نرم افزارهای تخصصی مهندسی مکانیک با مکادمی

مهندسی مکانیک یکی از قدمی‌ترین و محبوب‌ترین رشته‌های دانشگاهی است که با بکارگیری دانش ریاضیات، فیزیک و علم مواد به طراحی و تحلیل سیستم‌های مکانیکی می‌پردازد. از علم مهندسی مکانیک در هر تحلیلی مانند رباتیک، بایومکانیک، مکانیک جامدات، مکانیک سیالات و … که نیازمند بررسی اثر نیروی و انرژی بر وضعیت جسم است، بهره گرفته می‌شود. امروزه هیچ کالایی بدون تحلیل تنش روانه بازار نمی‌شود. حتی شرکت‌ها پیشرو در تکنولوژی مانند اپل نیز به دنبال استخدام مهندسین مکانیک هستند تا در طراحی و تولید بدنه لپ‌تاپ و موبایل مشارکت داشته باشند.

نرم افزارهای تخصصی مهندسی مکانیک

نرم افزارهای تخصصی مهندسی مکانیک را می‌توان در چهار دسته طبقه‌بندی کرد:

1. نرم افزارهای محاسباتی مانند متمتیکا (Mathematica) و میپل (Maple) و زبان‌های برنامه نویسی مانند سی پلاس پلاس (++C)، فرترن (Fortran)، متلب (MATLAB) و پایتون (Python)
2. نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مانند سالیدورکس (SOLIDWORKS)، کتیا (CATIA) و اینونتور (Inventor)
3. نرم افزارهای تحلیل به کمک کامپیوتر (CAE) مانند انسیس (Ansys)، آباکوس (Abaqus)، کامسول (COMSOL) و LS-DYNA
4. نرم افزارهای ساخت به کمک کامپیوتر (CAM) مانند کتیا (CATIA)، سالید اج (Solid Edge)، کم‌ورکس (CAMWorks) و Fusion 360

نرم افزارهای محاسباتی و زبان‌های برنامه نویسی

در رشته مهندسی مکانیک محاسبات سنگین و پیچیده زیادی وجود دارد. دانشجویان و مهندسین مکانیک، برای انجام سریع‌تر و دقیق‌تر محاسبات خود نیازمند نرم افزارهای محاسباتی و زبان‌های برنامه‌نویسی هستند. انتخاب زبان برنامه‌نویسی مناسب برای مهندسان مکانیک بسیار اهمیت دارد. در این زمینه، چندین زبان برنامه‌نویسی در دسترس هستند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. آشنایی با متلب (MATLAB) برای محاسبات تحلیلی و عددی، ++C برای انجام محاسبات پیچیده و سنگین، فرترن (Fortran) برای توسعه حلگر نرم افزارهای FEM و پایتون به‌عنوان ساده‌ترین و مجبوب‌ترین زبان برنامه‌نویسی که جایگاه ویژه‌ای در پروژه‌های هوش مصنوعی دارد، برای هر دانشجوی رشته مکانیک الزامی است.

نرم افزارهای متلب (MATLAB)، متمتیکا (Mathematica) و میپل (Maple) از جمله بهترین نرم افزارهای محاسبات ریاضی برای مهندسین به خصوص مهندسین مکانیک هستند. علاوه بر محاسبات متدوال ریاضی مانند مشتق، انتگرال، حل معادلات جبری و حل معادلات دیفرانسیل این نرم افزارها قابلیت برنامه‌نویسی خوبی نیز دارند.

از میان زبان‌های برنامه‌نویسی، متلب (MATLAB) برای محاسبات تحلیلی و عددی، ++C برای انجام محاسبات پیچیده و سنگین، فرترن (Fortran)  برای محاسبات با دقت بالا و توسعه حلگر نرم افزارهای تحلیل المان محدود (FEA) و پایتون (Python) به‌عنوان ساده‌ترین و مجبوب‌ترین زبان برنامه‌نویسی که جایگاه ویژه‌ای در پروژه‌های هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML) دارد، برای هر دانشجوی رشته مکانیک الزامی است. به این منظور می‌توانید از آموزش‌های جامع و کاربردی مکادمی بهرمند شوید.

آموزش متلب (MATLAB) برای مهندسین مکانیک

متلب (MATLAB) یک محیط نرم‌افزاری عالی برای محاسبات عددی، تحلیل داده و تولید گرافیک است. این زبان برنامه‌نویسی باعث سهولت در نوشتن کدهای عددی و انجام تحلیل‌های پیچیده می‌شود. متلب (MATLAB) مخففی برای Matrix-Laboratory است که به اساس محاسبات این نرم افزار اشاره دارد. در حالی‌که اغلب زبان‌های برنامه‌نویسی با اعداد کار می‌کنند، متلب (MATLAB) محاسبات خود را با ماتریس‌ها (Matrices) و در حالت کلی‌تر با آرایه‌ها (Arrays) انجام می‌دهد. شرکت سازنده متلب (MATLAB) یعنی MathWoks محصول خود را این چنین توصیف می‌کند: زبانی برای محاسبات تکنیکال (The Language Of Technical Computing). 

سادگی و توابع تعریف شده فراوان متلب (MATLAB) باعث محبوبیت فراوان این نرم افزار میان مهندسین و محققین شده است. بی‌شک متلب (MATLAB) یکی از بهترین ابزارها برای محاسبات، برنامه نویسی و شبیه‌سازی مسائل مهندسی است. مکادمی، یکی از بهترین و به‌روز ترین آموزش‌‌های متلب (MATLAB) را با بیانی ساده و روان به همراه مثال‌های فراوان را در سایت خود منتشر کرده است.

آموزش پایتون (Python) برای مهندسین مکانیک

پایتون (Python)، یکی از مجبوب‌ترین و ساده‌ترین زبان‌های برنامه‌نویسی است. این زبان برنامه‌نویسی توسط Guido van Rossum توسعه داده شده و ابزارها و کتابخانه‌های فراوانی برای انجام کارهای مختلف در دنیای برنامه‌نویسی و علوم داده فراهم کرده است. پایتون (Python) یک زبان برنامه‌نویسی چندمنظوره است که به راحتی با قابلیت‌های برنامه‌نویسی و تحلیل داده ترکیب می‌شود. کتابخانه‌های غنی نظیر NumPy، SciPy و Matplotlib به مهندسان مکانیک این امکان را می‌دهد که کد‌ها را به‌سادگی بنویسند و نتایج را تجزیه‌و‌تحلیل کنند. 

علاوه بر این پایتون نقش مهمی در پروژه‌های هوش مصنوعی (Artificial Intelligence)، یادگیری ماشین (Machine Learning)، یادگیری عمیق (Deep Leanining) و طراحی محیط گرافیکی نرم افزارهای مختلف از جمله آباکوس (Abaqus) دارد. این موضوع اهمیت یادگیری و تسلط بر زبان برنامه‌نویسی پایتون را دوچندان می‌کند. از آنجایی که پایتون زبان برنامه‌نویسی با کاربرد عمومی (general-purpose) است، بهتر است مهندسین مکانیک آموزش پایتون (Python) را توسط مدرسین هم رشته خود فراگیری کنند.

نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)

در گذشته دور مهندسین پس از تجسم طرح خود، اقدام به نقشه‌کشی با دست بر روی کاغذ می‌کردند. اما امروزه مهندسین طرح خود را با استفاده از نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر (Computer-aided Design) ایجاد می‌کنند. بدین تریب که تک تک قطعات یک سیستم مثلا خودرو را طراحی کرده، سپس این قطعات را در کنار یکدیگر قرار می‌دهند و پس از بررسی‌ها و اصلاحات لازم، نقشه نهایی طرح خود را خروجی می‌گیریند. نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر یا CAD علاوه بر سهولیت، موجب افزایش چشمگیر سرعت طراحی می‌شوند. نرم‌افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر یا CAD، ابزارهایی هستند که به مهندسان، معماران، طراحان صنعتی و دیگر حرفه‌های مرتبط کمک می‌کنند تا مدل‌ها و نقشه‌های سه بعدی از محصولات، ساختمان‌ها، یا قطعات تهیه کنند. این نرم‌افزارها امکانات متنوعی از جمله طراحی، تحلیل، و شبیه‌سازی را فراهم می‌کنند و به کاربران اجازه می‌دهند تا به راحتی از تغییرات، بهبودها و نظرات خود استفاده کنند.

با توجه به این همه، نرم‌افزارهای CAD به عنوان ابزاری بسیار حیاتی و ضروری در صنایع مختلف شناخته می‌شوند که به مهندسان و طراحان اجازه می‌دهند تا به سرعت و با دقت بالا به طراحی و توسعه محصولات بپردازند. از مهم‌ترین و پر‌کاربردترین نرم‌افزار‌های این دسته می‌توان به نرم‌افزار‌های سالیدورکس (SOLIDWORKS)، کتیا (CATIA) و اینونتور (Inventor) اشاره کرد.

آموزش نرم‌افزار سالیدورکس (SOLIDWORKS)

سالیدورکس یکی از مهم‌ترین و قدرتمندترین نرم‌‌افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر است که در سال‌‌های گذشته در دانشگاه‌‌ها و صنعت جایگاه محکمی برای خود ایجاد کرده است. در حال حاضر شرکت‌‌های بزرگی نظیر Baxter ، Arconic و Cepheid از این نرم‌‌افزار قدرتمند استفاده می‌‌کنند. در ایران نیز با گذشت زمان، رفته رفته اقبال عمومی جامعۀ مهندسین و به طور مخصوص دانشجویان و شرکت‌‌های خصوصی به این نرم‌‌افزار بیشتر شد و اکنون سهم بزرگی از بازار طراحی به کمک کامپیوتر در اختیار این نرم‌‌افزار کاربرپسند است. نرم‌افزار سالیدورکس (SOLIDWORKS) یکی از معروف‌ترین و قدرتمندترین نرم‌افزارهای (CAD (Computer-aided Design است، هرچند توانایی‌های محدودی در زمینه‌های (CAE (Computer-aided Engineering و CAM (Computer-aided Manufacturing) نیز دارد. بی‌شک مکادمی یکی از بهترین و جامع‌ترین آموزش‌های سالیدورکس (SOLIDWORKS) را ارائه می‌کند. یکی از ویژگی‌های مهم و کلیدی این آموزش، حل مسائل‌ فراوان از هریک از بخش این نرم افزار است.

نرم افزارهای تحلیل به کمک کامپیوتر (CAE)

نرم‌افزارهای تحلیل به کمک کامپیوتر (CAE) یکی از ابزارهای مهم در صنایع مختلف مانند صنعت هوافضا، خودروسازی، انرژی، ساخت و ساز و… هستند. این نرم‌افزارها امکان مدل‌سازی، تحلیل و شبیه‌سازی سیستم‌ها و سازه‌های مختلف را فراهم می‌کنند که این امر به بهبود طراحی، کاهش هزینه‌ها و زمان صرفه‌جویی می‌کند. بسیاری از نرم‌افزارهای تحلیل به کمک کامپیوتر (CAE) بر پایه روش‌های حل عددی مانند روش اجزاء / المان محدود (FEM)، روش تفاضل محدود (FDM) و روش حجم محدود (FVM) استوار هستند.

روش المان محدود (FEM) در مهندسی مکانیک

روش المان محدود (FEM) روشی عددی برای حل معادلات دیفرانسیل معمولی (ODE) و معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی (PDE) است. از آنجایی که معادلات حاکم بر اغلب مسائل مهندسی از نوع معادلات دیفرانسیل بوده، بنابراین استفاده از روش اجزاء محدود (FEM) کمک شایانی به حل مسائل پیچیده مهندسی می‌کند. یادگیری درست و اصولی این درس اهمیت بسیار زیادی دارد. از این رو مکادمی مفتخر است که آموزش روش اجزای محدود کاربردی دکتر مریم مهنما (استادیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران) را به صورت رایگان در اختیار علاقه‌مندان قرار داده است. حال برای اعمال این روش قدرتمند دو رویکرد متداول وجود دارد:

1. کد نویسی مسائل با استفاده از زبان برنامه نویسی متلب (کاربردهای سبک) یا زبان برنامه نویسی فرترن (محاسبات سنگین)
2. شبیه سازی مسائل استفاده از نرم افزارهای تجاری مانند آباکوس (Abaqus)، مارک (Marc)، انسیس (ANSYS) یا کامسول (COMSOL)

برنامه نویسی تحلیل المان محدود (FEA)

رویکرد برنامه نویسی مسائل المان محدود موجب درک و فهم عمیق شما از این روش می‌شود. افرادی به کد نویسی روش المان محدود مسلط نیستند و صرفا تمرکز خود را روی نرم افزارهای تجاری گذاشته‌اند؛ در بهترین حالت همانند اپراتور، بدون درک مناسبی از الگوریتم‌های حل، شبیه‌سازی خود را انجام می‌دهند. علاوه بر این، معمولا این افراد قادر به فهم هشدارها و خطاهای نرم افزار نیستند و در رفع ایرادات شبیه‌سازی به مشکل می‌خورند. بنابراین توصیه می‌کنیم در صورتی که قصد یادگیری و شبیه‌سازی با روش المان محدود را دارید، حتما چندین مسئله را خودتان برنامه نویسی کنید و الگوریتم‌های حل را به خوبی فرا گیرید. گروه مکادمی آموزش‌های فوق‌العاده برای کدنویسی مسائل المان محدود در اختیارتان قرار می‌دهند.

تحلیل المان محدود (FEA) با متلب (MATLAB)

آموزش روش اجزای محدود با استفاده از نرم‌افزار متلب (MATLAB) به مهندسان مکانیک امکان می‌دهد تا تحلیل و مدل‌سازی دقیق‌تری از سازه‌ها و سیستم‌های مختلف را انجام دهند. برای شروع، مهم‌ترین قدم تعامل با مفاهیم اجزای محدود است. این مفاهیم شامل آشنایی با مفاهیم مانند گره‌ها (node)، المان‌ها و روش‌های انتگرال‌گیری explicit و implicit می‌شود.

از آنجایی که متلب (MATLAB) توابع بسیار کارامد و متنوعی برای محاسبات ریاضی دارد می‌توان بدون درگیر شدن با الگورتیم‌های پیچیده ریاضی و برنامه نویسی، تحلیل‌ المان محدود (FEA) را به راحتی هرچه تمام‌تر پیاده سازی نمود به نحوی که تمرکز فقط بر یادگیری و تمرین مفاهیم روش المان محدود (FEM) است.

 آباکوس (Abaqus)؛ نرم افزارهای المان محدود

نرم‌افزار آباکوس (Abaqus) یکی از قدرتمندترین و گسترده‌ترین نرم‌افزارهای تحلیل اجزای محدود (FEA) در دنیاست. این نرم‌افزار توسط شرکت Dassault Systèmes توسعه داده شده است. آباکوس (Abaqus) برای تحلیل و مدل‌سازی سازه‌ها، سیستم‌های مکانیکی، مسائل دینامیکی، تحلیل ضربه، تجزیه و تحلیل حرارتی و موارد دیگر در رشته مکانیک و صنعتی به کار می‌رود. پس مهم است که دانشجویان این رشته‌ها به خوبی با این نرم‌افزار آشنایی داشته باشند. یکی از ویژگی‌های مهم و کلیدی آموزش آباکوس (Abaqus) مکادمی، توضیح مباحث علمی و عددی شبیه‌سازی به همراه حل مسائل‌ فراوان است.

پس از یادگیری و برنامه نویسی الگوریتم‌های روش المان محدود، درک مناسبی از این روش و فرآیند حل آن کسب کرده‌اید. حال که پروسه یادگیری انجام شده است، دیگر مقرون به صرفه نیست که برای حل مسائل کلاسیک و تکراری برنامه نویسی کنیم و به جای آن از نرم افزارهای تجاری بهره می‌بریم. در صورت نیاز توان خود را معطوف به افزایش قابلیت‌های این نرم افزارها می‌کنیم تا از پس شبیه‌سازی های دشوار برآییم. این امر به کمک سابروتین نویسی در نرم افزارهای تجاری مانند آباکوس امکان پذیر است که گروه مکادمی آموزش‌های فراوانی در اختیار شما قرار می‌دهد.

سابروتین نویسی در آباکوس (Abaqus User Subroutine)

یکی از قابلیت‌های نرم‌افزار آباکوس (Abaqus)، سابروتین ‌نویسی است که به کاربران اجازه می‌دهد قابلیت‌های حلگر (solver) این نرم‌افزار را با توجه به نیازهایشان ارتقاء دهند. گاهی ممکن است یک مهندس مکانیک به قابلیتی نیاز پیدا نماید که به صورت پیش‌فرض در نرم‌افزار آباکوس (Abaqus) موجود نیست، در این شرایط سابروتین نویسی به زبان فرترن به کاربران امکان قابلیت‌های ویژهای می‌دهد. برای مثال سابروتین یومت (UMAT = User-Defined Material)، به کاربران کمک می‌کند تا بتواند یک سابروتین برای تعریف رفتار مکانیکی ماده در آباکوس تعریف نماید. آموزش سابروتین نویسی در آباکوس دقیقا به کاربر می‌آموزد که چگونه یک سابروتین مانند یومت (UMAT) به زبان فرترن بنویسد. در دوره‌های آموزش مکادمی (آکادمی مهندسی مکانیک) آموزش‌های بسیاری قرار دارد تا علاقه‌مندان به‌صورت گام‌به‌گام با این قابلیت‌ها آشنا شوند.

نرم افزارهای ساخت به کمک کامپیوتر (CAM)

نرم‌افزارهای ساخت به کمک کامپیوتر یا CAM، به عنوان بخش حیاتی و بنیادینی از فرآیند تولید صنعتی، نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. این نرم‌افزارها به طراحان و مهندسان صنعتی امکان می‌دهند تا از طریق تبدیل مدل‌های سه بعدی CAD به کدهای ماشینی G-code، ماشین‌های CNC را برای اجرای عملیات‌های مختلف ماشین‌کاری آماده کنند. با توجه به پیچیدگی و تنوع روزافزون فرآیندهای تولید، نیاز به نرم‌افزارهای CAM با امکانات قابل اعتماد و قدرتمند همچنان در حال افزایش است.