آباکوس چیست؟ – « نرم افزار آباکوس یک نرم افزار CAE است که برای تحلیل های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد و بر پایه تئوری المان محدود کار می کند.» این جمله تعریف کلی نرم افزار آباکوس است که البته اکثر کلمات آن نیازمند تعریف هستند و ممکن است برای بسیاری از شما ناشناخته باشند. در ادامه مقاله به بررسی همه این مفاهیم خواهیم پرداخت. اما قبل از آن اجازه بدهید یک تعریف ساده تر و کاربردی تر از این نرم افزار برای کسانیکه حوصله خواندن کل مقاله را ندارند ارائه دهیم! البته توصیه می کنیم حتما تا انتها با ما همراه باشید.
برای دیدن سایر آموزش های نرم افزار آباکوس به این بخش بروید!
به صورت خلاصه می توان گفت: «عملکرد قطعاتی که در نرم افزارهای مختلف طراحی شده اند، باید قبل از تولید بررسی شود و ایرادات احتمالی برطرف شود. این عمل می تواند توسط نرم افزاری مانند آباکوس انجام شود. آباکوس امکان انجام تحلیل های تنش کرنشی، نیرویی، گرمایی، ارتعاشاتی و … را به ما می دهد.»
آباکوس جزو نرم افزارهای CAE است. نرم افزارهای CEA چه هستند؟
CAE مخفف عبارت “Computer-Aided Engineering” است. به معنای «مهندسی به کمک کامپیوتر». در واقع شما هر مدل و محصولی را که طراحی کرده باشید می توانید با استفاده از نرم افزارهای CAE، نوع عملکرد و توانایی های آن را مورد ارزیابی قرار دهید.
فرض کنید یک شفت دوار دارید که با سرعت خاصی می چرخد و مقدار معینی گشتاور نیز تحمل می کند. برای اینکه اطمینان حاصل کنید که آیا این شفت می تواند بارهای ایجادشده را تحمل کند یا نه باید تنش های ایجاد شده در شفت را محاسبه نمایید. شاید بگویید خب محاسبه تنش و کرنش که به صورت دستی هم امکان پذیر است و دیگر به نرم افزار نیازی نیست. اما تصور کنید که شفت فقط یک استوانه ساده نباشد بلکه پله های متعدد داشته باشد. اگر شرایط به گونه ای باشد که دما هم به صورت قابل ملاحظه ای بالا رود و تنش های گرمایی افزایش یابد، دیگر حل معادلات به صورت دستی امکان پذیر نخواهد بود.
این مثالی بود از یک شفت که حتی در پیچیده ترین حالت خود هم یک جسم نسبتا ساده است. اگر جسم هایی با هندسه پیچیده تر، مواد کامپوزیتی و شرایط محیطی سخت تر را در نظر بگیرید، متوجه خواهید شد که امکان حل این معادلات به صورت دستی وجود ندارد.
نرم افزار آباکوس چگونه کار می کند؟
هر مسئله و پدیده تعدادی معادله دارد که شرایط حاکم بر آن را توصیف می کنند. اکثر پدیده های فیزیکی دارای معادلات حاکم دیفرانسیلی هستند. هر پدیده معادلات مخصوص به خود را دارد و این معادلات در اکثر اوقات بسیار پیچیده می شوند. با توجه به هندسه جسم و شرایط موجود، یک دستگاه معادلات دیفرانسیلی ایجاد می شود که دارای شرایط مرزی و شرایط اولیه است. به دلایل پیچیدگی بالایی که معمولا در این دستگاه های معادلات در اثر پیچیدگی هندسی مدل و شرایط مرزی و همچنین رفتار غیرخطی ماده به وجود می آید، نمی توان این معادلات را به صورت تحلیلی حل کرد. بنابراین ناگزیر به استفاده از روش های عددی هستیم.
روش های عددی با ارائه الگوریتم های خاصی جواب معادلات را به صورت تقریبی و با خطای کم و قابل قبول به دست می آورند. این روش ها در دانشگاه تحت عنوان درس «محاسبات عددی» ارائه می شوند.
یکی از روش های محاسبات عددی، روش المان محدود است. در واقع المان محدود صرفا روشی است برای حل معادلات دیفرانسیل و به صورت مستقیم، به فیزیک مسئله بستگی ندارد. (البته به صورت غیرمستقیم بستگی دارد. مثلا برای انتخاب نوع المان ها) برای آشنایی بیشتر شما با روش المان محدود مطلب کاملی آماده کرده ایم که توصیه می کنیم حتما آن را مطالعه کنید تا با این روش جالب بیشتر آشنا شوید. المان محدود به زبان ساده
اصلی ترین کار آباکوس این است که معادلات دیفرانسیل حاکم بر مسئله را حل می کند. بنابراین دقت داشته باشید آباکوس در صورتی پاسخ صحیح را به ما می دهد که صورت مسئله را درست تعریف کرده باشیم. در واقع در صورتی خروجی نرم افزار صحیح خواهد بود که ما به عنوان کاربر، ورودی های درستی به آن بدهیم.
چگونه با نرم افزار آباکوس کار کنیم؟
در این قسمت قصد داریم یک روند کلی از مراحل کار با نرم افزار آباکوس ارائه کنیم.
