راهنمای جامع و کامل انتخاب المان مناسب (Element Type) در Ansys Mechanical

 مفاهیم بنیادین المان‌ها در تحلیل المان محدود

برای دستیابی به نتایج دقیق و قابل اعتماد در تحلیل المان محدود (FEA)، درک ویژگی‌های بنیادین المان‌ها یک ضرورت انکارناپذیر است. انتخاب صحیح المان، که واحد سازنده هر مدل FEA است، مستقیماً بر دقت، کارایی و موفقیت تحلیل تأثیر می‌گذارد. این فصل به بررسی مفاهیم کلیدی می‌پردازد که هر تحلیل‌گر برای کار با کتابخانه المان‌های ANSYS باید با آن‌ها آشنا باشد.

 شناسایی انواع المان

هر نوع المان در کتابخانه ANSYS با یک نام منحصر به فرد (حداکثر هشت کاراکتر) شناسایی می‌شود. این نام از دو بخش تشکیل شده است: یک برچسب گروه که نوع کلی المان را مشخص می‌کند (مانند SOLID برای المان‌های حجمی یا SHELL برای المان‌های پوسته‌ای) و یک شماره شناسایی منحصر به فرد. به عنوان مثال، المان SOLID185 یک المان حجمی با شماره شناسایی 185 است. این سیستم نام‌گذاری به کاربران امکان می‌دهد تا به سرعت المان مورد نظر خود را در کتابخانه گسترده ANSYS پیدا و انتخاب کنند.

درجات آزادی (Degrees of Freedom) و حوزه‌های تحلیل

درجات آزادی (DOFs) یک المان، متغیرهای مجهول اصلی در گره‌های آن هستند که رفتار فیزیکی مدل را توصیف می‌کنند. این درجات آزادی تعیین‌کننده حوزه تخصصی کاربرد المان هستند. برای مثال:

• • جابجایی‌ها (UX, UY, UZ) و دوران‌ها (ROTX, ROTY, ROTZ): برای تحلیل‌های سازه‌ای.
  • دما (TEMP): برای تحلیل‌های حرارتی.
  • ولتاژ (VOLT): برای تحلیل‌های الکتریکی.
  • فشار (PRES): برای تحلیل‌های صوتی (acoustic) یا به عنوان درجه آزادی اضافی در المان‌های سازه‌ای خاص برای مدل‌سازی مواد تقریباً تراکم‌ناپذیر.
  • پتانسیل برداری مغناطیسی (AX, AY, AZ): برای تحلیل‌های مغناطیسی.

المان‌هایی که چندین نوع درجه آزادی را به طور همزمان پشتیبانی می‌کنند، برای تحلیل‌های کوپل میدان (Coupled-Field) به کار می‌روند. انتخاب المانی با درجات آزادی ضروری و متناسب با فیزیک مسئله، امری حیاتی است؛ زیرا در نظر گرفتن درجات آزادی غیرضروری، به طور قابل توجهی زمان حل و حافظه مورد نیاز برای تحلیل را افزایش می‌دهد.

مشخصات ابعادی و شکلی المان‌ها

المان‌ها بر اساس ابعاد و شکل هندسی خود طبقه‌بندی می‌شوند. این مشخصات بر نحوه مدل‌سازی هندسه و دقت نتایج تأثیرگذار است.

• • المان‌های دو بعدی (2-D): برای مدل‌سازی قطعاتی که می‌توان آن‌ها را به صورت صفحه‌ای (مانند تنش صفحه‌ای یا کرنش صفحه‌ای) یا متقارن محوری در نظر گرفت، استفاده می‌شوند. اشکال رایج آن‌ها شامل چهارضلعی (Quadrilateral) و مثلثی (Triangular) است.
  • المان‌های سه بعدی (3-D): برای مدل‌سازی هندسه‌های عمومی و پیچیده در فضای سه‌بعدی به کار می‌روند. اشکال رایج آن‌ها شامل آجری یا شش‌وجهی (Brick/Hexahedral) و چهاروجهی (Tetrahedral) است.

