اشنایی با نرم افزار abaqus

[m_ghadimi@yahoo.]

1.مقدمه امروزه استفاده از روش المان محدود در تحليل مسائل پيچيده گوناگون صنايع براي كاهش زمان و هزينه و افزايش بهروری گسترش فراواني يافته است و در ميان نرم افزارهاي كه از اين روش استفاده مي كنندABAQUS از جايگاه ويژه اي برخوردار است. نرم افزار ABAQUS يك مجموعه قدرتمند از برنامه هاي شبيه سازي مهندسي بر پايه روش المان محدود است كه مي تواند مسئله هاي از آناليز خطي نسبتا ساده تا مسئله هاي پيچيده و چالش بر انگيز شبيه سازي هاي غير خطي را حل كند. این نرم افزار داراي يك مجموعه بزرگ از المان‌ها را شامل مي شود كه مي تواند هر هندسه راي را مدل كند. همچنين اين نرم افزار داراي يك مجموعه كامل از مدل هاي مواد را دارا مي باشد كه مي تواند رفتار بسياري از مواد رايج مهندسي از جمله لاستيك، پليمرها، كامپوزيت ها، بتن تقويت شده، فوم هاي انعطاف پذير و تراكم پذير، يا مواد تشكيل دهنده ي پوسته زمین مثل خاك و صخره را شبيه سازي كند و به عنوان يك ابزار شبيه سازي همه كاره طراحي مطرح شده است. اين نرم افزار در تحليل مسائل ساختاري (تنش – كرنش) و در سطوح مختلف مانند انتقال حرارت، انتقال جرم، كنترل حرارت اجزاي الكتريكي، تحليل اصوات، مكانيك خاك و آناليز پيزوالكتريك به كار گرفته شود. از ديگر كار برده هاي اين نرم افزار تحليل شكست قطعات و بررسي مكانيزم رشد ترك، تحليل بارگذاري هاي دینامیکی بروي سازه‌ها و تحليل پيش بين تخريب ناشي از زمين لرزه و كاربردها فراواني ديگر مكانيك و هوا فضا مي باشد. 1-1- تواني هاي نرم افزار ABAQUS شامل دو توانايي آناليز مهم است:1. ABAQU/STANDARD ويژه اي مسائل عمومي المان محدود و 2. ABAQUS/EXPLICITويژه ي مسائل ديناميكي المان محدود. همچنين چهار كاربرد مخصوص به توانايي آناليز ABAQU/STANDARD اضافه شده است که عبارتند از: 1. ABAQU/AQUA 2. ABAQU/AMS 4. Abaqus/Design 3.Abaqus/Foundation Abaqus/CAE يك محيط كامل اين نرم افزار است كه قابليت ايجاد مدل ها،اصلاح و اجراي آناليز و ارزيابي كردن نتايج توسط Abaqus/Viewer (يكي از زير مجموعه هاي Abaqus/CAE) را داراي مي باشد Abaqus/Viewer فقط وظايف پس پردازنده را شامل مي شودو جهت ديدن و خروجي گرفتن از نتايج استفاده مي شود. 1-1-1- مدل سازي:امروزه با پيشرفت نرم افزارهاي مهندسي در زمينه مدل سازي، منابع متنوعي جهت اين امر موجود مي باشد. از ديگر توانايي هاي نرم افزار Abaqus ارتباط با بسياري از نرم افزار هاي مدل ساز مي باشد، بطوري كه بار تعداد زيادي از نرم افزارها از قبيل CATIA, SOLIDWORK, PRO/E و.. در ارتباط بوده و در مواردي توانايي وارد كردن مدل به همراه مش را نيز دارا مي باشد. علاوه بر اين Abaqus توانايي مدل سازي در قسمت Abaqus/CAE را دارا مي شود كه در بسياري از موارد نياز به يك نرم افزار مدل ساز را مرتفع مي كند. 2-1-1- ABAQU/STANDARD :در زمينه مسائل عمومي آناليز استفاده مي شود. كه مي تواند بازهاي از مسائل خطي و غير خطي شامل واكنش استاتيك، دینامیک ،حرارت، و الكتريكي اجزا را حل كند. در اين روش از سيستم حل معادلات ضمني استفاده مي شود 0در مقابل ABAQUS/EXPLICITراه حل را در طول زمان جلو مي برد و با افزايش هاي كوچك زمان بدون حل كردن سيستم هاي دوتايي معادلات و يا تشكيل دادن ماتريس سختي مسئله را حل مي كند. در ادامه مروري سريع بر حل مسائل به روش ضمني خواهيم داشت در ابتداي روش المان محدود هندسه مسئله را به گونه اي قابل حل در اين روش شبيه سازي مي كنيم. هر المان محدود نشان گر يك بخش مجزا از هندسه ساختار مورد نظر مي باشد. المان محدودها توسط گره‌ها به يك ديگر متصل شدهاند، به مجموعه اي از گره‌ها در روش المان محدود مش گفته‌می شود و تعداد المان‌ها در واحد طول، سطح و يا حجم هندسه مورد نظر، نشان دهنده چگالي آن مي باشد. متغير و پارامتر اصلی در روش حل نرم افزار براي آناليز تنش، ميزان جا به جاي مي باشد. با دانستن ميزان جا به جايي گره، مي توان مقدار تنش و كرنش را به آساني محاسبه كرد. بدين منظور مثال ساده زير را بررسي مي كنيم:در شكل 1 يك تیر كه يك نيروي محوري بر آن اعمال مي شود نشان داده شده است.

​

هدف از انجام آناليز بدست آوردن جا به جايي انتهاي آزاد تير مي باشد. در همين رابطه مدل مورد نظر به دو قسمت تقسيم شده است و با استفاده از سه گره، دو المان نمايش داده شده اند

​

دیا گرام آزاد هر يك از گره‌ها در شكل 3 نشان داده شده است. نيروي خارجي وارد برهر گره با حرف P و نيروها داخلي وارد بر هر گره با حرفI نمايش داده شده است. با توجه به ایستایی مدل، نيروهاي وارد بر هر گره در حال تعادل مي باشند.

​

براي بدست آوردن كرنش در المان يك داريم:

1.1 ​

​

كهUaوUb, و به ترتيب جا به جايي گره aوb وL طول المان يك مي باشد.

با توجه به خواص جنس تير (Youngs Moduls) ميزان تنش در المان اول از رابطه 2-1 بدست مي آيد. 1.2​

​

همچنين نيروي محوري وارده بر انتهاي گره با توجه به مساحت المان بدست مي آيد. با نوشتن رابطه تعادل در گره a داريم:

1.3 ​

​

1.4 ​

​

براي گرهb نيز روند بالا را بررسي كرده و رابطه تعادل را بدست مي آوريم. به این نکته توجه كرده كه نيروي وارده بر المان در گرهb با علامت منفي در نظر گرفته مي شود.

1.5​

​

به همين ترتيب در گرهc نيز داريم:‌

1.6​

​

در روش ضمني براي بدست آوردن جا به جايي گره‌ها، معادلات تعادل به طور همزمان حل مي شوند. براي اين منظور از روش ماتريس‌ها كمك مي گيريم.

1.7​

​

اگر مقدار EA/L را به عنوان سختي در نظر بگيريم. و سختي هر المان را متفاوت از المان هاي ديگر باشد سختي هر المان را به ترتيب به صورت k1وk2 نمايش مي دهيم. اگر ماتريس نيروهاي داخلي را باp و ماتريس نيروهاي ايجاد شده داخلي را باI نمايش دهيم، مي توان براي حالت خطي رابطه زير را بدست آورد.

1.8​

​

براي دو المان معادلات به صورت زير مي باشد.

1.9 ​

​

در روش ضمني (Implicit method) كه در روش حل ABAQU/STANDARD به كار مي رود، مي توان با استفاده از اين معادلات مقدار متغير هايPa ، UbوUc (Uaدر اين جا صفر مي باشد) را بدست آورد. با داشتن ميزان جا به جايي ها مي توان به آساني ميزان تنش در هر المان را بدست آورد. همانطور كه گفته شد در مقايسه روش صريح ياexplicit با روش ضمني ياimplicit مي توان به اين نكته اشاره كرد كه در روش صريح نياز به حل همزمان معادلات سیستم و يا استفاده از ماتريس سختي ها نمي باشد و در عوض از معادلات سینماتیکی پیشرفته استفاده مي شود. 3-1-1-ABAQUS/EXPLICITروشExplicit يك توانايي آناليز با هدف مشخص است كه براي فرموله كردن المان محدود دینامیک استفاده مي شود. اين روش براي مدل كردن مسائل دینامیکی كوتاه مدت از قبيل ضربه و همچنين بطور گسترده براي مسائل غير خطي شامل تغيير شرايط تماس بسيار مفيد و موثر مي باشد. جهت بدست آوردن تصوري از حل مدل به روش ديناميكي صريح مثال زير را بررسي مي كنيم. هدف اين مثال بدست آوردن تنش ناشي از انتشار موج در يك تیر یک سر گير دار مي باشد. بدين منظور مدل را به 3 المان و چهار گره تقسيم مي كنيم. (شكل شماره 4)شكل 4 (در حالت آغازي نيروي به انتهاي آزاد تير وارد مي شود) در زمان آغازين ميزان شتاب در گره شماره 1 را كه بر اثر نيروي p بر آن وارد شده است را با و ميزان سرعت ايجاد شده در گره اول را با نمايش مي دهيم. نرخ افزايش كرنش در المان اول مي باشد. تغييرات كرنش در المان اول مي باشد كه با استفاده از انتگرال گيري از نرخ كرنش نسبت به زمان بدست مي آيد. ميزان كرنش کلی از مجموع كرنش داخلي (كه در اينجا صفر مي باشد) و تغييرات كرنش بدست مي آيد. با توجه به ميزان كرنش كلي بدست آمده و جنس تير(E)، تنش ايجاد شده در تير را بدست مي آوريم. در لحظه آغازين گره هاي دوم و سوم ساكن مي باشند و هيچ نيروي بر آن ها وارد نمي شود.

​

​

در لحظه بعدي تنش ايجاد شده باعث ايجاد نيروهاي داخلي شده و براي بدست آوردن تنش در اين لحظه از معادلات در گره 1 و 2 استفاده مي كنيم.

​

​

در ادامه براي بدست آوردن تنش در المان هاي 1و2 بايد معادلات نيرو را در سه گروه 1و 2و3 با توجه به روند بالا بدست آورد. اين تحليل تا رسيدن به زمان پاياني ادامه پيدا مي كند. 4-1-1- Abaqus/CAEAbaqus/CAE يك محيط گرافيكي كامل براي نرم افزار مي باشد كه شرايطي را فراهم مي كند كه مدل ها به سرعت و به راحتي بوسيله توليد كردن و يا وارد كردن هندسه ساختاري كه بايد آناليز شود به مناطق قابل مش بندي تبديل شوند. در اين محيط خصوصيات موادي و فيزيكي به همراه بارها و شرايط مرزي به ساختار هندسي اعمال مي شود. Abaqus/CAE گزينه هاي قدرتمندي براي مش بندي هندسه و بررسي نتايج آناليز را شامل مي شود. وقتي كه مدل كامل است Abaqus/CAE مي تواند كارهاي اجرا، بازرسي و كنترل آناليز را انجام دهد سپس بخش تجسمي( (Abaqus/Viewer براي ترجمه كردن نتايج استفاده مي شود كه يك زير مجموعه از Abaqus/CAE مي باشدو فقط شامل قابليت هاي بخش تجسمي بعد از فرآيند مي باشد. 5-1-1-Aqua / Abaqus /يك مجموعه از قابليت هاي انتخابي است كه مي تواند به ABAQUS/STANDARD اضافه شود. اين مجموعه براي شبيه سازي ساختارهاي بدون مرز از قبيل سكوهاي نفت اختصاص يافته است. 6-1-1- Abaqus/Design يك مجموعه از قابليت هاي انتخابي است كه مي توان به ABAQUS/STANDARD اضافه شود تا محاسبات حساسيت طراحي را انجام دهيد. 7-1-1- Abaqus/AMSيك مجموعه از قابليت هاي انتخابي است كه مي تواند به اضافه گردد، اين مجموعه در حين بدست آوردن فركانس طبيعي مدل استفاده مي شود. 8-1-1- Abaqus/Foundationدسترسي بيشتر به آناليز استاتیکی و ديناميكي خطی در ABAQUS/STANDARD را شامل مي شود. 9-1-1- رابطه ABAQUS با نرم افزارMOLD FLOWاطلاعات مدل المان محدود را از يك تحليلMOLD FLOW با نوشتن يك فايل ورودي به ABAQUS ترجمه مي كند. 10-1-1 رابطه ABAQUS با نرم افزارADAMSبه مدل هاي المان محدود ABAQUS اين اجازه را مي دهد كه اجزاي انعطاف پذير توليدات خانواده ي ADAMSرا شامل گردد. ارتباط بر پايه ي فرمولاسيون اتصال اجزاء در Abaqus/FLEX مي باشد. 2-1-1- اصول آناليزيك آناليز معمولا 3 مرحله مجزا را شامل مي شود: 1- پيش پردازنده 2- شبيه سازي 3- پس پردازنده. اين سه مرحله بوسيله فايل‌هايي به يكديگر متصل مي گردند كه در شكل زير نشان داده شده است.

