FEM SolverElmer/de

FEM LöserElmer
Menüeintrag
Lösen → Löser Elmer
Arbeitsbereich
FEM
Standardtastenkürzel
S E
Eingeführt in Version
-
Siehe auch
FEM LöserElmer LöserEinstellungen, FEM Löser CalculixCcxtools, FEM Löser Z88, FEM Tutorium

Beschreibung

Elmer ist eine Open-Source-Software für multiphysikalische Simulationen, die hauptsächlich vom CSC – IT Center for Science (CSC) entwickelt wurde. Die Entwicklung von Elmer begann 1995 in Zusammenarbeit mit finnischen Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie. Nach der Veröffentlichung als Open-Source-Software im Jahr 2005 hat sich die Nutzung und Entwicklung von Elmer internationalisiert.

Elmer umfasst beispielsweise physikalische Modelle der Strömungsdynamik, Strukturmechanik, Elektromagnetik, Wärmeübertragung und Akustik. Diese werden durch partielle Differentialgleichungen beschrieben, die Elmer mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) löst.

Durch das Erstellen des LöserElmer-Objekts im Analyse-Container in FreeCAD erhält man Zugriff auf die Elmer-Gleichungen für einfache oder multiphysikalische Analysen.

Da FreeCAD bereits über eine umfassende Integration von Calculix und Z88 als Löser für mechanische und thermomechanische Analysen verfügt, wird Elmer für numerische Strömungsmechanik (CFD), Wärme, Elektrostatik und Elektrodynamik bevorzugt. Es kann auch für mechanische FEA durch die Elastizitätsgleichung oder eine beliebige Kombination der oben genannten Gleichungen verwendet werden. Diese Kombination macht Elmer zur bevorzugten Wahl für multiphysikalische Analysen.

Installation

Elmer benötigt zwei Komponenten, um mit FreeCAD verbunden zu werden:

• ElmerSolver führt die Berechnung aus.
• ElmerGrid ist die Schnittstelle für die Arbeit mit Netzen.

Für beide Anwendungen gibt es eigenständige Programme, deren Installation und Verwendung jedoch über den Rahmen der FreeCAD-Integration hinausgehen.

1. Die für das Betriebssystem am besten geeignete Version herunterladen und sie installieren. (Windows oder Linux). Es wird empfohlen, die mpi-Version zu installieren, um Multi-Core-Unterstützung zu erhalten. (eingeführt in 0.21).
2. In FreeCAD zu Bearbeiten → Einstellungen → FEM → Elmer gehen
3. In den FEM-Einstellungen den richtigen Pfad sowohl für ElmerSolver als auch für ElmerGrid oder 0.21 und neuer festlegen: Den Pfad für ElmerSolver_mpi anstelle von ElmerSolver festlegen, damit Elmer alle verfügbaren CPU-Kerne nutzt.

   

   Elmer-Einstellungsdialogfeld mit Feldern zum Auffinden wichtiger Elmer-Binärdateien unter Windows

Jetzt kann Elmer in FreeCAD genutzt werden.

0.19 und davor: FreeCAD starten und das Einheitensystem zu MKS in den Einstellungen ändern. See Hinweise.

Anwendung

1. Zum Arbeitsbereich FEM.
2. Einen Analyse-Container erstellen.
3. Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Befehl aufzurufen:
   • Die Taste Löser Elmer drücken.
   • Die Option Lösen → Löser Elmer aus dem Menü wählen.
   • Die Tastenkombination: S und dann E verwenden.
4. Die Parameter für den Löser in der Eigenschaften-Ansicht auf der Registerkarte Data des SolverElmer-Objekts in der Modell-Baumansicht bearbeiten.
5. Auf das Objekt SolverElmer doppelklicken, um eine Analyse vorzubereiten.

   

   Dialogfeld zum Ausführen einer Elmer-Analyse

6. Den Pfad zum Speichern der Analyse auswählen, indem man auf … klickt.
7. Auf Schreiben klicken, um die Fallakten in das zuvor ausgewählte Verzeichnis zu schreiben.
8. Auf Ausführen klicken, um die Analyse zu starten.

Hinweis: Für eine erfolgreiche Analyse sind mindestens ein Modell (2D oder 3D), ein Material (MaterialFluide oder MaterialFeststoff), ein NetzGmshAusForm, Gleichungen und Randbedingungen erforderlich.

Beispiel einer Baumansicht, wenn der Löser für Elmer aktiviert ist

Gleichungen

• Um die Analyse eines bestimmten physikalischen Verhaltens durchzuführen, muss eine Gleichung verwendet werden (Strömung, Wärme, Elektrostatik…).
• Begriffsklärung: Der Begriff Gleichung wird in FreeCAD verwendet, um die verschiedenen physikalischen Mechanismen zu beschreiben, der Begriff Solver wird in allen Elmer-Dokumenten verwendet. Wenn also in FreeCAD die „Strömungsgleichung” verwendet wird, nutzt Elmer in Wirklichkeit den „Strömungslöser”, um eine Lösung für die Navier-Stokes-Gleichung zu finden.
• Mit Elmer können eine oder mehrere Gleichungen gleichzeitig verwendet werden, indem einfach das Gleichungsobjekt unter dem SolverElmer-Objekt hinzugefügt wird, wodurch multiphysikalische Analysen durchgeführt werden können:

1. Auf das LöserElmer im Modell der Baumansicht klicken
2. Eine oder mehrere der verfügbaren Gleichungen auswählen:
   • GleichungVerformung
   • GleichungElastizität
   • GleichungElektrischeKraft
   • GleichungElektrostatik
   • GleichungStrömung
   • GleichungFluss
   • GleichungWärme
   • GleichungMagnetodynamik
   • GleichungMagnetodynamik2D
   • GleichungGleichstrom - eingeführt in 1.1

Löser-Einstellungen

• Je nach den verwendeten Gleichungen müssen die Standardeinstellungen des Lösers geändert werden. Diese werden in der Elmer Löser-Einstellungen erklärt.
• Der Löser führt standardmäßig eine stationäre Simulation durch. Informationen zur Durchführung einer transienten Simulation (Verhalten/Entwicklung des Modells im Zeitverlauf) findet man im Abschnitt „Zeitschritte (transiente Analysen)“ in den Elmer Löser-Einstellungen.

Visualisierung

Die Ergebnisse des Elmer-Lösers werden in Ergebnis-Pipeline-Objekten ausgegeben. (Ergebnisobjekte sind nicht möglich.)

eingeführt in 0.21

Bei transienten Analysen erhält man für jeden Ausgabeschritt eine Ergebnis-Pipeline. Um alle gleichzeitig zu bearbeiten, wählt man sie in der Baumansicht aus und legt die Parameter in der [[Property_View/de]|Eigenschaftenansicht] fest. Um Animationen des zeitlichen Verlaufs zu erstellen, empfiehlt sich derzeit folgende Vorgehensweise:

• Die Ansicht des ersten Zeit-Ergebnisses ausblenden.
• Ein Objekt der Wahl in der Baumansicht auswählen, jedoch kein Pipeline-Objekt.
• Den Mauszeiger über die Pipelines bewegen.

Das Ergebnis ist eine Animation ähnlich dieser:

Hinweise

• Wichtig: Um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten und die Elmer-Eingabedateien (mit dem Namen case.sif) mit anderen austauschen zu können, müssen alle Werte in den Eingabedateien in SI-Einheiten angegeben sein. In FreeCAD Version 0.19 und früher ist dies nur der Fall, wenn in den Einstellungen das Einheitensystem MKS verwendet wird.
• Die Parameter für den Löser und für die Gleichungen werden unabhängig voneinander über die Registerkarte Eigenschaften-Ansicht Daten der jeweiligen Objekte in der Baumansicht eingestellt.
• Jede Gleichung hat eine Priorität. Wenn man beispielsweise die Auswirkungen einer konvektiven Strömung heißer Luft untersuchen möchte, sollte die Gleichung für Strömung mit höherer Priorität als die für Wärme gelöst werden, da der Löser sonst zuerst die Wärme durch Wärmeleitung und dann die Strömung berechnet.
• 2D- vs. 3D-Fälle: Elmer kann sowohl für 2D- als auch für 3D-Fälle verwendet werden. Bei der Definition eines 2D-Falls müssen die Flächen jedoch in der XY-Ebene von FreeCAD abgebildet werden, da der Löser sonst versucht, einen 3D-Fall auf einer Fläche zu berechnen, und die Normalenvektoren unterdefiniert sind. Weitere Informationen findet man in den FreeCAD-Foren: https://forum.freecad.org/viewtopic.php?f=18&t=48175

Dokumentation

Über den folgenden Link gelangt man zur vollständigen Dokumentation für Elmer. Diese umfasst sowohl Handbücher als auch Tutorien. Es muss beachtet werden, dass die mit „gui” gekennzeichneten Dokumente und Dateien sich in der Regel auf die Verwendung der grafischen Benutzeroberfläche von Elmer beziehen und nicht auf die FreeCAD-Implementierung von Elmer.