- Abstract -
Martin Hiersche
FEM - Finite Elemente Methode
Die FEM ist ein mathematisches Verfahren zur Lösung von Differentialgleichungen. Mit diesen können die unterschiedlichen Verhaltensweisen von Strukturen beschrieben werden. Die FEM ist eines der häufigsten routinemäßigen Berechnungsverfahren. Diese Methode wird zur Auswertung der komplexen Strukturen im Apparate- und Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeugtechnik und im Bauwesen eingesetzt. Entwickelt und eingesetzt wurde die FEM in den Bereichen der Strukturmechanik.
Der Einsatz der FEM kommt überall dort vor, wo physikalische Erscheinungen durch partielle, orts- bzw. zeitabhängige Differentialgleichungen beschrieben werden.
Die Berechnung von Bauteilen und Baugruppen in der Industrie stellt heutzutage eine wesentliche Herausforderung dar. In der Finiten Elemente Methode werden Bauteile für den späteren Einsatz in allen Lebensbereichen untersucht, entwickelt und berechnet. Hierbei werden die Materialen wie Stahl, Holz usw. auf ihre Haltbarkeit unter Belastungen geprüft, um sie später in den einzelnen Baugruppen verwenden zu können.
Damit man komplexe Module besser auswerten kann, sind in der Industrie und Entwicklung mehrere Softwareberechnungsprogramme im Einsatz. Eines der am häufigsten verwendeten Programme ist Nastran. Dieses Programm unterstützt als Schnittstellenmodul FEMAP. In diesem Berechnungsprogramm hat man die Möglichkeit, sich das Modell als Neutral File Format ausgeben zu lassen. Somit kann man diese Daten in andere FEM Berechnungsprogramme einlesen. Nun sollte man aber nicht die FEM als Allheilmittel für sämtliche neuartigen und ungelösten Feldprobleme ansehen, denn zur Lösung einer derartigen Aufgabe ist es erforderlich, das der FEM zugrunde liegende Modell zu entwickeln bzw. ein bereits vorhandenes auf seine Verwendbarkeit zu prüfen und zu überprüfen.
Inhaltsverzeichnis
2 Einleitung
3 Nastran for Windows
4 FEM-Baukasten
4.1 Allgemein
4.2 Das Dateiformat
5 Das NEUTRAL-Format
5.1 Aufbau des Neutral File Format
5.2 Die Formatierung des Neutral File Formates
5.3 Data Block Format
6 Der Konverter
6.1 Vorbetrachtungen
6.1.1 Aufbau des Konverters
6.1.2 Arbeitsweise des Konverters
6.2 Dateikonvertierung FEM-Baukasten (.fem) nach Neutraldatei (.neu)
6.2.1 Aufbau der .fem Datei
6.2.2 Konvertierungstabelle
6.2.3 Tabellenerklärung
6.2.4 Kommentarzeile
6.2.5 Sektion DIALOG
6.2.6 Sektion TITEL
6.2.7 Sektion KNOTEN
6.2.8 Sektion MATERIAL
6.2.9 Sektion GEOMETRIE
6.2.10 Sektion FEDERKENNWERTE
6.2.11 Sektion MODELL
6.2.12 Sektion ELEMENT 0D
6.2.13 Sektion ELEMENT 1D
6.2.14 Sektion ELEMENT 2D
6.2.15 Sektion ELEMENT 3D
6.3 Dateikonvertierung Neutraldatei (.neu) nach FEM-Baukasten (.fem)
6.3.1 Aufbau der .neu Datei
6.3.2 Konvertierungstabelle
6.3.3 Tabellenerklärung
6.3.4 Data Block 100 Neutral File Header
6.3.5 Data Block 403 Nodes
6.3.6 Data Block 413 Layer Data
6.3.7 Data Block 507 Loads
6.3.8 Data Block 601 Materials
6.3.9 Data Block 402 Properties
6.3.10 Data Block 404 Elements
6.3.11 Data Block 506 Constraints
7 Meldungen des Konverters
7.1 Konvertierungsrichtung FB nach FEMAP
7.1.1 Datensatz lässt sich nicht bearbeiten
7.1.2 Konvertierung von Seilen nicht möglich
7.1.3 Freiheitsgrade
7.2 Konvertierungsrichtung FEMAP nach FB
7.2.1 Konvertierung von Stäben
7.2.2 Isotropes Material
8.1 Beispiel Element 1D Radarkuppel
8.2 Beispiel Element 1D Steg
8.3 Beispiel Element 2D Gelenkhebel
8.4 Beispiel Element 3D Zahnrad
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Software-Konverters, der die Kompatibilität zwischen dem FEM-Baukasten und der Software FEMAP herstellt. Die zentrale Forschungsfrage befasst sich mit der automatisierten Konvertierung von FEM-Modellen, um Daten zwischen den unterschiedlichen Dateiformaten beider Programme verlustfrei oder mit notwendigen Anpassungen auszutauschen.
- Entwicklung eines Konverters für die bidirektionale Dateiumwandlung (.fem zu .neu und .neu zu .fem)
- Analyse und Mapping der physikalischen und geometrischen Sektionen beider FEM-Systeme
- Implementierung von Algorithmen zur Übersetzung von Elementtypen, Materialdaten und Lastfällen
- Validierung der Konvertierungsergebnisse anhand praktischer Testbeispiele (Radarkuppel, Gelenkhebel, Zahnrad)
Auszug aus dem Buch
6.2.1 Aufbau der .fem Datei
Folgende Ausführungen basieren auf der Hilfedatei des FEM-Baukastens [4].
Der Datensatz des FEM-Baukastens (FB) beschreibt die physikalischen und geometrischen Eigenschaften eines Modells.
„Die einzelnen Sektionen sind durch eindeutige Trennzeilen voneinander getrennt. Trennzeilen beginnen immer in der ersten Spalte, die ersten drei Zeichen sind '---', gefolgt von einem eindeutigen Text. Um die Übersichtlichkeit des Datensatzes zu erhöhen, wird die Zeile bis zur 80'ten Spalte mit '-' aufgefüllt. Dies ist jedoch nicht notwendig. Die Ende-Sektion muss die letzte Sektion des Datensatzes sein. Danach stehende Informationen werden ignoriert. Die Reihenfolge der anderen Sektionen ist beliebig. Alle Informationen vor der ersten Sektion (d.h. die vor der ersten Trennzeile stehen) werden ignoriert, stören den Datensatz aber nicht.“ [4]
Die .fem Datei kann folgende Sektionen beinhalten:
Kommentarzeilen
Titel-Sektion (optional)
Freiheitsgrade (optional)
Lastfaktoren (optional)
Material-Sektion
Geometrie-Sektion (nur für Stab- und Balkenelemente)
Federgruppen-Sektion (nur für Feder- und ggf. Balkenelemente)
Hilfskurven: Gerade-Sektion (optional)
Hilfskurven: Kreis-Sektion (optional)
Dialog-Sektion (optional)
Knoten-Sektion
Element-Sektion: 0D Elemente
Element-Sektion: 1D Elemente
Element-Sektion: 2D Elemente
Element-Sektion: 3D Elemente
Ende-Sektion
Im Abschnitt 6.2.2 werden die Sektionen des FB betrachtet, die konvertiert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
2 Einleitung: Diese Einleitung erläutert die Grundlagen der Finite Elemente Methode (FEM) und deren Bedeutung für die Simulation komplexer Strukturen in der Industrie.
3 Nastran for Windows: Dieses Kapitel stellt Nastran als eines der führenden FEM-Berechnungsprogramme und die Rolle von FEMAP als unterstützendes Schnittstellenmodul vor.
4 FEM-Baukasten: Es wird das Berechnungs- und Simulationsprogramm „FEM-Baukasten“ vorgestellt sowie dessen Dateiformat und die Struktur der Datensatzdatei (.fem) beschrieben.
5 Das NEUTRAL-Format: Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Formatierung des von FEMAP verwendeten Neutral File Formats, inklusive der Data Blocks.
6 Der Konverter: Das Kernkapitel beschreibt die Entwicklung, Arbeitsweise und Programmstruktur des Konverters zur bidirektionalen Dateiumwandlung zwischen FEM-Baukasten und FEMAP.
7 Meldungen des Konverters: Hier werden die Fehlermeldungen und Warnhinweise erläutert, die während des Konvertierungsprozesses bei Inkompatibilitäten auftreten können.
8 Beispiele: Dieses Kapitel validiert die Funktion des Konverters durch den Vergleich der Berechnungsergebnisse verschiedener Beispielmodelle (Radarkuppel, Steg, Gelenkhebel, Zahnrad).
Schlüsselwörter
FEM, Finite Elemente Methode, Konverter, Nastran, FEMAP, .fem Datei, Neutral File Format, Dateikonvertierung, Strukturmechanik, Simulation, Datenmapping, Softwareentwicklung, Knoten, Elemente, Lastfälle
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit behandelt die Entwicklung eines Software-Konverters, um Simulationsdaten zwischen dem FEM-Baukasten und dem Programm FEMAP auszutauschen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Themenfelder umfassen FEM-Modellierung, Dateiformatanalyse, Schnittstellenprogrammierung und die Validierung von Simulationsergebnissen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Überbrückung der Inkompatibilität zwischen den proprietären Datenformaten des FEM-Baukastens und der industriellen Standard-Schnittstelle von FEMAP.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Die Arbeit basiert auf der systematischen Analyse bestehender Dateiformate und der Implementierung einer Konvertierungslogik in C++.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der FEM-Formate, die detaillierte Beschreibung der Konvertierungslogik für verschiedene Sektionen und die praktische Erprobung an Modellbeispielen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird primär durch die Begriffe FEM, Konverter, Nastran, Datenkonvertierung und Strukturmechanik charakterisiert.
Wie werden die 2D-Elemente im Konverter behandelt?
Die 2D-Elemente werden in verschiedene Kategorien wie Membrane, Plane Strain oder Platte unterteilt und durch den Abgleich von Material- und Geometrieeigenschaften in entsprechende Neutral-Data-Blocks übersetzt.
Wie wird die Geometrie eines Balkens im Konverter umgesetzt?
Der Konverter wertet die Geometrietypen aus und rechnet die spezifischen Parameter wie Fläche, Torsion oder Widerstandsmomente in die für FEMAP erforderlichen Data Blocks (DB 402) um.
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- Diplom Mathematiker (FH) Martin Hiersche (Author), 2005, Konverter zur Umwandlung von FEM-Baukasten-Dateien zur Weiterverarbeitung in FEMAP und umgekehrt, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/61586
