آباکوس (ABAQUS) یکی از نرم افزارهای عرضه شده توسط شرکت Dassault Systemes است که با هدف تحلیل های CAE بر مبنای المان محدود توسعه یافته است و در حوزه های متفاوتی مثل تحلیل شکست، ارتعاشات، انفجار، ضربه، اکوستیک، کاربرد دارد. این دلیل و همچنین قابلیت ها و ویژگی های جذاب و گاها منحصر به فردی که آباکوس دارد باعث شده در سال های اخیر بتواند مهندسین زیادی در اکثر رشته های مهندسی مانند هوافضا، مکانیک، عمران، پزشکی، مواد و ....  را به خود جلب کند و از این نظر از سایر رقبا مانند انسیس (ANSYS) سبقت بگیرد.

مکانیک شکست در آباکوس

مکانیک شکست علمی است که در مورد قطعات ترک دار مطالعه می کند البته مطمئنا قطعه ای ترکدار طراحی نمی شود اما ما بعنوان مهندس این حوزه بررسی می کنیم که در صورت وجود ترک آیا این ترک می تواند تاثیری در فرآیند کاری قطعه داشته باشد؟! در واقع قصد داریم در صورت وجود ترک، رشد ترک را کنترل کنیم تا به مرحله بحرانی وارد نشود تا در عملکرد قطعه خللی وارد نشود. اگر ترک ها را در ابعاد خیلی کوچک (کمتر از میلیمتر) بررسی کنیم وارد دیدگاه های علم مواد شده ایم، در ابعادهای میلیمتر تا متر با دیدگاه های طراحی کاربردی و در ابعادهای بزرگتر از متر با دیدگاه های مهندسی سروکار داریم. وظیفه علم مکانیک شکست ارتباط بین این حوزه ها است. مطالعه مکانیک شکست و رشد ترک در صنایع و علوم مختلفی کاربرد دارد. یکی از مهمترین آنها صنعت هوافضا و هوانوردی است به این دلیل که در اتصالات هواپیماها تمرکز تنش وجود دارد که باعث جوانه زدن ترک ها می شود. رشد همین ترک ها سبب از دست رفتن بخشی از بدنه یا بال هواپیما می شود. عوامل ایجاد ترک، روش های شناسایی ترک ها و روش های مقابله به آنها از مهمترین مباحث این زمینه از مهندسی هستند.

تحلیل کامپوزیت در آباکوس

همانطور که می دانیم کامپوزیت ها از 2 جزء زمینه (ماتریس) و الیاف تشکیل شده اند و کاربردهای زیادی در همه صنایع دارند که روز به روز در حال افزایش است. ما در کامپوزیت ها مواد را باهم ترکیب می کنیم تا به خواص مد نظر خود دست پیدا کنیم. برای تحلیل خواص مواد یکی از اساسی ترین ورودی های همه نرم افزارها از جمله آباکوس است. در تحلیل های کامپوزیت دقت و توجه به جزییات برای به دست آوردن جواب های دقیق از اهمیت بالایی برخوردار است مثلا تنظیمات زاویه قرارگیری الیاف ها یا جهت لایه چینی در یک سازه استوانه ای مثل مخزن با تنظیمات یک سازه ورق مستطیلی متفاوت است.

شبیه سازی ارتعاشات در آباکوس

واژه ارتعاشات و مصداق ها و کاربردهای آن در صنایع مختلف تقریبا برای همه شناخته شده است. یکی از کاربردهای تحلیل ارتعاشات که معمولا در منابع آموزش آباکوس مطرح می شود، فرکانس طبیعی است که مثال آن در طراحی فیکسچرهای ارتعاشات مبحث فرکانس طبیعی خیلی اهمیت دارد زیرا که باید از پدیده تشدید (رزونانس ) اجتناب کنیم. موضوع پرکاربرد بعدی بررسی انواع تحریک در ارتعاشات است. مثلا تحریکی را در نظر بگیرید که دامنه شتاب ثابت باشد ولی فرکانس متغیر باشد مثل جاروب سینوسی یا حتی پیچیده تر، هم دامنه هم فرکانس متغیر باشد. مثل حالتی که سوار بر اتومبیل هستید سرعت، مسیر، میزان بار وارد بر اتومبیل (به ولسطه تغییر تعداد نفرات)، میزان باد لاستیک ها و ..... همه باعث می شود نوع ارتعاش وارد بر قطعات خودرو هم از نظر دامنه و هم فرکانس متغیر باشد که پدیده random vibration نامیده می شود.

