انسیس (ANSYS) و انسیس ورک‌بنچ (ANSYS Workbench)

نرم‌افزار انسیس (ANSYS) و انسیس ورک‌بنچ (ANSYS Workbench)

نرم افزار انسیس ورک‌بنچ (Ansys Workbench) محصول شرکت انسیس (Ansys) است که اولین نسخه تجاری آن در سال ۱۹۹۶ به‌صورت عمومی منتشر شد. انسیس که یکی از معروف‌ترین نرم‌افزارهای مهندسی در زمینه تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis) است، توسط شرکت‌های زیادی در سراسر دنیا برای شبیه‌سازی به‌کار گرفته می‌شود. استفاده از این محصول برای آنالیز و تحلیل، به مهندسان و محققان کمک می‌کند تا بدون نیاز به آزمایش تجربی، مسئله‌های مهندسی متنوعی را تحلیل کنند.

توصیه مکادمی؛ روش اجزاء (المان) محدود (FEM) را مطالعه کنید.

با استفاده از انسیس، شبیه‌سازی المان محدود در مسئله‌های گوناگون مهندسی مانند استاتیک، ارتعاشات، سیالات و حرارت، مغناطیس و … انجام می‌گردد. این نرم‌افزار برای درک عملکرد یک محصول و بهینه‌سازی قبل از ساخت و انجام آزمایش کاربرد فراوانی دارد. برای مثال می‌توان قبل از ساخت یک سازه، آن را در این نرم‌افزار شبیه‌سازی کرد تا از مقاومت مکانیکی و طول عمر آن اطمینان حاصل گردد.

برای تایید ایده‌های طراحی خود، به تست‌هایی نیاز دارید که سناریوهای دنیای واقعی را ارائه دهند. پلتفرم Ansys Workbench به شما امکان می‌دهد داده‌ها را در شبیه‌سازی‌های مهندسی ادغام کنید تا مدل‌های دقیق‌تری را به‌طور کارآمدتر ایجاد کنید. Ansys Workbench با هماهنگ کردن تمام داده‌های شبیه‌سازی، انتخاب‌های طراحی را آگاهانه‌تر و آسان‌تر می‌کند.

ویژگی‌های نرم افزار انسیس

انسیس علاوه بر توانایی تحلیل مسائل گوناگون مهندسی در زمینه‌های مکانیک، عمران، هوافضا و … قابلیت ترکیب این شبیه‌سازی‌ها را با یکدیگر را نیز دارد. ابزارهای تحلیل متنوع در انسیس ورک‌بنچ باعث علاقه مهندسان رشته‌های مختلف به استفاده از آن شده است. به‌عنوان نمونه این نرم‌افزار علاوه بر توانایی تحلیل مکانیکی سازه‌های عمرانی مانند پل، سد، تونل و… قابلیت شبیه‌سازی سیالاتی آن‌ها را نیز دارد.

یکی از قابلیت‌های محبوب این نرم‌افزار، بهینه‌سازی مدل‌های طراحی شده است. مهندسان طراح به کمک این ویژگی می‌توانند طراحی خود را قبل از ساخت بهبود داده و هزینه‌های ساخت را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش دهند. برای مثال، قبل از ساخت قطعات مکانیکی می‌توان با بهینه‌سازی، تمرکز تنش را در نواحی پر تنش کاهش داد تا عمر قطعه و مقاومت آن در برابر شکست افزایش یابد. این راهکار باعث افزایش قابل توجه کیفیت محصول نهایی، بدون نیاز به هزینه‌های گزاف آزمایش و تست تجربی می‌شود.

یکی دیگر از ویژگی‌های انسیس، قابلیت تحلیل متقارن (symmetric) و متقارن محوری در شبیه‌سازی‌های سنگین و زمان‌بر می‌باشد. در صورتی که مدل متقارن باشد، می‌توان با استفاده از این روش حل، تنها قسمتی از شکل را به‌جای کل آن تحلیل کرد و جواب نسبتا دقیقی بدست آورد. همچنین رابط کاربری انسیس و محیط گرافیکی آن طی سال‌های اخیر بهبود چشمگیری داشته که باعث جذابیت بیشتر آن برای کاربران شده است.

