ماژول Property آباکوس - راهنمای جامع و گام به گام
مقدمه
در ماژول Part با نحوه تعریف هندسه مدل آشنا شدیم. در مرحله بعدی باید مشخصات مربوط به ماده تشکیل دهنده مدل را تعریف کنیم. به هر حال مشخص است که برای تحلیل و حل یک مساله، علاوه بر ویژگی های هندسی، باید خواص ماده تشکیل دهنده مدل هم کاملا تعیین شده باشد. تعیین این خواص با استفاده از ابزارهای موجود در ماژول Property آباکوس انجام می شود. بنابر این ماژول Property آباکوس جزو ماژول هایی است که در یک پروژه حتما باید از آن استفاده کنیم.
ماژول Property آباکوس شامل چند بخش می شود که در ادامه این بخش ها را بررسی می کنیم:
Material: در این بخش باید خواص ماده ای را که به جسم اختصاص می یابد، مشخص کنیم. نکته مهم این است که آباکوس لیست آماده ای از مواد و خواص آنها ندارد. تعریف مواد کاملا بر عهده خود ماست. یعنی اگر جنس قطعه ما از آلومینیوم است، نمی توانیم در نرم افزار، ماده آلومینیوم را انتخاب کنیم چون هیچ ماده از پیش تعریف شده ای در آباکوس وجود ندارد. راه حل این است که یک ماده تعریف کنیم و خواص آلومینیوم را برای آن وارد کنیم و سپس به جسم اختصاص دهیم.
(توصیه می کنیم حتما مقاله تعیین واحد در آباکوس را مطالعه کنید.)
اما هر ماده ای خواص بسیار گوناگون و زیادی دارد. با توجه به نوع مسئله ای که با آن سر و کار داریم، صرفا کافی است بخشی از خواص را برای ماده تعریف کنیم.
مسئله ما ممکن است در یکی از حوزه های زیر باشد:
باید ببینیم تحلیل ما مربوط به کدام یک از این حوزه هاست. اگر مثلا یک مسئله تحلیل تنش داشته باشیم (که مربوط به حوزه تحلیل جامداتی و مکانیکی است) باید خواصی مانند مدول یانگ، ضریب پواسون و … را وارد کنیم. اما وارد کردن ضریب انبساط (اگر دما مهم نباشد) نیازی نیست. اگر یک مسئله سیالاتی داشته باشیم، وارد کردن ویسکوزیته مهم می شود. به همین ترتیب برای خواص دیگر.
پس به صورت خلاصه، با توجه به مسئله ای که پیش رو داریم، باید «خواص ضروری» ماده تعریف شده را وارد کنیم.
برای وارد کردن Material، پس از انتخاب ماژول Property آباکوس ، در بالای جعبه ابزار، روی آیکون Create Material کلیک می کنیم.
پس از انتخاب گزینه فوق، کادر Edit Material باز می شود. در بالای این کادر باید نام ماده ای که می خواهیم تعریف کنیم را مشخص نماییم. مثلا اگر ماده ما آلومینیوم باشد، می توانیم نام Al یا Aluminium را برای آن انتخاب کنیم. دقت کنید که حتما یک نام مناسب و قابل تشخیص برای مواد انتخاب کنید تا در ادامه کار بتوانید ساده تر آن ها را پیدا کنید.
در کادر Description هم در صورت نیاز می توانیم یک توضیح درباره ماده بنویسیم تا بعدا به کمک ما بیاید.
همان طور که در تصویر مشاهده می کنید، در پنجره فوق 5 زبانه وجود دارد که در هر یک از آنها بخشی از خواص ماده فوق را می توانیم تعیین کنیم.
زبانه General مربوط به برخی از خواص عمومی ماده مانند چگالی است.
زبانه Mechanical به خواص مکانیکی مانند خواص الاستیک، خواص مربوط به پلاستیسیته، ویسکوزیته، مدل های آسیب، ترک و … مربوط می شود.
خصوصیاتی مانند رسانایی گرمایی، ظرفیت گرمایی، گرمای نهان و … که به انتقال حرارت مربوط می شود باید در زبانه Thermal وارد شوند.
خواص الکتریکی و مغناطیسی هم در زبانه Electrical وارد می شوند.
نهایتا در قسمت Other برخی مباحث خاص مانند انتقال جرم، محیط های متخلخل، محیط های آکوستیک و گسکت ها قابل تعریف هستند.
به عنوان مثال چگالی آلومینیوم را وارد می کنیم. برای اینکار در زبانه General بر روی گزینه Density کلیک می کنیم. با این کار، تنظیمات مربوط به وارد کردن چگالی در پایین زبانه ها نمایش داده می شود.
مطابق تصویر چگالی را وارد می کنیم. همان طور که می دانید اعداد در نرم افزار آباکوس فاقد یکا هستند. مراجعه کنید به مقاله تعیین واحد در آباکوس) پس عدد مربوط به چگالی با توجه به رویکردی است که از ابتدای شروع پروژه و ایجاد مدل هندسی داشته ایم. اگر از واحد متریک استفاده می کردیم، در اینجا 2.7E3 را وارد می کنیم و در صورتی که از واحدهای میلی متری استفاده می کردیم، در اینجا هم باید چگالی را بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب وارد کنیم یعنی 2.7E-6 . البته در صورت انتخاب یکاهای دیگر برای طول و جرم، ممکن است اعداد دیگری هم وارد شوند.
در صورتی که چگالی ماده به دما وابسته باشد (و در دماهای مختلف، مقادیر غیریکسان داشته باشد، باید تیک گزینه Use Temperature-dependent data را فعال کنیم. در این صورت یک ستون دیگر هم اضافه می شود و می توانیم در دماهای مختلف، چگالی ماده را تعریف کنیم. (اطلاعات جدول زیر صرفا برای آموزش هستند و ممکن است دقیق نباشند.)
پس از تکمیل هر سطر و برای رفتن به سطر بعدی از کلید Enter استفاده می کنیم.پ
به یک گزینه دیگر هم توجه کنید. در قسمت بالای بخش Density، بخش Distribution موجود است که به صورت پیش فرض بر روی گزینه Uniform تنظیم شده است. یعنی در همه جای جسم، ماده همین چگالی ثابت را دارد. اما با کلیک بر روی علامتی که در مقابل این بخش قرار دارد، پنجره Create Discrete Field باز می شود که در آن می توانیم با وارد کردن شماره المان های مختلف، به هر کدام یک چگالی متفاوت نسبت دهیم و به این ترتیب چگالی در نقاط مختلف جسم یکسان نخواهد بود.
تعیین Section در ماژول Property آباکوس
Section: در این بخش باید اطلاعات و خواص جسم در یک سطح مقطع از آن را مشخص کنیم.
نحوه توزیع ماده ای که تعریف کرده ایم، در قطعه طراحی شده به چه صورت است؟
آیا خواص مربوط به ماده، در یک سطح مقطع از جسم، در همه راستاها یکسان است؟
مثلا مدول یانگ در همه راستاها در هر سطح مقطع از جنس ثابت است؟
آیا جسمی که تعریف کرده ایم، به صورت همگن است؟
ماده ای که تعریف کرده ایم، ساده است یا کامپوزیتی است و از دو بخش ماتریس و فایبر تشکیل شده است؟
اصلا مدل ما به شکل توپر است یا پوسته ای است یا … ؟
باید برای همه این پرسش ها، پاسخی داشته باشیم و پاسخ خودمان را در ماژول Property آباکوس ارائه بدهیم. آباکوس برای حل مسئله، به این اطلاعات نیاز دارد. برای وارد کردن تنظیمات مربوط به سطح مقطع و Section در نرم افزار آباکوس، باید روی گزینه Create Section در جعبه ابزار کلیک کنیم.
با کلیک بر روی این گزینه، پنجره Create Section باز می شود.
در بالای کادر و در بخش Name یک نام برای Section خود انتخاب می کنیم.
در قسمت Category چهار انتخاب داریم. هر کدام از گزینه ها را که انتخاب کنیم، چند نوع مربوط به آن در بخش Type ظاهر می شود که می توانیم نوع مد نظرمان را انتخاب کنیم.
