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Konverter zur Umwandlung von FEM-Baukasten-Dateien zur Weiterverarbeitung in FEMAP und umgekehrt

Diplomarbeit 2005 59 Seiten

Mathematik - Angewandte Mathematik

Leseprobe

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

9 Bibliographie

10 Hilfsmittel

Danksagung

Meinem Betreuer Prof. Dr. Horst Herrmann bin ich zu besonderem Dank verpflichtet, da er mir ermöglichte, die vorliegende Diplomarbeit „Konverter zur Umwandlung von FEM-Baukasten Dateien zur Weiterverarbeitung in FEMAP und umgekehrt“ anzufertigen. Er hat meine Arbeit in vielen fachlichen Diskussionen stimuliert, aber auch den nötigen Freiraum für die Entwicklung eigener Ideen zugelassen. Mein Dank gilt auch Prof. Dr. Margitta Pries und Dipl.-Ing. Franz Morcinek für die vielfältige Unterstützung beim Zustandekommen meiner Arbeit.

Danken möchte ich meiner Familie, besonders meiner Mutter für die große Hilfsbereitschaft und Unterstützung sowie meiner Freundin Silke Utesch für ihr Interesse, für die Manuskirptdurchsicht, die vielen anregenden Diskussionen, die anspornende Motivation und die liebevolle Unterstützung während der Erstellung der Arbeit.

2 Einleitung

FEM - Finite Elemente Methode

Die nachstehenden Ausführungen sind den Darlegungen von K. Knothe, H. Wessels „Finite Elemente“ entnommen10.

Die Finite Elemente Methode (FEM) wurde in den 60er Jahren von Argyris (Stuttgart und London) und unabhängig davon von Clough (Berkeley) entwickelt. Erste Ansätze gehen weiter zurück, u. zw. auf die Mathematiker Ritz und Courant. Ihre Idee war es, durch einfache Ansatzfunktionen mit noch unbekannten Parametern für Teilgebiete (Elemente) das Gesamtverhalten von komplexen Bauteilen zu beschreiben. Damit wird die Lösung der Differentialgleichung auf die Lösung eines algebraischen Gleichungssystems für die unbekannten Parameter überführt. Die unbekannten Parameter, die es zu bestimmen gilt, sind je nach Problemstellung Verschiebungen, Temperaturen oder magnetische Potentiale. Die Gleichungssysteme können für komplexe Bauteile sehr umfangreich sein. Die Größe spannt sich von einigen tausend Unbekannten bis zu einer Million und mehr in Sonderfällen. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass die FEM sich nur deshalb so weit entwickeln konnte, weil gleichzeitig entsprechende Rechner verfügbar waren.

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.

3 MSC.Nastran for Windows

Nastran wurde von der US-Raumfahrtbehörde NASA entwickelt. Dieses Programm ist ein universell einsetzbares Finite Elemente Programm und damit eines der weltweit führenden FEM-Anwenderprogramme für den PC. Dieses Softwareprogramm ist das Produkt einer über 35-jährigen Entwicklung.

Bei der Verwirklichung des leistungsstarken Entwicklungstools ist die Handhabung, die Rechenzeit sowie das Kosten-Nutzen-Verhältnis optimal vereint worden. Durch die übersichtliche Bedienoberfläche ist MSC.Nastran schnell zu erlernen und bietet somit auch professionellen Benutzern komplexe Berechnungsmöglichkeiten von FEM- Projekten an. Im MSC.Nastran können viele verschiedene Vorgänge simuliert werden. Hierbei ist es möglich, schon in der Entwicklungsphase die physikalisch-technischen Eigenschaften der zu konstruierenden Bauteile bzw. Bauelemente zu betrachten und gegebenenfalls zu verbessern. MSC.Nastran arbeitet unter der Verwendung von FEMAP als Schnittstelle. Somit hat Nastran for Windows eine Schnittstelle für viele andere bedeutende FEM-Programme. FEMAP unterstützt die CAD-Funktionalität des Solid Modelers.

Weiterhin wird FEMAP durch eine Anzahl von vielen universellen Schnittstellen komplimentiert (IGES, STEP und VDA) sowie auch durch direkte Interfaces zu wichtigen CAD-Programmen (CATIA, AutoCAD, Pro/E, SolidEdge, IDEAS, Unigraphics, SolidWorks, …) und hat dadurch eine Schnittstelle zu allen bedeutenden FEM-Programmen in der Industrie.

