معرفی نرم افزار انسیس (ANSYS)

نرم افزار انسیس (ANSYS) یکی از قدرتمندترین و پرکاربردترین نرم افزارها در زمینه شبیه‌سازی و تحلیل عددی است. با استفاده از این نرم افزار، می‌توان مسائل پیچیده‌ای را در حوزه‌های مختلفی از جمله مهندسی مکانیک، مهندسی سازه، مهندسی الکترونیک، مهندسی حرارتی و مهندسی سیالات مدل‌سازی و تحلیل کرد. در این مقاله از پورتال جامع مهندسین ایران، به معرفی نرم افزار انسیس (ANSYS) می‌پردازیم.

نرم افزار ANSYS

ANSYS که مخفف Analysis Systems است، یک محصول از شرکت Ansys Inc است. این نرم افزار با استفاده از روش المان اجزای محدود، تحلیل مسائل را انجام می‌دهد. ANSYS یک نرم افزار قدرتمند در زمینه CAE (Computer-Aided Engineering) است که قابلیت تحلیل مسائل مختلف از جمله سیالات، انتقال حرارت، ارتعاشات، استاتیک، دینامیک، الکتریکی و غیره را دارا می‌باشد.

در گذشته، انسیس در قالب یک ماژول به نام APDL (ANSYS Parametric Design Language) استفاده می‌شد. اما APDL کاربرپسندی مناسبی نداشت و تنها برای تحلیل استاتیکی و دینامیکی و در برخی موارد ساده‌تر انتقال حرارت بر روی یک سطح یا درون جسم مورد استفاده قرار می‌گرفت.

معرفی کمپانی ANSYS Inc

دکتر Swanson در سال ۱۹۷۰ هسته‌ی اولیه‌ی کمپانی ANSYS را با نام Systems Analysis Swanson یا به‌اختصار SASI تأسیس کرد. هدف اصلی این شرکت، توسعه‌ی نرم‌افزاری برای تحلیل‌های استاتیکی، دینامیکی و انتقال حرارت بود که از روش المان محدود استفاده کند.

پس از ۳۴ سال توسعه‌ی مداوم، ANSYS در سال ۲۰۰۴ به کمپانی TA Associates فروخته شد. در این مرحله، نام شرکت به ANSYS Inc تغییر یافت و یکی از محصولات برجسته آن شناخته شد. در حال حاضر، ۹۶ از ۱۰۰ شرکت برتر جهان از نرم‌افزار ANSYS برای طراحی و تحلیل مدل‌های خود استفاده می‌کنند. در سال ۲۰۰۳، ANSYS Inc مجوز نرم‌افزار CFX را از AEA Technology PLC خریداری کرد.

CFX یک نرم‌افزار تجاری برای تحلیل مسائل دینامیک سیالات محاسباتی است. همچنین، نرم‌افزار Maxwell که یکی از رهبران در تحلیل میدان‌های مغناطیسی بود، توسط ANSYS Inc خریداری و با نام ANSYS Maxwell شناخته شد. در سال ۲۰۰۶، ANSYS Inc نرم‌افزار FLUENT را خریداری کرد و در سال ۲۰۰۹ نسخه‌ی ANSYS FLUENT 12 را عرضه کرد. با خرید نرم‌افزارهای مختلف و ادغام آن‌ها در محیط تحلیلی خود، ANSYS Inc به طور مداوم در حال گسترش است.

ماژول‌های ANSYS

ماژول‌های انسیس در چندین دسته‌ی کلی قرار دارند. پرکاربردترین این دسته‌ها عبارت‌اند از:

• Structural Mechanics
• Fluid Dynamics
• Meshing
• Electromagnetics
• Multiphysics
• Explicit Dynamics
• Hydrodynamics – AQWA
• Modeling 3D

در ادامه توضیح مختصری درباره‌ی هریک از این دسته‌ها و ماژول‌های موجود در آن‌ها خواهیم‌داد.

Structural Mechanics

در این حوزه، تحلیل‌های مربوط به سازه‌ها انجام می‌شود. این تحلیل‌ها شامل تحلیل‌های استاتیکی و شبه‌استاتیکی، دینامیکی، مودال، طیفی، لرزه‌ای و غیره است. این بخش شامل ماژول‌هایی است که در این تحلیل‌ها به‌کار می‌روند و عبارتند از:

۱. Linear Buckling: این ماژول برای تحلیل کمانش خطی سازه‌ها استفاده می‌شود، به منظور تعیین باری که می‌تواند باعث کمانش و شکست سازه شود.

