آباکوس ABAQUS و اجزای محدود

 روش اجزاء محدود روشی برای تحلیل سازه ها، حرکت سیالات، انتقال حرارت، مسائل موج وآکوستیک و. . . است. مفهوم اساسي روش مذکور اين است كه هر متغير ميداني پيوسته مثل سرعت، تنش، فشار يا دما مي تواند با يك مدل مجزا كه از مجموعه اي از متغيرهاي ميداني پيوسته قطعه قطعه تشكيل شده، تقريب زده شده واين متغيرها روي تعداد محدودي از زير مجموعه ها تعريف مي شوند. در روش اجزاء محدود سازه مورد نظر به اشكال گسسته كه المان ناميده مي شوند تقسيم بندی می شود. انواع المانها شامل یک بعدی خطی، دو بعدی صفحه ای و سه بعدی حجمی می باشند که بسته به ابعاد ونوع مسئله مورد نظر استفاده می گردند. این المان ها درنقطه هايي مشخص به نام گره به یکدیگر متصل می شوند. چون تغيير واقعي متغير ميداني در داخل محيط پیوسته شناخته شده نيست، توابع تقريب زننده اي براي توصيف تغييرات اين ميدان مورد نياز است.

 

روش المان محدود (FEM) روش عددی برای پیدا کردن راه حل تقریبی معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی (PDE) و همچنین معادلات انتگرال است. انواع تخصص های مرتبط با مهندسی مکانیک (مانند صنایع هوانوردی ، بیومکانیکی ، خودرو و …) در طراحی و توسعه محصولات خود از روش اجزاء محدود استفاده میکنند شاخه های طراحی به روش المان محدودبیشتر در زمینه حرارت ، الکترومغناطیس ، سیالات ، سازه های مختلف و اندرکنش آنها با محیط خود میباشد. در شبیه سازی سازه ها ، المان محدود در تامین مقاومت و استحکام بالا و به حداقل رساندن وزن ، مواد ، و هزینه بسیار کمک می کند.با روش اجزاء محدود میتوان مشاهده کرد که سازه و مدل در کدام ناحیه دچار ضعف بوده و توزیع تنش و جابه جایی ها در آن به چه صورت است. امروزه نرم افزارهای اجزاء محدود با ارائه طیف گسترده ای از گزینه های شبیه سازی پیچیدگی مدل سازی و تجزیه و تحلیل سازه ها را آسان مینماید. اجزاء محدود شرایطی را فراهم میکند که در آن قبل از ساخت طرح و انجام آزمایشات بر آن به صورت دقیق بهینه سازی و آنالیز طرح صورت گیرد و حتی نیازی به ساخت نمونه اولیه نمیباشد.این ابزار طراحی قدرتمند باعث شده است که طراحی های مهندسی استاندارد و فرآیند طراحی در بسیاری از سیستم های صنعتی بطور قابل ملاحظه ای بهبود یابد به گونه ای که مرحله طراحی تا تولید به صورت قابل ملاحظه ای سرعت بیابد.

به طور خلاصه ، مزایای المان محدود عبارتند از : افزایش دقت ، طراحی بهبود یافته و دید بهتر نسبت به پارامترهای طراحی معمول با درصد خطای بالا ، نمونه سازی مجازی ، نمونه سازی فیزیکی کمتر ، چرخه طراحی سریعتر و ارزانتر ، افزایش بهره وری و صرفه اقتصادی

   اين توابع تقريب زن، كه به عنوان توابع ميانياب نیز شناخته مي شوند، در گره ها بر حسب مقادير متغير ميداني تعريف مي شوند. هنگامي كه معادلات ميدان مثل معادلات تعادل يا موازنه حرارتي براي كل جسم نوشته مي شوند، مجهول هاي جديد مقادير گره اي مربوط به متغير ميدان خواهند بود. با حل معادلات ميدان كه معمولا به شكل ماتريس هاي نواري هستند، مقدارمتغير ميدان درگره ها مي تواند از طريق مونتاژ عناصر بدست آيد. روش المان های محدود، از نظر مفهومي ساده بوده و براي كار با محدوده گسترده اي از اجسام تركدار دو و سه بعدي بكار برده شده اند. درشکل زیر نمونه ای ازمدل اجزاءمحدود برای یک جسم ترکدار نمایش داده شده است .