Die Grafik zeigt den prinzipiellen strukturellen Aufbau des Programms von Nastran.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4 Der FEM-Baukasten

4.1 Allgemein

Der FEM-Baukasten ist ein Berechnungs- und Simulationsprogramm. Das Programm wurde von Prof. Dr. Herrmann und zahlreichen Studenten entwickelt und programmiert, die in diesem Programm Module zur Verbesserung und Optimierung von komplexen Berechnungsmodellen entwickelt haben. Es entstanden dabei immer neue Features, die die Konstruktion und die Berechnung der Modelle wesentlich vereinfacht haben, z.B. Balken mit veränderlichem Querschnitt.

Der FEM Baukasten ist ein Programm mit einer vollständig in Windows integrierten und an Windows-Standards orientierten Benutzeroberfläche. Das Programm wird durch Menüs und Dialoge gesteuert, die sämtliche Funktionen des Programms zugänglich machen sowie durch eine Vielzahl von Toolbuttons, durch die besonders häufig benötigte Programmoperationen sehr effizient zu erreichen sind. Sämtliche Bilder lassen sich über die Zwischenablage in Bildverarbeitungs- und Textverarbeitungsprogramme integrieren.

4.2 Das Dateiformat

Im FB werden als Ausgabe verschiedene Dateien geschrieben. Die wesentlichen Dateien sind:

Die Transferdatei „name.tra“

Die AutoCAD-Datei “name.dxf”

Die Ergebnisdatei “name.erg”

Die Protokolldatei “protokoll.ptk”

Die Datensatzdatei “name.fem”

Der kommentierte und formatgebundene Datensatz eines FEM-Modells steht standardmäßig in einer Datei mit der Namenserweiterung “.fem”. Die Datei dient dazu, ein FEM-Modell zwischen zwei Bearbeitungsschritten mit dem FEM-Baukasten zu speichern. Durch die spaltenorientierte Formatierung und eine ausführliche Kommentierung - die automatisch erzeugt wird - ist der Datensatz dazu geeignet, auch mit Hilfe eines Editors gelesen und / oder bearbeitet zu werden. In diesem sind alle signifikanten Daten enthalten, um ein Modell zu beschreiben und später zu berechnen. Die Dateneinträge können dabei optional sein. Hierzu wird näher im Kapitel 6.2 eingegangen.

5 Das Neutral File Format FEMAP

Die nachstehenden Informationen sind auf der Grundlage der neurat.doc 6Datei zusammengestellt.

5.1 Aufbau des Neutral File Format

Das Datenformat ist einfach strukturiert und relativ einfach zu lesen und zu schreiben. Alle Daten sind in Data Blocks (DB) beschrieben. Diese beginnen immer mit drei Leerzeichen und „-1“ sowie einer ID und enden mit drei Leerzeichen und „-1“.

5.2 Die Formatierung des Neutral File Formates

Das Datenformat ist ein so genanntes „Freies Format“. Alle Dateneinträge innerhalb eines Blocks werden grundsätzlich mit einem Komma getrennt. Weiterhin beginnen alle dazugehörigen Einträge immer in der ersten weiterführenden Zeile ohne Leerzeichen. Es gibt drei Dateneintragsformate:

Integer Werte

Diese Werte werden vorwiegend für die ID der Einträge innerhalb eines DB verwendet. Dabei können die Einträge im Bereich von 1 bis 99.999.999 liegen. Alle anderen Bereiche werden explizit in den einzelnen DB beschrieben. Real Values Bei diesen Einträgen handelt es sich um die Werte innerhalb eines DBs. Diese Einträge können als Gleitkommazahl, z.B. 232,0004 oder als Zahl mit Exponent, z.B. 2,320004e+002 geschrieben werden. Als Einschränkung gilt: Bei den Einträgen darf die maximale Länge einer Datenzeile nicht mehr als 255 Zeichen haben.

Character Strings

Titel oder andere Beschreibungen innerhalb eines DBs können besser dargestellt und identifiziert werden. Wenn kein Eintrag vorhanden ist, schreibt FEMAP den Standardtext “<NULL>”

5.3 Data Block Format

Die nachstehende Tabelle zeigt alle Data Blocks, die von FEMAP 8.2 unterstützt werden. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Blocks ist im neutral.doc6aufgeführt.

Quelle: Tabelle neutral.doc6A-1 bis A-3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

6 Der Konverter

6.1 Vorbetrachtungen

In der Finiten Elemente Methode werden Modelle zur Berechnung in verschiede Softwaretools generiert. Sehr viele Programme nutzen als gemeinsames Interface FEMAP. Mit Hilfe dieser Schnittstellen kann man die zu berechnenden Modelle in

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1

unterschiedlichen Softwareprogrammen auswerten. Im Programm MSC.Nastran gibt es diese Schnittstelle. Im Softwareprogramm FEM-Baukasten (FB) existiert diese Schnittstelle nicht. Um die Modelle in beiden Tools benutzen zu können, muss man einen Dateikonverter entwickeln, der die FEM-Dateien so aufbereitet, das Nastran, das auf der Dateischnittstelle von FEMAP basiert, die Daten lesen kann und umgekehrt. Die Daten sind generell im ACSII Format und können daher mit einem einfachen Texteditor gelesen und verändert werden.

Bei der Entwicklung des Konverters kommen 3 mögliche Bearbeitungsvarianten in Betracht.

1. Variante

Hierbei wird eine Datenzeile aus der Datei des FB (.fem) eingelesen, ausgewertet und in das Dateiformat von FEMAP (.neu) geschrieben und umgekehrt. Da die Dateiformate unterschiedlich aufgebaut sind, ist diese Implementierung umständlich und beinhaltet dazu noch einen Sortieralgorithmus, der auf das jeweilige Dateiformat abgestimmt werden muss.

2. Variante

Die Variante 2. ist vom Aufbau identisch mit der 1. Variante, wobei hier der zu konvertierende Datensatz mehrfach gelesen wird, da eine direkte Umwandlung in das andere Dateiformat nicht möglich ist. Weiterhin werden je nach Konvertierungsrichtung mehrere Sektionen aus dem FB zu einem Data Block in FEMAP benötigt und umgekehrt.

3. Variante

Dieser Aufbau liest den kompletten Datensatz des Modells ein, wertet diesen aus und schreibt diesen in das jeweilige Format.

Bei der Konvertierung des Datensatzes werden nur die signifikanten Sektionen bearbeitet. Im FB sind alle Sektionen dynamisch aufgebaut. Hier werden alle Einträge mit so genannten Zeigern verwaltet. Bei der Übertragung der einzelnen Sektionen werden diese mehrfach gelesen und in unterschiedliche Data Block (DB) aufgearbeitet und einsortiert. Nicht alle Daten können 1:1 übertragen, so werden z.B. in der Materialsektion zusätzlich Materialmatrizen benötigt. Weiterhin sind in der Geometriesektion einige Daten notwendig, die dem Format entsprechend angepasst werden müssen.

Als schwierig gestaltet sich die Organisation einzelner DBs mit Informationen aus den verschiedenen FB Sektionen. Hierbei werden die einzelnen Sektionen im FB mehrfach zur Bearbeitung ausgewertet.

Der Aufbau des Neutral Files ist sehr dynamisch und flexibel. In diesem Dateiformat arbeitet man ausschließlich nur mit Referenzen der einzelnen Objekte - unabhängig von der Nummerierung.

6.1.1 Aufbau des Konverters

Bei der Entwicklung des Dateikonverters wurde auf eine schlichte, einfache und benutzerfreundliche Oberfläche geachtet. Im oberen Teil sind die Konvertierungs- richtungen angegeben. In der Richtung „FEM -> FEMAP“ öffnet sich ein Dialog, in dem man den Datensatz .fem[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] auswählt. Dieser wird dann nach Auswahl bearbeitet, konvertiert und in dasselbe Verzeichnis als .neu Datei geschrieben. Die andere Richtung ist analog. Mit dem Button Details kann man die jeweiligen Sektionen bzw. Data Blocks sehen, die konvertiert wurden. Eine Druckoption für das Ausgabe- feld ist ebenfalls integriert worden.

6.1.2 Arbeitsweise des Konverters

Bei der Entwicklung und Programmierung des Konverters sind beim Aufbau zwei wesentliche Programmstrukturen zu erkennen. Das Programm besteht aus 21 globalen Funktionen und 14 Klassen, in denen die Hauptsegmente der Konvertierung abgearbeitet werden.

Hier wird je nach Auswahl entschieden, welche Methoden und Klassen für die Bearbeitung benötigt werden.

FEM -> FEMAP

Jetzt wird der Button gewählt. Als nächstes wird die Listbox initialisiert und der darin stehende Inhalt gelöscht. Anschließend wird die Methode OEFFNEN aufgerufen. Hier wird das Standard-Dialogfenster geöffnet und der Pfad und der Dateiname ausgewählt und an die nachstehende Funktion LESEN übergeben. In dieser Methode wird der Dateiname ausgewertet und für die Ausgabedatei umgeschrieben.

