معرفی نرم‌افزار آباکوس

توزیع تنشهای پسماند در اطراف خط جوش

نرم‌افزار آباکوس یکی از بهترین نرم‌افزاری‌های شبیه‌سازی به کمک روش المان محدود (FEM) است. این نرم‌افزار یکی از محصولات شرکت فرانسوی داسو سیستمز (Dassault Systèmes) می‌باشد. نام و لوگوی این نرم‌افزار از لغتabacus  به معنای چرتکه گرفته شده است. اولین نسخه گرافیکی نرم‌افزار آباکوس در سال ۱۹۹۹ تحت عنوان ABAQUS/CAE معرفی شد. ایده اصلی نرم‌افزار در سال ۱۹۷۲ میلادی در آمریکا و در دانشگاه براون (brown)  ارائه شد.

نرم‌افزار آباکوس توانایی حل یک تحلیل خطی ساده تا پیچیده‌ترین مسائل را دارا می‌باشد. به کمک این نرم‌افزار می‌توان مسائل مختلفی نظیر تنش–کرنش، تحلیل سازه‌های فلزی، سازه‌های بتن آرمه، اندرکنش‌های آب و سازه، سدهای بتنی و خاکی، تحلیل‌های وابسته به دما مثل خزش، انتقال حرارت‌های خطی و غیر خطی، جوشکاری، انتقال جرم، دینامیک سیالات و … را انجام داد. با توجه به مدل‌های رفتاری بسیار زیاد موجود در آباکوس، می‌توان رفتار انواع مواد نظیر فلزات، لاستیک‌ها، پلیمرها، کامپوزیت‌ها، بتن مسلح و فوم‌ها را بررسی کرد. یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های نرم‌افزار آباکوس امکان کدنویسی در آن است. کدنویسی و یا سابروتین ‌نویسی ابزاری بسیار قدرتمند برای کاربران حرفه‌ای می‌باشد. سابروتین یک مجموعه کد با استفاده از زبان برنامه‌نویسی فرترن است که توسط کاربر برای کاربرد خاصی نوشته می‌شود و می‌توان مواردی مثل تعریف مدل‌های رفتاری جدید و انجام بارگذاری‌های خاص که در نرم‌افزار امکان آن وجود ندارد را انجام داد.

شبیه سازی جوشکاری با نرم افزار آباکوس

از جمله محدودیت فرایندهای ذوبی مانند جوشکاری گسترش تنش‌های پسماند حاصل از حرارت موضعی بالا، سیکل های حرارتی و نیز گرادیان حرارتی بسیار بالا می باشد . کلیه فرایندهایی که موجب تغییر شکل پلاستیک شوند، منجر به ایجاد تنش‌های پسماند در قطعه خواهند شد. این تنش‌های پسماند باعث شکست و کاهش استحکام در سازه ها شده و مشکلات جدی را در پی خواهند داشت. اعوجاج در فرایند جوشکاری، علاوه بر تاثیر منفی در نمای ظاهری، به میزان قابل ملاحظه ای بر کاهش دقت و صحت مونتاژ جوش تاثیرگذار است. در بسیاری از موارد، هزینه های اضافی ناشی از اعوجاج موجود در اتصالات جوش داده شده می باشد و از سویی لزوم دستیابی به تلرانس های دقیق به منظور ساخت در طراحی سازه ها از چشم پوشیده نیست که این امر بر لزوم بررسی میزان و توزیع تنش‌های پسماند دلالت دارد. معمولا نوع تنش‌های موثر در تخریب قطعات جوش داده شده تنش‌های کششی بوده و تنش‌های فشاری تاثیری در آن ندارند. بنابراین برای جلوگیری از شکست این قطعات باید ابتدا تنش‌های پسماند را شناسایی کرد و سپس به نحوی آن ها را کاهش و یا به تنش‌های فشاری تبدیل کنیم.

منبع تنش‌های پسماند عبارت اند از:

• تاثیرات دمایی مثل جوشکاری و یا عملیات حرارتی
• تاثیرات مکانیکی مثل شکل دادن
• تاثیرات فیزیکی شیمیایی مثل تغییر دانه ها در طول فرایند سرد کردن

پیش بینی دقیق این تنش‌ها به دلیل پیچیدگی فرایند جوشکاری بسیار مشکل است؛ چرا که در شبیه سازی این فرایند عوامل زیادی از جمله گرما دهی محلی، تغییر خواص ماده ناشی از تغییر دما، منبع گرمایی متحرک و عوامل بسیاری تأثیرگذار است. پیش بینی دقیق تنش‌های پسماند، اعوجاج و کاهش تنش در جوش نیازمند شناخت دقیق سیکل حرارتی است. پارامترهای مختلفی ممکن است در اندازه و توزیع تنش‌های پسماند اثر بگذارند. در فرایند جوشکاری پارامترهای مربوط به خواص مواد و عوامل ساختاری اثر قابل توجهی بر اندازه و توزیع تنش پسماند دارند. پارامترهای فرایند شامل نوع فرایند جوشکاری، سرعت حرکت قوس، ولتاژ و جریان می باشند. علاوه بر این با کنترل پارامترهای جوشکاری در حین انجام عملیات می توان، تنش‌های پسماند را کاهش داد. انتخاب پارامترهای مناسب جوشکاری و طراحی اتصال، یک راه ساده و کارآمد برای کاهش تنش پسماند ناشی از جوش است. از طرفی کاهش تنش پسماند برای بسیاری از سازه های جوشکاری شده قابل اجرا نمی باشد. از این رو توسعه پارامترهای موجود برای پیش بینی دقیق تنش پسماند جوش جهت دستیابی به طراحی مناسب، ضروری است.

از مهمترین دغدغه های مهندسین این حوزه پیش بینی این تنش‌ها و ارائه راهکار جهت به حداقل رساندن آن است. از این رو اغلب پیشنهاد می شود قبل از انجام آزمایشات تجربی فرایند مورد نظر به دقت شبیه سازی گردد و با آگاهی از نحوه توزیع میدان های دمایی و تنشی در قطعه و محل جوش با در نظر گرفتن تمهیدات لازم این آسیب ها به حداقل برسد.

نرم افزار آباکوس قادر است فرایند جوشکاری را با دقت بسیار بالایی شبیه سازی کند. به دلیل قابلیت ها و امکانات زیادی که در این نرم افزار جهت شبیه سازی فرایند جوشکاری قرار داده شده است، مهندسی این حوزه می توانند براحتی پارامترهای فرایند شامل: نوع فرایند، متریال، زمان جوشکاری، حرارت ورودی (جریان و ولتاژ)، وسعت منطقه متاثر از حرارت (HAZ) و … را قبل از جوشکاری بهینه کنند و عیوب جوشکاری را به حداقل برسانند.

شبیه سازی جوشکاری در آباکوس

برای شبیه سازی جوشکاری در نرم افزار Abaqus می توان از دو روش استفاده کرد. روش اول ” روش مستقیم “می باشد که در این روش از آنالیز کوپل حرارتی-مکانیکی برای حل مسئله استفاده می شود و تحلیل حرارتی و مکانیکی بصورت همزمان بر مدل اعمال می شود. روش دوم به عنوان “روش غیر مستقیم” می باشد. در این روش ابتدا تحلیل حرارتی بر روی مدل اعمال می شود و نتیجه این تحلیل به عنوان وروردی در تحلیل مکانیکی استفاده می شود و تنش های پسماند و همچنین پیچیدگی و اعوجاج را در اثر حرارت اعمالی به قطعه نشان می دهد. روش غیر مستقیم با توجه به زمان حل کمتر و نیاز به سیستم سخت افزاری پایین تر برای دستیابی به نتیجه ، به عنوان روش پر کاربرد شناخته می شود.  لازم به ذکر می باشد که شیوه های متفاوتی نیز در این نرم افزار برای شبیه سازی جوشکاری وجود دارد که می توان تولد و مرگ المان، رسوبی، برنامه نویسی با زبان های برنامه نویسی چون پایتون و فرترن را نام برد. همچنین از روش دو بعدی ویا سه بعدی با توجه به پیچیدگی مسئله می توان استفاده کرد.

نکته قابل ذکر در شبیه سازی جوشکاری، تاثیر حرارت بر روی خواص مواد می باشد. در شبیه سازی باید به این مهم توجه داشت که البته در مسائلی ممکن است برخی از این خواص را ثابت در نظر گرفت که این امر در مقایسه نتایج عملی با آنچه در تحلیل بدست می آید مغایرت ایجاد می کند که گاها قابل اغماض و چشم پوشی می باشد. خصوصیات مواد به عنوان بخش بسیار مهم و با اهمیت در تحلیل جوشکاری می باشد و غالبا در مقالات و پروژه های انجام شده عملی در آزمایشگاه ها به این نتایج دست پیدا می شود .