FreeCAD: Ihr parametrischer 3D-Modellierer

Ein Finite-Elemente-Netz erstellen

Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird auf ein Netzobjekt angewendet, das aus mehreren dreiseitigen/tetraederartigen, vierseitigen/hexaederartigen oder anderen finiten Elementen besteht, die einen originalen Körper unterteilen. Je feiner das Netz ist, desto genauer sind die numerischen Ergebnisse, aber desto größer ist auch die Berechnungszeit. Ein Gleichgewicht zwischen der Größe des Netzes, der Berechnungszeit und der Genauigkeit der Ergebnisse ist ein wichtiges Merkmal einer gut definierten Finite-Elemente-Analyse.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Polygonnetz im Arbeitsbereich FEM einzurichten:

Das Werkzeug FEM mesh from shape by Gmsh aus der grafischen Benutzeroberfläche.
Das Werkzeug FEM mesh from shape by Netgen aus der grafischen Benutzeroberfläche.
Importieren eines Polygonnetzes aus einem anderen Programm. Insbesondere können Gmsh und Netgen außerhalb von FreeCAD allein verwendet werden, um Volumenkörper wie Step Dateien zu vernetzen.
Manuelle Erstellung des Netzes durch Python-Skripte.

Die Gmsh- und Netgen-Werkzeuge unterstützen die Vernetzung von Körpern, die mit den Arbeitsbereichen Part und PartDesign erstellt wurden, sowie einfache Kopien dieser Körper. Im Allgemeinen kann jeder Arbeitsbereich, der Festkörper erzeugt, wie z.B. der Arbeitsbereich Arch, als Grundlage für die Erstellung von Netzobjekten verwendet werden. Beachte, dass sich ein für die FEA verwendetes Netz von einem Netz unterscheidet, das mit dem Arbeitsbereich Mesh erstellt oder importiert wurde.

Der Arbeitsbereich FEM ruft das externe Werkzeug Gmsh auf, um ein Netz aus einem Volumenkörper zu erhalten, der mit einem beliebigen Arbeitsbereich in FreeCAD erstellt wurde; es kann auch ein extern erstelltes Netz importieren

(1) Festkörper, der mit PartDesign erzeugt wurde; (2) Netz, das mit dem Gmsh Werkzeug innerhalb des FEM Arbeitsbereich erzeugt wurde (alle Dreiecke); und (3) Netz, das extern mit Gmsh erzeugt wurde, in das Abaqus Format .inp exportiert und dann in FreeCAD importiert wurde (alle Vierecke)

Die Gmsh- und Netgen-Werkzeuge sind einfach anzuwendende Werkzeuge, um einen Körper schnell zu vernetzen, und besitzen nicht den vollen Funktionsumfang dieser Programme; sie erzeugen normalerweise Dreiecksnetze, die für manche Arten von Analysen nicht ideal sind. Wird mehr Kontrolle über das erstellte Netz gebraucht (nur Vierecke verwenden, genaue Elementanzahl und -Größe, variable Auflösung des Netzes, usw.), sollten diese Programme extern verwendet, eine Netzdatei in einem unterstützten Format (.inp, .unv, .vtk, .z88) erzeugt und diese Datei in FreeCAD importiert werden.

Zuvor war Netgen in FreeCAD enthalten und konnte sofort verwendet werden. Nun sollten sowohl Netgen als auch Gmsh installiert werden, bevor sie vom Arbeitsbereich FEM verwendet werden können. Siehe FEM Installation für Anleitungen.

Netzerstellungssoftware

Netzerstellungssoftware arbeitet mit Festkörpern, die in verschiedenen Formaten vorliegen können, wie Step und Brep. Diese Programme können unabhängig von FreeCAD verwendet werden und verfügen typischerweise Über viele Optionen zur Steuerung der Vernetzungsalgorithmen, der Elementgröße und der Randbedingungen.

