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FEM CalculiX

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Introduction

Introduzione

Questa pagina raccoglie le informazioni sul risolutore di elementi finiti CalculiX, il risolutore predefinito per l'analisi strutturale e termo-meccanica nell'ambiente FEM a partire da FreeCAD 0.17. A seconda del sistema operativo su cui si sta lavorando, è necessario installare CalculiX prima di eseguire la prima simulazione. Si prega di consultare Installare FEM.

Il risolutore è in grado di eseguire calcoli lineari e non lineari, per problemi statici, dinamici e termici. Il risolutore funziona su un file di input Abaqus (.inp), il che significa che può essere utilizzato con diversi pre-processori che supportano questo formato. Il programma include un proprio preprocessore grafico che, tuttavia, non viene utilizzato da FreeCAD, ma solo dal risolutore.

CalculiX è progettato per funzionare su piattaforme Unix come Linux e Irix ma anche su MS-Windows. CalculiX è stato sviluppato dagli ingegneri di MTU Aero Engines, Monaco di Baviera, Germania, per assisterli nella progettazione di macchinari come le turbine a getto. Il software è attualmente rilasciato al pubblico secondo i termini della GPL versione 2.

Integration with FreeCAD

Integrazione con FreeCAD

L'interazione tra l'ambiente FEM e CalculiX avviene attraverso la scrittura e la lettura di file di testo. La sequenza delle operazioni è la seguente:

  1. Viene creato un file di input CalculiX con i dettagli necessari per eseguire la simulazione.
  2. Viene avviato il risolutore CalculiX con questo file di input.
  3. Viene registrato l'output del solutore.
  4. Vengono letti i file di output del risolutore, se disponibili.
Lo strumento FEM Control Solver gestisce l'intero processo. L'interazione dell'utente nel processo è possibile.

Preprocessing interface

Interfaccia di Pre-processo

Il file di input che CalculiX utilizza può essere preparato e modificato prima dell'avvio del solver. Le unità utilizzate nel file di input sono indipendenti dalle unità impostate in FreeCAD; sono sempre millimetri (mm) e Newton (N).

L'interfaccia di CalculiX supporta i seguenti oggetti:

Finite elements

Elementi FEM

More details about the supported CalculiX elements can be found on the FEM Mesh CalculiX page.

Analysis

Analisi

  • Analisi statica lineare
  • Analisi delle frequenze
  • Analisi termo-strutturale accoppiata

Materials

Materiali

  • Materiale isotropo elastico lineare (uniforme in tutte le direzioni)
  • Materiale multiplo è in fase di sviluppo

Postprocessing interface

Interfaccia di post-processo

L'ambiente FEM può leggere lo stress risultante (Von Mises) e tutti gli spostamenti.

These objects show color maps without legend, but minimum and maximum values can be read from the task panel. Units shown there are adjusted based on the values (e.g. GPa for large stresses, mm for small displacements and so on). FreeCAD reads the results from the *.frd file which was created by CalculiX. If these results contain multiple time steps, each time step is imported to FreeCAD as a new result object. The same behavior applies for Frequency or Buckling analysis with multiple eigenvalues. Each result object contains the mode number or buckling factor value in its name and the DatiEigenmode Frequency property shows the corresponding natural frequency.

The legacy CalculiX implementation also creates a multi-frame "Pipeline_CCX_Results" results pipeline object. The units there are currently inconsistent - the input SI(mm) system is used for most outputs apart from displacements (meters) and stresses (Pascals). So, for example, heat flux units are mW/mm^2.

Results available in the legacy CalculiX solver's pipeline object are:

  • Displacement [m]
  • Displacement magnitude [m]
  • Tresca stress [Pa]
  • Strain xx, xy, xz, yy, yz and zz components [-]
  • Stress xx, xy, xz, yy, yz and zz components [Pa]
  • Major, intermediate and minor principal stress [Pa]
  • Von Mises stress [Pa]
  • Critical strain ratio - for analyses with nonlinear (plastic) materials [-]
  • Equivalent plastic strain - for analyses with nonlinear (plastic) materials [-]
  • Major, intermediate and minor principal stress vector - for analyses with reinforced materials [-]
  • Mohr-Coulomb stress - for analyses with reinforced materials [Pa]
  • Reinforcement ratio x,y,z - for analyses with reinforced materials [-]
  • Mass flow rate - for 1D fluid networks [tonne/s]
  • Network pressure - for 1D fluid networks [Pa]
  • Heat flux - for thermomechanical analyses [mW/mm^2]
  • Temperature - for thermomechanical analyses [K]

The refactored CalculiX implementation ("SolverCalculiX" object created if the "Result object" preference is enabled) creates only a multi-frame "SolverCalculiXResult" results pipeline object. The units there are consistent with input SI(mm) units so displacements are in mm, stresses in MPa, heat flux in mW/mm^2 and so on.

Results available in the refactored CalculiX solver's pipeline object are:

  • Displacement components and magnitude [mm]
  • Stress components and magnitude [MPa]
  • Strain components and magnitude [-]
  • Error [-]
  • Major, intermediate and minor principal stress [MPa]
  • Major, intermediate and minor principal stress direction [-]
  • Von Mises stress [MPa]
  • Tresca stress [MPa]
  • Maximum absolute principal stress [MPa]
  • Heat flux components and magnitude - for thermomechanical analyses [mw/mm^2]
  • Temperature - for thermomechanical analyses [K]
  • Equivalent plastic strain - for analyses with nonlinear (plastic) materials [-]
  • Mass flow rate (MF) - for 1D fluid networks [tonne/s]
  • Network pressure (PS) - for 1D fluid networks [MPa]
  • Potential - for electrostatic analyses [mV]
  • Electric flux density - for electrostatic analyses [C/mm^2]

Reaction forces can be found in ccx_dat_file which contains reaction force components (fx, fy, fz) for each fixed boundary condition and for each displacement boundary condition which constrains translation degrees of freedom. Displacements, reaction forces and moments are also printed there for degrees of freedom constrained at rigid body constraint reference nodes.

The same file contains eigenvalue output for frequency analyses and buckling factor for buckling analyses.

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