FEM CalculiX Cantilever 3D/de

Tutorium
Thema
Finite-Elemente-Analyse
Niveau
Beginner
Zeit zum Abschluss
10 minutes
Autoren
Bernd
FreeCAD-Version
0.16.6377 or above
Beispieldateien
None
Siehe auch
None

Einleitung

Dieses Beispiel soll zeigen, wie eine einfache Finite-Elemente-Analyse (FEA) in FreeCADs Arbeitsbereich FEM auf der FreeCAD-Oberfläche aussieht und wie die Ergebnisse visualisiert werden können. Es wird gezeigt, wie man eine FEA auslöst und wie man den Lastwert und die Lastrichtung ändert. Da die Beispieldatei mit jeder FreeCAD-Installation mitgeliefert wird, ist sie außerdem ein nützlicher und einfacher Test, um festzustellen, ob die FEM-Workbench richtig eingerichtet ist.

Voraussetzungen

• Eine kompatible Version von FreeCAD, die in der Übersicht des Tutorials angegeben ist.

  Verwenden Sie den Help → About FreeCAD, um die installierte Version von FreeCAD zu sehen.

• Für das Laden der Beispieldatei, das Betrachten des Netzes und der Geometrie sowie für die Visualisierung der Ergebnisse wird keine externe Software benötigt.
• Für die Durchführung der FEA muss die Solver-Software CalculiX auf Ihrem Computer installiert sein. Wahrscheinlich ist der Solver bereits zusammen mit FreeCAD installiert worden. Falls der Solver CalculiX nicht installiert ist, siehe FEM Installation.

Beispieldatei vorbereiten

Beispieldatei laden

• FreeCAD starten.
• Ist der Arbeitsbereich Start nicht aktiviert, sollte er geladen und die Startseite geöffnet werden.
• Die Beispieldatei FemCalculixCantilever3D.FcStd ^{0.21 und davor} oder FEMExample.FcStd ^{1.0 und neuer}.öffnen.

Analyse-Container aktivieren

• Um mit einer Analyse arbeiten zu können, muss diese aktiviert sein. In der Baumansicht gibt es folgende Möglichkeiten:
  • Ein Doppelklick auf den Analysecontainer (Analysis object).
  • Ein Rechtsklick auf den Analysecontainer und Analyse aktivieren im Kontextmenü auswählen.

Der Analyse-Container und seine Objekte

• * Wenn die Analyse aktiviert wird, wechselt FreeCAD selbst die aktuelle Workbench auf FEM.
• 1.0 und neuer: Die folgenden Objekte befinden sich im Gruppencontainer 3D.
• Der Analysecontainer enthält wenigstens die 5 Objekte, die zum Erstellen einer statischen Mechanik-Analyse benötigt werden:

1. einen Gleichungslöser
2. ein Material
3. a fixed boundary condition
4. a force load
5. ein FEM-Netz

• In diesem Beispiel sind auch bereits Ergebnisse enthalten.

Ergebnisse darstellen

1. Sicherstellen, dass die Analyse aktiviert ist.
2. Sicherstellen, dass die Analyse noch das Ergebnisobjekt enthält; wenn nicht, die Beispieldatei einfach neu laden.
3. Ein Doppelklick auf das Ergebnisobjekt oder dieses auswählen und die Schaltfläche Ergebnis anzeigen drücken.
4. Im Aufgaben-Fenster Verschiebung Z auswählen. Es zeigt -86.93 mm in negativer z-Richtung. Dies ist sinnvoll, da die Kraft auch in negativer z-Richtung wirkt.
5. Das Kontrollkästchen Anzeigen neben dem unteren Schieberegler der Auslenkungsskalierung aktivieren.
6. Mit dem Schieberegler kann das Netz verändert werden, um die Verformung auf vereinfachte Weise zu betrachten.
7. Die verschiedenen Ergebnistypen auswählen, um alle in der GUI verfügbaren Ergebnistypen anzusehen.

Ergebnisse entfernen

1. Sicherstellen, dass die Analyse aktiviert ist.
2. Um die Ergebnisse zu entfernen: Die Schaltfläche Ergebnisse löschen drücken.

Die FEA durchführen

• In der Baumansicht das Löserobjekt (Solver object) doppelt anklicken.
• Das Aufgaben-Fenster des Löserobjekts wird geöffnet.
  1. Sicherstellen, dass die Analyseart Statisch ausgewählt ist.
  2. Die Schaltfläche .inp-Datei Schreiben drücken und das Berichtsfenster beobachten, bis es "write completed" anzeigt.
  3. Die Schaltfläche Run CalculiX drücken. Da dies eine sehr kleine Analyse ist, sollte ihre Ausführung weniger als eine Sekunde dauern.
  4. Abwarten bis das Berichtsfenster "CalculiX done without error!" in grünen Buchstaben ausgibt und "loading result sets ..." in der nachfolgenden Zeile.
  5. Jetzt ist die erste FEA in FreeCAD fertiggestellt, wenn es keine Fehlermeldung gab.
  6. Die Schaltfläche Schließen im Aufgaben-Fenster drücken.
• Ein neues Ergebnisobjekt sollte erstellt werden. Wir wissen ja schon, wie die Ergebnisse visualisiert werden.
• Wird beim Auslösen der Analyse die Fehlermeldung "no solver binary" oder eine ähnliche ausgegeben, sollte man die FEM Installation überprüfen.

FEA auf die schnelle Art durchführen

• In der Baumansicht das Solverobjekt der Analyse auswählen.
• Die Schaltfläche Berechnungen des Lösers starten drücken.
• Die Calculix-Eingabedatei wird geschrieben, CalculiX wird gestartet und das Ergebnisobjekt sollte erstellt werden.

Lastrichtung und Lastwert ändern

• In der Baumansicht die CCX_Results erweitern, das Ergebnisobjekt-Objekt auswählen und die Leertaste drücken.

  Ergebnis: Die Sichtbarkeit des FEM-Netzes wird ausgeschaltet. Das geometrische Modell ist weiterhin sichtbar.

• In der Baumansicht das ConstraintForce-Objekt doppelt anklicken.
• Das Aufgaben-Fenster des Analyseelements wird geöffnet:
  1. Den Lastwert auf 500000000 N = 500 MN ändern (Hinweis ^{0.21 und davor}: Die Kraft im Aufgaben-Fenster muss in der Einheit N (Newton) angegeben werden).
  2. Auf dem geometrischen Modell eine der langen Kanten in x-Richtung anklicken.
  3. Die Schaltfläche Richtung drücken.

     Ergebnis: Die roten Pfeile, die die Kraft darstellen, ändern ihre Richtung in x-Richtung. Sie zeigen die Richtung der Kraft an.

  4. Da eine Spannung auf den Quader zu wirken soll, muss Richtung umkehren aktiviert werden.
  5. Die roten Pfeile der Kraft kehren ihre Richtung um.
  6. Die Schaltfläche OK im task panel drücken.

• Sie wissen bereits, wie man eine Analyse auslöst und wie man die Ergebnisse visualisiert.
• Die Verformung in x-Richtung sollte 18,95 mm betragen.

Wie geht es weiter?

• Wir sind nun mit dem grundlegenden Arbeitsablauf für die Arbeitsbereich FEM fertig.
• Sie sind nun bereit, das zweite FEM-Tutorial zu bearbeiten.
• Wir werden den CalculiX-Kragarm selbst erzeugen und die Ergebnisse mit der Balkentheorie vergleichen.