شبیه سازی کشش یک قطعه در نرم افزار آباکوس
در حال حاضر با توسعه روز افزون قابلیت های نرم افزار های محاسبات مهندسی، این نرم افزار ها تقریبا در تمامی کمپانی ها و شرکت هایی که محصولات صنعتی تولید می نمایند، چه پیش از ساخت محصول و چه در فرآیند توسعه آن، به منظور شبیه سازی عملکرد محصول مورد استفاده قرار می گیرند و می توانند کمک بسیار زیادی به مهندسین طراح و سازنده بکنند. این شبیه سازی ها در واحد هایی به نام محاسبات مهندسی و یا مهندسی به کمک کامپیوتر (Computer Aided Engineering یا به اختصار CAE) انجام می شود. شبیه سازی محصول با کاهش تعداد آزمایشات و تست هایی که بر روی نمونه ها انجام می شود، سبب کاهش هزینه تولید و توسعه محصول نهایی می شود. علاوه بر این عموما آزمایشات انجام شده در نرم افزار با سرعت بالاتری نسبت به ساخت قطعه و آزمایش عملی انجام می شود.
مقدمه
تقریبا تمامی دستگاه ها، ادوات، ماشین ها و وسایل اطراف ما دارای برهم کنش های مکانیکی با محیط اطراف خود و حتی بین اجزای درونی خودشان هستند. که مقادیر این برهم کنش ها مشخص نبوده و اگر در فرایند طراحی محصول آن ها در نظر گرفته نشوند می توانند آسیب بسیار زیادی را به محصول نهایی وارد کند.
شبیه سازی پدیده ها و برهم کنش های مکانیکی نظیر انتقال حرارت و چگونگی توزیع دما، میزان تحمل در برابر بار های ضربه ای، سایش، خستگی و پاسخ سازه به تحریک های متناوب که در این محصولات روی می دهد، سبب پیش بینی عملکرد آنها در شرایط مختلف می شود. با داشتن علم کافی روی این مباحث می تواند هزینه ی تولید و بازبینی های مجدد محصول را بسیار کاهش دهد. همچنین در زمان تولید یک محصول نیز کاهش بسیار زیادی ایجاد می شود.
دراین خصوص شرکت Simulia نرم افزاری با نام Abaqus FEA را ارایه می دهد که می تواند در محیط های صنعتی و آکادمیک، افرادی را که می خواهند به کمک تکنیک المان محدود پدیده های متنوع مکانیکی را شبیه سازی کنند، یاری نماید.
Abaqus FEA
نرم افزار Abaqus FEA 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 شده و نشان SIMULIA با هدف دارا بودن تمام نرم افزار ها و محصولات شبیه سازی این شرکت مانند آباکوس و کتیا (CATIA) تاسیس شد.
برای کار با نرم افزار آباکوس باید یک فرایند کلی را تعریف کرد که یک سری از مراحل را به صورت گام به گام و پشت سر هم انجام داده تا به خروجی مورد نظر برسیم.
مدلسازی در آباکوس
نحوه مدلسازی در نرم افزار آباکوس به این صورت است که پس از طراحی مدل سه بعدی در محیط part خواص ماده مورد نظر ( پلی لاکتیک اسید PLA) در محیط Property به آن اختصاص داده می شود. در مرحله بعد با انتخاب حلگر مناسب و ایجاد تنظیمات در محیط Step به سراغ تعریف شرایط مرزی و بارگذاری ها در محیط Load رفته و شرایط و قید های قطعه در واقعیت را به نرم افزار منتقل می کنیم.
در این مرحله فرض کرده که قطعه در محیط واقعی قرار داشته و هر باری که بر آن قطعه اعمال می شود را شبیه سازی می کنیم.
المان محدود
در روش المان محدود به تقسیم بندی قطعه به المان های کوچکتر نیازمندیم که محیط Mesh این وظیفه را انجام می دهد. در این محیط با پارتیشن بندی مناسب قطعه را به شکلی در می آوریم که قابل مش زدن با المان های ترجیحا مکعبی (Brick) باشد.
با تنظیم سایز دانه بندی و انتخاب تنظیمات المان ها، عملیات مش زنی انجام می گیرد. توجه داشته باشید که هر چقدر اندازه المان ها کوچک تر باشد انجام فرایند طولانی تر شده و زمان بیشتری را نیز برای تحلیل نیاز دارد. در انتها در محیط Job شبیه سازی اجرا می شود و اصطلاحا ران گرفته می شود. توجه داشته باشید که نرم افزار آباکوس صفر ویکی نیست بدین معنا که هیچ وقت تحلیل انجام شده را رد یا قبول نمی کند وبسته به پارامتر های تعریف شده در هر یک از قسمت ها نتایج مورد نظر را مشخص می کند.
