تاریخچه نرم افزار آباکوس

یک مرد انگلیسی، یک سوئدی و یک آمریکایی که در اکوادور بزرگ شده بودند، در پراویدنس، رود آیلند با هم آشنا شدند – شاید جمله‌ی آغازین طنزآمیزی به نظر برسد، اما در واقع این آغاز داستان نرم‌افزار ABAQUS است.

در سال ۱۹۶۸، دیوید هیبیت انگلیسی، چند سالی بود که دکترای خود را در رشته مکانیک جامدات در دانشگاه براون در پراویدنس گرفته بود که مشاورانش را عوض کرد تا با پدرو مارکال، استادیار جوانی که با دو جعبه کارت پانچ حاوی نسخه‌ای از برنامه اجزای محدود SAP از لندن آمده بود، همکاری کند. پدرو در تلاش بود تا این برنامه را برای مدل‌سازی مسائل غیرخطی از جمله پلاستیسیته، حرکات بزرگ و تغییر شکل‌ها گسترش دهد. دیوید اخیراً برنامه‌نویسی فورترن را کشف کرده بود و متوجه شده بود که از کدنویسی و همچنین چالش اعمال مکانیک جامدات در طراحی مهندسی لذت می‌برد.

در آن زمان مردم پتانسیل روش‌های المان محدود را تشخیص داده بودند و چندین کد تجاری در دسترس بود. هیبیت می‌گوید: «اما حوزه غیرخطی کاملاً باز بود. نویدبخش کاربردهای مفید زیادی بود.»

اولین ورود به قلمرو غیرخطی

پایان‌نامه هیبیت توسط یک قرارداد نیروی دریایی ایالات متحده تأمین مالی شد که خواستار توسعه قابلیت المان محدود برای مدل‌سازی جوشکاری چند پاسه بدنه زیردریایی‌ها و پیش‌بینی افت عملکرد ناشی از اعوجاج باقیمانده بود. بنابراین او مجبور بود قابلیت‌های انتقال حرارتی را توسعه دهد که بتواند اثر گرمای نهان را هنگام انجماد فلز مذاب مدیریت کند، از آن پیش‌بینی‌های دما برای مدل‌سازی پاسخ مکانیکی سازه، از جمله پلاستیسیته و خزش، در طول فرآیند جوشکاری چند پاسه استفاده کند و سپس تحلیل کمانش سازه اعوجاج یافته را انجام دهد.

هیبیت می‌گوید: «این کار بسیار دشواری بود. و فراتر از توانایی‌های رایانه‌های آن زمان.» دانشگاه براون یک رایانه IBM 360/50 برای کل محوطه دانشگاه داشت، که به معنای زمان محدودی بود که به محققان اختصاص داده می‌شد. قانون مور به ما می‌گوید که یک تلفن همراه امروزی قدرت محاسباتی ۳۳ میلیون دستگاه از این نوع را دارد. و همانطور که می‌دانید، آباکوس و سایر کدها به قدرت پردازشی بسیار بیشتری نسبت به یک تلفن همراه نیاز دارند.

با پیشرفت تحقیقات، گروه دانشگاهی مارکال به طور فزاینده‌ای تماس‌هایی از صنایع مختلف دریافت می‌کرد که می‌پرسیدند آیا کد جدید او (مارک) می‌تواند به آنها کمک کند یا خیر. آنقدر کسب و کار شروع به رونق کرد که او در سال ۱۹۷۱ شرکت MarcAnalysis را تأسیس کرد و هیبیت را به عنوان یکی از مالکان فرعی و اولین کارمند تمام وقت آن استخدام کرد. با رشد شرکت، پاول سورنسن (آمریکایی داستان ما که در نوجوانی از اکوادور به ایالات متحده آمده بود) برای مدتی به گروه پیوست اما سپس برای تحصیل در مقطع دکترا در رشته مکانیک شکست، آنجا را ترک کرد و پس از آن در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی جنرال موتورز در دیترویت مشغول به کار شد.

شرکت کنترل داده (CDC) با اجازه دادن به مارک برای کار روی مین‌فریم‌های مراکز داده خود بر اساس «پرداخت به ازای هر ساعت»، منابع کامپیوتری گروه را تکمیل کرد. یک تحلیلگر پشتیبانی CDC در مرکز داده در استکهلم، سوئد – بنگت کارلسون – شروع به استفاده از کد کرد و آن را به اندازه کافی جذاب یافت که درخواست پیوستن به شرکت را داد. او استخدام شد. وقتی مارکال برای تغییر مسیر کسب و کار به کالیفرنیا نقل مکان کرد، هیبیت و کارلسون در رود آیلند با گروه المان محدود ماندند. اما آنها دریافتند که برآورده کردن نیازهای مهندسانی که مسئولیت طراحی داشتند و وقت نداشتند آنچه را که هنوز یک کد تحقیقاتی برای هر برنامه بود، بازسازی یا اشکال‌زدایی کنند، دشوار است. هیبیت می‌گوید : «ما فکر کردیم که راه معقول پیش رو، توسعه یک ابزار «جعبه سیاه» قوی برای مهندسانی است که نیاز به انجام محاسبات غیرخطی برای حل مشکلات صنعت دارند.» اما پدرو هیچ علاقه‌ای به چنین سرمایه‌گذاری نداشت.

ایجاد یک کد کاملاً جدید

بنابراین دیوید و بنگت تصمیم گرفتند خودشان تلاش کنند. دیوید به یاد می‌آورد: «تقریباً از هر کسی که از او مشورت می‌گرفتیم، به ما می‌گفتند که شکست خواهیم خورد. در آن زمان ۲۲ برنامه‌ی FE قابل اجرا وجود داشت که برای کسب و کار صنعتی رقابت می‌کردند و حتی بزرگترین کامپیوترها نیز برای انجام محاسبات غیرخطی با اندازه‌ی عملی بسیار محدود بودند.» اما آنها به اندازه‌ی کافی پس‌انداز داشتند تا خانواده‌هایشان را سیر کنند و وام مسکن خود را به مدت یک سال پرداخت کنند. و به این ترتیب نرم‌افزار ABAQUS طراحی شد. پیامی در اولین لوگوی شرکت وجود دارد، یک ماشین حساب چرتکه‌ای با طراحی خاص: مهره‌های آن بر اساس تاریخ رسمی راه‌اندازی شرکت، یعنی ۱ فوریه ۱۹۷۸ (۱-۲-۱۹۷۸) تنظیم شده‌اند.

بسیاری از استارت‌آپ‌های فناوری از گاراژها شروع می‌شوند؛ هیبیت و کارلسون از امکانات نسبتاً لوکس اتاق نشیمن جلویی خانه‌ی روستایی این مرد انگلیسی در اوایل قرن نوزدهم در رود آیلند، به علاوه‌ی میز ناهارخوری که سوزان، همسر دیوید، پشت آن با استفاده از یک ماشین تحریر اجاره‌ای IBM Selectric، صورتحساب‌ها را پرداخت و تایپ می‌کرد، بهره‌مند بودند.

دیوید می‌گوید : «ما یک شرکت نرم‌افزاری بودیم که نه نرم‌افزاری داشتیم، نه کامپیوتری، نه مشتری یا مشتری بالقوه‌ای، و تقریباً هیچ پولی هم نداشتیم .» آن‌ها ابتدا یک دفترچه راهنما نوشتند با این هدف که تعریف مسئله را آسان و شهودی کنند، سپس معماری کد را طراحی کردند. هیبیت اغلب در هواپیما کد می‌نوشت، در حالی که به عنوان استاد کمکی در دانشگاه تگزاس در آستین برای تدریس یک دوره تحصیلات تکمیلی در رشته پلاستیسیته رفت و آمد می‌کرد – شغلی که او برای کسب درآمد برای شرکت ورشکسته‌اش انتخاب کرد.

در راستای فلسفه مشترک آنها مبنی بر ایجاد کد کاربردی برای حل مشکلات دنیای واقعی، نسخه ۱ برای یک مشتری خاص ایجاد شد. هیبیت از طریق یک ملاقات اتفاقی در کنفرانس ASME، با آزمایشگاه سایت توسعه هسته‌ای هنفورد تماس گرفت که نیاز به طراحی مهارهای مکانیکی برای هسته یک راکتور زاینده سریع نمونه اولیه داشت.

