آشنایی با نرم‌ افزارهای رشته مکانیک

امروزه رشته مهندسی مکانیک ارتباط تنگاتنگی با نرم افزارهای مهندسی مکانیک دارد. با کمک این نرم افزارها، مهندسان مکانیک میتوانند محاسبات و شبیه سازی های پیچیده را به سرعت انجام دهند. همچنین در صورت نیاز به تغییر یک طرح، این کار با کمک نرم افزارهای مکانیک به سرعت قابل انجام است.

نرم افزار CATIA

نرم‌افزار کتیا (CATIA) اولین بار در سال 1977 توسط هواپیمایی فرانسه (Avions Marcel Dassault) برای ارتقا دادن هواپیمای جنگنده میراژ مورد استفاده قرار گرفت. سپس در هوافضا، خودرو سازی، و کشتی سازی، تحت عنوان Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive استفاده شد. این نرم افزار در سال 1981 به CATIA تغییر نام داد و امروزه یکی از معروف ترین نرم افزارهای رشته های مختلف مهندسی مکانیک است.

در سال 1984 شرکت بویینگ تصمیم گرفت از CATIA V3 به عنوان نرم‌افزار اصلی مکانیک استفاده کند. و بدین ترتیب بزرگترین مصرف کننده این نرم‌افزار نامیده شد. و در سال 1990 شرکت کشتی سازی آمریکا برای طراحی ناو جنگی از این نرم‌افزار استفاده کرد. در سال 1998 نسخه 5 نرم افزار کتیا به بازار ارائه شد. و به همین ترتیب در سال های 2008 و 2010 و 2012 نسخه های بعدی و پیشرفته تر این نرم‌افزار ارائه گردید.

نرم افزار SOLIDWORKS

یک نرم‌افزار سه بعدی سازی کامل است که به منظور طراحی، شبیه سازی و گردآوری اطلاعات طراحی شده است. امکانات این نرم افزار به مهندسان مکانیک کمک می کند تا قطعات هرچه راحت تر و سریعتر طراحی شوند. و با همکاری قسمت های مختلف با سرعت و دقت، محصولی مقرون به صرفه تولید گردد. سالیدورکز یکی از نرم‌افزار های مطرح رشته مکانیک است که تقریبا به تمامی نیازهای یک مهندس طراح جامه عمل پوشانده است. نرم افزار سالیدورکز (SolidWorks) تولید شرکتی به همین نام است که البته چند سالی است که زیر مجموعه شرکت Dassault System سازنده CATIA قرار گرفته است.

این نرم‌افزار شامل سه بخش اساسی و مهم است که هر یک وظیفه جداگانه ای دارند. این بخشها عبارتند از:

Part برای ایجاد قطعه

Assembly برای مونتاژ قطعات ایجاد شده

Drawing برای ایجاد نقشه دو بعدی از طرح

نرم افزار ABAQUS

در سال 1972 میلادی شخصی به نام David Hibitt، پایان نامه دکترای خود را تحت عنوان مکانیک محاسباتی بر پایه روش اجزای محدود در دانشگاه Brown ارائه کرد. در سال 1977 دکتر Hibitt پس از آنکه مدتها در شرکت تحلیل و پژوهش Mark مشغول به کار بود، این شرکت را ترک کرد و نرم‌افزار ABAQUS را پایه گذاری نمود. در سال 1978 ، دکتر Hibitt به همراه دو شریک خود به نام های Karlsson و Sorensen شرکتی به نام HKS را تأسیس کردند که اولین ویرایش ABAQUS را منتشر کرد.

اولین مشتری آنها، شرکت Westinghouse Hanford (سازنده رآکتورهای هسته ای) بود. قدرت نرم افزار ABAQUS در تحلیل های همزمان وابسته به دما، پلاستیسیته، و تماس ، باعث استفاده از این نرم‌افزار در صنعت هسته ای شده بود.

یکی دیگر از کاربردهای اولیه این نرم‌افزار، در مدلسازی اسکله های نفتی دریا بود. همچنین شرکت های بزرگ اتومبیل سازی برای طراحی های پیشرفته خود به ABAQUS روی آوردند.

پس از طی سال ها، شرکت HKS نرم‌افزار اصلی اجزای محدود خود را تحت عنوان ABAQUS Standard تکمیل کرد. در سال 1991 نیز نرم افزار ABAQUS CAE توسط همین شرکت برای انجام عملیّات پیش پردازش و پس پردازش به بازار عرضه شد.