   در حال حاضر مقالات متعددی درمورد کاربرد روش اجزاء محدود برای حل مسائل مکانیک شکست وجود دارد.

نرم افزار اجزاء محدود آباکوس  ABAQUS

امروزه نرم افزارهاي اجزاء محدود زيادي وجود دارند، كه مسائل مهندسي را بر مبناي روش المان هاي محدود حل مي نمایند و نتايج خوبي را نيز جهت استفاده به كاربران خود داده اند. کسانی که در حوزه مكانيك شكست فعالیت دارند به خوبی می دانند که يكي از نرم افزارهايي كه قدرت و قابليت هاي بالايي در زمينه مسائل مربوط به اين حوزه را دارد، نرم افزار المان محدود ABAQUS مي باشد. دردنیای صنعتی امروزهمزمان با پیشرفت تکنولوژی وتولید وسایل وقطعات پیچیده وحساس، لزوم استفاده از روشهای علمی مناسب برای کاهش هزینه وزمان و همچنین پاسخگوئی به مشکلات و نیازهای صنایع در این زمینه مطرح می­باشد. چرا که تنها با تکیه برتجربیات، نمی توان پاسخگوی طراحی وتولید مناسبی از محصولات پیچیده ودقیق بود. استفاده از نرم افزارهای تخصصی درتحلیل مسایل تحقیقاتی و صنعتی، ابزاری قوی برای تخمین وپیش بینی شرایط به شمارمی آیند. به طوری که می توان گفت امروزه هریک از شاخه­های علوم به روشهای مستقیم وغیر مستقیم ازاین ابزار قوی بهره می گیرند.

درمیان نرم افزارهای زیادی که برمبنای روش اجزاء محدود عمل می کنند، یکی از معتبرترین و قویترین نرم افزارهایی است که مهندسان و محققان ازآن به عنوان ابزاری سودمند در جهت رفع نیازهای خود بهره می گیرند،

 ABAQUS است. امروزه اکثر مقالات نشریات معتبر بین المللی در زمینه علم مکانیک شکست نیز ازاین نرم افزار به عنوان یک منبع قوی علمی وتحلیلی استفاده کرده اند.

از مزایای این نرم افزار نسبت به دیگر نرم افزارهای موجود می توان به موارد زیر اشاره نمود:

– توان بالای تحلیل مسائل غیر خطی نظیر رفتارپلاستیک وتغییر شکلهای بزرگ

– تحلیل شکست قطعات ورشد ترک علاوه برجوانه زنی که بدین ترتیب می توان رشد دینامیکی ترک را درمواد ایزوتروپ ومواد مرکب پیش بینی نمود.

– دارا بودن قابلیت های ویژه در حوزه مسائل مربوط به مواد کامپوزیت

– توانایی حل مسائل گوناگون به دو روش ضمنی وصریح

– وجود زیر برنامه های مختلف در این نرم افزار و دسترسی آسان به آنها که بدین ترتیب می توان از تئوری های به کار رفته در حل هر مساله آگاهی یافت.

به طوری که سهولت دستیابی وفهم نحوه عملکرد زیر برنامه های این نرم افزار موجب گشته تا مجامع دانشگاهی بین المللی ازآن بیش از نرم افزارهای دیگر در مقاله های علمی منتشر شده استفاده کنند. این بدین معنا است که کاربر می تواند تمام زیر برنامه های مرتبط با موضوع کارخود را درمحیط نرم افزار تغییر داده ودرحقیقت ازآنبه نفع خود استفاده میکنند.

کاربرد های اباکوس

سازه های دریایی و مهندسی

روش المان محدود (المان محدود) به عنوان یک ابزار محاسباتی به صورت گسترده ای در صنعت دریایی استفاده می شود. انفجار ، آتش سوزی زلزله و حوادث طبیعی و غیر طبیعی دیگر خطرات عمده ای در صنعت دریایی به شمار میروند. بارهای شدید ناشی از این حوادث مهندسان را بر آن داشته است که در طراحی سازه ها به ایمنی و وزن آنها توجه خاصی شود.

به طور معمول در انتخاب اصول طراحی روشهای طراحی شده برای ایجاد سازه های دریایی مقاوم در برابر آتش سوزی ، انفجار ، زلزله به صورت طراحی قطعی ، احتمالی و مبتنی بر خطر است.روش مورد استفاده در طراحی سازه های مقاوم استفاده از روش های ساده و غیر خطی تحلیل و مدل سازی المان محدود است. مدل المان محدود شامل شرح درستی از تکنیک های مدل سازی از جمله مدل سازی سازه ها ، مصالح و بارهای انفجار ، آتش سوزی و زلزله است.

گروه FEMIRAN با انجام ارزیابی و تحلیل آتش سوزی ، انفجار و زلزله با استفاده از نرم افزارهای CFD و FEM بر اساس مدل های قطعی یا احتمالی طراحی امن و بهینه ای را برای تاسیسات دریایی فراهم میکند.

به منظور دستیابی به طراحی بهینه سازه ها و دیوارهای مقاوم در برابر آتش سوزی ، انفجار و زلزله موارد زیر مورد مطالعه قرار میگیرد :

• تشریح و مطالعه طراحی سازه ها در برابر آتش سوزی ، انفجار ، زلزله و بارگذاری های دیگر

• بررسی رفتار مصالح برای طراحی برای بارهای با نرخ بارگذاری بالا

• تعیین رفتار دینامیکی دیوار ها با استفاده از روش اجزا محدود غیر خطی

نفت و گاز

برای به دست آوردن بهره وری بیشتر و بهره وری در صنعتی که در آن رقابت حرف اول را میزند، شرکت های نفت و گاز به دنبال راه هایی برای بهبود و بهینه کردن طرحها و پروژه ها میباشند که از استخراج تا پردازش و تحویل هیدروکربن ها را در بر میگرد، لذا بهبود طراحی پلت فرم های دریایی جهت افزایش مقاومت سازه ها در برابر شرایط سخت محیط زیست و پرداختن به چالش های تولید در شرایط جغرافیایی مختلف امری ضروریست.

برای رسیدن به این هدف مهندسین با تکیه بر شبیه سازی شرایط و سازه های مختلف و بررسی شرایط اندرکنشهای مختلف بر آنند تا تاثیر دینامیک سیالات و رفتار حرارتی مختلف را در پروسه اکتشاف، تولید و پردازش مورد ارزیابی قرار دهند.

گروه FEMIran با تجربه چندین ساله در این زمینه و استفاده از نخبگان علمی کشور در زمینه صنایع نفت و گاز و با استفاده از راه حل های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و روش المان محدود قادر به شبیه سازی و بهینه سازی تمام مراحل و سازه های مربوط به صنعت نفت و گاز میباشد.

 

مهندسی دریا

با توجه به پیشرفت روز افزون ارتباطات لزوم استفاده از تکنولوژی های برتر در زمینه صنعت دریایی، مهندسی کشتی سازی ،حمل و نقل و انتقال انرژی بسیار مهم میباشد. استفاده از فن آوری شبیه سازی در جهت بهبود بهره وری و کاهش هزینه های طراحی همچنان یکی از بهترین راهها برای مقابله با چالش های آزمایش فیزیکی مهندسی در صنعت دریایی میباشد.

ساخت مدل المان محدود از کشتی ها و سازه های دریایی از چالش های بسیار مهم مهندسین دریایی امروز است. گروه FEMIran با داشتن تجربه و نیروهای متخصص در این زمینه در سریع ترین و بهینه ترین حالت مدلسازی و شبیه سازی سازه های دریایی را انجام میدهد. استفاده از مصالح کمتر و بهینه کردن فرآیند تولید نظیر جوشکاری و … میتواند نا حدود بسیاری از هزینه های تولید بکاهد.

