FEM Workbench/de

Einleitung
Der Arbeitsbereich FEM ermöglicht einen modernen Arbeitsablauf zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) innerhalb von FreeCAD, siehe Finite-Elemente-Methode (FEM). Dies bedeutet im Wesentlichen, dass alle Werkzeuge zur Durchführung einer Analyse in einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) zusammengefasst sind.



Arbeitsablauf
Die Schritte zur Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse sind:
 * 1) Vorbereitung: Einrichten des Analyseproblems.
 * 2) Modellierung der Geometrie: Erstellung der Geometrie mit FreeCAD oder Import aus einer anderen Anwendung.
 * 3) Erstellen einer Analyse.
 * 4) Hinzufügen von Simulationsrandbedingungen wie Lasten und starren Einspannungen zum geometrischen Modell.
 * 5) Hinzufügen von Materialien zu Teilen des geometrischen Modells.
 * 6) Erstellen eines Finite-Elemente-Netzes für das geometrische Modell oder Importieren eines Netzes aus einer anderen Anwendung.
 * 7) Berechnung: Ausführen eines externen Lösers aus FreeCAD heraus.
 * 8) Nachbearbeitung: Visualisierung der Analyseergebnisse aus FreeCAD heraus oder Export der Ergebnisse, damit sie mit einer anderen Anwendung nachbearbeitet werden können.

Der Arbeitsbereich FEM kann unter Linux, Windows und Mac OSX eingesetzt werden. Da der Arbeitsbereich mit externen Lösern arbeitet, hängt der Umfang der manuellen Einrichtung von dem Betriebssystem des Benutzers ab. Siehe FEM Einrichtung für Anweisungen zum Einrichten der externen Werkzeuge.





Menü: Modell

 * [[Image:FEM_Analysis.svg|32px]] Analyse-Container: Erstellt einen neuen Behälter (Analysis-Objekt) für eine mechanische Analyse. Wenn in der Baumansicht vor dem Anklicken ein Festkörper ausgewählt wird, wird als nächstes der Vernetzungsdialog geöffnet.

Werkstoffe

 * [[Image:FEM_MaterialSolid.svg|32px]] Werkstoff für Festkörper: Ermöglicht, einen Feststoff aus der Datenbank auszuwählen.


 * [[Image:FEM_MaterialFluid.svg|32px]] Werkstoff für Fluide: Ermöglicht, ein "fließendes Material" (Gas oder Flüssigkeit) aus der Datenbank auszuwählen.


 * [[Image:FEM_MaterialMechanicalNonlinear.svg|32px]] Nichtlinearer mechanischer Werkstoff: Ermöglicht das Hinzufügen eines nichtlinearen mechanischen Materialmodells.


 * [[Image:FEM_MaterialReinforced.svg|32px]] Bewehrtes Material (Beton): Ermöglicht, verstärkte Werkstoffe aus der Datenbank auszuwählen, die aus einer Matrix und einer Bewehrung (Verstärkung, Armierung) bestehen.


 * [[Image:FEM_MaterialEditor.svg|32px]] Werkstoffeditor: Ermöglicht, den Werkstoffeditor zu öffnen, um Werkstoffe zu bearbeiten.



Elementgeometrie

 * [[Image:FEM_ElementGeometry1D.svg|32px]] Trägerquerschnitt: Wird verwendet, um Querschnitte für Balkenelemente zu definieren.


 * [[Image:FEM_ElementRotation1D.svg|32px]] Träger Drehung: Wird verwendet, um Querschnitte von Balkenelementen zu drehen.


 * [[Image:FEM_ElementGeometry2D.svg|32px]] Wandstärke: Wird verwendet, um die Wandstärke für Schalenelemente festzulegen.


 * [[Image:FEM_ElementFluid1D.svg|32px]] Strömungsquerschnitt für 1D-Strömung: Wird verwendet, um einen FEM-Strömungsquerschnitt für pneumatische und hydraulische Netzwerke festzulegen.



Elektromagnetische Randbedingungen

 * [[Image:FEM_CompEmConstraints.png|x32px]] Elektromagnetische Randbedingungen: Dies ist ein Symbolmenü in der Symbolleiste FEM Constraints, das die folgenden Randbedingungen enthält:


 * [[Image:FEM_ConstraintElectrostaticPotential.svg|32px]] Elektrostatisches Potential: Wird zum Festlegen eines elektrostatischen Potentials verwendet.


 * [[Image:FEM_ConstraintCurrentDensity.svg|32px]] Stromdichte: Wird zum Festlegen einer Stromdichte verwendet.


