آموزش قیود مونتاژ، استپ و اتصالات تماسی در آباکوس

در آباکوس، Contact برای مدل‌سازی رفتار مکانیکی یا حرارتی بین دو سطح یا بین بخش‌های مختلف یک جسم استفاده می‌شود. زمانی که دو قطعه به یکدیگر نزدیک می‌شوند، برخورد می‌کنند، روی هم می‌لغزند، از یکدیگر جدا می‌شوند یا اصطکاک دارند، صرفاً قرار دادن هندسی آنها در Assembly کافی نیست و باید رفتار تماس در Interaction Module تعریف شود. آباکوس برای این منظور روش‌هایی مانند General Contact، Contact Pair و در Abaqus/Standard، Contact Elements را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. 

مفهوم Contact در آباکوس

تماس در Abaqus معمولاً با تعریف سه بخش اصلی شکل می‌گیرد:

1. Surface یا سطح تماس

2. Contact Interaction یا تعریف اندرکنش

3. Contact Property یا خواص مکانیکی تماس

برای مثال، در تماس دو قطعه فلزی باید مشخص شود کدام سطوح می‌توانند با یکدیگر تماس داشته باشند، رفتار نرمال آنها چگونه است و آیا بین آنها اصطکاک وجود دارد یا خیر. در تعریف Surface-Based Contact، آباکوس علاوه بر سطوح و Interaction، امکان تعیین مدل‌هایی مانند رابطه فشار-نفوذ، ضریب اصطکاک و رفتار حرارتی تماس را نیز فراهم می‌کند. 

تفاوت Assembly Constraint و Contact

یکی از مهم‌ترین مفاهیم این بخش، تفاوت بین قید مونتاژ و تماس است.

فرض کنید دو قطعه در Assembly در مقابل یکدیگر قرار گرفته‌اند.

قیدهایی مانند:

Face to Face

یا

Coaxial

فقط موقعیت اولیه قطعات را مشخص می‌کنند.

اما اگر در طول تحلیل قرار باشد دو قطعه به هم فشار وارد کنند، روی یکدیگر بلغزند یا از هم جدا شوند، باید Contact تعریف شود.

بنابراین:

Assembly Constraint → موقعیت هندسی اولیه

Contact Interaction → رفتار فیزیکی سطوح در طول تحلیل

ماژول Interaction در Abaqus علاوه بر Contact، امکاناتی مانند Tie، Rigid Body، Coupling و سایر قیود تحلیلی را نیز فراهم می‌کند. 

Surface در مدل تماس

قبل از تعریف بسیاری از Contactها باید سطوح موردنظر را مشخص کرد.

Surface می‌تواند بر اساس هندسه یا المان‌های مدل تعریف شود. Abaqus انواع مختلفی از Surface را پشتیبانی می‌کند؛ از جمله سطوح مبتنی بر المان، سطوح مبتنی بر Node و Analytical Rigid Surface. در Abaqus/Explicit انواع دیگری مانند Eulerian Surface نیز وجود دارد. 

برای مثال در تماس یک شفت و سوراخ، می‌توان:

Shaft Surface

و

Hole Surface

را به‌عنوان دو Surface مستقل ایجاد کرد.

سپس این دو Surface در تعریف Contact مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ایجاد Surface برای تماس

در محیط Abaqus/CAE معمولاً می‌توان از مسیر زیر Surface ایجاد کرد:

Tools → Surface → Create

سپس نوع Region مشخص شده و Faceها یا نواحی موردنظر انتخاب می‌شوند.

بهتر است Surfaceها با نام‌های مشخص ایجاد شوند، برای مثال:

• Shaft_Surface

• Hole_Surface

• Plate_Top

• Plate_Bottom

نام‌گذاری مناسب در مدل‌های پیچیده باعث می‌شود مدیریت Contactها بسیار ساده‌تر شود.

Surface-to-Surface Contact

یکی از متداول‌ترین روش‌های تعریف تماس، Surface-to-Surface Contact است.