اگر در هنگام ساخت قطعه در ماژول Part آباکوس، نوع قطعه را از نوع Solid انتخاب کرده باشیم، طبیعتا اینجا هم Solid را انتخاب می کنیم چون هر سطح مقطع و Section از قطعه هم توپر خواهد بود.
اگر خواص ماده در این جسم Solid به صورت همگن پخش شده باشد، گزینه Homogeneous را انتخاب می کنیم. اگر مسئله را دو بعدی تعریف کرده باشیم، گزینه Generaliezed plane strain را انتخاب می کنیم. به این ترتیب در ادامه باید ضخامت صفحه خود را نیز مشخص کنیم.
اگر مدل ما به صورت کامپوزیتی بود هم طبیعتا باید گزینه Composite را انتخاب کنیم.
اگر در هنگام تعریف هندسه مدل در ماژول Part آباکوس، نوع Shell را انتخاب کردیم، در اینجا هم می توانیم Shell را انتخاب کنیم.
با انتخاب گزینه Beam هم دو نوع گزینه در برابر ما قرار خواهد گرفت: Beam که برای سطوح مقطع تیر هاست و Truss که مخصوص خرپا و اعضای دو نیرویی است.
برای اینکه ادامه مسیر انتخاب Section را توضیح دهیم، فرض می کنیم که حالت Solid و Homogeneous را انتخاب کرده ایم. پس از این انتخاب، روی Continue… کلیک می کنیم. در پنجره باز شده باید از بین موادی که قبلا در قسمت Material تعریف کرده ایم، یکی را انتخاب کنیم تا آن ماده به Section فوق اختصاص پیدا کند.
در صورتی که مسئله از نوع کرنش صفحه ای و یا تنش صفحه است، تیک گزینه Plane Stress/strain thickness را فعال می کنیم.
با کلیک بر روی گزینه OK سطح مقطع و Section جدید برای ما ساخته می شود. برای مشاهده این Section و ویرایش یا حذف آن، می توانیم با کلیک بر روی گزینه Section Manager در مقابل گزینه Create Section ، پنجره مربوط به آن را که همه Section های ایجاد شده را نمایش می دهد، باز کنیم.
همچنین امکان ویرایش یا حذف، با راست کلیک بر روی نام این Section در نمودار انتخابی در سمت چپ صفحه هم میسر است.
بخش Profile در ماژول Property آباکوس
این بخش به صورت مخصوص برای تحلیل های مربوط به تیر و خرپا کاربرد دارد و در آن شکل سطح مقطع اعضا را مشخص می کنیم. وقتی قرار است یک تیر شبیه سازی شود، باید شکل هندسی سطح مقطع آن مشخص باشد. در این حالت می توانیم از شکل مقطع های استاندارد با ابعاد دلخواه خودمان استفاده کنیم و یا اینکه مقاطعی به صورت کاملا دلخواه ایجاد کنیم که ممکن است جزو تیرهای استاندارد هم نباشند.
در حالتی که شکل مقطع تیر جزو شکل های معمول و استاندارد باشد، آن را در دسته Shape-Based Profiles قرار می دهیم. اما سطح مقطعی که دارای یک شکل دلخواه است، در دسته General Profiles قرار دارد.
تعریف سطح مقطع دلخواه از طریق مشخص کردن برخی از ویژگی های آن سطح مقطع انجام می شود. مهم ترین پارامتر، ممان اینرسی است. ممان اینرسی پارامتری است که با توزیع جرمی حول محورها در یک سطح مقطع مرتبط است و به همین دلیل از اهمیت فوق العاده بالایی برخوردار است.
ابزارهای تقویتی Skin
صفحات تقویتی با استفاده از Skin:
فرض کنید یک جسم سالید تو پر داریم و قصد داریم روی سطح بالایی آن یک صفحه تقویتی و یا یک لایه از ماده ای تقویتی قرار دهیم. مثلا فرض کنید جسمی از جنس فولاد داریم که در یک محیط خورنده کار می کند و می توانیم بر روی سطح آن یک لایه تقویتی با ویژگی های مخصوص قرار دهیم تا از قطعه در برابر خوردگی محافظت کند.