در گام نخست باید فهم صحیحی از مسئله موجود داشته باشیم. باید دقیقا از فیزیک مسئله و ویژگی های آن مطلع باشیم و بدانیم چه چیزی را می خواهیم از مسئله استخراج کنیم. درک کامل و صحیح مسئله در مراحل بعدی حل بسیار مهم و تاثیرگذار خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که آباکوس یک ابزار است و به تنهایی نمی تواند یک مسئله را تحلیل و حل کند. اگر ما نتوانیم مسئله را به درستی درک کنیم و ورودی های صحیحی به نرم افزار بدهیم، طبیعتا نمی توانیم انتظار داشته باشیم که آباکوس پاسخ صحیح را به ما بدهد. پس تا اینجای کار هنوز به نرم افزار کاری نداشته ایم و صرفا روی درک صحیح مسئله در ذهن خودمان کار کرده ایم.
در گام بعدی باید برای وارد کردن اطلاعات و مدل ها در آباکوس، تا جایی که امکان دارد و به ماهیت مسئله آسیب نمی زند، مسئله را ساده کنیم. درباره ساده سازی پیش از این صحبت شد. این نکته را در نظر داشته باشید که ساده سازی یک مسئله، بیش از اینکه قابل توضیح دادن به صورت تئوری باشد، یک مهارت است که با تجربه به دست می آید. با ساده سازی، در واقع به آباکوس کمک می کنیم تا مسئله را با سرعت بیشتری حل کند و برای حل بخش های غیر ضروری وقت نگذارد.
درباره مدل هم ممکن است این سوال ایجاد شود که آیا باید مدل در خارج نرم افزار طراحی شده و سپس به داخل آن Import شود یا اینکه در داخل نرم افزار آباکوس امکان طراحی مدل هم وجود دارد؟
پاسخ این است که هر دو روش امکان پذیر است. شما می توانید مدل خود را در یک نرم افزار تخصصی CAD مثل سالیدورک یا کتیا طراحی کنید و سپس آن را به داخل آباکوس Import کنید. روش دیگر، طراحی مدل در داخل نرم افزار آباکوس است. این روش برای مدل های نسبتا ساده کارآمد خواهد بود.
از آنجایی که آباکوس یک نرم افزار تخصصی برای تحلیل است، امکانات طراحی مدل در آن، بسیار کمتر از نرم افزارهای تخصصی طراحی است. در نتیجه جسم هایی که دارای پیچیدگی های هندسی هستند، بهتر است در نرم افزارهای تخصصی CAD طراحی شوند. علاوه بر این، در اکثر شرکت های بزرگ، واحد طراحی از واحد شبیه سازی و تحلیل جداست. در نتیجه واحد طراحی، مدل را در یک نرم افزار CAD طراحی می کند و آن را به واحد شبیه سازی و تحلیل تحویل می دهد تا در داخل نرم افزار تحلیلی Import شود.
پس از ساده سازی و وارد کردن مدل به آباکوس، نوبت به تقسیم مدل به المان های کوچک تر می رسد. در این مرحله باید نوع المان ها را هم مشخص کنیم. درباره نوع المان، همین مقدار اطلاع داشته باشید که با توجه به هندسه مدل و سایر پارامترها، در هر مسئله باید نوع خاصی از المان ها را برای حل انتخاب کنیم.
در این مرحله تعداد المان ها را هم باید مشخص کنیم. مشخص کردن تعداد المان ها هم به تجربه کاربر برمی گردد. اما یک فرایند طبیعی در آباکوس این است که کاربر پس از گرفتن خروجی احساس کند نتایج به دست آمده رضایت بخش نیست و در نتیجه با تغییر تعداد المان ها، دوباره خروجی بگیرد. در واقع تعداد المان ها می تواند روی نتایج خروجی و زمانی که طول می کشد تا نتایج به دست آیند، بسیار تاثیرگذار باشد.
پس از تعیین تعداد و نوع المان ها، نوبت به تعیین شرایط مرزی و بارگذاری می رسد. شرایط مرزی با توجه به ماهیت مسئله می تواند متفاوت باشد. مثلا در یک مسئله تنش و کرنش ممکن است ثابت بودن (جابجایی صفر) تعدادی از گوشه های مدل به عنوان شرط مرزی تعیین شود. یا در یک مسئله انتقال حرارت، دمای نقاط خاصی از جسم می تواند شرط مرزی باشد.
در گام بعدی، ما به عنوان کاربر نقش چندانی نداریم و این نرم افزار است که با تشکیل دستگاه معادلات دیفرانسیل، به حل عددی آن معادلات به روش المان محدود می پردازد.
آباکوس در چه حوزه هایی کاربرد دارد؟
نرم افزار آباکوس، یک نرم افزار فوق العاده جامع است که در اکثر زمینه های مهندسی می تواند مفید باشد. این نرم افزار می تواند در تحلیل های مربوط به مسئله هایی مانند مسائل زیر به کار گرفته شود.
1- مسئله های استاتیکی و شبه استاتیکی
2- تحلیل های ارتعاشاتی
3- مسائل مربوط به دینامیک جامدات
4- تحلیل و شبیه سازی برخورد و ضربه
5- مسئله های مربوط به دینامیک سیالات
6- پروژه های شکل دهی فلزات
7- تحلیل های حوزه آکوستیک
8- …
نکته: در حوزه تحلیل های سیالاتی، آباکوس امکانات مناسبی دارد اما معمولا این تحلیل ها را در نرم افزار فلوئنت (که به طور تخصصی برای تحلیل سیالات طراحی شده است) انجام می دهند. بنابراین، آباکوس عمدتا در تحلیل های جامداتی به کار می رود.