آشنایی با نرم افزار آباکوس و کاربردها

نرم ‌افزار آباکوس (ABAQUS) یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای شبیه‌سازی عددی در تحلیل‌های تنش و جامدات است که به‌ ویژه در صنایع مهندسی مکانیک، عمران، هوافضا و مواد کاربرد فراوان دارد. این نرم ‌افزار از دهه 1970 میلادی به ‌عنوان یک کد تحقیقاتی آغاز شد و در سال 1999 توسط داسو سیستمز با محیط گرافیکی به بازار معرفی گردید. رقابت آباکوس با نرم ‌افزارهایی مانند انسیس (ANSYS) در زمینه‌هایی چون مدل‌سازی غیرخطی، شبیه‌سازی شکست و تحلیل‌های پیچیده همواره موضوعی داغ است.

این مقاله به بررسی ویژگی‌ها و مزایای آباکوس، مقایسه آن با رقبای خود و نکات کلیدی در انتخاب ورژن، مدل‌سازی مواد و استفاده از حلگرها پرداخته تا به کاربران کمک کند بهترین انتخاب را برای شبیه‌سازی‌های خود انجام دهند.

تاریخچه

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. این نرم ‌افزار ابتدا به ‌عنوان یک کد تحقیقاتی توسط دو استاد دانشگاه در آمریکا به نام‌های ریچارد دراو و پل بی. هاردی توسعه یافت. در ابتدا، این کد به ‌طور خاص برای حل مسائل پیچیده در حوزه تحلیل‌های سازه‌ای و دینامیکی طراحی شد و تنها در محیط‌های دانشگاهی مورد استفاده قرار می‌گرفت.

در دهه 1980، شرکت هکسکول (HKS) تأسیس شد و توسعه تجاری این نرم ‌افزار آغاز گردید. در این دوره، آباکوس به‌ عنوان یک نرم‌ افزار تخصصی در حوزه تحلیل‌های المان محدود (FEM) شناخته شد و به‌ سرعت در صنایع مختلف از جمله مهندسی مکانیک، عمران، هوافضا و خودروسازی به کار گرفته شد. یکی از ویژگی‌های منحصر به‌ فرد آباکوس در این دوران، قابلیت شبیه‌سازی دقیق پدیده‌های غیرخطی، شکست و رشد ترک‌ها بود که آن را از دیگر نرم ‌افزارهای مشابه متمایز می‌کرد.

در سال 1999، شرکت داسو سیستمز (Dassault Systèmes) که مالکیت نرم‌ افزار CATIA را نیز در اختیار داشت، آباکوس را خریداری کرد و به کمک توسعه‌دهندگان این شرکت، نسخه‌های گرافیکی و تجاری پیشرفته‌تری از آباکوس به بازار عرضه شد. این تغییرات، نرم‌ افزار را به ابزاری کاربرپسند تبدیل کرد و آن را در میان مهندسان و محققان به یکی از انتخاب‌های اصلی برای شبیه‌سازی‌های پیچیده تبدیل کرد.

از آن زمان تاکنون، آباکوس به یکی از محبوب‌ترین نرم ‌افزارهای تحلیل المان محدود تبدیل شده است که با افزودن قابلیت‌هایی همچون شبیه‌سازی مسائل سیالاتی، حرارتی، الکترومغناطیسی و حتی ترکیب این تحلیل‌ها در کنار تحلیل‌های مکانیکی، دامنه کاربرد خود را به ‌طور چشمگیری گسترش داده است. آباکوس اکنون به ‌عنوان یک ابزار ضروری در بسیاری از صنایع مهندسی و تحقیقاتی شناخته می‌شود.

تفاوت آباکوس و انسیس

زمانی که داسو سیستمز آباکوس را به شکل گرافیکی مدرن عرضه کرد، رقیب اصلی خود، انسیس، احساس خطر کرد. انسیس در ابتدا فقط محیط APDL را داشت که نسبت به نسخه امروزی آن با ورک بنچ، گرافیک ساده‌تری داشت. در این محیط کاربر باید نقاط را به‌ صورت دستی وارد می‌کرد و سپس آن‌ها را به هم وصل می‌کرد. این فرآیند برای ساخت هندسه پیچیده بسیار زمان‌بر بود. علاوه بر این، خواص ماده در انسیس APDL به مش قطعه اختصاص داده می‌شد، به این معنی که برای تغییر جنس قطعه باید دوباره مش‌بندی می‌شد. این مشکلات در تجربه کاربری (UX) و واسط کاربری (UI) باعث کاهش سهم بازار انسیس شد و در نتیجه این شرکت تصمیم گرفت محیط ورک بنچ را توسعه دهد. 

