نرمافزار آباکوس
1- آباکوس چه تفاوتي با ساير نرم افزارهاي المان محدود دارد؟ آيا براي پروژه من مناسب است؟
براي پاسخ به اين سوال، بايستي نرمافزارهاي موجود براي روش حل المان محدود را از جنبههاي مختلف مورد ارزيابي و مقايسه قرار داد. حتي ممکن است براي يک مسئله يا بخشي از مسايل يا در زمينه اي خاص، يکي از اين نرمافزارها مناسبتر باشد. به عنوان نمونه، نرم افزار LS Dyna مخصوص تحليلهاي ديناميکي ساخته شده و قطعاً در اين زمينه امکانات و قابليتهاي بيشتري را ارائه ميدهد.
به صورت اجمالي ميتوان گفت که آباکوس، نرمافزاري چند کاربردي (قابل استفاده در مسائل مختلف مهندسي)، با محيطي ساده و کاربر پسند و حلگري بسيار قوي و مستحکم است که با داشتن کتابخانههاي متنوع، ميتواند بسياري از مسايل مهندسي را با دقت خوبي حل نمايد. شايد يکي از دلايل اصلي اقبال به اين نرم افزار، بحث يادگيري سادهتر آن به دليل عدم پيچيدگي ساختار وارد نمودن داده ها نيز باشد. به نظر بسياري از اساتيد و صنعتگران آباکوس بهترين گزينه ميباشد؛ هر چند که در خارج از کشور به علت گران بودن، شايد بهتر بودن آن کمتر احساس شود.
2- آيا ميتوان از نتايج بدست آمده از حل آباکوس مطمئن بود؟ چگونه مطمئن شوم نتايجي که بدست آورده ام، صحيح هستند؟
گاهي ممکن است اين تصور براي افراد پيش آيد که صرف مدلسازي در نرم افزار المان محدودي مثل آباکوس تمام کاري است که بايد انجام داد و اگر حل مسئله با موفقيت اتمام يافت، جواب مسئله مشخص شده است. متأسفانه در روش المان محدود (و کلاً در ذات همه روشهاي عددي) اين اشکال وجود دارد که ممکن است در طي فرايند حل، از جواب صحيح انحراف يافته و حتي ما را به نتايجي کاملاً اشتباه برسانند. شايد افراد بسياري خود معتقد باشند که اصول کار با نرمافزار آباکوس را کاملاً ميدانند؛ ولي اگر نکات لازم براي ارزيابي نتايج حل بدست آمده را به درستي ندانند، حل آنها از دقت کافي برخوردار نيست.
در واقع، براي بررسي کارايي يک شبيهسازي در نرم افزار آباکوس و اطمينان از صحت نتايج آن، دو محک مهم اعتبار سنجي(Validation) و صحت سنجي (Verification) بايد در مورد نتايج حل صورت پذيرد.
منظور از اعتبارسنجي، اطمينان يافتن از خود روش پياده سازي روش المان محدود (صرفنظر از دقت جوابهاي بدست آمده) و در واقع تأييد همگرايي جواب#ها است. براي بررسي اعتبار حل اجزاي محدود، تعداد المان هاي مسئله را در چند مرحله زيادتر کرده (ابعاد المان ها را نصف مي کنيم) و توزيع متغيري را که هدف ما از حل المان محدود آن متغير است، مورد توجه قرار مي دهيم. به عنوان يک قاعده سرانگشتي، نتايج نبايد با ريز کردن المان ها بيش از 10 درصد اختلاف پيدا کنند. براي توضيحات کامل در مورد بحث اعتبارسنجي، مقاله «انتخاب اندازه مناسب المان» را نيز ببينيد.
در بحث صحت سنجي، دقت و صحت نتايج به دست آمده مورد توجه قرار مي گيرد. براي اين منظور، مي توان از دو روش استفاده نمود:
1- نتايج روش اجزاي محدود براي ارزيابي با آزمايش عملي مقايسه گردد. که در اين روش نياز به انجام آزمايشهايي شبيه به تحليل صورت گرفته، وجود دارد. پس از آنکه يکي از حلهاي المان محدود با آزمايش مورد صحت سنجي قرار گرفت، براي حالتهاي ديگر و تغيير پارامترهاي مسئله، مي توان به نتايج حل المان محدود اعتماد نمود.
قسمتهاي Abaqus Verification Manual و Abaqus Benchmarks Manual در راهنماي نرمافزار، مثالهاي فراواني از مسائل شبيه سازي شده در آباکوس، با آزمايشهاي تجربي و نتايج آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار گرفته است. ميتوان گفت براي مسايل معمول، در صورت مدلسازي صحيح، نتايج داراي خطايي کمتر از 5 تا 10 درصد هستند.
