Software Z88 FEM - Z88 FEM software

Z88
VývojářiFrank Rieg a tým
Stabilní uvolnění
Z88V15OS
Z88Aurora V4
Z88Arion V2 / 17. července 2017 / 24. dubna 2017 / 23. dubna 2018
Úložiště
Upravte to na Wikidata
Operační systémOkna,
Linux, Unix,
Mac OS X
TypAnalýza konečných prvků
LicenceZ88V15 GNU GPL
Z88Aurora V4 (vlastní)
webová stránkaz88.de

Z88 je softwarový balíček pro Metoda konečných prvků (FEM) a optimalizace topologie. Tým vedený Frankem Riegem v University of Bayreuth zahájen vývoj v roce 1985 a nyní software používá několik univerzit a také malé a střední podniky. Z88 je schopen vypočítat dva a trojrozměrné typy prvků lineárním přístupem. Softwarový balíček obsahuje několik řešičů a dva postprocesory a je k dispozici pro Microsoft Windows, Mac OS X a Unix /Linux počítače v 32-bit a 64-bit verze. Srovnávací testy provedené v roce 2007 ukázaly výkon srovnatelný s komerčním softwarem.[1]

Historie a funkce

Přehled

Tento software vyvinul Frank Rieg, profesor inženýrského designu a CAD na University of Bayreuth. Původně napsáno v FORTRAN 77, program byl přenesen do programovací jazyk C na počátku 90. let.
Existují dva programy pro analýzu konečných prvků:

  • Z88OS (aktuální verze 15.0) je k dispozici jako svobodný software včetně zdrojový kód pod GNU General Public License. Vzhledem k modulární struktuře programu a otevřené dostupnosti zdrojového kódu je možné vyvíjet přizpůsobená rozšíření a doplňky a několik speciálních 2D a 3D prvků kontinua (např. anizotropní shell element) byly vyvinuty uživateli.[2]
  • Z88 Aurora (aktuální verze 4.0) původně popisovala uživatelské rozhraní programu pro analýzu konečných prvků Z88. Po několika dodatcích a dalším vývoji nyní obsahuje podstatně větší škálu funkcí než Z88OS. Z88Aurora je freeware, avšak zdrojový kód není veřejně dostupný.

Od roku 2014 jsou k dispozici také dvě aplikace pro Android:

  • Z88Tina je freewarový program FEA pro smartphony a tablety Android. Pomocí Z88Tina je možné vypočítat nejen vazníky a nosníky, ale také prvky kontinua, jako jsou prvky rovinného napětí, desky a tori.
  • Z88Mobilní je zdarma, stejně jako všechny produkty Z88. Tato aplikace nabízí dva různé režimy (základní a pokročilý) a má dotykové rozhraní.

Rodina produktů je podporována softwarem pro optimalizaci topologie od roku 2016:

  • Z88Arion je bezplatný program pro optimalizaci topologie a poskytuje tři samostatné algoritmy pro výpočet (OC: Optimality Criteria, SKO: Soft Kill Option, TOSS: Topology Optimization for Stiffness and Stress).

Funkce Z88Aurora

Aktuální verze Z88Aurora obsahuje několik výpočetních modulů:

  • V případě lineární statické analýzy předpokládá se, že výsledek je úměrný použitým silám.
  • Nelineární analýzy se používají pro nelineární geometrie a nelineární materiály.
  • Použitím termální a termomechanické analýzy je možné vypočítat nejen výsledky týkající se teploty nebo tepelných proudů, ale také termomechanická posunutí a napětí.
  • Využitím simulace vlastní frekvence lze určit přirozené frekvence a výsledné oscilace.
  • A kontaktní modul umožňuje simulovat interagující součásti a sestavy. Integrovaný nástroj pro správu dílů umožňuje efektivní zpracování sestav. Existují možnosti simulace lepeného spojení nebo spojení bez tření a diskretizace kontaktů (typ kontaktu: kontakt uzel-povrch nebo povrch-povrch), metoda matematické vyřazení (metoda Lagrangeova, metoda narušeného Lagrangeova nebo penalizace) ) a směr tuhosti kontaktu (normální nebo tangenciální směr) lze změnit pomocí nastavení kontaktu. Tento modul podporuje pouze čtyřstěny a šestihrany s lineárními nebo kvadratickými tvarovými funkcemi. Modul je navíc k dispozici pouze pro lineární mechanické pevnostní analýzy.

