FEM Mesh/ru

Other languages:

Создание сетки конечных элементов

Анализ методом конечных элементов выполняется над сеткой состоящей из множества соединенных между собой треугольных и четырехугольных конечных элементов, которые формируются в результате разделения исходного тела. Чем точнее сформирована эта сетка, тем точнее будут результаты вычислений, но и время потраченное на вычисления тоже будет больше. Баланс между размером сетки, временем вычислений и точностью результатов является важной характеристикой качественного анализа методом конечных элементов.

В верстаке FEM существует несколько способов получения сетки для расчета МКЭ:

Через графический интерфейс с помощью инструмента GMSH.
Через графический интерфейс с помощью инструмента Netgen.
Импорт сетки из другой программы. В частности, Gmsh и Netgen могут использоваться сами по себе вне FreeCAD для генерации сеток из твердых тел таких как Step-файлы.
Создание сетки "вручную" с помощью Python скриптов.

Инструменты Gmsh и Netgen поддерживают создание сеток из тел, созданных в верстаках Part и PartDesign, а также из простых копии этих тел. В общем, любой верстак, который генерирует твердые объекты, например верстак Arch, также можно использовать для создания сеток. Обратите внимание, что сетка, используемая для АКЭ, не то же самое что сетка, созданная или импортированная из верстака Mesh.

Вестак FEM вызывает внешний инструмент Gmsh для получения сетки сгенерированной из твердого тела, которое может быть создано в нескольких верстаках FreeCAD; также можно импортировать сетку, созданную внешним приложением

(1) Твердое тело, созданное с помощью PartDesign; (2) сетка, созданная инструментом Gmsh в FEM верстке (все элементы треугольные); и (3) сетка, созданная Gmsh извне, экспортированная в формат Abaqus .inp, а затем импортированная в FreeCAD (все элементы четырехугольные)

The Gmsh and Netgen tools are convenience tools to quickly mesh a body, and thus don't expose the full capabilities of these programs; they normally create triangular meshes, which may not be ideal for some types of analysis. If you'd like to have more control of the created mesh (use only quadrilaterals, precise element number and size, variable resolution of the mesh, etc.), you should use these programs externally, produce a mesh file in a supported format (.inp, .unv, .vtk, .z88), and import this file into FreeCAD.

Previously, Netgen was included with FreeCAD and could be used immediately. Now, both Netgen and Gmsh should be installed before they can be used by the FEM Workbench. Refer to FEM Install for instructions.

Программное обеспечение для разделения тел на сетки конечных элементов

Meshing software operates on solid bodies that can be in different formats, like Step and Brep. These programs can be used independently of FreeCAD, and typically have many options to control the meshing algorithms, element size, and boundary conditions.

The FEM Workbench has developed simple communication interfaces to use Gmsh and Netgen directly inside FreeCAD. Other programs don't have an interface, but this could change in the future if there is interest from the community, and if those applications are easy to integrate. The meshing software can be compiled and distributed together with FreeCAD only if its license is compatible with the LGPL2 license; otherwise, the program has to be used as an external binary, like Gmsh (GPL2) is used.

Встроенные в интерфейс FreeCAD

Gmsh: основной вебсайт, исходный код
Netgen: основной вебсайт, исходный код

Не встроенные в интерфейс FreeCAD

ENigMA, ветка на форуме, исходный код
libMesh, основной вебсайт, исходный код, ветка на форуме; это активный проект, но работает только на C++
PythonOCC, основной вебсайт
SnappyHexMesh, основной вебсайт
Tetgen, основной вебсайт

Поддерживаемые в FreeCAD элементы сетки

FreeCAD supports various element types. The following article explains the difference between them, and when should be used: Meshing Your Geometry: When to Use the Various Element Types.

Импорт и экспорт элементов сетки
Element	Element	FreeCAD API	FreeCAD GUI	med	unv	inp	frd	txt	xml
Med	CalculiX	Python	FEM Mesh	SMESH	IDEAS/FreeCAD	Abaqus/CalculiX	Result Mesh	Z88	FEniCS
Название	Название	создание элементов	просмотр элементов	импорт/экспорт	импорт/экспорт	импорт/экспорт	импорт	импорт/экспорт	импорт/экспорт
seg 2	B31
seg 3	B32							НР
tria 3	S3
tria 6	S6
quad 4	S4
quad 8	S8
tetra 4	C3D4
tetra 10	C3D10
hexa 8	C3D8								() допускается форматом, но не доступно для чтения или записи с помощью FEniCS
hexa 20	C3D20
penta 6	C3D6							?
penta 15	C3D15							?
pyra 5
pyra 13

"НР" означает, что тип элемента Не Реализован в FreeCAD, но формат будет поддерживать его.
означает, что спецификация формата не поддерживает этот тип элемента, поэтому FreeCAD не поддерживает его.
"?" означает, что неизвестно, поддерживает ли формат этот тип элементов.

Типы элементов МКЭ

More information on the elements, and their data structure inside FreeCAD can be found in FEM Element Types.

Сегмент (сегментный элемент)

Треугольный элемент

Четырехугольный элемент

Тетраэдральный элемент

Шестигранный элемент

Пентаэдральный (призматический) элемент

Пирамидальный элемент

Программирование

Create a FEM mesh completely in Python

Смотрите так же: Основы составления скриптов в FreeCAD.

The Python API allows the user to define a finite element mesh by directly adding individual nodes, and defining edges, faces, and volumes.

The mesh itself is of type Fem::FemMesh, which needs to be attached to a proper document object of type Fem::FemMeshObject.

App.ActiveDocument.Mesh_object.TypeId = Fem::FemMeshObject
                              .
                              .
                              .FemMesh.TypeId = Fem::FemMesh

Creating a mesh with one Tet-10 element

Create an empty FemMesh, populate it with nodes, create the volume, and finally call Fem.show() to create the document object with the corresponding mesh.

import FreeCAD, Fem

m = Fem.FemMesh()

m.addNode(0,    1,    0)
m.addNode(0,    0,    1)
m.addNode(1,    0,    0)
m.addNode(0,    0,    0)
m.addNode(0,    0.5,  0.5)
m.addNode(0.5,  0.03, 0.5)
m.addNode(0.5,  0.5,  0.03)
m.addNode(0,    0.5,  0)
m.addNode(0.03, 0,    0.5)
m.addNode(0.5,  0,    0)

m.addVolume([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10])
Fem.show(m)
obj = FreeCAD.ActiveDocument.ActiveObject

If you want to have predefined node and element numbering, pass the appropriate ID to the node and volume methods.

To create an actual document object, instead of Fem.show() you can also use the document addObject() method; then attach the created mesh to this object's FemMesh attribute.

a = Fem.FemMesh()

a.addNode(0,    1,    0,    1)
a.addNode(0,    0,    1,    2)
a.addNode(1,    0,    0,    3)
a.addNode(0,    0,    0,    4)
a.addNode(0,    0.5,  0.5,  5)
a.addNode(0.5,  0.03, 0.5,  6)
a.addNode(0.5,  0.5,  0.03, 7)
a.addNode(0,    0.5,  0,    8)
a.addNode(0.03, 0,    0.5,  9)
a.addNode(0.5,  0,    0,   10)

a.addVolume([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10], 1)
obj_2 = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject")
obj_2.Placement.Base = FreeCAD.Vector(2, 0, 0)
obj_2.FemMesh = a

Visual properties

Once a FemMesh object has been created with Fem.show(), some of its visual properties can be changed by modifying the different attributes of its ViewObject. This can be useful to postprocess the mesh after a finite element solution has been obtained.

Highlight some nodes in the mesh

Fem.show(m)
obj = FreeCAD.ActiveDocument.ActiveObject

obj.ViewObject.HighlightedNodes = [1, 2, 3]

The individual elements of a mesh can be modified by passing a dictionary with the appropriate key:value pairs.

