آموزش پیشرفته آباکوس – پروژه‌‌های صنعتی و آکادمیک ABAQUS

در این پروژه، به تحلیل فرکانسی در نرم‌افزار آباکوس (Frequency Analysis) می‌پردازیم که یکی از ابزارهای کلیدی برای بررسی پایداری و رفتار دینامیکی سازه‌ها در مهندسی مکانیک، عمران و… است. هدف از این تحلیل، استخراج فرکانس‌های طبیعی و مدهای نوسانی یک سازه است که مشخص می‌کند سازه در چه فرکانس‌هایی مستعد نوسان شدید یا رزونانس خواهد بود.

این آنالیز در طراحی انواع قطعات دوّار مانند دیسک‌ها، پره‌های توربین، میل‌لنگ، چرخ‌دنده‌ها، و حتی سازه‌هایی مانند پل‌ها و سازه‌های بلند بسیار حیاتی و کاربردی است. اهمیت تحلیل زمانی بیشتر می‌شود که سرعت دورانی در سیستم وجود داشته باشد؛ در این حالت، پدیده‌هایی دینامیکی مانند “softening” یا”stiffening”  ممکن است باعث تغییر در فرکانس‌های طبیعی شوند.

در این پروژه ABAQUS، علاوه بر آموزش گام‌به‌گام تحلیل فرکانس، نحوه در نظر گرفتن سرعت دورانی و تأثیر آن بر پاسخ دینامیکی سازه را نیز بررسی می‌کنیم. همچنین به روش‌های اعمال سرعت دورانی، تفسیر نتایج فرکانسی، و شناخت نقاط بحرانی طراحی در قطعات حساس پرداختیم تا شما بتوانید از این تحلیل در طراحی ایمن‌تر و دقیق‌تر استفاده کنید.

در این قسمت از دوره پیشرفته آباکوس، به سراغ یک مسئله پیشرفته و پرچالش می‌رویم: شبیه‌سازی سقوط یک خرپای سه‌بعدی و برخورد آن با یک جسم صلب. این نوع تحلیل از نوع دینامیک صریح (Explicit Dynamics) است و برای بررسی رفتار سازه در شرایط بارگذاری ناگهانی و پرشتاب مانند ضربه، سقوط آزاد، یا تصادف به کار می‌رود. تحلیل‌هایی از این جنس در طراحی سازه‌های محافظ، تجهیزات سقوط‌پذیر، و آزمون‌های ایمنی بسیار پرکاربرد هستند.

در این مثال خاص، سعی شده رفتار واقعی خرپا هنگام تماس با سطح سخت به‌صورت دقیق مدل‌سازی شود، از جمله اثرات تماس غیرخطی، شکست احتمالی اعضا و تغییر شکل‌های شدید. در جریان این پروژه، نحوه تعریف تماس، تنظیمات مدل‌سازی با استفاده از حلگر صریح، استخراج نتایج مانند انرژی جذب‌شده، سرعت برخورد و تغییر شکل اعضای خرپا را به‌صورت کامل آموزش دادیم. این پروژه تحلیلی برای کسانی که به دنبال ورود به دنیای تحلیل‌های غیرخطی و پیچیده در آباکوس هستند، یک نقطه شروع بسیار مناسب محسوب می‌شود.

در این فصل وارد یکی از پیشرفته‌ترین و جذاب‌ترین قابلیت‌های آباکوس می‌شویم: تحلیل برخورد سیال و جامد به روش کوپل اویلری–لاگرانژی (Coupled Eulerian-Lagrangian یا به اختصار CEL). مسئله شبیه‌سازی حرکت قایق روی سطح آب، نمونه‌ای واقعی از مسائل تعامل سیال–سازه (FSI) است که در آن، حرکت و فشار سیال بر سازه جامد و واکنش متقابل سازه بررسی می‌شود. در این تحلیل، سیال (آب) با روش اویلری مدل‌سازی می‌شود، که به‌واسطه آن تغییر شکل‌های بزرگ سیال قابل شبیه‌سازی است، در حالی که سازه قایق با رویکرد لاگرانژی تعریف می‌شود.

در این پروژه، با نحوه تعریف محیط اویلری، شرایط اولیه و مرزی مخصوص سیالات، تنظیم تماس بین فازها، و تفسیر نتایج مانند جابجایی قایق، پایداری آن و الگوی حرکت سیال آشنا خواهید شد. بدون شک، این آموزش دریچه‌ای قدرتمند برای ورود به دنیای شبیه‌سازی‌های چندفازی در آباکوس خواهد بود.