Bez ohledu na to, jaký modul byl vybrán, lze analýzu konečných prvků pomocí Z88Aurora rozdělit do tří oblastí: před procesorem, řešitelem (procesorem) a postprocesorem.

Předprocesor vytváří model FE. Je možné budovat strukturu přímo uvnitř softwaru pomocí nástrojů Z88Aurora a pomocí konstrukčních prvků, jako jsou vazníky a nosníky, nebo lze model importovat z několika formátů souborů. Geometrie lze importovat ze souborů STEP (* .STP), STL soubory v ASCII nebo binárním formátu (* .STL) nebo soubory Autocad (* .DXF), zatímco data struktury FE lze importovat ze souborů NASTRAN (* .NAS), ABAQUS (* .INP), ANSYS (* .ANS) ) nebo soubory COSMOS (* .COS). Z88Aurora obsahuje celkem 25 různých typů prvků, včetně 2D prvků (nosník, nosník, prvky rovinného napětí, prvky hřídele, prvky torus) a 3D prvků (nosník, nosník, lineární a kvadratické čtyřstěny a šestihrany). Dva sítě typu open source (TetGen, Dr. Hang Si (WIAS Berlin) a NETGEN, prof. Joachim Schöberl (TU Wien)) generují čtyřstěnné sítě. Ke zdokonalení modelu slouží čtyřstěnný rafinér pro existující čtyřstěnná oka (lineární a kvadratická), mapovaný síť pro superelementové struktury (šestihrany, skořápky atd.), Zahušťovač skořepiny, který vytváří skořápky sloupců z 2D prvků skořepiny. Správa sady umožňuje snadný výběr povrchů, uzlů a prvků pro použití okrajových podmínek, definování materiálů atd. Databáze materiálů obsahuje 52 předdefinovaných materiálů a je editovatelná a lze ji snadno rozšířit. Pomocí grafického uživatelského rozhraní lze použít různé okrajové podmínky, jako jsou síly, posunutí, tlak a tepelné podmínky.

Řešitel vypočítává posuny, napětí, teploty a uzlové síly v závislosti na vybraném výpočetním modulu. Pro numerické pole jsou k dispozici čtyři numerické řešiče lineární analýza konečných prvků:

  • Přímý řešič Cholesky s takzvaným Jenningsovým úložištěm, který je užitečný (protože rychlý) pro malé a střední struktury složené z vazníků a nosníků,
  • přímý řešič řídké matice více procesorů pro střední struktury a
  • dva různě předem připravené iterační řešiče využívající ukládání řídkých matic pro velké struktury FE.

Stacionární tepelné nebo termomechanické výpočty používají iterativní řešiče nebo přímý vícejádrový řešič.

Nelineární výpočty se provádějí pomocí speciálního iteračního řešiče. Simulace přirozené frekvence používá postup Lanczos.

Výsledky jsou vizualizovány pomocí postprocesoru. Je možné filtrovat výsledky nebo oříznout část, aby se zobrazily pouze příslušné oddíly. Konkrétní výsledky lze exportovat do textového nebo CSV formátu a analytická funkce umožňuje zobrazení výsledků vztahujících se k jednomu uzlu. Deformovanou strukturu lze navíc použít v jiných aplikacích tak, že ji exportujete do souboru STL.

Tento software je dodáván s uživatelským rozhraním systému Windows s kontextovou nápovědou online. K dispozici jsou příručky, které na příkladech demonstrují použití Z88 a Z88Aurora.
Freeware je k dispozici pro Windows, Linux a OS X.

