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.

Hinweis für Teilnehmer der LV im PC-Pool:

• Bei jeder Nutzeranmeldung werden automatisch folgende Aktionen durchgeführt:
  • Erstellen eines Ordners FEMAP in "Eigene Dateien" (wenn noch nicht existent).
  • Kopieren einer eventuellen eigenen FEMAP.INI aus diesem FEMAP-Ordner in den FEMAP-Programmordner F:\PROGRAMME\FEMAP91 bzw. Generierung einer "jungfräulichen" FEMAP.INI
  • Die FEMAP.INI-Datei enthält Verweise auf MATERIAL.ESP und PROPERTY.ESP in "Eigene Dateien\FEMAP"
  • Falls keine eigenen Dateien MATERIAL.ESP bzw. PROPERTY.ESP existieren, werden diese aus dem Programm-Ordner dorthin kopiert.
• Beim Start von FEMAP wird ein Script aktiviert, welches folgende Aktionen ausführt:
  • Kopieren einer eigenen FEMAP.INI-Datei in den Programm-Ordner.
  • Ausführen des FEMAP-Programms.
  • Sichern der FEMAP.INI-Datei aus dem Programm-Ordner in "Eigenen Dateien\FEMAP".

Bibliotheken besitzen den Filetyp .ESP. Wir öffnen MATERIAL.ESP mit dem Windows-Editor NOTEPAD.EXE (Teilnehmer der LV im PC-Pool unter "Eigene Dateien\FEMAP\"):

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
:

• Keine Angst! Wir müssen die Werte unserer Materialien nicht von Hand in die Datei eintragen. Wir werden nur den Datei-Kopf als Vorlage für unsere eigene Bibliothek verwenden, damit wir später noch wissen, was die Zahlen bedeuten.
• Die Maßeinheiten sind nur Kommentare und werden von FEMAP nicht berücksichtigt. FEMAP hantiert nur mit den Zahlenwerten selbst. Trotzdem sollte man systematisch die SI-Einheiten eintragen. Die Materialien selbst können wir alle Löschen:

FEMAP Version 6 Material Library
$ Default Material Library for FEMAP v4.3 Notes:
$ Units are as follows:
$ E - N/m^2
$ G - N/m^2
$ nu - dimensionless
$ a - Alpha - Expansion Coefficient - m/m/K
$ k - Conductivity - J/m/K (therm.Leitfaehig.)
$ Cp - Specific Heat - J/kg/K (spez.Waerme)
$ Stress Limits - N/m^2
$ Mass Density - kg/m^3
$ Reference Temperature - °C

• Achtung: Beim Speichern 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 (im PC-Pool in "Eigene Dateien\FEMAP\"- 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. Die Fehlermeldung wegen der leeren Bibliothek können wir mit 'OK' quittieren und dann mit Cancel den Load-Dialog verlassen. 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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