Onshape Partner Spotlight: Finite-Elemente-Analyse in der Cloud

Stellen Sie sich für eine Minute vor, Sie wären einer der Burschen, die 1931 beiläufig am Empire State Building arbeiten und sich so tun, als ob Sie sich um nichts kümmern würden. Unter Ihrem stoischen Auftreten möchten Sie jedoch wahrscheinlich sicher sein, dass die Ingenieure doppelt und dreifach überprüft haben, ob ihr Gebäudedesign strukturell solide ist. Sie sollten wissen, dass sie tatsächlich Berechnungen an allen Balken durchgeführt haben, auf denen Sie möglicherweise stehen — und dass sie irgendwann viel schwerere Lasten tragen würden. Würdest du nicht?

Ingenieure wissen seit der Zeit von Galileo Galilei, wie man Balken mit Papier und Bleistift löst. Die Euler-Bernoulli-Gleichungen sind heute auf Wikipedia leicht zu finden. Aber was ist mit dem Testen der Haken, an denen der Balken hängt? Wir könnten annehmen, dass ein Haken wie ein gekrümmter Balken mit einem ungleichmäßigen Querschnitt ist, aber es gibt eine bessere Antwort: finite Elemente.

Ingenieure lösen Probleme kostengünstig

Ein Ingenieur ist nicht jemand, der einen ordentlichen Hochschulabschluss oder einen schicken Doktortitel hat. Ein Ingenieur ist jemand, der Probleme löst. Und jemand, der Dinge baut und Dinge von Grund auf neu kreiert.

Ich glaube nicht an das alte Sprichwort, dass „Technik angewandte Wissenschaft ist“. Sicher, was kann man daran nicht lieben, den Unterschied zwischen Newtons und Lagranges Formulierungen der klassischen Mechanik zu kennen? Es ist toll zu wissen, wie man von den Peano-Axiomen zu Krylov-Unterräumen kommt. Aber wir setzen bei unseren Bemühungen nicht nur die Wissenschaft ein. Wir verwenden Expertenurteile, wir wenden unsere bisherigen Erfahrungen an, wir fragen nach dem Rat anderer Leute und wir bringen viele andere Tricks mit, wie zum Beispiel geniales, unkonventionelles Denken. Eigentlich kommt das Wort „Ingenieur“ vom lateinischen „Ingenium“.

Jeder kann „große“ Haken bauen und weitermachen. Aber wir Ingenieure bauen nur Haken, die „groß genug“ (und schwer genug und teuer genug) sind. Wir optimieren ständig Variablen, insbesondere Zeit und Kosten. Sofern wir nicht den gekrümmten, ungleichmäßigen Strahlengang verwenden, benötigen wir ein Finite-Elemente-Tool, um die Spannungen innerhalb des Hakens für die Konstruktionslasten zu simulieren (ich würde eher sagen „zu modellieren“). Lassen Sie uns also unser supermächtiges und extrem komplexes Finite-Elemente-Analyseprogramm starten und sehen, was passiert, oder? Nun, es gibt noch einen anderen ingenieurfreundlichen Weg.

Innovations- und Quantenpotenzialbarrieren

Versuchen Sie sich daran zu erinnern, was Ihnen in den Sinn kam, als Sie zum ersten Mal von Onshape hörten und sie sagten „CAD in der Cloud“. Ich erinnere mich, was ich dachte: „Das geht nicht.“

Zu meiner Überraschung war es nicht nur machbar, sondern es erwies sich auch als die beste Lösung für CAD-Anwendungen.

Wenn wir unsere Arbeitsweise ändern, müssen wir eine „Potentialbarriere“ erklimmen, die einem Neutron sehr ähnlich ist, bevor wir die Spaltung eines Urankerns auslösen. Es ist schwer, unsere Komfortzone zu verlassen, weil wir die meiste Zeit dort verbringen. Aber der Wechsel von Desktop-basiertem CAD zu Onshape zahltsich danach aus, nicht wahr? (Wenn Sie noch nicht gewechselt haben, vertrauen Sie mir, es wird sich auszahlen.) Aber der Weg ist nicht einfach. Möglicherweise müssen Sie auch Menschen hinter sich herziehen, weil sie ihre Komfortzonen nicht verlassen wollen.