Der Arbeitsbereich FEM hat einfache Kommunikationsoberflächen entwickelt, um Gmsh und Netgen direkt in FreeCAD zu verwenden. Andere Programme haben keine Oberfläche, aber das könnte sich in Zukunft ändern, wenn Interesse in der Gemeinschaft besteht und wenn diese Anwendungen leicht zu integrieren sind. Die Netzerstellungssoftware darf nur dann zusammen mit FreeCAD kompiliert und verteilt werden, wenn ihre Lizenz mit der LGPL2-Lizenz kompatibel ist; andernfalls muss das Programm als externe Binärdatei verwendet werden, wie z.B. Gmsh (GPL2).

Oberfläche in FreeCAD implementiert

Gmsh: Hauptwebseite, Code Repositorium
Netgen: Hauptwebseite, Code Repositorium

Keine Oberfläche in FreeCAD

ENigMA, [1], Code Repositorium
libMesh, Hauptwebseite, Code Repositorium, Forumsbeitrag; es ist ein sehr aktives Projekt, und es ist nur C++
PythonOCC, Haupt-Webseite
SnappyHexMesh, Hauptwebseite
Tetgen, Hauptwebseite

Netzelemente in FreeCAD

FreeCAD unterstützt verschiedene Elementtypen. Der folgende Artikel erklärt den Unterschied zwischen ihnen und wann sie verwendet werden sollten (engl.): Meshing Your Geometry: When to Use the Various Element Types.

Import und Export von Mesh-Elementen
Element	Element	FreeCAD-API	FreeCAD-GUI	med	unv	inp	frd	txt	xml
Med	CalculiX	Python	FEM Mesh	SMESH	IDEAS/FreeCAD	Abaqus/CalculiX	Result Mesh	Z88	FEniCS
Name	Name	Elemente erstellen	Elemente anzeigen	Import/Export	Import/Export	Import/Export	Import	Import/Export	Import/Export
seg 2	B31
seg 3	B32							NI
tria 3	S3
tria 6	S6
quad 4	S4
quad 8	S8
tetra 4	C3D4
tetra 10	C3D10
hexa 8	C3D8								() Das Format lässt es zu, aber es kann von FEniCS weder gelesen noch geschrieben werden.
hexa 20	C3D20
penta 6	C3D6							?
penta 15	C3D15							?
pyra 5
pyra 13

"NI" bedeutet, dass der Elementtyp in FreeCAD nicht implementiert ist, aber das Format ihn unterstützen würde.
bedeutet, dass die Formatspezifikation diesen Elementtyp nicht unterstützt, so dass FreeCAD ihn nicht unterstützen kann.
"?" bedeutet, dass es nicht bekannt ist, ob das Format diesen Elementtyp unterstützt.

FEM Elementtypen

Mehr Informationen über die Elemente und ihre Datenstruktur in FreeCAD kann in FEM Elementtypen gefunden werden.

Segmentelement

Dreieckelement

Viereckelement

Tetraederelement

Hexaederelement

Pentaederelement (Prisma)

Pyramidenelement

Skripten

Ein FEM-Netz komplett in Python erstellen

Siehe auch: FreeCAD Grundlagen der Skripterstellung in FreeCAD.

Die Python API ermöglicht dem Benutzer ein Finite Element Netz festzulegen, durch direktes hinzufügen einzelner Knoten und festlegen von Kanten, Flächen und Volumen.

Das Netz selbst ist vom Typ Fem::FemMesh, das an ein entsprechendes Dokumentobjekt vom Typ Fem::FemMeshObject angehängt werden muss .