در این روش یک Surface با Surface دیگری در تعامل قرار می‌گیرد.

در Abaqus/Standard می‌توان از مسیر:

Interaction Module → Create Interaction → Surface-to-Surface Contact (Standard)

استفاده کرد.

در Abaqus/Explicit نیز گزینه مشابه:

Surface-to-Surface Contact (Explicit)

وجود دارد. 

این روش برای مدل‌هایی مانند:

• تماس دو قطعه فلزی

• تماس چرخ و ریل

• تماس شفت و یاتاقان

• تماس قالب و قطعه

• تماس صفحات

• تماس اجزای مکانیکی

بسیار کاربردی است.

General Contact

General Contact یکی از قدرتمندترین روش‌های تعریف تماس در Abaqus است.

مزیت اصلی آن این است که می‌توان تماس تعداد زیادی از سطوح و حتی تماس خودبه‌خودی یک جسم با خودش را با تعریف نسبتاً ساده‌ای مدل کرد.

در Abaqus/Explicit، General Contact برای مدل‌هایی که احتمال تماس‌های متعدد و پیچیده وجود دارد بسیار مناسب است و می‌تواند به‌صورت خودکار بسیاری از نواحی تماس احتمالی را پوشش دهد. 

برای مثال در یک مدل برخورد چند قطعه، ممکن است از ابتدا دقیقاً مشخص نباشد کدام قطعات در طول تحلیل با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند.

در چنین شرایطی General Contact می‌تواند انتخاب بسیار مناسبی باشد.

Contact Pair

روش دیگر Contact Pair است.

در این روش کاربر به‌صورت مشخص تعیین می‌کند که کدام دو Surface با یکدیگر در تماس باشند.

برای مثال:

Surface_A ↔ Surface_B

در نتیجه Contact فقط بین همین دو Surface تعریف می‌شود.

در مقایسه با General Contact، این روش کنترل مستقیم‌تری روی جفت‌های تماس دارد و در برخی مسائل که تعداد Contactها مشخص و محدود است می‌تواند انتخاب مناسبی باشد. Abaqus/Standard و Abaqus/Explicit هر دو از Contact Pair پشتیبانی می‌کنند، هرچند محدودیت‌ها و جزئیات الگوریتم در دو حل‌گر متفاوت است. 

مقایسه General Contact و Contact Pair

در Abaqus/Standard هر دو روش قابل استفاده‌اند و انتخاب بین آنها به نوع مدل، تعداد تماس‌ها و نیاز به کنترل دقیق Contact بستگی دارد. 

Self-Contact

گاهی یک جسم با خودش تماس پیدا می‌کند.

برای مثال:

• خم شدن شدید یک ورق

• تا شدن یک پوسته

• فشرده شدن لاستیک

• برخورد بخش‌های مختلف یک قطعه

• Folding

• تغییرشکل بسیار بزرگ

در این حالت باید Self-Contact در نظر گرفته شود.

در Abaqus/Standard می‌توان Self-contact را به‌صورت یک Interaction مستقل تعریف کرد:

Interaction → Create → Self-contact (Standard)

و سپس Surface موردنظر را انتخاب کرد. 

در General Contact نیز می‌توان Self-Contact را در دامنه تماس قرار داد.

رفتار نرمال تماس

پس از تعریف سطح تماس، باید مشخص شود دو سطح در راستای نرمال چه رفتاری داشته باشند.

یکی از متداول‌ترین مدل‌ها:

Hard Contact

است.

در این مدل تماس، هدف اصلی جلوگیری از نفوذ غیرواقعی دو سطح در یکدیگر و اجازه دادن به انتقال فشار در هنگام تماس است.

برای مثال در تماس دو قطعه فلزی می‌توان رفتار نرمال را با Hard Contact تعریف کرد.

Pressure-Overclosure

رفتار نرمال تماس را می‌توان با رابطه‌ای بین:

Contact Pressure

و

Overclosure

تعریف کرد.