در میان دانشجویان و فارغ التحصیلان مهندسی، بحث رقابت بین آباکوس و انسیس داغ است. هر دو نرم ‌افزار در حل مسائل پیچیده در حوزه‌هایی مانند شکست، ژئوتکنیک، آکوستیک، ضربه، تخریب و اندرکنش‌های سیال-جامد بسیار قدرتمندند. انتخاب نرم‌ افزار مناسب به نوع مسئله و راحتی و دقت مورد نیاز در آن بستگی دارد. به ‌عنوان مثال، آباکوس برای مسائل غیرخطی، شکست و رشد ترک بسیار قوی است، در حالی که انسیس برای مسائل کوپل ‌شده مانند اندرکنش سیال-جامد و سیال-الکترومغناطیس مناسب‌تر است.

تفاوت‌های این دو نرم‌ افزار عمدتاً در روش‌های حل معادلات و نحوه مش‌بندی است. هرچند که روش اجزا محدود (FEM) از دهه 60 میلادی مشخص است، تفاوت‌های اصلی در متدهای حل معادلات و نحوه ساخت ماتریس سفتی مسئله است که تاثیر زیادی بر سرعت همگرایی و دقت حل دارد.

بیشتر بخوانید: " مکانیک شکست رو قورت بده!"

انتخاب ورژن مناسب نرم افزار آباکوس

حالا که تصمیم گرفتید با نرم افزار چرتکه (ABAQUS) شبیه سازی هایتان را جلو ببرید در قدم اول سوالی که برای شما پیش می‌آید 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 SIMULIA و 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 بهینه‌سازی نرم افزار از سال 2012 به این نرم افزار اضافه شد.

• دستوراتی که نیاز به کیبورد نویسی دارند هر ساله کمتر شده و به ماژول‌های داخل نرم افزار اضافه شدند.

• از ورژن 2017 به بعد قابلیت حل مسائل CFD از نرم افزار آباکوس حذف شد.

• تغییرات کم و بیش مختصری که در جایگذاری آیکون‌ها، کانتورهای پس پردازش و ... در این سال‌ها 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 ویژوال استودیو به کمترین مشکل برخورد 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:

تحلیل جامع بخش‌های مختلف نرم‌ افزار آباکوس

ایجاد هندسه در محیط نرم افزار آباکوس

مدل‌سازی در محیط آباکوس یکی از نقاط قوت این نرم افزار به حساب می‌آید. از آنجایی که داسو سیستمز هر دو شرکت مالک نرم افزارهای SolidWorks و CATIA را خریداری کرده است وارد کردن هندسه از نرم افزارهای یاد شده به نرم افزار آباکوس با فرمت‌های Stp, step. Igs , para solid و.... امکان‌پذیر است. چنانچه فایل دو بعدی از نرم افزار اتوکد دارید می‌توانید با پسوند .dxf نیز اسکچ خود را وارد کنید. در کنار ورودی از نرم افزارهای متفاوت آباکوس محیط به تنهایی محیط مدل‌سازی به نسبت راحت‌تری نسبت به خیلی از رقبای خود دارد.

مدل‌های مادی در آباکوس

یکی از نقاط مهم که خصوصا صنعتگران در مطالعه نرم افزارها مورد توجه قرار می‌دهند 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 می‌شود 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 می‌توان آن را ذخیره کرد و در دفعه‌های بعدی آن‌ها را فراخوانی کرد.

مدل‌های مادی به صورت پیش فرض که می‌توان 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 کامپوزیت‌ها، آلیاژهای حافظه دار و ...) قطعا با مدل‌های 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 سازی‌های سرعت بالا مثل انفجار، ضربه، تخریب و ....)

ابعاد در آباکوس

در نرم ‌افزار آباکوس، ابعاد به طور کلی به تعداد درجات آزادی (DOF) اشاره دارند که به مدل فیزیکی اختصاص داده می‌شود. این ابعاد به نوع تحلیل و شرایط مرزی بستگی دارند. در زیر، توضیحاتی درباره ابعاد مختلف در آباکوس آورده شده است:

1. ابعاد هندسی مدل :(Geometrical Dimensions)
   دو بعدی): در این حالت، مدل فقط در دو بعد (مثلاً عرض و طول یا عرض و ارتفاع) تحلیل می‌شود. معمولاً برای مدل‌سازی مقاطع دو بعدی مانند تیرها یا صفحات استفاده می‌شود.
   سه بعدی): در این حالت، مدل در سه بعد (طول، عرض و ارتفاع) تحلیل می‌شود. این روش برای مدل‌سازی اشیاء پیچیده‌تر که نیاز به تحلیل در تمام ابعاد فضایی دارند، مناسب است.

