پروژه FEA با سالیدورکس یا آباکوس؟

• آموزش, بلاگ

سالیدورکس یا آباکوس؛ کدام یک برای انجام پروژه FEA بهتر است؟

شبیه‌سازی و تحلیل اجزای محدود (FEA) به عنوان یک ابزار اساسی برای ارزیابی و طراحی ساختارها و اجزاء عمل می‌کند. با این حال، انتخاب نرم افزار مناسب برای انجام این تحلیل‌ها بسیار مهم است. دو گزینه نرم افزاری معروف در این زمینه به نام‌های سالیدورکس و Abaqus وجود دارد که هر کدام ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند. در این مقاله، این دو گزینه نرم افزاری را ارزیابی و مقایسه خواهیم کرد تا مناسب‌ترین گزینه برای اجرای پروژه FEA را مشخص کنیم.

نرم افزار SolidWorks

SolidWorks یک نرم افزار قدرتمند نقشه کشی، طراحی و مدل سازی سه بعدی است که ابزارهای ابتدایی و کار راه انداز برای FEA را نیز ارائه می‌دهد. SolidWorks یکی از پرکاربردترین نرم‌افزارهای طراحی مهندسی است که قابلیت انجام تحلیل‌های محدودیتی را هم در خود دارد. در زیر به قابلیت‌ها، مزایا و معایب این نرم‌افزار می‌پردازیم:

قابلیت‌های نرم افزار SolidWorks

• • نرم‌افزار SolidWorks از ابزارهای گوناگونی برای طراحی و تحلیل قطعات مکانیکی استفاده می‌کند.

• • این نرم‌افزار امکانات متنوعی از جمله طراحی و بهینه‌سازی قطعات مکانیکی، بازسازی مدل سه بعدی قطعات برای مهندسی معکوس، تحلیل جزئیات و اتصالات ترکیبی، و شبیه‌سازی جریان سیالات (CFD) را فراهم می‌کند.

• • علاوه بر این، SolidWorks قابلیت طراحی و تحلیل دینامیک سیستم‌ها و سازه‌ها را با در نظر گرفتن نیروها و انرژی‌ها دارد.

• • این نرم‌افزار همچنین امکاناتی برای طراحی و تحلیل قطعات خودروها از جمله شاسی و سیستم‌های مکانیکی، مطالعه توزیع حرارت در قطعات و سیستم‌ها، و طراحی و تحلیل محصولات مصرفی با توجه به ارتقاء کیفیت و بهینه‌سازی فراهم می‌کند.

• • SolidWorks همچنین امکاناتی برای بررسی تنش و تغییرشکل در قطعات تحت بارگذاری‌های مختلف فراهم می‌کند.

مزایای نرم افزار SolidWorks

این نرم افزار واسط کاربری ساده‌ای دارد که کاربران مبتدی نیز می‌توانند به راحتی از آن استفاده کنند. امکانات طراحی قوی در سالیدورکس وجود دارد که به کاربران اجازه می‌دهد قطعات پیچیده مکانیکی را طراحی کنند. علاوه بر این سالیدورکس با سایر نرم‌افزارهای CAD و CAM سازگاری دارد که فرآیند طراحی، توسعه، ساخت و تولید را تسهیل می‌کند.

معایب نرم افزر SolidWorks

برای تحلیل‌های پیشرفته مانند تحلیل‌های عملکردی قطعات، سالیدورکس قدرت‌ کافی را ندارد. همچنین ویژگی‌های تحلیل FEA سالیدورکس در مقایسه با نرم‌افزار آباکوس، محدودتر است.

نرم افزار ABAQUS

این نرم افزار طیف متنوعی از قابلیت‌های تحلیل اجزا محدود (FEA) را در زمینه‌های مختلف مانند مکانیک سازه، دینامیک، ترمودینامیک و جریان سیال ارائه می‌دهد که مهندسان را قادر می‌سازد تا سازه‌ها را با دقت بالا تجزیه و تحلیل و بهینه سازی کنند و حتی تحلیل های چندفیزیکی یا مولتی فیزیک انجام دهند. این نرم افزار قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای شبیه سازی تحلیل شکست مواد و بهینه سازی سازه‌ها ارائه می‌دهد.