شبیه سازی انفجار در آباکوس

با توجه به اینکه انفجار تاثیرات مخرب و ویرانگری بر روی سازه ها دارد شبیه سازی این پدیده کمک بزرگی به همه ی مهندسان مکانیک، عمران، هوافضا و ......  که به نوعی با این پدیده مواجه هستند، می کند تا بررسی دقیق تر و درک مناسب تری از آن داشته باشند. آباکوس به عنوان یک ابزار قدرتمند برای شبیه سازی انفجار شناخته می شود که روش های مختلفی برای اینکار پیشنهاد می کند. همه روش های پیشنهادی در دو دسته ی کلی محفظه بسته و محفظه باز طبقه بندی می شود. در حالت محفظه بسته، ماده منفجره به صورت هندسی مدلسازی می شود ماده اختصاص داده می شود. در روش محفظه باز، ماده منفجره مدلسازی نخواهد شد ولی اثرات آن به صورت موج انفجار بر روی سازه مدلسازی می شود. این روش شامل 5 حالت مختلف planar، sprical، air blast، surface blast  و diffiuse می شود.

علیرغم قدرتمندی abaqus  در شبیه سازی پدیده ها و تحلیل آن ها ، گاهی محیط gui یا محیط CAE نرم افزار پاسخگوی نیاز کاربر نیست. البته شرکت سازنده نرم افزار برای این نوع از مسائل هم راه حلی در نظر گرفته است و در واقع قابلیت تغییر در کتابخانه های نرم افزار را فراهم کرده است. این تغییرات از طریق کدنویسی قابل انجام هستند.

انواع کد نویسی درآباکوس

کی ورد نویسی

به کدی که معمولا در حین ران و تحلیل نوشته می شود، کی ورد (Keyword) گفته می شود که گاهی می توان تغییراتی در آن ایجاد کرد. به طور مثال در حل failure  برای مواد نرم اگر با پارامترهای failure آشنایی نداشته باشید، با چند خط کدنویسی می توان جداشدن المان ها را ببینید یا به طور مثال برای ایجاد یه نقص اولیه نوشته می شود.

اسکریپت نویسی

در اسکریپت نویسی که به زبان پایتون انجام می شود روند به این صورت است که کلیه اعمال و دستوراتی که کاربر در صفحه gy اجرا می کند به شکل یک کد دستوری پایتون ایجاد و ذخیره می شود. این دستورات توسط هسته مرکزی آباکوس ترجمه می شود و کاربر نمایش دستوری که صادر کرده را مشاهده می کند. در واقع محیط اسکریپت نویسی abaqus این امکان را برای مهندس کاربر فراهم می کند که به طور مستقیم با هسته اصلیabaqus  در ارتباط باشد. از اسکریپت نویسی در دو مرحله ی پیش پردازش (preprocessing) و پس پردازش (post processing) استفاده می شود. در بخش پیش پردازش برای موارد انجام یک عمل یا دستور تکراری، ایجاد یا اصلاح مدل و یا پارامتری کردن آن از اسکریپت استفاده می شود. مثلا مدلسازی کامپوزیت با توزیع رندوم فایبرها با با ابعاد و جهتگیری های متفاوت به کمک همین روش انجام می شود. یا اگر نیاز باشد نتایج مدلسازی را برای مواد و بارگذاری های مختلف داشته باشیم، مدلسازی برای یک حالت به صورت جنرال انجام می شود و ورودی های مختلف از کاربر گرفته می شود. در مرحله پس پردازش با اسکریپت نویسی کاربر می تواند به داده های خروجی مدل دسترسی داشته باشد و با بهینه سازی نتایج مورد نظر را در اختیار داشته باشد. مثلا اگر نیاز باشد سایز مدل نسبت به تنش بهینه شود، در این صورت اسکریپت نویسی می تواند روند تکراری سایز مدل را مدل کرده، تنش های خروجی را باهم مقایسه و در نهایت سایز مطلوب آن را داشته باشد. همچنین در بررسی استقلال از شبکه (مش) که ترکیبی از پیش پردازش و پس پردازش است اسکریپت نویسی به کمک مهندسان آمده است.