2. ابعاد درجات آزادی :(Degrees of Freedom)
   هر گره در مدل، بسته به نوع تحلیل و ابعاد هندسی، می‌تواند درجات آزادی مختلفی داشته باشد:
   در حالت :2D گره‌ها معمولاً دو یا سه درجه آزادی دارند. در بیشتر تحلیل‌های 2D، گره‌ها دو درجه آزادی دارند که شامل جابجایی در راستای x و y هستند. در مدل‌های 3D کشش و فشار، ممکن است در برخی موارد به یک درجه آزادی اضافی (چرخش) نیز نیاز باشد.
   در حالت:3D  گره‌ها معمولاً سه درجه آزادی دارند که شامل جابجایی در راستای x ، y و z هستند. در برخی موارد، گره‌ها می‌توانند شامل چرخش‌های اضافی در سه جهتX ، Yو Z نیز باشند.

3. ابعاد تحلیل :(Analysis Dimensions) 
   تحلیل‌هایی مانند تحلیل استاتیکی، تحلیل دینامیکی، تحلیل حرارتی و تحلیل ارتعاشی می‌توانند ابعاد مختلفی از مدل را تحت بررسی قرار دهند. به عنوان مثال، در یک تحلیل حرارتی، ابعاد هندسی می‌تواند 2D یا 3D باشد، ولی در تحلیل دینامیکی، به رفتار زمان-فضا و تغییرات آن در ابعاد مختلف توجه می‌شود.

4. ابعاد المان‌ها :(Element Dimensions) 

در آباکوس، برای تحلیل مدل‌ها از المان‌ها با ابعاد مختلف استفاده می‌شود:
المان‌های یک بعدی: برای مدل‌سازی اجزای یک بعدی مانند تیرها یا کابل‌ها.
المان‌های دو بعدی: برای مدل‌سازی صفحات یا پوسته‌ها.
المان‌های سه بعدی:  برای مدل‌سازی اجسام سه بعدی مانند پرنده‌ها، بدنه‌ها یا قطعات پیچیده.

در نهایت، انتخاب ابعاد درست در آباکوس بستگی به نوع تحلیل و جزئیات مدل دارد. انتخاب نادرست می‌تواند منجر به نتایج نادرست یا زمان محاسباتی زیاد شود.

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 می‌کنید و اینگونه بیان می‌کنید که متوجه هستید چه اتفاقی در حال افتادن است. به این شکل که چنانچه به اشتباه مسئله‌ای که تغییرات شتاب در آن قابل توجه است و در لحظاتی دینامیکی رفتار می‌کند، استاتیک انتخاب شود نرم افزار آباکوس هیچگونه هوشمندی از خود نداشته و مسئله را کاملا استاتیکی حل می‌کند. یا به عنوان مثال فرض کنید پدیده‌ای که در طول شبیه سازی پارامتر دما موثر بوده و شما از آن غافل بوده‌اید، 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 چالش‌هایی که کاربران به نسبت تازه کار اباکوس با آن دست و پنجه نرم می‌کنند 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 غیرخطی بهره می‌برد 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 سخت‌تر در دسترس است و برعکس در حلگر صریح دقت کمتر و همگرایی راحت‌تر است. این قاعده در اکثر انتخاب‌هایی که بین دو معیار، دو متد و یا هر دویی دیگر گیر می‌کنید صادق است. مثلا در متدهای تماس در حلگر ضمنی متد گره به سطح و متد سطح به سطح وجود دارد که اولی دقت پایین‌تر و همگرایی بالاتر دارد در حالی دومی دقت بیشتر و همگرایی سخت‌تری دارد. برای شروع به تازه کاران نرم افزار آباکوس توصیه می‌شود مبنا را حلگر ضمنی قرار دهند، چنانچه با تنظیمات مختلف اینکریمنت‌ها نتوانستند مسئله را همگرا کنند سراغ حلگر صریح بروند.

مش‌بندی در آباکوس

نکته بسیار مهم در شبیه‌سازی‌های عددی که توجه نکردن به آن می‌تواند منجر به ورود خطاهای بسیاری در نتایج شود آنالیز حساسیت مش یا استقلال شبکه است. باید توجه داشته باشید که نتایج شما بسیار وابسته به سایز، شکل، مرتبه، ضریب منظری، جاکوبین‌های المان‌ها و .... است و در شبیه‌سازی هر مسئله‌ای می‌بایست آن را بر اساس سایز مش‌های 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 موارد زیر است:

• تغییر سایز

• تغییر شکل 

• مرتبه المان 

البته اگر مش‌بندی نکات پیچیده‌ای داشته باشد و هندسه خیلی نکات ریز و حساسی از لحاظ مش‌بندی داشته باشد نرم افزار هایپر مش گزینه مناسب‌تری است که می‌توان پس از مش زدن در آن برای آباکوس خروجی گرفت. جهت یادگیری این مهارت ها می توانید در دوره هایپرمش و دوره مش بندی مراجعه کنید 

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

به طور کلی در نرم افزارهای شبیه‌سازی عددی اجزا محدود باید دقت داشته باشید که نتایج جابجایی زودتر از تنش و کرنش همگرا می‌شوند 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.

