پایتون زبانی تاثیرگذار در مهندسی مکانیک

کاربرد پایتون در مهندسی مکانیک

پایتون مهندسی مکانیک

پایتون یک زبان برنامه نویسی ساده و در عین حال قدرتمند است. سینتکس ساده آن یادگیری پایتون را آسان می کند. همچنین این زبان به خوبی با انواع مدل های برنامه نویسی مانند برنامه نویسی دستوری، شی گرا و رویه ای ادغام می شود. پایتون دارای ساختارهای داده کارآمد در سطح بالا است. در مهندسی مکانیک در زمینه های تحلیل عددی، ترمودینامیک و دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می شود.

بسیاری از مهندسان مکانیک از این موضوع بی اطلاع هستند. اگر پایتون و Jupyter Lab را امتحان کنید، بلافاصله خواهید دید که می‌توانید کارها را سریع‌تر انجام دهید و عمیق‌تر کردن محاسبات آسان است. این به شما کمک می کند تا راه حلی برای مشکل خود در حوزه تولید، طراحی و غیره غیر متعارف پیدا کنید. بررسی نتایج یک نظرسنجی از کاربران در مورد چندین طرح محصول. مشاهده شد که با استفاده از پایتون می توان به جای یک ساعت در اکسل، یک نمودار در هر طرح در دو خط کد تولید کرد. نتایجی از آزمایشات انجام شده وجود دارد که سپس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. با تنظیم یک مقدار برای هر پارامتر در یک محور، یک سری نمودار با مقایسه فناوری های مختلف ارزیابی شده در کمتر از 10 خط با کمک پایتون ایجاد شد. چیزی که نیاز به پردازش اطلاعات اضافی اکسل دارد. با تغییر یک خط کد، می‌توان از همان برنامه برای محاسبه نتایج آزمایش بیشتر استفاده کرد. در صورت استفاده از اکسل، باید کارهای دستی زیادی انجام دهید. برای تعیین تلرانس اجزاء، از یک جدول پیچیده استفاده می کنیم. برای برخی از تلورانس ها، باید شاخص را با عمقی کاهش دهید که به عوامل متعدد طراحی قطعه بستگی دارد. بدون Visual Basic for Application (VBA)، به دست آوردن مقدار تلورانس‌های متنوع با توجه به نوع اندازه‌گیری در اکسل غیرممکن است. پایتون همچنین سریع‌تر از VBA نوشتن دارد. آنالیز عددی محبوب ترین برنامه پایتون است. هنگامی که معادلات خطی و ODE/PDE درگیر هستند، حل مسائل به صورت تحلیلی زمان زیادی می برد. این امر حل مسائل آنالیز عددی را دو برابر پیچیده تر در مهندسی مکانیک می کند زیرا شرایط مرزی رایج است. حالت مایعی را در نظر بگیرید که از طریق یک مجرا جریان دارد. برای مبتدیان، حل مشکل و به دست آوردن ارقام و نمودارهای دقیق که تفاوت ها را نشان می دهد دشوار خواهد بود. با زبان های برنامه نویسی ممکن است در عرض چند ثانیه چنین مسائلی را حل کنید و در نتیجه به صورت همزمان شبیه سازی های گرافیکی را بدست آورید.

3 کاربرد مهم پایتون در مهندسی مکانیک شامل موارد زیر می باشد:

• تحلیل عددی:

