Software: FEM - Tutorial - 2D-Bauteil - Modelltransfer

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CAD-Modell in ein FEM-Programm übertragen

Export des CAD-Modells

Nach dem "Fertigstellen der Analyse" in der CAD-Umgebung "Belastungsanalyse" befinden wir uns wieder in der "normalen" CAD-Modellumgebung des Autodesk Inventor:

• Hier sollte man den aktuellen Zustand des CAD-Modells speichern.
• Die Inventor-Bauteildatei Lasche_xx.ipt und der gleichnamige Ordner Lasche_xx enthalten die aktuellen Konfigurationen und Daten der Belastungsanalyse. Daraus ergibt sich eine Gesamtgröße von ca. 50 MByte.

Beim Export eines CAD-Modells für die weitere Verwendung in einem FEM-Programm sollte man auf das verwendete Maßsystem achten:

• Unser Geometrie-Modell der Lasche verwendet im Inventor-Format .ipt die Längeneinheit Millimeter [mm].
• Beim Export dieses CAD-Modells über ein CAD-Austauschformat wird die aktuell eingestellte Längen-Einheit benutzt.
• Im Rahmen dieser Übungen werden wir im FEM-Programm die Verwendung von SI-Einheiten anstreben. Das bedeutet, vor dem Export des CAD-Modells müssen wir die aktuell verwendete Längen-Einheit auf Meter [m] ändern.
• Über MFL > Extras > Dokumenteinstellungen > Einheiten schalten wir die Länge auf Meter um.
  
• Wichtig: Nach Änderung der Längen-Einheit sollte man das CAD-Modell nicht mehr speichern, weil dies Auswirkungen z.B. auch auf eventuelle Zeichnungsdateien hat!

Für den Import von CAD-Modellen existieren im FEM-Programm Z88Aurora Eingabe-Konverter für zwei unterschiedliche CAD-Austausch-Formate:

1. STEP:
   • Für die Übertragung von CAD-Modellen zwischen verschiedenen Programmen hat sich das sogenannte STEP-Format bewährt (STandard for the Exchange of Product model data).
   • Dabei kommen meist die Anwendungsprotokolle AP203 oder AP214 zum Einsatz, wobei AP214 praktisch eine Erweiterung des AP203 darstellt. Falls es technisch möglich ist, sollte man deshalb das AP214 benutzen, weil damit mehr Aspekte des CAD-Modells übertragen werden können.
   • STEP kann die Oberfläche eines Bauteils mittels Bézierkurven oder Splines sehr genau beschreiben. Den Grad der Genauigkeit kann man beim Export einstellen.
   • Leider ist es nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich, nach dem Import einer aus Autodesk Inventor exportierten STEP-Datei ein Geometrie-Modell in der Längen-Einheit "Meter" in Z88Aurora zu erhalten.
   • Unabhängig von der im Autodesk Inventor aktuell gewählten Längen-Einheit, welche nachprüfbar in die STEP-Datei übernommen wird, entsteht ein Geometrie-Modell mit der Längen-Einheit "Millimeter"!
2. STL:
   • Ebenso wie STEP ist STL-Format (Surface Tesselation Language) ein standardisiertes Austauschformat.
   • STL stellt immer eine Diskretisierung des Bauteils dar, d. h. alle Flächen werden in gradlinig umrandete Dreiecke unterteilt. Dadurch kommt es vor allem an Rundungen oder Bohrungen zu einem Genauigkeitsverlust. Beim Export kann man den Grad der Genauigkeit einstellen.
   • In Autodesk Inventor kommt man über Datei > Exportieren > CAD-Format in den Dialog zur Konfiguration der zu speichernden Datei.
   • Wir wählen den Dateityp STL-Datei und vergeben den Dateinamen Lasche_xx.stl:
     
   • Über den Button "Vorschau" erhält man die Möglichkeit, anhand einer grafischen Darstellung der aktuellen Diskretisierung eine optimale Einstellung der Export-Optionen vorzunehmen:
     