Im Konverter wird der Name der Datei nicht verändert - nur die Dateinamenerweiterung. In diesem Falle wird aus „Name.fem“ „Name.neu“. Anschließend wird die Methode NEU aufgerufen, in der der konvertierende Datensatz eingelesen wird. In der Methode db100 wird der „Titel“ (Data Block 100) und der „Layer“ (Data Block 413) geschrieben. Des Weiteren folgen die Methoden db402, db404, db506, db507 und db601. Innerhalb dieser Methoden werden mehrere DBs erstellt bzw. abgearbeitet. Parallel läuft das Ereignisprotokoll für die Listbox. Es kann im Nachhinein eingesehen oder ausgedruckt werden.

Da die einzelnen DBs voneinander abhängig sind, wird der Datensatz so aufgearbeitet, dass die Sektionen, die konvertiert werden, in entsprechende Listen an die benötigten Methoden übergeben werden. Dadurch wird die Bearbeitung des Datensatzes wesentlich verkürzt.

FEMAP -> FEM

Analog zur der vorherigen Konvertierungsrichtung werden die gleichen Arbeitsschritte einschließlich der Methode LESEN abgearbeitet. Nachfolgend wird nun die andere Konvertierungsrichtung FEM aufgerufen, und die Parameter werden übergeben. Wie oben beschrieben, werden analog Datenlisten an die entsprechenden Methoden weitergereicht.

6.2 Dateikonvertierung FEM-Baukasten (.fem) nach Neutraldatei (.neu)

6.2.1 Aufbau der .fem Datei

Folgende Ausführungen basieren auf der Hilfedatei des FEM-Baukastens4.

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.

6.2.2 Konvertierungstabelle

Die nachstehenden Tabellen beschreiben die Konvertierungsmöglichkeiten. Hierbei steht links in der Spalte das einlesende Dateiformat, rechts das Ausgabeformat. Hinter jeder Sektion des FB steht das Kapitel, in dem die Konvertierung eingehender betrachtet wird. Rechts steht der Data Block (DB), in dem die signifikanten Daten des FB verarbeitet und ausgewertet und geschrieben werden. Im Neutralfile sind mehrere Einträge in unterschiedlichen DBs nötig, um eine FB Sektion abzuarbeiten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der linken Spalte steht das Dateiformat 1), das konvertiert werden soll. Darunter steht der Sektionsname 2). Unterhalb der Sektion werden die einzelnen Elemente, hier „Sektion Test“ 3) erste Zeile aufgeführt, die konvertiert werden. Daneben - in den eckigen Klammern 4) ist die Position aufgeführt, in der der Wert steht. Hierbei gibt die erste Variable a) die Zeile an, in der der einzulesende Wert steht. Die zweite Variable b) gibt die Position in der Zeile an. Im FB werden die Datenwerte durch Leerzeichen voneinander getrennt.

Im Gegensatz dazu sind die Daten im Neutral File Format mit einem Komma getrennt. Bearbeitete Eingaben werden in das Neutral File Format, rechts in der Tabelle stehend 5), geschrieben. Darunter steht der Data Block 6), dem die Daten zugeordnet werden. „Data Block Test“ 7) ist der Parameter, dem die Konvertierung der „Sektion Test“ entspricht. Die daneben stehende Klammer 8) gibt die Position an, in die der Wert geschrieben werden soll.

Wie beim FB gilt hier folgende Konvention: Der erste Eintrag c) steht für die Zeile im DB. Der zweite Eintrag gibt die Position in der Zeile an. Diese Werte können dabei mehrfach vorkommen. Der Zeilenindex beschränkt sich nur auf die erste eingelesene Zeile, die konvertiert wird. Bei den darauf folgenden Zeilen erhöht sich dementsprechend der Zeilenindex / ID um eins, wenn nicht anderes beschrieben. In der Tabelle stehen nur die Angaben, die konvertiert und benötigt werden - alle anderen Einträge werden nicht behandelt.

6.2.4 Kommentarzeile

Kommentarzeilen im FB beginnen mit “*“. Diese dienen dem Verständnis und werden nicht bearbeitet. Diese Erklärungen werden nicht konvertiert.

FEM-Baukasten Neutral File Format

KOMMENTARZEILE

[...]

Details

Seiten
59
Jahr
2005
ISBN (eBook)
9783638550161
ISBN (Buch)
9783638705790
Dateigröße
3.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v61586
Note
2,0
Schlagworte
Konverter Umwandlung FEM-Baukasten-Dateien Weiterverarbeitung FEMAP

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