نرم افزار انسیس ورک‌بنچ (Ansys Workbench)
نرم افزار انسیس ورک‌بنچ (Ansys Workbench) محصول شرکت انسیس (Ansys) می‌باشد که اولین نسخه تجاری آن در سال ۱۹۹۶ به صورت عمومی منتشر شد. انسیس که یکی از معروف ترین نرم‌افزارهای مهندسی در زمینه تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis) است، توسط شرکت‌های زیادی در سراسر دنیا برای شبیه‌سازی به کار 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.
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 شبیه سازی کرد تا از مقاومت مکانیکی و طول عمر آن اطمینان حاصل گردد.
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 نیز دارد. ابزارهای تحلیل متنوع در انسیس ورک‌بنچ باعث علاقه مهندسان رشته‌های مختلف به استفاده از آن شده است. به عنوان 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 نرم افزار، بهینه‌سازی مدل‌های طراحی شده است. مهندسان طراح به کمک این ویژگی می‌توانند طراحی خود را قبل از ساخت بهبود داده و یا هزینه‌های ساخت را به طور قابل ملاحظه‌ای 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 بجای 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.
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 (۳D 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 شبیه سازی، کیفیت مش و یکپارچگی آن می‌باشد. انسیس ماژول‌های متنوعی برای مش ریزی هندسه‌های مختلف برای کاربران فراهم کرده است تا پاسخگوی نیازهای گوناگون شبیه سازی باشد. به عنوان نمونه 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 دسته بندی قرار می‌گیرند می‌توان به تحلیل استاتیکی، دینامیکی و 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 نرم افزار 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 شده اند 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 شده اند که این امر باعث محبوبیت انسیس در بین سایر نرم‌افزارهای سیالاتی شده است.
یکی از معروف ترین 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. در نهایت با استفاده از این نتایج، توربوماشین طراحی شده بهینه سازی می‌شود تا راندمان مطلوب حاصل شود.
الکترومغناطیس (Electromagnetics)
این محیط برای شبیه سازی سیستم‌های الکترومغناطیس استفاده می‌شود. ماژول‌های این سیستم کاربردهای مختلفی دارند و از بین آن‌ها می‌توان به Ansys Maxwell اشاره کرد که کارایی فراوانی برای شبیه سازی 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.
به طور 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. به عنوان نمونه در قطعاتی که نقاط حل 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 وجود دارد.
از دیگر قابلیت‌های مفید این نرم‌افزار می‌توان به توانایی اتوماسیون در شبیه‌سازی اشاره کرد. با بکارگیری دانش الگوریتم نویسی و زبان برنامه نویسی 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. به عنوان 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 نرم افزار می‌توان برای یک مدل سازه، شرایط مسئله را تعریف نمود و حالات دیگر با تغییر ابعاد به صورت خودکار تحلیل شوند.
یکی از معایب نرم‌افزار انسیس و به طور 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 به صورت 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 هسته پردازشی به صورت موازی را دارد که خود زمان حل را در پردازنده‌های قوی 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 تشکیل دهنده ماده را به صورت شخصی سازی شده وارد کنند و سپس در مراحل حل از این معادلات استفاده می‌شود. به عنوان مثال با استفاده از آن می‌توان روابط تنش-کرنش یک ماده را به صورت خاص تعریف کرد تا در شبیه‌سازی اثر آن بررسی شود. محیط USERMAT برای ایجاد این تغییرات در حل، قابلیت کد نویسی به زبان های 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.