   • Nach dem "Facettenkanten anzeigen" in der STL-Vorschau erkennt man, dass die "eckigen" Rundungen aus einem sehr groben Dreiecksnetz resultieren. Die Standard-Auflösung BREP ist viel zu grob.
   • Wichtig:
     • Bevor wir unterschiedliche Auflösungen testen, wählen wir Meter aus der Liste der verfügbaren Einheiten. Die Längeneinheit "Meter" kommt jedoch nur zur Wirkung, wenn zuvor in den Dokument-Einstellungen wie beschrieben die Längen-Einheit "Meter" gewählt wurde!
     • Wir wählen das ASCII-Format, um bei Bedarf die STL-Daten als Text analysieren zu können.
   • Mittels der vorkonfigurierten Parametersätze "niedrig", "mittel" und "hoch" erreicht man nur eine Verfeinerung der bereits erzeugten Vernetzungsstruktur.
   • Das STL-Dreiecksnetz kann als Grundlage für die Generierung der Finite-Elemente-Netze dienen. Hierfür sind die extrem spitzen Dreiecke natürlich ziemlich ungeeignet!
   • Bei hinreichender Genauigkeit der Nachbildung krummer Flächen- und Kanten sollten die Dreiecksnetze bereits einer günstigen globalen Finite-Elemente-Vernetzung entsprechen. Das erreicht man nur mit einer benutzerdefinierten Konfiguration der Auflösung:
   • Es stehen hierfür im Autodesk Inventor vier Parameter als "Stellschrauben" zur Verfügung:
     1. Flächenabweichung = 0,01 %: ist etwas besser als "mittel" - legt den max. Abstand zwischen den Dreieckskanten und dem zugehörigen realen Flächenelement fest (wirkt nur auf gekrümmten Flächen).
     2. Normalenabweichung = 10: entspricht dem Wert von "hoch" - bestimmt den max. Winkel zwischen den Normalenvektoren der Dreiecke (wirkt nur auf gekrümmten Flächen).
     3. Max. Kantenlänge = 2,5 %: Dreieckskante in Bezug auf die größte Abmessung des Bauteils - Hier sollte man sich an der kürzesten geraden Kante des Modells orientieren und mit diesem Wert beginnen (Dicke≈2,5% der größten Länge)
     4. Seitenverhältnis = 1: Verhältnis zwischen Höhe und Breite der Dreiecke - es sollten "möglichst" gleichseitige Dreiecke entstehen.
   • Mit den gewählten Parametern wird bereits ein relativ gleichmäßiges Netz entstehen:
     
   • Allerdings sollte man alle gekrümmten Kanten gründlich überprüfen. Dort wird man u.U. noch einige extrem schmale Dreiecke entdecken (im obigen Bild gelb markiert).
   • Im Beispiel half eine vorsichtige, schrittweise Erhöhung des Wertes für die max. Kantenlänge auf 5%, um das Netz in dieser Hinsicht zu verbessern:
     
   • Kriterium ist dabei ein harmonischer Übergang zwischen den gekrümmten Kanten und dem globalen Netz mit möglichst nicht zu spitzen Dreiecken.
   • Im Beispiel bleiben dabei immer einige sehr schlanke Dreiecke erhalten. Diesen Umstand müssen wir dann bei der Generierung des Finite-Elemente-Netzes im FEM-Programm entsprechend berücksichtigen.

Nach dem Speichern der STL-Datei beenden wir den Autodesk Inventor. Im Weiteren nutzen wir das FEM-Programm Z88Aurora, um den FEM-Prozess am Beispiel der Lasche vertiefend zu behandeln.

Import des CAD-Modells in das FEM-Programm

Wir starten das FEM-Programm Z88Aurora. Dieses arbeitet wie das CAD-Programm Autodesk Inventor Projekt-orientiert:

• Für jedes Projekt wird ein Ordner als "Projekt-Mappe" benutzt.
• Leider kann der vorhandene CAD-Projekt-Ordner "2D-Mechanik_xx" dafür nicht ohne Tricks genutzt werden, weil beim Anlegen einer neuen Projekt-Mappe ein leerer Ordner gefordert wird.
  
• Nach Datei > Neu öffnet sich der Dialog zur Spezifizierung eines neuen leeren Ordners.
• Dabei sollte man die Dateinamens-Restriktionen des Programms beachten und z.B. direkt in der Wurzel eines Laufwerks einen Ordner anlegen.
• Diesen nennen wir im Rahmen der FEM-Übung "2D-Mechanik-xx" (mit xx=Teilnehmernummer) und wählen Ihn dann per Doppelklick aus.
• Danach bestätigen wir per OK die Auswahl dieses leeren Ordners
• Z88Aurora speichert dann in diese "Projektmappe" einige Konfigurationsdateien und der Ordner wird als aktuelles Arbeitsverzeichnis in der Statuszeile des Programms angezeigt.

Die aus dem Autodesk Inventor exportierte STL-Datei "Lasche_xx.stl" bildet die Grundlage für die Erstellung des FEM-Modells:

• Datei > Import > STL-Dateien (*.STL) öffnet die aktuelle FEM-Projektmappe. Wir wechseln in den Ordner des CAD-Projektes, wählen dort Lasche_xx.stl aus und bestätigen die Auswahl mit OK.
• In der Registerkarte der 3D-Darstellung erscheint dann im Arbeitsbereich die Lasche in einer schattierten Ansicht von oben.

Ergaenzen verlorener Modell-Parameter (Material)

Die Übertragung der Geometrie aus dem CAD-Modell in ein FEM-Programm funktioniert bei Beachtung bestimmter Besonderheiten zuverlässig. Allerdings gelang es nicht, die bereits im CAD-Modell vorhandenen Material-Kennwerte mittels eines CAD-Austausch-Formates in Z88Aurora zu überführen.

Die fehlenden Material-Parameter müssen wir deshalb manuell ergänzen:

• Über den Menüpunkt Praeprozessor > Materialdatenbank .....

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