1- طراحی مخازن و سازه های دریایی مختلف با بهینه سازی ابعاد و مصالح و طراحی با در نظر گرفتن دو فاکتور توزیع تنش مناسب در سازه و طول عمر خستگی

2- بهینه سازی ضخامت و اندازه ورقهای فولادی مورد استفاده به عنوان سخت کننده ها در تمام کشتی

3- کاهش طول جوش و هزینه ساخت از طریق بهینه سازی بدنه سازه

4-بهبود عملکرد سیستم با بهینه سازی پارامتر ها استاتیکی و هیدرودینامیکی

5- بهینه سازی لایه های کامپوزیتی و جهت آنها جهت کاربرد در صنایع کشتی سازی و زیردریایی

 

مهندسی عمران

گروه FEMIran طیف گسترده ای از راه حل های صنعتی زیرساخت های مهندسی عمران مانند نیروگاه ها ، پل ها ، جاده ها ، راه آهن ، سازه ، سیستم های آب و.غیره را ارائه میدهد. ارائه طرحی دقیق و مهندسی جهت استفاده از بهترین طرح و بهینه ترین مصالح و نیز مدلسازی بارگذاری مختلف و مقاومسازی سازه ها جهت افزایش ایمنی و طول عمر سازه و اندرکنش موجو در سازه مواردیست که با استفاده از نرم افزارهای المان محدود میتوان بدان دست یافت.

 

موارد مورد مطالعه در زمینه عمران و ساختمان :

• تجزیه و تحلیل ساختار دال بتنی ، قابهای ساختمانی ، خرپا های ساختمان ، دکل ، برج ها و سوله ، و همچنین سازه های خاص با پوسته نازک و سازه های متشکل از سطوح هندسی مختلف

• تجزیه و تحلیل سازه های بتنی و فولادی و بنایی مسلح و غیر مسلح

• طراحی و تجزیه و تحلیل تنش در سازه ها ، آتریوم و نورگیرهای شیشه ای و سقف های کامپوزیت و سایه بانها

• تجزیه و تحلیل برای پیش بینی کمانش موضعی ، ارزیابی خستگی و عیوب جوش

• بارگذاری های مختلف مانند زمین لرزه ، ضربه ، باد ، برف ، یخ و بار حرارتی و انفجار

• تجزیه و تحلیل تنش در اعضا کششی مانند کابل ها و میلگردهای تسلیح

• تجزیه و تحلیل لرزه ای با استفاده از روشهای CQC ، NRL ، SRSS و ABS

• تجزیه و تحلیل خطی و غیر خطی گذرا ، فرکانس ، پاسخ تصادفی با تحریک پایه

• برنامه های کاربردی از جمله سازه های موجود در فرودگاهها ، پارکها ، ساختمان های عمومی و تجاری ، رصدخانه ها و پارکینگ ها و …

مهندسی انفجار و کاهش خطر انفجار

یکی از لازمه های طراحی امروزی سازه ها حفاظت از جان و مال انسانها در مقابله با خطرات ناشی از انفجار تصادفی یا عمدی می باشد. جهت تحلیل مسئله انفجار آگاهی در مورد نحوه پاسخ غیر خطی سازه در بارگذاری دینامیکی در بازه بسیار کوتاه حائز اهمیت است .طراحی و اعتبار سازه در برابر بارهای انفجار برای جوامع امروزی به منظور حفاظت و ایمنی شهروندان آن مهم هستند.

از آنجا که مدلسازی و بهینه سازی سازه ها در برابر بارهای انفجاری با استفاده از تست کامل در مقیاس آزمایشگاهی امری نا ممکن میباشد ،لذا در حال حاضر استفاده از ابزارهای پیشرفته عددی مانند روش اجزاء محدود میتواند به خوبی جوابگوی مسائل باشد. چندین روش گوناگون المان محدود را می توان برای توصیف پاسخ سازه ها به بار انفجار مورد مطالعه قرار داد که برخی از آنها عبارتند از :

(1) استفاده از فرمولهای لاگرانژین

(2) شبیه سازی اولیه به روش اویلرین (برای تعیین بار) و در پی آن شبیه سازی لاگرانژی (برای پاسخ سازه)

