مکانیک , مهندسی 456 بازدید

از روش‌های کلاسیک طراحی و تحلیل سیستم‌های صنعتی، استفاده از روش‌های آزمایشگاهی است. ‌گاها در سیستم‌های به نسبت سا‌ده‌تر از روش‌های تحلیلی نیز به منظور طراحی یک سیستم مهندسی استفاده می‌شد. امروزه با رشد و توسعه صنعت کامپیوتر، روش سومی نیز تحت عنوان شبیه‌سازی مطرح است. در مهندسی مکانیک از روش‌های مبتنی بر حل عددی معادلات دیفرانسیل حاکم بر پدیده‌ها به منظور شبیه‌سازی استفاده می‌شود. معمولا در مهندسی مکانیک شبیه‌سازی‌های مذکور با استفاده از مجموعه نرم‌افزار‌های انسیس (ANSYS) انجام می‌شود. از این رو در این مطلب قصد داریم تا مفاهیم پایه‌ای و کاربرد‌های این نرم‌افزار را توضیح داده و آموزش‌های ویدئویی مرتبط با آن را جهت یادگیری بهتر به شما معرفی کنیم.

مقدمه

شاید این سوال را در ذهن داشته باشید که به راستی آیرودینامیک یک هواپیما، جت یا خودرو چگونه طراحی می‌شود؟ یا این که فرآیند رخ داده درون یک باتری به چه شکل انجام می‌شود؟ به منظور پاسخ به این سوالات اجازه دهید کمی به عقب‌تر برگشته و از معادلات دیفرانسیل حاکم بر یک پدیده شروع کنیم.

معمولا پدیده‌های رخ داده در طبیعت را با استفاده از یک یا چند معادله دیفرانسیل توصیف می‌کنند. بنابراین اگر معادله دیفرانسیل حاکم بر نحوه تغییرات ساختار هوای اطراف یک هواپیما وجود داشته باشد، می‌توان نحوه حرکت آن را مدل‌سازی کرد. برای نمونه معادله حاکم بر ساختار جریان تحت عنوان معادله ناویر-استوکس شناخته می‌شود. شکل زیر هواپیمایی را نشان می‌دهد که برای آن، معادله ناویر-استوکس حل شده و توزیع سرعت بدست آمده است.

aerodynamic-forces

سوال بعدی این است که این معادلات چگونه حل می‌شوند. در ادامه نحوه حل معادلات دیفرانسیل را بیشتر توضیح خواهیم داد.

نحوه حل معادلات

در حالت کلی به منظور تحلیل یک پدیده می‌توان به دو روش، معادلات حاکم بر آن را حل کرد.

  • روش‌های تحلیلی
  • روش‌های عددی

روش تحلیلی به این معنی است که دقیقا تابعی به عنوان پاسخ معادله یافت شود. اما به نظر می‌رسد بدست آوردن پاسخی دقیق برای معادله دیفرانسیل زیر مشکل به نظر می‌رسد.

معادله فوق همان معادله ناویر استوکس است. از طرفی روش‌هایی وجود دارند که به آن‌ها روش‌های عددی گفته می‌شود. به بخشی از مکانیک سیالات که با حل عددی معادلات دیفرانسیل سر و کار دارد، دینامیک سیالات محاسباتی یا Computational Fluid Dynamics) CFD) گفته می‌شود. با استفاده از CFD می‌توان حتی فرآیند‌های رخ داده درون یک باتری را نیز مدل‌سازی کرد.

battery
دمای ایجاد شده در یک باتری لیتیوم یونی

انسیس (Ansys) چیست؟

یکی از نرم‌افزار‌های پرکاربرد در زمینه تحلیل پدیده‌ها، خصوصا مسائل مرتبط با سیالات و انتقال حرارت، انسیس است. این نرم‌افزار معادلات دیفرانسیل حاکم بر یک پدیده را به صورت عددی حل می‌کند. جالب است بدانید که بخش‌های بسیاری از هواپیمای بوئینگ 787 با استفاده از نرم افزار انسیس شبیه‌سازی شده است. انسیس در حقیقت مجموعه‌ای از نرم‌افزار‌ها است که می‌توان با استفاده از آن‌ها یک پدیده مکانیکی، شیمیایی یا در حوزه برق را مدل‌سازی کرد. در حقیقت این نرم‌افزار ابزاری است که به طراحان کمک می‌کند تا بخش‌های مکانیکی یا الکترومکانیکی یک سیستم را بهینه‌سازی کنند.

