FEM SolverElmer/de

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FEM LöserElmer
Lösen → Löser Elmer
Arbeitsbereich
FEM
Standardtastenkürzel
S E
Eingeführt in Version
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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.

Since FreeCAD already has an extensive integration of Calculix and Z88 as solvers for mechanical and thermo-mechanical analysis, Elmer will be preferred for computational fluid dynamics (CFD), heat, electrostatics and electrodynamics. It can also be used for mechanical FEA through the Elasticity equation or any combination of the aforementioned equations. This combination makes Elmer the preferred choice for multi-physics analyses.

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.

Download and install the version best suited to your Operating System (Windows or Linux). It is recommended to install the mpi version to get multi-core support (introduced in 0.21).
In FreeCAD go to Edit → Preferences → FEM → Elmer
In the FEM preferences set the correct path for both ElmerSolver and ElmerGrid, or 0.21 and above: set the path for ElmerSolver_mpi instead of ElmerSolver to make Elmer use all available CPU cores.

Elmer preferences dialog menu showing fields to locate important Elmer binaries on Windows OS

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

Switch to the FEM Workbench
Create an Analysis container.
There are several ways to invoke the command:
- Press the Solver Elmer button.
- Select the Solve → Solver Elmer option from the menu.
- Use the keyboard shortcut: S then E.
Edit the parameters for the solver in the Property View Data tab of the SolverElmer object in the model Tree View
Double-click on the SolverElmer object to prepare an analysis run

Dialog box to run an Elmer analysis
Select the path to write the analysis in by clicking …
Click Write to write the case files in the directory selected previously
Click Run to start the analysis

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:

Auf das LöserElmer im Modell der Baumansicht klicken
Eine oder mehrere der verfügbaren Gleichungen auswählen:

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

Important: in order to get sensible results and to be able to exchange the Elmer input files (named case.sif) with others, all values in the input files must be in SI units. In FreeCAD version 0.19 and earlier this is only the case if you use the unit scheme MKS in the preferences.
Parameters for the Solver and for the Equations are independently set through the Property View Data tab of their respective objects in the Tree View.
Each equation will have a priority, for example, if trying see the effect of a convective flow of hot air, the equation for Flow should be solved with higher priority than Heat, otherwise the solver will first solve Heat through conduction and then Flow.
2D vs 3D cases: Elmer can be used to solve both 2D and 3D cases. However, when defining a 2D case, the faces need to be mapped in the XY-plane of FreeCAD, otherwise the solver will try to compute a 3D case on a face, and normal vectors will be under-defined. Further information can be found in the FreeCAD forums: 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.

LöserCalculixCcxtools

LöserMystran

FEM