۲. Modal: این ماژول برای تحلیل مودال سازه‌ها استفاده می‌شود و شکل مودها و فرکانس‌های طبیعی سازه را استخراج می‌کند.

۳. Random Vibration: این ماژول برای تحلیل ارتعاشات تصادفی مانند زلزله در سازه‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، رفتار سازه در برابر ارتعاشات تصادفی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۴. Response Spectrum: این ماژول برای شبیه‌سازی طیف پاسخ سازه به ارتعاشات مختلف استفاده می‌شود. طیف پاسخ نشان می‌دهد که سازه در برابر ارتعاشات با فرکانس‌های مختلف چگونه عمل می‌کند.

۵. Harmonic Response: این ماژول برای تحلیل هارمونیک سازه استفاده می‌شود. در این تحلیل، رفتار سازه در پاسخ به ارتعاشات با فرکانس ثابت بررسی می‌شود.

۶. Rigid Dynamics: این ماژول برای تحلیل سینتیک و سینماتیک سازه‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، حرکت سازه و تغییرات مکانیکی آن مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۷. Static Structural: این ماژول برای تحلیل استاتیکی و شبه‌استاتیکی سازه‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، واکنش‌ها و تنش‌های سازه در برابر بارهای استاتیکی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

۸. Transient Structural: این ماژول برای تحلیل دینامیکی سازه‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، رفتار سازه در پاسخ به بارهای دینامیکی و تغییرات زمانی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Fluid Dynamics

در این حوزه، تحلیل مسائل مرتبط با جریان سیالات و انتقال حرارت با استفاده از روش حجم محدود انجام می‌شود. در این محیط، از ماژول‌های مختلفی استفاده می‌شود که عبارتند از:

۱. FLUENT: این نرم‌افزار محاسباتی، قدرتمندترین ابزار در حوزه دینامیک سیالات است که در سال ۲۰۰۶ توسط شرکت ANSYS Inc. خریداری شد. این نرم‌افزار برای تحلیل جریان سیالات و انتقال حرارت در انواع مختلف سیستم‌ها و محیط‌های سیالی استفاده می‌شود.

۲. CFX: این نرم‌افزار، رقیب نرم‌افزار FLUENT است که در سال ۲۰۰۳ توسط شرکت ANSYS Inc. خریداری شد. CFX همچنین برای تحلیل جریان سیالات و انتقال حرارت در سیستم‌ها و محیط‌های سیالی مورد استفاده قرار می‌گیرد و قابلیت‌های مشابهی با FLUENT دارد.

۳. Polyflow: این ماژول برای شبیه‌سازی پدیده‌هایی مانند اکستروژن استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، جریان سیال در فرآیندهای اکستروژن کنترل و مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۴. Icepak: این ماژول برای شبیه‌سازی سیستم‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، انتقال حرارت و جریان سیال در سیستم‌های خنک‌کننده مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۵. CFD-post: این ماژول برای مشاهده نتایج تحلیل‌های دینامیک سیالات در مرحله پردازش پس‌از تحلیل (Post Processing) استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، نتایج تحلیل‌های دینامیک سیالات قابل مشاهده و تجزیه و تحلیل می‌شوند.

۶. IC Engine: این ماژول برای تحلیل دینامیک سیالات در موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شود. با استفاده از این ماژول، جریان سوخت و هوا درون موتورهای احتراق داخلی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Meshing

در تحلیل‌های عددی، برای هر نوع مدل و با استفاده از هر روشی، نیاز به مش‌بندی مدل‌های طراحی شده وجود دارد. در این محیط، فرآیند مش‌بندی برای قطعات مدل انجام می‌شود. از ماژول‌های مختلفی در این محیط استفاده می‌شود که عبارتند از:

۱. ICEM CFD: این ماژول امکان ایجاد انواع مختلف شبکه‌ها با استفاده از الگوریتم‌های مختلف را فراهم می‌کند. با استفاده از ICEM CFD، مش‌بندی دقیق و بهینه برای مدل‌های تحلیلی انجام می‌شود.

۲. TGRID: این ماژول برای تولید شبکه با دقت بالا، به ویژه در لایه‌های مرزی، استفاده می‌شود. با استفاده از TGRID، مش‌بندی دقیق و با کیفیت برای قسمت‌های مرزی مدل ایجاد می‌شود.

