معرفی نرم‌افزار آباکوس – ABAQUS

معرفی نرم‌افزار ABAQUS

نرم‌افزار ABAQUS (آباکوس) از قدرتمندترین نرم‌افزارهایی است که حل مسائل در آن‌ها به روش اجزای محدود انجام می‌گیرد. آباکوس با دسترسی آسان به منوها، کتابخانه‌ای غنی از انواع المان‌ها و فضای کاربرپسند، از جذاب‌ترین نرم‌افزارهای مهندسی حال‌حاضر است.

این نرم افزار با دارا بودن مجموعه وسیعی از المان‌ها قابلیت مدلسازی هرهندسه‌ای را به کاربر می‌دهد. از آباکوس می‌توان در حل مسائل مختلفی در حوزه‌های هوافضا، مکانیک، عمران و متالوژی استفاده کرد؛ هم‌چنین استفاده از این نرم افزار فقط به مسائل مکانیک جامدات محدود نمی‌شود و در تحلیل مسائل انتقال حرارت، انتقال جرم، اکوستیک و… نیز کاربرد دارد.
ازآن‌جاکه آباکوس در ابتدا برای تحلیل مدل‌های پیچیده‌ی غیرخطی طراحی شده، تحلیل‌های خطی مسائل ساده‌ای برای این نرم‌افزار محسوب می‌شوند. کدنویسی آباکوس به زبان برنامه‌نویسی منبع‌باز پایتون (Python) است و امکان اسکریپت‌نویسی به این زبان در محیط برنامه وجود دارد. ساب‌روتین‌نویسی به زبان برنامه‌نویسی فورترن (Fortran) نیز در فضای آباکوس امکان‌پذیر است. با استفاده از این امکان می‌توان مدل‌های رفتاری جدید، بارگذاری‌های خاص و مواردی این‌چنینی را به آباکوس اضافه کرد.

اولین نسخه‌ی ABAQUS

نام نرم‌افزار ABAQUS از لغت Abacus به معنای چرتکه و Abax (در زبان یونانی) به معنی تخته پوشیده شده با ماسه الهام گرفته شده که بی ارتباط با کاربرد آن نیست. ایده‌ی اولیه‌ی تولید نرم‌افزار آباکوس در سال ۱۹۷۲ و ضمن تز دکترای David Hibitt در دانشگاه براون شکل گرفت. David Hibitt و دو نفر از شرکایش، شرکت HKS را در سال ۱۹۷۸ تأسیس و نخستین ویرایش آباکوس را ارائه کردند. این ویرایش به‌منظور حل یک مسئله‌ی اجزای محدود در ۱۵۰۰۰ خط به زبان فورترن (Fortran) نوشته شده‌بود. این نرم‌افزار به‌تدریج ارتقا پیدا کرد و در سال ۱۹۹۱ به همراه حلگر ABAQUS/Explicit روانه‌ی بازار شد. نهایتاً کمپانی HKS نخستین نسخه‌ی گرافیکی و تحت ویندوز آباکوس را با عنوان ABAQUS 6.3 در سال ۱۹۹۹ منتشر کرد. این نسخه شامل ۹ ماژول گوناگون برای مدل‌سازی، تحلیل و دریافت خروجی‌های حاصل از حل مسئله بوده‌است. مالکیت آباکوس از سال ۲۰۰۸ توسط کمپانی فرانسوی Dassault Systems، از پیشتازان عرصه‌ی تولید نرم‌افزارهای شبیه‌سازی سه‌بعدی، خریداری شد. پس از این خرید، نام ABAQUS Inc که پیش‌تر با نام HKS Inc شناخته می‌شد؛ به Simulia (سیمولیا) تغییر یافت. این کمپانی در شاخه‌ی  تحلیل، ABAQUS و در شاخه‌ی طراحی و ساخت، نرم‌افزارهای CATIA و SolidWorks را روانه‌ی ارائه داده‌است.

ABAQUS چه ویژگی‌هایی دارد

با استفاده از آباکوس می‌توان اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یک مدل را ساخت، مدل رفتاری هر جزء را به آن اختصاص داد و دوباره این اجزا را برای تحلیل مدل مونتاژ کرد. حل مسائل استاتیکی و دینامیکی با تغییرشکل‌های بزرگ در فضای دو و سه‌بعدی از توانایی‌های آباکوس است. در بر داشتن مجموعه‌ی کاملی از المان‌ها و مدل‌های رفتاری مصالح، ازجمله برتری‌های آباکوس نسبت به دیگر نرم‌افزارهای مهندسی است. از دیگر قابلیت‌های این نرم‌افزار می‌توان به تخمین میزان تخریب المان‌های یک سازه و بهینه‌سازی طراحی المان‌ها اشاره کرد.

با ABAQUS چه می‌توان کرد

استفاده از آباکوس تنها محدود به حل مسائل تنش ـ کرنش نیست. کاربر با استفاده از این نرم‌افزار قادر به حل مسائل انتقال جرم و حرارت و تحلیل‌های حرارتی المان‌های الکتریکی خواهدبود. آباکوس در صنایعی هم‌چون خودروسازی و ماشین‌سازی، صنایع دفاعی، صنعت پلاستیک، ساخت کالاهای الکترونیکی، صنعتی و تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

روش اجزاء محدود چیست؟

روش اجزاء محدود(المان محدود) یا همان FEM یک روش عددی برای حل معادلات دیفرانسیل است. این روش با حذف معادلات دیفرانسیل و یا تبدیل آن‌ها به معادلات دیفرانسیل معمولی به ساده سازی مسائل پیچیده می‌پردازد.
روش المان محدود حاصل کار دو دانشمند به نام‌های الکساندرهرنیکوف و ریچارد کورانت است.
علاوه بر آباکوس نرم‌افزارهای دیگری مانند ANSYS,NASTARAN ,COMSOL ,MAXWELL ,PLAXIS ,DIANA و FEMM نیز از روش المان محدود برای تجزیه و تحلیل مسائل استفاده می‌کنند.

چرا نرم افزار ABAQUS ؟

با پیشرفت روز‌افزون علوم مهندسی استفاده از نرم افزار‌های شبیه سازی نیز توسعه یافت. با استفاده از این نرم افزار‌ها جامعه مهندسان می‌توانند تمامی ایده‌های خود را قبل از ساخت پیاده‌سازی نموده و نمونه‌های مختلف از نظر کارایی با یکدیگر مقایسه و اعتبار‌سنجی نمایند.
همان طور که اشاره شد ABAQUS یکی از قوی‌ترین نرم افزار‌ها در زمینه تحلیل به روش اجزاء محدود (FEM) است. برای حل مسائل به روش اجزاء محدود سه بخش پیش‌پردازش، پردازش و پس‌پردازش باید انجام شوند؛ یکی از نقاط قوت آباکوس فراهم کردن محیطی ساده و کاربر‌پسند برای انجام هر سه بخش (پیش‌پردازش، پردازش و پس‌پردازش) است.
یکی دیگر از مزایای آباکوس توانایی کدنویسی به زبان پایتون است؛ در واقع کاربر می‌تواند بخش های موردنظرش را به وسیله زبان پایتون به آباکوس بیافزاید.علاوه بر ویژگی های فوق اباکوس قابلیت سابروتین‌نویسی به زبان Fortran را نیز برای کاربر فراهم کرده‌است؛ این ویژگی سبب شده است که هر مدلی را چه در حوزه آکادمیک چه در حوزه صنعتی بتوان در اباکوس پیاده سازی کرد.

ساختار ABAQUS

ساختار آباکوس متشکل از ۵ هسته‌ی نرم‌افزاری است که در ادامه شرح مختصری از آن‌ها ارائه شده‌است.

• ABAQUS/CAE:

  CAE یا همان Complete ABAQUS Environment مرحله پیش پردازش است. این مرحله می‌تواند در آباکوس یا سایر نرم افزار‌ها انجام شود؛ در آباکوس از طریق ماژول SKETCH مدل مسئله را بر اساس فیزیک آن ایجاد می کنیم؛ اگر روش دوم انتخاب شود و استفاده از سایر نرم افزار‌ها برای مرحله پیش پردازش ترجیح داده شود می توان از نرم افزار های CAD استفاده نمود. نرم افزار‌های CAD یک محصول را طراحی کرده و مرحله طراحی را مستند سازی می کنند.از برنامه های CAD می توان برای رسم نمودار‌های دو و سه بعدی استفاده کرد.بعد از ساخت مدل در CAD، مدل باید در آباکوس وارد شود.
  در پیش‌پردازش مراحل زیر انجام می‌شوند
  ۱.ایجاد مدل هندسی
  ۲.مش‌بندی
  ۳.تعریف نوع تحلیل
  ۴.تعریف خواص هندسی و موادالمان ها
  ۵.بارگذاری
  ۶.اعمال شرایط مرزی

  CAE فضایی شامل ۱۱ ماژول برای مدل‌سازی و نمایش نتایج تحلیل است. به بیان دیگر این فضا رابط گرافیکی آباکوس است و امکان مدل‌سازی ویژوآل را برای کاربر فراهم می‌کند.

• ABAQUS/Standard:
  همان مرحله پردازش است.در این مرحله آباکوس مسئله تعریف شده در مدل را به روش عددی حل می‌کند. بستگی به پیچیدگی مسئله و قدرت پردازش سیستم مورد استفاده این مرحله ممکن است از چند ثانیه تا چندین روزطول بکشد.این حلگر برای تحلیل خطی و غیرخطی مدل‌های ساخته شده از روش انتگرال‌گیری ضمنی استفاده می‌کند.این حلگر برای تحلیل خطی و غیرخطی مدل‌های ساخته شده از روش انتگرال‌گیری ضمنی استفاده می‌کند.
  با استفاده از این حلگر می‌توان تحلیل‌های استاتیکی، شبه‌استاتیکی، دینامیکی و مودال را به‌راحتی انجام داد.
• ABAQUS/Explicit:
  همان مرحله پردازش است. این حلگر به روش انتگرال‌گیری صریح به حل مسائل با درجه‌‌ی غیرخطی بالا می‌پردازد.
  مسائلی با بارگذاری‌های گذرا و شرایط تماسی متغیر، با استفاده از این حلگر با دقت بالایی قابل‌حل هستند.
• ABAQUS/CFD:
  در فضای CFD که مخفف عبارت Computational Fluid Dynamic است،
  امکان تحلیل مسائل محاسباتی حوزه‌ی مکانیک سیالات وجود دارد.
• ABAQUS/Electromagnetic:
  در تحلیل مسائل الکترومغناطیس می‌توان از این حلگر استفاده کرد.

مرحله پس پردازش(ABAQUS/viewer)

ارزیابی نتایج بعد از پردازش مسئله در این مرحله انجام می‌شود.مدول بصری داده‌های باینری خروجی را خوانده و ان‌ها را به صورت کانتور‌های رنگی، نمودارها و انیمیشن‌ها نمایش می‌دهد.

ماژول‌های ABAQUS

در فضای آباکوس ۱۱ ماژول مختلف وجود دارد که هریک از آن‌ها، تنظیمات منحصربه‌فردی دارند. با استفاده از این ماژول‌ها کاربر می‌تواند مدل خود را اصلاح یا آن را تکمیل کند. در ادامه شرح مختصری از کارکرد این ماژول‌ها آمده‌است.

• ماژول Part:
  در این ماژول کاربر می‌تواند هندسه‌ی المان‌هایی را طراحی کند که می‌خواهد در آینده به تحلیل آن‌ها بپردازد.
  ابزارهای طراحی در این قسمت به دقت و توانمندی ابزارهای همانند در نرم‌افزارهای CATIA یا SolidWorks نیستند.
  با فراخوانی المان‌های طراحی شده در این نرم‌افزارها به آباکوس، می‌توان از قابلیت آن‌ها در طراحی المان‌ها بهره برد.