Set volume 1 to red

obj.ViewObject.ElementColor = {1:(1,0,0)}

Set nodes 1, 2 and 3 to a certain color; the faces between the nodes acquire an interpolated color.

obj.ViewObject.NodeColor = {1:(1,0,0), 2:(0,1,0), 3:(0,0,1)}

Displace the nodes 1 and 2 by the magnitude and direction defined by a vector.

obj.ViewObject.NodeDisplacement = {1:FreeCAD.Vector(0,1,0), 2:FreeCAD.Vector(1,0,0)}

Double the factor of the displacement shown. (Note to editors: removed in newer versions?)

obj.ViewObject.animate(2.0)

Scripting examples of each supported element type

Beam, 2 node line, seg2 (linear)

import Fem

seg2 = Fem.FemMesh()
seg2.addNode( 0, 0, 0, 1)
seg2.addNode(10, 0, 0, 2)
seg2.addEdge(1, 2)
print(seg2)

obj = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "seg2")
obj.FemMesh = seg2
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(0, 110, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"

Beam, 3 node line, seg3 (quadratic)

import Fem

seg3 = Fem.FemMesh()
seg3.addNode( 0, 0, 0, 1)
seg3.addNode(10, 0, 0, 2)
seg3.addNode( 5, 0, 0, 3)
seg3.addEdge([1, 2, 3])
print(seg3)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "seg3")
obj.FemMesh = seg3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(30, 110, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"

Shell, 3 node triangle, tria3 (linear)

import Fem

tria3 = Fem.FemMesh()
tria3.addNode( 0,  0, 0, 1)
tria3.addNode( 6, 12, 0, 2)
tria3.addNode(12,  0, 0, 3)
tria3.addFace([1, 2, 3])
print(tria3)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "tria3")
obj.FemMesh = tria3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(0, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Add a face with the element number.

elemtria3 = Fem.FemMesh()
nodes = tria3.Nodes
for n in nodes:
    elemtria3.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemtria3.addFace([1, 2, 3], 88)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemtria3")
obj.FemMesh = elemtria3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(200, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemtria3.Faces)

Shell, 6 node triangle, tria6 (quadratic)

import Fem

tria6 = Fem.FemMesh()
tria6.addNode( 0,  0, 0, 1)
tria6.addNode( 6, 12, 0, 2)
tria6.addNode(12,  0, 0, 3)
tria6.addNode( 3,  6, 0, 4)
tria6.addNode( 9,  6, 0, 5)
tria6.addNode( 6,  0, 0, 6)
tria6.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6])
print(tria6)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "tria6")
obj.FemMesh = tria6
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(30, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Add a face with the element number.

elemtria6 = Fem.FemMesh()
nodes = tria6.Nodes
for n in nodes:
    elemtria6.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemtria6.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemtria6")
obj.FemMesh = elemtria6
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(230, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemtria6.Faces)

Shell, 4 node quadrangle, quad4 (linear)

import Fem

quad4 = Fem.FemMesh()
quad4.addNode( 0, 10, 0, 1)
quad4.addNode(10, 10, 0, 2)
quad4.addNode(10,  0, 0, 3)
quad4.addNode( 0,  0, 0, 4)
quad4.addFace([1, 2, 3, 4])
print(quad4)

obj = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "quad4")
obj.FemMesh = quad4
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(60, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Add a face with the element number.

elemquad4 = Fem.FemMesh()
nodes = quad4.Nodes
for n in nodes:
    elemquad4.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemquad4.addFace([1, 2, 3, 4], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemquad4")
obj.FemMesh = elemquad4
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(260, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemquad4.Faces)

Shell, 8 node quadrangle, quad8 (quadratic)

import Fem

quad8 = Fem.FemMesh()
quad8.addNode( 0, 10, 0, 1)
quad8.addNode(10, 10, 0, 2)
quad8.addNode(10,  0, 0, 3)
quad8.addNode( 0,  0, 0, 4)
quad8.addNode( 5, 10, 0, 5)
quad8.addNode(10,  5, 0, 6)
quad8.addNode( 5,  0, 0, 7)
quad8.addNode( 0,  5, 0, 8)
quad8.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8])
print(quad8)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "quad8")
obj.FemMesh = quad8
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(90, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Add a face with the element number.

elemquad8 = Fem.FemMesh()
nodes = quad8.Nodes
for n in nodes:
    elemquad8.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemquad8.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemquad8")
obj.FemMesh = elemquad8
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(290, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemquad8.Faces)