المان‌های نسل جدید در مقابل المان‌های قدیمی (Legacy)

کتابخانه المان‌های ANSYS شامل دو دسته اصلی از المان‌ها است:

• • المان‌های فناوری روز (Current-Technology): این المان‌ها بهترین و پیشرفته‌ترین فناوری‌های موجود در ANSYS را ارائه می‌ده دهند. آن‌ها معمولاً قابلیت‌های غیرخطی گسترده، فرمولاسیون‌های پیشرفته برای جلوگیری از قفل‌شدگی و کارایی محاسباتی بالاتری دارند. برای تمام تحلیل‌های جدید، باید از المان‌های فناوری روز استفاده کرد تا از حداکثر کارایی و دقت بهره‌مند شوید.
  • المان‌های قدیمی (Legacy): این المان‌ها برای حفظ سازگاری با فایل‌های ورودی و مدل‌های قدیمی که توسط کاربران باسابقه ایجاد شده‌اند، همچنان پشتیبانی می‌شوند. با این حال، ممکن است در آینده با المان‌های جدیدتر جایگزین شوند و برای تحلیل‌های جدید توصیه نمی‌شوند.

 ورودی‌ها و خروجی‌های عمومی المان

هر المان برای تعریف رفتار خود به مجموعه‌ای از داده‌های ورودی نیاز دارد و پس از حل، مجموعه‌ای از داده‌های خروجی را تولید می‌کند.

ورودی‌های اصلی المان

خروجی‌های المان

پس از اتمام فرآیند حل، نتایج تحلیل در دسترس قرار می‌گیرند. این نتایج به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. 1. نتایج اولیه: این نتایج مستقیماً از حل معادلات المان محدود به دست می‌آیند و همان مقادیر مجهول درجات آزادی گرهی هستند (مانند جابجایی‌ها در تحلیل سازه‌ای یا دما در تحلیل حرارتی).
   2. نتایج ثانویه (مشتق‌شده): این نتایج از مقادیر اولیه محاسبه می‌شوند و شامل کمیت‌هایی مانند تنش‌ها، کرنش‌ها، شارهای حرارتی و گرادیان‌های حرارتی هستند. این داده‌ها برای ارزیابی عملکرد و ایمنی مدل مهندسی ضروری هستند.

سیستم‌های مختصات

هر المان دارای یک سیستم مختصات محلی است که برای تعریف ورودی‌ها و تفسیر خروجی‌ها اهمیت دارد. کاربردهای اصلی سیستم مختصات المان عبارتند از:

• • تعریف مواد ارتوتروپیک: جهت‌گیری خواص مواد ناهمسانگرد (مانند کامپوزیت‌ها) نسبت به محورهای این سیستم تعریف می‌شود.
  • اعمال بارگذاری: جهت بارهای سطحی مانند فشار بر روی برخی المان‌ها در این سیستم مختصات تعریف می‌شود.
  • خروجی نتایج: کمیت‌های برداری و تانسوری مانند تنش، کرنش و گرادیان حرارتی در راستای محورهای سیستم مختصات المان گزارش می‌شوند.

با درک این مفاهیم بنیادین، اکنون آماده‌ایم تا المان‌ها را بر اساس حوزه‌های کاربردی آن‌ها طبقه‌بندی کرده و فرآیند انتخاب را ساده‌تر نماییم.

طبقه‌بندی و انتخاب المان بر اساس حوزه تحلیل

این فصل به مهندسان کمک می‌کند تا با دسته‌بندی المان‌ها بر اساس حوزه فیزیکی، به سرعت مناسب‌ترین گزینه را برای تحلیل خود پیدا کنند. کتابخانه المان‌های ANSYS بسیار گسترده است و طبقه‌بندی بر اساس کاربرد، نقطه شروعی عالی برای محدود کردن گزینه‌ها و تمرکز بر المان‌های مرتبط با مسئله شماست. در ادامه، المان‌های کلیدی برای حوزه‌های اصلی تحلیل فهرست شده‌اند.

المان‌های سازه‌ای (Structural)

این المان‌ها برای تحلیل تنش، کرنش، تغییرشکل و ارتعاشات در سازه‌ها به کار می‌روند.

• • LINK180: المان خرپای سه‌بعدی برای مدل‌سازی اعضای تحت کشش یا فشار.
  • BEAM188: المان تیر سه‌بعدی دو گره‌ای بر اساس تئوری تیموشنکو.
  • BEAM189: المان تیر سه‌بعدی سه گره‌ای (مرتبه بالاتر) بر اساس تئوری تیموشنکو.
  • SHELL181: المان پوسته‌ای چهار گره‌ای برای تحلیل پوسته‌های نازک تا ضخیم.
  • SOLID185: المان حجمی هشت گره‌ای برای مدل‌سازی سازه‌های سه‌بعدی عمومی.
  • SOLID186: المان حجمی بیست گره‌ای (مرتبه بالاتر) برای دقت بیشتر در هندسه‌های منحنی.
  • SOLID187: المان حجمی چهاروجهی ده گره‌ای (مرتبه بالاتر) برای مش‌بندی هندسه‌های پیچیده.

توصیه تخصصی: در حالی که SOLID185 المان اصلی برای اجسام سه‌بعدی عمومی است، برای مدل‌سازی هندسه‌های منحنی، همتای مرتبه بالاتر آن، SOLID186 را ترجیح دهید تا از قفل‌شدگی برشی جلوگیری کرده و با تعداد المان کمتر به دقت بالاتری دست یابید. از SOLID187 (چهاروجهی) عمدتاً برای مش‌بندی هندسه‌های بسیار پیچیده که در آن‌ها ایجاد مش شش‌وجهی ساختاریافته غیرعملی است، استفاده کنید.

المان‌های حرارتی (Thermal)

این المان‌ها برای تحلیل توزیع دما و انتقال حرارت (هدایت، جابجایی و تشعشع) استفاده می‌شوند.

• • LINK33: المان میله‌ای سه‌بعدی برای مدل‌سازی هدایت حرارتی.
  • PLANE55: المان صفحه‌ای چهار گره‌ای برای تحلیل حرارتی دو بعدی.
  • SOLID70: المان حجمی هشت گره‌ای برای تحلیل هدایت حرارتی سه‌بعدی.
  • PLANE77: المان صفحه‌ای هشت گره‌ای (مرتبه بالاتر) برای تحلیل حرارتی دو بعدی.
  • SOLID90: المان حجمی بیست گره‌ای (مرتبه بالاتر) برای تحلیل حرارتی سه‌بعدی.
  • SHELL131: المان پوسته‌ای حرارتی چهار گره‌ای برای تحلیل حرارتی در پوسته‌ها.
  • SURF152: المان سطحی سه‌بعدی برای اعمال بارهای جابجایی، شار حرارتی و تشعشع.

توصیه تخصصی: برای اکثر تحلیل‌های حرارتی سه‌بعدی، SOLID70 کافی است. با این حال، برای تحلیل‌هایی که شامل تغییر فاز (ذوب/انجماد) هستند، به دلیل پشتیبانی از تابع آنتالپی، استفاده از SOLID90 الزامی است.

 المان‌های سیالات (Fluid)

این المان‌ها برای شبیه‌سازی رفتار سیالات، از جمله آکوستیک و اندرکنش سیال محبوس با سازه طراحی شده‌اند.

• • FLUID29: المان سیال صوتی دو بعدی (2-D Acoustic Fluid)
  • FLUID30: المان سیال صوتی سه‌بعدی (3-D Acoustic Fluid)
  • FLUID80: المان سیال سه‌بعدی برای مدل‌سازی سیالات محبوس (3-D Contained Fluid)

المان‌های تخصصی‌تر مانند FLUID116 (جریان در لوله) یا المان‌های قدیمی CFD مانند FLUID141 نیز برای کاربردهای خاص موجود هستند.

المان‌های الکترومغناطیس (Electromagnetic)

این المان‌ها برای تحلیل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی استاتیک، هارمونیک و گذرا به کار می‌روند.

• • PLANE53: المان الکترومغناطیس صفحه‌ای هشت گره‌ای.
  • SOLID97: المان الکترومغناطیس حجمی هشت گره‌ای.
  • SOURC36: المان منبع جریان مغناطیسی-الکتریکی.
  • HF119: المان الکترومغناطیس فرکانس-بالای چهاروجهی ده گره‌ای.
  • HF120: المان الکترومغناطیس فرکانس-بالای آجری بیست گره‌ای.

المان‌های کوپل میدان (Coupled-Field)

این المان‌ها قابلیت مدل‌سازی اندرکنش بین حوزه‌های فیزیکی مختلف (مانند سازه-حرارت، پیزوالکتریک) را در یک المان واحد دارند.

• • SOLID5: المان حجمی هشت گره‌ای کوپل میدان (قدیمی).
  • PLANE13: المان صفحه‌ای چهار گره‌ای کوپل میدان (قدیمی).
  • SOLID226: المان حجمی کوپل میدان بیست گره‌ای (نسل جدید).
  • SOLID227: المان حجمی کوپل میدان ده گره‌ای چهاروجهی (نسل جدید).

المان‌های تماس (Contact)

این المان‌ها برای شبیه‌سازی تماس و اندرکنش بین سطوح مختلف یک مدل استفاده می‌شوند.

• • CONTA171: المان تماس سطح به سطح دو بعدی دو گره‌ای.
  • CONTA172: المان تماس سطح به سطح دو بعدی سه گره‌ای.
  • CONTA173: المان تماس سطح به سطح سه‌بعدی چهار گره‌ای.
  • CONTA174: المان تماس سطح به سطح سه‌بعدی هشت گره‌ای.
  • TARGE169: المان هدف دو بعدی برای تعریف سطوح هدف.
  • TARGE170: المان هدف سه‌بعدی برای تعریف سطوح هدف.

سایر المان‌های تخصصی

کتابخانه ANSYS شامل المان‌های بسیار تخصصی برای کاربردهای ویژه نیز می‌باشد.

• • COMBIN14: المان فنر-دمپر برای مدل‌سازی اتصالات الاستیک یا میراکننده.
  • MATRIX27: المان ماتریس سختی، میرایی یا جرمی عمومی.
  • MPC184: المان قید چندنقطه‌ای برای اعمال قیود سینماتیکی پیچیده (مانند اتصالات مفصلی).
  • REINF264: المان تقویت‌کننده گسسته سه‌بعدی برای مدل‌سازی میلگردها یا الیاف.

با شناسایی حوزه تحلیل و آشنایی با المان‌های اصلی آن، اکنون می‌توانید با اطمینان بیشتری به جزئیات فنی هر المان در کتابخانه مرجع بپردازید.

کتابخانه مرجع المان‌ها

این فصل به عنوان یک کاتالوگ دقیق و استاندارد از المان‌های کلیدی عمل می‌کند و اطلاعات جامعی را برای انتخاب و استفاده صحیح از آن‌ها در اختیار تحلیل‌گران قرار می‌دهد. برای هر المان، توضیحات کاربردی، داده‌های ورودی ضروری، خروجی‌های اصلی و محدودیت‌های مهم آن ارائه شده است تا به عنوان یک مرجع سریع و قابل اعتماد در طول فرآیند مدل‌سازی مورد استفاده قرار گیرد.

المان‌های سازه‌ای (Structural Elements)

SOLID185: 3-D 8-Node Structural Solid

• توضیحات: SOLID185 یک المان حجمی هشت گره‌ای است که برای مدل‌سازی سازه‌های سه‌بعدی عمومی به کار می‌رود. این المان دارای سه درجه آزادی جابجایی در هر گره (UX, UY, UZ) است. SOLID185 از قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند پلاستیسیته، هایپرالاستیسیته، خزش، تغییرشکل‌های بزرگ، و کرنش‌های بزرگ پشتیبانی می‌کند. این المان همچنین از فرمولاسیون‌های مختلفی برای غلبه بر مشکلات قفل‌شدگی در تحلیل‌های پیچیده بهره می‌برد و یکی از پرکاربردترین المان‌ها در تحلیل‌های سازه‌ای غیرخطی است.
• داده‌های ورودی:

