Software: FEM - Tutorial - Software: Unterschied zwischen den Versionen

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<div align="center"> '''Verwendete Software''' </div>
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Bei der Auswahl der für die Übung genutzten Software wurden folgende Aspekte berücksichtigt:
Bei der Auswahl der für die Übung genutzten Software wurden folgende Aspekte berücksichtigt:
# Transparenz der FEM-Prozesses für den Nutzer.  
# Transparenz des FEM-Prozesses für den Nutzer.  
# FEM-Fachsprach-Niveau für die Begriffe auf der Benutzeroberfläche.  
# FEM-Fachsprach-Niveau für die Begriffe auf der Benutzeroberfläche.  
# Reproduzierbarkeit der typischen Fehlermöglichkeiten bei der FEM-Anwendung.
# Reproduzierbarkeit der typischen Fehlermöglichkeiten bei der FEM-Anwendung.
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# Beschaffung und Nutzung der Software von allen Interessenten ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.
# Beschaffung und Nutzung der Software von allen Interessenten ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.


Die Wahl fiel nach einigen Recherchen auf eine CAD-Suite, ein 2D-FEM-Programm sowie ein Analyse- und Optimierungstool. Dieser Umfang gewährleistet eine praxisrelevante Einführung in die vielen Facetten der FEM-Anwendung.
Die Wahl fiel nach einigen Recherchen auf ein [https://de.wikipedia.org/wiki/Rechnergestützte_Entwicklung '''3D-CAE-System'''], ein '''3D-CAD-Programm''', zwei '''FEM-Programme''' (Struktur-Mechanik  bzw. elektro-magnetische Felder)  sowie ein '''Analyse- und Optimierungstool'''. Dieser Umfang gewährleistet eine praxisrelevante Einführung in die vielen Facetten der FEM-Anwendung.


[https://www.autodesk.de/products/fusion-360/overview '''Autodesk Fusion 360''']:


[http://www.autodesk.de/products/inventor/features/all/gallery-view '''Autodesk Inventor''']:
''Autodesk'' bemüht sich mit großem Aufwand um einen engen Kontakt zum Ingenieurnachwuchs. Schüler und Studenten können kostenlos auf eine breite Produktpalette zugreifen. Voraussetzung ist eine Registrierung bei Internetportal [https://www.autodesk.com/education/home ''www.autodesk.com/education''].
* Seit einigen Jahren bemüht sich Autodesk mit großem Aufwand um einen engen Kontakt zum Ingenieurnachwuchs. Schüler und Studenten können kostenlos auf eine breite Produktpalette zugreifen. Voraussetzung ist eine Registrierung bei Internetportal [https://www.autodesk.com/education/free-software/inventor-professional ''www.autodesk.com/education''].
* Das CAD-System ''Autodesk Inventor'' enthält selbst einen FEM-Modul zur mechanischen Belastungsanalyse bereit. So können auf Basis der erstellten CAD-Modelle bereits recht anspruchsvolle Finite Elemente Simulationen durchgeführt werden. Diese beschränken sich jedoch auf lineare, statische Analysen. Ungünstig für die Lehre ist hierbei der fehlende direkte Zugriff zum eigentlichen Finite Elemente Modell.
* Im Rahmen dieser Übungen wird ''Autodesk Inventor'' vor allem zur Erzeugung von CAD-Modellen genutzt, welche dann in externes FEM-Programm importiert werden können. 
* Die für die Erstellung der CAD-Modelle mit ''Autodesk Inventor'' erforderlichen Bearbeitungsschritte werden im Rahmen des FEM-Tutorials detailliert beschrieben. Vorkenntnisse zu diesem CAD-System sind hierfür nicht erforderlich.


 
'''Autodesk Fusion 360''' ist seit einigen Jahren der Versuch von ''Autodesk'', eine möglichst umfassende, aber einheitliche Plattform für den Konstruktionsprozess von ersten Designstudien bis zur rechnerunterstützten Fertigung zu entwickeln. Da das System diesen Anspruch erhebt, allumfassend den Konstruktionsprozess zu unterstützen, wählte man die Zahl '''360''' im Sinne von 360°:
[https://z88.de/z88aurora/ '''Z88Aurora®V4''']:
* Bei diesem Programm handelt es sich um ein grundlegend neu konzipiertes Produkt, in welches schrittweise alle erforderlichen Funktionen integriert werden.
* ''Z88Aurora'' (aktuelle Version im April 2017 ist 4) bezeichnete ursprünglich nur die grafische Benutzeroberfläche für das Finite-Elemente-Analyse-Programm [https://de.wikipedia.org/wiki/Z88_%28Software%29 '''Z88''']. Durch diverse Weiterentwicklungen hat Z88Aurora mittlerweile einen deutlich größeren Funktionsumfang als die zentralen FEM-Module Z88OS.  
* Hierbei orientiert man sich primär an der Funktionalität von ''Autodesk Inventor'', welche man durch bewährte Funktionen aus anderen Autodesk-Programmen ergänzt.
* Die Software ist Freeware und wird von einem Team unter der Leitung von [http://www.konstruktionslehre.uni-bayreuth.de/de/team/Rieg_Frank/index.php '''Prof. Frank Rieg'''] an der Universität Bayreuth seit 1985 entwickelt.
* Zusätzlich dient ''Fusion 360'' den Autodesk-Entwicklern als "Spielwiese" zum Erproben und Implementieren neuer Konzepte. Die Entwicklung ist also noch im vollen Fluss!
* Sie wird in einer Reihe von Universitäten in Lehre und Forschung sowie von mehreren kleinen und mittleren Unternehmen in der Produktentwicklung eingesetzt.
* Inzwischen hat das Programm einen Stand erreicht, dass man es für diejenigen Teilprozesse sehr gut nutzen kann, welche nicht das Erstellen "Technischer Zeichnungen" als Hauptziel verfolgen.
* Somit besteht Hoffnung, dass diese Software längerfristig für die studentische Ausbildung zur Verfügung steht.
* Die für die Erstellung der CAD-Modelle mit ''Autodesk Fusion 360'' erforderlichen Bearbeitungsschritte werden im Rahmen des FEM-Tutorials detailliert beschrieben. Vorkenntnisse sind hierfür nicht erforderlich.
* Die aktuelle Version von ''Z88Aurora'' beinhaltet folgende Berechnungsmodule für Probleme der Strukturmechanik und Wärme:
** lineare statischen Analysen
** nichtlineare statische Analysen bei geometrischen Nichtlinearitäten oder Material-Nichtlinearitäten
** thermische und thermo-mechanische statische Analysen mit Ergebnissen für Temperatur und Wärmestrom sowie auch thermo-mechanischen Verschiebungen und Spannungen
** Modalanalysen zur Berechnung der Eigenfrequenzen eines Systems
** Kontaktelemente zur Modellierung verklebter oder reibungsfreier Kontakte zwischen interagierenden Bauteilen.  
    
    
 
[https://www.femm.info/wiki/HomePage '''FEMM_4.2''']:
[http://www.femm.info/wiki/HomePage '''FEMM_4.2''']:
* Es handelt sich um ein FEM-Programm zur Berechnung von 2D- und axialsymmetrischen Problemen:
* Es handelt sich um ein FEM-Programm zur Berechnung von 2D- und axialsymmetrischen Problemen:
** niederfrequente magnetische Felder
** niederfrequente magnetische Felder
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** elektrische Flussprobleme
** elektrische Flussprobleme
** Wärmeleitungsprobleme.
** Wärmeleitungsprobleme.
* Dieses FEM-System wurde von [http://www.femm.info/wiki/DavidMeeker '''David Meeker'''] entwickelt.
* Dieses FEM-System wurde von [https://www.femm.info/wiki/DavidMeeker '''David Meeker'''] entwickelt.
* Neben den numerischen Qualitäten dieses Programms spricht auch der "Freeware"-Status für den Einsatz zu Lehrzwecken. Es kann kostenlos unter [http://www.femm.info/wiki/HomePage '''www.femm.info/wiki/HomePage'''] geladen und als Vollversion genutzt werden.
* Neben den numerischen Qualitäten dieses Programms spricht auch der "Freeware"-Status für den Einsatz zu Lehrzwecken. Es kann kostenlos unter [https://www.femm.info/wiki/HomePage '''www.femm.info/wiki/HomePage'''] geladen und als Vollversion genutzt werden.
* Da es sich hierbei um ein "spezialisiertes" FEM-Programm handelt, tritt der allgemeine FEM-Prozess nicht mehr so deutlich in den Vordergrund. So erhält man also bereits im Rahmen dieser Übungen einen Eindruck von unterschiedlichen Benutzeroberflächen.
* Da es sich hierbei um ein "spezialisiertes" FEM-Programm handelt, tritt der allgemeine FEM-Prozess nicht mehr so deutlich in den Vordergrund. So erhält man also bereits im Rahmen dieser Übungen einen Eindruck von unterschiedlichen Benutzeroberflächen.