محبوب ترین کاربرد پایتون انجام آنالیز عددی است. وقتی معادلات خطی مسائل و ODE/PDE درگیر هستند، حل تحلیلی مسائل زمان زیادی می برد. از نظر مهندسی مکانیک، معمولاً شرایط مرزی وجود دارد که حل مسائل آنالیز عددی را دو برابر دشوارتر می کند. اجازه دهید فرض کنیم که شما در تلاش برای یافتن اختلاف فشار در یک لوله زمانی هستید که مایعی در آن جریان دارد. حل مسئله نه تنها برای همیشه زمان می برد، بلکه به دست آوردن مقادیر دقیق یا ترسیم تفاوت ها در یک نمودار نیز بسیار دشوار خواهد بود. با زبان های برنامه نویسی می توانید چنین مشکلاتی را در عرض چند ثانیه حل کنید و در همان لحظه شبیه سازی های گرافیکی را بدست آورید. یادگیری تجزیه و تحلیل عددی و کدگذاری فرصت های زیادی را در زمینه هایی مانند تولید، خودرو، انرژی و حتی مشاغل مکانیکی در شرکت های نرم افزاری (مانند مهندسین حرارت) باز می کند. شرکت های نرم افزاری مانند گوگل و فیس بوک مهندسان مکانیک/حرارتی را استخدام می کنند تا از مدیریت حرارتی کارآمد و ایمن پایگاه داده و کامپیوترهای خوشه ای خود در شرکت های مربوطه اطمینان حاصل کنند. این مهندسان از زبان های برنامه نویسی مانند MATLAB/Python برای نوشتن اسکریپت ها و سپس وارد کردن آنها به نرم افزار CFD برای آزمایش طرح های متعدد استفاده می کنند. عموماً می‌دانیم که گوگل شعار مهندسی زیر را دارد: Python در جایی که می‌توانیم، C++ جایی که باید.

• ترمودینامیک:

پایتون می تواند برای حل مسائل ترمودینامیک کلاسیک استفاده شود. چه مشکل شما شامل سینتیک شیمیایی یا دینامیک سیالات باشد، می توانید یک کد برای حل مشکل بنویسید و در وقت خود صرفه جویی کنید. در دنیای واقعی، صنایع به نحوه حل مشکلات یا تکمیل وظایف خود توجهی نمی کنند. شما می توانید 60 درصد از زمان خود را صرف حل مسائل ریاضی/ترمودینامیک کنید و 40 درصد دیگر کار را با عجله انجام دهید یا می توانید با حل آنها در پایتون و تمرکز بر مشکلات واقعی، 20 درصد از زمان خود را صرف این مسائل کنید. تنها جنبه ای از نتیجه شما که اهمیت دارد، کارایی شماست. پایتون یک کتابخانه بزرگ و یک نحو ساده دارد که می تواند به شما کمک کند مسائل پیچیده را به راحتی حل کنید.

• مسائل CFD:

در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی، پایتون کاربرد گسترده ای دارد. به منظور شبیه سازی مشکلات در نرم افزار CFD، باید اسکریپت های خود را به زبان های برنامه نویسی مانند MATLAB/Python بنویسید.

پایتون همچنین در سایر زمینه‌های مهندسی مکانیک مانند ارتعاشات و حرکت دینامیکی، مهندسی شبیه‌سازی و مدل‌سازی و غیره استفاده می‌شود. صنایع مکانیکی و خودروسازی از پایتون برای خودکارسازی وظایف استفاده می‌کنند. حتی زمانی که اسکریپت به زبان برنامه نویسی دیگری نوشته می شود، قبل از اتوماسیون در پایتون بازنویسی می شود زیرا رایج ترین زبان است و از این رو رابط بین صنایع و کدها است. اهمیت نرم افزار در صنعت خودروسازی مدرن بسیار مهم و در حال رشد است. امروزه یکی از محرک های اصلی نوآوری است. با این حال، سیستم‌های کامپیوتری پیچیده خودرو عمدتاً با استفاده از زبان‌ها و ابزارهای برنامه‌نویسی غیر پیشرفته یا تخصصی ساخته می‌شوند که قادر به پشتیبانی از همه نیازهای ترکیبی توسعه نرم‌افزار خودرو نیستند.

• پایتون در نرم افزار های مهندسی مکانیک:

 CATIA یک برنامه مدل‌سازی پارامتریک سه بعدی است که در شرکت‌های بزرگ مهندسی و تولیدی وجود دارد SIMULIA . یک بسته شبیه سازی المان محدود است که در CATIA ادغام شده است که امکان انجام تجزیه و تحلیل پیچیده و قدرتمند را بر روی مدل ها و مجموعه های خروجی با سهولت نسبی فراهم می کند.

نحوه کار این نرم افزار بدین گونه است که  اول به کاربر مثالی ارائه می دهد که چگونه می توان از یک اسکریپت ساده پایتون برای تولید یک مدل جامد استفاده کرد. دوم از همان قابلیت های اسکریپت نویسی برای اجرای یک شبیه سازی ساده استفاده میکند. ایده های اینجا را می توان با کمک منابع موجود در (مرجع) استنباط کرد. مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) به درک کاملی از نرم افزار کامپیوتری، به ویژه سیستم های مدل سازی سطحی و جامد CAD و تجزیه و تحلیل نیاز دارد. پایتون یک زبان عالی که با اکثر سیستم عامل ها سازگار است، منبع باز (رایگان) است و دارای کتابخانه های مهندسی قدرتمند است. نمایشی که از پایتون ارائه شده است ، نشان می دهد که چگونه وظایف ساده در CATIA می‌توانند خودکار شوند تا ثبات و تکرارپذیری تجزیه و تحلیل را بهبود بخشد و در زمان صرفه‌جویی شود CATIA .به طور بومی از ویژوال بیسیک برای برنامه های کاربردی (VBA) استفاده می کند. با این حال، VBA از نظر عملکرد محدود است، به خصوص زمانی که تجزیه و تحلیل داده ها و نمودار مورد نظر باشد. پایتون یک زبان مهندسی بسیار توانمندتر است که با بسیاری از برنامه ها مانند Microsoft Excel و بسیاری از برنامه های دیگر برای استفاده از VBA کار می کند. پایتون و استفاده از آن این محدودیت ها را برطرف میکند.

اولین عملیات پایتون وارد کردن ماژول های مورد استفاده است. سپس پایتون تلاش می کند به برنامه CATIA در حال اجرا در ویندوز متصل شود.

سپس، یک Part و Sketch در میز کار CATIA Part Design ایجاد می شود.

Abaqus بخشی از خانواده کدهای SIMULIA است که یک نرم افزار مدل سازی و شبیه سازی چندفیزیکی است. به عنوان مثال، زیربرنامه های دیگر Isight و Tosca برای بهینه سازی یا fe-safe برای تجزیه و تحلیل خستگی پیشرفته هستند. Abaqus Standard برای مشکلات حل شده توسط طرح های ضمنی و Abaqus Explicit برای مشکلات دینامیکی با سرعت بالا استفاده می شود. به عنوان یکی از برنامه های اصلی نرم افزار تجاری FE، Abaqus با بسیاری دیگر از کدهای FE داخلی یا تجاری موجود سازگار است.

اگر قصد دارید اسکریپت نویسی را در Abaqus یاد بگیرید، احتمالاً می دانید که چرا مفید است و قصد دارید از آن برای انجام برخی کارها برای تجزیه و تحلیل خود استفاده کنید. اما برای کامل بودن (و برای کسانی از شما که مطالعه می کنید چون استاد/رئیس شما را مجبور کرده است) چند کاربرد ذکر می شود. بیایید فرض کنیم شما به طور منظم از چند ماده در تمام شبیه سازی های خود استفاده می کنید. هر بار که شبیه‌سازی جدیدی را در حالت رابط کاربری گرافیکی (Abaqus/CAE) شروع می‌کنید، باید ویرایشگر مواد را باز کنید و ویژگی‌های مواد مانند چگالی، مدول یانگ، و نسبت پواسون و غیره را برای هر یک از این مواد وارد کنید. در عوض می توانید همه این مواد را در یک اسکریپت قرار دهید. سپس تنها کاری که باید انجام دهید این است که به File > Run Script بروید و پایگاه داده مواد شما در عرض چند ثانیه با این مواد پر می شود. اساساً شما از اسکریپت برای انجام یک کار تکراری برای صرفه جویی در زمان استفاده می کنید. این تنها استفاده از یک اسکریپت است، برای انجام یک کار به همان روش چند بار با حداقل تلاش. ما در واقع به این مثال از ایجاد مواد با یک اسکریپت در فصل اول نگاه خواهیم کرد. استفاده پیچیده تر از یک اسکریپت این است که قسمت خاصی دارید که می خواهید بارها و شرایط مرزی را روی آن اعمال کنید و می خواهید بارها، محدودیت ها یا هندسه خود قسمت را تغییر دهید و شبیه سازی را چندین بار برای بهینه سازی مجدد اجرا کنید. طراحی. به عنوان مثال فرض کنید شما باری را روی یک تیر عمودی افقی اعمال می کنید و می خواهید بدانید که با افزایش طول تیر چقدر خم می شود. یکی از راه های انجام این کار این است که قسمت پرتو را 7 یا 8 بار بازسازی کنید. اگر شبیه‌سازی شما دارای پارامترهای پیچیده است، ممکن است مجبور شوید هر بار بخش‌ها، بارها و محدودیت‌هایی را برای آن اعمال کنید. یک راه پیچیده تر و کارآمدتر برای انجام همان کار، نوشتن یک اسکریپت با طول پرتو اختصاص داده شده به یک متغیر است. سپس می توانید مقدار این متغیر را تغییر دهید و اسکریپت را هر چند بار که نیاز دارید در یک حلقه دوباره اجرا کنید. اسکریپت تیر را به طول جدید دوباره ترسیم می کند و بارها و BC ها را در مناطق صحیح اعمال می کند (تغییر مکان بارها و BC ها را با هندسه محاسبه می کند). در حالی که ممکن است برای یک شبیه‌سازی پرتو ساده کار بسیار زیادی به نظر برسد، اگر بخش پیچیده‌تری با ابعاد چندگانه دارید که همه به یکدیگر مرتبط هستند، بازسازی آن چندین بار زمان‌بر خواهد بود و یک اسکریپت عاقلانه خواهد بود. انتخاب مزیت اضافه شده اسکریپت این است که شما کل تنظیمات شبیه سازی خود را در قالب یک فایل متنی کوچک قابل خواندن فقط چند کیلوبایت ذخیره می کنید. سپس می توانید این فایل متنی را برای همکار خود ایمیل کنید و تنها کاری که او باید انجام دهد اجرای این اسکریپت در Abaqus است. این قطعه را دوباره ترسیم می کند، مواد، بارها، شرایط مرزی را اعمال می کند، مراحل را ایجاد می کند و حتی اگر برای این کار برنامه ریزی شده باشد، کار را ایجاد و اجرا می کند. این مزیت خوانایی نیز دارد. اگر یک همکار پروژه شما را بر عهده بگیرد، نیازی به پیمایش در درخت مدل ندارد تا بفهمد چگونه هندسه پیچیده فایل پارت خود را ایجاد کرده‌اید، یا هر بار یا شرط مرزی را روی چه نقاط و لبه‌هایی اعمال کرده‌اید. او فقط باید فایل اسکریپت را باز کند و همه آن به وضوح بیان شده است. و می توانید نظراتی را در سرتاسر اسکریپت قرار دهید تا توضیح دهید که چرا کاری را انجام داده اید. همه چیز را جمع و جور نگه می دارد و به راحتی قابل پیگیری است.

در آباکوس کجا می توان از پایتون استفاده کرد؟

1- مدل سازی: دسترسی، ایجاد، اصلاح مدل ها

2-  ایجاد هندسه

3-مواد را تعریف کنید

4- بار پیچیده، دامنه و غیره را تعریف کنید.

5-ارسال و نظارت بر مشاغل، انجام مطالعات پارامتریک

6- دسترسی مستقیم به فایل odb

7- خروجی های اضافی را محاسبه کنید

8- ترکیب مراحل / فریم ها

هنگام کار در Abaqus، برای هر عملی که انجام می شود، یک دستور پایتون مربوطه وجود دارد. این دستورات در فایل jnl. که در دایرکتوری کاری فعلی ذخیره می شود، ثبت می شوند. برای تغییر چیزی در مدل .cae بدون ساختن آن از ابتدا، فایل .jnl مربوطه را می توان به عنوان یک اسکریپت پایتون با پسوند .py ذخیره کرد. همه بسته های مورد نیاز Abaqus در بالای اسکریپت وارد خواهند شد. در نظر داشته باشید که در این فایل تمامی اقدامات انجام شده در CAE ثبت می شود. بنابراین این فایل‌ها می‌توانند بسیار طولانی و نامرتب باشند، بنابراین پیشنهاد می‌شود برای خوانایی بیشتر فایل، ساختاری قرار دهید. پارامترهایی را که می خواهید در مدل تغییر دهید (مثلاً اندازه مش و مقدار جابجایی) را به عنوان متغیر تنظیم کنید و سپس فایل .py را ذخیره کنید. در اینجا نمونه ای از بخشی از یک کد است که در آن امکان تشخیص برخی از مراحل انجام شده در رابط کاربری گرافیکی وجود دارد.