​

1-2-1- پيش پردازنده(Abaqus/CAE) در اين مرحله بايد مدل فيزيكي مسئله را تعريف كنيم و يك فايل ورودي را ایجاد کنیم. مدل معمولا به صورت گرافيكي، به كمك Abaqus/CAE و يا پيش پردازنده ديگري ساختار مي شود. اگر چه فايل ورودي براي يك آناليز ساده مي تواند مستقيما از يك فايل متنی نیز ايجاد گردد. 2-2-1- شبيه سازي(ABAQUS/EXPLICIT یا ABAQUS/STANDARD)شبيه سازي معمولا حل آناليز را به عهده دارد نرم افزار در اين مرحله با استفاده از ABAQUS/EXPLICIT و یا ABAQUS/STANDARD،بسته به نياز مسئله عددي تعريف شده مدل را حل كرده و خروجي را در يك فايل باینري براي پس پردازنده مهيا مي سازد. بسته به پيچيدگي مسئله اي كه آناليز مي شود و قدرت كامپيوتر مورد استفاده يك آناليز كامل ممكن است از چندانیه تا چند روز زمان نياز داشته باشد. پس پردازنده Abaqus/Viewer)):با استفاده از پس پردازنده مي توانيد نتايج را زماني كه شبيه سازي كامل مي شود ارزيابي كنيد. كه شامل جا به جايي تنش‌ها و ساير متغير هاي محاسبه شده مي باشد. در حين استفاده از Abaqus/Viewer يا ساير پس پردازنده‌ها، نتايج از فايل باینري خوانده مي شود و گزينه هاي متفاوتي براي نشان دادن نتايج از قبيل پلات هاي تراز رنگي، انيميشن پلات هاي و ... مورد استفاده قرار مي گيرد. 3-1- تماس‌هاCONTACT:پروسه ی ساخت، مونتاژ با پيچ، شكست‌ها و ضربه‌ها شامل اثر متقابل بين سطوح در تماس است. فهم رفتار اجزاء وقتي با يكديگر در تماس مي باشند براي طراحي هاي بهتر ضروري مي باشد. در نرم افزار Abaqus قابليت مدل سازي تماس از قبيل اثرات متقابل بين اجزاء با تغير شكل و اجسام صلب ‌را مهيا كرده است فرمولاسيون تماس سطح به سطح ABAQUS/STANDARD يك همگرايي قوي داشته و نتايج بسيار دقيقي در قياس با ساير فرمول هاي تماس ارائه مي كند. امكان پيدا كردن اتوماتيك تماس در سطوح پيچيده در نرم افزار ايجاد شده است. همچنين تماس معمولي در ABAQUS/EXPLICIT به طور اتوماتيك و تماس بين سطوح پيچيده را با كمي نياز به كاربر پيدا مي كند. قابليت هاي قدرتمند اين بخش در فصل هاي آينده مورد بررسي قرار مي گيرد.