Software: FEM - Tutorial - Software

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Verwendete Software

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

1. Transparenz der 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 Inventor:

• 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 www.autodesk.com/education.
• Das CAE-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 ein 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 sind hierfür nicht erforderlich.

Z88Aurora®V4 / Z88Arion®V2:

• Z88Aurora (aktuelle Version im April 2017 ist 4) bezeichnete ursprünglich nur die grafische Benutzeroberfläche für das Finite-Elemente-Analyse-Programm Z88. Durch diverse Weiterentwicklungen hat Z88Aurora mittlerweile einen deutlich größeren Funktionsumfang als die zentralen FEM-Module Z88OS.
• Die Software ist Freeware und wird von einem Team unter der Leitung von Prof. Frank Rieg an der Universität Bayreuth seit 1985 entwickelt.
• Sie wird in einer Reihe von Universitäten in Lehre und Forschung sowie von mehreren kleinen und mittleren Unternehmen in der Produktentwicklung eingesetzt.
• Somit besteht Hoffnung, dass diese Software längerfristig für die studentische Ausbildung zur Verfügung steht.
• 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.
• Z88Arion (zu nutzende Version ab Ende April 2018 ist 2) ist ein Topologieoptimierungsprogramm auf Basis des Finite-Elemente-Analyse-Programms Z88:
  • Diese Software stammt aus dem gleichen Haus wie Z88Aurora, unterliegt den gleichen Nutzungsbedingungen und verwendet die gleiche Bedienphilosophie.
  • Als Ergebnis der FEM-Berechnungen erhält man für ein mechanisches Bauteil eine optimale Materialverteilung im Bauraum in Abhängigkeit von den gewählten Optimierungskriterien.

Autodesk AutoCAD:

• Leider enthält Z88Aurora (noch) keinen eigenen Geometrie-Editor als Grundlage für die Generierung strukturierter Netze.
• Die erforderlichen Struktur-Informationen können von Z88Aurora u.a. in Form eines DXF-Files importiert werden.
• Autodesk Inventor mit seinem 2D-Skizzen-Editor kann diese fehlende Funktion nicht direkt übernehmen, weil damit die zusätzlich zur Geometrie erforderlichen Informationen zur Vernetzungsstruktur nicht erzeugt werden können.
• Dafür wird AutoCAD verwendet, welches für Schüler und Studenten ebenfalls kostenlos auf www.autodesk.com/education zur Verfügung steht.

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):

• 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.
• Es ist jedoch weiterhin möglich, eine 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 "Praktische Einführung in die FEM" erhalten dafür eine spezielle OptiY-Studentenlizenz.

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