ساده ترین اسکریپت ها برای ایجاد، آنهایی هستند که در آنها دقیقاً کاری را که قبلا انجام شده است تکرار کنید. این می تواند ایجاد یک ماده با ویژگی های خاص (برای یک نام مدل خاص)، ایجاد یک مدل مرجع، یا انجام پس پردازش (زمانی که همه نام ها یکسان هستند) باشد. در این موارد، ما می توانیم به سادگی یک ماکرو ضبط کنیم. این کار از طریق file –> macro manager قابل انجام است.

ابتدا با باز کردن فایل در Abaqus PDE (File –> Abaqus PDE) نگاهی به نسخه ایجاد شده قبلی بیندازیم. در Abaqus PDE File –> Open را انتخاب کنید و abaqusMacros.py را باز کنید. بسته به جایی که ماکرو را ذخیره کرده اید.در کد می توانیم نام مدل، نام ماده و خواص مواد را تشخیص دهیم. به همه اینها می توان یک نام داد. با پر کردن مقادیر مختلف برای این پارامترها، ماکرو به طور کلی قابل استفاده است. نسخه اصلاح شده را ذخیره کنید و دوباره بارگیری کنید و آن را از طریق مدیریت ماکرو اجرا کنید تا موارد را امتحان کنید.

ANSYS  یکی از برنامه های مهندسی پرکاربرد است. به طور کلی در برنامه های مهندسی یا تجزیه و تحلیل سیستم استفاده می شود. با معرفی اسکریپت نویسی به Ansys Mechanical، کاربران می توانند از زبان برنامه نویسی مدرن پایتون برای خودکارسازی مجموعه وسیعی از وظایف استفاده کنند. اسکریپت نویسی پایتون به خوبی در نرم افزار ادغام شده است و هر شی ایجاد شده یا تغییر تنظیمات تجزیه و تحلیل را می توان بلافاصله در Mechanical GUI مشاهده کرد. همچنین خطوط کد را می توان به سرعت در یک دکمه تعریف شده توسط کاربر در نوار برای کارهایی که مکررا انجام می شود ذخیره کرد.

برای ایجاد اسکریپت، ابتدا سه متغیر تعریف می‌کنیم و مقادیر رشته‌ای را که واحدهای مورد استفاده برای طول، جرم و گشتاور جرمی اینرسی را نشان می‌دهند، اختصاص می‌دهیم.

در مرحله بعد، ما متغیرهای لیستی را برای نمایش مقادیر جرم ها و گشتاورهای جرمی اینرسی برای هر جرم نقطه ایجاد می کنیم. اولین مقدار در هر لیست مربوط به جرم نقطه اول، مقدار دوم به دومین و غیره است.

اکنون که دستور ایجاد یک جرم نقطه ای جدید را می دانیم، از یک حلقه for برای تکرار در میان مقادیر لیست های تعریف شده در بالا و ایجاد جرم نقطه استفاده می کنیم. توجه داشته باشید که تابع “zip” به ما امکان می دهد چندین لیست را به طور همزمان حلقه بزنیم. همچنین توجه داشته باشید که مقادیر با استفاده از نوع “Quantity” تخصیص داده می شوند، که اجازه می دهد مقدار بر اساس سیستم واحد انتخاب شده تغییر کند. کد کامل در زیر نشان داده شده است. با توجه به فهرستی از جرم ها، گشتاورهای جرمی اینرسی و مختصات دکارتی، می تواند تعداد زیادی جرم نقطه ای را در عرض چند ثانیه ایجاد کند.

برنامه نویسی کامپیوتر ممکن است تمرکز ما به عنوان مهندسان مکانیک نباشد، اما در دنیای دیجیتال امروزی این مهارت ها بسیار مهم هستند. یادگیری یک زبان کاربر پسند مانند پایتون می تواند سود زیادی را به همراه داشته باشد. از آنجایی که این زبان از پیش مجهز به تمام ابزارهای علمی و ریاضی مورد نیاز ما است، گسترش اسکریپت‌نویسی پایتون در موارد استفاده بسیار آسان است، زیرا دستور شما بر روی آن افزایش می‌یابد. دلیل خوبی وجود دارد که ما شاهد چنین افزایش شهاب سنگی در محبوبیت پایتون بوده ایم.