App.ActiveDocument.Mesh_object.TypeId = Fem::FemMeshObject
                              .
                              .
                              .FemMesh.TypeId = Fem::FemMesh

Erstellen eines Netzes mit einem Tet-10 Element

Erstelle ein leeres FemMesh, bestücke es mit Knoten, erstelle das Volumen und rufe schließlich Fem.show() auf, um das Dokumentobjekt mit dem zugehörigen Netz zu erstellen.

import FreeCAD, Fem

m = Fem.FemMesh()

m.addNode(0,    1,    0)
m.addNode(0,    0,    1)
m.addNode(1,    0,    0)
m.addNode(0,    0,    0)
m.addNode(0,    0.5,  0.5)
m.addNode(0.5,  0.03, 0.5)
m.addNode(0.5,  0.5,  0.03)
m.addNode(0,    0.5,  0)
m.addNode(0.03, 0,    0.5)
m.addNode(0.5,  0,    0)

m.addVolume([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10])
Fem.show(m)
obj = FreeCAD.ActiveDocument.ActiveObject

Wenn du eine vordefinierte Knoten- und Elementnummerierung wünschst, übergib die entsprechende ID an die Knoten- und Volumen Methoden

Um ein aktuelles Dokumentobjekt zu erstellen, kannst du anstelle von Fem.show() auch die Methode document addObject() verwenden; hänge dann das erstellte Netz an das FemMesh Attribut dieses Objekts an.

a = Fem.FemMesh()

a.addNode(0,    1,    0,    1)
a.addNode(0,    0,    1,    2)
a.addNode(1,    0,    0,    3)
a.addNode(0,    0,    0,    4)
a.addNode(0,    0.5,  0.5,  5)
a.addNode(0.5,  0.03, 0.5,  6)
a.addNode(0.5,  0.5,  0.03, 7)
a.addNode(0,    0.5,  0,    8)
a.addNode(0.03, 0,    0.5,  9)
a.addNode(0.5,  0,    0,   10)

a.addVolume([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10], 1)
obj_2 = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject")
obj_2.Placement.Base = FreeCAD.Vector(2, 0, 0)
obj_2.FemMesh = a

Visuelle Eigenschaften

Sobald ein FemMesh Objekt mit Fem.show() erstellt wurde, können einige seiner visuellen Eigenschaften durch Ändern der verschiedenen Attribute seines ViewObject geändert werden. Dies kann nützlich sein, um das Netz nach einer Finite Elemente Lösung nachzubearbeiten.

Heben Sie einige Knoten im Netz hervor

Fem.show(m)
obj = FreeCAD.ActiveDocument.ActiveObject

obj.ViewObject.HighlightedNodes = [1, 2, 3]

Die einzelnen Elemente eines Netzes können durch die Übergabe eines Wörterbuchs mit den entsprechenden key:value Paaren modifiziert werden

Setze das Volumen 1 auf rot

obj.ViewObject.ElementColor = {1:(1,0,0)}

Setzt man die Knoten 1, 2 und 3 auf unterschiedliche Farben, erhält die Fläche dazwischen eine daraus errechnete Farbe.

obj.ViewObject.NodeColor = {1:(1,0,0), 2:(0,1,0), 3:(0,0,1)}

Man verschiebt die Knoten 1 und 2 um die durch einen Vektor definierte Größe und Richtung.

obj.ViewObject.NodeDisplacement = {1:FreeCAD.Vector(0,1,0), 2:FreeCAD.Vector(1,0,0)}

Den Faktor der angegebenen Verschiebung verdoppeln. (Hinweis für Bearbeiter: in neueren Versionen entfernt?)

obj.ViewObject.animate(2.0)

Skripten Beispiele für jeden unterstützten Elementtyp

Träger, 2 Knoten Linie, seg2 (linear)

import Fem

seg2 = Fem.FemMesh()
seg2.addNode( 0, 0, 0, 1)
seg2.addNode(10, 0, 0, 2)
seg2.addEdge(1, 2)
print(seg2)

obj = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "seg2")
obj.FemMesh = seg2
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(0, 110, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"