کارلسون می‌گوید : «ما می‌دانستیم که اگر ظرف سه ماه کد را به آنها تحویل ندهیم، پولی دریافت نخواهیم کرد . این یک انگیزه بزرگ بود!» آنها به موقع، ۱۵۰۰۰ خط کد FORTRAN را تنها با چهار المان – تیر، شکاف (تماس نقطه‌ای)، خرپا و SPHEX (برای مدل‌سازی بخش تغییر شکل‌پذیر میله‌های سوخت در محل تماس آنها) – و مدل‌سازی انبساط حرارتی، خزش و تورم تابشی فلزات در میله‌های سوخت و مهارها، تحویل دادند.

وقتی پاول سورنسن برای دیدار کریسمس با خانواده همسرش به پراویدنس بازگشت، به دیدار دیوید و بنگت رفت و طی یک آخر هفته که با آنها و (به طور جداگانه) با همسرش جوآن بحث و گفتگو کرد، تصمیم گرفت به آنها بپیوندد. بنابراین نام شرکت به HKS – ترکیبی از نام خانوادگی سه نفر از آنها – تبدیل شد. پیشینه پاول در شبیه‌سازی اجزای محدود رشد ترک در حالت پایدار، امتیازی برای کار به نمایندگی از اولین مشتریان شرکت بود.

یکی دیگر از مشتریان اولیه، شرکت تحقیقات تولید اکسون بود که به کدی برای نصب لوله‌های فراساحلی و تحلیل رایزرهای دریایی نیاز داشت؛ این کد، مقدمه‌ای بر قابلیت‌های نرم‌افزار ABAQUS/Aqua شد. هیبیت به یاد می‌آورد: «مشکل فنی، باریکی نسبی لوله‌های ۱۰ اینچی بود که صدها فوت طول داشتند. المان‌های تیر معمول مبتنی بر سختی نمی‌توانستند این مشکل را در زمینه حرکات بزرگ مربوطه برطرف کنند. بنابراین ما استفاده از المان‌های فرمول‌بندی ترکیبی و «هیبریدی» را بررسی کردیم.» المان‌های تیر هیبریدی و زنجیره درگ که برای موفقیت این نوع تحلیل ضروری بودند، هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پروژه‌های مشتری، کد را ایجاد می‌کنند

قابلیت‌های ABAQUS در طول دهه ۱۹۸۰ همراه با افزایش تعداد کارمندان HKS به رشد خود ادامه داد. المان‌های پوسته‌ای و پیوسته به همراه شبیه‌سازی پلاستیسیته، دینامیک، انتقال حرارت و موارد دیگر اضافه شدند. کارلسون می‌گوید: «هر مشتری برای ما مهم بود و نیازهای آنها توسعه ما را هدایت می‌کرد. اما ما همیشه از نیاز به ارائه قابلیت‌های مفید برای کاربردهای خاص در عین حفظ عمومیت کد آگاه بودیم.»

در آن روزها، هر زمان که مجوز جدیدی خریداری می‌شد، پرسنل HKS نرم‌افزار خود را به صورت فیزیکی در محل مشتری نصب می‌کردند. آن‌ها کد منبع را روی نوار کاست به محل مشتری می‌آوردند، برنامه را کامپایل می‌کردند و آن را روی رایانه مشتری اجرا می‌کردند، تمام مثال‌ها را اجرا می‌کردند و سپس خروجی چاپ شده را با کپی‌های میکروفیش نتایج نسخه‌های قبلی کد مقایسه می‌کردند.

ظهور اولین ابررایانه‌ها، کارت‌های پانچ را به کتاب‌های تاریخ فرستاد، زیرا آباکوس به عنوان یک نرم‌افزار پیچیده علمی و مهندسی که می‌توانست روی این ماشین‌های قدرتمند آن زمان اجرا شود، شهرت یافت. همانطور که کاربران شبیه‌سازی فعلی اکنون می‌دانند، آینده انفجاری از محاسبات با کارایی بالا (HPC) را به همراه خواهد داشت که تکامل هر نسخه جدید آباکوس را تغذیه می‌کند، با مدل‌هایی که در تعداد عناصر و درجات آزادی جهش می‌کنند، سرعت فوق‌العاده در زمان پردازش و تجسم سه‌بعدی واقع‌گرایانه‌تر.

البته در دهه ۱۹۷۰، FEA با استانداردهای امروزی هنوز در مراحل ابتدایی خود بود. برای HKS، بازار تحلیل غیرخطی قوی و «قدرت صنعتی» از قبل وجود داشت. انرژی هسته‌ای همچنان منبع اولیه کار بود، با چالش‌هایی مانند شلاق غیرخطی لوله و توسعه عناصر «زانویی» برای مدل‌سازی پلاستیسیته و خزش در خم‌های لوله به شیوه‌ای محاسباتی کارآمد (که به عنوان یکی از «جواهرات تاج» عناصر محدود پرچمدار ABAQUS در نظر گرفته می‌شود). سایر کارهای پیشگامانه در توسعه مکانیک شامل عناصر ویژه و مدل‌های مواد برای تحلیل خاک و مدل‌سازی بتن و میلگرد برای تحلیل سازه‌های مهندسی عمران و ساختمان‌های مهار نیروگاه هسته‌ای بود.

قبل و بعد از پردازش FEA

با افزایش قابلیت‌های ABAQUS، مشخص شد که بدون پیش‌پردازنده‌ای برای فرموله کردن مسئله و پس‌پردازنده‌ای برای بررسی گرافیکی نتایج، نمی‌تواند به عنوان یک محصول مستقل به کار خود ادامه دهد.

در روزهای اولیه FEA، مهندسان مجبور بودند با مطالعه جداول چاپ شده از نتایج خود، از تحلیل‌هایشان نتیجه‌گیری کنند. با این حال، با نگاهی به آینده، دفترچه راهنمای کاربر ABAQUS 4.0 پیشنهاد می‌کند که “ارائه نتایج به صورت گرافیکی یا تصویری، برای اکثر مسائل، بینش بیشتری نسبت به ستون‌های اعداد ارائه می‌دهد.”

برای رفع این نیاز به تصاویر نتیجه، مفهوم “فایل خروجی نمودار” متولد شد. با این مکانیسم، کاربران دستورات نمودار را که درخواست خطوط کانتور یا جابجایی را در فواصل زمانی در طول تجزیه و تحلیل داشتند، وارد می‌کردند و یک فایل نمودار تولید و روی یک نقشه‌کش Calcomp نمایش داده می‌شد.

یک پیشرفت بزرگ گرافیکی زمانی رخ داد که هیبیت ایده یک فایل نقشه «خنثی» را مطرح کرد که در طول نصب در شرکت آباکوس (ABAQUS) که یک مشتری بود، یعنی قایق الکتریکی (Electric Boat)، پیاده‌سازی شد. این فایل شامل دستورات نقشه مستقل از دستگاه بود که توسط درایورها به دستورات خاص دستگاه تبدیل می‌شدند. رسم یک خط ساده شامل دستوراتی برای انتخاب رنگ، موقعیت، پایین آوردن، تغییر موقعیت و سپس بالا بردن قلم بود. سپس فایل‌های تصویر روی پلاتر قلمی یا ترمینال‌های تکترونیکس نمایش داده می‌شدند. در آن زمان، اجرای کاری با تنها چند صد عنصر، نصف روز طول می‌کشید.

در سال ۱۹۸۷، نرم‌افزار ABAQUS/Post به عنوان یک پس‌پردازنده مستقل با قابلیت ورود فرمان و دریافت بازخورد بصری روی صفحه نمایش منتشر شد.

توسعه یک پیش‌پردازنده چالشی بود که سال‌ها تیم ABAQUS را درگیر خود کرده بود. هیبیت می‌گوید: «ما یک کد کاملاً تعاملی می‌خواستیم . احساس کردیم که رویکرد «یک برگه کاغذ تمیز» بهترین سرمایه‌گذاری بلندمدت برای توسعه کامل نقاط قوت محصول ما است.» این شرکت منابع قابل توجهی را به ABAQUS/CAE اختصاص داد، که قرار بود دریچه‌ای به سوی حل‌کننده‌ها باشد و ایجاد، مدیریت و تجسم شبیه‌سازی‌های پیچیده و سفارشی‌سازی ABAQUS برای کاربردهای خاص را آسان کند.

سفارشی‌سازی صریح، نمایشگر و رابط کاربری گرافیکی

همزمان با توسعه پیش‌پردازش و پس‌پردازش، تلاش‌های قابل توجهی نیز برای یک کد دینامیک صریح تجاری انجام می‌شد که باید معماری خاص خود را داشته باشد. هیبیت به یاد می‌آورد: «هدف اصلی ما برای ABAQUS/Explicit در آن زمان، تحلیل سقوط بود. اما از آنجا که – برخلاف برخی از رقبا – ما بسیار مراقب بودیم که کیفیت مکانیک را فدای سرعت در محاسبات نکنیم، ABAQUS/Explicit برای رویدادهایی مانند شبیه‌سازی تست سقوط نیز مفید واقع شد، برای مثال، برای اطمینان از اینکه یک تلفن همراه می‌تواند از افتادن جان سالم به در ببرد.»

اولین نسخه رسمی ABAQUS/Explicit در سال ۱۹۹۲ به صورت دستی به دانشگاه MIT تحویل داده شد. نسخه ۰ ABAQUS/Viewer به عنوان یک محصول مستقل در سال ۱۹۹۸ منتشر شد. همین ویژگی‌ها در سال ۱۹۹۹ به عنوان ماژول تجسم ABAQUS/CAE در دسترس قرار گرفتند. کاربران اکنون می‌توانستند از طریق یک رابط کاربری گرافیکی (GUI) با ABAQUS/Viewer تعامل داشته باشند و اقدامات و گزینه‌ها را از طریق آیکون‌ها، منوها و کادرهای محاوره‌ای انتخاب کنند.

بار دیگر، ارتباط با مشتری به گسترش این قابلیت‌های بهبود یافته کمک کرد. در سال ۱۹۹۶، HKS با شرکت فولاد بریتانیا قراردادی برای ارائه یک سیستم طراحی مسیر غلتک سفارشی امضا کرد. این پروژه تأثیر عمیقی بر فعالیت‌های توسعه داشت و در پیشبرد برنامه‌ها و نتایج برای محصولات CAE و Explicit مؤثر بود. همچنین رویکردی یکپارچه به توسعه ایجاد کرد که هم بر معماری کد (به‌ویژه پایگاه داده خروجی) و هم بر ساختار سازمانی تأثیر گذاشت و همچنین اولین سیستمی بود که از سفارشی‌سازی رابط کاربری گرافیکی (GUI) بهره برد.

یکی از اهداف شرکت فولاد بریتانیا، جمع‌آوری دانش مهندسان و تحلیلگران متخصص خود (که برخی از آنها نزدیک به بازنشستگی بودند) در یک سیستم خودکار بود که بتواند توسط طراحان مورد استفاده قرار گیرد. سفارشی‌سازی رابط کاربری گرافیکی (GUI) برنامه‌هایی را ایجاد کرد که رابط‌های کاربری را با اصطلاحاتی که طراحان با آنها آشنا بودند، ارائه می‌دادند، در حالی که جزئیات تحلیل‌هایی را که در پشت صحنه انجام می‌شد، پنهان می‌کردند. این بخش مهمی از استراتژی اتوماسیون فرآیند بود – برای فعال کردن سفارشی‌سازی که به کاربران کم‌تجربه‌تر اجازه دسترسی و استفاده از نرم‌افزار FEA را می‌داد.

دیوید هیبیت پس از ۲۳ سال رهبری، در سال ۲۰۰۱ بازنشسته شد؛ بنگت کارلسون و پاول سورنسن نیز در سال بعد از او پیروی کردند. هر سه نفر هنوز در نیوانگلند زندگی می‌کنند. در نوامبر ۲۰۰۲، درست قبل از بیست و پنجمین سالگرد تأسیس شرکت، شرکت HKS نام خود را به ABAQUS تغییر داد. سه سال بعد، ABAQUS آغازگر برند SIMULIA شرکت Dassault Systèmes شد. اکنون بیش از ۳۵۰ مهندس و برنامه‌نویس SIMULIA در دفتر مرکزی این برند در جانستون، رود آیلند مستقر هستند و ۱۳۵۰ نفر دیگر در ۲۲ کشور در سراسر جهان به مشتریانی از تولیدکنندگان اصلی تجهیزات (OEM) پیشرو در صنعت گرفته تا استارتاپ‌های فناوری که صرفاً بر روی فضای ابری فعالیت می‌کنند، خدمت‌رسانی می‌کنند.

تنوع‌بخشی به چندفیزیک

آلن پریور، مدیر ارشد فروش فنی، می‌گوید: «ما چند سال پیش به شوخی می‌گفتیم که واقعاً نیازی به توسعه یک المان محدود دیگر نداریم، زیرا حدود ۳۵۰ المان محدود در کد داشتیم و به المان محدود ۳۵۱ نیازی نداشتیم. اما مجبور شدیم فراتر از Abaqus [که از سال ۲۰۰۵ با حروف کوچک نوشته می‌شد] به فیزیک وسیع‌تری روی بیاوریم و شبیه‌سازی را برای طیف وسیع‌تری از کاربران دموکراتیزه کنیم، زیرا در غیر این صورت، خودمان را محدود می‌کردیم.»

امروزه، چهل سال از فناوری اجزا محدود آباکوس (Abaqus FEA) در هسته‌ی مجموعه‌ای گسترده از قابلیت‌های پیشرو در چندفیزیک باقی مانده است. SIMULIA که با Isight شرکت Engineoussoftware در سال ۲۰۰۸ آغاز به کار کرد، قابلیت‌هایی در بهینه‌سازی، ایجاد قالب و اتوماسیون فرآیند، CFD، قالب‌گیری تزریقی، خستگی و دوام، بهینه‌سازی توپولوژی، الکترومغناطیس، ویبروآکوستیک و موارد دیگر به آن افزوده است.

پرایور می‌گوید: «جذابیت Abaqus باعث جذب تمام این محصولات دیگر شده است که با همان شور و اشتیاق بنیانگذاران HKS توسعه یافته‌اند . ما مانند آهنربایی برای جذب سایر شرکت‌های فناوری با فلسفه‌ای مشابه عمل کرده‌ایم.» او می‌گوید این اشتیاق مشترک برای انجام سخت‌ترین مسائل شبیه‌سازی، برای هر شرکتی که به خانواده SIMULIA می‌پیوندد، اساسی است. «اما ما هرگز از «چرایی» غافل نمی‌شویم – ما همیشه ارزش را برای مشتری، یا یک صنعت، یا جامعه مهندسی به طور کلی می‌بینیم.»

این «چرا» اخیراً دوباره برای دیوید هیبیت مطرح شد، زمانی که استیو لوین، رهبر پروژه قلب زنده SIMULIA، این فرصت را داشت که عینک سه‌بعدی را به چشم او بزند تا بنیانگذار Abaqus بتواند مدل سه‌بعدی شاخص این شرکت از قلب تپنده انسان را به همراه جریان خون، فعال‌سازی الکتریکی، چرخه‌های قلبی و پاسخ بافت در سطح مولکولی مشاهده کند.

پاسخ هیبیت؟ «این نمونه‌ای فوق‌العاده از چیزی است که ما در نتیجه‌ی خرید آباکوس توسط داسو سیستمز به آن امیدوار بودیم: ارائه‌ی مکانیک‌های بسیار پیچیده، بسته‌بندی‌شده برای استفاده توسط کسی که مسئولیت یک محصول یا فرآیند را بر عهده دارد و از پیچیدگی‌های نهفته در نرم‌افزار چیزی نمی‌داند. در این مورد، آن کاربر یک جراح قلب است که اکنون ابزاری برای برنامه‌ریزی کار خود متناسب با نیازهای هر بیمار دارد و بنابراین توانایی خود را برای انجام کار خیر به طرز چشمگیری بهبود می‌بخشد… واضح است که هنوز کارهای زیادی برای ارائه‌ی ارزش کامل مورد نیاز برای این برنامه وجود دارد. اما چقدر عالی است که همچنان وقت خود را صرف چنین تلاش‌هایی می‌کنید. برای شما در پیگیری آنها آرزوی موفقیت داریم.»