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 می‌کند یا خیر؟ در جواب باید بگوییم قطعا اینکه کدام نقطه را به منظور خواندن نتیجه انتخاب می‌کنیم بسیار حائز اهمیت است. چنانچه نقطه نظر در گره‌هایی باشد که شرایط مرزی قرار داده شده و در آن قطعه را بسته‌ایم، هر چه مش را ریزتر کنیم مشاهده می‌کنیم تنش‌ها افزایش پیدا می‌کنند و نمودار حساسیت مش همواره فزاینده بوده و افقی نمی‌شود. در تحلیل‌های 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 گفته‌‎ها نرم افزار آباکوس توصیه می‌شود از نقاط سینگولار فاصله بگیرید و دور از این نقاط حساسیت مش را انجام دهید.

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

ماتریس سفتی کل مدل خود پس از آنکه با ابزار مختلف موجود در آباکوس خط، سطح و یا حجم مسئله مورد نظرتان به المان‌های کوچکتر تقسیم کردید با اصطلاحا اسمبل کردن ماتریس‌های هر المان تشکیل می‌شود. 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 می‌دهد. 

با حل این معادله ماتریسی مجهول‌های جابجایی (جایی که گره آزاد است) و یا نیروهای عکس العمل (جایی که گره مقید است) به دست آورده می‌شود. در ادامه با محاسبه رابطه میان جابجایی گره‌های هر المان به کرنش بر روی نقاط انتگرال‌گیری رسیده و در نهایت تنش روی این نقاط انتگرال‌گیری در المان با توجه به ماتریس سفتی آن المان به دست می‌آید. چند خط اخیر خیلی ساده و شماتیک (کارتونی) روند محاسبه‌ای که پشت محیط گرافیکی جذاب آباکوس اتفاق می‌افتد را نشان داد.
جهت تسلط کامل بر مباحث ذکر شده، شرکت در دوره آباکوس می‌تواند گزینه مناسبی باشد تا مراحل را بصورت عملی و در انجام پروژه‌ها پیش ببرید. 

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

نتیجه گیری

کار با نرم‌ افزار آباکوس، برخلاف تصور رایج، نیازمند نبوغ خارق‌العاده یا «دانشمند بودن» نیست، بلکه نیازمند درک دقیق مسئله فیزیکی، شناخت درست ابزارهای عددی و تجربه تدریجی و اصولی است. بسیاری از خطاها، اشکالات و چالش‌های رایج نه از پیچیدگی ذاتی آباکوس، بلکه از درک ناقص مفاهیم پایه مانند مش‌بندی، شرایط مرزی، خواص ماده یا انتخاب حلگر ناشی می‌شوند. آباکوس تنها یک ابزار است و مثل هر ابزار قدرتمند دیگری، اگر کاربر از منطق و روش مهندسی در استفاده از آن بهره نگیرد، خروجی نیز گمراه‌کننده خواهد بود.

باید دانست شبیه‌سازی خوب، با درک خوب از فیزیک مسئله شروع می‌شود، نه با کلیک‌ کردن تصادفی در نرم ‌افزار. انتخاب نادرست حلگر، مش ضعیف، یا حتی خواص نادرست مواد، باعث می‌شود حتی زیباترین مدل نیز بی‌ارزش شود. خطاهایی مانند "Too many attempts..." یا اعوجاج زیاد المان‌ها به ما نشان می‌دهند که نرم ‌افزار نمی‌تواند بی‌فکر جای ما تصمیم بگیرد. در نهایت، اصل «استقلال مش»، «درست خواندن نتایج» و «دوری از نقاط تکین» رمز موفقیت در استفاده از هر نرم‌ افزار اجزای محدود است، نه حفظ کردن دکمه‌ها.

پس نه دانشمند می‌خواهیم و نه نابغه! بلکه یک مهندس باهوش، با حوصله و مسلط به اصول پایه تحلیل عددی می‌تواند بهترین بهره را از آباکوس ببرد.

نویسندگان: دکتر سمیع پور، مدیریت گروه آموزشی پارس پژوهان- سایه صفاییان، کارشناسی مهندسی مواد