نکته مهم این است که تعریف سطح تقویتی برای مدل های سه بعدی کاربرد دارد و اگر یک مدل دوبعدی در آباکوس تعریف کرده باشیم، نمی توانیم بر روی سطح تقویتی تعریف کنیم.
همچنین بر روی لبه یک جسم که خاصیت تقارن محوری دارد، می توانیم سطح تقویتی ایجاد کنیم. (اگر یادتان باشد در بخش Part ، برای ایجاد هندسه روشی داشتیم تحت عنوان تقارن محوری یا Axisymmetric. این روش در مواقعی استفاده می شد که هندسه و بارگذاری، حول یک محور کاملا متقارن است.)
نحوه ایجاد سطوح و میله های تقویتی:
فرض کنید مثلا یک قطعه داریم که از داخل سوراخ آن یک پین عبور می کند و به علت نیروی پین، ممکن است دچار تنش لهیدگی شود. برای جلوگیری از آسیب های تنش لهیدگی، روی سطح داخلی این سوراخ را سخت کاری می کنیم تا پین زودتر خراب شود. (اگر پین ارزشمندتر باشد، سطح آن را سخت کاری می کنیم.)
طبیعتا سطح سخت کاری شده خواص متفاوتی دارد که باید تعریف شود. البته سطوح تقویتی ممکن است بر روی سطوح دیگر قطعه هم وجود داشته باشند. برای ایجاد یک سطح تقویتی از گزینه Create Skin در ماژول Property آباکوس استفاده می کنیم.
در ساخت ساختمان ها از بتن و میلگرد استفاده می شود که میلگرد نقش میله های تقویتی را بازی می کنند. برای تعریف این میلگردهای تقویتی از گزینه Create Stringer در ماژول Property آباکوس استفاده می کنیم.
برای تعریف سطح تقویتی در آباکوس، پس از کلیک بر روی Create Skin ، باید سطح مد نظر خود را بر روی Part انتخاب کنیم. با استفاده از نگه داشتن کلید Shift از صفحه کلید، می توانیم همزمان چندین سطح را انتخاب کنیم.
حالا برای استفاده از این سطوح ایجاد شده، باید آنها را تفکیک کنیم. برای این کار می توانیم از منوهای رنگ ها، گزینه Skins را انتخاب کنیم تا سطوح تقویتی فیلتر شوند.
در این حالت سطوحی که توسط ابزار Skin ایجاد شده اند، با تغییر رنگ مشخص می شوند:
روش دیگر این است که از طریق ابزار Create Display Group کل جسم به غیر از سطوح تقویتی را مخفی کنیم.
پس از این کار، نوبت به ساخت Section جدید مخصوص سطح تقویتی می رسد که باید از نوع Shell باشد.
با استفاده از گزینه Create Section در ماژول Property آباکوس ، این پنجره را باز می کنیم و پس از انتخاب Shell ، جنس این سطح تقویتی را مشخص می کنیم. پس از تعریف کامل Section با استفاده از گزینه Assign Section ، آن را به سطوح تقویتی اختصاص می دهیم. پس از اختصاص جنس، با استفاده از گزینه Replace All مجددا سایر قسمت های جسم را ظاهر می کنیم.
برای ایجاد میله های تقویتی، از طریق گزینه Create Stringer در ماژول Property آباکوس اقدام می کنیم.
این بار بر خلاف حالت قبلی (گزینه Skin) که یک یا چند سطح را انتخاب می کردیم، باید یک یا چند لبه و edge را انتخاب کنیم. سایر مراحل مشابه فرایند ایجاد سطوح تقویتی است. در پنجره Create Section باید Beam یا Truss را انتخاب کنیم. در صورت انتخاب Beam به عنوان Section باید شکل و ابعاد پروفایل و جهت آن را هم مشخص نمایید که این موضوع قبلا بررسی شده است.
برای حذف یا ویرایش میله ها و صفحات تقویتی از طریق Skin manager و Stringer manager که در جعبه ابزار و در مقابل گزینه های Create Skin و Create Stringer موجود است، اقدام می کنیم. البته روش دیگر هم استفاده از نمودار درختی نرم افزار آباکوس است.
