معرفی نرم افزار آباکوس
با توجه به پیشرفت روز افزون علم مهندسی و کاربردهای مختلف آن، نیاز به ابزارهای طراحی بیش از پیش احساس می‌شود. مهندسان در صنایع مختلف قبل از تولید محصول نهایی، به کمک نرم‌افزارهای طراحی و شبیه سازی از عملکرد محصول خود اطمینان حاصل می‌کنند. این شبیه سازی‌ها علاوه بر کاهش هزینه‌های مربوط به آزمایش، به طراحان در راستای بهینه سازی و بهبود محصولات کمک می‌کنند. یکی از ابزارهای قدرتمند و پرکاربرد در زمینه تحلیل و شبیه سازی نرم‌افزار آباکوس می‌باشد. در این مقاله معرفی نرم افزار آباکوس را به صورت کامل تلاش می‌کنیم انجام دهیم.
نرم افزار شبیه‌ساز آباکوس محصول شرکت Dassault Systems Simulia Corp بوده که در قبل به نام Abaqus Inc نیز شناخته می‌شده است. حلگر این نرم‌افزار برای اولین بار در سال ۱۹۷۸ توسط ۳ نفر از محققان دانشگاهی ساخته شد و سپس در سال ۱۹۹۲ نسخه کاملی از آن به طور رسمی منتشر شد تا در زمینه طراحی به کمک کامپیوتر ابزاری قدرتمند در اختیار مهندسان قرار دهد. از زمان انتشار آباکوس تا به امروز، محققان و مهندسان از آن در راستای شبیه‌سازی المان محدود و بهینه سازی طراحی‌های خود استفاده‌های بسیاری برده اند و هر ساله با منتشر شدن نسخه‌های جدیدتر آن، قابلیت‌های بیشتری به آن اضافه می‌شود.
فهرست مطالب
کاربردهای نرم افزار آباکوس
این نرم‌افزار برای تحلیل المان محدود در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودرو، سازه‌های عمرانی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین قابلیت مدلسازی مواد مختلف و تعریف خواص مواد جدید به صورت دستی در آن، از دلایل محبوبیت آباکوس در میان محققان و پژوهشگران می‌باشد. به طور نمونه در آباکوس می‌توان خواص کامپوزیت‌ها، پلیمرها و … را به صورت دستی و خاص تعریف کرد تا در تحلیل المان محدود اثر این خواص درنظر گرفته شود.
از کاربردهای دیگر این شبیه‌ساز می‌توان به توانایی تحلیل رفتار فیزیکی غیر خطی مواد با دقت بالا اشاره کرد. به دلیل کارایی بالای آن در این زمینه، این نرم‌افزار مدل‌های متنوع و گسترده ای از مواد مانند پلیمرهای ارتجاعی، بافت‌های نرم و … را پوشش می‌دهد. به عنوان نمونه می‌توان شبیه سازی ایجاد برش بر روی پوست توسط تیغ جراحی را در آباکوس انجام داد.
محصولات زیر مجموعه آباکوس
نرم افزار آباکوس شامل پنج محصول اصلی می‌باشد که هر کدام برای کاربرد خاص خود مورد استفاده قرار می‌گیرند.
Abaqus/CAE (Complete Abaqus Environment):
به طور کلی این محیط گرافیکی برای پیش پردازش و پس پردازش شبیه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از محیط Abaqus/CAE می‌توان مدلسازی، تعریف خواص ماده و تعیین شرایط مرزی را انجام داد. همچنین با استفاده از ابزارهای قدرتمند این محیط می‌توان هندسه را مش‌بندی کرد و پس از آماده سازی مدل برای حلگر ، فرآیند حل را توسط آن نظارت کرد. در نهایت با استفاده از زیرمجموعه Abaqus/Viewer در این محیط، کاربر توانایی پردازش پس از حل و مشاهده نتایج شبیه سازی را دارد.
Abaqus/Standard:
معرفی نرم افزار آباکوس با هدف تحلیل و آنالیز انواع مسائل از جمله استاتیک، دینامیک، الکتریکی و… منتشر شده است. قابل ذکر است این محیط دستگاه معادلات را به صورت ضمنی در هر مرحله حل می‌کند و یکی از ابزارهای قدرتمند آباکوس برای حل معادلات و رسیدن به نتایج شبیه‌سازی می‌باشد. این حلگر توانایی انجام تحلیل‌های خطی و غیرخطی را دارد.
Abaqus/Explicit:
حلگر Explicit به طور خاص برای آنالیز مسائل غیر خطی گذرا و دینامیکی طراحی شده است. این محیط با استفاده از روش حل غیرضمنی توانایی شبیه سازی اینگونه مدل‌ها را با دقت بالا دارد. به طور مثال می‌توان مسائل ضربه، ، انفجار، فرمدهی و … را در این محیط تحلیل کرد. قابلیت حل با استفاده از انتگرال گیری صریح، این حلگر را قادر کرده است تا شبیه‌سازی مسائلی که محیط Standard توانایی و یا دقت کافی در آن را ندارد انجام دهد.