Funkce Z88Arion

Optimalizace topologie se provádí optimalizací existující struktury směrem k dané cílové funkci změnou její třídy topologie v předem definovaném prostoru. Odstraněním materiálu na vhodných místech se vytvoří optimální struktura. Cílem optimalizace topologie je automatické vytvoření optimální struktury za definovaných aplikovaných sil a okrajových podmínek v procesu vývoje virtuálního produktu.[3]Základ poskytuje návrhový model. Posunutí, napětí a přirozené frekvence a oscilace se počítají strukturální analýzou a budou brány v úvahu procesem optimalizace. V tomto okamžiku jsou definovány přesné proměnné modelu a návrhu pro proces optimalizace. Zde jsou definovány nejen cílové funkce, ale také okrajové podmínky a omezení. Problém s optimalizací je vyřešen algoritmem, který iteruje variace návrhových proměnných. Výsledkem je vylepšený model konceptu, který prochází stejným procesem, dokud není dosaženo optimálního konceptu, tzv. Návrhového návrhu.

V závislosti na cíli optimalizace topologie lze zvolit dvě různé metody:[4]

  • Kritéria optimality (OC)
  • Možnost Soft Kill (SKO)
  • Optimalizace topologie pro tuhost a napětí (TOSS)

Metoda OC vytváří návrhový návrh, který obsahuje maximální tuhost ve vztahu k dříve definovanému relativnímu objemu.[5] Proces SKO se optimalizuje pro maximální sílu. Algoritmus TOSS byl speciálně vyvinut vývojovým týmem na univerzitě v Bayreuthu a lze jej chápat jako pokrok v OC metodě. Jedná se o hybridní proces OC a takzvanou SKO metodu (Soft Kill Option) a využívá optimální tuhou strukturu vyplývající z OC metody a používá ji jako základ pro vytvoření návrhově optimalizovaného návrhu napětí. K tomu je materiál přidáván do přetížených oblastí a odstraňován v oblastech pod napětím.[6]

Určený návrh se zobrazí v postprocesoru. Uživatel se může například podívat na různé iterace a měnit limity prezentace. Kromě toho je od verze Z88Arion V2 možné vyhladit výslednou strukturu a exportovat ji jako STL, aby bylo zajištěno přímé opětovné použití optimalizované součásti v jiných programech. K dispozici je také přímé rozhraní k Z88Aurora.

aplikace

Aplikace ve výuce a výzkumu

Z88 se používá ke vzdělávání studentů strojírenství na univerzitě v Bayreuthu od roku 1998. Možnost manuálního vytvoření struktury a aplikace okrajových podmínek umožňuje jednoduchou vizualizaci funkce softwaru FEM. Díky otevřeným zdrojům souborů lze software použít pro výzkumné účely v oblastech FE a lze jej upravit tak, aby vyhovoval individuálním potřebám.

Z88 se mimo jiné používá pro výzkum a výuku na VŠE University Ravensburg-Weingarten,[7] the University of Ioannina,[8] the Penn State University,[9] the Universidad de Buenos Aires,[10] the University of Cagliari,[11] the University of Maribor,[12] a na Zonguldak Karaelmas Üniversitesi.[13] Navíc se Z88 používá pro diplomové práce na univerzitách v Darmstadtu, Hamburku-Harburgu, Mnichově, Karlsruhe, Bernu a Pekingu (mimo jiné).

Kromě toho existují dvě učebnice používající Z88. Analýza konečných prvků pro inženýrství: Eine leicht verständliche Einführung se prodalo přes 6000 kopií. Tato učebnice je určena pro základní uživatele analýzy konečných prvků a používá Z88 k tomu, aby uživatel mohl následovat příklady uvedené v knize na svém vlastním systému. Kniha Maschinenelemente - Funktion, Gestaltung und Berechnung autor Decker (19. vydání) používá praktické aplikace s Z88 k výuce výpočtu prvků stroje s analýzou konečných prvků.