از طرف دیگر، بحران آب‌و‌هوا عاملی مهم بوده و وظیفه انسانی مبارزه با این بحران است. از طریق قدرت پیش‌بینی شبیه‌سازی‌های Ansys، نوآوران می‌توانند با کاهش یا حذف نمونه‌های اولیه فیزیکی گران‌قیمت، طراحی پایدار را از نظر مالی امکان‌پذیر‌تر کنند. فناوری‌های جدید به‌صورت سریع‌تر طراحی، توسعه و گسترش می‌یابند.

محصولات انسیس

Ansys Workbench تمام محصولات مبتنی بر یک ویژگی مشخص را به‌طور خودکار بهم متصل می‌کند و داده‌ها به‌صورت یکپارچه باهم ارتباط برقرار می‌کنند. این محصولات عبارتند‌از:

ANSYS Mechanical

Ansys Mechanical یک نرم‌افزار تجزیه‌و‌تحلیل اجزا محدود (FEA) است که برای تحلیل ساختاری با استفاده از گزینه‌های حل‌کننده پیشرفته، از‌جمله دینامیک خطی و غیرخطی، آنالیز حرارتی، مواد، کامپوزیت‌ها، هیدرودینامیک و… استفاده می‌شود. Mechanical یک محیط کاربر پسند و پویا با طیف کاملی از ابزارهای تجزیه‌و‌تحلیل، آماده‌سازی هندسه و اتصال سایر مدل‌ها برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی با کیفیت بالا، ارائه می‌دهد. Mechanical به‌خاطر قابلیت‌های سفارشی‌سازی و اسکریپت‌نویسی‌اش معروف است و کاربران را قادر می‌سازد تا وظایف و سیکل‌های تکراری را خودکار کنند.

ANSYS LS-DYNA

Ansys LS-DYNA پرکاربردترین برنامه شبیه‌سازی صریح در جهان است و قادر به شبیه‌سازی پاسخ مواد به بارگذاری شدید در بازه‌های زمانی کوتاه است. عناصر متعدد، فرمول‌های تماس، مدل‌های مواد و سایر کنترل‌ها را می‌توان برای شبیه‌سازی مدل‌های پیچیده با تمام جزئیات مسئله، مورد استفاده قرار داد.

ANSYS Fluent

Ansys Fluent یک نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی عمومی (CFD) است که برای مدل‌سازی جریان سیال، انتقال گرما و جرم، واکنش‌های شیمیایی و غیره استفاده می‌شود. فلوئنت یک رابط کاربری مدرن و کاربر پسند ارائه می‌دهد که فرآیند CFD را از قبل تا پس از پردازش، در یک سیکل کاری، ساده می‌کند. فلوئنت به‌دلیل قابلیت‌های مدل‌سازی فیزیکی پیشرفته‌اش که شامل مدل‌سازی آشفتگی، جریان‌های تک فازی و چند فازی، احتراق، مدل‌سازی باتری، تعامل ساختار سیال و موارد دیگر می‌شود، شناخته شده است.

همچنین به دلیل مقیاس‌بندی HPC کارآمد آن، مدل‌های بزرگ را می‌توان به‌راحتی در Fluent بر روی چندین پردازنده در CPU یا GPU حل کرد. گزینه‌های حل‌کننده متعددی از‌جمله حل‌کننده‌های CPU مبتنی بر فشار و مبتنی بر چگالی برای پوشش جریان‌های کم‌سرعت تا مافوق صوت و یک حل‌کننده GPU بومی مبتنی بر فشار، در دسترس هستند.

ANSYS CFX

Ansys CFX یک ابزار نرم‌افزاری دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که به شما امکان طراحی و بهینه‌سازی توربوماشین‌ها از جمله پمپ‌ها، توربین‌ها، کمپرسورها، فن‌ها و سایر ماشین‌آلات دوار را می‌دهد. CFX به‌عنوان استاندارد طلایی در دقت برای ماشین‌آلات توربو با اعتبار صنعتی گسترده شناخته شده است. CFX به شما کمک می‌کند تا با بهبود کارایی، ایمنی و دوام، طرح‌های توربوماشین‌های خود را بهبود ببخشید.

ANSYS Sherlock

Ansys Sherlock پیش‌بینی‌های سریع و دقیق عمر سخت‌افزار الکترونیکی را در سطوح اجزا، برد و سیستم در مراحل اولیه طراحی، ارائه می‌کند. شرلوک طراحان را برای مدل‌سازی دقیق لایه‌های سیلیکونی-فلزی، بسته‌بندی نیمه‌هادی، بردهای مدار چاپی (PCB) و مجموعه‌ها توانمند می‌سازد و برای پیش‌بینی خطرات خرابی ناشی از عوامل استرس‌زای حرارتی، مکانیکی و تولید، چرخه‌ی «تست – شکست – رفع – تکرار» را دور می‌زند.

ANSYS Granta MI Enterprise

Granta MI Enterprise با ۲۵ سال تخصص در زمینه مواد، یک راه‌حل کامل برای مدیریت داده مواد به مشتریان ارائه می‌دهد. به شرکت‌ها قدرت می‌دهد و تحول دیجیتال را فعال می‌کند.MI Gateway و Enterprise Connect راه را برای ادغام یکپارچه با نرم‌افزارهای CAD، CAE و PLM ایجاد می‌کند و پردازش مواد پیشرفته از تولید افزودنی گرفته تا کامپوزیت‌ها را ارائه می‌دهد.

ANSYS optiSLang

Ansys optiSLang یک پاسخ دائمی در حال تکامل و پیشرو به سمت رفع چالش‌های ایجاد شده توسط بهینه‌سازی طراحی قوی (RDO) مبتنی بر CAE است. الگوریتم‌های پیشرفته آن به‌طور موثر و خودکار قوی‌ترین پیکربندی طراحی را جستجو می‌کنند و روند کند و دستی را که برای تعریف RDO استفاده می‌شد، حذف می‌کنند.

ANSYS Sound

Ansys Sound یک ابزار پس پردازش است که به مهندسان اجازه می‌دهد تا نویز محصول خود را با استفاده از معیارهای کیفیت صدای دلخواه و تست‌های شنیداری تجزیه‌و‌تحلیل و بهینه کنند. توابع پردازش و تجزیه‌و‌تحلیل نوآورانه برای جداسازی و اصلاح اجزای صدا و ارزیابی تأثیر صداها بر ادراک انسان در دسترس هستند. Ansys Sound صدای سه‌بعدی در داخل و خارج خودرو را به‌کمک ابزارهایی برای تنظیم صدای فعال (ICE) یا وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) بازتولید می‌کند.

ANSYS Additive Suite

یک راه‌حل جامع برای طراحان، مهندسان و تحلیلگران، مجموعه افزودنی Ansys است که کل جریان کار از طراحی برای ساخت افزودنی (DfAM) گرفته تا اعتبار‌سنجی، طراحی چاپ، شبیه‌سازی فرآیند و اکتشاف مواد را در بر می‌گیرد. Additive Suite، علاوه‌بر Ansys Workbench Additive شامل ابزارهای Additive Print، Prep و Science است.

محیط‌های کاربردی انسیس

این نرم‌افزار از چندین محیط متفاوت برای حل مسائل گوناگون تشکیل شده است. هر کدام از این محیط‌ها شامل یک یا چند ماژول (Module)  می‌باشد که بر اساس کاربرد در این دسته بندی قرار می‌گیرند.

مدلسازی سه بعدی (3D Modelling)

از نرم‌افزار انسیس علاوه بر تحلیل، برای مدلسازی و تشکیل هندسه مسئله نیز استفاده می‌شود. ماژول قدیمی تر انسیس برای مدلسازی Design Modeler بود که برای ترسیمات ساده تر مورد استفاده قرار می‌گرفت. خوشبختانه با اضافه شدن ماژول جدید Space Claim ، مدلسازی‌ سه بعدی قطعات پیچیده تر و مجموعه‌های مونتاژی میسر شده است.

مش بندی (Meshing)

ایجاد المان‌ها برای تحلیل نیاز به مش‌بندی مدل دارد. یکی از عوامل مهم در تعیین دقت پاسخ شبیه‌سازی، کیفیت مش و یکپارچگی آن می‌باشد. انسیس ماژول‌های متنوعی برای مش‌بندی هندسه‌های مختلف برای کاربران فراهم کرده است تا پاسخگوی نیازهای گوناگون شبیه‌سازی باشد. به‌عنوان مثال می‌توان به Turbo Grid که مخصوص مش‌بندی توربوماشین‌ها می‌باشد، اشاره کرد.