بنابراین، اگر به تحلیل اجزای محدود بسیار پیچیده خطی و غیر خطی نیاز دارید یا اگر تمرکز شما بر تحلیل FEA است، Abaqus انتخاب مناسبی است. همانطور که گفته شد آباکوس یکی از قدرتمندترین نرم‌افزارهای FEA است که به صورت گسترده در صنایع مختلف مهندسی استفاده می‌شود که در ادامه به قابلیت‌ها، مزایا و معایب این نرم‌افزار می‌پردازیم.

قابلیت‌های نرم افزار Abaqus

نرم افزار آباکوس از ابزارهای پیشرفته‌ای برای تحلیل و بررسی عملکرد سازه‌ها در شرایط مختلف بهره می‌برد. این نرم افزار قادر است:

• • تحلیل رفتار سازه‌های سه بعدی را در شرایط غیرخطی با دقت بالا انجام دهد، که این امر برای ارزیابی رفتار و عملکرد صحیح سازه‌ها در مقابل بارهای مختلف بسیار حیاتی است.

• • با در نظر گرفتن عوامل ژئوتکنیکی، عملکرد سازه‌های چند منظوره را بهبود بخشد و مسائل مربوط به پایداری و عمر مفید سازه‌ها را تخمین زند.

• • با استفاده از تحلیل المان محدود، تأثیر فعالیت لرزه‌ای بر سازه‌های فولادی و بتنی را بررسی کرده و اقدامات مناسب برای افزایش ایمنی سازه‌ها را انجام دهد.

• • بررسی تأثیر اثرات حرارتی بر عملکرد سیستم‌های خنک‌کننده و اتخاذ تغییرات مناسب در طراحی و ساخت آن‌ها را فراهم می‌کند.

• • با بهبود اتصالات در سازه‌های بتنی در معرض بارهای دینامیکی، ایمنی و پایداری سازه‌ها را تضمین می‌کند.

• • اثر زلزله بر سازه‌های بتن‌آرمه را با دقت بررسی کرده و اقدامات لازم برای تقویت و افزایش ایمنی آن‌ها را ارائه می‌دهد.

• • با شبیه‌سازی اثرات حرارتی بر جریان سیال در لوله‌ها، به بهبود کارایی سیستم‌های گرمایش و خنک‌کنندگی کمک می‌کند.

• • طراحی محل‌های دفن زباله را برای استفاده در پروژه‌های عبور آب بهبود بخشیده و مشکلات مرتبط با محیط زیست را کاهش می‌دهد.

• • تأثیرات دینامیکی بر سازه‌های هواپیما را مطالعه و تحلیل کرده و اقدامات لازم برای افزایش ایمنی و کارایی آن‌ها را ارائه می‌دهد.

• • با استفاده از مواد نوآورانه، دینامیک جذب انرژی در سازه‌های پیشرفته را بررسی و بهینه‌سازی می‌کند تا عملکرد و ایمنی سازه‌ها بهبود یابد.

اینها فقط تعدادی اندکی از قابلیت های محاسباتی و تحلیلی نرم افزار اجزا محدود آباکوس است.

مزایای نرم افزار Abaqus

آباکوس امکانات و قابلیت‌های بسیار پیشرفته‌ای برای انجام تحلیل‌های پیچیده و چندفازی دارد. اطمینان از صحت و قابل اعتماد بودن نتایج به دلیل دقت بالا و محیط تحلیلی حرفه‌ای از دیگر مزایای این نرم افزار مهندسی به شمار می‌رود. قابلیت اتصال با نرم‌افزارهای دیگر و توسعه پلاگین‌ها و اسکریپت‌های پایتون را می‌توانید در این نرم افزار مهندسی آباکوس شاهد باشید.

معایب نرم افزار Abaqus

آباکوس به دلیل پیچیدگی بالا، نیازمند زمان و تجربه برای یادگیری است و لایسنس های آباکوس به طور معمول گران‌قیمت‌تر از سالیدورکس هستند. کاربر آباکوس نیازمند دانش مهندسی بالاتر از لیسانس مکانیک، عمران، کشتی سازی یا هوافضا است و همچنین باید دید مهندسی بالایی که ناشی از اجرای پروژه های متعدد است داشته باشد.