این موضوع به‌خصوص زمانی اهمیت پیدا می‌کند که تماس کاملاً سخت نباشد و بخواهیم رفتار فشاری خاصی را برای سطوح مدل کنیم.

در مدل‌های خاص می‌توان رفتارهایی مانند Contact Stiffness و سایر روابط فشار-نفوذ را نیز تعریف کرد. Abaqus این مدل‌ها را به‌عنوان بخشی از Contact Property پشتیبانی می‌کند. 

رفتار اصطکاکی تماس

تماس بین دو سطح همیشه بدون اصطکاک نیست.

برای تعریف اصطکاک باید در Contact Property یک رفتار Tangential تعریف شود.

یکی از مدل‌های رایج:

Penalty Friction

است که در آن ضریب اصطکاک برای مدل‌سازی مقاومت در برابر حرکت نسبی دو سطح استفاده می‌شود.

برای مثال اگر:

μ = 0.2

باشد، مقاومت اصطکاکی بین دو سطح بر اساس همین ضریب در مدل اعمال می‌شود.

اصطکاک می‌تواند نقش مهمی در مسائلی مانند:

• لغزش

• تماس چرخ و ریل

• پیچ و مهره

• شکل‌دهی فلز

• اصطکاک بین صفحات

• تماس شفت و یاتاقان

داشته باشد.

Tangential Behavior

برای تعریف رفتار مماسی تماس معمولاً از:

Contact Property → Mechanical → Tangential Behavior

استفاده می‌شود.

در ساده‌ترین حالت می‌توان ضریب اصطکاک ثابت تعریف کرد.

در مسائل پیشرفته‌تر، رفتار اصطکاکی می‌تواند به متغیرهای دیگری مانند شرایط سطح یا برخی پارامترهای وابسته به مسئله مرتبط شود.

Normal و Tangential؛ دو بخش اصلی Contact

یک Contact مکانیکی معمولاً از دو رفتار اصلی تشکیل می‌شود:

Normal Behavior

رفتار سطوح در راستای عمود بر سطح را مشخص می‌کند.

مانند:

Hard Contact

Tangential Behavior

رفتار سطوح در راستای مماسی را مشخص می‌کند.

مانند:

Friction

بنابراین یک تعریف رایج می‌تواند به شکل زیر باشد:

Normal → Hard Contact

Tangential → Penalty Friction

این ترکیب برای بسیاری از تماس‌های مکانیکی عمومی مناسب است.

Finite Sliding و Small Sliding

در تعریف Contact باید مشخص شود که حرکت نسبی دو سطح چگونه دنبال شود.

دو مفهوم مهم عبارت‌اند از:

Small Sliding

و

Finite Sliding

اگر حرکت نسبی و تغییر موقعیت تماس بسیار کوچک باشد، Small Sliding می‌تواند مناسب باشد.

اما اگر دو سطح در طول تحلیل جابه‌جایی و لغزش قابل‌توجهی نسبت به یکدیگر داشته باشند، Finite Sliding معمولاً انتخاب مناسب‌تری است.

در Abaqus/Standard، General Contact به‌صورت پیش‌فرض از finite-sliding surface-to-surface استفاده می‌کند و قابلیت‌های دیگری مانند edge-to-surface و edge-to-edge نیز در دامنه General Contact وجود دارند. 

Main و Secondary Surface

در برخی روش‌های Contact Pair، دو Surface با نقش‌های Main و Secondary مشخص می‌شوند.

این انتخاب در الگوریتم تماس اهمیت دارد.

به‌صورت سنتی معمولاً سطحی که مش درشت‌تر یا سخت‌تر است می‌تواند به‌عنوان Main و سطح دیگر به‌عنوان Secondary انتخاب شود؛ اما انتخاب صحیح باید بر اساس نوع مدل، مش و روش تماس انجام شود.

در General Contact، بسیاری از این تصمیم‌ها به شکل خودکار مدیریت می‌شوند و Abaqus می‌تواند نقش سطوح را بر اساس الگوریتم خود تعیین کند. 