Träger, 3 Knoten Linie, seg3 (quadratisch)

import Fem

seg3 = Fem.FemMesh()
seg3.addNode( 0, 0, 0, 1)
seg3.addNode(10, 0, 0, 2)
seg3.addNode( 5, 0, 0, 3)
seg3.addEdge([1, 2, 3])
print(seg3)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "seg3")
obj.FemMesh = seg3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(30, 110, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"

Hüllkörper, 3 Knoten Dreieck, tria3 (linear)

import Fem

tria3 = Fem.FemMesh()
tria3.addNode( 0,  0, 0, 1)
tria3.addNode( 6, 12, 0, 2)
tria3.addNode(12,  0, 0, 3)
tria3.addFace([1, 2, 3])
print(tria3)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "tria3")
obj.FemMesh = tria3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(0, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Füge eine Fläche mit der Elementnummer hinzu.

elemtria3 = Fem.FemMesh()
nodes = tria3.Nodes
for n in nodes:
    elemtria3.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemtria3.addFace([1, 2, 3], 88)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemtria3")
obj.FemMesh = elemtria3
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(200, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemtria3.Faces)

Hüllkörper, 6 Knoten Dreieck, tria6 (quadratisch)

import Fem

tria6 = Fem.FemMesh()
tria6.addNode( 0,  0, 0, 1)
tria6.addNode( 6, 12, 0, 2)
tria6.addNode(12,  0, 0, 3)
tria6.addNode( 3,  6, 0, 4)
tria6.addNode( 9,  6, 0, 5)
tria6.addNode( 6,  0, 0, 6)
tria6.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6])
print(tria6)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "tria6")
obj.FemMesh = tria6
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(30, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Füge eine Fläche mit der Elementnummer hinzu.

elemtria6 = Fem.FemMesh()
nodes = tria6.Nodes
for n in nodes:
    elemtria6.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemtria6.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemtria6")
obj.FemMesh = elemtria6
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(230, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemtria6.Faces)

Hüllkörper, 4 Viereck , quad4 (linear)

import Fem

quad4 = Fem.FemMesh()
quad4.addNode( 0, 10, 0, 1)
quad4.addNode(10, 10, 0, 2)
quad4.addNode(10,  0, 0, 3)
quad4.addNode( 0,  0, 0, 4)
quad4.addFace([1, 2, 3, 4])
print(quad4)

obj = FreeCAD.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "quad4")
obj.FemMesh = quad4
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(60, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Füge eine Fläche mit der Elementnummer hinzu.

elemquad4 = Fem.FemMesh()
nodes = quad4.Nodes
for n in nodes:
    elemquad4.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemquad4.addFace([1, 2, 3, 4], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemquad4")
obj.FemMesh = elemquad4
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(260, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemquad4.Faces)

Hüllkörper, 8 Knoten Viereck, quad8 (quadratisch)

import Fem

quad8 = Fem.FemMesh()
quad8.addNode( 0, 10, 0, 1)
quad8.addNode(10, 10, 0, 2)
quad8.addNode(10,  0, 0, 3)
quad8.addNode( 0,  0, 0, 4)
quad8.addNode( 5, 10, 0, 5)
quad8.addNode(10,  5, 0, 6)
quad8.addNode( 5,  0, 0, 7)
quad8.addNode( 0,  5, 0, 8)
quad8.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8])
print(quad8)

obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "quad8")
obj.FemMesh = quad8
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(90, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False

Füge eine Fläche mit der Elementnummer hinzu.

elemquad8 = Fem.FemMesh()
nodes = quad8.Nodes
for n in nodes:
    elemquad8.addNode(nodes[n].x, nodes[n].y, nodes[n].z, n)

elemquad8.addFace([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], 88)
obj = App.ActiveDocument.addObject("Fem::FemMeshObject", "elemquad8")
obj.FemMesh = elemquad8
obj.Placement.Base = FreeCAD.Vector(290, 80, 0)
obj.ViewObject.DisplayMode = "Faces, Wireframe & Nodes"
obj.ViewObject.BackfaceCulling = False
print(elemquad8.Faces)