تحلیل برخورد توپ (گلوله) با صفحه در آباکوس – تکنیک حذف المان

مسائلی نظیر انفجار، منهدم شدن سازه در اثر برخورد پرتابه و مسائل بالستیک نظیر برخورد گلوله با جسم را شاید بتوان از جذاب‌ترین مسائل حوزه برخورد بشمار آورد. مهمترین موضوع در شبیه‌سازی این دسته از مسائل، بحث از بین رفتن بخشی از سازه و خرابی‌های ایجاد شده در اثر فرآیند برخورد است. ممکن است این سؤال برای شما نیز پیش آمده باشد که آیا آباکوس بعنوان یک ابزار قدرتمند در شبیه‌سازی اجزای محدود، توانایی مدل‌سازی و تحلیل اتفاقات رخ داده در فرآیندهای فوق را دارد؟

خوشبختانه پاسخ این سؤال مثبت است. بحث تولید و از بین رفتن المان‌ها در تحلیل اجزای محدود از مباحثی است که از دیرباز مورد توجه تولیدکنندگان نرم‌افزارها واقع شده و از پیشینه تئوری علمی و روابط ریاضی قدرتمندی برخوردار است. آباکوس نیز که در زمره برترین ابزارهای تحلیلی محسوب می‌شود از این قافله جا نمانده و ویژگی حذف المان‌ها (Elements Deletion) در یک تحلیل را در خود گنجانده است. قصد داریم تا شما را با یک مثال آموزشی، با این پدیده بسیار پرکاربرد آشنا کنیم. پیشنهاد می‌کنیم این آموزش فوق العاده را از دست ندهید و با ما در آموزش شبیه‌سازی و تحلیل برخورد توپ (گلوله) با صفحه در آباکوس بهمراه بهره گیری از تکنیک حذف المان در نرم افزار Abaqus همراه باشید.

به‌روزرسانی: این آموزش در تاریخ 8 شهریور 95 به‌روز شد.

صورت مسئله تحلیل برخورد توپ با صفحه – تکنیک حذف المان در آباکوس

توپی را در نظر بگیرید که به یک ورق آلومینیومی شلیک می‌شود. رفتار ورق در فرآیند برخورد توپ را در آباکوس مدل کنید. در تحلیل خود ویژگی از بین رفتن المان‌ها را نیز لحاظ نمایید.

• • ◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی مواد، مهندسی عمران

• • ◄ اطلاعات بیشتر: Youtube.Com، Simuleon.com

• ◄ تذکر: دانلود فایل Sat پروژه تحلیل برخورد توپ با صفحه (فایل مدل هندسی) از لینک زیر:

دانلود فایل‌ Sat تمرین

حل مسئله آنالیز برخورد توپ با صفحه – تکنیک Elements Deletion در آباکوس

مطابق شکل فوق، باید به مدل‌سازی دو عضو تغییر شکل پذیر در محیط Part بپردازیم. اگر از علاقمندان نرم‌افزارهای طراحی هستید، می‌توانید ورق و توپ را در نرم‌افزاری نظیر کتیا (Catia) یا سالیدورکس (Solidworks) مدل کرده و از قابلیت فراخوانی در آباکوس بهره ببرید (ممکن است شما نیز با من موافق باشید که هندسه مسئله چندان پیچیده نیست و شاید Abaqus/CAE بهترین ابزار در این مسئله باشد!). بهرحال به منظور جلوگیری از اتلاف وقت شما همراهان گرامی، هر دو قطعه را در نرم افزار Solidworks مدل کرده و فایل Sat آنرا برای دانلود قرار داده‌ایم. پس از فراخوانی این فایل، عملا گام اول را برداشته‌اید و می‌توانید برای ادامه مسیر به ماژول Property وارد شوید (ابعاد بر حسب mm است).

در این محیط، دو ماده مجزا برای توپ و ورق تعریف کنید: فولاد با رفتار الاستیک (مدول یانگ 210GPa، نسبت پواسون 0.3 و چگالی 7800Kg/m³) و آلومینیوم با رفتار الاستیک – پلاستیک (مدول یانگ 70GPa، نسبت پواسون 0.3 و چگالی 2500Kg/m³). برای رفتار پلاستیک آلومینیوم نیز می‌توانید از تصویر زیر کمک بگیرید.

تکنیک حذف المان (Elements Deletion) در آباکوس

حال به بحث اصلی این مسئله می پردازیم. قصد داریم تا برای نرم‌افزار تعیین کنیم المان‌های ورق با چه میزان از کرنش حذف شوند. اگر با درس مکانیک شکست آشنا باشید اطلاعاتی در خصوص معیارهای شکست مواد کسب کرده‌اید. در این بخش نیز شما با استفاده از معیار مناسب (انتخاب معیار به جنس ماده بستگی دارد) حداکثر کرنش مجاز برای المان‌ها را تعریف خواهید کرد، برای اینکار از مسیر Mechanical > Damage for Ductile Metals > Ductile Damage اقدام بفرمایید و مقادیر در نظر گرفته شده را مطابق شکل زیر وارد کنید.

ادامه روند مدل‌سازی برخورد توپ با صفحه در Abaqus

در ادامه، دو سطح مقطع از نوع Solid, Homogeneous (جنس فولاد) و  Shell, Homogeneous (جنس آلومینیوم) تعریف کرده و به ترتیب به توپ و ورق اختصاص دهید. ضخامت مقطع ورق را نیز 1mm وارد نمایید.

با اتمام فرآیند فوق، توپ و ورق را در ماژول Assembly وارد کرده و به مونتاژ مجموعه بپردازید. چنانچه از فایل Sat قرار داده شده استفاده می‌کنید، تنظیمات مربوط به جایابی و مونتاژ لحاظ شده است و نیازی به اعمال تغییر از سوی شما وجود ندارد.

گام بعد در روند مدل‌سازی در آباکوس، تعریف نوع حلگر و گام حل است. لذا به محیط Step رفته و حلگری از نوع Dynamic, Explicit با بازه زمانی 0.001s تعریف نمایید. سایر پیش فرض‌های Abaqus را تغییر ندهید و به ماژول Interaction وارد شوید.

در این بخش رفتار تماسی از نوع General Contact و با ضریب اصطکاک 0.1 تعریف کنید (توضیحات کامل تر تعریف این نوع رفتار در آموزش تحلیل و مدل‌سازی پرچ در آباکوس مراجعه فرمایید).

در ماژول Load لبه ورق را در تمامی جهات مقید کرده و با استفاده از ابزار Predefined Load آباکوس سرعتی به بزرگی 40000mm/s به توپ وارد نمایید.

تنظیمات آباکوس جهت حذف شدن المان‌ها

توجه: به شکل پیش‌فرض، اکثر خروجی‌های موردانتظار در آباکوس نمایش داده می‌شوند اما برای نمایش حذف شدن المان‌ها باید در Field Output تیک مربوط به گزینه Status را مطابق شکل زیر فعال کنید.

در آخرین گام از مدل‌سازی، شبکه اجزای محدودی با اندازه 2 واحد، از نوع Tet برای توپ و اندازه 1.5 واحد، از نوع Quad برای ورق در نظر بگیرید و مسئله را برای حل به ماژول Job ارسال کنید. تصاویر زیر، کانتور تنش برخورد توپ با صفحه در آباکوس را نشان می‌دهد.

تصویر متحرک زیر، کانتور تنش توپ را در طی این تحلیل دینامیکی نشان می‌دهد.

تمرین: بعنوان یک تمرین، نمودار سرعت را در یک نقطه از توپ بر حسب زمان رسم کرده و بر روی آن بحث کنید.

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک