پس از ساخت قطعات، تعریف خواص مواد و ایجاد Assembly، مرحله بعدی آمادهسازی مدل برای شبیهسازی رفتار واقعی سازه است. در این مرحله باید مشخص شود قطعات چگونه نسبت به یکدیگر حرکت میکنند، تحلیل در چه مراحلی انجام میشود و در محل تماس قطعات چه نوع رفتار مکانیکی وجود دارد.
در Abaqus این وظایف عمدتاً با Assembly Module، Step Module و Interaction Module انجام میشوند. Assembly برای تعیین موقعیت اولیه قطعات و ایجاد مونتاژ استفاده میشود، Step مراحل تحلیل را تعریف میکند و Interaction برای تعریف Contact، Tie و سایر قیود و برهمکنشهای مکانیکی به کار میرود.
تفاوت قیود مونتاژ و قیود تحلیل
یکی از مهمترین مفاهیم در این بخش، تفاوت بین Position Constraint و Analysis Constraint است.
قیودی که در Assembly Module ایجاد میشوند، برای تعیین موقعیت اولیه Instanceها در مونتاژ هستند. برای مثال میتوان مشخص کرد که دو سطح موازی باشند یا دو محور نسبت به یکدیگر همراستا شوند.
اما قیودی که در Interaction Module ایجاد میشوند، روی درجات آزادی مدل در طول تحلیل اثر میگذارند. برای مثال Tie، Rigid Body، Coupling و Equation از این دسته هستند.
بنابراین نزدیک بودن دو قطعه در Assembly بهتنهایی به این معنی نیست که در زمان تحلیل به یکدیگر متصل هستند یا با هم تماس دارند.
قیود موقعیتی در Assembly
در Assembly میتوان از Position Constraint برای تعیین رابطه هندسی بین Instanceها استفاده کرد.
برخی کاربردهای رایج عبارتاند از:
هممحور کردن دو قطعه
موازی کردن دو سطح
منطبق کردن دو سطح
همراستا کردن لبهها
قرار دادن یک قطعه نسبت به قطعه دیگر
تعیین موقعیت اولیه قطعات در مونتاژ
این قیود در واقع بخشی از فرآیند ساخت Assembly هستند و برای آمادهسازی هندسی مدل استفاده میشوند.
همراستا کردن قطعات
فرض کنید یک شفت و یک یاتاقان در Assembly داریم. برای قرارگیری صحیح شفت درون یاتاقان، باید محورهای آنها همراستا شوند.
میتوان با استفاده از ابزارهای موقعیتدهی، محور شفت را با محور سوراخ یاتاقان منطبق کرد.
پس از آن میتوان موقعیت طولی شفت را نیز تعیین نمود.
این عملیات فقط جایگاه اولیه شفت را مشخص میکند و بهتنهایی رفتار Contact بین شفت و یاتاقان را تعریف نمیکند.
قرار دادن دو سطح روی یکدیگر
در برخی مونتاژها لازم است دو سطح در ابتدا روی یکدیگر قرار گیرند.
برای مثال:
Flange A ↔ Flange B
میتوان با Position Constraint مناسب، دو سطح را منطبق کرد.
اما اگر قرار باشد این دو سطح در زمان تحلیل واقعاً به یکدیگر متصل باشند، باید رفتار مناسب مانند Tie یا Contact نیز در Interaction Module تعریف شود.
مفهوم Step در آباکوس
Step Module برای تعریف مراحل مختلف تحلیل استفاده میشود.
در Abaqus یک Initial Step بهصورت خودکار وجود دارد و پس از آن میتوان یک یا چند Analysis Step ایجاد کرد. Initial Step برای شرایطی که از ابتدای تحلیل برقرار هستند مناسب است و Analysis Stepها نوع و توالی تحلیل را مشخص میکنند.
برای مثال یک تحلیل ممکن است شامل مراحل زیر باشد:
Initial → Step-1 → Step-2 → Step-3
که هر مرحله میتواند وضعیت متفاوتی از بارگذاری یا برهمکنش را نمایش دهد.
چرا تحلیل را به چند Step تقسیم میکنیم؟
در بسیاری از مسائل مهندسی، بارگذاری یکباره انجام نمیشود.
برای مثال در تحلیل یک اتصال پیچدار ممکن است ابتدا:
Step 1 → بستن پیچ
و سپس:
Step 2 → اعمال بار خارجی
و در ادامه:
Step 3 → افزایش بارگذاری
انجام شود.
به این ترتیب Abaqus میتواند تاریخچه تغییر وضعیت سیستم را دنبال کند.
یکی از مزیتهای مهم Step این است که Load، Boundary Condition و Interaction میتوانند در مراحل مختلف فعال، غیرفعال یا تغییر داده شوند.
انتخاب نوع Step
نوع Step باید مطابق مسئله فیزیکی انتخاب شود.
برای مثال:
Static, General برای بسیاری از مسائل استاتیکی غیرخطی
Dynamic, Implicit برای برخی مسائل دینامیکی
Dynamic, Explicit برای مسائل دینامیکی شدید و تماسهای پیچیده
Frequency برای تحلیل فرکانسی
Buckling برای بررسی کمانش
Heat Transfer برای انتقال حرارت
نوع Step علاوه بر تعیین روش تحلیل، روی Outputهای پیشفرض و تنظیمات محاسباتی نیز تأثیر میگذارد.
تعریف Interaction
در Interaction Module میتوان رابطه مکانیکی بین نواحی مختلف مدل را تعریف کرد.
این محیط برای مواردی مانند:
Contact
Tie
Rigid Body
Coupling
Equation
Connector
Embedded Region
Shell-to-Solid Coupling
استفاده میشود.
در واقع Interaction Module یکی از مهمترین بخشها برای تبدیل یک Assembly هندسی به یک مدل مکانیکی واقعی است.
مفهوم Contact در آباکوس
وقتی دو قطعه بتوانند نسبت به یکدیگر تماس داشته باشند، باید این رفتار در Abaqus تعریف شود.
برای مثال:
Shaft ↔ Bearing
Gear ↔ Gear
Plate ↔ Support
Bolt ↔ Hole
در چنین شرایطی Abaqus باید بداند:
چه سطوحی با یکدیگر تماس دارند؟
آیا امکان جدا شدن وجود دارد؟
آیا اصطکاک وجود دارد؟
رفتار نرمال تماس چگونه است؟
چه الگوریتمی برای اعمال Contact استفاده شود؟
تعریف Contact در Abaqus بر اساس Surfaceها و Contact Propertyها انجام میشود.
Surfaceهای تماس
برای تعریف Contact معمولاً باید سطح یا سطوحی که در تماس هستند مشخص شوند.
برای مثال میتوان دو Surface ایجاد کرد:
Surface_A
و
Surface_B
سپس Interaction بین آنها تعریف شود.
در مدلهای پیچیده، تعریف صحیح Surfaceها اهمیت زیادی دارد؛ زیرا Contact فقط در نواحی انتخابشده فعال خواهد بود.
Contact Property
پس از تعیین سطوح تماس، باید رفتار Contact مشخص شود.
یکی از مهمترین اجزای Contact Property، رفتار در راستای نرمال و رفتار اصطکاکی در راستای مماسی است.
بهصورت مفهومی:
Normal Behavior → جلوگیری از نفوذ
Tangential Behavior → اصطکاک و لغزش
در Contact میتوان مدلهای مختلفی برای فشار-فاصله و اصطکاک تعریف کرد.
رفتار نرمال Contact
در جهت نرمال، یکی از اهداف اصلی Contact جلوگیری از نفوذ غیرواقعی دو جسم در یکدیگر است.
در Abaqus میتوان رفتارهایی مانند تماس سخت را برای رابطه فشار و جدایی تعریف کرد.
برای مثال در یک تماس فلز-فلز، هنگامی که دو سطح به یکدیگر میرسند، انتقال فشار امکانپذیر است؛ اما در شرایط معمول نباید دو جسم به شکل فیزیکی در یکدیگر نفوذ کنند.
رفتار اصطکاکی
در جهت مماسی، میتوان اصطکاک را تعریف کرد.
پارامتر مهم در مدل ساده اصطکاکی، ضریب اصطکاک μ است.
بهصورت مفهومی:
Friction Force = μ × Normal Force
برای مثال اگر بین دو سطح فلزی اصطکاک وجود داشته باشد، حرکت نسبی آنها تحت تأثیر این رفتار قرار میگیرد.
در Contact Property میتوان رفتار اصطکاکی مناسب را تعریف کرد.
Surface-to-Surface Contact
یکی از روشهای رایج در Abaqus، Surface-to-Surface Contact است.
در این روش دو Surface مشخص شده و رابطه Contact بین آنها تعریف میشود.
برای مثال:
Master/Secondary Surface
یا در اصطلاحات جدیدتر Contact، سطوح مربوط به دو طرف برهمکنش مشخص میشوند.
در Abaqus/Standard میتوان Surface-to-Surface Contact را از Interaction Module ایجاد کرد و سپس سطوح موردنظر را انتخاب نمود.
