنولوژی‌هایی مانند وسایل نقلیه خودران و شبیه‌سازی‌های مبتنی بر هوش مصنوعی در آینده کوتاه‌مدت دور از انتظار نیست و نقش مهندسین مکانیک مشارکت فعال و توسعه آن‌هاست.

قابلیت‌ ادغام Abaqus با اسکریپت‌نویسی پایتون و پلتفرم‌های ابری، به مهندسین مکانیک اجازه می‌دهد تا جریان‌های کار را خودکارسازی کنند و شبیه‌شازی‌های بزرگ‌مقیاس را انجام دهند. این موارد نقش پررنگی در انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0) ایفا می‌کنند. از آنجایی که صنایع به‌طور فزاینده بر شبیه‌سازی مجازی و آنالیز پیش‌بینانه متکی می‌شوند، مهندسین مکانیک در خط مقدم نوآوری در تولید هوشمند، انرژی‌های تجدیدپذیر و بیومکانیک قرار دارند.

آباکوس علاوه بر کاربرد گسترده در موضوعات نوین، همچنان می‌تواند نقش‌های محوری و کلیدی در پروژه‌های جاری مهندسی مکانیک داشته باشد. از جمله قابلیت‌های آباکوس که با استفاده از آن‌ها می‌توان به حل مسائل پرداخت عبارت‌اند از:

با استفاده از این قابلیت‌ها، مهندسین مکانیک می‌توانند آباکوس را در پدیده‌های مختلفی به کار بگیرند، از جمله:

سخت‌افزار مورد نیاز برای نصب آباکوس Abaqus

در جدول زیر می‌توانید ویژگی‌های سخت‌افزاری مورد نیاز برای نصب و اجرای آباکوس را در سال 2025 مشاهده نمایید:

آباکوس در چه صنایع و شرکت‌های داخلی کاربرد دارد؟

همان‌طور که تا اینجای مقاله مطالعه کردید، آباکوس نرم‌افزاری بسیار قدرت‌مند برای تحلیل تنش است. در نتیجه بسیاری از صنایع از این نرم‌افزار استفاده می‌کنند. برای مثال در صنعت خودروسازی برای تحلیل برخورد، تحلیل عملکرد قطعات پلاستیکی و فلزی تحت بارگذاری حرارتی و مکانیکی و طراحی اجزای ایمنی مانند کمربند، کیسه هوا و بدنه، آباکوس نقش مهمی را ایفا می‌کند.

در صنعت انرژی نیز تحلیل توربین‌های بادی و بخار و شبیه‌سازی تنش حرارتی در دیگ‌های بخار یا لوله‌های تحت فشار مواردی هستند که در حیطه کاربردهای آباکوس قرار می‌گیرند. علاوه بر این در صنایع عمرانی نیز از آباکوس برای تحلیل تنش و کرنش در پل‌ها، ساختمان‌ها و سازه‌های زیرزمینی و تحلیل دوام سازه‌های بتنی و فولادی نیز استفاده‌های زیادی می‌شود. پارس پژوهان در دوره‌های سازمانی خود، خدمات پروژه‌ای و آموزشی و مشاوره‌ای آباکوس را برای شرکت‌هایی از جمله مپنا، بارز و ماشین‌سازی اراک و … ارائه داده است.

جمع‌بندی

در این مقاله به معرفی قابلیت‌ها و کاربردهای آباکوس در مهندسی مکانیک پرداختیم و دانستیم که این نرم‌افزار یکی از کلیدی‌ترین ابزارهای هر مهندس مکانیک است. آباکوس در همه فعالیت‌هایی که جنبه مکانیکی دارند می‌تواند موثر واقع شود و در واقع نرم‌افزاری بین رشته‌ای محسوب می‌شود. از جمله رشته‌های دیگر که آباکوس در آن‌ها کاربردهای زیادی دارد می‌توان به مهندسی عمران، مهندسی مواد، مهندسی پزشکی، مهندسی هوافضا و مهندسی شیمی اشاره کرد. کاربردهای مخصوص آباکوس در هر یک از این رشته‌ها را می‌توانید در دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان فرا بگیرید. بنابراین یادگیری تمام ابعاد این نرم‌افزار برای استفاده بهینه از آن و دریافت خروجی‌های مطلوب ضروری است. در نهایت مهم‌ترین نکته در استفاده از نرم‌افزارهای رشته‌های مهندسی مختلف، درک عمیق و مفهومی از فیزیک و ریاضیات است.

نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی (تحت نظارت حمیدرضا سمیع پور، مدرس دوره‌های آباکوس).