Contact در Abaqus/Standard

در Abaqus/Standard سه رویکرد اصلی برای تعریف تماس وجود دارد:

• General Contact

• Contact Pairs

• Contact Elements

General Contact و Contact Pair از Surface-Based Contact استفاده می‌کنند.

Contact Elements نیز برای برخی مسائل خاص در دسترس هستند؛ برای مثال برخی مسائل تماس لوله‌ها و المان‌های Beam، Pipe یا Truss یا تماس‌های یک‌بعدی خاص. مستندات Abaqus توصیه می‌کنند در صورت امکان از General Contact یا Contact Pair استفاده شود. 

Contact در Abaqus/Explicit

در Abaqus/Explicit دو الگوریتم اصلی وجود دارد:

• General Contact

• Contact Pair

General Contact محدودیت کمتری در نوع Surface دارد و برای تماس‌های گسترده و پیچیده بسیار قدرتمند است.

در مقابل Contact Pair کنترل دقیق‌تری بر جفت‌های تماس فراهم می‌کند و برخی قابلیت‌های خاص که در General Contact موجود نیستند، از طریق Contact Pair قابل دسترسی هستند. 

روش Penalty در تماس

در بسیاری از مدل‌های Contact، محدودیت تماس با روش Penalty اعمال می‌شود.

در این روش به‌جای اعمال یک قید کاملاً سخت، نفوذ بسیار کوچک با یک سختی عددی کنترل می‌شود و نیروی تماس متناسب با این نفوذ ایجاد می‌شود.

در Abaqus/Standard، General Contact به‌صورت پیش‌فرض از Penalty برای اعمال محدودیت تماس استفاده می‌کند. در Abaqus/Explicit نیز General Contact از Penalty استفاده می‌کند و Kinematic Enforcement برای General Contact در Explicit پشتیبانی نمی‌شود. 

Kinematic Contact

در برخی Contact Pairهای Abaqus/Explicit می‌توان از Kinematic Contact Constraint Enforcement استفاده کرد.

در این روش محدودیت تماس به‌صورت کینماتیکی اعمال می‌شود.

این روش با Penalty تفاوت بنیادی دارد و انتخاب آن باید با توجه به نوع تحلیل و رفتار موردنظر انجام شود. در Abaqus/Explicit، Kinematic Enforcement برای Contact Pair در دسترس است، اما General Contact فقط از Penalty استفاده می‌کند. 

Initial Clearance

گاهی دو Surface در ابتدای تحلیل دقیقاً با یکدیگر تماس ندارند و بین آنها فاصله وجود دارد.

این فاصله اولیه را می‌توان به‌عنوان Initial Clearance در مدل Contact در نظر گرفت.

این موضوع در مسائلی مانند:

• شفت و سوراخ

• اتصالات دارای لقی

• تماس قطعات متحرک

• Gap

• مکانیزم‌های مکانیکی

بسیار مهم است.

اگر فاصله اولیه به‌درستی مدل نشود، ممکن است Contact از همان ابتدای تحلیل فعال شود یا برعکس، تماس مورد انتظار هیچ‌گاه ایجاد نشود.

Contact و Overclosure اولیه

یکی از خطاهای رایج این است که دو سطح در شروع تحلیل با یکدیگر تداخل داشته باشند.

به این حالت Initial Overclosure گفته می‌شود.

اگر هندسه، مش یا موقعیت Instanceها به‌درستی تنظیم نشده باشد، ممکن است Abaqus در ابتدای تحلیل با مشکلات تماس مواجه شود.

بنابراین قبل از اجرای Job باید:

• فاصله اولیه سطوح

• جهت Surface Normal

• موقعیت Instanceها

• وجود تداخل هندسی

• کیفیت مش

بررسی شوند.

Contact Detection

در Abaqus/CAE ابزارهای Contact Detection می‌توانند برای شناسایی سطوحی که احتمال تماس دارند استفاده شوند.