Aplikace v průmyslu

Díky přístupu Open Source používá mnoho aplikací řešič Z88, jeho grafický výstup atd. Z88 byl mimo jiné upraven do programu pro výpočet bodového a lineárního zatížení na skleněné tabule ve stavebnictví. Byly zavedeny rutiny ke stanovení Youngova modulu a pevnosti v ohybu dřeva a byla vyvinuta dílčí aplikace pro výpočet tlakových nádob. Příklady společností využívajících Z88 jsou

  • Boeing: Systémy protiraketové obrany (USA),
  • Teledyne Brown Engineering (USA),
  • Winimac Coil Spring Inc. (USA),
  • Double D Design Ltd. (Nový Zéland),
  • RINGSPANN GmbH (Německo),
  • KTR Kupplungstechnik GmbH (Německo) und
  • Neuson Hydrotec GmbH (Rakousko).

Díky dostupnosti zdrojového kódu a tím i transparentnosti použitých algoritmů a materiálových modelů je Z88 ideální jako referenční software pro komerční nástroje, jako jsou NASTRAN a ABAQUS.

Literatura

  • Frank Rieg, Reinhard Hackenschmidt, Bettina Alber-Laukant: Analýza konečných prvků pro inženýry: Základy a praktické aplikace se Z88Aurora. Hanser Fachbuchverlag, Mnichov / Vídeň 2014, 5. vydání, ISBN  978-1-56990-487-9.
  • Karl-Heinz Decker: Maschinenelemente - Funktion, Gestaltung und Berechnung. Hanser Fachbuchverlag, Mnichov / Vídeň 2014, 19. Auflage, ISBN  978-3-446-43856-9.
  • Frank Rieg: Z88 - Das kompakte Finite Elemente System.

externí odkazy

Reference

  1. ^ Roith, B; Troll, A; Rieg, F (2007). Integrovaná analýza konečných prvků (FEA) v trojrozměrných programech počítačového navrhování (CAD) - přehled a srovnání. Paříž: ICED.
  2. ^ Zimmermann, Martin (2008). Theorie und Implementierung verschiebungsbezogener Schalen jako konečný Elemente im Maschinenbau. Třepačka. ISBN  978-3-8322-7528-0.
  3. ^ Frisch, Michael (2015). Entwicklung eines Hybridalgorithmus zur Steifigkeits- und spannungsoptimierten Auslegung von Konstruktionselementen. Cáchy: Třepačka. ISBN  978-3-8440-4028-9.
  4. ^ Frisch, Michael; Deese, Kevin; Rieg, Frank; Dörnhöfer, A (2016). Weiterentwicklung und Einsatz eines Verfahrens zur Topologieoptimierung zur Effizienzsteigerung in der Konzeptphase. Bamberg: NAFEMS. ISBN  978-1-910643-03-7.
  5. ^ Bendsoe, M.P .; Sigmund, O (2004). Optimalizace topologie. Springer. ISBN  3-540-42992-1.
  6. ^ Frisch, Michael (2015). Entwicklung eines Hybridalgorithmus zur Steifigkeits- und spannungsoptimierten Auslegung von Konstruktionselementen. Cáchy: Třepačka. ISBN  978-3-8440-4028-9.
  7. ^ Použití na University Ravensburg-Weingarten, Fakulty strojní, přednáška Konečné prvky, pod Edmund Böhm. (jak je vidět na 27/08/2012.)
  8. ^ Využití na University of Ioannina, Katedra matematického ústavu pro mechaniku, Řecko, přednáška Úvod do konečných prvků, pod vedením Georgios E. Stavroulakis (od roku 2015 pokračuje na Ústavu výpočetní mechaniky a optimalizace Stránka COMECO na Technická univerzita na Krétě )
  9. ^ Institute for Acoustics, America, Cameron P. Reagor. (jak je vidět na 27/08/2012.)
  10. ^ Facultad de Ingenieria, Argentina,Analisis Numerico I. (jak je vidět na 27/08/2012.)
  11. ^ L’Universita Di Cagliari „Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Itálie. (Viděno 27. 8. 2012)
  12. ^ Fakulta strojního inženýrství, laboratoř pro inteligentní CAD systémy, Slovinsko Bojan Dolsak. (jak je vidět na 27/08/2012.)
  13. ^ Fakulta Bartin Orman, Turecko, Gökhan Gündüz. (jak je vidět na 27/08/2012.)