همه چیز درباره نرم افزار آباکوس!

تاریخچه

با یک سرچ ساده در نت در می یابید که یکی از قدرتمندترین نرم افزارهای تجاری در حوزه تحلیل های تنش و جامدات نرم افزار آباکوس است. این نرم افزار برای اولین بار حدود دهه 70 میلادی در یکی از دانشگاههای آمریکا در یک پایان نامه دکتری به صورت کد در آورده شد. نرم افزار آباکوس با محیط واسط گرافیکی که امروزه در ذهن کاربران آن نقش می بندد از سال  1999 توسط شرکت داسو سیستمز وارد بازار شد.

رقابت آباکوس با انسیس

 زمانی که داسو سیستمز آباکوس را به بازار به شکل گرافیکی امروزی ارائه کرد ذینفعان شرکت انسیس(یکی از قوی ترین رقیب های داسو) احساس خطر کردند. دوستانی که با هر دوی این نرم افزارها کار کرده اند بهتر این توصیف را درک می کنند. انسیس ابتدا تنها محیط APDL امروزی بود که بسیار نسبت به نسخه امروزی آن که ورکبنچ به آن اضافه شده است ابتدایی تر(از لحاظ گرافیکی) بود. در واقع به این شکل بود که شما می بایست در محیطی شبیه محیط داس نقاط را تعیین می کردید، سپس نقاط را با خط به هم وصل کرده و خطوط وصل شده را به عنوان سطح تعیین می کردید. این پروسه کامل باید پیاده می شد تا شما یه پوسته داشته باشید. مشکلات دیگر اینکه خواص در نرم افزار انسیس APDL با مش به قطعه اختصاص داده می شد، در واقع چنانچه می خواستید جنس قطعه را عوض کنید می بایست مجددا قطعه را مش بزنید. همه این موارد در کنار هم(موارد مربوط به تجربه کاربر(UX) و واسط کاربری(UI) سبب شد انسیس در آن سال ها سهم بازار زیادی از دست بدهد، که در برنامه استراتژیک شرکت انسیس محیط ورکبنچ در دستور کار قرار گرفت.

آباکوس یا انسیس مسئله این است!

یکی از موضوعات داغ و جذاب میان دانشجویان و فارغ التحصیلان رشته های فنی مهندسی با رویکرد تنشی( مهندسی مکانیک جامدات، مکانیک ساخت و تولید، مهندسی عمران سازه، مهندسی عمران ژئوتکنیک، مهندسی پزشکی بایومکانیک، مهندسی هوافضا سازه، مهندسی معدن، مهندسی مواد شکل دهی و .....) همین دعوای بین کاربران میان آباکوس و انسیس است. حقیقت این است که هر دوی این نرم افزارهای تجاری بسیار قدرتمند بوده و طیف بسیاری از مسائل در حوزه های مختلف شکست، ژئوتکنیک، اکوستیک، انفجار، تصادف، ضربه، تخریب، آسیب، شکلدهی، ارتعاشات، بهینه سازی های مختلف، اندرکنش سازه سیال، میکرومکانیک، اندرکنش تنش حرارت، خزش، و .....در بر می گیرند. اما نکته مهم و تاثیر گذار برای دوستانی که می خواهند انتخاب نرم افزار داشته باشند راحتی و دقت نرم افزار مدنظر در حوزه کاری خودشان است. به عنوان مثال اکثر مسائل شکلدهی را در نرم افزار آباکوس شبیه سازی می کنند، در واقع نرم افزار انسیس برای مدلسازی مسائل غیرخطی تماس(Contact) ارتباط دوستانه ای با کاربر برقرار نمی کند. همینطور شبیه سازی های مربوط به شکست و رشد ترک را بیشتر با آباکوس شبیه سازی می کنند. از طرفی انسیس برای مسائل کوپله مانند کوپله سیال جامد(مسائل اندرکنش سازه سیال مانند مدلسازی توربین باد تحت تنش سیال عبوری)، کوپله سیال الکترومغناطیس، کوپله های تنش حرارت و... مناسب تر است.