اسکریپت نویسی می تواند روند تکراری سایز مدل را مدل کرده، تنش های خروجی را باهم مقایسه و در نهایت سایز مطلوب آن را داشته باشد. همچنین در بررسی استقلال از شبکه (مش) که ترکیبی از پیش پردازش و پس پردازش است اسکریپت نویسی به کمک مهندسان آمده است.

سابروتین نویسی در آباکوس

 سابروتین نویسی هم مانند 2 روش قبل، به عنوان روشی برای استفاده بیشتر از قابلیت های نرم افزار abaqus  استفاده می شود. سابروتین در واقع مجموعه ای از کد است که به زبان فرترن نوشته می شود و امکان تعریف بارگذاری های خاص، مدل های رفتاری خاص، شرایط مرزی خاص و به طور کلی شخصی سازی کردن تعاریف را به مهندسان می دهد.

مثلا تعریف رفتار غیرخطی مواد در ناحیه پلاستیک و مشخص کردن آن ناحیه توسط یک رابطه الاستیک یکی از کاربردهای ساده سابروتین نویسی است. پس با سابروتین نویسی در آباکوس با استفاده از کدنویسی قابلیت های محیط CAE افزایش خواهد یافت و انواع مدل های المان محدود قابل حل خواهند شد.

بسته به نیازی که در مسائل مختلف وجود دارد سابروتین های متعددی، توسعه یافته اند. (برای اطلاعات بیشتر به مقاله سابروتین نویسی مراجعه شود)

سابروتین VUMAT

سابروتین user-defined material یا به اختصار UMAT که جز سابروتین های معروف است، به تعریف ثوابت ورودی خاص برای مواد در جهت ایجاد مدل مکانیکی جدید (منحصر به فرد) می پردازد. موارد زیر از کاربردهای این سابروتین نویسی می باشند:

• تحلیل آسفالت مورد استفاده در معابر
• تحلیل تنش حرارتی برای کامپوزیت های دوگانه کربن / کولار در فرآیند برش لیزر
• تعریف ویژگی های مواد FGM

سابروتین VUMAT از نظر کاربرد و ویژگی ها مشابه سابروتین UMAT است با این تفاوت که در موارد استفاده از UMAT حلگر استاندارد آباکوس Abaqus/Standard Subroutines   به کار گرفته می شود، اما برای استفاده از سابروتین نویسی VUMAT از حلگر Abaqus/Explicit Subroutine بهره می بریم.

INP نویسی در آباکوس

همانطور که بالاتر اشاره شد آباکوس یک نرم افزار محاسباتی بسیار قدرتمند است که قابلیت های زیادی دارد اما همه قابلیت های آن از طریق  بخش CAE و محیط GUI قابل دسترس نیست. به همین دلیل امکانی که آباکوس در اختیار کاربران حرفه ای قرار داده این است که آن ها می توانند به طور مستقیم با حلگر (solver) نرم افزار ارتباط برقرار کنند و این ارتباط از طریق زبان inp امکان پذیر است. در واقع اساس ارتباط به این صورت است که همه مدلسازی های abaqus در ابتدا به inp تبدیل می شود و این فایل inp هست که برای حل به حلگر نرم ازار ارسال می شود. حال اگر کاربر با زبان inp  آشنا باشد می تواند هم از همه امکانات نرم افزار استفاده کند هم بدون نیاز به محیط gui مدلسازی انجام داده و به solver  بفرستد.