نرم افزار های مهندسی مکانیک -تحلیل مهندسی CAE (بخش سوم)

در نوشته های قبلی ، نرم افزار های عمومی مهندسی مکانیک و همچنین نرم افزار های طراحی مهندسی مکانیک را بررسی کردیم.‌
در این نوشته پا به دنیای تحقیق و محاسبات می گذاریم و پرکاربرد ترین نرم افزار های تحلیلی و محاسباتی را معرفی و بررسی می کنیم.

گفتنی است که چه نرم افزار های طراحی و چه تحلیلی معرفی شده ، محدود به مهندسی مکانیک نیستند و کاربرد های بسیاری در رشته های مرتبط مانند : مکاترونیک ، رباتیک ، مهندسی مواد ، مهندسی شیمی ، بیومکانیک و مهندسی پزشکی  دارند.

• نرم افزار Matlab

متلب (Matlab) یک محیط نرم‌افزاری برای انجام محاسبات عددی و یک زبان برنامه‌نویسی نسل چهارم است. واژه ی متلب هم به معنی محیط محاسبات رقمی و هم به معنی خود زبان برنامه‌نویسی مربوطه‌است که از ترکیب دو واژه  ماتریس (MATrix ) و آزمایشگاه (LABoratory) ایجاد شده‌است. این نام حاکی از رویکرد ماتریس محور برنامه‌است که در آن حتی اعداد منفرد هم به عنوان ماتریس در نظر گرفته می‌شوند.

ماژول سیمولینک (Simulink) به شما اجازه می‌دهد معادلات ریاضی خود را به جای کدنویسی ، در محیطی تعاملی شبیه سازی کنید. سیمولینک در سیستم های کنترلی و شبیه سازی سیستم های چندگانه و پیشرفته بسیار پرکاربرد است.

از ماژول های کاربردی دیگر متلب برای مهندسان مکانیک می‌توان سیم مکانیکز (SimMechanics) برای شبیه سازی سیستم های مکانیکی مانند ربات ها ، سیستم های تعلیق خودرو ، تجهیزات ساخت و ساز ، همچنین سیم هیدرولیکز (SimHydraulics) برای شبیه سازی سیستم های هیدرولیکی را نام برد.

باز هم قابلیت های متلب به این ها محدود نمی‌شود. به وسیله متلب می‌توانید انواع هوش مصنوعی را توسعه دهید ، شبکه های عصبی ایجاد کنید و مسائل مهندسی چند متغیره را به وسیله منطق فازی بهینه سازی کنید.

برخی دیگر از کاربرد های متلب در مهندسی مکانیک عبارتند از :

• تحلیل سازه
• مدل سازی و تحلیل المان محدود
• تحلیل حرارتی
• تحلیل ساختار های کامپوزیتی
• سیستم های کنترلی

برای آشنایی بیشتر با متلب و کاربرد های آن ویدیو زیر را تماشا کنید.

• نرم افزار COMSOL Multiphysics

کامسول (COMSOL Multiphysics) یک مجموعه کامل شبیه‌سازی است که می‌تواند معادلات دیفرانسیل سیستم‌های غیر خطی را توسط مشتق‌های جزئی به روش المان محدود (FEM) در فضاهای یک ، دو و سه بعدی حل نماید. کامسول همانطور که از اسم آن پیداست ، چند فیزیکی است یعنی شما می‌توانید بر اساس کاربرد خود فیزیک های مختلف را به شبیه سازی خود اضافه کنید.

کامسول در مهندسی مکانیک جامدات و سیالات ، مهندسی پزشکی، بیومکانیک ، مهندسی شیمی ، فیزیک ، الکترومغناطیس ، انتقال حرارت و جرم ، آکوستیک و بسیاری از زمینه های دیگر کاربرد دارد.

همچنین کامسول با نرم افزار های دیگری چون سالیدورکز ، متلب و اکسل به راحتی ارتباط برقرار می‌کند و از این جهت مشکلی نخواهید داشت.

برای آشنایی بیشتر ، تماشای ویدیو زیر را به شما توصیه می کنیم :

• نرم افزار ANSYS Workbench

Ansys Workbench مجموعه ای از نرم افزار های مهندسی است که با استفاده از تکنیک هایی مانند المان محدود، حجم محدود و دیگر روش های عددی ، تقریباَ همه ی مسائل مهندسی از مسایل استاتیک ، دینامیک و ارتعاشات (مودال، هارمونیک، طیفی و…) سازه ها گرفته تا انتقال حرارت ، سیالات ، آکوستیک ، پیزوالکتریک ، الکتروستاتیک ، الکترومغناطیس و…  را در حالت های گذرا و پایدار ، خطی و غیرخطی پوشش می دهد.

ویژگی خاص انسیس ورکبنچ در یکپارچگی همه ی این ابزار هاست. شما می توانید در هر مرحله از کار خود نتایج کار را به نرم افزار دیگری از مجموعه ی انسیس منتقل کنید و محاسبات را ادامه دهید ، نتایج خود را مقایسه کنید ،‌ ماکرو بنویسید و روند کار خود را کنترل کنید. همه ی تبدیل واحد ها و فرمت ها را انسیس برای شما انجام می‌دهد.

برای مثال فرض کنید میخواهید جریان یک سیال را شبیه سازی کنید ؛ در ابتدا با استفاده از Design Modeler هندسه خود را طراحی می‌کنید و با انتقال آن به ICEM با کیفیت ترین و هوشمند ترین شبکه (مش بندی) را ایجاد می‌کنید ، در قدرتمند ترین حلگر اختلاف محدود یعنی Fluent آن را حل می‌کنید و توسط بسته حرفه ای CFD – post خروجی نتایج خود را دریافت می‌کنید ، حال می‌توانید نتایج تحلیل خود را به عنوان وروردی قسمت دیگری از حل خود قرار دهید و یا الکترو‌مغناطیس را در همان شبکه تحلیل کنید.
با قدرت یکپارچگی انسیس ، پریدن از نرم افزاری به نرم افزار دیگر در مجموعه انسیس ، به بهترین و ساده ترین نحو ممکن انجام می‌شود.

دور از ذهن نیست که انسیس را غول نرم افزار های مهندسی مکانیک بدانیم ، حتی شرکت های بزرگ هم به تمام مجموعه انسیس نیازی پیدا نمی‌کنند و بخشی از آن را خریداری می‌کنند.

ویژگی دیگر انسیس ، امکان پردازش موازی است. می‌توانید چند کامپیوتر را با شبکه به هم متصل کنید و از توان پردازشی همه ی آن ها در انسیس استفاده کنید.

فقط برخی از ماژول های این غول نرم افزاری عبارتند از :

– ANSYS Multiphysics
– ANSYS Mechanical
– ANSYS Structural
– ANSYS Fluent
– ANSYS CFX
– ANSYS CFD-Flo
– ANSYS Maxwell
– ANSYS HFSS

ویدیو معرفی انسیس را می‌توانید در ادامه تماشا کنید :

• نرم افزار SIMULIA Abaqus

نرم‌افزار آباکوس (Abaqus) مجموعه ای بسیار توانمند از برنامه‌های مدل‌سازی است که بر پایه روش اجزاء محدود شکل گرفته و توانایی حل طیف گسترده‌ای از مسائل علمی و صنعتی، از مسائل ساده و دارای تحلیل خطی تا مباحث پیچیده مدل‌سازی غیرخطی را دارا می‌باشد.

محیط کاربرپسند و جذاب در کنار کتابخانه قوی پیش‌بینی رفتار مواد مهندسی (از قبیل فلزات ، لاستیک‌ها ، مواد پلیمری ، کامپوزیت‌ها ، مصالح عمرانی مثل بتن‌های تقویت‌شده ، فوم‌های فنری ، سنگ و خاک) از آباکوس نرم‌افزاری کارآمد و مورد توجه محققین ساخته است.

آباکوس را می‌توان رقیب سرسخت انسیس در تحلیل جامدات دانست ولی بدون شک در تحلیل مکانیک سیالات انسیس پیشرو است.

نرم افزار آباکوس پنج محصول اصلی را در خود جای داده است که عبارتند از :

– Abaqus/Standard
– Abaqus/Explicit
– Abaqus/CAE or Complete Abaqus Environment
– (Abaqus/CFD (Computational Fluid Dynamics
– Abaqus/Multiphysics

ویدیو معرفی نسخه جدید آباکوس را می‌توانید در ادامه تماشا کنید :

• نرم افزار  ANSYS Fluent

فلوئنت (Fluent) فقط یکی از نرم افزار های مجموعه ی انسیس است ، ولی به قدری قدرتمند و پرکاربرد است که لازم است آن را جداگانه بررسی کنیم.

نرم‌افزار فلوئنت در واقع ، ‌اوج هنر برنامه‌نویسی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه‌های پیچیده می‌باشد. این نرم‌افزار امکان بهبود شبکه و تحلیل جریان با شبکه‌های غیرساخت‌یافته برای هندسه‌های پیچیده را فراهم می‌سازد.

برخی از قابلیت های فلوئنت عبارتند از :

– شبیه سازی جریان های یک تا سه بعدی
– جریان تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر
– تحلیل پایا (Steady) یا گذرا (Transient)
– جریان‌های لزج، آرام و متلاطم
– سیال‌های نیوتنی و غیرنیوتنی
– انتقال حرارت و جرم
-نانو سیال ها
– مش‌های پویا و لغزان
– واکنش‌های و ترکیبات شیمیایی ،‌ احتراق و مدل‌های واکنشی
– مبدل‌های حرارتی، فن‌ها، رادیاتورها و بازده آن‌ها
– جریان‌های دوفازی و چندفازی
– جریان‌های سطح آزاد با شکل‌های سطح پیچیده

نرم افزار انسیس فلوئنت در صنایع مختلف نظیر ؛ هوافضا ، پتروشیمی ، توربوماشین ها ، انرژی ، خودرو ، الکترونیک ، تهویه ، مبدل های حرارتی ، مهندسی پزشکی و بسیاری دیگر در بخش تحقیق و توسعه سازمان ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• نرم افزار Adams

وقتی سخن از دینامیک سیستم های چند جسمی و مکانیزنم های پیچیده باشد ، آدامز (Adams) قوی ترین و پرکاربرد ترین نرم افزار تحلیلی می باشد.

با استفاده از بخش‌های مختلف در نظر گرفته شده در این نرم‌افزار می‌توان با شبیه‌سازی حرکتی سیستم مکانیکی ، تست سینماتیکی سیستم ، سنجش نیروهای وارده بر اتصالات و… عمر قطعات  سیستم را تعیین کرده و جایابی قطعات را بصورت بسیار دقیق و منظم انجام داد. بررسی کنترل ارتعاش سیستم‌ها و امکان انجام تست‌ها برای قطعات قابل انعطاف از ویژگی‌های این نرم‌افزار می‌باشد. این نرم‌افزار توانایی ارتباط با نرم‌افزارهای تخصصی دیگر مانند  Pro/E ، Catia ، Ansys را دارا می‌باشد.

برخی از بخش های مختلف آدامز عبارتند از :

– ADAMS/View
– ADAMS/Car
– ADAMS/Engine
– ADAMS/Aircraft
– ADAMS/Chassis
– ADAMS/Rail
– ADAMS/Insight
– ADAMS/Control
– ADAMS/Vibration
– ADAMS/Hydraulics

شما را به تماشای ویدیو «۱۰ دلیل که باید از آدامز استفاده کنید» دعوت می کنم :

نتیجه گیری

آیا یادگیری همه‌ی این نرم افزار ها برای یک مهندس لازم است ؟ کدام یک را یاد بگیریم ؟ انسیس بهتر است یا آباکوس ؟

حقیقت این است که همه‌ی نرم افزار های معرفی شده ، محصولات تجاری و بسیار قدرتمند هستند که توسط شرکت های بزرگ چند ملیتی استفاده می‌شوند.

تفاوتی ندارد که شما یک مسئله المان محدود را به وسیله انسیس ، کامسول یا آباکوس حل کنید ، در هر حالت اگر به فیزیک مسئله و تئوری المان محدود تسلط داشته باشید و نرم افزار را به خوبی بشناسید ، پاسخ همه ی نرم افزار ها مشابه است. این اصل برای تحلیل های دیگر نظیر دینامیک و سیالات نیز صادق است.

در آخر از نظر نویسنده اگر در مقطع کارشناسی و یا ارشد مهندسی مکانیک هستید ، برای پروژه های تحقیقاتی دانشگاهی و حتی بسیاری از پروژه های صنعتی ، کامسول به دلیل سادگی گزینه مناسبی است.

در حقیقت کامپیوتر های شخصی توانایی استفاده کامل از توان این نرم افزار های تجاری را ندارند و شما نمی‌توانید به سادگی از تمام قدرت نرم افزار در لپتاپ خود بهره ببرید.

برای رشته های مکانیک سیالات ، تبدیل انرژی و مهندسی شیمی استفاده از کامسول مرسوم است. ولی همانطور که گفته شد ؛ غول این حوزه از تکنولوژی انسیس فلوئنت است و به کسانی که به دنبال ماجراجویی‌های بزرگ در دنیای طراحی و تحلیل مهندسی هستند‌ ، یادگیری انسیس توصیه می‌شود.

برای مهندسان مکانیک جامدات ، کار با آباکوس مرسوم تر است. دلیل آن کاربر پسند بودن و در عین حال قدرتمند بودن این نرم افزار در مکانیک جامدات است.

اگر به تحلیل های دینامیکی علاقمند هستید ، گزینه های ساده تری همچون Working Model و Nastran نیز پیش روی شما قرار دارند. ولی همانطور که گفته شد Adams قدرتمند ترین است.

در نهایت لازم است یادآوری کنیم که فرآیند طراحی ، تحلیل و توسعه محصول در مغز انسان شکل می‌گیرد و این نرم‌افزار ها فقط ابزار دست مهندس برای ساده سازی و کاهش هزینه های آزمایش و تست هستند. یک اپراتور نرم افزار که در پایه های علم مهندسی مشکل دارد (به اصطلاح مهندس کلیکی) نمی‌تواند با چند کلیک در نرم‌افزار محصولات خارق العاده ای خلق کند.

جمع‌آوری و نگارش: خط مهندسی
منبع: خط مهندسی