این نوع تحلیل برای کاربردهایی مانند طراحی شناورهای دریایی، مطالعه نیروی هیدرودینامیکی، شبیه‌سازی امواج و بررسی رفتار سازه‌های در تماس با سیال بسیار ارزشمند است.

بررسی رفتار یک قطعه با جنس هایپرالاستیک جزء پروژه‌های صنعتی و کاربردی است. موادی که توانایی تحمل کرنش‌های بسیار بالا را دارند و ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها با مواد معمول کاملاً متفاوت است. موادی مانند لاستیک‌ها، پلیمرهای نرم، و بافت‌های بیولوژیکی از این دسته هستند.

تحلیل صحیح چنین موادی نیازمند استفاده از مدل‌های رفتاری خاص مانند Neo-Hookean، Mooney-Rivlin یا Ogden است که در این آموزش به نحوه تعریف و انتخاب آن‌ها پرداختیم. علاوه بر آن، برای مدیریت و مقایسه حالات بارگذاری مختلف، مفهوم بسیار کاربردی Load Case در آباکوس معرفی شده است. با استفاده از Load Case می‌توان بدون ایجاد چند مدل جداگانه، حالات متنوعی از نیروها، فشارها یا شرایط مرزی را روی یک قطعه اعمال کرد و پاسخ سازه را در هر حالت به‌صورت جداگانه بررسی نمود. این ابزار به‌ویژه در تحلیل طراحی، بهینه‌سازی و اعتبارسنجی عملکرد قطعه در شرایط مختلف عملیاتی کاربرد فراوانی دارد.

این پروژه، نه تنها مفاهیم پیشرفته تحلیل مواد نرم را پوشش می‌دهد، بلکه مهارت کاربر در مدیریت هوشمندانه بارگذاری‌ها در پروژه‌های پیچیده با استفاده از Load Case را افزایش می‌دهد.

در این آموزش، وارد حوزه‌ی مهندسی مدرن طراحی می‌شویم؛ جایی که به جای طراحی سنتی، اجازه می‌دهیم خودِ نرم‌افزار بر اساس شرایط بارگذاری، قیود طراحی و هدف مهندسی، شکل بهینه‌ی سازه را پیشنهاد دهد. بهینه‌سازی توپولوژی (Topology Optimization) یکی از قدرتمندترین ابزارهای طراحی مبتنی بر تحلیل است که در ABAQUS به‌صورت یک ماژول اختصاصی قابل انجام است.

در این فرآیند، ما به نرم‌افزار ABAQUS می‌گوییم که چه فضایی برای طراحی داریم، قطعه باید چه نیروهایی را تحمل کند و چه بخش‌هایی ثابت یا ممنوعه هستند. خروجی این تحلیل، یک ساختار سبک‌وزن و در عین حال مقاوم است که نسبت به طراحی‌های سنتی، عملکرد بسیار بهتری دارد.

این نوع بهینه‌سازی در صنایع پیشرفته مانند هوافضا، خودروسازی، تجهیزات پزشکی، و طراحی قطعات پرینت سه‌بعدی کاربرد گسترده‌ای دارد. در این جلسه، به‌صورت عملی نحوه تعریف شرایط بهینه‌سازی، انتخاب پارامترهای کلیدی مانند نسبت جرم، کنترل چگالی و فیلترسازی نتایج را آموزش دادیم و شما را با فرآیند استخراج و تفسیر هندسه نهایی آشنا می‌کنیم. این آموزش دیدگاهی نوین نسبت به طراحی مهندسی در آباکوس ایجاد می‌کند.

در این قسمت، به بررسی تحلیل سازه‌های کامپوزیتی در آباکوس می‌پردازیم؛ سازه‌هایی که از لایه‌های مختلف با جنس‌ها و جهت‌گیری‌های متفاوت تشکیل شده‌اند و به ‌خاطر نسبت استحکام به وزن بالا، در صنایع پیشرفته مانند هوافضا، خودروسازی، تجهیزات ورزشی و صنایع پزشکی به وفور استفاده می‌شوند.