(3) روش تلفیقی که ترکیبی از مزایای استفاده از اویلرین و روش لاگرانژی جهت برقراری ارتباط کامل بین امواج انفجار و تغییر شکل سازه

در حالت کلی ، همه شبیه سازی انفجار باید به طور کامل همراه با استفاده از روش اویلرین – لاگرانژی باشد ، اما بایستی توجه داشت که تغییر معادلات تحلیل از حالت لاگرانژی خالص به شبیه سازی اویلرین – لاگرانژی زمان محاسباتی را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

دینامیک سیالات محاسباتی

بارهای انفجار و مسائل مربوط به تحلیل آن در سازه های مختلف را می توان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و نرم افزارهای المان محدود تشریح کرد.

جهت شبیه سازی انتشار امواج انفجار در یک محیط ، برای شبیه سازی فشارهای ناشی از انفجار بر ساختمان های با شکلهای غیر معمول ، برای شبیه سازی نشت از طریق دهانه به ساختمان ها ، برای شبیه سازی انفجار داخلی ، و برای شبیه سازی در نزدیکی میدان اثر انفجار . هر کجا که لازم باشد، می توان CFD و FEM به عنوان یک جایگزین برای روش های معمول مورد استفاده قرار گیرد.

باید درک شود که نتایج CFD حساس به تکنیک های مدل سازی و نرم افزار استفاده می شود. برنامه های CFD می تواند درست اولین رویکرد اصول که شامل مدل سازی آشوب و احتراق مفصل ، یا رویکرد نیمه تجربی که در آن سادهسازیهای از منبع انفجار هستند ، ساخته شده بر اساس داده ها از آزمون و راهنمایی ، برای ساده سازی و سرعت تجزیه و تحلیل را استخدام کنند. مدل Phenomological گاهی اوقات استفاده می شود به ساده تجزیه و تحلیل با استفاده از مدل عددی پدیده انفجار انتخاب شده را به تصرف خود ویژگی های مهم از انتشار انفجار. همانند بسیاری از شبیه سازی ، بیشتر از جزئیات مدل ، بیشتر دقت بالقوه منجر شود.

خودرو

FEMIran طیف گسترده ای از راه حل های اثبات شده برای برنامه های کاربردی صنعت خودرو ارائه میدهد که تولید کنندگان را قادر به ارزیابی و بهینه سازی کارایی و قابل اعتماد بودن طرح های خود و فرآیندهای ساخت میکند. مزایا این گونه تحلیل هاعبارتند از : نوآوری بیشتر، اتوماسیون فرایند، چرخه های تولید کوتاه تر، طراحی برای دوام بیشتر، کاهش پیش نمونه های فیزیکی ساخته شده و بهبود کیفیت و نوآوری.

هوافضا

استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی CFD و المان محدود FEM در صنایع هوافضا به صورت وسیعی گسترش یافته است. و به عنوان یک جایگزین مناسب برای آزمایش های تونل باد میباشد، CFD به عنوان یک ابزار قدرتمند و خلاق برای طراحی کارآمد مهندسی شناخته شده است . در گذشته، مهندسان ماهها وقت صرف ساخت مش برای شبیه سازی کامل هواپیما می شد اما با توجه به پیشرفت روزافزون تکنولوژی و بحثهای رقابتی ، هم اکنون با توجه به نرم افزارهای المان محدود و دینامیک سیالات محاسباتی کل شبیه سازی را فقط در چند روز میتوان انجام داد، به منظور دستیابی به این چالش، شرکت های هوا و فضا به طور فزاینده ای به استفاده از FEM و CFD روی آورده اند.

گروه FEMIran طیف گسترده ای از راه حل های صنعتی را برای کاربردهای صنعت هوا فضا جهت ارزیابی و بهینه سازی طرح ها و فرایندهای تولیدی جهت چرخه های تولیدی کوتاه تر، هزینه های کمتر ، مدیریت و کاهش ریسک و بهبود کیفیت و نوآوری فراهم می کند.