این قابلیت به‌خصوص در مدل‌های دارای قطعات زیاد می‌تواند فرآیند ایجاد Contact Pair را ساده‌تر کند. Abaqus/Standard ابزار Contact Detection را برای ایجاد Contact Pairهای سنتی در اختیار کاربر قرار می‌دهد. 

Contact در مدل‌های دارای Shell

در مدل‌های Shell، ضخامت پوسته و Offset می‌تواند در Contact اهمیت زیادی داشته باشد.

برای مثال ممکن است دو سطح هندسی از نظر Face به ظاهر منطبق باشند، اما ضخامت Shell باعث شود محل واقعی تماس متفاوت باشد.

General Contact در Abaqus/Standard به‌صورت خودکار ضخامت و Offset مرتبط با سطوح Shell-like را در نظر می‌گیرد؛ این رفتار با برخی تنظیمات پیش‌فرض Contact Pair متفاوت است. 

Contact بین Rigid و Deformable

Contact فقط بین دو قطعه تغییرشکل‌پذیر نیست.

یک جسم می‌تواند Rigid و جسم دیگر Deformable باشد.

برای مثال:

Rigid Punch ↔ Deformable Sheet

در تحلیل شکل‌دهی فلز، پانچ و قالب ممکن است به‌صورت Rigid تعریف شوند و ورق به‌صورت Deformable مدل شود.

Abaqus امکان تعریف تماس بین Rigid Surface و Deformable Body را در روش‌های مختلف Contact فراهم می‌کند. 

Contact در تحلیل‌های ضربه‌ای

در تحلیل‌هایی مانند Impact، تعداد تماس‌های احتمالی ممکن است بسیار زیاد باشد.

برای مثال در برخورد چند قطعه:

• قطعه A با B

• قطعه B با C

• قطعه A با C

• تماس قطعات با خودشان

ممکن است هم‌زمان یا در مراحل مختلف تحلیل رخ دهد.

در چنین شرایطی General Contact معمولاً روش بسیار مناسبی برای تعریف دامنه تماس است؛ به‌خصوص در Abaqus/Explicit که General Contact برای تماس‌های پیچیده و گسترده طراحی شده است. 

Contact و Tie؛ یکسان نیستند

یکی از اشتباهات متداول، استفاده از Tie Constraint به جای Contact است.

Tie به‌طور کلی باعث می‌شود دو ناحیه نسبت به یکدیگر حرکت نسبی نداشته باشند.

اما Contact اجازه می‌دهد سطوح:

• تماس پیدا کنند

• فشار منتقل کنند

• لغزش داشته باشند

• از هم جدا شوند

بنابراین:

Tie → اتصال بدون جدایش نسبی

Contact → تعامل قابل‌تماس و معمولاً امکان جدایش/لغزش

انتخاب بین این دو باید بر اساس رفتار واقعی اتصال انجام شود.

روند استاندارد تعریف Contact

یک روند مناسب برای تعریف Contact در Abaqus به صورت زیر است:

1. ایجاد Surface

سطوح تماس را تعریف کنید.

↓

2. ورود به Interaction Module

محیط تعریف اندرکنش را باز کنید.

↓

3. انتخاب روش Contact

General Contact یا Contact Pair.

↓

4. ایجاد Contact Property

رفتار Normal و Tangential را مشخص کنید.

↓

5. اختصاص Property به Contact

Contact Property را به Surface Interaction اختصاص دهید.

↓

6. بررسی Initial Clearance

فاصله یا تداخل اولیه را کنترل کنید.

↓

7. تنظیم Sliding و سایر پارامترها

در صورت نیاز Small/Finite Sliding و تنظیمات عددی را مشخص کنید.

↓

8. تعریف Output

در صورت نیاز Contact Output مناسب برای بررسی فشار، بازشدگی، لغزش و سایر متغیرها درخواست کنید.