علاوه بر نوع مسئله که می تواند وزنه ای باشد در انتخاب نرم افزارهای عددی، نحوه همگرایی و متد حل معادلات دیفرانسیلی حاکم بر مسئله نیز در این نرم افزارها متفاوت است. در واقع روش اجزا محدود یا همان FEM(FINITE ELEMENT METHOD) از دهه 60 میلادی بسیاری از مواردش مشخص است و قرار نیست این نرم افزارها از اول این معادلات را پیاده سازی کنند. ممکنه سوال کنید پس تفاوت در چه است؟ تفاوت این نرم افزارها با هم متدی است که برای حل معادلات استفاده می کنند و همچنین نحوه مش بندی جسم و شماره گذاری المان ها به منظور ایجاد ماتریس سفتی مسئله. اینکه چگونه مش بندی کنند که ماتریس سفتی که ضریب ماتریس جابجایی ها است قطری تر باشد تا حل معادلات را ساده تر کند.

کدام ورژن آباکوس؟

حالا که تصمیم گرفتید با نرم افزار چرتکه(ABAQUS) شبیه سازی هایتان را جلو ببرید در قدم اول سوالی که برای شما پیش می آید این است که کدام ورژن نرم افزار را نصب کنیم؟ نکته قابل ملاحظه درباره ورژن نرم افزار آباکوس اینکه سیاست کلی شرکت داسو سیستمز در محصول خانواده SIMULIAو به صورت خاص محصول آباکوس تا به حال بر تغییر کلی و محسوس واسط گرافیکی این نرم افزارها نبوده است. به عنوان مثال می توان برخی تغییراتی که در این سال ها در نرم افزار رخ داده است به صورت زیر اشاره کرد:

- از ورژن 6.12  نرم افزار به بعد آباکوس قابلیت نصب بر ویندوزهای 32 بیتی ندارد

- محیط بهینه سازی نرم افزار از سال 2012 به این نرم افزار اضافه شد

- دستوراتی که نیاز به کیوردنویسی دارند هر ساله کمتر شده و به ماژول های داخل نرم افزار اضافه شدند.

- از ورژن 2017 به بعد قابلیت حل مسائل CFD از نرم افزار آباکوس به دلیل کامنت های انتقادی زیادی که کاربران در شبکه های اجتماعی از حلگر سیالاتی نرم افزار داشتند، حذف شد.

- و تغییرات کم و بیش مختصری که در جایگذاری آیکون ها، کانتورهای پس پردازش و ... در این سال ها ایجاد شده است

اینکه کدام ورژن را برای نصب انتخاب می کنید به خود شما بستگی دارد. یکی از بهترین ورژن های نرم افزار که از لحاظ نصب کمترین مشکل را داشته، هلپ آفلاین به راحتی نصب و قابل استفاده دارد، توسکا به منظور حل مسائل بهینه سازی به صورت خودکار بر نرم افزار نصب می شود و نیازی به نصب جداگانه ندارد و در ادامه برای لینک کردن نرم افزار با اینتل فرترن و ویژوآل استودیو به کمترین مشکل بر خورد می کنید ورژن 6.14 نرم افزار است. در ادامه جدول مربوط به ورژن ویژوال استودیو و اینتل فرترن مناسب برای لینک با هر یک از ورژن های آباکوس آورده شده است:

ایجاد هندسه در محیط نرم افزار آباکوس

مدلسازی در محیط آباکوس یکی از نقاط قوت این نرم افزار به حساب می آید. از آنجایی که داسو سیستمز هر دو شرکتمالک نرم افزارهای SolidWorks و CATIA را خریداری کرده است وارد کردن هندسه از نرم افزارهای یاد شده به نرم افزار آباکوس با فرمت های Stp, step. Igs , para solid و.... امکان پذیر است. چنانچه فایل دو بعدی از نرم افزار اتوکد دارید می توانید با پسوند .dxf  نیز اسکچ خود را وارد کنید. در کنار ورودی از نرم افزارهای متفاوت آباکوس محیط به تنهایی محیط مدلسازی به نسبت راحت تری نسبت به خیلی از رقبای خود دارد.