General Contact
در مدلهایی که تعداد زیادی سطح میتوانند با یکدیگر تماس پیدا کنند، General Contact میتواند گزینه بسیار مناسبی باشد.
در General Contact لازم نیست تمام زوجهای تماس بهصورت جداگانه تعریف شوند. میتوان یک دامنه Contact مشخص کرد و Abaqus سطوح مربوط به تماس را بر اساس تعریف انجامشده مدیریت میکند.
این قابلیت بهخصوص در مسائل دارای:
تماسهای متعدد
تغییر وضعیت تماس
تماس قطعات متعدد
Self-Contact
کاربرد زیادی دارد.
Contact Pair در مقابل General Contact
Abaqus چند رویکرد برای مدلسازی Contact دارد.
در Abaqus/Standard میتوان از:
General Contact
Contact Pair
Contact Elements
استفاده کرد.
در Abaqus/Explicit نیز General Contact و Contact Pair در دسترس هستند.
در یک مدل ساده که تنها دو سطح مشخص با یکدیگر تماس دارند، Contact Pair میتواند کنترل مستقیمتری فراهم کند.
در یک مدل پیچیده با تعداد زیادی تماس احتمالی، General Contact معمولاً مدیریت سادهتری دارد.
Tie Constraint
گاهی دو قطعه باید طوری به یکدیگر متصل شوند که هیچ حرکت نسبی بین آنها وجود نداشته باشد.
برای چنین شرایطی میتوان از Tie Constraint استفاده کرد.
برای مثال:
Composite Skin ↔ Stiffener
یا:
Two bonded components
Tie میتواند دو Region را به یکدیگر متصل کند، حتی اگر مش دو سطح یکسان نباشد.
این نکته برای مدلهای دارای Mesh متفاوت بسیار مهم است.
تفاوت Tie و Contact
Tie یعنی دو ناحیه در طول تحلیل به یکدیگر متصل باقی بمانند و حرکت نسبی آنها محدود شود.
اما Contact اجازه میدهد بسته به وضعیت بارگذاری، دو سطح:
به هم برسند،
فشار منتقل کنند،
از هم جدا شوند،
و در صورت وجود اصطکاک نسبت به یکدیگر لغزش داشته باشند.
بنابراین نباید برای تمام اتصالات از Tie استفاده کرد.
Rigid Body Constraint
در بعضی مدلها یک قطعه یا بخشی از سازه باید رفتار جسم صلب داشته باشد.
در این حالت میتوان از Rigid Body Constraint استفاده کرد.
این Constraint حرکت Region را به یک Reference Point مرتبط میکند و موقعیت نسبی اجزای آن Region نسبت به یکدیگر ثابت میماند.
این روش برای مدلهایی مانند:
ابزارهای صلب
فکهای ماشین تست
صفحات صلب
اجزای مکانیکی با تغییرشکل ناچیز
کاربرد دارد.
Coupling Constraint
در برخی مسائل لازم است حرکت چندین نقطه یا یک Surface به حرکت یک Reference Point مرتبط شود.
در این شرایط میتوان از Coupling استفاده کرد.
برای مثال، میتوان بار را از طریق Reference Point به یک سطح منتقل کرد و حرکت یا بارگذاری سطح را به RP مرتبط نمود.
این روش در مدلسازی:
بارگذاری صفحات
اتصالات
سازههای پوستهای
مدلهای دارای Reference Point
کاربرد زیادی دارد.
فعال و غیرفعال کردن Interaction در Stepها
Interactions نیز مانند بسیاری از شرایط مدل میتوانند به Step وابسته باشند.
برای مثال ممکن است Contact در Step اول فعال باشد و در Step بعدی تغییر کند یا غیرفعال شود.
این قابلیت برای شبیهسازی فرآیندهای چندمرحلهای اهمیت زیادی دارد. Abaqus صراحتاً Interactions را بهعنوان step-dependent objects معرفی میکند.
Contact Detection
در مدلهای پیچیده، پیدا کردن تمام زوجهای تماس بهصورت دستی میتواند زمانبر باشد.
Abaqus/CAE ابزار Contact Detection دارد که میتواند سطوحی را که بر اساس فاصله اولیه احتمال تماس دارند شناسایی کند.
پس از شناسایی، کاربر میتواند زوجهای پیشنهادی را بررسی کرده و برای آنها Contact یا Tie ایجاد کند.
این ابزار بهخصوص برای Assemblyهای سهبعدی بزرگ مفید است.