Abaqus/CFD (Computation Fluid Dynamics):
محیط دینامیک سیالات محاسباتی همانطور که از نام آن پیداست برای تحلیل مسائل سیالاتی کاربرد دارد. اگرچه این محیط توانایی حل انواع مدل‌های سیالاتی را دارد، با وجود نرم‌افزارهای قدرتمندی مانند فلوئنت در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی از کاربرد آن در این زمینه کاسته شده است.
Abaqus/Electromagnetic:
این قسمت از معرفی نرم‌افزار آباکوس برای محاسبات الکترومغناطیس و شبیه سازی اینگونه مسائل مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان نمونه برای آنالیز و شبیه‌سازی میدان مغناطیسی در هسته سیم‌پیچ می‌توان از این محیط استفاده کرد.
این ۵ محیط هسته‌های اصلی نرم‌افزار آباکوس می‌باشند و اکثر مسائل به کمک آن‌ها قابل تحلیل است. اگرچه زیرمجموعه‌های دیگری در هر یک از این محیط‌ها وجود دارد که به کمک آن می‌توان شبیه سازی‌های خاص را انجام داد. به عنوان مثال از محیط Aqua که زیرمجموعه دو بخش Standard و Explicit می‌باشد، برای شبیه سازی سازه‌های دریایی مانند سکوهای نفتی استفاده می‌شود.
قابلیت‌های پیشرفته آباکوس
سابروتین نویسی:
یکی از معروف‌ترین قابلیت‌های آباکوس برای کاربران حرفه‌ای، امکان نوشتن سابروتین می‌باشد. اگرچه آباکوس و دیگر نرم افزارها همواره معادلات خود را بروز نگه داشته و مدل‌های جدیدی توسعه می‌دهند، در حالات خاصی از شبیه‌سازی المان محدود، پیشفرض‌های نرم افزار توانایی پاسخگویی به نیازهای کاربر را ندارد. برای پر کردن این خلل، آباکوس قابلیتی با عنوان سابروتین نویسی دارد که به کاربران اجازه می‌دهد با کد نویسی، حل عددی خود را توسعه دهند. همچنین شرکت آباکوس راهنمایی برای نحوه نوشتن این کدها را تحت عنوان Abaqus User Subroutines Reference Guide منتشر کرده است تا به کاربران در این راستا کمک کند.
INP نویسی:
دیگر قابلیت پیشرفته آباکوس امکان ایجاد فایل INP برای شرایط خاصی می‌باشد که محیط گرافیکی توانایی پاسخگویی به نیازهای مسئله را نداشته باشد. در اینگونه موارد می‌توان به صورت دستی شرایط شبیه‌سازی را تعریف نمود. در این روش به کمک یک ویرایشگر متنی مانند Notepad می‌توان دستورات مورد نظر را وارد نمود و پس از اتمام کار آن را برای حلگر ارسال نمود.
اسکریپت نویسی:
در نهایت می‌توان به قابلیت پیشرفته آباکوس در زمینه اسکریپت نویسی اشاره کرد. در بسیاری از مسائل بهینه سازی نیاز به شبیه‌سازی یک مدل در تعداد زیادی حالت می‌باشد که در این حالت‌ها یک یا چند پارامتر مداوم در حال تغییر هستند. به منظور کاهش زمان و خطای انسانی ناشی از انجام تغییرات در پارامترها پس از هربار حل، آباکوس با قابلیت نوشتن اسکریپت به زبان برنامه نویسی پایتون به کمک کاربران آمده است. با استفاده از این ویژگی، کاربران می‌توانند تغییرات موردنظر خود را برنامه نویسی کرده تا یک فرآیند حل خودکار ایجاد کنند. به طور مثال در شبیه‌سازی تنش یک قطعه مکانیکی تحت بارگذاری نیاز به کاهش ضخامت آن در چندین مرحله و رسیدن به حالت بهینه می‌باشد. با استفاده از اسکریپت پایتون می‌توان ضخامت را به عنوان یک پارامتر متغییر تعریف کرد تا حل این حالات مختلف به صورت اتوماتیک و بدون نیاز به تغییرات دستی پس از هر حل انجام شود.
این قابلیت‌های پیشرفته در نرم افزارهای شبیه‌سازی می‌تواند به محققان و مهندسان در تحلیل مسائل خاص کمک زیادی کند. اگرچه رقیب اصلی آباکوس که نرم‌افزار انسیس می‌باشد، این قابلیت‌ها را برای کاربران خود فراهم کرده است، اما کنترل بالای کاربر بر شرایط مسئله و ایجاد اصلاحات در آن در نرم افزار آباکوس به طور ملموسی کامل تر از رقبا می‌باشد.
