سابروتین نویسی راه فرار از محدودیت های آباکوس

نرم فزار آباکوس از دید بسیاری از مهندسین المان محدود بخصوص حوزه جامدات، قدرتمندترین و در عین حال کاربرپسندترین نرم افزار تجاری موجود است. اما با وجود همه ویژگی ها و امکانات برای تحلیل برخی پدیده ها در محیط CAE نرم افزار، یا با کمبود قابلیت ها مواجه می شویم یا امکان حل مسئله با صرف زمان و انرژی بسیار زیادی وجود دارد. به همین دلیل ناچاریم از روش های مبتنی بر کدنویسی در آباکوس استفاده کنیم. یکی از مهمترین روش ها، سابروتین نویسی در آباکوس به زبان فرترن است که با توسعه قابلیت های آنالیز آباکوس، امکان حل دایره وسیعی از مسائل را میسر می سازد.

آباکوس چیست؟

آباکوس (ABAQUS) ، یکی از  نرم افزار های تحلیل CAE بر پایه المان محدود است که توسط شرکت داسو سیستمز (Dassault Systemes) توسعه یافته است و در رشته های مختلفی مانند مهندسی مکانیک، مهندسی هوافضا، مهندسی عمران، مهندسی پزشکی، مهندسی  مواد و ..... برای مسائل متنوعی مثل شکست، ضربه، آکوستیک، ارتعاشات و.... کاربرد دارد. همانطور که پیش تر  در مقاله (همه چیز درباره نرم افزار آباکوس!) اشاره شده بود، آباکوس دارای قابلیت ها و ویژگی های جذاب و گاها منحصر به فردی است که باعث شده در سال های اخیر بتواند مهندسین زیادی را به خود جلب کند و از این نظر از سایر رقبا مانند انسیس (ANSYS) سبقت بگیرد.

علیرغم همه امکانات آباکوس در مدلسازی پدیده ها و حل مسائل، گاهی محیط gui یا محیط CAE نرم افزار پاسخگوی نیاز کاربر نیست. البته شرکت داسو سیستمز (Dassault Systemes) بعنوان طراح و منتشر کننده آباکوس برای این نوع از مسائل هم راه حلی در نظر گرفته است و در واقع قابلیت تغییر در کتابخانه های نرم افزار را فراهم کرده است. این تغییرات از طریق کدنویسی قابل انجام هستند.

انواع کد نویسی درآباکوس:

کی ورد نویسی :

به کدی که معمولا در حین ران و تحلیل نوشته می شود، کی ورد (Keyword) گفته می شود که گاهی می توان تغییراتی در آن ایجاد کرد. به طور مثال در حل failure  برای مواد نرم اگر با پارامترهای failure آشنایی نداشته باشید، با چند خط کدنویسی می توان جداشدن المان ها را ببینید یا به طور مثال برای ایجاد یه نقص اولیه نوشته می شود.

اسکریپت نویسی در آباکوس:

این نوع کدنویسی که به زبان پایتون است معمولا در جایی که نیاز به انجام یک فرآیند تکراری داریم به کار می رود. به طور مثال در خیلی از تحلیل های CAE به آنالیز حساسیت مش نیاز داریم که مطمئن شویم چه سایزی از مش برای این مسئله مناسب است. برای این کار در هر بار ران، سایز مش را به صورت درصدی از سایز مش قبلی کاهش می دهیم و مجدد ران می گیریم و این کار تا جایی ادامه دارد که ریزتر شدن مش بر روی نتایج تحلیل تاثیر به سزایی نداشته باشد. هرچند انجام این پروسه تکراری و طولانی در محیط اصلی آباکوس قابل انجام است. اما به صرفه نیست، به همین دلیل از اسکریپت نویسی کمک می گیریم که به کمک حلقه های for و سایر امکانات برنامه نویسی پایتون، این فرآیند را با صرف انرژی و زمان کمتری انجام دهد. مثال دیگر از کاربرد اسکریپت نویسی می توان به موضوعات بهینه سازی اشاره کرد.

سابروتین نویسی در آباکوس :

سابروتین نویسی نیز مانند 2 روش بالا، به عنوان راهی برای توسعه قابلیت های نرم افزار آباکوس استفاده می شود. سابروتین یا به ترجمه فارسی (زیر روال) مجموعه ای از کد است که به زبان فرترن نوشته می شود و به کاربران در تعریف بارگذاری های خاص، مدل های رفتاری خاص، شرایط مرزی خاص و به طور کلی شخصی سازی کردن تعاریف کمک می کند.

مثلا تعریف رفتار غیرخطی مواد در ناحیه پلاستیک و مشخص کردن آن ناحیه توسط یک رابطه الاستیک یکی از کاربردهای ساده سابروتین نویسی است. پس با سابروتین نویسی در آباکوس با استفاده از کدنویسی قابلیت های محیط CAE افزایش خواهد یافت و انواع مدل های المان محدود قابل حل خواهند شد.

بسته به نیازی که در مسائل مختلف وجود دارد سابروتین های متعددی، توسعه یافته اند که در اینجا به چند نمونه معروف و پرکاربرد آن ها پرداخته می شود:

سابروتین USDFLD

سابروتین User-defined field یا به اختصار USDFLD جهت تعریف متغیرهای میدان در یک ناحیه خاص است. به عبارت دیگر به کمک USDFLD شما می توانید متغیرهای میدان را در هر نقطه ای به صورت تابعی از زمان تعریف کنید. از کاربردهای رایج و معروف این نوع سابروتین نویسی در آباکوس می توان به این تحلیل ها اشاره کرد:

• برای تعریف معیارهای آسیب در کامپوزیت ها که می توان هر لایه را با توجه به خواص آن بررسی کرد. در حالی که در محیط CAE فقط یکی از معیارها را و فقط به صورت 2 بعدی در اختیار داریم.
• در تحلیل پرینت های سه بعدی برای شبیه سازی تغییر فاز پودر به ماده جامد
• در تحلیل اتصالات پیچ و مهره ای در سازه های هواپیماها که به شبیه سازی تنزل خواص سفتی مواد و آنالیز شکست در فرآیند بارگذاری کمک می کند.
• در تحلیل ماشین کاری سرعت بالا

سابروتین UMAT

سابروتین user-defined material یا به اختصار UMAT به تعریف ثوابت ورودی خاص برای مواد در جهت ایجاد مدل مکانیکی جدید (منحصر به فرد) می پردازد. موارد زیر از کاربردهای این سابروتین نویسی می باشند:

• تحلیل آسفالت مورد استفاده در معابر
• تحلیل تنش حرارتی برای کامپوزیت های دوگانه کربن / کولار در فرآیند برش لیزر
• تعریف ویژگی های مواد FGM

سابروتین VUMAT

سابروتین VUMAT از نظر کاربرد و ویژگی ها مشابه سابروتین UMAT است با این تفاوت که در موارد استفاده از UMAT حلگر استاندارد آباکوس Abaqus/Standard Subroutines   به کار گرفته می شود، اما برای استفاده از سابروتین نویسی VUMAT از حلگر Abaqus/Explicit Subroutine بهره می بریم.

سابروتین DLOAD

از این نوع سابروتین نویسی در آباکوس زمانی استفاده می شود که در حال شبیه سازی بارگذاری متغیر با زمان یا متغیر با مکان هستیم. به طور مثال هدف پروژه بررسی یک کامیون در حال حرکت برروی یک پل است. یا در حال تحلیل ریل مترو هستیم. یکی دیگر از کاربردهای سابروتین DLOAD شرایطی است که با شار حرارتی متغیر با زمان مانند تحلیل های جوشکاری مواجه هستیم.

سابروتین DISP

این سابروتین برای تعریف شرایط مرزی مورد نظر کاربر به صورت تابعی از زمان و مکان کاربرد دارد.

جمع بندی

در آخر می توان اشاره کرد، از آنجایی که در سال های گذشته موضوعات قابل حل با محیط gui آباکوس، تا حد زیادی مطرح شده و به کار گرفته شده اند، در سال های اخیر در اکثر تحقیقات و پروژه های دانشگاهی و آکادمیک و حتی پروژه های صنعتی از تحلیل هایی بر اساس سابروتین نویسی در آباکوس استفاده می شود، تا هم نتایج دقیق تری حاصل شود و هم از نظر صرف زمان، انرژی و هزینه بهینه تر عمل شده باشد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا