بررسی ساختار تعریف هندسه در mcnp

هندسه در مهندسی: از ابعاد کلان تا خرد (تعریف بر پایه سطوح، سلول و ماده)

کلمه کلیدی اصلی: هندسه مهندسی

در دنیای مهندسی، به‌ویژه در شبیه‌سازی‌های پیشرفته و تحلیل‌های المان محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، درک هندسه پایه و اساس هر پروژه است. اما هندسه در این حوزه‌ها تنها به اشکال ساده خلاصه نمی‌شود. در این مقاله از آکادمی پرتویار، به بررسی این مفهوم اساسی می‌پردازیم که هندسه پیچیده، در واقع از اجزای کوچکتری به نام سطوح، سلول‌ها و مواد ساخته شده است. این نگرش، درک عمیق‌تری از فرآیندهای مدل‌سازی و تحلیل ارائه می‌دهد.

مقدمه: چرا هندسه سه‌بعدی نیاز به تعریف لایه‌بندی شده دارد؟

هنگامی که به یک مدل سه‌بعدی، مانند یک پره توربین یا یک بدنه خودرو نگاه می‌کنیم، آن را به عنوان یک حجم یکپارچه می‌بینیم. اما برای آنکه نرم‌افزارهای مهندسی بتوانند این حجم را تحلیل کنند (مثلاً میزان تنش، دما یا فشار روی آن را محاسبه کنند)، باید آن را به اجزای کوچک و قابل مدیریتی تجزیه کنند. اینجاست که تعریف هندسه بر پایه سطوح (Surfaces)، سلول‌ها (Cells) و ماده (Material) اهمیت خود را نشان می‌دهد. این سلسلهمراتب، زبان مشترک بین مهندس و نرم‌افزار است.

فصل اول: کارت سطوح؛ تعریف پوستۀ هندسه

کلمات کلیدی: کارت سطوح، تعریف سطح در مهندسی، Surface Card

اولین و اساسی‌ترین گام در ایجاد یک مدل هندسی برای تحلیل، تعریف "کارت سطوح" است. در حقیقت، اول کارت سطوح تعریف می‌شود. سطوح، مرزهای هندسی مدل شما هستند. آن‌ها پوسته خارجی و داخلی حجم را تشکیل می‌دهند و مشخص می‌کنند که هندسه کجا شروع و کجا پایان می‌یابد.

نحوه تعریف کارت سطوح

تعریف کارت سطوح معمولاً در محیط نرم‌افزارهای مدل‌سازی (مانند SOLIDWORKS, CATIA, ANSYS SpaceClaim) یا مستقیماً در پیش‌پردازننده‌های نرم‌افزارهای تحلیلی (مانند ANSYS Mechanical یا LS-PrePost) انجام می‌شود. در این فرآیند:

1. ایجاد هندسه اولیه: هندسه مدنظر با استفاده از ابزارهای Sketch و Feature (مانند Extrude, Revolve, Sweep) ایجاد می‌شود. در این مرحله، هر وجه از حجم ایجاد شده، یک سطح محسوب می‌شود.

2. اختصاص شناسه (ID): نرم‌افزار به طور خودکار یا کاربر به صورت دستی، یک شماره یا شناسه منحصربه‌فرد به هر سطح اختصاص می‌دهد. این شناسه، "کارت سطوح" آن ناحیه خاص است.

3. تعیین ویژگی‌ها: برای هر کارت سطح، می‌توان ویژگی‌های مختلفی را تعریف کرد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

   • شرایط مرزی (Boundary Conditions): مانند سطح تحت فشار، سطح insulated (عایق) یا سطح دارای جابجایی ثابت.

   • بارگذاری (Loading): اعمال نیرو یا گشتاور بر روی یک سطح خاص.

   • شرایط انتقال حرارت (Heat Transfer Conditions): برای تحلیل‌های حرارتی.

لیست سطوح مختلف در یک مدل

در یک مدل پیچیده، با لیستی از سطوح مختلف روبرو هستیم که هر کدام نقش خاص خود را ایفا می‌کنند. برای مثال، در مدل یک سیلندر موتور:

• Surface 1: سطح داخلی (جداره سیلندر)

• Surface 2: سطح فوقانی (محل قرارگیری سرسیلندر)

• Surface 3: سطح تحتانی (اتصال به بدنه)

• Surface 4: سطح خارجی (در تماس با هوا)

• Surface 5-8: سطوح اطراف پورت‌های ورود و خروج سوخت

این لیست به مهندس اجازه می‌دهد تا به طور دقیق و مجزا، شرایط مختلف را به قسمت‌های مرتبط از هندسه اعمال کند.

فصل دوم: کارت سلول؛ قلب تحلیل المان محدود

کلمات کلیدی: کارت سلول، شبکه‌بندی هندسی، Mesh Generation

پس از تعریف پوستۀ هندسی (سطوح)، نوبت به پر کردن فضای داخلی آن می‌رسد. این کار با ایجاد "کارت سلول" یا "المان" انجام می‌شود. سلول‌ها، بلوک‌های ساختمانی حجم هندسی شما هستند. در واقع، سطوح یک قفس تعریف می‌کنند و سلول‌ها فضای داخل این قفس را به بخش‌های کوچک و گسسته تقسیم می‌کنند تا معادلات دیفرانسیل حاکم بر پدیده‌های فیزیکی به صورت عددی قابل حل باشند.

نقش سلول‌ها در تحلیل

فرآیند ایجاد سلول‌ها، شبکه‌بندی (Meshing) نامیده می‌شود. هر سلول دارای یک کارت سلول است که اطلاعات حیاتی زیر را در خود نگه می‌دارد:

• نوع سلول (Cell Type): مشخص می‌کند که سلول از چه شکلی برخوردار است (مانند tetrahedron, hexahedron, pyramid).

• ارتباط با گره‌ها (Connectivity): مشخص می‌کند که این سلول به کدام گره‌های (Nodes) هندسی متصل است.

• ارتباط با کارت ماده: مشخص می‌کند که جنس این سلول از چه ماده‌ای است (که در ادامه توضیح داده می‌شود).

کیفیت شبکه‌بندی و تعریف صحیح کارت سلول، مستقیم بر روی دقت، سرعت و پایداری نتایج تحلیل تأثیر می‌گذارد.

فصل سوم: کارت ماده؛ connecting the Geometry to Physics

کلمات کلیدی: کارت ماده، خواص材料، Material Properties

حالا که هندسه به سطوح و سلول‌ها分解 شده است، باید به آن هویت فیزیکی ببخشیم. این کار با تعریف "کارت ماده" انجام می‌شود. کارت ماده، خواص فیزیکی material را به سلول‌های هندسی اختصاص می‌دهد. در حقیقت، ماده است که به هندسه "جان" می‌بخشد و به آن اجازه می‌دهد در شبیه‌سازی، رفتار واقعی از خود نشان دهد.

اطلاعات موجود در کارت ماده

یک کارت ماده معمولاً شامل خواص زیر است:

• خواص مکانیکی: چگالی (Density)، مدول یانگ (Young's Modulus)، نسبت پواسون (Poisson's Ratio)، حد تسلیم (Yield Strength).

• خواص حرارتی: ضریب هدایت حرارتی (Thermal Conductivity)، ظرفیت حرارتی ویژه (Specific Heat).

• مدل رفتاری (Material Model): مشخص می‌کند که material در برابر بارها چگونه رفتار می‌کند (الاستیک، پلاستیک، ویسکوالاستیک و ...).

یک سلول تنها زمانی معنادار می‌شود که یک کارت ماده به آن مرتبط شده باشد. برای مثال، شما می‌توانید در یک مدل، به برخی سلول‌ها کارت ماده "فولاد" و به برخی دیگر کارت ماده "آلومینیوم" اختصاص دهید.

جمع‌بندی: سلسلهمراتب یکپارچه از کل به جزء

همان‌طور که در این مقاله از آکادمی پرتویار بررسی کردیم، هندسه در مهندسی مدرن یک ساختار سلسله‌مراتبی دارد:

1. سطوح (Surfaces): این لایه، پوسته و مرزهای هندسی را تعریف می‌کند. (اول کارت سطوح تعریف می‌شود).

2. سلول‌ها (Cells): این لایه، فضای داخلی مرزبندی شده توسط سطوح را به حجم‌های کوچک و قابل تحلیل تقسیم می‌کند.

3. ماده (Material): این لایه، خواص فیزیکی را به سلول‌ها اعمال کرده و به هندسه، رفتار واقعی می‌بخشد.

درک این رابطه و تسلط بر چگونگی تعریف هر یک از این کارت‌ها، برای هر مهندسی که قصد انجام تحلیل‌های دقیق و قابل اطمینان را دارد، ضروری است. این نگرش، پل ارتباطی بین دنیای ایده‌آل هندسه و دنیای پیچیده فیزیک است.

پیشنهاد آکادمی پرتویار برای مطالعۀ بیشتر:

• آموزش گام به گام شبکه‌بندی (Meshing) در ANSYS Mechanical

• انتخاب مدل ماده مناسب برای انواع تحلیل‌های غیرخطی

• روش‌های اعمال شرایط مرزی پیچیده روی سطوح منحنی