آَشنایی با آباکوس

آَشنایی با آباکوس

نرم افزارآباکوس Abaqus FEA (که در گذشته ABAQUS نام داشت)، یک نرم افزار تجاری برای تحلیل المان محدود و مهندسی به کمک کامپیوتر (Computer Aeided Engineering) است که در ابتدا در سال ۱۹۷۸ به منظور حل یک مساله المان محدود، به زبان فرترن در ۱۵۰۰۰ خط نوشته شد. در سال ۲۰۰۵ آباکوس توسط شرکت Dassault Systemes خریداری گردید و نشان SIMULIA با هدف دارا بودن تمام نرم افزار‌ها‌ و محصولات شبیه سازی این شرکت مانند آباکوس و کتیا (CATIA) تاسیس شد.

نحوه مدلسازی در نرم افزار آباکوس به این صورت است که پس از ایجاد شکل سه بعدی در محیط part خواص ماده مورد نظر ( فولاد، آلومینیوم، برنج و چدن) در محیط Property به آن اختصاص داده می­شود. سپس حلگر مناسب انتخاب شده و پس از ایجاد تنظیمات در محیط Step شرایط مرزی و بارگذاری‌ها‌ در محیط Load ایجاد می شود و شرایط و قید‌ها‌ی قطعه در واقعیت به نرم افزار منتقل می‌شود. در روش المان محدود به تقسیم بندی قطعه به المان‌ها‌ی کوچکتر نیاز است که محیط Mesh این وظیفه را انجام می‌دهد. در این محیط با پارتیشن بندی مناسب قطعه را به شکلی در می‌آید که قابل مش زدن با المان‌ها‌ی ترجیحا مکعبی (Brick) باشد. با تنظیم سایز دانه بندی و انتخاب تنظیمات المان‌ها‌، عملیات مش زنی انجام می‌گیرد. در انتها در محیط Job شبیه سازی اجرا می‌شود و اصطلاحا ران گرفته می‌شود.

• 
  

  شبیه سازی کشش

در اثر عوامل مختلف علمک گاز و رایزر در معرض نیرو‌ها‌یی محوری (عمودی)  قرار می‌گیرند که از جمله می‌توان اشاره کرد به : سقوط مصالح ساختمانی در اثر فروریختن ساختمان در هنگام زلزله و  عامل انسانی. جهت محاسبه ی نیروی محوری قابل تحمل توسط نیپل، تحلیل کشش انجام گرفته است. جزئیات شبیه سازی کشش در نرم افزار آباکوس و تنظیمات محیط‌ها‌ی مختلف در ادامه آمده است.

مدل از نوع سه بعدی و سالید (Solid) ایجاد می‌شود زیرا تنش‌ها‌ی سه بعدی در قطعه وجود دارند و با توجه به ضخامت نسبتا بالا، نمی‌توان آن را به صورت پوسته ای (Shell) مدل کرد. البته به دلیل تقارن محوری موجود در مساله امکان ایجاد قطعه به صورت Axisymmetric وجود دارد که ترجیح داده شده است، از مدلساری به صورت سه بعدی (3D) و شکل دهی دورانی (Revolution) استفاده شود.

همانطور که گفته شد، تمامی مدلسازی‌ها‌ روی چهار جنس از پیش تعیین شده انجام شده است تا بین آنها مقایسه ای صورت گیرد. جهت انجام شبیه سازی کامل (تا مرحله ی شکست) نیاز به خواص مکانیکی نظیر مدول یانگ، ضریب پواسون و همچنین داده‌ها‌ی تنش کرنش در ناحیه ی پلاستیک می‌باشد. خواص مکانیکی فولاد از نتایج تست کشش که در آزمایشگاه روی نمونه ی استاندارد انجام گرفته است استخراج شده است. خواص سایر مواد از مراجع معتبر و مقالات برداشته شده است. در ‏جدول (3-1) تا ‏جدول (3-4) خواص هر کدام از مواد آمده است.

• 
  

  فولاد

مشخصات	مقدار	واحد
چگالی	7800
مدول یانگ	210
ضریب پواسون	0.3

• آلومینیوم ‎[18]

مشخصات	مقدار	واحد
چگالی	2700
مدول یانگ	68.9
ضریب پواسون	0.33

• برنچ ‎[20]

مشخصات	مقدار	واحد
چگالی	8470
مدول یانگ	117
ضریب پواسون	0.34

• چدن ‎[19]

مشخصات	مقدار	واحد
چگالی	7100
مدول یانگ	124
ضریب پواسون	0.3

به ‌طور کلی مسائل و بارگذاری‌های فیزیکی در یکی از سه دسته استاتیکی (Static)، شبه‌استاتیکی    (Quasi-Static)  و دینامیکی (Dynamic) قرار می‌گیرند.

استاتیکی

درحوزه استاتیک شتاب جایگاهی ندارد و برابر صفر در نظر گرفته می‌شود. همواره در مسائل استاتیکی از دو معادله ی برآیند نیرو و گشتاور برابر با صفر () استفاده می‌کردیم. در یک مسئله استاتیکی شتاب برابر صفر فرض می‌شود، در نتیجه حاصل ضرب جرم و شتاب برابر صفر خواهد شد ، لذا می‌توان از جرم صرفنظر کرد. تحلیل‌های حوزه سازه و خرپاها مثال‌های آشنایی در این رابطه هستند.