2- در مواردي که امکانات اجازه آزمايش تجربي را نمي دهد، بايد نتايج شبيه سازي را با نتايج تحليلي موجود (روابطي تحليلي و رياضي که بهصورت مستقيم و يا عددي براي مسئله بدست آمده اند) مورد مقايسه قرار داد. در حالتهايي که براي مسئله اصلي به دليل پيچيدگي آن هيچگونه جواب تحليلي وجود ندارد، شبيه سازي را براي وضعيتهاي ساده تر که نتايج تحليلي موجود است، انجام داده و نتايج آن را با حل تحليلي موجود مورد مقايسه قرار ميدهيم.
3- تفاوت بين حلگر Explicit و Standard چيست؟ از کدام يک از آنها در تحليلم استفاده کنم؟
در حالت کلي، آباکوس به جز حلگر CFD که مخصوص سيالات است، براي حل مسائل عمومي (تحليل استاتيکي، تحليل تنش، مسائل شکلدهي و....) از دو حلگر که اساس نرمافزار را تشکيل ميدهند، استفاده ميکند: Abaqus/Standard و Abaqus/Explicit.
تفاوتها در مورد اين دو حلگر، به ذات روش رياضي مورد استفاده برميگردد و به همين دليل براي فهميدن همه تفاوتها بايد هر الگوريتم حل را به‌طور کامل شناخت که البته امکان ارائه چنين شناختي در اين مطلب مختصر فراهم نيست. به‌طور خلاصه، حلگر Standard مسئله را دقيق حل ميکند و معادله تعادل را در پايان هر نمو حل (increment) برقرار ميکند اما حل Explicit تنها تقريبي از حل واقعي مسئله است. از همين رو، مسئلهاي که با روش Standard حل شود، در صورت اتمام حل، نتايج آن از نظر ذات روش عددي –و نه الزاماً صحت يا اعتبار- قابل استفاده هستند اما در مورد حل Explicit بايد در پايان حل به روشي روند حل بررسي شود تا از وضعيت تعادل واقعي منحرف نشده باشيم. حلگر Standard مسئله را بهصورت سعي و خطا پيش ميبرد و بهخاطر پيچيدگيها ممکن است نتواند مسئله را حل کند، اما حلگر Explict به هرحال مسئله را –چه صحيح و چه غلط- ادامه ميدهد.
به‌طور خلاصه ميتوان چنين جمعبندي کرد که تا جايي که براي ما امکانپذير باشد (با توجه به زمان حل و دقت موردنياز) از روش Standard استفاده ميکنيم؛ اما در مسائلي که مجبور ميشويم يا برايمان بهصرفه نيست (مثال کلي شکلدهي فلزات که شامل تماسهاي زياد و تغيير شکل هاي شديد ميشود)؛ به سراغ روش Explicit ميرويم.
توضيحات فوق، خلاصهاي از مقاله آموزشي «انتخاب حلگر مناسب در آباکوس؛ Explicit يا Standrad، مسئله اين است!» بودند. براي درک بهتر موضوع، اين مقاله را حتماً مطالعه فرماييد و يا منتظر آموزشهاي ما در اين مورد بمانيد!
4- از چه سايز المان (اندازه مشي) بايد براي حل مسئله استفاده کنم؟
يکي از اشکالات روش المان محدود، وابستگي آن به اندازه مش (يا سايز المانها) است. طبق اصلي کلي، براي اعتبار داشتن يک حل المان محدود، بايد همگرايي اتفاق افتاده باشد، بدين معني که از لحاظ تئوري، هرچه المانها ريزتر شوند، جواب ها تغييري نکند.
در شکل زير، خط قرمز جواب واقعي مسئله است (که البته بيشتر اوقات ما از آن هيچ اطلاعي نداريم) و خط آبي نتايج بهدست آمده از تحليلهاي متوالي آباکوس (با ريز نمودن المانها) را نشان ميدهد.
به‌طور کلي، در حل مسائل المان محدود بهصورت عملي و کاربردي، ابتدا مدل را با استفاده از الماني نسبتاً درشت حل مينماييم. البته اين درشت بودن المان نسبي است و به ابعاد هندسي مسئله، جزئيات موجود در آن (سوراخها، Filletها و...) و ميزان اهميت آنها براي ما و صد البته تجربه شخصي کار با نرمافزار برمي گردد. پس از اتمام حل اول، اندازه همه المانها يا در صورت بزرگ بودن مدل، تنها المان‌های موجود در نواحياي که نتيجه مدنظر ما قرار دارد (مثلاً ناحيهاي که بيشترين تنش را دارد) را نصف نموده و مسئله را دوباره حل ميکنيم. اين روند تا جايي که نتايج موردنظر از دو حل متوالي، با يکديگر کمتر از 10 درصد اختلاف داشته باشند، ادامه پيدا ميکند. پس جواب سؤال فوق، عبارت بديهي زير است:
«المانها را تا حدي ريز مي کنيم که مورد نيازمان باشد!!!»
براي بحث مفصل و جامع پيرامون «اندازه المان مناسب»، اين مقاله آموزشي (انتخاب اندازه مناسب المان در اباکوس) را از دست ندهيد!
