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

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CAD-Modell in ein FEM-Programm übertragen

(Diese Seite wird zur Zeit überarbeitet!)

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 muss 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.

Das FEM-Programm Z88Aurora stellt keine eigene Maßeinheiten-Verwaltung bereit, sondern man muss selbst dafür Sorge tragen, dass alle Zahlen-Werte zu den realen Maßeinheiten passen:

• So wäre es prinzipiell am einfachsten, SI-Einheiten zu verwenden, um sich alle Umrechnungen zu ersparen.
• Ursprünglich sollten deshalb im Rahmen dieser Übungen im FEM-Programm SI-Einheiten verwendet werden.
• Leider kommt das Z88Aurora-Programm nicht mit kleinen Geometrie-Werten im Bereich von 1e-3 [m] zurecht! Ein nicht vom Nutzer konfigurierbares Abbruchkriterium interpretiert sehr kleine positive Werte in der sogenannten Jacobi-Matrix als "Null", weil eine Null-Schranke in der Größenordnung von ca. e-6 bis e-7 verwendet wird.
• Das bedeutet, wir müssen beim Export des CAD-Modells die aktuell verwendete Längen-Einheit auf Millimeter [mm] verwenden.
• Über MFL > Extras > Dokumenteinstellungen > Einheiten kann man die aktuell eingestellte Einheit überprüfen:
  

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.
2. STL:
   • Ebenso wie STEP ist das 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.
   • Das STL-Format sollte man nur nutzen, wenn die Weiterverarbeitung des STEP-Formats aus nicht behebbaren Ursachen im FEM-Programm scheitert.

In Autodesk Inventor kommt man über Datei > Exportieren > CAD-Format in den Dialog zur Konfiguration der zu speichernden Datei:

• Wir wählen den Dateityp STEP-Datei und vergeben den Dateinamen Lasche_xx.stp:
  
• Über den Button "Optionen" erhält man die Möglichkeit, eine optimale Konfiguration für das Export-Modell vorzunehmen:
  1. Dies betrifft zum zuerst die Wahl des Anwendungsprotokolls.
  2. Wichtig ist dann die Festlegung, wie weit sich die nachgebildete Spline-basierte Oberfläche der STEP-Datei von der idealen Nennwert-Oberfläche des Bauteils abweichen darf. Hierbei sollte man sich an den real bei der Fertigung auftretenden Toleranzen orientieren und davon ungefähr 1/10 des Wertes anstreben. Mit einer Abweichung von max. 1 µm von der idealen Kontur liegt man im Beispiel nicht falsch.

Nach dem Speichern der STEP-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.
• Den vorhandenen CAD-Projekt-Ordner "2D-Mechanik_xx" können wir dafür nichtverwenden, 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 STEP-Datei "Lasche_xx.stp" bildet die Grundlage für die Erstellung des FEM-Modells:

• Datei > Import > Geometrie (*.STP, *.STEP) öffnet die aktuelle FEM-Projektmappe. Wir wechseln in den Ordner des CAD-Projektes, wählen dort Lasche_xx.stp 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 gelangt man in die sogenannte Materialdatenbank, in welcher sich bereits über 50 übliche Standard-Materialien befinden und zu der man neue Materialien hinzufügen kann:
  
• Das obere Feld zeigt, dass unserem Modell noch keine Material-Parameter zugewiesen wurden.
• In der Material-Liste der Datenbank fällt anhand der Kommentare als erstes auf, dass die vorhandenen Material-Parameter das Einheitensystem N/mm/t benutzen (z.B. Dichtewerte sind also in Tonnen pro mm³ angegeben).
• Da wir innerhalb der Übung jedoch konsequent mit SI-Einheiten arbeiten werden, müssten wir schon aus diesem Grund neue Material-Parametersätze definieren. Außerdem sollen im Sinne der Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen aus der Belastungsanalyse mittels Autodesk Inventor im FEM-Programm exakt die gleichen Material-Parameter verwendet werden.
• Nach Betätigen des Button "+ Hinzufügen" öffnet sich der Material-Editor für ein neues Material:
  1. Unter den allgemeinen Angaben sollte man sinnvolle Begriffe für Name (Materialklasse) und Bezeichner (Spezifikation des konkreten Werkstoffs) eintragen.
     Der Kommentar sollte das verwendete Einheitensystem beschreiben.
     Mittels seiner Werkstoff-Nummer kann ein Werkstoff bei Bedarf eindeutig bezeichnet werden. Wir lassen dieses Feld frei.
  2. Von den Materialeigenschaften müssen wir nur diejenigen Parameter angeben, welche unser FEM-Modell für lineare Festigkeitsberechnungen benötigt:
     • E-Modul = 202 GPa = 202e9 N/m²
     • Dichte = 7,84 g/cm³ = 7840 kg/m³ (Wert wegen der Vollständigkeit, aber nicht erforderlich!)
     • Querkontraktion = 0.32 (Wichtig: in Z88Aurora Punkt statt Komma in Zahlen!)
• Nach dem Quittieren der Eingabe mittels OK erscheint ein neues Material am Ende der Liste. Dabei erfolgt eine automatische Zählung und es wird im Beispiel Nr.=53 vergeben.
• Nach Auswahl des neu hinzugefügten Materials kann man es dem FEM-Modell hinzufügen (mit der Option "alle Elemente"):
  
• Innerhalb des Modells erhält das Material die Nr.1 (entspricht dem "Zähler", wie oft der Zuweisen-Button für dieses Modell bereits betätigt wurde).
• Im Modell werden nur die als aktiv markierten Materialien verwendet.

Die Materialdatenbank können wir nach der Zuweisung der benötigten Material-Parameter schließen.

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