در اثر عوامل قطعات ساخته شده با پرینتر سه بعدی در معرض نیرو هایی محوری (عمودی) قرار می گیرند در این قسمت سعی شده است که همان قطعه ی ساخته شده در فصل سوم را با تعزیف پارامتر های صحیح و نزدیک به واقعیت در نرم افزار آباکوس طراحی کرده وشبیه سازی کرده تا تفاوت خواص قطعه ی ساخته شده با پرینتر سه بعدی و قطعه ی ساخته شده با تزریق پلاستیک مقایسه کرد. جزئیات شبیه سازی کشش در نرم افزار آباکوس و تنظیمات محیط های مختلف در ادامه آمده است.
مدل از نوع سه بعدی و سالید (Solid) ایجاد می شود زیرا تنش های سه بعدی در قطعه وجود دارند و با توجه به ضخامت نسبتا بالا، نمی توان 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.
همانطور که گفته شد، تمامی مدلسازی ها روی جنس از پیش تعیین شده انجام شده است. جهت انجام شبیه سازی کامل (تا مرحله ی شکست) نیاز به خواص مکانیکی نظیر مدول یانگ، ضریب پواسون و همچنین داده های تنش کرنش در ناحیه ی پلاستیک می باشد. خواص پلاستیک پلی لاکتیک اسید از نتایج تست کشش که در آزمایشگاه روی نمونه ی استاندارد انجام گرفته است استخراج شده است.
| مشخصات | مقدار | واحد |
| چگالی | 7800 | kg/m3 |
| مدول یانگ | 210 | GPA |
| 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. د
Static
رحوزه استاتیک شتاب صفر در نظر گرفته می شود. همواره در مسائل استاتیکی از دو معادله ی برآیند نیرو و گشتاور برابر با صفر () استفاده می‌شود. در یک مسئله استاتیکی شتاب برابر صفر فرض می‌شود. در نتیجه حاصل ضرب جرم و شتاب برابر صفر خواهد شد، لذا می‌توان از جرم صرف نظر کرد. تحلیل‌های حوزه سازه و خرپاها مثال‌های آشنایی در این رابطه هستند.
Quasi-Static
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.
Dynamic
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 مساله ی مورد بررسی، نوع بارگذاری ها (کشش، خمش و فشار) از نوع شبه استاتیک اند زیرا طول زمان اعمال بار نسبتا زیاد بوده و جنبه های دینامیکی ظاهر نمی شوند. 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 شکل های 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 تحلیل هایی که جسم در محدوده ی الاستیک باقی می ماند، مقدار 0.05 قابل قبول است ولی در هنگام وجود تغییر شکل پلاستیک مقدار نمو زمانی 0.01 مناسب می باشد. در حلگر Static,General مدت زمان کلی (Time Period) نشان دهنده ی مفهوم زمان نمی باشد و تنها تعداد مراحل را تعیین می کند.
شبیه سازی کشش – در بخش شرایط مرزی باید به گونه ای قید ها اعمال شود. تا مدلسازی مشابه شرایط واقعی شود.
تحلیل های آباکوس را می توان 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، نمودار های مربوط به تنش-کرنش و نیرو-جابجایی را استخراج می کنیم. در تحلیل کشش فرض می شود قسمت پایین ثابت است و جابجایی در راستای محور از سطح بالایی اعمال می شود. مطابق شکل (3-2) 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.
شبیه سازی کشش – به خاطر هندسه ی متقارن شکل و داشتن پارتیشن بندی مناسب روی قطعه با المان های آجری که بهترین نوع المان ها هستند عملیات مش ریزی انجام می شود. سایز المان ها در تحلیل کشش برابر با 2.5 میلیمتر در نظر گرفته می شوند. که در مجموع تعداد 2175 عدد المان در مدل ایجاد می شود. به طوری که در جدول (3-5) و جدول (3-6) مشاهده می شود شکل هندسی تمامی المان ها تا حد زیادی به مکعب نزدیک است.
| 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 |
| مشخصات المان | توضیحات | |
| تکنیک | Structured | المان های 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 تنش های 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 |