5- پردازش مسئله بسيار زمان ميبرد. چگونه ميتوانم سرعت حل را بالاتر ببرم؟
* (تغيير شرايط مدل سازي) با تغيير مدل از حالت سه بعدي به حلهاي سادهتر ميتوان سرعت حل را افزايش داد. براي نمونه به صورت کلي مدلسازي متقارن محوري و دو بعدي دو راهکار اصلي براي کاهش زمان پردازش مسئله هستند. هرگز فکر نکنيد الزاماً مدل سه بعدي بهترين گزينه است! گاهي اختلاف بين نتايج مدل سهبعدي و مدلهاي ساده سازي شده بسيار ناچيز و قابل قبول است.
** (استفاده از المانهاي مناسب) فيزيک مسئله خود را بخوبي شناسايي نماييد و از به کار بردن المانهاي Solid (يا آجري يا Continuum) به صورت سخاوتمندانه بپرهيزيد! اين المانها هزينه محاسباتي بسيار بالايي دارند. جايي ممکن است المان Shell يا Truss و... هم پاسخگو باشند (و حتي جوابهاي بهتري ارائه بدهند!).
*** از تمام توان پردازش رايانه براي حل مسئله استفاده کنيد، اين کار با تنظيمات job و قابليت Parallelism انجام ميشود. هنگام تعريف Job جديد، به زبانه رفته توجه نماييد براي بعضي شرايط همچون استفاده از ALE امکان اين کار وجود ندارد.
**** ممکن است از مش بسيار ريز و يا درجهي بالا استفاده کرده باشيد. ريز کردن مشها، تا جايي که عدم وابستگي به اندازه مش اتفاق افتاده، کافي ميباشد. [پرسش «» را نيز مطالعه فرماييد و يا براي توضيحات جامع در مورد اندازه مناسب مش به اين مقاله آموزشي مراجعه نماييد.]
***** در صورتي که از حل Explicit استفاده ميکنيد و مسئلهي شما شبه استاتيک است، ممکن است روش Mass Scale به کار شما بيايد.
6- در راهنماي نرمافزار، گاهي به جاي توضيح روش انجام دستورات در محيط آباکوس، قسمتي با عنوان Input File Usage وجود دارد، منظور از آن چيست؟
لازم است بدانيد که آباکوس دو روش براي گرفتن ورودي ها دارد. در روش اول کاربر بوسيلهي محيط گرافيکي نرم افزار، با انتخاب دستورات مناسب و وارد نمودن دادهها، وروديهاي لازم براي حل را در اختيار نرم افزار ميگذارد. در روش دوم، کاربر ميتواند دستورات را بدون استفاده از محيط گرافيکي و مستقيماً به حلگر نرم افزار ارسال نمايد. البته وقتي شما از محيط گرافيکي نيز استفاده ميکنيد، در نهايت اين دستورات بهصورت فايلي متني تحت عنوان Input File ذخيره شده و سپس همين فايل (با پسوند .inp) است که به حلگر آباکوس فرستاده ميشود. براي آشنايي بيشتر با روش وارد کردن دستورها به inp فايل، اين مقاله (نحوه وارد نمودن دستورات آباکوس در فايل inp) را در بخش مقالات آموزشي ببينيد.
7- چرا نميتوانم فايلهاي موجود در راهنماي آباکوس را اجرا کنم و موقع حل با خطا مواجه ميشوم؟
قبل از به وجود آمدن محيط گرافيکي براي آباکوس (محيط Abaqus/CAE) دستورات لازم جهت ايجاد مدل المان محدود قابل ارائه به حلگرهاي آباکوس، به صورت فايلي متني نوشته ميشد. (در پاسخ پرسش قبل، پرسش 5 را نيز ببينيد)
با توجه به قدمت آباکوس، در اکثر مسايل موجود در راهنماي نرمافزار، فايل مدلسازي به صورت متني و در قالب فايلي با پسوند inp موجود است. همچنين، براي بعضي از اين دستورات متني، هنوز در محيط گرافيکي معادلي قرار داده نشده است.
بنابراين، محيط متني کاملتر از محيط گرافيکي بوده و لذا با وارد نمودن inp فايل به محيط گرافيکي (استفاده از دستور import) نميتوان انتظار داشت که تمام دستورات به صورت کامل در محيط گرافيکي اعمال شود.
همواره براي اجراي اين فايل هاي راهنما (داراي پسوند inp) و مشاهده نتايج حل، حتماً حتماً از روش تعريف Job با استفاده از inp فايل استفاده نماييد؛ يعني هنگام تعريف Job، خود inp فايل را با انتخاب گزينه Input File به حلگر بدهيد و از انتخاب Model بپرهيزيد.
براي توضيحات بيشتر و درک بهتر مطالب فوق، به مقاله آموزشي « نحوه وارد نمودن دستورات آباکوس در فايل inp» مراجعه نماييد.