 * [[Image:FEM_ConstraintMagnetization.svg|32px]] Magnetisierung: Wird zum Festlegen einer Magnetisierung verwendet.



Randbedingungen für Strömungen

 * [[Image:FEM_ConstraintInitialFlowVelocity.svg|32px]] Startwert Strömungsgeschwindigkeit: Wird verwendet, um eine anfängliche Strömungsgeschwindigkeit für einen Körper (ein Volumen) zu definieren.


 * [[Image:FEM_ConstraintInitialPressure.svg|32px]] Startwert Druck: Wird verwendet, um einen anfänglichen Druck für einen Körper (ein Volumen) festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintFlowVelocity.svg|32px]] Strömungsgeschwindigkeit: Wird verwendet, um eine Strömungsgeschwindigkeit als Grenzbedingung an einer Kante (2D) oder Fläche (3D) festzulegen.



Geometrische Randbedingungen

 * [[Image:FEM_ConstraintPlaneRotation.svg|32px]] Drehung der Beschränkungsebene: Wird verwendet, um eine Beschränkung der Ebenendrehung auf einer ebenen Fläche festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintSectionPrint.svg|32px]] ConstraintSectionPrint: Wird zur Ausgabe der vorgegebenen "facial output variables" (Kräfte und Momente) in die dat-Datei verwendet.


 * [[Image:FEM_ConstraintTransform.svg|32px]] Transformationsbeschränkung: Verwendet, um eine Transformationsbeschränkung für eine Fläche festzulegen.



Mechanische Randbedingungen

 * [[Image:FEM_ConstraintFixed.svg|32px]] Festsetzen: Wird verwendet, um Punkte, Kanten oder Flächen festzusetzen.


 * [[Image:FEM_ConstraintDisplacement.svg|32px]] Versatz: Wird verwendet, um einen Versatz für Punkte, Kanten oder Flächen festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintContact.svg|32px]] Kontakt: Wird verwendet, um eine Randbedingung Kontakt zwischen zwei Flächen festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintTie.svg|32px]] Verbinder: Wird verwendet, um eine Randbedingung Vebinder (wie ein Kleber- oder Schweißpunkt) zwischen zwei Flächen ("bonded contact") festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintSpring.svg|32px]] Feder: Wird verwendet, um eine Randbedingung Feder festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintForce.svg|32px]] Kraft: Wird verwendet, um eine Kraft in [N] festzulegen, die gleichmäßig auf eine auswählbare Fläche in einer definierbaren Richtung wirkt.


 * [[Image:FEM_ConstraintPressure.svg|32px]] Druck: Wird verwendet, um eine Randbedingung Druck festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintCentrif.svg|32px]] Randbedingung Zentrifugal-Belastung: Wird verwendet, um eine Randbedingung Zentrifugal-Belastung festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintSelfWeight.svg|32px]] Eigengewichtsbeschränkung: Wird verwendet, um eine Schwerkraftbeschleunigung festzulegen, die auf ein Modell wirkt.



Thermische Randbedingungen

 * [[Image:FEM_ConstraintInitialTemperature.svg|32px]] Anfangstemperaturbeschränkung: Wird verwendet, um die Anfangstemperatur eines Körpers festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintHeatflux.svg|32px]] Wärmestrombeschränkung: Wird verwendet, um eine Wärmestrombeschränkung auf einer Fläche(n) festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintTemperature.svg|32px]] Temperaturbeschränkung: Wird verwendet, um eine Temperaturbeschränkung für einen Punkt/Kante/Fläche(n) festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintBodyHeatSource.svg|32px]] Körperwärmequelle beschränken:



Randbedingungen ohne Löser

 * [[Image:FEM_ConstraintFluidBoundary.svg|32px]] Fluid Randbedingungen: Wird zum festlegen einer Fluid-Grenzschicht-Bedingung.


 * [[Image:FEM_ConstraintBearing.svg|32px]] Lagerbeschränkung: Wird verwendet, um eine Lagerbeschränkung festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintGear.svg|32px]] Zahnradbeschränkung: Wird verwendet, um eine Zahnradbeschränkung festzulegen.


 * [[Image:FEM_ConstraintPulley.svg|32px]] Scheibenbeschränkung: Wird verwendet, um eine Scheibenbeschränkung festzulegen.



Überschreiben von Konstanten

 * [[Image:FEM_ConstantVacuumPermittivity.svg|32px]] ElektrischeFeldkonstante: Wird verwendet, um die elektrische Feldkonstante (Permittivität des Vakuums) mit einem selbstgewählten Wert zu überschreiben.



Menü: Netz

 * [[Image:FEM_MeshNetgenFromShape.svg|32px]] FEM Netz aus Form durch Netgen: Generiert ein Finite-Elemente-Netz für ein Modell mit Netgen.


 * [[Image:FEM_MeshGmshFromShape.svg|32px]] FEM Netz aus Form durch GMSH: Generiert ein Finite-Elemente-Netz für ein Modell mit Gmsh.


 * [[Image:FEM_MeshBoundaryLayer.svg|32px]] FEM Netz Grenzschicht: Erzeugt anisotrope Netze für genaue Berechnungen in der Nähe von Grenzen.


 * [[Image:FEM_MeshRegion.svg|32px]] FEM Netzbereich: Erzeugt einen oder mehrere lokalisierte Bereiche für die Vernetzung, wodurch die Analysezeit stark optimiert wird.


 * [[Image:FEM_MeshGroup.svg|32px]] FEM Netzgruppe: Gruppiert und beschriftet Elemente eines Netzes (Knoten, Kante, Fläche) zusammen, nützlich für den Export des Netzes zu externen Lösern.


 * [[Image:FEM_CreateNodesSet.svg|32px]] Knoten Satz: Erstellt/definiert einen Knotensatz aus einem FEM etz.


 * [[Image:FEM_FemMesh2Mesh.svg|32px]] FEM Netz zu Netz: Wandle die Oberfläche eines FEM Netzes in ein Netz um.



Menü: Lösen

 * [[Image:FEM_SolverCalculixCxxtools.svg|32px]] Löser CalculiX Standard: Erstellt einen neuen Löser für diese Analyse.


 * [[Image:FEM_SolverCalculiX.svg|32px]] Löser CalculiX (neuer Aufbau): Gleicht dem originalen Aufbau [[Image:FEM_SolverCalculixCxxtools.svg|32px]] Löser CalculiX Standard mit zusätzlichen Prüfungen.


 * [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Löser Elmer: Erstellt die Löser-Steuerung für Elmer.


 * [[Image:FEM_SolverMystran.svg|32px]] Löser Mystran: Erstellt die Löser-Steuerung für Mystran.


 * [[Image:FEM_SolverZ88.svg|32px]] Löser Z88: Erstellt die Löser-Steuerung für Z88.


 * [[Image:FEM_CompMechEquations.png|x32px]] Mechanische Gleichungen: Dies ist ein Symbolmenü in der Symbolleiste FEM Equations, das die folgenden Gleichungen enthält:


 * [[Image:FEM_EquationElasticity.svg|32px]] Elastizitätsgleichung: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Durchführung linearer mechanischer Analysen.


 * [[Image:FEM_EquationDeformation.svg|32px]] Verformung: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Durchführung nicht linearer mechanischer Analysen (Verformungen).


 * [[Image:FEM_CompEmEquations.png|x32px]] Elektromagnetische Gleichungen: Dies ist ein Symbolmenü in der Symbolleiste FEM Gleichungen, das die folgenden Gleichungen enthält:


 * [[Image:FEM_EquationElectrostatic.svg|32px]] Gleichung Elektrostatik: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Durchführung elektrostatischer Analysen.


 * [[Image:FEM_EquationElectricforce.svg|32px]] Gleichung elektrische Kraft: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Berechnung der elektrischen Kraft auf Flächen.


 * [[Image:FEM_EquationMagnetodynamic.svg|32px]] Gleichung Elektrodynamik: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer für elektrodynamische Berechnungen.


 * [[Image:FEM_EquationMagnetodynamic2D.svg|32px]] Gleichung Elektrodynamik 2D: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer für elektrodynamische 2D-Berechnungen.


 * [[Image:FEM_EquationFlow.svg|32px]] Gleichung Strömung: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Durchführung von Strömungsanalysen.


 * [[Image:FEM_EquationFlux.svg|32px]] Gleichung Fluss: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zur Durchführung von Fluss-Analysen.


 * [[Image:FEM_EquationHeat.svg|32px]] Wärmegleichung: Gleichung für den Löser [[Image:FEM_SolverElmer.svg|32px]] Elmer zum Durchführen von Wärmeübertragungsanalysen.


 * [[Image:FEM_SolverControl.svg|32px]] Löser Auftragssteuerung: Öffnet das Menü zum Einstellen und Starten des ausgewählten Lösers.


 * [[Image:FEM_SolverRun.svg|32px]] Löserberechnungen ausführen: Führt den ausgewählten Löser der aktiven Analyse aus.



Menü: Ergebnisse

 * [[Image:FEM_ResultsPurge.svg|32px]] Ergebnisse bereinigen: Löscht die Ergebnisse der aktiven Analyse.


 * [[Image:FEM_ResultShow.svg|24px]] Ergebnisanzeige: Wird verwendet, um das Ergebnis einer Analyse anzuzeigen. Dieser Dialog ist für den Löser Elmer nicht verfügbar, da dieser Löser nur unter Verwendung von NachbearbeitungPipelineVonErgebnis visualisiert.


 * [[Image:FEM_PostApplyChanges.svg|32px]] Änderungen auf die Pipeline anwenden: Aktiviert oder Deaktiviert, ob Änderungen an der Ergebnis-Pipeline und den Filtern unmittelbar angewendet werden


 * [[Image:FEM_PostPipelineFromResult.svg|32px]] Pipeline aus Ergebnis buchen: Wird verwendet, um eine neue grafische Darstellungen von FEM-Analyseergebnissen (Farbskala und weitere Darstellungsoptionen) hinzuzufügen.


 * [[Image:FEM_PostFilterWarp.svg|32px]] Warp Filter: zum Darstellen der skaliert verzerrten Form eines Modells.


 * [[Image:FEM_PostFilterClipScalar.svg|32px]] Scalar clip filter: zum Beschneiden eines Feldes mit einem bestimmten skalaren Wert.


 * [[Image:FEM_PostFilterCutFunction.svg|32px]] Function cut filter: zum Darstellen der Ergebnisse auf einer Kugel oder Ebene, die durch das Modell schneidet.


 * [[Image:FEM_PostFilterClipRegion.svg|32px]] Region Clip Filter: zum Beschneiden eines Feldes mit einer Kugel oder einer Ebene, die durch das Modell schneidet.


 * [[Image:FEM_PostFilterContours.svg|32px]] Konturen-Filter: zur Darstellung von Iso-(parametrischen-)Linien (für Analysen in 2D) oder Iso-Konturen.


 * [[Image:FEM_PostFilterDataAlongLine.svg|32px]] Line Clip Filter: zum Plotten der Werte eines Feldes entlang einer bestimmten Linie.


 * [[Image:FEM_PostFilterLinearizedStresses.svg|32px]] Stress linearization plot: Erstellt einen Spannungslinearisierungs-Plot.


 * [[Image:FEM_PostFilterDataAtPoint.svg|32px]] Data at point clip filter: zur Darstellung des Wertes eines ausgewählten Feldes an einem gegebenen Punkt


 * [[Image:FEM_CompPostCreateFunctions.png|48px]] Filterfunktionen: Dies ist ein Symbolmenü in der Symbolleiste FEM Results, das folgende Befehle beinhaltet:


 * [[Image:FEM_PostCreateFunctionPlane.svg|32px]] Ebene: Beschneidet das Ergebnisnetz mit einer Ebene.


 * [[Image:FEM_PostCreateFunctionSphere.svg|32px]] Kugel: Beschneidet das Ergebnisnetz mit einer Kugel.


 * [[Image:FEM_PostCreateFunctionCylinder.svg|32px]] Zylinder: Beschneidet das Ergebnisnetz mit einem Zylinder


 * [[Image:FEM_PostCreateFunctionBox.svg|32px]] Quader: Beschneidet das Ergebnisnetz mit einem Quader



Menü: Dienstprogramme

 * [[Image:FEM_ClippingPlaneAdd.svg|32px]] Beschnittebene auf Fläche: Fügt eine Beschnittebene für die gesamte Modellansicht hinzu.


 * [[Image:FEM_ClippingPlaneRemoveAll.svg|32px]] Alle Schnittebenen entfernen: Entfernt alle vorhandenen Schnittebenen.


 * [[Image:FEM_Examples.svg|32px]] FEM Beispiele öffnen: Öffne die GUI, um auf FEM Beispiele zuzugreifen.



Kontextmenü

 * [[Image:FEM_MeshClear.svg|32px]] FEM Netz löschen: Löscht die Netzdatei aus der FreeCAD-Datei. Nützlich, um eine FreeCAD Datei leichter zu machen.


 * [[Image:FEM_MeshDisplayInfo.svg|32px]] FEM Netzinfomation anzeigen: Zeigt die grundlegenden Daten vorhandener Netze an - Anzahl der Knoten und der Elemente von jeder Art

Einstellungen

 * [[Image:Std_DlgPreferences.svg|32px]] Einstellungen...: Einstellungen, die in den FEM Werkzeugen verfügbar sind.

Information
Die folgenden Seiten erläutern verschiedene Themen des FEM Arbeitsbereichs.

FEM Installieren: eine detaillierte Beschreibung, wie die im Arbeitsbereich verwendeten externen Programme eingerichtet werden.

FEM Netz: weitere Informationen zur Erlangung eines Netzes für die Finite Elemente Analyse.

FEM Löser: weitere Informationen über die verschiedenen im Arbeitsbereich verfügbaren und zukünftig einsetzbaren Löser.

FEM CalculiX: weitere Informationen zu CalculiX, dem Standard Löser, der im Arbeitsbereich für die Strukturanalyse verwendet wird.

FEM Beton: interessante Informationen zum Thema Simulation von Betonstrukturen.

Tutorien
Tutorium 1: FEM CalculiX Cantilever 3D; grundlegende, einfach unterstützte Strahlanalyse.

Tutorium 2: FEM Tutorium; einfache Spannungsanalyse einer Struktur.

Tutorium 3: FEM Tutorium Python; einrichten des Cantilever Beispiels vollständig durch Skripting in Python, einschließlich des Netzes.

Tutorium 4: FEM Scherung eines Verbundwerkstoffblocks; siehe die Verformung eines Blocks, der aus zwei Materialien besteht.

Tutorium 5: Transiente FEM Analyse

Tutorium 6: Nachbearbeitung von FEM-Ergebnissen mit Paraview

Tutorium 7: FEM Example Capacitance Two Balls; Elmer's GUI-Tutorium 6 "Electrostatics Capacitance Two Balls", verwendet FEM-Beispiele.

Gekoppelte Tutorien zur thermomechanischen Analyse von openSIM.

Videotutorium 1: FEM Video für Anfänger (einschließlich YouTube-Link)

Videotutorium 2: FEM Video für Anfänger (einschließlich YouTube-Link)

Viele Videotutorien: anisim Open Source Engineering Software (in Deutsch)



Erweiterung des Arbeitsbereichs FEM
Der FEM Arbeitsbereich wird ständig weiterentwickelt. Ein Ziel des Projekts ist es, Wege zu finden, wie man einfach mit verschiedenen FEM Lösern interagieren kann, so dass der Endanwender den Prozess der Erstellung, Vernetzung, Simulation und Optimierung eines Konstruktionsproblems in FreeCAD rationalisieren kann.

Die folgenden Information richtet sich an fortgeschrittene Anwender und Entwickler, die den FEM Arbeitsbereich auf unterschiedliche Weise erweitern möchten. Vertrautheit mit C++ und Python werden vorausgesetzt, ebenso wie einige Kenntnisse des in FreeCAD verwendeten "Dokumentobjekt" Systems; diese Informationen sind im Verteiler für Intensivnutzer und im Verteiler für Entwickler verfügbar. Bitte beachte, dass einige Artikel zu alt und damit veraltet sein können, da sich FreeCAD in der aktiven Entwicklung befindet. Die aktuellsten Informationen werden in den FreeCAD Foren, im Bereich Entwicklung, diskutiert. Für FEM Diskussionen, Ratschläge oder Unerstützung bei der Erweiterung des Arbeitsbereichs sollte sich der Leser auf das FEM Unterforum beziehen.

In den folgenden Artikeln wird erläutert, wie der Arbeitsbereich erweitert werden kann, z.B. durch Hinzufügen neuer Arten von Randbedingungen (Beschränkungen) oder Gleichungen.
 * FEM-Modul erweitern
 * Einarbeitung FEM-Entwickler versucht neuen Entwicklern eine Orientierung zu geben, wie man zum Arbeitsbereich FEM beitragen kann.
 * Tutorium FEM-Beschränkungen hinzufügen
 * Tutorium FEM-Gleichungen hinzufügen

Ein Entwicklerhandbuch wurde geschrieben, um Power-Usern zu helfen, die komplexe FreeCAD-Codebasis und die Interaktionen zwischen den Kernelementen und den einzelnen Workbenches zu verstehen. Das Buch wird bei github gehostet, so dass mehrere Benutzer dazu beitragen und es auf dem neuesten Stand halten können.
 * Frühe Vorschau des ebook: Anleitung für Modulentwickler zur FreeCAD-Quelle (Forum-Thread)
 * FreeCAD Mod Dev Guide (github repository)



Erweitern der FEM Arbeitsbereichsdokumentation

 * Weitere Informationen zur Erweiterung oder fehlenden FEM Dokumentation kann im Forum gefunden werden: Fehlende FEM Dokumentation im Wiki