تحلیل این نوع مواد نیازمند شناخت دقیق رفتار ناهمسان‌گرد (Anisotropic) و نحوه توزیع خواص مکانیکی در راستاهای مختلف است. در این آموزش، تمرکز اصلی بر روی چگونگی تعریف یک ساختار کامپوزیتی است: از انتخاب نوع ماده و تعریف خواص لایه‌ای گرفته تا تعیین ترتیب و جهت‌گیری لایه‌ها (Layup)، تعیین ضخامت‌ها، اعمال شرایط مرزی و بارگذاری متناسب با ساختار چندلایه. همچنین با ابزارهایی مانند Composite Layup Manager و Section Assignment در آباکوس کار خواهیم کرد. این تحلیل‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا پدیده‌هایی مانند لایه‌لایه شدن (Delamination)، کمانش لایه‌ای، یا تمرکز تنش در محل تغییر لایه‌ها را بهتر درک کرده و از طراحی دقیق‌تری برخوردار شوند. این جلسه پایه‌ای ضروری برای هر کسی است که می‌خواهد وارد دنیای پیچیده و پرکاربرد مواد کامپوزیت شود.

در این پروژه، وارد مرحله‌ای پیشرفته‌تر از تحلیل مواد کامپوزیتی می‌شویم: بررسی شکست بین‌لایه‌ای با استفاده از تکنیک Virtual Crack Closure Technique یا همان VCCT. این روش یکی از دقیق‌ترین و معتبرترین روش‌ها برای تحلیل رشد ترک بین لایه‌های کامپوزیت است. به‌ویژه زمانی که جدایش لایه‌ها یا Delamination نقش کلیدی در تخریب سازه دارد. برخلاف مواد همگن، رفتار شکست در کامپوزیت‌ها بسیار پیچیده است و معمولاً در راستاهای خاص و به‌صورت تدریجی رخ می‌دهد. تکنیک VCCT این امکان را فراهم می‌کند که انرژی آزادشده در هنگام باز شدن ترک‌ها محاسبه شده و بر اساس آن، مسیر رشد ترک و احتمال گسترش آن پیش‌بینی شود.

در این آموزش، به‌صورت گام‌به‌گام نحوه مدل‌سازی ترک اولیه، اعمال تماس چسبی (Cohesive)، تعریف خواص بین‌لایه‌ای، و فعال‌سازی تکنیک VCCT را در آباکوس بررسی کردیم. همچنین نحوه استخراج انرژی مودهای مختلف شکست (Mode I, II, III) و تفسیر نتایج در راستای طراحی مقاوم در برابر Delamination را آموزش دادیم. این تحلیل برای پژوهشگران، طراحان سازه‌های پیشرفته و مهندسان علاقه‌مند به دوام سازه‌های کامپوزیتی، ابزاری بسیار حیاتی محسوب می‌شود.

در این آموزش، شما با یکی از ابزارهای کمتر شناخته‌شده ABAQUS و در عین حال یکی از قدرتمندترین ابزارهای ABAQUS یعنی تکنیک Submodeling آشنا می‌شوید. این روش زمانی به کار می‌رود که بخواهیم روی یک ناحیه‌ی خاص از یک سازه‌ بزرگ با دقت بسیار بالا تمرکز کنیم، بدون اینکه نیاز باشد کل مدل را با جزئیات بالا مش‌بندی کنیم. تکنیک ساب‌مدل به ما اجازه می‌دهد ابتدا یک مدل کلی با مش نسبتاً درشت را تحلیل کنیم، سپس نتایج آن‌را به‌صورت مرزی به یک زیرمدل با مش بسیار ریز منتقل کنیم تا در آن ناحیه خاص، تنش‌ها، کرنش‌ها و تمرکزات به‌دقت بررسی شوند.

این روش نه‌تنها باعث کاهش چشمگیر زمان حل و حافظه مصرفی می‌شود، بلکه امکان مطالعه موضعی رفتار سازه را در نقاط بحرانی مانند سوراخ‌ها، گوشه‌ها، جوش‌ها یا محل اتصالات فراهم می‌سازد. شما در این پروژه، نحوه آماده‌سازی مدل اصلی، تعریف زیرمدل، انتقال شرایط مرزی از مدل مادر به مدل فرعی و بررسی دقت نتایج را یاد می‌گیرید. این تکنیک، انتخابی ایده‌آل برای مهندسانی است که با مدل‌های بزرگ و پیچیده سر و کار دارند ولی نیازمند جزئیات دقیق در ناحیه‌ای خاص هستند.

