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:
# Der FEM-Prozess sollte für den Nutzer transparent bleiben.  
# Transparenz des FEM-Prozesses für den Nutzer.  
# Die verwendeten Begriffe auf der Benutzeroberfläche sollten weitestgehend dem allgemeinen Fachsprach-Niveau auf dem Gebiet der FEM entsprechen.  
# FEM-Fachsprach-Niveau für die Begriffe auf der Benutzeroberfläche.  
# Die typischen Fehlermöglichkeiten bei der FEM-Anwendung sollten reproduzierbar sein.
# Reproduzierbarkeit der typischen Fehlermöglichkeiten bei der FEM-Anwendung.
# Die Kopplung von CAD- und FEM-Modell innerhalb einer CAD-Umgebung sollte möglich sein.   
# Kopplung von CAD- und FEM-Modell innerhalb einer CAD-Umgebung.   
# Die Einbindung der FEM-Simulation in eine Analyse- und Optimierungsumgebung sollte möglich sein.   
# Einbindung der FEM-Simulation in eine Analyse- und Optimierungsumgebung sollte möglich sein.   
# Die Software sollte von allen Interessenten ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand beschafft und genutzt werden können.
# Beschaffung und Nutzung der Software von allen Interessenten ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand.
 
Die Wahl fiel nach einigen Recherchen auf drei FEM-Systeme, einen zusätzlichen FEM-Solver und ein Analyse- und Optimierungstool. Dieser Umfang gewährleistet eine praxisrelevante Einführung in die vielen Facetten der FEM-Anwendung.
 
'''''Hinweis:'''''<br>
:Die Studenten der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/fem/index.html ''Praktische Einführung in die FEM''] erhalten den Zugang zur benötigten Software für die privaten Nutzung vom Betreuer.


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.


[http://www.plm.automation.siemens.com/de_de/products/velocity/femap/index.shtml '''FEMAP (Demoversion)''']
[https://www.autodesk.de/products/fusion-360/overview '''Autodesk Fusion 360''']:
* FEMAP war ursprünglich ein FEM-Pre- und Postprocessor, der mit unterschiedlichsten CAD- und FEM-Systemen zusammenarbeiten kann. Erst später verfügte das Programm über eigene Solver (Gleichungslöser zur Berechnung des Finite-Elemente-Modells). Es können beliebige (geeignete) Solver eingebunden werden.
* Mit Tausenden Installationen handelt es sich um kein Exotensystem, sondern es ist eines der Standardprogramme für die Bildung von FEM-Modellen sowie die Auswertung von FEM-Berechnungen.
* Da es sich um ein universelles FEM-System für unterschiedlichste Solver und physikalische Domänen handelt, orientiert es sich in seiner Funktionalität nur am verallgemeinerten FEM-Prozess.
* Dieses Programm der Firma ''Unigraphics Solutions Inc.'' wird seit deren Übernahme durch den Siemenskonzern im Jahre 2007 von [http://www.plm.automation.siemens.com/de_de/products/velocity/femap/index.shtml ''Siemens PLM Software''] vertrieben. Eine [http://www.syhag.de/kontakt-cae-fem-cfd-strukturanalyse-lebensdauerberechnung.php ''kostenlose Demo-CD''] der aktuellen FEMAP-Version kann man auch bei der [http://www.syhag.de/ ''SYHAG CAE-TOOLS GmbH''] bestellen. Nach der Installation läuft FEMAP ohne Freischaltung als Demo-Version (eingeschränkt auf 300 Knoten bzw. Elemente).
* '''''Hinweis:''''' Das Zusammenspiel mit dem in der Übung verwendeten MEANS-Solver wurde bisher nur bis zur Version FEMAP 10.1 getestet. Es besteht berechtigte Hoffnung, dass diese Kopplung auch mit der aktuellen Version FEMAP 10.3 funktioniert!


[http://www.optiyummy.de/images/Software_FEM_-_Tutorial_-_Einleitung_-_means_demo.zip '''MEANS-Solver (Demoversion - Version 14.04.2010)''']:
''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''].
* Obwohl die Demo-Version von FEMAP einen eigenen Solver mitbringt (NX-Nastran), wird für diese Übungen ein separater Solver verwendet, der von [http://www.htw-dresden.de/fakultaet-elektrotechnik/personal/professoren/prof-dr-ing-hartmut-kuehn.html Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn] (HTW-Dresden) entwickelt wurde.  
* Es handelt sich hier um eine eingeschränkte Version (2000 Knoten) des Solvers, welcher im FEM-Systems MEANS implementiert ist (Vertrieb des Komplettsystems über Ing.büro HTA-Software: http://www.femcad.de).
* Durch die Eigenschaften des MEANS-Solvers können einige Beschränkungen der verwendeten FEMAP-Demoversion gemindert werden (Knotenanzahl und Berechnung unterschiedlicher Lastfälle mit einem FE-Modell).
* '''''Achtung:''''' Die im Folgenden beschriebene Installation setzt ein '''FEMAP der Version 10''' voraus! Die Schnittstelle zwischen dem MEANS-Solver und FEMAP ist nur in dem Umfang realisiert, wie es im Rahmen dieser Lehrveranstaltung benötigt wird. Darüber hinaus gehende Funktionalität kann in der vorliegenden Konfiguration nicht garantiert werden.  


[http://www.femm.info/wiki/HomePage '''FEMM_4.2''']:
'''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.
 
[https://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 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.


[http://www.autodesk.de/adsk/servlet/pc/index?siteID=403786&id=14568991 '''Autodesk Inventor'''] / [http://www.autodesk.de/adsk/servlet/pc/index?siteID=403786&id=14982972 '''Autodesk Simulation Multiphysics''']:
[https://www.optiy.eu/ '''OptiY (Analyse- und Optimierung)''']:
* Das CAD-System ''Autodesk Inventor'' stellt eine direkte Schnittstelle zum FEM-Programm ''Autodesk Simulation Multiphysics'' bereit. So können auf Basis der erstellten CAD-Modelle nicht nur einfache Belastungsanalysen, sondern auch anspruchsvolle Finite Elemente Simulationen durchgeführt werden.
* 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.  
* 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, die seit kurzem auch ''Autodesk Simulation Multiphysics'' in der jeweils aktuellen Version umfasst. Voraussetzung ist eine Registrierung beim Internetportal [http://www.students.autodesk.de ''www.students.autodesk.de''].
* 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).
* Die Installation und Inbetriebnahme von ''Autodesk Simulation Multiphysics'' entspricht der von ''Autodesk Inventor'', wie dies im [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Inventor|''OptiYummy-CAD-Tutorial'']] beschrieben ist.
* '''''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.  
* 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.


[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 eingschränkte, 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.
* Über die sogenannte ''Workbench'' werden seit einigen Jahren die verschiedenen Simulationsumgebungen des Unternehmens miteinander verknüpft.  
* '''''Achtung:'''''<br>Teilnehmer der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/fem/index.html ''Praktische Einführung in die FEM''] können eine OptiY-Studentenlizenz vom Betreuer erhalten.
* 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_-_FEMAP-_und_MEANS-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.