نرم افزار ANSYS

این نرم افزار اولین بار در سال 1970 توسط دکتر John A. Swanson به عنوان سیستم آنالیز سواسون (Swanson Analysis Systems, Inc. SASI) یا به اختصار SASI ارائه شد. هدف موقت این سامانه، پیشرفت نرم‌افزار های تحلیل المان محدود برای ساختارهای فیزیکی بود که که توانایی شبیه سازی استاتیکی، دینامیکی و انتقال گرما را داشته باشد. در سال 1994 این شرکت به TA Associates فروخته شد و از آن پس این نرم‌افزار نحت عنوان انسیس (ANSYS) به بازار عرضه شد.

توانایی های مدل سازی ANSYS عبارتند از:

– جریان های دو بعدی، سه بعدی، دو بعدی axisymmetric، دو بعدی axisymmetric همراه با چرخش

– مش های مربعی، مثلثی، آجری (هگزا هدرال)، چهار ضلعی، هرمی، چند وجهی، ترکیبی

– جریانات پایدار یا ناپایدار

– جریانات قابل تراکم و غیر قابل تراکم، شامل تمامی بازه های سرعت (جریان مادون صوت، جریان Transonic، جریان مافوق صوت، جریان ماوراء صوت)

– جریان غیر لزج، آرام، آشفته

– جریانات نیوتنی و غیر نیوتنی

– گازهای واقعی یا ایده‌آل

– انتقال حرارت، شامل نوع جابه جایی اجباری، جابه جایی طبیعی یا آزاد

– جا به جایی ترکیبی، انتقال حرارت در هم آمیخته

نرم افزار ADAMS

یکی از قوی ترین نرم‌افزار های موجود در صنعت و حتی در مراکز تحقیقی، نرم‌افزار MSC Adams است. این نرم‌افزار حدود 25 سال پیش توسط جمعی از نخبگان دانشگاه میشیگان به نگارش در آمد و تا به امروز توانسته است جایگاه قابل توجهی در صنعت به دست آورد. این نرم‌افزار با قابلیتهای بسیار متنوع و بالای خود، مهندسان را در ایجاد، آزمایش، بررسی، و بهینه کردن طرح های سیستم های مکانیکی قبل از رسیدن به پیش ساخت فیزیکی یاری می کند.

با بهره گیری از بخش های مختلف در نظر گرفته شده در این نرم‌افزار، می توان با شبه سازی حرکتی سیستم مکانیکی، تست سینماتیکی سیستم، اندازه گیری نیرو های وارد بر اتصلات، Clearance ها و بر خوردها، اندازه موتور و عملگر، و عمر قطعه در چرخه کاری را تعیین نمود. و مکان دهی قطعات را به صورت بسیار دقیقی انجام داد.

همچنین بررسی کنترلی و ارتعاش سیستم ها، و امکان انجام تست برای قطعات قابل انعطاف، از امکانات منحصر به‌ فرد این نرم افزار است. یکی دیگر از قابلیت های اصلی نرم‌افزار Adams ، قسمت رابط برای تبدیل فرمت فایل نرم‌افزار به فرمت فایل نرم‌افزارهای دیگر مثل کتیا ، انسیس، مطلب و…. می باشد.

بررسی بخش های مختلف برنامه ADAMS :

بخش Adams / View

این بخش شامل مدلسازی سه بعدی، تعریف قید ها و مفصل های مختلف، انیمشن سه بعدی، نمایش نیروها، انتقال ها و تنش های مدل، Export نتایج به شکل های استاندارد Fatige ، FEA و… می باشد.

بخش Adams / Solver

این بخش عهده دار حل عددی سیستم دینامیکی طراحی شده (با استفاده از روش اولر- لاگرانژ) در بخش های مختلف است. قابلیت جالب این بخش، حل معادلات غیر خطی با استفاده از حل کننده های مختلف است.

در نسخه های قدیمی نرم‌افزار، از کلاس های Fortran در حل معادلات استفاده می شد که در سیستم های پیچیده، موجب کند شدن شبه سازی می شد (با این حال Adams همواره دارای سریع ترین حل کننده های عددی نسبت به رقبای خود بوده است). اما از نسخه 12 نرم‌افزار به بعد، به تدریج کلاس های پر سرعت ++C استفاده شدند. به طوری که سرعت حل در آن ها به 5 تا 7 برابر این سرعت در نسخه های پیشین می رسد.

اهمیت این موضوع هنگامی آشکار می شود که سیستم پیچیده‌ای نیاز به شبیه سازی و یا بهینه سازی داشته باشد. به طوری که سیستمی که در گذشته در 20 ساعت اجرا می شد، در حال حاضر در کمتر از 5 ساعت شبیه سازی می شود. نکته دیگر، بهره گیری نسخه جدید نرم‌افزار از روش جدید HHT برای حل معادلات دینامیکی است. این روش به طور مستقیم بدون تبدیل معادله مرتبه دو به مرتبه یک، معادلات را حل می کند.

بخش Adams / Post-processor

این بخش از نرم‌افزار، نتایج به دست آمده از بخش های مختلف را نمایش می دهد. نمایش به صورت نمودار های سرعت، شتاب و … ، کانتور های اجزا محدود و Flexible Bodies ، نمایش نمودار های پردازش سیگنال و Signal Processing و… از توانایی گنجانده شده در نرم‌افزار است.

بخش دوم نرم‌افزار شامل زیر بخش های مختف در زمینه های مختلف مهندسی مکانیک است. هر یک از این زیر بخش ها، به کمک هسته اصلی نرم‌افزار، قابلیتهای طرح را به وسیله اضافه کردن خاصیت جسم غیر صلب به مدل، بالا می برند. از جمله این قابلیت ها می توان به سنسورها، عملگرهای کنترلی و هیدرولیکی، خواص ارتعاش و… اشاره کرد.

در بخش سوم، این نرم‌افزار با استفاده از قابلیت برنامه نویسی موجود در هسته، اقدام به تولید شبه GUI هایی برای انجام کارهای اختصاصی موجود در صنایعی چون اتومبیل، هوا، فضا و راه آهن کرده است. این بخش به مهندسان اجازه می دهد که طرح خود را با بخش های پیش فرض استاندارد موجود درنرم‌افزار، به سرعت آزمایش کنند.

نرم افزار های GAMBIT & FLUENT

این دو نرم‌افزار که عموماً به عنوان مکمل یکدیگر استفاده می شوند در شاخه مهمی از علم مکانیک به نام CFD کاربرد دارند. به همین دلیل ابتدا توضیح مختصری در رابطه با CFD ارائه می دهیم:

CFD عبارت است از تحلیل سیستم های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه (نظیر واکنش های شیمیایی بر اساس شبیه سازی کامپیوتری). به عبارت دیگر CFD مدل سازی جریانات سیال با استفاده از حل معادلات حاکم بر جریان توسط روش های عددی است.

کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی CFD :

– آیرودینامیک هواپیما و وسایل نقلیه

– هیدرودینامیک کشتیها

– نیروگاه: احتراق در موتورهای احتراق داخلی (IC) و توربینهای گاز

– توربوماشین: جریان های داخل گذرگاههای دوار، پخش کننده ها و…

– مهندسی پزشکی: جریان خون عبوری از رگها و…

– هواشناسی: پیش بینی وضع هوا

– مهندسی فرایند: اختلاط، جداسازی، شکل گیری پلیمر

– مهندسی محیط زیست: توزیع آلودگی و جریانهای گذرا

نرم‌افزار Gambit به عنوان نرم‌افزار کمکی، اشکال مختلف را به قسمت های محدود تقسیم می کند. که به این کار اصطلاحاً مش بندی گفته می شود. سپس این نتایج به عنوان داده های جدید به نرم‌افزار فلوئنت (Fluent) ارسال شده و این نرم‌افزار عمل تحلیل را انجام می دهد.

از جمله توانایی های نرم‌افزار فلوئنت (Fluent) می توان به موارد زیر اشاره کرد:

– جریان حول یا داخل اجسام دو بعدی یا سه بعدی

– جریانات تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر

– ساختارهای دورانی یا ثابت

– محیط های متخلخل

– انتقال حرارت جابه جایی

– انتقال حرارت تشعشعی

– جریانات پایدار یا گذرا

– احتراق

– سیالات نیوتنی یا غیر نیوتنی

– فنهای یک بعدی

– مبدل های حرارتی

– جریانهای چند فاز