در این فصل از دوره پیشرفته آباکوس، با یکی از نوآورانه‌ترین روش‌های تحلیل شکست در نرم‌افزار آباکوس یعنی روش المان محدود توسعه‌یافته (XFEM) آشنا می‌شوید. برخلاف روش‌های سنتی که نیازمند مدل‌سازی دقیق ترک و مش‌بندی بسیار ریز در نواحی ترک هستند، XFEM امکان پیش‌بینی رشد ترک‌های پیچیده در مواد ناهمگن و کامپوزیتی را بدون نیاز به تغییر مکرر شبکه مش فراهم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود تحلیل شکست در سازه‌های کامپوزیتی، که در آن‌ها مسیر ترک ممکن است به صورت غیرخطی و با انشعابات مختلف پیش برود، بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر انجام شود.

شما در این فصل، نحوه تعریف ترک اولیه، انتخاب پارامترهای مرتبط با رشد ترک، تنظیمات مرتبط با خصوصیات ماده، و تفسیر نتایج شکست با استفاده از XFEM را به صورت کامل آموزش خواهید دید. همچنین کاربردهای این روش در ارزیابی دوام و ایمنی سازه‌های کامپوزیتی حساس، به ویژه در صنایع هوافضا و خودروسازی را بررسی کردیم. این جلسه یک گام مهم در جهت تحلیل‌های پیشرفته و دقیق‌تر در دنیای مواد مرکب به حساب می‌آید.

فرآیند اکستروژن (Extrusion)، یکی از پرکاربردترین روش‌های شکل‌دهی فلزات در صنعت است. اکستروژن به‌معنای اعمال فشار برای عبور دادن مواد از یک قالب با مقطع مشخص است که باعث تغییر شکل پلاستیک و تولید قطعات با هندسه پیچیده می‌شود.

شبیه‌سازی و تحلیل اکستروژن در آباکوس به دلیل ماهیت غیرخطی شدید مواد و تماس پیچیده بین قطعه و قالب، چالشی فنی محسوب می‌شود. شما در این قسمت، تعریف دقیق مدل مواد پلاستیک، تعیین شرایط مرزی، تنظیم تماس بین قطعه و قالب، و انتخاب حلگر مناسب آشنا را یاد خواهید گرفت. همچنین، نحوه پیش‌بینی توزیع تنش، کرنش، دما و نیروهای وارد بر قالب به منظور بهینه‌سازی فرآیند و جلوگیری از عیوبی مثل ترک یا چروک‌خوردگی را بررسی کردیم. این آموزش، برای مهندسان فرایند و طراحان قالب، کلیدی است تا بتوانند با استفاده از شبیه‌سازی، فرآیند اکستروژن را بهینه کرده و کیفیت محصولات صنعتی را بهبود بخشند.

یکی از تکنیک‌های پیشرفته و کاربردی ABAQUS برای تحلیل فرآیندهای پیچیده شکل‌دهی روش Arbitrary Lagrangian Eulerian یا به اختصارALE  است. این روش ترکیبی از دو رویکرد لاگرانژی و اویلری است که اجازه می‌دهد تغییر شکل‌های بزرگ و انتقال مواد در فرایندهای دوفازی و پلاستیک مانند فورجینگ به‌صورت دقیق شبیه‌سازی شود.

در فرآیند فورجینگ، مواد تحت فشارهای بسیار بالا قرار می‌گیرند و شکل آنها به شدت تغییر می‌کند؛ مدل‌سازی این شرایط نیازمند روشی است که هم حرکت مصالح و هم تغییر شکل هندسی قالب را به خوبی پوشش دهد. در این پروژه صنعتی، نحوه تعریف مدل ALE، تنظیم شرایط مرزی، اتصال مناسب بین قطعه و قالب، و کنترل مسائل مربوط به شبکه مش (Mesh) را یاد می‌گیرد. همچنین، تحلیل تنش‌ها، توزیع کرنش‌ها و فشار لازم برای فورج قطعه بررسی خواهد شد.

کاربرد این تکنیک در صنایع خودرو، هوافضا و تولید قطعات دقیق فلزی بسیار گسترده است و آموزش آن به مهندسان کمک می‌کند تا فرآیندهای شکل‌دهی را بهینه و با دقت بالاتری مدل‌سازی کنند.

در این پروژه، به بررسی دینامیکِ سقوط آزاد یک جسم صلب (مانند شن یا سنگ) در بستر یک جریان سیال مثلا رودخانه می‌پردازیم. این نوع تحلیل ترکیبی از رفتارهای پیچیده سیال-ساختار (Fluid-Structure Interaction)  و دینامیک اجسام صلب است بنابراین نیازمند مدلسازی دقیق جریان سیال و نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر جسم در حال سقوط است.

در این مثال، نحوه استفاده از روش‌های کوپل شده در آباکوس برای شبیه‌سازی جریان سیال و تماس بین جسم و سیال را آموزش دادیم، به‌طوری که بتوان رفتار واقع‌گرایانه حرکت جسم در جریان و اثر آن بر الگوی جریان را به دست آورد. همچنین در این آموزش شما نحوه استخراج و تحلیل نتایج مربوط به سرعت سقوط و مسیر حرکت جسم در جریان سیال را یاد خواهید گرفت.

کاربردهای این نوع تحلیل در مهندسی محیط زیست، طراحی سازه‌های هیدرولیکی، بررسی فرسایش بستر رودخانه‌ها و مسائل ایمنی در سدها بسیار حیاتی است.

یکی از روش‌های مدرن برای شبیه‌سازی جریان‌های آزاد و تغییرات سطح سیال، روش (Smoothed Particle Hydrodynamics) یا به اختصار SPH است. روش SPH در آباکوس برای تحلیل پدیده Sloshing در مخازن کاربرد دارد. Sloshing به حرکت نوسانی سطح مایعات داخل مخزن گفته می‌شود که می‌تواند باعث ایجاد نیروهای دینامیکی قابل توجه و نوسانات مخرب در سازه‌های نگهدارنده شود. روش SPH یک تکنیک ذره‌ای است که برخلاف روش‌های المان محدود کلاسیک، سیال را به صورت مجموعه‌ای از ذرات مدل می‌کند که قابلیت حرکت آزادانه و تغییر شکل‌های بزرگ را دارد.

در این فصل شما، نحوه تعریف ذرات، تنظیم پارامترهای SPH، تعریف مرزهای مخزن و بارگذاری‌های دینامیکی را آموزش می‌بینید و نتایج مرتبط با جابجایی مایع، سرعت و انرژی سیال را تحلیل خواهیم کرد. روش SPH به خصوص برای شبیه‌سازی جریان‌های پیچیده، برخورد سیال با دیواره‌ها و بررسی پدیده‌های سطحی مناسب است. کاربردهای این تحلیل در طراحی مخازن سوخت، تانکرها و سیستم‌های حمل و نقل سیالات بسیار حیاتی است.

در آخرین فصل از پکیج پیشرفته آباکوس، به تحلیل دقیق و پیشرفته رفتار مواد تحت بارگذاری‌های چرخه‌ای و مکرر پرداختیم؛ مکانیسم‌هایی که در طراحی سازه‌های صنعتی و مهندسی بسیار حیاتی‌اند.

مفاهیمی مثل تجمع تدریجی تغییر شکل پلاستیک در هر سیکل بارگذاری (Ratcheting)، کاهش تدریجی تنش زیر کرنش ثابت در طول زمان (Stress Relaxation) و ثبات رفتار پلاستیک پس از تعدادی چرخه بارگذاری (Plastic Shakedown) از پدیده‌های کلیدی در تحلیل دوام و عمر خستگی قطعات هستند.

در این آموزش، روش‌های مدل‌سازی پلاستیسیتۀ پیشرفته در ABAQUS را بررسی کردیم و نحوه تعریف خواص مواد، بارگذاری‌های چرخه‌ای، و کنترل تغییر شکل‌های تجمعی به کمک الگوریتم‌های اختصاصی آموزش داده شده است. همچنین چگونگی استخراج نتایج مربوط به تغییر شکل‌های تدریجی و تحلیل رفتار تحت بارگذاری‌های متناوب را به تفصیل شرح دادیم. این جلسه، مهندسان را توانمند می‌سازد تا عملکرد واقعی مواد و سازه‌ها را در شرایط عملیاتی پیچیده با دقت بالا پیش‌بینی کنند و طراحی‌هایی با دوام بیشتر ارائه دهند.