Software: FEM - Tutorial - FEM-Prozess - Physik

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Definieren physikalischer Eigenschaften

FEMAP-Materialbibliothek

Bevor wir Finite Elemente erzeugen können, müssen wir zuerst das Material definieren (Model - Material):

• Man könnte die Parameter der Material-Eigenschaften direkt eingeben. Günstiger ist sicher die Benutzung einer Materialbibliothek (Load). Wir wählen das Material AISI 4130 Steel und quittieren mit OK.
• Achtung: Die mitgelieferten Materialdaten benutzen die in den USA üblichen Maßeinheiten (in.=2,54cm / lb=453,6g / feet usw.). Insofern sind diese Parameterwerte im deutschen Sprachraum kaum nutzbar! Deshalb quittieren wir die Material-Definition vorläufig mit Cancel.

Nutzereigene Materialbibliothek

Mittels FEMAP ist es relativ einfach, eigene Material-Bibliotheken aufzubauen. Dies sollte man auch konsequent betreiben, um effektiv arbeiten zu können:

• Bibliotheken besitzen den Filetyp .ESP und befinden sich im FEMAP-Programmordner.
• Die für uns unbrauchbare Bibliotheksdatei MATERIAL.ESP wird standardmäßig als Materialbibliothek benutzt, solange kein Verweis auf eine Materialbibliothek in der Datei FEMAP.INI eingetragen ist.
• Nach dem Öffnen mit einem ASCII-Texteditor zeigt sich in dieser Datei die folgende Struktur. Darin sind die Maßeinheiten nur Kommentare und werden von FEMAP nicht berücksichtigt. FEMAP hantiert nur mit den Zahlenwerten selbst:

FEMAP Version 6 Material Library
$ Default Material Library for FEMAP v4.3 Notes:
$ Units are as follows:
$ E - #/in^2 (# == lbf)
$ G - #/in^2
$ nu - dimensionless
$ a - Alpha - Expansion Coefficient - in/in/degF
$ k - Conductivity - Btu/(sec*in^2*degF/in)
$ Cp - Specific Heat - Btu/(#s^2/in)/degF = Btu/(lbm*degF)/386.4 
$ Stress Limits - #/in^2
$ Mass Density - #*sec^2/in^4 = lbm/in^3/386.4
$ Reference Temperature - degF
$COM 0 4.3 AISI 4340 Steel
-1
401
0,104,0,1,0,
AISI 4340 Steel
29000000.,29000000.,29000000.,
0.,0.,0.,
0.32,0.32,0.32,
41498316.,19528620.,19528620.,0.,0.,
0.,41498316.,19528620.,0.,0.,
0.,41498316.,0.,0.,0.,
11000000.,0.,0.,11000000.,0.,
11000000.,
32308378.,10338681.,0.,32308378.,0.,
11000000.,
0.0000066,0.,0.,0.0000066,0.,
0.0000066,
0.000486111,0.,0.,0.000486111,0.,
0.000486111,
38.64,0.000733145,0.,70.,
215000.,215000.,240000.,240000.,156000.,
-1
:

Man könnte anhand dieser Struktur eine eigene Materialbibliothek mit SI-Einheiten aufbauen:

• Zum Glück wurde mit der FEMAP-Version 9.3 auch eine Materialdatei mit SI-Einheiten bereitgestellt (mat_eng_SI.esp):

FEMAP Version 9.3 Material Library
$ Engineering Materials Library for FEMAP v10.1 in Metric Units
$ Notes:
$ Units are as follows:
$ E - Pa (N/m^2)
$ G - Pa
$ nu - dimensionless
$ a - Alpha - Expansion Coefficient - m/m/degC
$ k - Conductivity - Watt/m-degK
$ Cp - Specific Heat - J/Kg-degK
$ Stress Limits - Pa
$ Mass Density - Kg/m^3
$ Reference Temperature - degK (ACHTUNG: hier fehlt in Originaldatei der Zeilenumbruch!)
$COM     0 10.1     16-25-6 Stainless Steel
  -1
  601
0,-601,104,0,0,1,0,
16-25-6 Stainless Steel
10,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
25,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,
200,
194432232000.,194432232000.,194432232000.,0.,0.,0.,0.295,0.295,0.295,37444204.,
15668142.,15668142.,0.,0.,0.,37444204.,15668142.,0.,0.,0.,
37444204.,0.,0.,0.,10888031.,0.,0.,10888031.,0.,10888031.,
30888031.,9111969.1,0.,30888031.,0.,10888031.,0.00001692,0.,0.,0.00001692,
0.,0.00001692,25.85,0.,0.,25.85,0.,25.85,0.,8054.8981,
0.,294.25,772213120.,772213120.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,
50,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
70,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  -1

Achtung:
Beim Speichern z.B. mit Notepad.exe muss man den Dateityp von Textdateien (*.TXT) auf "Alle Dateien", umschalten. Ansonsten wird ".TXT" angehängt und FEMAP kann diese Bibliothek nicht lesen!

