انواع روش های به‌دست آوردن داده‌های مدل‌های مواد در اباکوس و سایر نرم افزارهای اجزا محدود

• آموزش, بلاگ

انواع روش های به‌دست آوردن داده‌های مدل‌های مواد در اباکوس و سایر نرم افزارهای اجزا محدود

یکی از رایج‌ترین سوالاتی که در طول آموزش و منتورینگ اباکوس و انسیس پرسیده می‌شود این است: «داده‌های مدل‌های مواد در اباکوس را چطور به‌دست آورم؟» پاسخ به این سوال به نظر ساده می‌رسد – بهترین کار، آزمایش‌های فیزیکی است. اما معمولاً امکان انجام آزمایش‌های مناسب وجود ندارد (به دلیل محدودیت‌های زمانی، هزینه‌ها و غیره) و سوالی در مورد منابع دیگر این داده‌ها پیش می‌آید. یا ممکن است امکان انجام آزمایش‌های مواد وجود داشته باشد، اما شک و تردیدهایی در مورد چگونگی انجام آن‌ها پیش می آید. در این بلاگ، سعی می کنم بهترین روش های موجود که خودم از آنها استفاده می کنم را تا حد ممکن توضیح دهم.

روش اول – آزمایشگاه مکانیک مواد

بدون شک، بهترین منبع داده‌ها برای مدل‌های مواد، آزمایش‌های فیزیکی هستند. مثلا برای تست های کشش، فشار و برش نمونه های دمبلی شکل خیلی مناسب است اما گاهی پیچیده، زمان‌بر و پرهزینه هستند. در کنار این موارد تسلط مجری آزمایش و همچنین سفارش دهنده بسیار تاثیر گذار است. به طور مثال، فقط به تحویل داده های اکسل نتایج نگاه نکنید. از آزمایشگاه بخواهید که نمونه ها را به شما برگردانند تا مطمئن شوید مودهای شکست نمونه ها به درستی اتفاق افتاده باشد. خیلی اوقات به دلیل نصب نادرست، نمونه ها اصلا به مرحله شکست نمی رسند!

برای مدل مواد فلزات

دامنه آزمایش‌های مورد نیاز به مدل ماده ای که انتخاب می کنید هم بستگی دارد. ساده‌ترین حالت، الاستیسیته خطی ایزوتروپیک با پلاستیسیته (برای فلزات) است – یک ورق با نقاط توصیف‌کننده منحنی تنش-کرنش که از یک دستگاه آزمایش به‌دست آمده است، کافی است. در اباکوس Abaqus/CAE ابزاری به نام “کالیبراسیون مواد” وجود دارد که بر اساس این داده‌ها، مدول یانگ، نسبت پواسون (اگر کرنش‌های عرضی نیز اندازه‌گیری شده باشند) و نقاطی از دامنه پلاستیک منحنی تنش-کرنش را برای تعریف مدل پلاستیسیته تعیین می‌کند.

باید به خاطر داشت که نرم افزار اباکوس داده‌ها را به‌صورت تنش‌های واقعی و کرنش‌های پلاستیک لگاریتمی درنظر می گیرد. مقادیر تنش و کرنش می‌توانند به‌راحتی از حالت مهندسی (مربوط به سطح مقطع اولیه نمونه) به واقعی (مربوط به سطح مقطع کنونی نمونه) با استفاده از فرمول‌های ساده (قابل اعمال تا نقطه استحکام کششی) یا گزینه مناسب ابزار کالیبراسیون مواد در اباکوس تبدیل شوند. اگر در این مورد مشکل دارید، یک جلسه رایگان منتورینگ اباکوس رزرو کنید.

برای مدل های مواد هایپرالاستیک

در مورد مواد هایپرالاستیک و هایپر الاستیسیته برای لاستیک‌ها، دامنه آزمایش‌ها وسیع‌تر است و ممکن است شامل آزمایش‌هایی مانند:

• کشش/فشار یک‌محوری،
• فشار یک‌محوری،
• کشش صفحه‌ای (مطابق با برش خالص)،
• کشش دو محوری،
• فشار حجمی.

داده‌های این آزمایش‌ها به‌صورت زیر است:

• برای آزمایش‌های یک‌محوری، دو محوری و صفحه‌ای – تنش‌ها و کرنش‌های نامی (مهندسی)،
• برای آزمایش‌های حجمی – تغییرات فشار و نسبت حجم،

و می‌توانند مستقیماً در اباکوس بارگذاری شوند و مدل هایپر الاستیسیته مناسب انتخاب یا با انتخاب گزینه “Evaluate Material” برای تعیین ثابت‌های مدل‌های انتخاب شده، بررسی پایداری آن‌ها در محدوده کرنش داده شده و مقایسه مطابقت آن‌ها با داده‌های آزمایشی استفاده شود. نکات مربوط به انتخاب یک مدل هایپر الاستیسیته بسته به داده‌های آزمایشی موجود و انجام آزمایش‌ها در مستندات و دوره “مدل‌سازی لاستیک و ویسکوالاستیسیته با اباکوس” ارائه می شود (صفحه دوره های آموزشی بنوموسی). برای سوالات کوتاه یا رفع اشکال از جلسات منتورینگ اباکوس استفاده کنید.

برای مدل های مواد ژئوتکنیک مثل خاک

اباکوس همچنین مدل‌های متعددی برای مواد ژئوتکنیکی (انواع مختلف خاک) و بتن دارد. اطلاعات در مورد آزمایش‌های فیزیکی برای چنین موادی را می‌توان در مستندات و انتشارات NAFEMS پیدا کرد. مثلا دو مورد زیر مرتبط با این موضوع است:

• چگونه بتن سازه‌ای را با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA) مدل‌سازی کنیم
• به‌دست آوردن پارامترها برای تحلیل‌های ژئوتکنیکی

همچنین یک انتشار عمومی‌تر نفمز NAFEMS تحت عنوان تعیین و استفاده از خواص مواد برای تحلیل المان محدود و یک انتشار تخصصی مربوط به کامپوزیت‌ها: چگونه – خواص مواد را برای تحلیل سازه‌ای کامپوزیت‌ها به‌دست آوریم وجود دارد.

علاوه بر اینها، سری به فروشگاه بنوموسی بزنید، بیش از 500 داده آزمایشگاهی شامل فایل های اکسل و PDF برای مواد مختلف وجود دارد. فقط چند تا از این داده ها تا الان در فروشگاه قرار گرفته است. برای اطلاعات بیشتر تماس بگیرید.

آزمایش‌های فیزیکی گاهی با نیاز به در نظر گرفتن اثرات کرنش وابسته به زمان/نرخ پیچیده می‌شوند – برخی از مدل‌های پلاستیسیته، ویسکوالاستیسیته، ویسکوالاستیسیته (خزش فلز) و غیره. آزمایش‌های خستگی نیز به دلیل زمان‌بر بودن مشکل‌ساز هستند. (مثلا داستان مشکلی که برای یکی از مشتریان ما پیش آمد را در کانال تلگرام بنوموسی بخوانید)

کالیبراسیون مواد

حتی اگر نتایج آزمایش‌های فیزیکی را داشته باشید، بسیاری از مدل‌های مواد نیاز به تعریف برخی ثابت‌ها دارند (اغلب بدون تفسیر فیزیکی هستند) و نمی شود همان ها در نرم افزارهای اجزا محدود استفاده کرد (البته که کاری پیچیده و نیازمند تخصص است. برای راحتی کاربران اباکوس بنوموسی این خدمت را ارائه می کند. مشاهده خدمت کالیبراسیون مواد). انتخاب این ثابت‌ها به‌طور قابل توجهی با کالیبراسیون مواد تسهیل می‌شود، فرآیند یافتن مجموعه بهینه‌ای از پارامترهای مواد برای مدل به‌گونه‌ای که خطا بین اندازه‌گیری‌های آزمایش‌های واقعی و پاسخ محاسبه‌شده از شبیه‌سازی عددی حداقل شود. این کار می‌تواند به‌صورت دستی، با استفاده از معادلات، صفحات گسترده، نرم‌افزار Isight (جزء تطابق داده‌ها)، اسکریپت‌نویسی یا شبیه‌سازی نمونه‌های ساده انجام شود، اما SIMULIA چند سالی است که ابزاری پیشرفته به‌خصوص برای این منظور ارائه می‌دهد. این ابزار، برنامه کالیبراسیون مواد است که به‌عنوان بخشی از نقش مهندس کالیبراسیون مواد (Material Engineer Role) در پلتفرم 3DEXPERIENCE در دسترس است. این برنامه کالیبراسیون را در 3 حالت کار می‌کند:

• تحلیلی – مبتنی بر معادلات ریاضی، سرعت بالا، اما فقط برای مواد هایپر الاستیک، هایپر الاستیک-ویسکوالاستیک و فوم‌ها (هایپر فوم) قابل‌استفاده است،
• عدد‌ی – مبتنی بر مدل‌های مواد (زیرروال‌ها) در Abaqus/Standard، کندتر، قابل‌استفاده برای دامنه وسیعی از مدل‌های مواد،
• مبتنی بر مدل‌های FEM – کندترین، اما امکان کالیبراسیون گسترده‌ترین دامنه مدل‌های مواد (همه از حالت عددی و اضافی‌ها، از جمله معیارهای آسیب انتخاب شده، مدل پلاستیسیته آسیب بتن، پلاستیسیته کپسولی، خزش کپسولی و هایپر الاستیسیته آنیزوتروپیک) را فراهم می‌کند.

برنامه کالیبراسیون مواد همچنین از زیرروال‌های کاربر پشتیبانی می‌کند و امکان استفاده از مدل‌های جانشینی (شبکه‌های عصبی) را فراهم می‌آورد.

همچنین شایان ذکر است که هنگام کار با مدل‌های مواد، درک معادلات ریاضی که آن‌ها را توصیف می‌کند، مفید است. دانستن اینکه کدام ثابت‌ها مسئول چه چیزی در یک مدل خاص هستند (مثلاً کدام‌ها غیرخطی بودن را معرفی می‌کنند یا بر منحنی به‌طور متفاوتی تأثیر می‌گذارند یا وابستگی دما را اضافه می‌کنند) می‌تواند به شما کمک کند تا به‌راحتی مدل ماده را اصلاح کنید، مثلاً با حذف اصطلاحات انتخابی معادله. شبیه‌سازی‌ها به نوبه خود امکان بررسی آسان تأثیر تغییرات پارامترهای فردی بر نتایج به‌دست‌آمده در یک مورد خاص را فراهم می‌کند. برای مدل‌های مواد پایه، تحلیل‌های حساسیت ویژه‌ اباکوس در دسترس است.

مدل‌سازی چند مقیاسی – همگن‌سازی و RVE

برخی از تکنیک‌های مدل‌سازی پیشرفته وجود دارند که در برخی موارد زمانی که داده‌های مواد محدود است، مفید هستند. این موضوع به‌ویژه برای کامپوزیت‌ها صادق است که معمولاً رویکرد خاصی به نام مدل‌سازی چند مقیاسی استفاده می‌شود. که شامل مدل‌سازی ماده نه تنها در مقیاس ماکرو، بلکه همچنین در مقیاس‌های پایین‌تر (عمدتاً میکرو) است. هدف اصلی انتقال اطلاعات به‌دست‌آمده از مدل‌های میکروسکوپی به مدل‌های ماکروسکوپی است، اما داده‌ها همچنین می‌توانند در جهت عکس به‌روزرسانی شوند. رایج‌ترین رویکرد ایجاد مدل‌های RVE (المان نماینده حجم) است که نماینده یک تکه از میکروساختار ماده است. مزیت این رویکرد، امکان شمول هر شکلی از مثلا پارچه‌ها و سایر کامپوزیت‌ها است. یک پلاگین میکرومکانیک برای Abaqus/CAE (به صورت رایگان از فروشگاه بنوموسی دانلود کنید) که ایجاد انواع مختلف مدل‌های RVE و پردازش نتایج آن‌ها (میانگین‌گیری میدان‌های تنش/کرنش) را به‌طور قابل توجهی تسهیل می‌کند، در دسترس است.

اباکوس همچنین همگن‌سازی میدان میانگین را ارائه می‌دهد. اینکار نیاز به ورودی پارامترهای میکروساختار کامپوزیت (شکل – چند شکل بنیادی، نسبت حجم، عامل شکل، جهت‌گیری الیاف و تقویت کننده و ماتریس) دارد. چندین فرمولاسیون از این نوع در دسترس است، همچنین برای رفتار غیرخطی اجزای کامپوزیت. انتخاب صحیح فرمولاسیون می‌تواند مطابقت بسیار خوبی از نتایج با رویکرد FE-RVE را بهمراه داشته باشد (مثل شکل زیر).

کاتالوگ‌های تولیدکنندگان مواد – دیتاشیت و …

حتی اگر نتایج آزمایش‌های فیزیکی را ندارید، می‌توانید اغلب خواص مواد انتخابی را در کاتالوگ‌ها و دیتاشیت های تولیدکنندگان مواد پیدا کنید. البته، به شرطی که از محصولات نیمه‌تمام/محصولات آماده استفاده کنید. کافی است با تولید کننده متریال تماس بگیرید و از او دیتاشیت متریال را بخواهید.

کتابخانه‌ مواد

برخی از نرم افزارهای شبیه‌سازی دارای کتابخانه‌های مواد داخلی هستند. در مورد اباکوس، کتابخانه‌ مواد یا Material Library به‌طور پیش‌فرض خالی هستند (یک خلا بزرگ برای اباکوس!) و نیاز به پر کردن داده‌ها از سوی خود کاربر دارند. از سوی دیگر، fe-safe دارای یک کتابخانه مواد وسیع است. البته، این عمدتاً شامل خواص خستگی است که توسط نرم‌افزار استفاده می‌شود، اما می‌توانید در آن داده‌های الاستیسیته خطی پیدا کنید. در یک بلاگ در مورد کتابخانه مواد انسیس گفته بودم (مشاهده بلاگ).

در عوض، پلتفرم 3DEXPERIENCE دارای کتابخانه‌های مواد وسیع‌تری است (از جمله انواع پلاستیک‌ها برای شبیه‌سازی تزریق) که می‌توانند به‌همراه برنامه‌ها یا پس از نصب آن‌ها نصب شوند. البته در نرم افزار مولدفلو (MoldFlow) هم چنین کتابخانه ای برای مواد پلاستیکی موجود است و می توانید از آن کمک بگیرید.

نرم افزارهای طراحی مهندسی CAD مانند SolidWorks نیز اغلب شامل کتابخانه‌های آماده با مواد استاندارد هستند. گاهی اوقات دسترسی به پایگاه‌های داده مواد نیز می‌تواند خریداری شود. البته، پایگاه‌های داده آنلاین با دسترسی آزاد مانند MatWeb وجود دارد. مشکل با کتابخانه‌های آماده، البته، عمومی بودن داده‌های موجود در آن‌ها است – به‌طور کلی، آن‌ها شامل داده‌های مخصوص تولیدکنندگان نیستند، بلکه فقط مقادیر متوسط یا دامنه‌های آن‌ها را شامل می‌شوند.

اگر زیاد با متریال های مختلف سروکار دارید، پیشنهاد می کنم پلاگین MatLib را که بنوموسی در 10 سال گذشته در حال توسعه آن است تهیه کنید. بیش از 1400 متریال پر استفاده در 23 گروه ماده! همه دم دست و آماده استفاده. اطلاعات آن معتبر و قابل استناد است. این پلاگین انقدر خوب است که از کره تا امریکا مشتری دارد. برای شرکت های ایرانی از 10% تخفیف در سال اول و 15%تخفیف در سال های بعد می توانید بهره ببرید. (لینک خرید متلیب)