• ماژول Property:
  پس از تعریف مدل هندسی قطعه، باید جنس، خواص مکانیکی و سطح مقطع مناسب برای قطعه موردنظر تعریف شود؛ کخ ماژول property برای این اهداف تعریف شده است.
• ماژول Assembly:
  اگر هندسه موردنظر، ازچندین بخش و قطعه تشکیل شده باشد، ابتدا باید هرکدام ازاین بخش‌ها به صورت جداگانه در ماژول part ترسیم شوند، سپس به کمک ماژول Assembly می‌توان این قطعات را در کناریکدیگر قرار داد وهندسه موردنظر را ساخت. از جمله امکانات دیگر این ماژول قابلیت جابجایی،دوران و تکرار قطعات موردنظراست.
• ماژول Step:
  بعد از تعیین هندسه، جنس وخواص فیزیکی قطعه؛ نوبت به انتخاب نوع تحلیل مناسب می‌رسد.به عبارت دیگرخطی یا غیرخطی بودن تحلیل‌هایی که باید بر روی مجموعه‌ی مونتاژ شده صورت گیرد، در این ماژول تعیین می‌شود.
  کاربر در این ماژول برخی شرایط اولیه‌ی مدل و نوع خروجی‌های حاصل از تحلیل آن را نیز مشخص می‌کند.
• ماژول Interaction:
  اگر هندسه مسئله شامل تماس بین چند قطعه وبه دنبال آن بر‌‌هم‌کنش بین اجزاء باشد؛ برای نشان دادن این بر‌هم‌کنش‌ها به نرم‌افزار اباکوس باید از ماژول Interaction استفاده کنیم. همان‌طورکه از نام این ماژول هم پیداست، اندرکنش‌های موجود بین المان‌ها در این مرحله تعریف می‌شود.اعمال برخی قیود هندسی هم در این ماژول صورت می‌گیرد.

• ماژول Load:
  در این ماژول کاربر شرایط مرزی، نوع و نحوه‌ی اعمال بارگذاری‌ها و شرایط اولیه‌ی تحلیل را برای مدل تعریف می‌کند.
• ماژول Mesh:
  یکی از مراحل اصلی در روش تحلیلی اجزاء محدود مش‌زنی هندسه مسئله است. در مرحله مش‌زنی، باتوجه به شکل قطعه، هندسه پیوسته مسئله به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم شده وبه صورت گسسته تقسیم‌بندی می‌شود. با استفاده از تکنیک‌های مش‌زنی آباکوس در این ماژول، کاربر قادر به مش‌بندی دقیق و با کیفیت مدل خواهدبود.
• ماژول Optimization:
  در این ماژول با تعریف یک فرآیند بهینه‌سازی، اصلاح مدل اولیه و تکرار تحلیل، مدل جدیدی حاصل می‌شود.
  درنهایت با توجه به تنظیمات بهینه‌سازی ارائه شده توسط کاربر، عملکرد مدل جدید بهینه خواهدشد.
• ماژول Job:
  در این ماژول با تعریف یک Job و اعمال تنظیمات دلخواه، فرآیند تحلیل مدل آغاز می‌شود.. دنبال کردن روند حل مسئله ومشاهده خطاهای درحین حل نرم‌افزار از دیگر امکانات این ماژول است.هم‌چنین کاربر تصمیم می‌گیرد چند هسته‌ی CPU و چه مقدار از RAM سیستم خود را در اختیار آباکوس قرار دهد.
• ماژول Visualization:
  در این ماژول کاربر می‌تواند نتایج تحلیل‌های انجام شده را از ابتدای تحلیل و در زمان‌های دلخواه مشاهده کند.
  استخراج خروجی‌ها در قالب فایل‌های متنی، عکس، فیلم و نمودار ازجمله امکانات این ماژول است.
• ماژول Sketch:
  در این ماژول امکان رسم مقاطع مختلف از المان‌ها و مدل مونتاژی برای کاربر فراهم است.

