آموزش طراحی بهینه چهارپایه توسط ماژول Optimization آباکوس

اگر روند طراحی قطعات مهندسی در سال‌های اخیر را دنبال کرده باشید، اثری قوی از فرآیند بهینه‌سازی در طراحی را خواهید یافت. شاید شما هم به این نکته توجه کرده باشید که در دنیای کنونی با رشد پرشتاب علوم فنی و آماری و ایجاد حلقه بسیار قدرتمند بین رشته‌های گوناگون دانشگاهی، رقابت بین محققین و طراحان بر سر مقادیر بسیار جزیی و در عین حال تأثیر گذار است؛ به گونه‌ای که گاهی همانند یک مسابقه دو سرعت، رقم‌های بعد از اعشار هستند که موقعیت شما در تسخیر بازار را تعیین می‌کنند.

بهینه‌سازی چیست؟

بهینه‌سازی به شکل خلاصه، انتخاب بهترین عضو از میان مجموعه اعضای دست‎یافتنی است؛ از این‌رو شاید واژه به‌گزینی (گزینش برتر یا بهتر) را بتوان توصیفی دقیق از یک فرآیند بهینه‌سازی دانست. به زبانی ساده، در بهینه‌سازی تلاش بر این است تا به شکلی هدفمند، داده‌ها از یک مجموعه در دسترس انتخاب شوند تا مقدار یک تابع حقیقی (تابع هدف) بیشینه یا کمینه شود. این پروسه به هیچ عنوان محدود به مسائل ریاضی نبوده و علوم رده بالا نظیر اقتصاد، مدیریت و مهندسی نمودهای عینی فرآیند بهینه‌سازی را به جهانیان ثابت کرده‌اند.

منبع عکس: Design by volume, mass and load

بهینه‌سازی در آباکوس

آباکوس را باید از مجموعه نرم‌افزارهای پیش‌رو در عرصه مدل‌سازی صنعتی دانست که اهمیت لحاظ کردن فرآیند بهینه‌سازی به شکل اتوماتیک و رسیدن به طراحی هوشمند و بهینه را درک کرده است. طفل نوپای آباکوس یعنی ماژول Optimization علی‌رغم گذشت مدت زمان کوتاه (از نسخه 6.12 آباکوس به بعد) توانسته محبوبیتی مناسب در میان محققین و طراحان پیدا کند. بهینه‌سازی در آباکوس را باید از مجموعه مواردی دانست که در سال‌های آینده بسیار بیشتر از آن خواهیم شنید. بدون شک این پایان راه بهینه‌سازی در آباکوس نیست و مجموعه داسو سیستمز همواره نشان داده علاقه وافری به ارتقای سطح کیفی محصولات خود دارد و هیچگاه به توقف و درجا زدن فکر نمی‌کند (قبلا پستی پیرامون معرفی اجمالی ماژول بهینه‌سازی آباکوس – Abaqus Topology Optimization Module یا در اختصار ATOM در سایت درج شده است).

با وجود اهمیت بالای بحث بهینه‌سازی در طراحی قطعات صنعتی، شاید بتوان مغفول‌ترین ماژول آباکوس را Optimization دانست. از این‌رو تصمیم گرفتیم در آموزش بهینه‌سازی توسط آباکوس نیز پیشتاز باشیم و با یک مثال ساده اما کاربردی روند انجام یک تحلیل بهینه‌سازی در Abaqus را به شما همراهان گرامی آموزش دهیم. اگر شما نیز از علاقمندان به این حوزه بسیار جذاب و کاربردی هستید، توصیه می‌کنیم ما را در این آموزش آباکوس همراهی کنید: پیش به سوی فراگیری بهینه‌سازی در آباکوس !

صورت مسئله آموزش طراحی بهینه چهارپایه توسط ماژول Optimization آباکوس

قصد داریم یک چهارپایه برای نشستن افراد طراحی نماییم. محدودیت‌های فضایی این چهارپایه به نحوی است که محل نشستن فرد باید سطحی برابر 40*40 سانتی‌متر داشته و ارتفاع چهارپایه نیز معادل 50 سانتی‌متر  باشد. همچنین، فرض کنید سنگین‌ترین فردی که ممکن است بر روی این چهارپایه بنشیند 140 کیلوگرم باشد. جنس چهارپایه از ماده‌ای با مدول یانگ 13 گیگاپاسکال، ضریب پواسون 0.3 و استحکام تسلیم فشاری 50 مگاپاسکال در نظر گرفته شده است. هندسه اولیه چهارپایه را به صورت یک مکعب با ابعاد فوق در نظر بگیرید و سپس با استفاده از بهینه‌سازی توپولوژی نرم‌افزار Abaqus، چهار پایه‌ای طراحی کنید که حجم نهایی آن تنها 5 درصد حجم اولیه بوده و انرژی کرنشی آن مینیمم باشد.

• ◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی عمران، مهندسی صنایع
• ◄ کلیدواژه‌ها: طراحی بهینه در آباکوس، ماژول بهینه‌سازی آباکوس، تنظیمات بهینه‌سازی در آباکوس، ماژول Optimization آباکوس، بهینه‌سازی توپولوژی در آباکوس

حل مسئله آموزش طراحی بهینه چهارپایه توسط ماژول Optimization آباکوس

گام اول : ایجاد مدل هندسی چهارپایه در ماژول Part

بر اساس ابعاد داده شده در صورت مسئله بهینه‌سازی در آباکوس، مکعبی تغییر شکل‌پذیر مانند تصویر زیر ایجاد نمایید:

گام دوم : تعریف خواص مکانیکی و اختصاص سطح مقطع در ماژول Property آباکوس

پس از ایجاد مدل هندسی چهارپایه، برای ادامه مدل‌سازی به ماژول Property وارد شده و ماده مورد نظر برای مسئله را مطابق داده‌های صورت مسئله و راهنمای تصویری زیر تعریف نمایید:

سپس سطح مقطعی از نوع Solid, Homogeneous تعریف کرده و به مکعب مورد نظر اختصاص دهید:

گام سوم: مونتاژ قطعه در ماژول Assembly

از آنجایی که در این تحلیل تنها یک قطعه ساده داریم، می‌توانید براحتی آن‌را برای ادامه روند مدل‌سازی به محیط Assembly وارد کنید (نیازی به استفاده از ابزارهای انتقال و دوران برای جایابی قطعه نیست).

گام چهارم: تعریف نوع حلگر در ماژول Step

به کمک ابزارهای موجود در ماژول Step، یک حلگر از نوع Static, General با زمان 1 ثانیه ایجاد کنید. با توجه به نوع مسئله، گزینه Nlgeom را فعال کرده (Nlgeom در آباکوس چیست؟) و سایر پیش‌فرض‌های نرم‌افزار در زبانه‌های Incrementation و Other را تغییر ندهید.

گام پنجم: اعمال شرایط مرزی و بارگذاری در ماژول Load آباکوس

با توجه به صورت مسئله طراحی چهارپایه به کمک بهینه‌سازی در آباکوس، حداکثر جرمی که احتمال داده می‌شود روی صندلی بنشیند 140 کیلوگرم و سطح مقطع اعمال بار سطح مربعی به ابعاد 40*40 سانتی‌متر بوده است. از این‌رو و به کمک محاسبات مقدماتی فیزیک، میزان فشار وارد بر سطح برابر 10300 پاسکال خواهد بود. لذا مطابق راهنمای تصویری زیر، فشار بدست آمده را به سطح بالایی مکعب اعمال می‌کنیم.

همچنین سطح زیرین مکعب را در راستای 2 مقید سازید (محور y):

گام ششم: مش‌زنی قطعه در آباکوس

با هدف ایجاد شبکه اجزای محدود بر روی قطعه مورد نظر به ماژول Mesh رفته و شبکه اجزا محدودی با اندازه 0.02 واحد بر روی آن ایجاد نمایید. المان در نظر گرفته شده برای این تحلیل، C3D8R بوده است.

گام هفتم: تنظیمات بهینه‌سازی در آباکوس

حال مطابق روند بهینه‌سازی یک مسئله در آباکوس، نیاز داریم تا چند گام ضروری را تعریف نماییم.

• قدم اول: ایجاد Optimization Task در ماژول Optimization آباکوس

مطابق شکل زیر، و به کمک گزینه Optimization Task یک فرایند بهینه‌سازی برای آباکوس تعریف نمایید.

توجه داشته باشید نیازی به تغییر پیش‌فرض‌های تعریف شده در آباکوس نیست.

• قدم دوم: تعریف پاسخ‌های طراحی برای بهینه‌سازی در آباکوس

با کلیک بر روی آیکون نشان داده شده در شکل زیر، پارامترهای انرژی کرنشی و حجم را به‎ عنوان پاسخ‌های طراحی در نظر بگیرید.

• قدم سوم: تعریف تابع هدف جهت بهینه‌سازی در آباکوس

مطابق روند لازم در حل یک مسئله بهینه‌سازی و صورت مسئله ذکر شده در طراحی چهارپایه، ضروری است مینیمم شدن انرژی کرنشی را به‎ عنوان تابع هدف طراحی در نظر بگیریم. لذا با کلیک بر روی آیکون نشان داده شده و انتخاب حالت Minimize Design Response Value به کمینه کردن Strain Energy بپردازید.

• قدم چهارم: تعریف قیود طراحی برای بهینه‌سازی در آباکوس

با توجه به صورت مسئله طراحی بهینه چهارپایه در آباکوس، قطعه نهایی باید حجمی معادل 10 درصد مکعب اولیه را داشته باشد. لذا برای اعمال این قید بر روند بهینه‌سازی در Abaqus، بر روی آیکون Create Constraint کلیک کرده و مطابق راهنمای تصویری زیر، کسر 0.1 را به عنوان قید بهینه‌سازی برای آباکوس در نظر می‎گیریم تا در نهایت تنها 10 درصد حجم مکعب اولیه باقی بماند.

گام آخر: حل مسئله بهینه‌سازی در آباکوس

در آخرین گام از روند حل مسئله بهینه‌سازی در آباکوس به ماژول Job وارد شده و با کلیک بر روی آیکون Create Optimization Process به تعریف فرآیند حل مسئله در آباکوس بپردازید.

تصویر زیر روند حل مسئله بهینه‌سازی در آباکوس را نشان می‌دهد. همانطور که ملاحظه می‌کنید، مقدار تابع هدف و قیود اعمال شده به قطعه در هر اینکرمنت محاسبه شده است.

تصویر زیر، چهارپایه ایجاد شده از مکعب اولیه را پس از فرآیند بهینه‌سازی توسط آباکوس و رسیدن به تابع هدف مورد نظر نشان می‌دهد.

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک