Software: FEM - Tutorial - Elektrisches Flussfeld - Dimensionierung

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Manuelle Fein-Dimensionierung in FEMAP

(Simulation des getrimmten Widerstands)

Script-Modelle in FEMAP

Auch im FEMAP besteht die Möglichkeit, den kompletten FEM-Prozess auf der Basis einer Script-Datei ablaufen zu lassen. Zwar könnte man dieses Script prinzipiell auch direkt in einem Text-Editor schreiben. Das wird sich jedoch kaum jemand antun wollen, da die Syntax der einzelnen Befehle doch ziemlich komplex ist.

In FEMAP wird man zur Erzeugung einer Script-Datei die Aufzeichnung aller auf der grafischen Oberfläche aufgeführten Befehle im Sinne eines Makro-Recorders nutzen. Die zugehörige Funktion findet man unter (Tools - Program File):

• Die Aktivierung dieser Funktion führt zum Öffen eines eigenen Tool-Windows. Innerhalb dieses Fensters kann man die aufgezeichneten Kommandos beliebig editieren. Über die Tool-Button kann man die Aufzeichnung und Abarbeitung der Kommando-Sequenz steuern. Das Script kann als .PRG-File gespeichert werden.
• Möchte man ein vollständig parametrisiertes Modell als Program File erzeugen, so muss man konsequent mit einer leeren Modell-Datei beginnen. Nach der Definition aller erforderlichen Parameter (Tools - Variables) kann man diese dann in allen folgenden Schritten verwenden (Einrichten der Arbeitsfläche, Geometrie defineren, ...).
• Bei der Definition der Variablen kann man über einen Formel-Editor alle Abhängigkeiten zwischen den Variablen berücksichtigen.
• Die Komplexität des entstehenden Scriptes kann man aus dem folgenden Bild erahnen:
  

Die Möglichkeit von Script-Modellen auf der Basis eines Program File werden wir im FEMAP im Rahmen der Übungen nicht nutzen:

• Die erforderlichen Konzepte können am Beispiel des LUA-Scripting im FEMM-Programm einfacher vermittelt werden.
• Innerhalb des FEMAP konzentrieren wir uns auf Grundlagen der FE-Netze.

Achtung:

Falls man diese Script-Funktion ausprobiert hat, so sollte man das zugehörige Modell schließen, bevor man weiter an der eigentlichen Übungsaufgabe arbeitet!

Modellierung des P-Schnitts

Aus dem Modell-File Ru_xx.MOD des ungetrimmten Widerstands erzeugen wir eine Kopie Rn_xx.MOD für die Simulation des Trimmvorgangs (xx=Teilnehmer-Nr.).

Die Modellierung des Lasertrimmens ist vom Prinzip her sehr anschaulich:

• Am realen Widerstand wird Pasten-Material weggebrannt.
• Im FE-Modell wird anstatt des Materials innerhalb der Schnittgeometrie das FE-Netz entfernt, so dass innerhalb des Schnittes kein elektrischer Strom fließen kann.
• Das "Trimmen" bewegt sich beim "manuellen Modellieren" auf dem Niveau des Löschens einzelner Elemente zur Vergrößerung des Schnitts und der Korrektur von Knoten-Positionen zur Nachbildung der exakten Schnittgeometrie.

Achtung: In dieser Übung werden wir ebenfalls nur QUAD-Elemente im FEMAP-Modell verwenden, um das Prinzip der Netzverfeinerung mit diesen Elementen zu verinnerlichen!

Es sollte wie beim realen Trimmen mit der Simulation dieses Kerbschnitts begonnen werden:

• Wir korrigieren die Knoten-Positionen entlang des P-Schnitts, so dass diese bis zum Knickpunkt exakt auf der Schnittkante liegen:
  • Um beliebig viele Knoten gemeinsam um eine gewünschte Strecke zu verschieben, bietet sich der Befehl (Modify - Move - By - Nodes) an.
  • Der Verschiebungsvektor wird durch seine Basis und seine Spitze definiert. Für beides kann man zuerst einen beliebigen Knoten der zu verschiebende Knoten-Menge wählen. Danach ersetzt man im Beispiel die X-Richtung durch die gewünschte Endposition:
    
• Da wir einmal so dabei sind - korrigieren wir auch gleich die Knoten-Positionen entlang der gedachten oberen Kante des L-Schnitts:
  
• Die berechneten Ergebnisse dürfen sich trotz der Netzverzerrung nur unwesentlich von denen mit gleichmäßiger Vernetzung unterscheiden, weil der Schnitt im Netz dadurch noch nicht existiert!
• Die Verwendung der Mittenknoten im Means-Solver wird hierbei nur zu unmerklich genaueren Ergebnissen führen (Schnittlinie im Bild angedeutet):
  
• Wir löschen dann die Elemente rechts von der P-Schnittkante:
  
• Mit dem obigen Netz wird die sofortige Ausweitung des Strompfades direkt hinter dem Schnitt verhindert. Deshalb bilden wir den P-Schnitt von 25 µm Breite exakt nach:
  • Die Lücke im Netz ist bis auf eine Breite von 25 µm zu schließen.
  • Dafür sollte man nur Operationen verwenden, welche auf beliebig große Mengen von Elementen anwendbar sind. Das Definieren zusätzlicher einzelner Knoten (Model - Node) und deren Nutzung bei der Definition einzelner Elemente (Model - Element) verbietet sich also, obwohl dass in unserem Beispiel noch beherrschbar wäre.
  • Wir können hier die Knoten auf der rechten Seite der Lücke mittels (Modify - Move - By - Nodes) bis auf 25 µm an die linke Seite verschieben:
    

Mit der Berücksichtigung der exakten Geometrie des P-Schnittes ändert sich der berechnete Widerstandswert merklich:

• Die Stellen des Netzes mit den größten Potential-Gradienten sollten am feinsten vernetzt werden. Im Beispiel ist dies der Bereich am Ende des P-Schnittes.
• Wie groß der Fehler infolge unzureichender Vernetzungsdichte ist, kann man nur durch die Verfeinerung des Netzes an den kritischen Stellen abschätzen.
• Die erforderliche Verfeinerung des Netzes werden wir jedoch erst nach dem Einbringen des L-Schnittes vornehmen.

Modellierung des L-Schnitts

Ausgehend vom Endpunkt des P-Schnitts modellieren wir in erster Näherung den L-Schnitt, indem wir unterhalb der Schnittkante Elemente löschen:

• Wir gehen schrittweise vor und überprüfen dabei den resultierenden Widerstand.
• Es müssen so viele Elemente entfernt werden, bis der Sollwiderstand R_Soll=240 Ω gerade überschritten ist:
  
• Im konkreten Fall ist das natürlich infolge des extrem breiten Schnittes sicher nicht sehr genau. Insbesondere wird auch hier der Strom am Ende des L-Schnitts durch die fehlenden Elemente im Modell daran gehindert, sich korrekt über die gesamte Breite des Widerstands zu entfalten.
• Deshalb soll nun durch Verschiebung von Knoten auch der L-Schnitt selbst mit seiner Breite von 25 µm modelliert werden. Dabei müsste sich der berechnete Widerstandswert verringern:
  
• Sowohl die Größe der Elemente, als auch teilweise ihre Form ist unterhalb des L-Schnittes noch ungünstig.
• Wir zerteilen einzelne Elemente in mehrere kleinere mittels (Mesh - Editing - Interactive):
  

Hinweise:

• Für die Netzverfeinerung nur mit QUAD-Elementen am Ende eines Einschnittes gibt es ein einfaches Schema:
  
• Beim Splitten von Elementen muss man beachten, dass jeder Knoten nur als Eckpunkt von Elementen genutzt wird.
• Liegt ein Knoten auf der Kante eines Elements, so existiert an dieser Stelle ein Schlitz im Netz, den das Potentialfeld nicht durchdringen kann!

Aufgrund der ungünstiges Netzstruktur am Schnittende, ließ sich obiges ideales Schema zur Netzverfeinerung im Beispiel nicht konsequent anwenden:

===>>> Hier geht es bald weiter !!!

Im Folgenden soll ein Schema geübt werden, wie man Quad-Elemente an Ecken des Netzes in kleinere Quad-Elemente splitten kann:

• Wir unterteilen die Elemente am Schnittende in jeweils 3 Elemente.
• Durch Aktivieren der Merge-Funktion werden beim Splitten der Elemente die koinzidenten Knoten sofort zusammengefasst.
• Die Richtung des Splittens eines Elements steuert man durch die Position des Cursors innerhalb Elements.

===>>> Hier geht es bald weiter !!!

Anleitung vom letzten Jahr siehe:

http://www.ifte.de/lehre/cae/fem/04_elektrofluss/fem_l-schnitt_femap.html

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