FEM CalculiX/fr

Introduction

Cette page rassemble des informations sur le solveur d'éléments finis CalculiX, le solveur par défaut de l' atelier FEM pour l'analyse structurelle et thermo-mécanique. Selon le système d'exploitation que vous utilisez, vous devrez installer CalculiX avant de lancer votre première simulation. Veuillez voir Installation des composants requis pour l’atelier FEM.

Le solveur est capable de faire des calculs linéaires et non linéaires pour des problèmes statiques, dynamiques et thermiques. Le solveur opère sur un fichier d'entrée de type Abaqus (.inp), ce qui signifie qu'il peut être utilisé avec différents pré-processeurs prenant en charge ce format. Le programme inclut son propre pré-processeur graphique qui, toutefois, n’est pas utilisé par FreeCAD, mais uniquement par le solveur lui-même.

CalculiX est conçu pour fonctionner sur les plates-formes Unix telles que les ordinateurs Linux et Irix mais également sur MS-Windows. CalculiX a été développé par des ingénieurs de MTU Aero Engines, Munich, Allemagne, pour les aider à concevoir des machines telles que des turbines à jet. Le logiciel est actuellement disponible au public selon les termes de la GPL version 2.

Intégration à FreeCAD

L'interaction entre l'atelier FEM et CalculiX s'effectue par l'écriture et la lecture de fichiers texte. La séquence des opérations est la suivante :

1. Un fichier d'entrée CalculiX est créé avec les détails nécessaires à l'exécution de la simulation.
2. Le solveur CalculiX est démarré avec ce fichier d'entrée.
3. La sortie du solveur est enregistrée.
4. Les fichiers de sortie du solveur sont lus, s’ils sont disponibles.

L'outil FEM Réglage du solveur gère l'ensemble du processus. L'interaction de l'utilisateur dans le processus est possible.

Interface de prétraitement

Le fichier d'entrée utilisé par CalculiX peut être préparé et modifié avant le lancement du solveur. CalculiX n'utilise pas d'unités. Il incombe à l'utilisateur de s'assurer que le même système d'unités est utilisé de manière cohérente dans l'ensemble du fichier d'entrée. Les unités dans lesquelles FreeCAD génère le fichier d'entrée sont indépendantes du système d'unités défini dans le projet ou les préférences de FreeCAD. Le fichier d'entrée est toujours écrit en utilisant le système d'unités SI (mm) :

• longueur : mm,
• force : N,
• masse : tonne,
• temps : s,
• pression : MPa,
• énergie : mJ,
• densité : tonne/mm³,
• température : K.

L'interface CalculiX prend en charge les objets suivants :

Éléments finis

• Solide 3D :
  • tétraédrique : C3D4, C3D10
  • hexaédrique : C3D8(R), C3D20(R)
• Coque 3D et membrane :
  • triangulaire : S3, S6, M3D3, M3D6
  • quadrilatéral : S4(R), S8(R), M3D4(R), M3D8(R)
• Contraintes planes, déformations planes et axisymétriques en 2D :
  • triangulaire : CPS3, CPS6, CPE3, CPE6, CAX3, CAX6
  • quadrilatéral : CPS4(R), CPS8(R), CPE4(R), CPE8(R), CAX4(R), CAX8(R)
• Poutre et treillis 3D : B31(R), B32(R), T3D2, T3D3

Pour plus d'informations sur les éléments CalculiX pris en charge, voir la page FEM Maillage avec CalculiX.

Analyses

• Analyse statique linéaire et non linéaire
• Analyse de fréquence
• Analyse du flambage linéaire
• Analyse thermo-structurelle couplée et découplée, analyse de transfert thermique pur
• Analyse électrostatique - refonte de l'implémentation du solveur CalculiX uniquement

Matériaux

• Matériaux isotropes à élasticité linéaire (propriétés uniformes dans toutes les directions)
• Plasticité avec durcissement isotropique ou cinématique

Interface de post-traitement

L'implémentation du CalculiX historique (objet SolverCcxTools créé si la préférence « Résultats » est désactivée) dans l'atelier FEM charge les résultats dans les objets de résultats historiques « CCX_Results » qui contiendront :

• Déplacements (composantes et amplitude)
• Contraintes : principales max/min, de von Mises, cisaillement maximal (Tresca)
• Déformation plastique équivalente – si un matériau non linéaire a été utilisé
• Température – pour l’analyse thermomécanique
• Débit massique et pression du réseau – pour les réseaux de fluides 1D

Ces objets affichent des cartes de couleurs sans légende, mais les valeurs minimales et maximales peuvent être consultées dans le panneau des tâches. Les unités qui y sont indiquées s'adaptent en fonction des valeurs (par exemple, GPa pour les contraintes élevées, mm pour les petits déplacements, etc.). FreeCAD lit les résultats à partir du fichier *.frd créé par CalculiX. Si ces résultats contiennent plusieurs pas de temps, chaque pas de temps est importé dans FreeCAD en tant que nouvel objet de résultat. Le même comportement s'applique aux analyses de fréquence ou de flambage comportant plusieurs valeurs propres. Chaque objet de résultat contient le numéro du mode ou la valeur du facteur de flambage dans son nom, et la propriété DonnéesEigenmode Frequency indique la fréquence propre correspondante.

L'implémentation historique de CalculiX crée également un objet de pipeline de résultats multi-images « Pipeline_CCX_Results ». Les unités utilisées dans cet objet ne sont actuellement pas cohérentes : le système SI (mm) utilisé en entrée est repris pour la plupart des résultats, à l'exception des déplacements (en mètres) et des contraintes (en pascals). Ainsi, par exemple, les unités du flux thermique sont exprimées en mW/mm².

Les résultats disponibles dans l'objet « pipeline » du solveur CalculiX hérité sont les suivants :

• Déplacement [m]
• Amplitude du déplacement [m]
• Contrainte de Tresca [Pa]
• Composantes de déformation xx, xy, xz, yy, yz et zz [-]
• Composantes de contrainte xx, xy, xz, yy, yz et zz [Pa]
• Contraintes principales majeures, intermédiaires et mineures [Pa]
• Contrainte de von Mises [Pa]
• Rapport de déformation critique – pour les analyses avec des matériaux non linéaires (plastiques) [-]
• Déformation plastique équivalente – pour les analyses avec des matériaux non linéaires (plastiques) [-]
• Vecteur de contraintes principales majeures, intermédiaires et mineures – pour les analyses avec des matériaux renforcés [-]
• Contrainte de Mohr-Coulomb – pour les analyses avec des matériaux armés [Pa]
• Taux d'armature x, y, z – pour les analyses avec des matériaux armés [-]
• Débit massique – pour les réseaux fluidiques 1D [tonne/s]
• Pression du réseau – pour les réseaux fluidiques 1D [Pa]
• Flux thermique – pour les analyses thermomécaniques [mW/mm²]
• Température – pour les analyses thermomécaniques [K]

L'implémentation refactorisée de CalculiX (l'objet « SolverCalculiX » est créé si la préférence « Résultats » est activée) ne crée qu'un seul objet de pipeline de résultats de multi-images « SolverCalculiXResult » . Les unités utilisées sont cohérentes avec les unités SI (mm) utilisées en entrée ; ainsi, les déplacements sont exprimés en mm, les contraintes en MPa, le flux thermique en mW/mm² et ainsi de suite.

Les résultats disponibles dans l'objet « pipeline » du solveur CalculiX refactorisé sont les suivants :

• Composantes et amplitude du déplacement [mm]
• Composantes et amplitude des contraintes [MPa]
• Composantes et amplitude des déformations [-]
• Erreur [-]
• Contraintes principales majeures, intermédiaires et mineures [MPa]
• Direction des contraintes principales majeures, intermédiaires et mineures [-]
• Contrainte de von Mises [MPa]
• Contrainte de Tresca [MPa]
• Contrainte principale absolue maximale [MPa]
• Composantes et amplitude du flux thermique – pour les analyses thermomécaniques [mw/mm²]
• Température – pour les analyses thermomécaniques [K]
• Déformation plastique équivalente – pour les analyses avec des matériaux non linéaires (plastiques) [-]
• Débit massique (MF) – pour les réseaux de fluides 1D [tonne/s]
• Pression du réseau (PS) – pour les réseaux de fluides 1D [MPa]
• Potentiel – pour les analyses électrostatiques [mV]
• Densité de flux électrique – pour les analyses électrostatiques [C/mm²]

Les forces de réaction sont disponibles dans ccx_dat_file, qui contient les composantes des forces de réaction (fx, fy, fz) pour chaque condition aux limites fixe et pour chaque condition aux limites de déplacement qui contraint les degrés de liberté de translation. Les déplacements, les forces de réaction et les moments y sont également indiqués pour les degrés de liberté contraints au niveau des nœuds de référence soumis à une contrainte de corps rigide.

Ce même fichier contient les valeurs propres issues des analyses de fréquence ainsi que le facteur de flambage issu des analyses de flambage.

En relation

• FEM Maillage avec Calculix
• Page CalculiX dans les préférences de l'atelier FEM