این ساختار کلی برای بیشتر مدل‌های تماس قابل استفاده است. Abaqus نیز تعریف Contact را بر پایه Surface، Interaction، Contact Properties، Formulation و در صورت نیاز Numerical Controls سازمان‌دهی می‌کند. 

خطاهای رایج در تعریف Contact

انتخاب اشتباه Surface

اگر Surface اشتباه انتخاب شود، تماس در ناحیه موردنظر ایجاد نمی‌شود.

تعریف نکردن Contact Property

صرفاً ایجاد Contact Interaction بدون تنظیم صحیح رفتارهای موردنیاز می‌تواند باعث مدل‌سازی ناقص تماس شود.

فاصله اولیه نامناسب

اگر Gap بسیار زیاد باشد، ممکن است دو سطح در طول تحلیل به یکدیگر نرسند.

Overclosure اولیه

تداخل هندسی اولیه می‌تواند باعث مشکلات عددی و تماس نامناسب شود.

مش نامناسب

مش بسیار درشت روی سطوح تماس می‌تواند دقت تماس را کاهش دهد. کیفیت Discretization سطح تماس از عوامل مهم در عملکرد Contact است. 

تداخل Contact با BC یا Constraint

اعمال هم‌زمان Contact با Boundary Conditionها یا Constraintهای ناسازگار می‌تواند موجب Redundant یا Conflicting Constraints شود. 

جمع‌بندی

Contact در Abaqus ابزار اصلی برای شبیه‌سازی تعامل فیزیکی بین سطوح است. برای تعریف یک مدل تماس معمولاً باید Surfaceهای مناسب ایجاد شوند، نوع Contact انتخاب شود و رفتارهای Normal و Tangential مانند Hard Contact و Friction مشخص شوند. 

در Abaqus/Standard می‌توان از General Contact، Contact Pair و در برخی مسائل Contact Elements استفاده کرد؛ در Abaqus/Explicit نیز General Contact و Contact Pair دو روش اصلی هستند. 

برای تماس‌های گسترده و پیچیده، General Contact معمولاً تعریف ساده‌تر و خودکار‌تری ارائه می‌کند؛ در حالی که Contact Pair زمانی مفید است که بخواهیم جفت‌های مشخصی از سطوح را با کنترل بیشتری تعریف کنیم. در نهایت انتخاب روش Contact باید بر اساس نوع مسئله، میزان لغزش، تعداد سطوح، رفتار اصطکاکی، نوع حل‌گر و نیازهای عددی انجام شود.

کلیدواژه ها : تماس در آباکوس-Contact Abaqus-اندرکنش سطوح آباکوس-Surface Interaction Abaqus-تعریف Contact در آباکوس-Contact Interaction Abaqus-General Contact آباکوس-General Contact Abaqus-Contact Pair آباکوس-Contact Pair Abaqus-Surface to Surface Contact-تماس سطح به سطح آباکوس-Surface-to-Surface Contact Abaqus-Self Contact آباکوس-Self Contact Abaqus-تماس خودی آباکوس-Hard Contact آباکوس-Hard Contact Abaqus-Normal Behavior آباکوس-Normal Contact Behavior-Tangential Behavior آباکوس-Tangential Contact Behavior-اصطکاک در آباکوس-Friction Abaqus-Penalty Contact آباکوس-Penalty Method Abaqus-Kinematic Contact آباکوس-Kinematic Contact Abaqus-Finite Sliding آباکوس-Finite Sliding Abaqus-Small Sliding آباکوس-Small Sliding Abaqus-Initial Clearance آباکوس-Initial Clearance Abaqus-Overclosure آباکوس-Contact Overclosure-تماس قطعات صلب و تغییرشکل‌پذیر-Rigid Deformable Contact Abaqus-Contact Property آباکوس-Contact Properties Abaqus-Contact Detection آباکوس-Contact Detection Abaqus-تماس در Abaqus Standard-تماس در Abaqus Explicit-مدل‌سازی تماس مکانیکی-Abaqus Mechanical Contact-تعریف سطح تماس در آباکوس-Abaqus Surface Definition