[https://www.optiy.eu/ '''OptiY (Analyse- und Optimierung)''']:
* OptiY® ist eine offene und multidisziplinäre Entwurfsumgebung, welche modernste Optimierungsstrategien und probabilistische Algorithmen zur Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse, Robustheitsbewertung, Zuverlässigkeitsanalyse, Lebensdauerberechnung, Data-Mining und Meta-Modellierung bereitstellt.
* Die Modelle, auf deren Basis die Optimierung erfolgen soll, werden dabei als Blackbox mit Ein- und Ausgangsgrößen betrachtet. Damit ist es ein offenes System für unterschiedlichste Modellklassen. Die Anpassung an eine spezielle Modellumgebung erfolgt über die Schnittstellen. Möglich ist das Zusammenwirken mit verschiedenen CAD- und CAE-Systemen (z.B. für Netzwerkanalogien, Finite-Element-Methode, Starrkörper-Dynamik) aber auch mit "materiellen" Versuchsständen (z.B. Regler-Optimierung für Antriebsysteme).
* '''''Wichtig'':''' Teilnehmer der [https://www.ifte.de/lehre/fem/index.html '''FEM-Lehrveranstaltung'''] erhalten die zu verwendende OptiY-Version vom Betreuer! Andere Interessenten können im [https://www.optiy.eu/DownloadDE.html OptiY-Webportal] eine '''Trial-Version''' anfordern, deren Funktionsumfang für die Bearbeitung der Übungsbeispiele ausreichend ist.


[http://www.optiy.de/defaultDE.htm '''OptiY (Analyse- und Optimierung)''']:
[https://www.ansys.com/de-de/academic/students/ansys-student '''Ansys Student''']:
* Ab der Version 4 von OptiY gibt es die im Funktionsumfang eingeschränkte, kostenlose Studenten-Edition als Download leider nicht mehr. Diese Edition wurde missbräuchlich in breitem Maße entgegen den Lizenzbestimmungen kommerziell genutzt, so dass sich der Entwickler zu diesem Schritt gezwungen sah.
* Ansys Student ist die frei verfügbare Studentenversion der Softwaresuit von ANSYS Inc.
* Es ist jedoch weiterhin möglich, eine [http://optiy.de/Download.html ''Trial-Version''] mit stark eingeschränktem Funktionsumfang beim Hersteller herunterzuladen. Damit sollte es allen Interessenten möglich sein, die Übungsbausteine dieses FEM-Tutorials im Wesentlichen zu bearbeiten. Es funktioniert jedoch nicht der Gaussprozess für die Gewinnung von Ersatzfunktionen auf Basis von FEM-Modellen. Teilnehmer der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/fem/index.html '''"Praktische Einführung in die FEM"'''] erhalten dafür eine spezielle OptiY-Studentenlizenz.
* Über die sogenannte ''Workbench'' werden seit einigen Jahren die verschiedenen Simulationsumgebungen des Unternehmens miteinander verknüpft.  
* Das Paket ist extrem umfangreich und lädt zum selbstständigen Experimentieren ein.
* In diesem FEM-Tutorial wird hauptsächlich die Komponente ''Mechanical'' für thermische und mechanische Simulationen eingesetzt.
* Die Studentenversion enthält eine integrierte Lizenz, die die Größe von FE-Modellen auf maximal 128.000 Knoten begrenzt. Diese Einschränkung ist akzeptabel, um ein weit verbreitetes Softwareprodukt besser kennenzulernen. Außerdem ist man damit automatisch gezwungen, auf die Größe der eigenen Modelle zu achten.


<div align="center"> [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_Zielstellung|&larr;]] [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_FEMM-Installation|&rarr;]] </div>
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Aktuelle Version vom 29. März 2022, 13:14 Uhr

Verwendete Software

Bei der Auswahl der für die Übung genutzten Software wurden folgende Aspekte berücksichtigt:

  1. Transparenz des FEM-Prozesses für den Nutzer.
  2. FEM-Fachsprach-Niveau für die Begriffe auf der Benutzeroberfläche.
  3. Reproduzierbarkeit der typischen Fehlermöglichkeiten bei der FEM-Anwendung.
  4. Kopplung von CAD- und FEM-Modell innerhalb einer CAD-Umgebung.
  5. Einbindung der FEM-Simulation in eine Analyse- und Optimierungsumgebung sollte möglich sein.
  6. Beschaffung und Nutzung der Software von allen Interessenten ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.

Die Wahl fiel nach einigen Recherchen auf ein 3D-CAE-System, ein 3D-CAD-Programm, zwei FEM-Programme (Struktur-Mechanik bzw. elektro-magnetische Felder) sowie ein Analyse- und Optimierungstool. Dieser Umfang gewährleistet eine praxisrelevante Einführung in die vielen Facetten der FEM-Anwendung.

Autodesk Fusion 360:

Autodesk bemüht sich mit großem Aufwand um einen engen Kontakt zum Ingenieurnachwuchs. Schüler und Studenten können kostenlos auf eine breite Produktpalette zugreifen. Voraussetzung ist eine Registrierung bei Internetportal www.autodesk.com/education.

Autodesk Fusion 360 ist seit einigen Jahren der Versuch von Autodesk, eine möglichst umfassende, aber einheitliche Plattform für den Konstruktionsprozess von ersten Designstudien bis zur rechnerunterstützten Fertigung zu entwickeln. Da das System diesen Anspruch erhebt, allumfassend den Konstruktionsprozess zu unterstützen, wählte man die Zahl 360 im Sinne von 360°:

  • Bei diesem Programm handelt es sich um ein grundlegend neu konzipiertes Produkt, in welches schrittweise alle erforderlichen Funktionen integriert werden.
  • Hierbei orientiert man sich primär an der Funktionalität von Autodesk Inventor, welche man durch bewährte Funktionen aus anderen Autodesk-Programmen ergänzt.
  • Zusätzlich dient Fusion 360 den Autodesk-Entwicklern als "Spielwiese" zum Erproben und Implementieren neuer Konzepte. Die Entwicklung ist also noch im vollen Fluss!
  • Inzwischen hat das Programm einen Stand erreicht, dass man es für diejenigen Teilprozesse sehr gut nutzen kann, welche nicht das Erstellen "Technischer Zeichnungen" als Hauptziel verfolgen.
  • Die für die Erstellung der CAD-Modelle mit Autodesk Fusion 360 erforderlichen Bearbeitungsschritte werden im Rahmen des FEM-Tutorials detailliert beschrieben. Vorkenntnisse sind hierfür nicht erforderlich.

FEMM_4.2:

  • Es handelt sich um ein FEM-Programm zur Berechnung von 2D- und axialsymmetrischen Problemen:
    • niederfrequente magnetische Felder
    • elektrostatische Felder
    • elektrische Flussprobleme
    • Wärmeleitungsprobleme.
  • Dieses FEM-System wurde von David Meeker entwickelt.
  • Neben den numerischen Qualitäten dieses Programms spricht auch der "Freeware"-Status für den Einsatz zu Lehrzwecken. Es kann kostenlos unter www.femm.info/wiki/HomePage geladen und als Vollversion genutzt werden.
  • Da es sich hierbei um ein "spezialisiertes" FEM-Programm handelt, tritt der allgemeine FEM-Prozess nicht mehr so deutlich in den Vordergrund. So erhält man also bereits im Rahmen dieser Übungen einen Eindruck von unterschiedlichen Benutzeroberflächen.

OptiY (Analyse- und Optimierung):

  • OptiY® ist eine offene und multidisziplinäre Entwurfsumgebung, welche modernste Optimierungsstrategien und probabilistische Algorithmen zur Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse, Robustheitsbewertung, Zuverlässigkeitsanalyse, Lebensdauerberechnung, Data-Mining und Meta-Modellierung bereitstellt.
  • Die Modelle, auf deren Basis die Optimierung erfolgen soll, werden dabei als Blackbox mit Ein- und Ausgangsgrößen betrachtet. Damit ist es ein offenes System für unterschiedlichste Modellklassen. Die Anpassung an eine spezielle Modellumgebung erfolgt über die Schnittstellen. Möglich ist das Zusammenwirken mit verschiedenen CAD- und CAE-Systemen (z.B. für Netzwerkanalogien, Finite-Element-Methode, Starrkörper-Dynamik) aber auch mit "materiellen" Versuchsständen (z.B. Regler-Optimierung für Antriebsysteme).
  • Wichtig: Teilnehmer der FEM-Lehrveranstaltung erhalten die zu verwendende OptiY-Version vom Betreuer! Andere Interessenten können im OptiY-Webportal eine Trial-Version anfordern, deren Funktionsumfang für die Bearbeitung der Übungsbeispiele ausreichend ist.

Ansys Student:

  • Ansys Student ist die frei verfügbare Studentenversion der Softwaresuit von ANSYS Inc.
  • Über die sogenannte Workbench werden seit einigen Jahren die verschiedenen Simulationsumgebungen des Unternehmens miteinander verknüpft.
  • Das Paket ist extrem umfangreich und lädt zum selbstständigen Experimentieren ein.
  • In diesem FEM-Tutorial wird hauptsächlich die Komponente Mechanical für thermische und mechanische Simulationen eingesetzt.
  • Die Studentenversion enthält eine integrierte Lizenz, die die Größe von FE-Modellen auf maximal 128.000 Knoten begrenzt. Diese Einschränkung ist akzeptabel, um ein weit verbreitetes Softwareprodukt besser kennenzulernen. Außerdem ist man damit automatisch gezwungen, auf die Größe der eigenen Modelle zu achten.