Schauen Sie sich den Cartoon oben an. Mit wem identifizierst du dich?

Die meiste Zeit fühle ich mich wie der Höhlenmensch, der die Räder in seinen Händen hält. Aber ich muss zugeben, manchmal fühle ich mich wie diejenigen, die stur versuchen, den Karren zu bewegen. Was ist mit dir? Und was ist mit der Führung oder Ihren Kollegen in Ihrem Unternehmen?

CAEplex: Einfache Probleme brauchen einfache Lösungen

Angenommen, Sie folgen den modernsten technischen Empfehlungen und entwerfen online mit Onshape einen Kranhaken. Jetzt möchten Sie wissen, wie viele Tonnen der Haken aushält. Würden Sie eine komplexe und teure Finite-Elemente-Software sowie die gesamte erforderliche Hardware kaufen und installieren? Warum würdest du einen einfachen Haken in die Kiefer einer so großartigen Bestie ziehen? Das klingt weder zeit- noch kosteneffektiv.

Sicher würden Sie lieber eine neue Registerkarte öffnen und diese Spannungen in weniger als einer Minute berechnen:

Seamplex ist Onshape-Partner und Entwickler von CAEplex, einem benutzerfreundlichen webbasierten Tool zur Durchführung von thermomechanischen Finite-Elemente-Analysen, die in der Cloud ausgeführt werden. Es handelt sich um eine vollständig integrierte App, sodass Sie Onshape nicht verlassen müssen, um Ihre Tests durchzuführen.

Schauen wir uns an, wie Sie in drei einfachen Schritten (naja, eigentlich vier) schnell eine Finite-Elemente-Analyse eines Onshape Part Studio durchführen können. Nachdem Sie den ersten Schritt abgeschlossen haben, können Sie die verbleibenden drei Schritte, die die Hauptschritte des CAEplex-Ansatzes sind, hin und her gehen.

Schritt #0: Fall erstellen

Nachdem Sie CAEplex im Onshape App Store abonniert haben, öffnen Sie das Dokument, das das Part Studio enthält, das Sie analysieren möchten. Klicken Sie in der unteren Werkzeugleiste auf das Pluszeichen „+“, gehen Sie zu „Anwendung hinzufügen...“ und wählen Sie „CAEplex“. Es wird eine neue Registerkarte erstellt, in der Sie das Part Studio auswählen und den Problemtyp auswählen können, den Sie lösen möchten: mechanisch oder thermisch.

Schritt #1: Das Problem

Stellen Sie die Materialeigenschaften ein und wählen Sie aus, für welche Flächen (oder Kanten oder Punkte) Verschiebungsbedingungen gelten sollen (z. z. B. fest) und die Flächen (oder Kanten oder Punkte), die externen Belastungen ausgesetzt sind (z. B. ein Kompressionsdruck).

Sie können auf schwer zugängliche Stellen zugreifen, indem Sie die Geometrie ausschneiden oder Oberflächen mit der Werkzeugleiste von rechts ausblenden. Sie können optionale volumetrische Lasten wie das Eigengewicht und/oder eine Temperaturverteilung angeben, um die Wärmeausdehnung zu berücksichtigen.

Schritt #2: Mesh

Nachdem das kontinuierliche Problem vollständig definiert wurde, ist es an der Zeit, ein Finite-Elemente-Netz zu erstellen. Tetraeder erster oder zweiter Ordnung können mit einigen verschiedenen 2D- und 3D-Algorithmen generiert werden. Sie können lokal an bestimmten Flächen, Kanten oder Eckpunkten verfeinern. Für den Fall, dass der Mesher ausfällt und kein geeignetes Grid generiert werden kann, kontaktiere bitte unsere Support-Mitarbeiter über den Chat-Button in der unteren rechten Ecke unserer Website.

Alle Vernetzungsfehler können durch geeignete Einstellungen und/oder durch geringfügige Änderungen der ursprünglichen CAD-Geometrie behoben werden. Denken Sie daran, dass CAEplex auf Leichtigkeit und Geschwindigkeit abzielt. Wenn Sie ein vielschichtiges Problem mit komplexen Schnittstellen lösen müssen, sind Sie mit dem oben genannten großartigen Biest möglicherweise besser bedient. Oder Sie können sogar ein Tool verwenden, das eine Vernetzung von vornherein vermeidet.