• داده‌های خروجی: خروجی‌های اصلی این المان شامل موارد زیر است:
  • تنش‌ها: مولفه‌های تنش در سیستم مختصات المان (S:X, Y, Z, XY, YZ, XZ).
  • تنش معادل فون میزس: (S:EQV).
  • کرنش‌ها: کرنش‌های الاستیک (EPEL)، پلاستیک (EPPL)، حرارتی (EPTH) و خزشی (EPCR).
• مفروضات و محدودیت‌ها:
  1. همانطور که در بخش 4.1 اشاره شد، استفاده از شکل‌های تخریب‌شده (degenerate) این المان، مانند تبدیل آن به یک چهاروجهی با گره‌های تکراری، توصیه نمی‌شود. به جای آن باید از المان‌های چهاروجهی ذاتی مانند SOLID187 استفاده شود.
  2. برای مواد تقریباً تراکم‌ناپذیر (مانند لاستیک‌ها)، استفاده از فرمولاسیون ترکیبی u-P (KEYOPT(6) = 1) برای جلوگیری از قفل‌شدگی حجمی ضروری است.

SHELL181: 4-Node Structural Shell

• توضیحات: SHELL181 یک المان پوسته‌ای چهار گره‌ای است که برای تحلیل سازه‌های پوسته‌ای نازک تا ضخامت متوسط مناسب است. این المان دارای شش درجه آزادی در هر گره (سه جابجایی و سه دوران) است و بر اساس تئوری تغییرشکل برشی مرتبه اول (Mindlin-Reissner) فرمول‌بندی شده است. SHELL181 برای تحلیل‌های خطی، چرخش‌های بزرگ و کرنش‌های بزرگ کاربرد دارد و می‌تواند برای مدل‌سازی مواد کامپوزیتی لایه‌ای نیز استفاده شود.
• داده‌های ورودی:

• داده‌های خروجی: خروجی‌های اصلی این المان عبارتند از:
  • تنش‌ها و کرنش‌ها: در نقاط انتگرال‌گیری در بالا (TOP)، وسط (MID) و پایین (BOT) هر لایه (مانند S:X(TOP), EPEL:X(MID)).
  • نیروها و لنگرهای غشایی و خمشی: (مانند M:X, N:Y).
• مفروضات و محدودیت‌ها:
  1. این المان بر پایه تئوری تغییرشکل برشی مرتبه اول بنا شده است، که فرض می‌کند خطوط عمود بر صفحه میانی پوسته پس از تغییرشکل مستقیم باقی می‌مانند اما لزوماً عمود نیستند.
  2. شکل تخریب‌شده مثلثی این المان توصیه نمی‌شود، هرچند قابل استفاده است.

المان‌های حرارتی (Thermal Elements)

SOLID70: 3-D Thermal Solid

• توضیحات: SOLID70 یک المان حجمی هشت گره‌ای برای تحلیل هدایت حرارتی سه‌بعدی است. هر گره آن دارای یک درجه آزادی دما (TEMP) می‌باشد. این المان برای تحلیل‌های حرارتی پایدار و گذرا کاربرد دارد. علاوه بر این، SOLID70 می‌تواند اثرات انتقال حرارت ناشی از جابجایی جرم (advection) را در حضور یک میدان سرعت ثابت مدل‌سازی کند که آن را برای مسائل ساده کوپل حرارتی-سیالاتی مناسب می‌سازد.
• داده‌های ورودی:

• داده‌های خروجی: خروجی‌های اصلی این المان شامل موارد زیر است:
  • گرادیان‌های حرارتی: مولفه‌های گرادیان دما و مجموع برداری آن‌ها (TG:X, Y, Z, SUM).
  • شارهای حرارتی: مولفه‌های شار حرارتی و مجموع برداری آن‌ها (TF:X, Y, Z, SUM).
• مفروضات و محدودیت‌ها:
  1. المان نباید حجم منفی یا صفر داشته باشد.
  2. هنگام فعال‌سازی انتقال جرم (KEYOPT(8)=1 یا 2)، عدد پکلت المان (Peclet number) باید کمتر از 1 باشد.
  3. هنگام استفاده از گزینه انتقال جرم، ماتریس‌های نامتقارن تولید می‌شوند که ممکن است به حلگر نامتقارن نیاز داشته باشد.

المان‌های کوپل میدان (Coupled-Field Elements)

SOLID5: 3-D Coupled-Field Solid

• توضیحات: SOLID5 یک المان حجمی هشت گره‌ای قدیمی (Legacy) است که قابلیت تحلیل‌های کوپل میدان را فراهم می‌کند. این المان می‌تواند تا شش درجه آزادی در هر گره داشته باشد و برای شبیه‌سازی اندرکنش بین حوزه‌های مغناطیسی، حرارتی، الکتریکی، پیزوالکتریک و سازه‌ای طراحی شده است. هشدار مهم: استفاده از این المان در تحلیل‌های جدید اکیداً توصیه نمی‌شود. به جای آن، همواره از جایگزین‌های مدرن آن یعنی SOLID226 و SOLID227 که قابلیت‌های برتر و فرمولاسیون قوی‌تری دارند، استفاده کنید.
• داده‌های ورودی:

• داده‌های خروجی: خروجی‌های المان بسته به حوزه فیزیکی فعال، متفاوت است:
  • سازه‌ای: تنش‌ها (S:X, Y,…) و کرنش‌ها (EPEL:X, Y,…).
  • حرارتی: گرادیان‌های حرارتی (TG:X, Y,…) و شارهای حرارتی (TF:X, Y,…).
  • مغناطیسی: میدان‌های مغناطیسی (B:X, Y,…) و شدت میدان مغناطیسی (H:X, Y,…).
  • الکتریکی: میدان‌های الکتریکی (E:X, Y,…) و چگالی شار الکتریکی (D:X, Y,…).
• مفروضات و محدودیت‌ها:
  1. این یک المان قدیمی است و استفاده از جایگزین‌های نسل جدید آن (SOLID226, SOLID227) توصیه می‌شود.
  2. قابلیت‌های کوپلینگ آن محدود است و تمام اندرکنش‌های فیزیکی ممکن را پوشش نمی‌دهد.
  3. این المان در حلگر توزیع‌شده (Distributed ANSYS) پشتیبانی نمی‌شود.

با بررسی این المان‌های کلیدی، درک بهتری از قابلیت‌ها و محدودیت‌های هر یک به دست آوردیم. فصل بعدی به بررسی فناوری‌ها و ملاحظات پیشرفته‌تری می‌پردازد که در تحلیل‌های پیچیده نقش حیاتی دارند.

مباحث و فناوری‌های پیشرفته المان‌ها

برای دستیابی به نتایج دقیق و معتبر در سناریوهای تحلیلی پیچیده، آشنایی با فناوری‌های پیشرفته المان‌ها و ملاحظات خاص ضروری است. این فصل به بررسی مفاهیمی می‌پردازد که به مهندسان کمک می‌کند تا با چالش‌هایی مانند قفل‌شدگی، هندسه‌های پیچیده و بارگذاری‌های غیرمتقارن مقابله کنند.

المان‌های با شکل تخریب‌شده (Degenerated Shape Elements)

المان‌های با شکل تخریب‌شده زمانی ایجاد می‌شوند که گره‌های یک المان با فرم استاندارد (مانند چهارضلعی یا آجری) بر یکدیگر منطبق شوند تا شکلی ساده‌تر (مانند مثلث یا چهاروجهی) بسازند. اگرچه این روش می‌تواند در مش‌بندی نواحی نامنظم مفید باشد، اما باید با احتیاط فراوان استفاده شود.