ابزار Assign در ماژول Property آباکوس
حالا تعریف مواد مورد نظر تکمیل شده است. ما می توانیم به تعداد دلخواه، مواد دلخواه با خواص متنوع را ایجاد کنیم. در این مرحله باید مشخص کنیم هر کدام از ماده هایی که تعریف کرده ایم، باید به کدام Part و قطعه اختصاص پیدا کند.
همچنین در این مرحله باید جهت گیری ماده را هم مشخص کنیم. (یعنی Material Orientation)
در برخی موارد مثل کامپوزیت ها، خواص مواد در جهت های مختلف متفاوت است. (سایر مواد که خواصشان در جهات گوناگون یکسان است، ایزوتروپیک هستند.)
نکته دیگری که در این بخش باید انجام شود، تعیین جهت مربوط به مقطع تیر است. همان طور که گفتیم، برای تیرها باید شکل مقطع را مشخص کنیم. در این مرحله باید جهت آن شکل را مشخص کنیم. مثلا سطح مقطع یک تیر T شکل به صورت عمودی قرار می گیرد یا افقی.
نتایج این دو حالت تفاوت بسیار زیادی با هم دارد و با یک نیروی یکسان، مقدار خیز تیر تغییر می کند. به همین دلیل باید دقت کافی در انتخاب این گزینه ها داشته باشیم.
تعیین مقطع و جهت تیر ( Beam Profile و Beam Orientation) در ماژول Property آباکوس
برای شبیه سازی تیر، صرفا طول آن را با یک خط مشخص کرده ایم. با استفاده از گزینه Create Profile می توانیم شکل کلی و ابعاد سطح مقطع این تیر را هم مشخص کنیم. طبیعی است که بدون داشتن اطلاعات مربوط به سطح مقطع، نرم افزار آباکوس نمی تواند مسئله تیر را تحلیل کند.
پس ابتدا در ماژول Property آباکوس به سراغ جعبه ابزار می رویم و گزینه Create Profile را انتخاب می کنیم تا کادر مربوط به آن باز شود.
در قسمت بالای کادر، باید نام پروفایل را مشخص کنیم.
در قسمت Shape باید شکل کلی مقطع تیر را مشخص کنیم. گزینه هایی که در این قسمت در دسترس هستند:
Box: یک مستطیل تو خالی که جداره ای با ضخامتی خاص دارد.
Pipe: یک لوله یا همان دایره توخالی
Circular: یک دایره توپر
Rectangular: مستطیل توپر
Hexagonal: مقطع به شکل چند ضلعی
Trapezoidal: مقطع به شکل ذوزنقه
I و T و L : سطح مقطع به شکل I و T و L استاندارد
تا اینجای کار همه پروفایل ها، پروفایل های Shape based بودند. اما گزینه های Arbitrary و Generalized مربوط به حالتی می شوند که پروفایل تیر شکل استانداردی ندارد.
به عنوان مثال، گزینه اول یعنی Box را انتخاب می کنیم. پس از کلیک بر روی Continue کلیک می کنیم. پنجره Edit Profile باز می شود.
همانطور که مشاهده می کنید در بالای این پنجره نامی که برای پروفایل انتخاب کرده ایم نمایش داده می شود و همچنین شکل پروفایل مدنظر ما که همان Box و مستطیل توخالی بود در این پنجره نمایش داده شده است. حالا باید ابعاد مربوط به این پروفایل تیر در آباکوس را وارد کنیم.
3 گزینه سمت راست پنجره، طول، ارتفاع و ضخامت را مشخص می کنند که هر کدام با یک حرف نمایش داده شده است. با استفاده از حرف مربوط به هر مورد، می تواند اندازه متناظر با آن را در شکل پروفایل پیدا کرد.
در قسمت Thickness به صورت پیش فرض حالت Uniform فعال است که در این حالت ضخامت همه چهار ضلع یکسان است. اگر حالت Individual انتخاب شود، می توانیم ضخامت هر ضلع را جداگانه وارد کنیم.
همچنین دو محور با شماره های 1 و 2 هم مشخص شده اند که برای تعیین جهت تیر کاربرد دارند.
اجازه بدهید مثالی هم از حالت Generalized بزنیم. با انتخاب این گزینه در پنجره Create Profile کادر زیر باز می شود:
در این حالت باید مساحت سطح مقطع و ممان های اینرسی حول دو محور اصلی و همچنین حاصلضرب اینرسی را وارد کنیم. در صورتی که قسمتی از پروفایل باز است (اصطلاحا Open Section است) باید در دو کادر انتهایی، پارامترهای مربوط به مقاطع باز را هم مشخص کنیم. در واقع با این مشخصات وارد شده، توزیع جرم حول دو محور را مشخص کردیم.
پس از مشخص کردن پروفایل، باید در قسمت Create Section، این پروفایل را برای سکشن تیر تعریف کنیم.
اما هنوز تعریف تیر کامل نشده است. ما شکل پروفایل تیر را تعیین کردیم اما جهت آن را مشخص نکردیم. باید مشخص کنیم دو محور 1 و 2 که در شکل ها هم مشخص بودند، هر کدام در چه راستایی قرار بگیرند. حتما به یاد دارید که خیز تیر در یک بارگذاری یکسان کاملا به جهت پروفیل بستگی دارد. (یعنی مثلا در یک پروفیل مستطیلی شکل، به این بستگی دارد که مستطیل افقی باشد یا عمودی)
برای مشخص کردن جهت تیر، بر روی گزینه Assign Beam Orientation کلیک می کنیم.
در مراحل بعدی، به ترتیب باید خطی که مربوط به تیر است را مشخص کنیم. سپس در گام بعد راستای مربوط به محور 1 را با استفاده از یک بردار انتخاب می کنیم.
نرم افزار با توجه به راستای محور 1، متوجه راستای محور 2 هم می شود.
در اینجا کار تعریف پروفایل تیر به پایان می رسد.
تعیین جهت ماده (Material Orientation) در ماژول Property آباکوس
اگر هنگام تعریف ماده در ماژول Property آباکوس با استفاده از Create Material ، ماده ای ایجاد کرده باشیم که همگن نباشد و در جهت های مختلف خواص متفاوتی داشته باشد، باید برای قطعات خودمان جهت تعریف کنیم تا ماده طبق جهت های تعریف شده رفتار کند.
مثلا فرض کنید مدول یانگ ماده را در جهت 1 برابر 210 گیگاپاسکال و در جهت 2 برابر 200 گیگاپاسکال وارد کرده باشیم. در این صورت باید برای نرم افزار روشن کنیم که هر کدام از این جهت ها دقیقا در کدام راستا قرار دارد. برای این کار در ماژول Property آباکوس، گزینه Assign material Orientation را انتخاب می کنیم.
پس از انتخاب این ابزار دو گزینه ظاهر می شود که بنابه رویکردمان یکی را انتخاب می کنیم:
Use default orientation or other method: در این حالت از دستگاه های مختصات اصلی و پیش فرض نرم افزار استفاده می کنیم. مثلا می گوییم جهت 1 در راستای محور y باشد.
Datum CSYS List…: در این حالت باید یک دستگاه جدید تعریف کنید که جهات با استفاده از آن تعیین شوند.
ایجاد ماده کامپوزیتی
ماده کامپوزیت شامل یک ماده زمینه یا ماتریس و یک سری الیاف تقویتی است که در داخل این ماتریس در جهات مشخصی قرار گرفته اند تا در جهات خاصی به افزایش استحکام و بهبود خواص ماده کمک کنند.
فرض کنید بارگذاری بر روی یک قطعه فقط در راستای x باشد. دو راه خواهیم داشت. اول اینکه ماده ای انتخاب کنیم که بسیار مستحکم باشد و طبیعتا در همه راستاها استحکام زیادی داشته باشد. اما راه دوم این است که برای صرفه جویی (در هزینه، در وزن ، … ) ، از ماده ای معمولی استفاده کنیم ولی با استفاده از الیاف ها، در جهت x خواص آن را بهبود دهیم.
در گام اول با استفاده از گزینه Create material دو ماده ایجاد می کنیم که یکی جنس زمینه و یکی جنس الیاف را مشخص می کند.
در گام بعدی روی گزینه Create Section کلیک می کنیم و نوع Solid و Composite را برمی گزینیم.