همچنین انواع مختلف مش در این نرم‌افزار و کنترل بالا روی پارامترهای آن، به کاربران کمک شایانی کرده است تا در مسائل مختلف به مش‌بندی مناسب و بهینه دست یابند.

مکانیک سازه‌ها (Structural Mechanics)

سازه‌ها و قطعات مکانیکی در این محیط شبیه‌سازی می‌شوند. از آنالیزهای متدوالی که در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند می‌توان به تحلیل استاتیکی، دینامیکی، ارتعاشات مودال و فرکانس‌های طبیعی، کمانش و … اشاره کرد.

یکی از مهمترین ماژول‌های استفاده شده در این دسته از مسائل، Static Structural می‌باشد که برای تحلیل استاتیکی کاربرد دارد. با استفاده از این ماژول می‌توان تنش و کرنش را در یک سازه و یا قطعه مکانیکی تحت بارگذاری بررسی نمود و از مقاومت آن در برابر شکست اطمینان حاصل کرد.

دینامیک صریح (Explicit Dynamics)

یکی از محیط‌های نرم‌افزار انسیس می‌باشد که برای تحلیل دینامیکی در مسائلی که تغییر شکل بزرگ رخ می‌دهد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این محیط می‌توان مسائلی که در فاز پلاستیک وارد شده‌اند را با دقت بالاتری نسبت به محیط Structural Mechanics تحلیل نمود. همچنین پدیده‌هایی مانند شکست، ضربه، انفجار و … نیز در این محیط قابل شبیه‌سازی می‌باشند.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

دینامیک سیالات محاسباتی برای تحلیل طیف وسیعی از مسائل سیالات و انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماژول‌های این محیط از الگوریتم‌های قدرتمندی برای حل معادلات سیالاتی با دقت بالایی تشکیل شده‌اند که این امر باعث محبوبیت انسیس در بین سایر نرم‌افزارهای سیالاتی شده است.

یکی از معروف‌ترین نرم‌افزارهای دینامیک سیالات، فلوئنت (Fluent) می‌باشد که در سال ۲۰۰۶ تحت مالکیت شرکت انسیس قرار گرفت و از آن پس توسط این کمپانی توسعه داده شد. فلوئنت توانایی حل انواع مختلف مسائل سیالاتی مانند، شبیه‌سازی جریان سیال، انتقال حرارت، ذوب و انجماد و… را دارد.

همچنین انسیس برای مشاهده نتایج شبیه‌سازی سیالاتی و پردازش بعد از حل آن‌ها، محیطی تحت عنوان CFD-post فراهم کرده است. این محیط با رابط گرافیکی بی‌نظیر خود، امکان مشاهده نتایج مسئله و گرفتن خروجی‌های مختلف را برای کاربران ایجاد کرده است.

دیگر ماژول کاربردی در زمینه شبیه‌سازی سیالاتی، CFX بوده که کاربرد اصلی آن در زمینه تحلیل توربوماشین‌ها می‌باشد. به کمک این ماژول مدل‌های پیچیده توربین‌ها، پمپ‌ها، کمپرسورها و … با دقت بالایی آنالیز می‌شوند. در‌نهایت با استفاده از این نتایج، توربوماشین طراحی شده بهینه‌سازی می‌شود تا راندمان مطلوب حاصل شود.

الکترومغناطیس (Electromagnetics)

این محیط برای شبیه‌سازی سیستم‌های الکترومغناطیس استفاده می‌شود. ماژول‌های این سیستم کاربردهای مختلفی دارند و از بین آن‌ها می‌توان به Ansys Maxwell اشاره کرد که کارایی فراوانی برای شبیه‌سازی مسائل الکترومغناطیس با فرکانس پایین دارد.

مزایا و معایب نرم‌افزار انسیس

قبل از بررسی مزایا و معایب انسیس، لازم به ذکر است که این نرم‌افزار مانند تمامی شبیه‌سازهای دیگر، با توجه به کاربرد مدنظر می‌تواند نقاط قوت و یا ضعفی به همراه داشته باشد.

به‌طور کلی برای حل مسائلی که چند فیزیک کنار یکدیگر موجود می‌باشند (Multi-Physics)، این نرم‌افزار گزینه مناسبی می‌باشد. به دلیل رابط کاربری آسان و محیط ساده ورک‌بنچ، قابلیت ترکیب چندین مسئله فیزیک به سادگی وجود دارد. واضح است که این قابلیت مهم، باعث جذابیت انسیس برای محققان بین رشته‌ای شده است.

مزیت دیگر انسیس وجود تنظیمات مختلفی برای مش‌بندی و کنترل مش می‌باشد. این موضوع باعث مش‌ریزی با کیفیت بالا در این نرم‌افزار بدون پیچیده شدن فرآیند شبیه‌سازی شده است. به‌عنوان نمونه در قطعاتی که نقاط حساس دارند و نیاز به کاهش سایز شبکه در آن نواحی وجود دارد، امکان کنترل مش در آن نقاط، بدون درگیر کردن نواحی دیگر به سادگی امکان‌پذیر است.

از دیگر قابلیت‌های مفید این نرم‌افزار می‌توان به توانایی اتوماسیون در شبیه‌سازی اشاره کرد. با به‌کارگیری دانش الگوریتم‌نویسی و زبان برنامه‌نویسی پایتون (Python) امکان اتوماتیک کردن تحلیل‌ها در انسیس وجود دارد. مزیت اصلی این روش حل، کاهش زمان مورد نیاز برای آماده‌سازی هر مسئله شبیه‌سازی توسط کاربر و جلوگیری از بروز خطای انسانی می‌باشد. به‌عنوان مثال فرض کنید مدل مورد نظر برای تحلیل تنش، یک سازه می‌باشد که نیاز به آنالیز تعداد زیادی حالت از آن با ابعاد متفاوت وجود دارد. با استفاده از تنظیمات اسکریپت (Script) در این نرم‌افزار می‌توان برای یک مدل سازه، شرایط مسئله را تعریف نمود و حالات دیگر با تغییر ابعاد به‌صورت خودکار تحلیل شوند.

یکی از معایب نرم‌افزار انسیس و به‌طور کلی اکثر تحلیل‌گرهای المان محدود، نیاز به سخت‌افزار قوی می‌باشد. اگرچه روش حل المان محدود نیاز به پردازشگرهای قدرتمند برای حل ریاضی دارد، این مورد در انسیس ملموس‌تر می‌باشد.

همچنین با توجه به استفاده از نسخه کرک شده در ایران، یک محدودیت اضافه برای پردازش در آن وجود دارد. نسخه حرفه‌ای این نرم‌افزار قابلیت پردازش به‌صورت موازی با تعداد پردازنده بالا را دارد که این موضوع سرعت حل را در پردازشگرهای قدرتمند به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. اما نسخه کرک شده آن فقط قابلیت حل با ۴ یا ۸ هسته پردازشی به‌صورت موازی را دارد که خود زمان حل را در پردازنده‌ها افزایش می‌دهد.

یکی دیگر از ویژگی‌های نرم‌افزار انسیس ایجاد تغییر در حلگر با کمک قابلیت USERMAT می‌باشد. این عملکرد به کاربران کمک می‌کند تا معادلات تشکیل‌دهنده ماده را به‌صورت شخصی‌سازی شده وارد کنند و سپس در مراحل حل از این معادلات استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال با استفاده از آن می‌توان روابط تنش-کرنش یک ماده را به‌صورت خاص تعریف کرد تا در شبیه‌سازی اثر آن بررسی شود. محیط USERMAT برای ایجاد این تغییرات در حل، قابلیت کد‌نویسی به زبان‌های C++ ،C وFortran را دارد.

جمع بندی

انسیس یک نرم‌افزار با سابقه طولانی در زمینه شبیه‌سازی المان محدود می‌باشد که محبوبیت بالایی بین مهندسان رشته‌های مختلف دارد. این نرم‌افزار نه‌تنها قابلیت حل انواع مسائل در زمینه‌های گوناگون مهندسی را دارد، بلکه می‌تواند چندین فیزیک مختلف را با یکدیگر ترکیب کرده و شبیه‌سازی‌های بین رشته‌ای انجام دهد. ماژول‌های متنوع و قابلیت‌های کلیدی آن از عوامل جذابیت انسیس برای کاربران می‌باشد.

مزایای این نرم‌افزار عبارتند‌از: اعتماد در طول چرخه عمر محصول، بهره‌وری عملیاتی، بهره‌وری مهندسی، کاهش ریسک، تاییدیه‌های نظارتی ساده شده، نیاز به نمونه‌های اولیه کمتر، محصولات بیشتر با منابع مشابه و هزینه کمتر.