مقالات، کتاب ها، هندبوک و استانداردهای مهندسی

در غیاب داده‌های آزمایشی، رایج‌ترین منبع، منابعی مثل مقالات، کتابها و استانداردها هستند. معمولاً در قالب مقالات مهندسی که آزمایش‌های فیزیکی و/یا شبیه‌سازی‌ها با استفاده از یک ماده خاص را توصیف می‌کنند. به این ترتیب، می‌توانید داده‌هایی برای بسیاری از انواع مواد (حتی مواد آلی) و مدل‌های مواد مورد استفاده در FEA پیدا کنید. جستجو با نام مدل ماده و نرم‌افزار (مانند Abaqus) به شما کمک می‌کند تا داده‌ها را در قالب آماده پیدا کنید. مقالاتی که آزمایش‌های فیزیکی را توصیف می‌کنند، اغلب همچنین شامل منحنی‌های تنش-کرنش هستند که می‌توانید با استفاده از ابزارهای ساده مانند Plot Digitizer به فایل اکسل منتقل شوند. (ابزارهای بیشتری در کانال تلگرام قرار داده ایم)

مقالات علمی همچنین می‌توانند برای تکمیل داده‌های آزمایشی موجود، مثلاً با وابستگی دما بر اساس وابستگی‌های میانگین برای نوع مشابهی از ماده (مانند فولاد) مفید باشند. گاهی اوقات آن‌ها همچنین شامل فرمول‌هایی برای تبدیل یک خاصیت به دیگری معادل یا توصیف روش‌های غیرمعمول برای به‌دست‌آوردن خواص سخت به‌دست‌آمده از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها هستند.

منابع کتابی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما کتاب‌های درسی که می‌توانند در این زمینه کمک‌کننده باشند – مانند

• اطلس منحنی‌های تنش و کرنش،
• اطلس منحنی‌های خستگی یا
• اطلس منحنی‌های خزش و شکست تنش – همه توسط H.E. Boyer.

منابع اینترنتی غیر از کاتالوگ‌های تولیدکننده، پایگاه‌های داده مواد و مقالات علمی (مانند ویکی‌پدیا) باید با احتیاط استفاده شوند، اطلاعات در مورد منبع چنین داده‌هایی باید جستجو شود و باید با دیگران مقایسه شود تا اعتبار آن‌ها تأیید شود.

لازم به یادآوری است که یکی از مراحل صحت سنجی، اطمینان از درستی خواص و داده های مدل ماده است

تخمین ثوابت ماده مبتنی بر فرمول‌های مهندسی

برخی از خواص مواد می‌توانند بر اساس ثابت‌های معمولی مانند مدول یانگ، نسبت پواسون، استحکام تسلیم یا استحکام کششی تعیین شوند. به‌ویژه برای فولاد. به این ترتیب، می‌توانید ثابت‌های مدل جانسون-کوک را تعیین کنید (یک افزونه برای Abaqus/CAE که آن‌ها را تعیین می‌کند) یا برخی از خواص خستگی را (fe-safe دارای چنین ابزاری است که از روش باومل-زیگر (Baumel-Seeger) استفاده می‌کند).

تمام چیزی که باید گفته می شد و خلاصه هم باید می بود، همین بود که خواندید. شما از چه راهی استفاده می کنید؟! تجربتون رو با بقیه به اشتراک بگذارید.

شرکت مشاوره شبیه سازی مهندسی بنوموسی

از آخرین اخبار و رویدادهای ما و جهان CAE با دنبال کردن کانال تلگرام بنوموسی و سایر شبکه های اجتماعی با خبر شوید.

برای اطلاعات بیشتر و ثبت‌نام در رویدادها، لطفاً تماس بگیرید یا در شبکه های اجتماعی پیام دهید.

شماره شبکه های اجتماعی : 09155520388

تلفن: 05135424520

در ضمن حتما از مشاوره و منتورینگ آنلاین بنوموسی برای دانشجویان و فعالین صنعتی خبر دارید. برای رزرو منتورینگ فعلا برای اباکوس و ال اس داینا از دکمه بالای صفحه کمک بگیرید یا روی این لینک کلیک کنید.