بر اساس مستندات ANSYS، المان‌های تخریب‌شده‌ای که از المان‌های بدون گره میانی (مرتبه پایین) ایجاد می‌شوند، دقت بسیار کمتری نسبت به المان‌های استاندارد دارند. همانطور که در مفروضات المان SOLID185 اشاره شد، تبدیل یک المان آجری به چهاروجهی توصیه نمی‌شود. این المان‌ها نباید در نواحی با گرادیان تنش بالا یا مناطقی که دقت نتایج در آن‌ها حیاتی است، به کار روند. در صورت نیاز به استفاده از اشکال مثلثی یا چهاروجهی، باید از المان‌هایی که به طور خاص برای این اشکال طراحی شده‌اند (مانند SOLID187) استفاده شود.

فناوری‌های جلوگیری از قفل‌شدگی (Locking)

قفل‌شدگی یک خطای عددی است که باعث می‌شود المان‌ها در شرایط خاص، رفتاری بیش از حد صلب از خود نشان دهند و نتایج نادرستی تولید کنند.

• • قفل‌شدگی برشی و حجمی (Shear and Volumetric Locking):
    • قفل‌شدگی برشی (Shear Locking): این پدیده عمدتاً در المان‌های مرتبه پایین (مانند SOLID185 با انتگرال‌گیری کامل) در مسائل خمشی رخ می‌دهد. المان قادر به نمایش صحیح تغییرشکل برشی صفر در حالت خمش خالص نیست و منجر به پاسخ بیش از حد صلب می‌شود.
    • قفل‌شدگی حجمی (Volumetric Locking): این پدیده در تحلیل مواد تقریباً تراکم‌ناپذیر (با ضریب پواسون نزدیک به 0.5) مانند لاستیک‌ها و مواد هایپرالاستیک یا در مسائل پلاستیسیته با کرنش‌های بزرگ رخ می‌دهد. المان قادر به حفظ حجم ثابت خود نیست و پاسخ بسیار صلبی ارائه می‌دهد.
  • فرمولاسیون کرنش بهبودیافته (Enhanced Strain Formulation): این فرمولاسیون با افزودن درجات آزادی داخلی (که در سطح المان محاسبه و حذف می‌شوند و برای کاربر نامرئی هستند)، از قفل‌شدگی برشی و حجمی جلوگیری می‌کند. این درجات آزادی داخلی به المان اجازه می‌دهند تا مدهای تغییرشکل پیچیده را با دقت بیشتری نمایش دهد و از ایجاد سختی مصنوعی (قفل‌شدگی) بدون مشکلات احتمالی ساعت شنی (hourglassing) که در انتگرال‌گیری کاهش‌یافته وجود دارد، جلوگیری می‌کند. اما به دلیل محاسبات اضافی، هزینه محاسباتی آن بیشتر است.
  • فرمولاسیون ترکیبی u-P (Mixed u-P Formulation): این فرمولاسیون برای مقابله با قفل‌شدگی حجمی در مواد تقریباً تراکم‌ناپذیر طراحی شده است. در این روش، علاوه بر جابجایی (u)، فشار هیدرواستاتیک (P) نیز به عنوان یک متغیر مجهول اصلی در گره‌ها یا نقاط انتگرال‌گیری در نظر گرفته می‌شود. این رویکرد به طور موثری قفل‌شدگی حجمی را برطرف کرده و برای تحلیل مواد هایپرالاستیک و مسائل پلاستیسیته با تغییرشکل‌های بزرگ بسیار مناسب است. المان‌های PLANE182، PLANE183، SOLID185، SOLID186، SOLID187، SOLSH190، SOLID272، SOLID273 و SOLID285 از این قابلیت پشتیبانی می‌کنند.

المان‌های متقارن محوری (Axisymmetric Elements)

درحالی‌که المان‌های استاندارد دوبعدی می‌توانند هندسه‌های متقارن محوری را تحت بارهای متقارن محوری مدل‌سازی کنند، بسیاری از مسائل دنیای واقعی شامل بارهای غیرمتقارن (مانند یک فلنج پیچ‌دار) هستند. ANSYS دو خانواده المان تخصصی برای این منظور ارائه می‌دهد که هر کدام موارد استفاده متمایزی دارند:

• • المان‌های متقارن محوری عمومی (General Axisymmetric): المان‌هایی مانند SOLID272 و SOLID273 از سری فوریه برای توصیف تغییرات جابجایی در راستای محیطی (θ) استفاده می‌کنند. این ویژگی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بارگذاری‌ها و تغییرشکل‌های غیرمتقارن را در تحلیل‌های خطی و غیرخطی مدل‌سازی کنند. در این روش، تمام بارهای فیزیکی در مکان‌های واقعی خود اعمال شده و مسئله تنها یک بار حل می‌شود.
  • المان‌های متقارن محوری هارمونیک (Harmonic Axisymmetric): این دسته از المان‌ها (مانند PLANE25 و SHELL61) برای تحلیل‌های خطی با بارگذاری‌های غیرمتقارن که می‌توانند به صورت توابع سینوسی و کسینوسی در راستای محیطی تجزیه شوند، استفاده می‌شوند. این روش نسبت به المان‌های عمومی کارآمدتر است، اما به تحلیل‌های خطی محدود بوده و نمی‌تواند هر نوع بارگذاری را مدل‌سازی کند.

ملاحظات عملی در مش‌بندی

انتخاب المان و استراتژی مش‌بندی، فراتر از انتخاب نوع المان از کتابخانه است و به ملاحظات عملی نیز بستگی دارد.

• • زمان و توان محاسباتی: همیشه باید بین دقت مورد نیاز و منابع محاسباتی موجود (زمان و قدرت پردازش) تعادل برقرار کرد. یک مش بسیار ریز با المان‌های مرتبه بالا نتایج دقیقی ارائه می‌دهد، اما ممکن است زمان حل آن به طور غیرقابل قبولی طولانی شود.
  • پیچیدگی هندسه: هندسه‌های ساده مانند مکعب یا کره را می‌توان به راحتی با المان‌های ساختاریافته آجری (brick) مش زد. در مقابل، هندسه‌های بسیار پیچیده (مانند صورت انسان یا قطعات ریخته‌گری شده) نیازمند استراتژی‌های متفاوتی هستند.
  • تقسیم بدنه (Body Splitting): انگیزه اصلی برای «تقسیم بدنه»، تجزیه یک هندسه پیچیده به نواحی ساده‌تر و «قابل نگاشت» (mappable) است. این تکنیک قدرتمند به شما امکان می‌دهد تا به جای استفاده اجباری از مش‌های چهاروجهی بدون ساختار (مانند SOLID187)، از مش‌های شش‌وجهی ساختاریافته و با کیفیت بالا (مانند SOLID185) استفاده کنید. این رویکرد اغلب منجر به نتایج دقیق‌تر با تعداد المان کمتر و زمان حل کوتاه‌تر می‌شود.
    • کنترل دستی نوع و اندازه المان: برای هر بخش ساده‌شده، می‌توانید روش مش‌بندی و نوع المان مناسب را به صورت دستی اعمال کرده و در نواحی حساس، مش را ریزتر کنید.
    • مثال‌ها:
      • باتری استوانه‌ای: یک استوانه ساده با تقسیم به چهار ربع، امکان ایجاد مشی باکیفیت‌تر و کنترل‌شده‌تر را فراهم می‌کند.
      • قطعه سیستم تعلیق: یک قطعه پیچیده با تقسیم به چندین بخش کوچک‌تر، امکان کنترل دقیق اندازه و نوع المان‌ها را در نواحی مختلف فراهم کرده و در نهایت به یک مش با کیفیت بالا منجر می‌شود.

نکته تخصصی: قبل از شروع یک مش‌بندی پیچیده، زمانی را به ساده‌سازی و تقسیم‌بندی هندسه اختصاص دهید. این سرمایه‌گذاری اولیه در زمان، اغلب با کاهش چشمگیر زمان حل و افزایش کیفیت نتایج جبران می‌شود.