Schritt #3: Ergebnisse

Nachdem CAEplex die Steifigkeitsmatrix erstellt, das lineare Problem gelöst und die Spannungen aus den Knotenverschiebungen berechnet hat, zeigt Schritt #3 eine farbige Abbildung der resultierenden Von-Mises-Spannungen.

Verschiebungen können durch Ziehen des Schiebereglers lebhaft verzerrt werden. So wird überprüft, ob die Ladungen das richtige Vorzeichen hatten und in die erwarteten Richtungen führen. Ein Vergleich des verzerrten Gitters mit dem Original kann ebenfalls gezeigt werden. Neben Von-Mises-Spannungen können Sie Tresca und die drei Hauptspannungen zusammen mit Verschiebungen als Skalarfelder überprüfen. Die Skala kann interaktiv geändert werden und eine vollständige VTK-Datei kann zur weiteren Nachbearbeitung mit einem Offline-Tool wie ParaView oder Mayavi heruntergeladen werden.

Einfach, aber leistungsstark — Thermomechanische Probleme

Betrachten wir nun die thermoelastische Expansion endlicher Zylinder, indem wir einen einfachen Zylinder mit Radius betrachten, der auf der -Ebene steht und der folgenden Temperaturverteilung unterliegt:

Die Frage ist: Zu welchen Verschiebungen führt diese nicht triviale Temperatur? Die gute Nachricht ist, dass CAEplex einen algebraischen Parser hat: Eingabefelder können nicht nur normale Zahlen verarbeiten, sondern auch Ausdrücke wie 1/2 statt 0,5 oder sqrt (pi/3) statt Quadratwurzel von. Für mm kann die Temperatur auf 1-x^2-y^2 vereinfacht werden, also schreiben wir das als:

Nach der Lösung des Problems können wir einen Bericht oder ein Bild für Präsentationszwecke erzeugen (d. h. mit transparentem Hintergrund):

Was ist, wenn wir keinen Ausdruck haben? CAEplex kann 3D-Streudaten interpolieren. Aber der beste Ansatz wäre, die gekoppelte thermisch-mechanische Berechnung durchzuführen, oder?

Nun ja, aber es ist kein echtes „gekoppeltes“ Problem, da (beim linearen Ansatz) der mechanische Teil das thermische Problem nicht beeinflusst. Es handelt sich um zwei miteinander verbundene Probleme.

So first we can solve thermal conduction to obtain the temperature distribution and then read it back from the mechanical problem. Instead of writing an algebraic expression, we pick the thermal project from the combo. Note that it is not needed to have the same mesh in both the mechanical and thermal cases, only the same geometry. Actually the thermal problem should use first order elements while the mechanical problem should use second order ones. Even more, local refinements should be performed at different locations. Traditional FEM programs usually do not allow this kind of flexibility.

Neue Funktionen und Updates in CAEplex

Alle Vorteile, die Sie erhalten, wenn Sie ein zu 100% cloudbasiertes Produkt wie Onshape verwenden (z. B. automatische Updates und unübertroffene Geschwindigkeit), gelten auch für CAEplex. Dies ist aufgrund eines sorgfältigen Bottom-up-Designs möglich. Darüber hinaus hat Seamplex, das Unternehmen hinter CAEplex, auch den kostenlosen Open-Source-Finite-Element-Solver, den es verwendet, von Grund auf neu entwickelt.

Damit kontrolliert Seamplex das gesamte Berechnungsspektrum.

Unser Entwicklungsteam verbessert CAEplex kontinuierlich und fügt neue Funktionen hinzu, sowohl der Benutzeroberfläche als auch dem Solver. Kommende Versionen werden Erweiterungen wie einen Berichtsgenerator, eine parametrische Analyse der Netzkonvergenz, die Berechnung linearisierter ASME-Spannungen und Materialbibliotheken enthalten. Seien Sie gespannt auf einige spannende Ankündigungen in Kürze!

(Oben: Bild eines Wolkenkratzers mit Nietensetzern, die einen Balken befestigen, aus The New York Public Library Digital Collections