FEM CalculiX/de

Einleitung

Diese Seite sammelt Informationen über den CalculiX Finite-Elemente-Solver, den Standard-Solver im Arbeitsbereich FEM für strukturelle und thermo-mechanische Analysen. Abhängig vom Betriebssystem, mit dem Sie arbeiten, müssen Sie CalculiX installieren, bevor Sie Ihre erste Simulation durchführen. Siehe dazu FEM Install.

Der Solver ist in der Lage, lineare und nicht-lineare Berechnungen für statische, dynamische und thermische Probleme durchzuführen. Der Solver arbeitet mit einer Abaqus-ähnlichen Eingabedatei (.inp), was bedeutet, dass er mit verschiedenen Präprozessoren verwendet werden kann, die dieses Format unterstützen. Das Programm enthält einen eigenen grafischen Präprozessor, der jedoch nicht von FreeCAD verwendet wird, sondern nur vom Solver selbst.

CalculiX ist so konzipiert, dass es auf Unix-Plattformen wie Linux und Irix-Computern, aber auch auf Windows läuft. CalculiX wurde von Ingenieuren der MTU Aero Engines, München, Deutschland, entwickelt, um sie bei der Konstruktion von Maschinen wie Düsenturbinen zu unterstützen. Die Software wird derzeit unter den Bedingungen der GPL Version 2 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Integration in FreeCAD

Die Interaktion zwischen dem Arbeitsbereich FEM und CalculiX erfolgt durch das Schreiben und Lesen von Textdateien. Die Reihenfolge der Operationen ist wie folgt:

1. Es wird eine CalculiX-Eingabedatei mit den für die Simulation erforderlichen Details erstellt.
2. Der CalculiX-Solver wird mit dieser Eingabedatei gestartet.
3. Die Ausgabe des Solvers wird protokolliert.
4. Die Ausgabedateien des Solvers werden gelesen, wenn sie verfügbar sind.

Das Werkzeug FEM Control Solver verwaltet den gesamten Prozess. Benutzerinteraktion im Prozess ist möglich.

Preprocessing-Schnittstelle

Die Eingabedatei, die CalculiX verwendet, kann bearbeitet werden bevor der Löser gestartet wird. CalculiX verwendet keine Einheiten, und es liegt in der Verantwortung des Benutzers, sicherzustellen, dass im gesamten Eingabedeck durchgehend dasselbe Einheitensystem verwendet wird. Die Einheiten, in denen FreeCAD die Eingabedatei schreibt, sind unabhängig vom Einheitensystem, das im FreeCAD-Projekt oder in den Einstellungen festgelegt ist. Die Eingabedatei wird immer unter Verwendung des SI-Einheitensystems (mm) geschrieben:

• Länge: mm,
• Kraft: N,
• Masse: Tonne,
• Zeit: s,
• Druck: MPa,
• Energie: mJ,
• Dichte: Tonne/mm³,
• Temperatur: K.

Die CalculiX-Schnittstelle unterstützt die folgenden Objekte:

Finite Elemente

• 3D-Festkörper:
  • tetraedrisch: C3D4, C3D10
  • hexaedrisch: C3D8(R), C3D20(R)
• 3D-Schalen- und Membranstrukturen:
  • dreieckig: S3, S6, M3D3, M3D6
  • viereckig: S4(R), S8(R), M3D4(R), M3D8(R)
• 2D-Ebenenbeanspruchung, Ebenenverformung und achsensymmetrisch:
  • dreieckig: CPS3, CPS6, CPE3, CPE6, CAX3, CAX6
  • viereckig: CPS4(R), CPS8(R), CPE4(R), CPE8(R), CAX4(R), CAX8(R)
• 3D-Balken und Fachwerk: B31(R), B32(R), T3D2, T3D3

Weitere Informationen zu den unterstützten CalculiX-Elementen sind auf der Seite FEM Netz CalculiX zu finden.

Untersuchung

• Lineare und nichtlineare statische Analyse
• Frequenzanalyse
• Lineare Knickanalyse
• Gekoppelte thermisch-strukturelle Analyse, reine Wärmeübertragungsanalyse
• Elektrostatische Analyse – lediglich die Implementierung des CalculiX-Lösers umgestaltet

Materialien

• Linear elastische isotrope Materialien (gleichförmige Eigenschaften in allen Richtungen)
• Plastizität mit isotroper oder kinematischer Verfestigung

Preprocessing-Schnittstelle

Die veraltete CalculiX-Implementierung (das Objekt „SolverCcxTools“ wird erstellt, wenn die Einstellung „Ergebnisobjekt“ deaktiviert ist) im Arbeitsbereich FEM ,lädt die Ergebnisse in „CCX_Results“ veraltete Ergebnisobjekte, die Folgendes enthalten:

• Verschiebungen (Komponenten und Betrag)
• Spannungen: max./min. Hauptspannungen, von-Mises-Spannung, max. Scherspannung (Tresca)
• Äquivalente plastische Dehnung – sofern nichtlineares Material verwendet wurde
• Temperatur – für thermomechanische Analysen
• Massendurchfluss und Netzwerkdruck – für 1D-Fluidnetzwerke

Diese Objekte zeigen Farbkarten ohne Legende an, aber die Minimal- und Maximalwerte lassen sich dem Aufgabenbereich entnehmen. Die dort angezeigten Einheiten werden entsprechend den Werten angepasst (z. B. GPa für große Spannungen, mm für kleine Verschiebungen usw.). FreeCAD liest die Ergebnisse aus der von CalculiX erstellten Datei *.frd ein. Wenn diese Ergebnisse mehrere Zeitschritte enthalten, wird jeder Zeitschritt als neues Ergebnisobjekt in FreeCAD importiert. Das gleiche Verhalten gilt für Frequenz- oder Knickanalysen mit mehreren Eigenwerten. Jedes Ergebnisobjekt enthält die Modennummer oder den Knickfaktorwert in seinem Namen, und die Eigenschaft DatenEigenmode Frequency (Eigenmodenfrequenz) zeigt die entsprechende Eigenfrequenz an.

Die ältere CalculiX-Implementierung erstellt zudem ein aus mehreren Frames bestehendes „Pipeline_CCX_Results“ Ergebnis-Pipeline-Objekt. Die Einheiten sind dort derzeit uneinheitlich – das SI-Eingabesystem (mm) wird für die meisten Ausgaben verwendet, mit Ausnahme von Verschiebungen (Meter) und Spannungen (Pascal). So lauten beispielsweise die Einheiten für den Wärmefluss mW/mm².

Folgende Ergebnisse stehen im Pipeline-Objekt des alten CalculiX-Lösers zur Verfügung:

• Verschiebung [m]
• Verschiebungsamplitude [m]
• Tresca-Spannung [Pa]
• Dehnungskomponenten xx, xy, xz, yy, yz und zz [-]
• Spannungskomponenten xx, xy, xz, yy, yz und zz [Pa]
• Haupt-, Zwischen- und Nebenhauptspannung [Pa]
• Von-Mises-Spannung [Pa]
• Kritisches Dehnungsverhältnis – für Analysen mit nichtlinearen (plastischen) Materialien [-]
• Äquivalente plastische Dehnung – für Analysen mit nichtlinearen (plastischen) Materialien [-]
• Haupt-, Zwischen- und Nebenhauptspannungsvektor – für Analysen mit bewehrten Materialien [-]
• Mohr-Coulomb-Spannung – für Analysen mit bewehrten Werkstoffen [Pa]
• Bewehrungsgrad x, y, z – für Analysen mit bewehrten Werkstoffen [-]
• Massenstrom – für 1D-Fluidnetze [Tonne/s]
• Netzdruck – für 1D-Fluidnetze [Pa]
• Wärmefluss – für thermomechanische Analysen [mW/mm²]
• Temperatur – für thermomechanische Analysen [K]

Die überarbeitete CalculiX-Implementierung (das „SolverCalculiX“-Objekt wird erstellt, wenn die Einstellung für das „Result-Objekt“ Voreinstellung aktiviert ist) erzeugt lediglich ein mehrrahmiges „SolverCalculiXResult“-Ergebnis-Pipeline-Objekt. Die dort verwendeten Einheiten stimmen mit den eingegebenen SI-Einheiten (mm) überein, sodass Verschiebungen in mm, Spannungen in MPa, der Wärmefluss in mW/mm² usw. angegeben werden.

Die im überarbeiteten Pipeline-Objekt des CalculiX-Lösers verfügbaren Ergebnisse sind:

• Verschiebungskomponenten und -größe [mm]
• Spannungskomponenten und -größe [MPa]
• Dehnungskomponenten und -größe [-]
• Fehler [-]
• Haupt-, Zwischen- und Nebenspannungen [MPa]
• Richtungen der Haupt-, Zwischen- und Nebenspannungen [-]
• Von-Mises-Spannung [MPa]
• Tresca-Spannung [MPa]
• Maximale absolute Hauptspannung [MPa]
• Wärmeflusskomponenten und -größe – für thermomechanische Analysen [mw/mm²]
• Temperatur – für thermomechanische Analysen [K]
• Äquivalente plastische Dehnung – für Analysen mit nichtlinearen (plastischen) Materialien [-]
• Massenstrom (MF) – für 1D-Fluidnetze [Tonne/s]
• Netzwerkdruck (PS) – für 1D-Fluidnetze [MPa]
• Potential – für elektrostatische Analysen [mV]
• Elektrische Flussdichte – für elektrostatische Analysen [C/mm²]

Die Reaktionskräfte sind in der Datei ccx_dat_file zu finden, die die Reaktionskraftkomponenten (fx, fy, fz) für jede feste Randbedingung und für jede Verschiebungsrandbedingung, die die Translationsfreiheitsgrade einschränkt, enthält. Dort werden auch Verschiebungen, Reaktionskräfte und Momente für Freiheitsgrade ausgegeben, die an Referenzknoten mit starren Körperbeschränkungen fixiert sind.

Die gleiche Datei enthält die Eigenwertergebnisse für Frequenzanalysen und den Knickfaktor für Knickanalysen.

Verwandtes

• FEM Mesh CalculiX
• Die Seite CalculiX in den Einstellungen des Arbeitsbereichs FEM