برای نصب ABAQUS به چه سیستمی نیاز دارید

نرم افزار DS SIMULIA ABAQUS CAE 2020 آخرین نسخه‌ی در دسترس آباکوس است. این نرم‌افزار تنها قابلیت نصب بر سیستم‌عامل‌های ۶۴ بیتی را دارد. برای نصب این نسخه از آباکوس ویندوزهای ۸ و ۱۰ پیشنهاد می‌شوند.
سیستم مورد نیاز برای نصب این نسخه
Windows 7/8/8.1/10 64-bit, Linux 64-bit ( SuSE Linux Enterprise 11, Red Hat Enterprise Linux 5.5 and above, Red Hat Enterprise Linux 6)

بهترین ورژن ABAQUS ؟

کمپانی داسو سیستم اولین بار در نسخه 6.12 امکان تحلیل در حوزه الکترومغناطیس را به آباکوس افزود. امکان نصب لایسنس به صورت مجزا نیز از دیگر امکانات این نسخه است.
نسخه 6.14 بهبود یافته نسخه پرطرفدار 6.12 است. سهولت در لینک شدن با فرترن، قابلیت فراخوانی چند مدل مش‌زده، امکان تحلیل در سه حوزه الکترومغناطیس، سازه و CFD و سرعت حل بالا ازجمله امکانات این ورژن اباکوس است.
با نصب نسخه 2016 نرم افزار اباکوس مجموعه کاملی از نرم‌افزارهای تحلیلی در اختیارکاربران قرار گرفت اما سرعت پایین در چک کردن اولیه فایل قبل از حل از نقاط ضعف این نسخه است.
از نسخه 2018 به بعد، امکان تحلیل CFD از آباکوس حذف شد؛ هرچند آباکوس انتخاب اول کاربران برای تحلیل مسائل CFD نبود اما این موضوع کاربرانی را که از آباکوس برای تحلیل مسائل CFD خود استفاده می‌کردند غافلگیرکرد.
جدیدترین نسخه این نرم‌افزار، ورژن 2020 آن است. تغییرات اساسی این ورژن عبارتند از قابلیت فراخوانی مستقیم قطعات طراحی شده در نرم‌افزار solidworks، توانایی ارزشیابی داده های تست ماده برای مواد هایپرفوم، استفاده از دستگاه مختصات محلی برای نمایش پارامترهای اندازه‌گیری شده به کمک ابزارQuery، شماره‌گذاری مجدد نودها والمان‌های یک part، به وسیله انتخاب قطعات وابسته بهم و…

ABAQUS یا ANSYS؟

یکی از اصلی ترین شباهت های این دو نرم‌افزار استفاده از روش اجزاء محدود برای حل مسائل است. اولین فاکتوری که در حین استفاده از یک نرم‌افزار برای کاربر مهم است و تاثیر زیادی در میزان رضایت کاربر دارد، رابط کاربری و سهولت استفاده از برنامه است؛ اگر محیط نرم افزار به طرز مناسبی طراحی نشده باشد وکاربر را گیج کند، میزان رضایت کاربران از نرم‌افزار به میزان قابل توجهی کاهش یافته و فرد ترجیح می‌دهد که به سراغ نرم‌افزاری دیگر برود.کاربر در هنگام کار با ABAQUS در مقایسه با ANSYS کمتر سردرگم شده و با پیچیدگی های کمتری مواجه می‌شود.
در تحلیل مسائل حوزه‌های مختلف هرکدام از این دو نرم‌افزار برتری‌های خاص خود را دارند؛ اگر در حیطه مسائل مکانیک شکست وتحلیل ترک فعالیت کنیم ABAQUS قوی‌تر عمل می‌کند اما درحوزه مسائل مواد هوشمند ANSYS بهتراست. به طور کلی ABAQUS در تحلیل‌های غیر‌خطی و مسائل وابسته به زمان بهتر عمل می‌کند اما برای تحلیل مسائل استاتیکی باید به سراغ ANSYS رفت.