مدل های مادی در آباکوس

یکی از نقاط مهم که خصوصا صنعتگران در مطالعه نرم افزارها مورد توجه قرار می دهند کتابخانه مادی نرم افزار است. خبر بد اینکه آباکوس مدل مادی آماده به این شکل که شما مثلا انتخاب کنید فولاد ساختمانی ST37 و نرم افزار خواص آن را بیاورد ندارد. البته خبر خوب اینکه همین امر سبب این می شود که کاربر با دقت بالایی و با توجه به مقالات خواص دقیق مورد نظر خود را استخراج کند. در واقع پس از ایجاد هر مدل مادی می توان آن را ذخیره کرد و در دفعه های بعدی آن ها را فراخوانی کرد.

مدل های مادی به صورت پیش فرض که می توان پارامترهای آن را در آباکوس تعیین کرد بسیار متنوع هستند، با این حال آنقدر گستره مواد جدید رو به افزایش است(مانند مواد هوشمند، مواد تابعی(FGM)، انواع کامپوزیت ها، آلیاژهای حافظه دار و ...) قطعا با مدل های مادی سر و کار خواهید داشت که نیاز پیدا کنید سابروتین نویسی به زبان فرترن در آن انجام دهید. برخی نرم افزارها مانند  LS-DYNA مدل مادی بسیار قوی برای هر تنوع مادی را در خود جای داده است (البته به صورت خاص برای قسمت آسیب نرم افزار و برای شبیه سازی های سرعت بالا مثل انفجار، ضربه، تخریب و ....)

ابعاد در آباکوس

نرم افزار آباکوس اصطلاحا بی بعد(Dimensionless) است. در واقع شما به عنوان کاربر تصمیم می گیرید که به عنوان مثال با متر کار کنید یا میلیمتر. زمانی که متریک کار می کنید باید همه ورودی ابعادی، شرایط مرزی(فشار، شتاب جاذبه، جرم...) متریک وارد کنید، چنانچه میلیمتر یا اینچ کار می کنید می بایست تمام ورودی های مختلف را بر حسب همین واحد اندازه گیری وارد نموده و خروجی ها را هم بر حسب همان واحد بخوانید. در جدول زیر تبدیل ابعادی های پر کاربرد آورده شده است.

حلگرهای مختلف نرم افزار آباکوس

انتخاب حلگر در نرم افزار آباکوس از آن دسته مواردی است که دقت نظر در آن بسیار مهم است. در واقع شما با انتخاب نوع حلگر حدود مسئله را مشخص می کنید و این گونه بیان می کنید که متوجه هستید چه اتفاقی در حال افتادن است. به این شکل که چنانچه به اشتباه مسئله ای که تغییرات شتاب در آن قابل توجه است و در لحظاتی دینامیکی رفتار می کند، استاتیک انتخاب شود نرم افزار آباکوس هیچگونه هوشمندی از خود نداشته و مسئله را کاملا استاتیکی حل می کند. یا به عنوان مثال فرض کنید پدیده ای که در طول شبیه سازی پارامتر دما موثر بوده و شما از آن غافل بوده اید، چنانچه حلگر را حرارتی(انتقال حرارتی و یا کوپل تنش- حرارت) انتخاب نکنید.

آباکوس ضمنی (implicit) یا آباکوس صریح(explicit) ؟مسئله این است؟

یکی از چالش هایی که کاربران به نسبت تازه کار اباکوس با آن دست و پنجه نرم می کنند انتخاب نوع حلگر از منظر صریح یا ضمنی بودن آن است. حلگر اولیه مسائل عددی اجزا محدود حلگر ضمنی است که از روش نیوتن رافسون برای همگرایی مسائل غیر خطی بهره می برد و به نسبت حلگر صریح در تعداد مش و نوع مش برابر دقت بالاتری دارد. این را به یاد داشته باشید که همواره دقت و همگرایی دو فاکتور در خلاف جهت هم هستند. در حلگر ضمنی همانطور که دقت بالاتر است همگرایی سخت تر در دسترس است و برعکس در حلگر صریح دقت کمتر و همگرایی راحت تر است. این قاعده در اکثر انتخاب هایی که بین دو معیار، دو متد و یا هر دویی دیگر گیر می کنید صادق است. مثلا در متدهای تماس در حلگر ضمنی متد گره به سطح و متد سطح به سطح وجود دارد که اولی دقت پایین تر و همگرایی بالاتر دارد در حالی دومی دقت بیشتر و همگرایی سخت تری دارد. برای شروع به تازه کاران نرم افزار آباکوس توصیه می شود مبنا را حلگر ضمنی قرار دهند، چنانچه با تنظیمات مختلف اینکریمنت ها نتوانستند مسئله را همگرا کنند سراغ حلگر صریح بروند.

مش بندی در آباکوس

نکته بسیار مهم در شبیه سازی های عددی که توجه نکردن به آن می تواند منجر به ورود خطاهای بسیاری در نتایج شود آنالیز حساسیت مش یا استقلا شبکه است. باید توجه داشته باشید که نتایج شما بسیار وابسته به سایز، شکل، مرتبه، ضریب منظری، جاکوبین های المان ها و .... است و در شبیه سازی هر مسئله ای می بایست آن را بر اساس سایز مش های مختلف بررسی کرده و زمانی که نتایج با تفاوت در سایز تغییر نکرد آن حالت مش را (از لحاظ سایز، شکل، مرتبه و ...) به عنوان مش مناسب در نظر گرفت. نرم افزار آباکوس ابزار مناسبی برای تغییر سایز، شکل و مرتبه المان دارد و به خوبی می توان پارامترهای مختلف را در آن مدیریت کرد. البته اگر مش بندی نکات پیچیده ای داشته باشد و هندسه خیلی نکات ریز و حساسی از لحاظ مش بندی داشته باشد نرم افزار هایپرمش گزینه مناسب تری است که می توان پس از مش زدن در آن برای آباکوس خروجی گرفت.

استقلال شبکه در نرم افزار آباکوس روی کدام نتیجه؟جابجایی، کرنش و یا تنش؟

به طور کلی در نرم افزارهای شبیه سازی عددی اجزا محدود باید دقت داشته باشید که نتایج جابجایی زودتر از تنش و کرنش همگرا می شوند و ممکن است در جواب درست جابجایی باشید اما تنش از آنجایی که هنوز همگرا نشده است جواب غلطی را گزارش کنید. پس مبنا را همیشه تنش قرار دهید.

در کدام نقاط نتایج خوانده شوند؟

پس از اینکه فهمیدیم حساسیت مش روی کدام خروجی باید باشد حال باید ببینیم خروجی تنش را در کدام نقطه مبنا قرار بدیم و یا اصولا فرقی می کند یا خیر؟ در جواب باید بگوییم قطعا اینکه کدام نقطه را به منظور خواندن نتیجه انتخاب می کنیم بسیار حائز اهمیت است. چنانچه نقطه نظر در گره هایی باشد که شرایط مرزی قرار داده شده و در آن قطعه را بسته ایم، هر چه مش را ریزتر کنیم مشاهده می کنیم تنش ها افزایش پیدا می کنند و نمودار حساسیت مش همواره فزاینده بوده و افقی نمی شود. در تحلیل های المان محدود به این نقاط، نقاط سینگولار یا تکین یا منفرد گفته شده که خواندن نتیجه در این نقطه و مبنای حساسیت مش قرار دادن آن کار درستی نیست. طبق گفته هلپ نرم افزار آباکوس توصیه می شود از نقاط سینگولار فاصله بگیرید و دور از این نقاط حساسیت مش را انجام دهید.

در نرم افزار ابتدا جابجایی به دست می آید یا کرنش و یا تنش؟

ماتریس سفتی کل مدل تان پس از آنکه با ابزار مختلف موجود در آباکوس خط، سطح و یا حجم مسئله مورد نظرتان به المان های کوچکتر تقسیم کردید با اصطلاحا اسمبل کردن ماتریس های هر المان تشکیل می شود. ماتریس نیروها دیگر ماتریسی است که تشکیل شده و در یک مسئله صرفا استاتیکی که شتاب وارد مسئله نشده و سرعت هم نزدیک به صفر است ماتریس جابجایی(بر حسب گره های موجود) ها آخرین ماتریسی است که معادله ماتریسی F=KX را تشکیل می دهد. با حل این معادله ماتریسی مجهول های جابجایی(جایی که گره آزاد است) و یا نیروهای عکس العمل(جایی که گره مقید است) به دست آورده می شود. در ادامه با محاسبه رابطه میان جابجایی گره های هر المان به کرنش بر روی نقاط انتگرال گیری رسیده و در نهایت تنش روی این نقاط انتگرال گیری در المان با توجه به ماتریس سفتی آن المان به دست می آید. چند خط اخیر خیلی ساده و شماتیک(کارتونی) روند محاسبه ای که پشت محیط گرافیکی جذاب آباکوس اتفاق می افتد را نشان داد.

مروری بر چند ارور معروف آباکوس پس از Submit  کردن مسئله!

- Too many attempts made for this incerement

این خطا معمولا زمانی رخ می دهد که حلگر در روش ضمنی حل معادلات نتواند مسئله را همگرا کند. این عدم توانایی در همگرایی به چند دلیل می تواند رخ دهد. اول اینکه شرایط مرزی، خواص و میزان بار را چک کنید، ممکن است در هر یک خطای زیادی در ورودی دادن کرده باشید. مثلا قطعه بسته نشده باشد و انتظار داشته باشید تحت نیرو حلگر استاتیک آن را همگرا کند(خوب قطعه لیز خورده و همگرا نمی شود) . یا سفتی را 6 صفر کمتر وارد کرده باشید(قطعه دچار تغییر شکل های زیاد شود). یا میزان بار برای وارد کردن کل آن در یک نمو(اینکریمنت) زیاد باشد(می بایست مسیر به مراحل کوچکتر تقسیم کرد). البته تمامی موارد یاد شده در دوره آباکوس مقدماتی در گروه آموزشی پارس پژوهان گفته می شود.

- The independent variables must be arranged in ascending

این ارور زمانی داده می شود که ورودی های مسئله در جایی(مثلا خواص پلاستیک) به صورت افزایشی کامل و یا کاهشی کامل نباشد.(مثلا یک صفر در ردیفی کم یا زیاد گذاشته باشید)

- There are no properties (excluding density) associated with this material

این ارور زمانی که معادلات تعادل به صورت کامل می بایست در نظر گرفته شود و ترم های سرعت و شتاب به همراه ماتریس های جرم و میرایی کامل در مسئله هستند و شما فراموش می کنید چگالی بر مسئله در نظر بگیرید(مثلا مسائل دینامیک). یا برای شبیه سازی های فرکانسی در جایی که مقادیر ویژه ماتریس را به منظور رسیدن به مود شیپ ها و فرکانس های طبیعی حساب می کند چنانچه جرم به قطعه نداده باشید با این ارور روبرو می شوید.

- The volume of 37485 elements is zero, small, or negative.

این ارور بر خلاف ارورهای بالا که راه حل های بعضا مشخصی داشتند اروری است که می تواند شما را کلافه کند. این ارور زمانی رخ می دهد که شما در آباکوس مسئله ای که هندسه بی نظم و پیچیده ای دارد را مش بندی کرده اید. این ارور خبر از این می دهد برخی المان ها آنقدر شکل شان کج و دور از مربع(دوبعدی) و یا مکعب(سه بعدی) شده است که در تغییر مختصات از گلوبال به محلی دترمینان تغییر مختصات (دترمینان ماتریس ژاکوبین) منفی شده و قادر به ادامه حل مسئله نیست. تغییر در سایز المان چه بزرگتر چه کوچکتر یکی از راه حل هاست، یا پارتیشین بندی به قصد رسیدن به مش مناسب تر و یا ....). یا می توانید از نرم افزار قدرتمندی در حوزه مش بندی به نام هایپرمش کمک بگیرید تا مش مناسب تری به شما تحویل داده و وارد آباکوس نمایید.

-The rigid bodies with the reference nodes contained in node set ErrNodeRefNodeNoMass have no mass associated with them and some degrees of freedom of the reference node are not restrained. Either mass must be defined or all of the translational degrees of freedom must be constrained. See the status file for further details.

-he elements contained in element set ErrElemExcessDistortion-Step1 have distorted excessively

چنانچه شرایط مرزی را چک کردید و مسئله از نوع مسائل آسیب نبود (ممکن است مسئله در واقعیت دچار آسیب شود و نیاز باشد اسیب برای المان تعریف کنید و در واقع مسئله از نوع مسائل آسیب باشد) تغییر در سایز المان چه بزرگتر چه کوچکتر یکی از راه حل هاست، یا پارتیشین بندی به قصد رسیدن به مش مناسب تر، و یا ری مشینگ و یا استفاده از المان های اویلری و ....

کلام آخر، دانشمند آباکوس نمیخواهیم!

 در انتها خاطرمان باشد که آباکوس یک وسیله است و نه هدف! در واقع شما آباکوس شناس لازم نیست باشید(هر چند 1درصد افراد به دلیل مدل کسب و کارشان که دائم پروژه انجام می دهند روی خود آباکوس فقط وقت می گذارند تا بتوانند شبیه سازی های مختلف را با آن انجام دهند) شما باید روی مفاهیم به عنوان یک مهندس مکانیک جامدات، مهندس عمران سازه، مهندس هوافضا سازه، مهندس مواد شکل دهی، مهندسی پزشکی بایومکانیک و ...عمیق شوید و معادلات ساختاری، شرایط مرزی، نوع حل و ... را مسلط باشید و در ادامه یکی از ابزاری که برای شبیه سازی به کمک تان می آید آباکوس باشد. شما خزش شناس، شکست شناس، خستگی کار، شکل دهی بلد، ضربه شناس می شوید و از آباکوس برای شناخت بهتر مسائلی که با آنها سر و کار دارید استفاده می کنید. نکته ای که در اینجا قصد داریم توجه شما را به آن جلب کنیم مفاهیم و منطق مسائل است، زیرا همانگونه که می دانید نرم افزار آباکوس همانند دیگر نرم افزارهای عددی چنانچه ورودی را اشتباه بدهید خروجی رنگی بعضا زیبایی هم به شما می دهد ولی ممکن است صدها برابر خطا داشته باشد. این شما هستید که با تسلط به مفاهیم می توانید حس خود را میزان جواب ها مبنا قرار داده و در کنار حل های تجربی و تحلیلی بتوانید به کارفرمای خود(صنعت یا دانشگاه) درستی نتایج شبیه سازی را ضمانت دهید.

 نویسنده: مهندس حمیدرضا سمیع پور مدرس دوره آباکوس گروه آموزشی پارس پژوهان