رابطه بین Assembly، Step و Interaction
برای درک بهتر روند مدلسازی میتوان این سه محیط را به شکل زیر در نظر گرفت:
Assembly → قطعات کجا قرار دارند؟
Step → تحلیل چگونه و در چه مراحلی انجام میشود؟
Interaction → قطعات چگونه با یکدیگر رفتار میکنند؟
برای مثال در یک اتصال پیچدار:
Assembly: پیچ و قطعات را در موقعیت صحیح قرار میدهد.
Step: مراحل بستن پیچ و اعمال بار را تعریف میکند.
Interaction: تماس بین قطعات و اصطکاک بین سطوح را مشخص میکند.
روند پیشنهادی برای یک مدل تماسدار
یک فرآیند معمول میتواند به شکل زیر باشد:
Part → Material → Section → Assembly → Instance → Positioning → Step → Surface → Interaction Property → Contact → Load/BC → Mesh → Job
در مدلهای پیچیده ممکن است ترتیب برخی عملیات تغییر کند، اما منطق کلی همین است.
یک مثال ساده: تماس دو صفحه
فرض کنید دو صفحه داریم که صفحه بالایی روی صفحه پایینی قرار گرفته است.
ابتدا دو Part ساخته و در Assembly قرار داده میشوند.
سپس:
Step-1 → Static General
ایجاد میشود.
در ادامه سطح زیرین صفحه بالایی و سطح رویی صفحه پایینی بهعنوان Surface انتخاب میشوند.
سپس یک Contact Property تعریف میشود:
Normal Behavior → Contact
Tangential Behavior → Friction
و در نهایت Contact Interaction بین دو Surface ایجاد میشود.
اکنون Abaqus میتواند بسته به بارگذاری، فشار تماس و لغزش نسبی دو صفحه را محاسبه کند.
نکات مهم برای جلوگیری از خطا
در مدلهای Contact چند نکته اهمیت ویژهای دارند:
صرف نزدیک بودن دو قطعه در Assembly به معنی Contact نیست.
برای تماس واقعی باید Interaction تعریف شود.
Contact و Tie را با یکدیگر اشتباه نگیرید.
Surfaceهای تماس باید بهدرستی انتخاب شوند.
رفتار Normal و Tangential را متناسب با مسئله انتخاب کنید.
در مدلهای چندتماسی، General Contact میتواند تعریف مدل را سادهتر کند.
Step مناسب برای نوع تحلیل انتخاب کنید.
فعال بودن Interaction در Step موردنظر را بررسی کنید.
از تعریف Contactهای تکراری و ناسازگار خودداری کنید.
در مدلهای پیچیده، Contact Detection میتواند برای شناسایی سطوح احتمالی تماس مفید باشد.
جمعبندی
در Abaqus، مدلسازی یک مونتاژ واقعی تنها با قرار دادن قطعات کنار یکدیگر کامل نمیشود. ابتدا باید موقعیت اولیه قطعات با ابزارهای Assembly تعیین شود، سپس Stepهای تحلیل ساخته شوند و در نهایت روابط مکانیکی بین قطعات در Interaction Module تعریف شوند.
مهمترین تفاوت مفهومی این است که Position Constraint در Assembly برای موقعیت اولیه Instanceهاست، در حالی که Constraintها و Interactionهای تعریفشده در Interaction Module رفتار مدل را در طول تحلیل کنترل میکنند.
در مسائل تماس نیز انتخاب صحیح بین Contact، Tie، General Contact، Contact Pair و Rigid/Coupling Constraints تأثیر مستقیمی بر صحت مدل عددی دارد.
کلیدواژه ها : قیود مونتاژ در آباکوس-Assembly Constraints Abaqus-Position Constraint آباکوس-قیود موقعیتی آباکوس-ماژول Step آباکوس-Step Module Abaqus-تعریف Step در آباکوس-Analysis Step Abaqus-ماژول Interaction آباکوس-Interaction Module Abaqus-اتصال تماسی در آباکوس-Contact Interaction Abaqus-Surface-to-Surface Contact آباکوس-General Contact Abaqus-Contact Pair آباکوس-Tie Constraint آباکوس-Rigid Body Constraint Abaqus-Coupling Constraint Abaqus-تعریف Contact Property-Contact Property Abaqus-رفتار اصطکاکی در آباکوس-Friction Abaqus-Normal Contact Behavior-تماس سطح به سطح-Surface-to-Surface Contact-تشخیص خودکار تماس در آباکوس-Contact Detection Abaqus-مدلسازی تماس در آباکوس-Contact Modeling Abaqus-تحلیل غیرخطی تماس-Nonlinear Contact Analysis