مقایسه سالیدورک و اباکوس

کنترل تولید مش

در طول مرحله پیش پردازش، شبیه سازی با SOLIDWORKS می تواند انواع مختلفی از المان، از جمله المان های 1 بعدی، المان های مثلثی 2 بعدی و المان های توپر چهار وجهی 3 بعدی را تولید کند. در شبیه سازی SOLIDWORKS، المان ها را می توان خطی یا درجه دوم با کیفیت بالا تقسیم کرد که به ترتیب به عنوان مرتبه 1 و مرتبه دوم نیز شناخته می شوند. توجه اولیه هنگام مقایسه این دو گزینه، تعادل بین دقت و کارایی محاسباتی است.

شبیه سازی با SOLIDWORKS  تولید مش خودکار را فراهم می کند و ایجاد مش برای هندسه های ساده را تسهیل می سازد. با این حال، هنگام برخورد با هندسه های پیچیده، کاربران ممکن است مجبور باشند زمان بیشتری را برای ساخت دستی و تنظیم دقیق توزیع های محلی مش بپردازند تا از نتایج دقیق اطمینان حاصل کنند.

از سوی دیگر، آباکوس انتخاب گسترده تری از گزینه ها و کنترل ها را برای تولید مش های با کیفیت بهتری در اختیار کاربران قرار می دهد. این مش ها می توانند به طور موثر رفتار هندسه های پیچیده و شرایط مختلف بارگذاری را نشان دهند. مهندسانی که از ابزار پیش پردازش CAE در آباکوس استفاده می کنند، طیف وسیعی از گزینه های مش بندی را در اختیار دارند. این گزینه ها را می توان به طور کلی به دسته های ساختاریافته، بدون ساختار و ترکیبی طبقه بندی کرد.

درست مانند نرم افزار شبیه سازی SOLIDWORKS ، نرم افزار آباکوس نیز به کاربران اجازه می دهد تا المان های 1 بعدی، سطحی 2 بعدی و حجمی مکعبی سه بعدی ایجاد کنند. با این حال، تمایز قابل توجهی در آباکوس در مورد گنجاندن المان سطحی چهار ضلعی دو بعدی و المان شش وجهی سه بعدی وجود دارد.

در اینجا مقایسه ای از عملکرد المان چهار وجهی و شش وجهی خطی در تست سقوط (Drop test) با استفاده از Abaqus/Explicit ارائه شده است.

 

در این مقایسه، ضربه ناشی از سقوط یک موج فشاری مسطح ایجاد می کند که در ماده به سمت بالا حرکت می کند. هنگامی که موج مسطح به مرز بالایی جسم جامد می رسد، موج بازتابی به دلیل برهم کنش با بازتاب های خارج از دو طرف ماده به ترکیبی از الگوهای تداخل سازنده و مخرب تبدیل می شود.

الگوی تداخل در مش شش وجهی مکعبی (hexahedral) آشکارتر است؛ زیرا نتایج بر خلاف مش چهاروجهی هرمی (tetrahedral) سطح ثابتی از تقارن را در سراسر سناریوی ضربه حفظ می کنند. با مقایسه، مشخص می‌شود که مش چهاروجهی هرمی سطح بالاتری از نویز عددی را در نتایج نشان می‌دهد.

شخصی سازی و توسعه مدل های مواد (Material Models)

برای کاربرانی که به دنبال پاسخ به سوالات اساسی طراحی هستند، مانند اینکه “آیا قطعه تحت یک بار کششی خاص تسلیم می شود؟!” نرم افزار SolidWorks یک کتابخانه مواد دارد که به کاربران اجازه می دهد به راحتی به خواص مواد برای اهداف شبیه سازی دسترسی داشته باشند. علاوه بر این، کاربران این امکان را دارند که مواد شخصی سازی شده را با استفاده از طیف گسترده ای از مدل ها، از فلزات همسانگرد الاستیک خطی پایه تا لاستیک های هایپرالاستیک غیرخطی پیچیده تر، ایجاد کنند. این بخش قابل توجهی از نیازهای تحلیلگران را برطرف می کند. با این حال، زمانی که صحبت از ترکیب غیرخطی‌های مواد در قابلیت‌های مدل مواد می‌شود، ممکن است چالش‌هایی ایجاد شود.

آباکوس در مقایسه با سالیدورکس دیدگاه منحصر به فردی در مدل سازی مواد دارد. آباکوس طیف گسترده ای از مدل های مواد را در اختیار کاربران قرار می دهد که می توانند باتوجه به نیازهای خاص آنها سفارشی شوند. کاربران به جای تکیه بر یک دیتابیس مدل های ماده از پیش تعیین شده، انعطاف پذیری لازم برای تنظیم خواص مواد را بر اساس نیاز خود دارند. برای فلزات همسانگرد الاستیک خطی پایه، عملکرد اساساً مشابه سالیدورکس است، تا زمانی که مدول یانگ و نسبت پواسون در هر دو مطابقت داشته باشند.

آباکوس از سالیدورکس در توانایی مدل‌سازی دقیق غیرخطی‌ مواد، از جمله تجمع آسیب، مکانیک شکست، حذف المان و حتی روش‌های المان گسسته (DEM) برای کاربردهای بسیار غیرخطی، پیشی می‌گیرد. آباکوس یک ابزار ارزشمند برای مهندسان شبیه سازی است که می‌خواهند مدل‌های مواد را بر اساس داده‌های مواد خاص به‌دست‌آمده از آزمایش‌های فیزیکی تنظیم کنند تا از آنها در شبیه‌سازی استفاده کنند.

نتایج سالیدورکس چقدر درست است؟

یک اختلافی که بین مهندسان مکانیک وجود دارد، این است که سالیدورک نتایج درستی نمیدهد. این موضوع اشتباه است. بگذارید تفاوت سالیدورک و اباکوس را در تحلیل اجزا محدود این طور بیان کنیم که سالیدورک مانند یک ماشین حساب معمولی و اباکوس مثل یک ماشین حساب مهندسی است. این به ماهیت تولید نرم افزار بر میگردد که رسما سالیدورک یک نرم افزار CAD و اباکوس یک نرم افزار CAE است. بنابراین از نظر محاسبات و تحلیل اجزا محدود قطعا اباکوس امکانات وتوانایی های بیشتری دارد. اما به این معنی نیست که کلا سالیدورک برای تحلیل اجزا محدود ناکارآمد است.

در لینک زیر گزارشی از اعتبارسنجی تحلیلگر FEA سالیدورکس یا SOLIDWORKS Simulation توسط AFNOR انجام شده است که نشان میدهد 101 مساله از 143 مساله موجود را توانسته با دقت کمتر از 2% تصدیق کند.

اما این به معنی خوب یا بد بودن سالیدورک نیست. این حداقل موارد مورد نیاز برای تائید یک نرم افزار CAE توسط یک مرجع تخصصی معتبر مثل افنور یا نفمز (NAFEMS) است.

سالیدورکس یا آباکوس با یک مثال

ما یک مدل آزمایشی ساده برای شبیه سازی با آباکوس و سالیدورکس آماده کرده ایم تا شباهت ها و تفاوت های آنها را به نمایش بگذاریم.

در این مدل، ما یک جفت صفحه فلزی با ضرایب متضاد انبساط حرارتی پیدا می کنیم که توسط چهار پیچ فولادی زنگ نزن بسته شده اند. سناریوی بارگذاری مورد بحث شامل اعمال یک پیش بار 500 نیوتنی برای هر یک از پیچ‌ها و به دنبال آن تغییر در دمای مدل برای جذب تنش‌های ناشی از انبساط حرارتی است. دماهای انتخاب شده برای تحلیل انبساط حرارتی شامل دمای بالا (+200 درجه سانتیگراد) و سناریوی دمای پایین (100- درجه سانتیگراد) است. در نتیجه تغییر ضرایب انبساط حرارتی دو صفحه، تغییر دما باعث ناهماهنگی سوراخ‌های پیچ می‌شود و منجر به افزایش تنش در دو قسمت می‌شود. در این تست هیچ توجهی به وجود اصطکاک بین صفحات نشده است.

برای این سناریو، ما می‌توانیم مدلی را توسعه دهیم که دو برابر متقارن است و ما را قادر می‌سازد فقط یک چهارم کل مدل را شبیه‌سازی کنیم. این مزیت کارآمد بودن محاسباتی و ایجاد نتایج متقارن در اطراف دو صفحه اصلی را نشان می دهد. شکل زیر نتایج بدست آمده از تحلیل های آباکوس (راست) و SolidWorks (چپ) را نشان می دهد.

جمع بندی

هر کسی را بهر کاری ساختند!

همانطور که در شکل بالا ملاحظه می شود، نتایج بدست آمده از تحلیل های آباکوس و سالیدورکس تقریبا هر دو در یک محدوده هستند. اما باید به این نکته توجه داشت که هر نرم افزار با چه هدفی توسعه پیدا کرده است. میدانیم که آباکوس ذاتا یک نرم افزار CAE و سالیدورکس یک نرم افزار CAD است. همانطور که در آباکوس ماژولی برای نقشه کشی Sketch و مدل سازی Part وجود دارد، در SolidWorks ماژولی برای تحلیل FEA قرار داده اند. در واقع هدف از این کار این است که تا حد ممکن بتوان کارهای ابتدایی را در یک نرم افزار انجام داد.

همانطور که با آباکوس نمی توان مدل های پیچیده را طراحی کرد، در سالیدورکس نمیتوان تحلیل های پیچیده که دارای پارامترهای غیرخطای مختلف در ماده، هندسه، تماس و اجزا محدود است انجام داد. به تجربه می توان گفت که سالیدورکس برای تحلیل های اولیه سرپایی (!) یا Design in progress خوب است و به طور مثال می توان پیوستگی مدل و تخمین اولیه ای از رفتار آن را مشاهده کرد. اما برای درک عمیقتر از رفتار مدل و تفسیر حرفه ای تر آن باید به سراغ نرم افزاری مثل آباکوس رفت.

متاسفانه در سال های اخیر دیده ام که تحلیل های انجام شده با SolidWorks به دلیل تجربه و دانش کم طراح و امکانات محدودی که مدیر یک شرکت دارد، پروژه های بزرگ با شکست مواجه شده است. این شکست منجر به تلفات مالی و زمانی هنگفتی بوده است که از نزدیک شاهد این موضوع بوده ام!

مقایسه کیفی آباکوس و سالیدورک

در جدول زیر مقایسه خوبی بین آباکوس و سالیدورکس از نقطه نظرهای مختلف انجام شده است که درک بهتری از وضعیت آباکوس و سالیدورکس دارد.

حرف آخر

نرم‌افزار آباکوس، یک ابزار قدرتمند برای مهندسان و پژوهشگران است که به تحلیل المان محدود و مسائل چندفیزیکی پیچیده نیاز دارند. این نرم‌افزار بیشتر در صنایع پیشرفته از جمله هوافضا، خودروسازی، انرژی، و مهندسی سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای پروژه‌های پژوهشی و تحقیقاتی با پیچیدگی‌های فنی بالا مناسب است.

سالیدورک نیز یک ابزار مناسب برای طراحان و مهندسان است که به طراحی سه بعدی و تحلیلات مکانیکی در محیط کاربری ساده علاقه دارند. کاربران در صنایع مختلف از جمله صنایع تولید، الکترونیک، ماشین‌سازی، و مهندسی محصول از SolidWorks بهره‌مند می‌شوند و این نرم‌افزار برای پروژه‌های طراحی و مدل‌سازی محصولات با امکانات تحلیلات مکانیکی استفاده می‌شود.

در بازار کار، تقاضا برای متخصصان با تجربه در هر دو نرم‌افزار وجود دارد، اما انتخاب بین آباکوس و سالیدورکس با توجه به قابلیت‌ها، مزایا و معایب مطرح شده در این مقاله برای هر دو نرم‌افزار بستگی به نیازها و تخصص شخص دارد.

اگر آمادگی و زمان کافی برای یادگیری دارید، آباکوس بهترین گزینه خواهد بود. اما اگر نیازمندی‌های شما به تحلیل‌های ساده‌تر و همچنین انجام طراحی مهندسی باشد، سالیدورکس ممکن است گزینه‌ی مناسب‌تری باشد.

در نهایت، انتخاب نرم‌افزار مناسب برای انجام پروژه FEA از مهم‌ترین تصمیماتی است که شما به عنوان یک مهندس می‌توانید بگیرید، بنابراین تحقیق و ارزیابی دقیق قابلیت‌های نرم افراز مورد استفاده و آنچه که نیاز دارید از اهمیت بالایی برخوردار است.

از اینکه تا انتهای مقاله با ما همراه بودید سپاسگزارم.

سوالات متداول