مزایا و معایب آباکوس
نرم‌افزارهای تحلیل المان محدود هر کدام نقاط قوت و ضعفی داشته و باید با توجه به کارایی مورد نظر و مهارت کاربر بررسی شوند. اما به طور کلی می‌توان گفت نرم افزار آباکوس برای حل مسائل غیر خطی ابزاری قدرتمند می‌باشد و می‌تواند نتایج دقیقی را ارائه دهد. همچنین این نرم‌افزار برای مدلسازی مواد و تحلیل سازه‌ها کارایی فراوانی دارد. علاوه بر آن وجود دو حلگر Standard و Explicit در این نرم‌افزار باعث شده است آباکوس توانایی تحلیل مسائل مختلف را داشته باشد. این نقاط قوت آباکوس باعث محبوبیت بالای آن در تحقیقات آکادمیک و پژوهشکده‌ها شده است.
از قابلیت‌های خاص آباکوس می‌توان به توانایی سفارشی سازی شرایط مسئله از جمله خواص مواد، شرایط مرزی، المان‌های مش و… برای کاربردهای خاص اشاره کرد. این ویژگی برای تحلیل مسائلی که به صورت پیشفرض در آباکوس انجام نمی‌شوند کاربرد فراوانی دارد. با استفاده از زبان‌های برنامه نویسی C/C++ و Fortran می‌توان شرایط خاص را برای شبیه سازی تعریف نمود. همچنین آباکوس مانند برخی دیگر از نرم‌افزارهای المان محدود قابلیت توسعه با استفاده از اسکریپ را دارد. این ویژگی به همراه دانش برنامه‌نویسی به زبان پایتون، به کاربر اجازه می‌دهد تا مواردی مانند هندسه، بارگذاری و … را تغییر دهد و یا اطلاعات مختلفی را در پایگاه داده ذخیره کند.
یکی از معایب این نرم‌افزار محیط گرافیکی آن می‌باشد. آباکوس در مقایسه با رقیب اصلی خود یعنی انسیس، از محیط گرافیکی نسبتا ضعیفی برخوردار می‌باشد و همین دلیل باعث سادگی و محبوبیت بیشتر انسیس برای کاربران مبتدی شده است.
دیگر ویژگی قابل توجه در آباکوس کنترل بالا بر روی شرایط مسئله و تعریف آن با جزئیات می‌باشد. از دید یک کاربر حرفه‌ای این قابلیت از مزایای آباکوس در برابر رقبا می‌باشد چراکه جزئیات مسئله و پارامترهای شبیه سازی تحت کنترل کاربر بوده و توانایی تعیین کردن این پارامترها باعث آزادی عمل بیشتر در تحلیل می‌شود. از طرفی این قابلیت برای کاربران مبتدی یک عیب محسوب می‌شود زیرا این دسته از کاربران باید زمان زیادی برای آشنایی با تمامی پارامترها و تعریف آن‌ها در مسئله صرف کنند تا به نتیجه مطلوب شبیه سازی دست یابند.
جمع بندی
در این مقاله سعی کردیم تا معرفی نرم افزار آباکوس به شما انجام دهیم. نرم‌افزار آباکوس یکی از ابزارهای قدرتمند در زمینه تحلیل و شبیه سازی المان محدود می‌باشد. توانایی شبیه‌سازی دقیق و کنترل بر روی جزئیات از دلایل محبوبیت آن در بین محققان و مهندسان شده است. همچنین آباکوس برای کاربردهای خاص مانند تحلیل مواد کامپوزیتی، پلیمرها و … یکی از بهترین نرم‌افزارهای شبیه سازی موجود می‌باشد. علاوه بر آن وجود حلگرهای مختلف در آباکوس باعث شده است این نرم‌افزار توانایی حل مسائل گوناگون مهندسی را داشته باشد. در نهایت می‌توان آباکوس را به عنوان یکی از پرکاربردترین و محبوب‌ترین نرم‌افزارهای شبیه سازی المان محدود دانست.
امیدوارم از این آموزش و همچنین سایت مکادمی لذت ببرید. خوشحال می‌شویم نظراتتون را با ما در میان بگذارید.
توصیه می‌کنم حتما آموزش‌های نرم افزار آباکوس مکادمی را تماشا کنید
در صورتی که قصد سابروتین نویسی در نرم افزار آباکوس را دارید؛ توصیه می‌کنم حتما آموزش زیر را تماشا کنید
نویسنده:
مهندس میلاد وحیدیان
دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
(برای مطالعه بیشتر روی نام یا تصویر ایشان کلیک کنید)