شبه‌استاتیکی

 بارگذاری یا فرآیند شبه‌استاتیک بدین معناست که در یک لحظه خاص از زمان، می‌توان مسئله را استاتیک فرض کرد. در واقع حالت مسئله در این لحظه بسیار به حالت قبلی نزدیک است. این فرض زمانی که تأثیرات اینرسی بسیار کم باشند به‌خوبی عمل خواهد کرد. واژه شبه‌استاتیک معمولاً برای مسائل غیرخطی بکار برده می‌شود که با این فرض، دستگاه معادلات غیرخطی در یک گام زمانی کوچک با یک مجموعه خطی جایگزین می‌شود. مسائل حوزه تغییر شکل فلزات (با سرعت‌های پایین) و بارگذاری‌های سیکلی با سرعت نه‌چندان بالا از جمله مواردی هستند که می‌توانند در حوزه شبه استاتیک جای گیرند.

دینامیکی

دسته سوم از مسائل، در حیطه دینامیک قرار می‌گیرند. مسائلی که در آن جرم نقش اساسی ایفا می‌کند و حاصلضرب جرم و شتاب عددی غیر صفر خواهد بود. تغییر شکل‌های بزرگ و سریع و مسائل حوزه برخورد و انفجار از بارزترین نمونه‌های این شاخه به‌شمار می‌آیند.

 در رابطه با مساله­ی مورد بررسی، نوع بارگذاری‌ها‌ (کشش، خمش و فشار) از نوع شبه استاتیک اند زیرا طول زمان اعمال بار نسبتا زیاد بوده و جنبه‌ها‌ی دینامیکی ظاهر نمی‌شوند. در این تحلیل از حلگر استاندارد static,General و مدت زمان کلی 1 و با نمو زمانی حداکثر 0.01 استفاده شده است ( حداقل مجموعا 100 مرحله). همچنین به علت وجود تغییر شکل‌ها‌ی پلاستیک حالت غیرخطی (Nlgeom) به منظور افزایش دقت آنالیز فعال سازی شده است. انتخاب طول نمو زمانی به شرایط مساله بستگی دارد؛ به طور مثال برای تحلیل‌ها‌یی که جسم در محدوده ی الاستیک باقی می‌ماند، مقدار 0.05 قابل قبول است ولی در هنگام وجود تغییر شکل پلاستیک مقدار نمو زمانی 0.01 مناسب می‌باشد.  در حلگر Static,General مدت زمان کلی (Time Period) نشان دهنده ی مفهوم زمان نمی‌باشد و تنها تعداد مراحل را تعیین می‌کند.

در بخش شریط مرزی باید به گونه ای قید‌ها‌ اعمال شود تا مدلسازی مشابه شرایط واقعی شود. نیپل از دو سمت دارای اتصال به سیستم لوله کشی می‌باشد؛ از بالا به شکل پیچی دارای نری است و داخل بدنه علمک محکم می‌شود و از سمت پایین توسط مهره ی استاندارد به لوله ی رایزر بسته می‌شود. با وارد شدن نیرو‌ها‌یی در راستای محور لوله رایز و نیپل، کشش ایجاد شده و قسمت بالایی نسبت به قسمت پایین نیپل دارای جابجایی نسبی می‌شود.

تحلیل آباکوس

تحلیل‌ها‌ی آباکوس را می‌توان به دو نحو جابجایی-کنترل یا نیرو-کنترل انجام داد که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. در این مدلسازی با ایجاد جابجایی به مقداری که قطعه به مرحله ی شکست برسد، نمودار‌ها‌ی مربوط به تنش-کرنش و نیرو-جابجایی را استخراج می­شود. در تحلیل کشش فرض می‌شود قسمت پایین ثابت است و جابجایی در راستای محور از سطح بالایی اعمال می‌شود. مطابق ‏شکل (3-1) سطح پایین دارای شرط مرزی گیردار (Pinned) شده و سطح بالایی قید جابجایی (Displacement/Rotation) در راستای محور Y به مقدار تعیین شده (با توجه به استحکام برای هر جنس متفاوت است) را گرفته است.

به خاطر هندسه ی متقارن شکل و داشتن پارتیشن بندی مناسب روی قطعه (در نواحی تغییر قطر) با المان‌ها‌ی آجری که بهترین نوع المان‌ها‌ هستند عملیات مش ریزی انجام می‌شود. سایز المان‌ها‌ در تحلیل کشش برابر با 2.5 میلیمتر در نظر گرفته می‌شوند که در مجموع تعداد 2175 عدد المان در مدل تقارنی تشکیل می‌شوند.

• مشخصات مش

مشخصات مش	مقدار
میانگین زاویه بین صفحات المان	90 درجه
حداقل زاویه بین صفحات المان	45 درجه
حداکثر زاویه بین صفحات المان	135 درجه
میانگین نسبت طول اضلاع (aspect ratio)	1.9
حداکثر نسبت طول اضلاع (aspect ratio)	2.6

• نوع المان

مشخصات المان		توضیحات
تکنیک	Structured	المان‌ها‌ی آجری
شکل المان	Hex	شش وجهی
کتابخانه المان	Standard	به خاطر استفاده از حلگر آباکوس استاندارد
مرتبه هندسی المان	Linear	المان خطی سازی شده
خانوداه المان	3D stress	وجود تنش‌ها‌ی سه بعدی در قطعه
فرمولاسیون المان	Reduced Integration ,Hex	المان شش وجهی با انتگرال گیری کاهش یافته
کد المان	C3D8R	المان آجری 8 نقطه ای، انتگرال کاهش یافته