۳. TurboGrid: این ماژول برای مش‌بندی توربوماشین‌های مانند کمپرسور، پمپ، توربین و غیره استفاده می‌شود. با استفاده از TurboGrid، شبکه‌بندی بهینه و دقیق برای این نوع سازه‌ها انجام می‌شود.

۴. Mechanical Model: این ماژول برای ایجاد مش در یک محیط یکپارچه استفاده می‌شود. با استفاده از Mechanical Model، مش‌بندی قطعات و ساختارهای مختلف در یک محیط یکپارچه و هماهنگ انجام می‌شود.

Electromagnetics

در این محیط، شبیه‌سازی سیستم‌های الکترومغناطیسی انجام می‌شود. از ماژول‌های مختلفی در این محیط استفاده می‌شود که عبارتند از:

۱. ANSYS Maxwell: این ماژول برای شبیه‌سازی الکترومغناطیس در فرکانس‌های پایین استفاده می‌شود. با استفاده از ANSYS Maxwell، تحلیل و شبیه‌سازی پدیده‌های الکترومغناطیسی در فرکانس‌های پایین مانند الکتروموتورها، ترانسفورماتورها و سیستم‌های قدرت انجام می‌شود.

۲. ANSYS HFSS: این ماژول برای شبیه‌سازی سه‌بعدی امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. با استفاده از ANSYS HFSS، امواج الکترومغناطیسی در ساختارهای سه‌بعدی مانند آنتن‌ها، مدارهای میکروویو و سیستم‌های ارتباطی شبیه‌سازی می‌شوند.

۳. ANSYS Simplorer: این ماژول برای شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده الکترونیک قدرت و سیستم‌های کنترل الکتریکی استفاده می‌شود. با استفاده از ANSYS Simplorer، مدارها و سیستم‌های الکترونیکی قدرت را می‌توان شبیه‌سازی و تحلیل کرد. این ماژول قابلیت ادغام با سایر ابزارها و ماژول‌های ANSYS را دارد تا به تحلیل و شبیه‌سازی جامع ترکیبی از سیستم‌ها بپردازد.

Multiphysics

در این محیط، تحلیل‌های کوپله بین فیزیک‌های مختلف (مانند جامد و سیال، سیال و مغناطیس و غیره) انجام می‌شود. نرم‌افزار ابتدا مسئله را برای یک فیزیک حل کرده و سپس پاسخ‌های حاصل را برای فیزیک دیگر استفاده می‌کند. از ماژول‌های مختلفی در این محیط استفاده می‌شود که عبارتند از:

۱. Magneto-Static: این ماژول برای شبیه‌سازی اثرات تعامل بین میدان مغناطیسی و تحلیل سازه استفاده می‌شود. با استفاده از Magneto-Static، می‌توان تأثیر میدان مغناطیسی بر سازه‌ها را شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

۲. Thermal-Electric: این ماژول برای شبیه‌سازی اثرات تعامل بین میدان دما و الکتریسیته استفاده می‌شود. با استفاده از Thermal-Electric، می‌توان تأثیر میدان دما بر ویژگی‌های الکتریکی را شبیه‌سازی کرد و تحلیل کرد.

۳. Thermal-Stress: این ماژول برای شبیه‌سازی تنش‌های حرارتی استفاده می‌شود. با استفاده از Thermal-Stress، می‌توان تأثیر تغییرات دما بر تنش‌های سازه را شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

۴. Fluid-Structure Interaction: این ماژول برای شبیه‌سازی اثرات تعامل بین جسم جامد و سیال پیرامون استفاده می‌شود. با استفاده از Fluid-Structure Interaction، تأثیر جریان سیال بر ساختار جامد را می‌توان شبیه‌سازی کرد و تحلیل کرد.

Explicit Dynamics

در این محیط، تحلیل‌های دینامیکی با تغییرشکل‌های بزرگ که وارد فاز پلاستیک می‌شوند، انجام می‌شوند. تحلیل در این محیط نسبت به محیط مکانیک سازه‌ای دقیق‌تر است و شامل جزئیات بیشتری می‌باشد. از ماژول‌های مختلفی در این محیط استفاده می‌شود که عبارتند از:

۱. Explicit Dynamics: این ماژول برای مشاهده پدیده‌های شکست و ضربه استفاده می‌شود. با استفاده از Explicit Dynamics، می‌توان پدیده‌هایی مانند شکست سازه و ضربه‌های قوی را شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

۲. AUTODYN و LS-DYNA: این ماژول‌ها برای تحلیل انفجار، تغییرشکل‌های بزرگ، ترکیدن، قطعه‌قطعه شدن، پارگی و سایر پدیده‌های پویا استفاده می‌شوند. با استفاده از AUTODYN و LS-DYNA، می‌توان پدیده‌های پویایی مانند انفجار، تغییرشکل‌های بزرگ و ترکیدگی را شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

Hydrodynamics – AQWA

در این بخش از نرم‌افزار، شبیه‌سازی هیدرودینامیکی مسائل مهندسی دریا مانند تحلیل سکوهای نفتی، سازه‌های دریایی و غیره انجام می‌شود. این محیط شامل دو ماژول است: Hydrodynamic Diffraction و Hydrodynamic Time Response.

۱. Hydrodynamic Diffraction: این ماژول برای شبیه‌سازی پدیده‌های هیدرودینامیکی مانند انتشار موج و اثرات دیفراکسیون (Diffraction) استفاده می‌شود. با استفاده از Hydrodynamic Diffraction، می‌توان تأثیر موج‌ها و امواج در سازه‌های دریایی و سکوهای نفتی را شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

۲. Hydrodynamic Time Response: این ماژول برای شبیه‌سازی پاسخ زمانی هیدرودینامیکی استفاده می‌شود. با استفاده از Hydrodynamic Time Response، می‌توان پاسخ زمانی سازه‌های دریایی و سکوهای نفتی را در برابر امواج و تغییرات شرایط دریا شبیه‌سازی و تحلیل کرد.

Modeling 3D

برای شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی، معمولاً نیاز به مدل‌سازی قطعات تشکیل‌دهنده آن‌ها وجود دارد. در نرم‌افزار انسیس، علاوه بر امکان وارد کردن هندسه از نرم‌افزارهای CAD، دو ماژول قدرتمند برای مدل‌سازی موجود است.

۱. DesignModeler: این ماژول برای ترسیمات ساده و ابتدایی استفاده می‌شود. با استفاده از DesignModeler، می‌توان شکل‌ها و هندسه‌های ساده را ترسیم و مدل‌سازی کرد.

۲. SpaceClaim: این ماژول برای مدل‌سازی قطعات پیچیده و مجموعه‌های مونتاژشده استفاده می‌شود. با استفاده از SpaceClaim، می‌توان قطعات پیچیده و ساختارهای ترکیبی را مدل‌سازی کرد.

با استفاده از این دو ماژول، امکان مدل‌سازی دقیق و جامع برای شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی در نرم‌افزار انسیس فراهم می‌شود.

کاربردهای نرم افزار انسیس

نرم افزار انسیس در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای رایج انسیس عبارتند از:

• طراحی و تحلیل سازه‌ها و اجزای مکانیکی
• تحلیل انتقال حرارت در سیستم‌های مختلف
• تحلیل دینامیک سیالات در سیستم‌های مختلف
• تحلیل مدارهای الکتریکی
• تحلیل سیستم‌های اپتیکی

مزایای نرم افزار انسیس

نرم افزار انسیس مزایای متعددی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قابلیت‌های تحلیلی گسترده: نرم افزار ANSYS طیف گسترده‌ای از قابلیت‌های تحلیلی را ارائه می‌دهد که می‌تواند پاسخگوی نیازهای اکثر مهندسان باشد.
• رابط کاربری کاربرپسند: نرم افزار انسیس دارای رابط کاربری کاربرپسند است که استفاده از آن را برای کاربران آسان می‌کند.
• ابزارهای قدرتمند مدل‌سازی: نرم افزار ANSYS ابزارهای قدرتمندی برای مدل‌سازی اجسام سه‌بعدی ارائه می‌دهد.
• کتابخانه گسترده مصالح: نرم افزار انسیس دارای کتابخانه گسترده‌ای از مصالح است که می‌توان از آن‌ها برای مدل‌سازی مواد مختلف استفاده کرد.

محدودیت‌های نرم افزار انسیس

نرم افزار انسیس نیز مانند هر نرم‌افزار دیگری دارای برخی محدودیت‌ها است که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نیاز به دانش تخصصی: استفاده از نرم افزار انسیس نیاز به دانش تخصصی در زمینه مهندسی دارد.
• هزینه بالای خرید و استفاده: نرم افزار ANSYS دارای هزینه بالایی است.
• نیاز به سخت‌افزار قدرتمند: استفاده از نرم افزار انسیس نیاز به سخت‌افزار قدرتمندی دارد.