Boeing

در هنگام باز کردن انسیس با محیطی تحت عنوان میز کار (Workbench) مواجه خواهید شد. در شکل زیر نمایی از میز کار نشان داده شده است. در سمت چپ، نرم‌افزار‌های موجود در انسیس و در سمت راست گام‌های حل قرار گرفته‌اند. در ادامه این گام‌ها را توضیح می‌دهیم. البته پیشنهاد می‌شود به منظور درک بهتر و‌ آشنایی با جزئیات هر مرحله، آموزش‌های مرتبط با آن را مشاهده فرمایید.

انسیس

احتمالا شما تاکنون با نرم‌افزار‌های تولید شکل همچون کتیا (Catia) یا SOLIDWORKS کار کرده‌اید. با استفاده از این نرم‌افزار‌ها می‌توان هندسه سیستم‌های مختلف را در شرایط گوناگون تولید کرد. انسیس این قابلیت را دارد تا هندسه‌های تولید شده را از این نرم‌افزار‌ها گرفته و با اعمال شرایط فیزیکی سیال روی آن (خواص فیزیکی سیال و جامد و شرایط مرزی)، پدیده مذکور را مدل‌سازی کند.

مراحل حل یک مسئله با انسیس

در حالت کلی به منظور حل یک مسئله در انسیس باید در ابتدا ناحیه حل را تولید و شبکه‌بندی کنید. در مرحله بعد این ناحیه به محیط حلگر انتقال یافته و شرایط پدیده روی دامنه حل اعمال می‌شود. برای نمونه فرض کنید هدف، مدل‌سازی حرکت یک هواپیما در اتمسفر باشد. بدین منظور در اولین گام باید هواپیما و ناحیه اطراف آن تولید شود. در شکل زیر نمونه‌ای از ناحیه‌ تولید شده در انسیس نشان داده شده است.

انسیس
گام اول: تولید دامنه حل

در گام بعدی باید ناحیه طراحی شده در یکی از نرم‌افزار‌های زیرمجموعه ANSYS، شبکه‌بندی شود. منظور از شبکه‌بندی تقسیم کردن کل ناحیه‌ به تعداد بسیاری از واحد‌ها (Cell) است که معادلات به صورت عددی در این واحد‌ها حل می‌شوند. توجه داشته باشید که نحوه شبکه‌بندی در زمان رسیدن به پاسخ و هم‌چنین کیفیت پاسخ نهایی بسیار تاثیرگذار است. در دوره ویدیویی آموزش Gambit تکنیک‌های شبکه‌بندی، نحوه بررسی کیفیت و نحوه انتقال شبکه تولید شده به دامنه حل توضیح داده شده است. در این آموزش در ابتدا با یکی از نرم‌افزار‌‌های ANSYS تحت عنوان گمبیت (Gambit) آشنا شده و نحوه تولید نقطه، خط و نهایتا هندسه‌های دوبعدی و سه‌بعدی را خواهید آموخت. تصویر زیر نمونه‌ای از شبکه تولید شده در نرم‌افزار گمبیت را نشان می‌دهد.