• Wir speichern die Datei z.B. als STOFFE.ESP in den Gleichen Ordner, in welchem sich unser FEM-Modell befindet.
• Günstig ist ein neuer Name, um Verwechslungen mit der alten Materialbibliothek auszuschließen!
• Wir geben nun im Dialog als (Model - Material) die Werte von Stahl C35 ein:
  

E-Modul = 202E9 N/m² 
Querkontraktionszahl = 0,32 
Linearer Ausdehnungskoeff.=11,2E-6 /K 
Spez. Wärmeleitfähigkeit=50,4 J/(m*K) 
Spezifische Wärme=460 J/(kg*K) 
Massedichte=7840 kg/m³ 
Bezugstemperatur=20 °C 

• Wenn wir jetzt die Materialdaten speichern (mittels Save... ), so würde dies in der alten Bibliothek landen (da diese als Standardbibliothek im PC-Pool eingestellt ist). Deshalb drücken wir zuerst Load... und wählen mit Choose Library... unsere neue Bibliotheksdatei STOFFE.ESP. Danach können wir die Material-Daten speichern (Save...).

• Achtung: Falls wir in unseren Daten nachträglich einen Fehler bemerken, korrigieren und den Datensatz erneut in die Materialbibliothek speichern, wird der alte Datensatz nicht überschrieben. Der neue Datensatz wird unter gleichem Namen hinten an die Datei angefügt. Wir müssen den alten Datensatz also von Hand mit dem Editor löschen!
• Den Speicherort sämtlicher Bibliotheken kann man über (File - Preferences - Libraries) festlegen:
  

Elementeigenschaften des Modells

Elementeigenschaften (element properties) werden benutzt, um den Finiten Elementen in unserem Modell physikalische Eigenschaften zuzuweisen (z.B. die Dicke, Massen und Trägheitsmomente, Material).

Wir werden unsere Platte als 2D-Modell aufbauen, d.h. wir verwenden 1 Lage von Flächen-Elementen. Für diese Flächen-Elemente müssen wir zuvor die Element-Eigenschaft (Property) definieren. Das entspricht z.B. der Type-Definition in Programmiersprachen.

Je nach Art der Freiheitsgrade unterscheidet man vom Modellansatz her drei Typen von Flächen-Elementen:

• Platten-Element
  
  • kann nur Belastungen senkrecht zu seiner Ebene aufnehmen,
  • es entstehen Biegespannungen und Schubspannungen
• Membran-Element
  • kann nur Belastungen in der Membran-Ebene aufnehmen,
  • kann kein Biegemoment aufnehmen,
  • kann auch gekrümmt sein
  • Scheiben sind Membranen ohne Krümmung
• Schalen-Element
  • kann beliebige Belastungen aufnehmen,
  • stellt eine Kombination von Platte und Membran dar.

• Die Schnittstelle in FEMAP zum verwendeten MEANS-Solver unterstützt Membran-und Plate-Elemente. Da wir den Blechstreifen nur in der Ebene mit einer Zugkraft belasten und er sich dabei nicht krümmt, könnte man Scheiben-Elemente verwenden, die jedoch hier als separate Elemente nicht unterstützt werden. Wir benutzen demzufolge Membran-Elemente.
• Mittels (Model - Property) gelangen wir in den zugehörigen Dialog, dabei wird auf Grund der vorhandenen Flächengeometrie erkannt, dass man wahrscheinlich Flächenelemente benötigt. Wir wählen aus der Menge der von FEMAP unterstützten Elem/Property Type die Membrane (ohne weitere Spezifizierung):

• Der Titel für die Property ist frei wählbar (z.B. BlechC35mm). Wir wählen den Stahl C35 als Material. Zusätzlich geben wir die Dicke der Platte mit 3 mm an.
• Wir erstellen die Elementeigenschaft mit OK und verlassen dann den Dialog.

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