ANSYS
گام دوم: شبکه‌بندی دامنه حل تولید شده

در گام سوم دامنه شبکه‌بندی شده به درون حل‌گر منتقل شده و شبیه‌سازی روی آن انجام می‌شود. حلگر همان نرم‌افزاری است که معادلات فیزیکی را برای دامنه تولید شده حل می‌کند. مهم‌ترین حلگر‌های موجود در انسیس، CFX و FLUENT هستند. از CFX بیشتر به منظور تحلیل سیستم‌های مبتنی توربوماشین‌ها استفاده می‌شود. در حقیقت جهت بهینه‌سازی سیستم‌هایی همچون توربین‌، کمپرسور، موتور جت یا پمپ می‌توان از این نرم‌افزار استفاده کرد. البته به منظور فراگیری این نرم‌افزار می‌توانید از آموزش CFX نیز استفاده کنید. در این آموزش در ابتدا نحوه تولید دامنه حل و شبکه‌بندی در CFX توضیح داده شده، سپس نحوه اعمال شرایط مرزی، گرفتن خروجی و بررسی آن‌ها نیز آموزش داده می‌شود. در ادامه نمونه‌ای از توزیع سرعت بدست آمده در نرم‌افزار CFX ارائه شده است.

ANSYS
گام سوم: انتقال شبکه به حل‌گر و انجام شبیه‌سازی

در انتها نیز این مراحل در قالب سه مثال توضیح داده می‌شوند. این مثال‌ها شامل تحلیل جریان غیرپایای درون مخزن، تحلیل جریان دو فازی درون یک لوله دو سر خم با شیر نیمه باز و نهایتا بر هم کنش سازه بر سیال FSI می‌شوند.

شبیه‌سازی باتری با ANSYS

باتری‌های لیتیوم-یونی از زمان ارائه آن‌ها در اوایل دهه ۱۹۹۰، محبوبیت بسیار زیادی در میان سیستم‌های ذخیره انرژی پیدا کرده‌اند. ترکیبات یونی سبک به کار رفته، منجر به ایجاد ظرفیت حرارتی (کیلوگرم/وات.ساعت) بالا در باتری‌های لیتیوم-یونی شده است. از طرفی این تولید گرما منجر به کاهش شدید عمر باتری شده و توانایی آن در ذخیره انرژی را نیز کاهش می‌دهد. از این رو آزمایش‌های بسیاری به منظور بهینه‌سازی باتری باید انجام شود که هزینه زمانی و اقتصادی آن‌ها بسیار زیاد است.

باتری
حرارت تولید شده در یک باتری لیتیوم-یونی منجر به منفجر شدن آن شده است.

با توجه به هزینه‌های بالای روش‌های آزمایشگاهی به منظور انجام تحقیق و توسعه روی باتری‌ها، شبیه‌سازی با استفاده از روش‌های CFD همواره یکی از گزینه‌های جایگزین محسوب می‌شود. نرم‌افزار ANSYS قادر است تا عملکرد یک باتری یا مجموعه‌ای از آن‌ها را شبیه‌سازی کند. از ویژگی‌های انسیس در شبیه‌سازی باتری عبارتند از:

  • کمینه کردن چرخه‌های طراحی با کم کردن هزینه‌های ناشی از آزمون و خطا
  • قابلیت بهینه‌سازی هزینه، چگالی انرژی، چرخه عمر، دمای کاری و ایمنی
  • وجود داشتن مدل‌‌های مختلف باتری‌های لیتیوم پلیمری در حلگر فلوئنت

از این رو اگر به شبیه‌سازی باتری در نرم‌افزار ANSYS علاقه‌مند هستید، در آموزش پروژه محور انسیس فلوئنت به صورت ویدیویی با نحوه تولید دامنه باتری، انتقال آن به حلگر فلوئنت و نهایتا شبیه‌سازی آن آشنا خواهید شد. در این آموزش در ابتدا مقدمه‌ای از معادلات غیرخطی حاکم بر باتری توضیح داده شده، سپس مدل‌های مختلف شبیه‌سازی الکتروشیمیایی در آن‌ها بررسی می‌شوند. در مرحله بعدی نحوه طراحی دامنه حل در Design modeler نیز ارائه می‌شود؛ سپس مراحل شبکه‌بندی این دامنه نیز شرح داده می‌شود. در آخر نیز دامنه تولید شده به حلگر فلوئنت منتقل شده و نحوه اعمال شرایط مرزی و تحلیل نتایج توضیح داده می‌شود. آموزش‌ یاد شده برای مهندسین مکانیک،‌ برق و شیمی قابل استفاده است.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

مجید عوض زاده

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “انسیس (ANSYS) — آموزش کاربردی

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *