Post-Processing of FEM Results with Paraview/fr

Introduction
Certains messages et tutoriels sur le forum utilisent Paraview (PV) pour examiner et analyser les résultats de l' atelier FEM (FEMWB) de FreeCAD. Ce tutoriel explique les bases du transfert de données de FEMWB vers PV et montre certaines des options et des paramètres d'affichage des données.

Prérequis

 * FreeCAD utilisant une version compatible avec la version désignée de ce tutoriel.
 * Paraview téléchargé directement depuis son site web ou votre gestionnaire de paquets préféré.
 * Ce tutoriel est basé sur la version Paraview 5.8.0 pour Windows, qui était la version la plus récente au moment de la rédaction du tutoriel.
 * Les fichiers FreeCAD utilisés pour ce didacticiel sont disponibles dans ici et ici, fil de discussion FreeCAD.

Transfert de données depuis FEMWB
Dans FEMWB, mettez en surbrillance l'objet CCX_Results. Ensuite, utilisez l'option de menu pour exporter les données VTK.

Importation de données dans Paraview
L'écran de démarrage affiche un navigateur de pipeline vide. C'est là que les objets de données VTK importés et les objets de filtre appliqués (pour la géométrie ou les données) seront visibles.

Utilisez l'option de menu pour ouvrir le fichier VTK généré avec FEMWB.



Appuyez sur dans l'onglet des propriétés. Par défaut, cela affichera une vue de dessus (en regardant le long de l'axe z) de la géométrie.

...

La géométrie grise peut être inspectée en faisant pivoter la vue. Le bouton gauche de la souris fait pivoter la géométrie, mais malheureusement d'une manière difficile à contrôler (par rapport à FreeCAD). Pour obtenir une rotation prévisible, maintenez la touche, ou  enfoncée tout en faisant glisser la souris avec le bouton gauche de la souris enfoncé pour faire pivoter le modèle autour de X, Y ou Axe Z, respectivement.



Sauvegarde/état de chargement
Plutôt que d'enregistrer des données, Paraview stocke le statut (état) des actions effectuées sur l'objet VTK importé. Par conséquent, pour enregistrer votre travail, utilisez l'option de menu. REMARQUE: il n'y aura pas d'avertissement lorsque vous quittez Paraview pour enregistrer l'état et tout le travail peut être perdu à la sortie du programme.

Pour continuer là où vous vous étiez arrêté lors de la session précédente, utilisez. Cela invite l'utilisateur à spécifier un fichier VTK, ce qui signifie que les actions effectuées dans la dernière session peuvent également être appliquées à un nouveau fichier VTK. De cette façon, les données de différentes analyses FEMWB peuvent être affichées exactement de la même manière, sans effort supplémentaire.

Visualiser les résultats FEMWB
Paraview propose de nombreuses options et paramètres pour afficher les résultats. Nous allons d'abord regarder l'affichage des données d'importation de base sur la géométrie d'origine et voir ensuite comment appliquer des filtres pour modifier la géométrie. Enfin, nous utiliserons la calculatrice et les filtres d'intégration pour dériver de nouveaux résultats en combinant les données d'importation de base.

Données de base affichées sur la géométrie d'origine
Étant donné que le navigateur de pipeline peut contenir plusieurs objets VTK et objets de filtre, vérifiez d'abord que l'objet VTK de droite est mis en surbrillance dans le navigateur de pipeline. Les sélections et les paramètres d'affichage de cet objet VTK se trouvent désormais dans l'onglet Propriétés. Pour vous assurer que tous les paramètres sont visibles et alignés avec ce didacticiel, appuyez sur le bouton Paramètres avancés (l'icône de la roue dentée sur l'image ci-dessous).



Le premier paramètre que nous pouvons changer est la façon dont les données sont présentées sur la géométrie. Cela se fait dans le menu déroulant Représentation. Pour l'instant, nous n'utiliserons que l'option Surface ou Wireframe.



Jusqu'à présent, aucun résultat n'est affiché. Pour cela, nous devons changer l'option de coloration. La valeur par défaut est Solid Color, mais le menu déroulant affiche toutes les données scalaires disponibles dans le fichier VTK importé.





Aux fins de ce tutoriel, nous choisissons ReinforcementRatio_x mais il est facile de passer à n'importe quel type de données.

La fenêtre RenderView affichera maintenant un iso-plot du type de données sélectionné et une légende de couleur de la plage de données.



La légende des couleurs peut être déplacée à un emplacement plus pratique et changera d'orientation à l'approche des bords de la fenêtre.



Alternativement, les paramètres de la légende des couleurs peuvent être contrôlés de manière très détaillée en ouvrant la boîte de dialogue Modifier les propriétés de la légende des couleurs depuis l'onglet Propriétés (appuyez sur la dernière icône à droite).



Cela ouvre la fenêtre suivante pour les paramètres de légende des couleurs.



La coloration de la carte iso peut être contrôlée via l'éditeur de carte de couleurs qui est activée en appuyant sur le bouton Edit de l'onglet Propriétés:

.

Le paramètre de discrétisation des couleurs est utile pour limiter le nombre de valeurs iso, créant ainsi des plages plus pratiques pour la conception. Le nombre de plages par défaut est 256, mais ici, le nombre est fixé à 10.



Application de filtres aux résultats FEMWB
Pour modifier les données de base ou la géométrie importée de FEMWB, des filtres peuvent être appliqués.

Ici, seuls les filtres Slice et Warp seront discutés. Les filtres permettant de créer des résultats composés à partir des données de base seront abordés dans la section suivante.

Pour appliquer le filtre Slice, mettez en surbrillance l'objet VTK qui doit être tranché et appuyez sur l'icône Slice. Vous pouvez également trouver le filtre Slice dans le menu Filters > Alphabetical. Cela ajoute l'objet filtre Slice au navigateur de pipeline et l'emplacement dans l'arborescence montre qu'il est appliqué à l'objet VTK. La position dans l'arborescence est importante, car les filtres peuvent être appliqués à différents objets VTK ou même à d'autres objets de filtre. L'objet filtre ne peut pas être déplacé dans l'arborescence pour modifier l'objet auquel il s'applique. L'objet cible ne peut être modifié que par le menu (ou en cliquant avec le bouton droit) sur l'option Edit > Change Input.



L'emplacement et l'orientation de la tranche peuvent être modifiés en faisant glisser la tranche et son vecteur normal avec la souris ou via l'onglet Propriétés. Dans la figure ci-dessous, l'origine de la tranche a été placée au centre de la poutre (au-dessus du support central) et la normale au plan pointe dans la direction x.



Pour vous débarrasser des boîtes englobantes, désélectionnez Show Plane box en haut de la boîte de dialogue Paramètres du plan.



Le filtre Warp by Vector peut être utilisé pour afficher la géométrie déformée. Mettez en surbrillance l'objet VTK et appuyez sur l'icône Warp by Vector. Cela ajoute le filtre au Pipeline Browser. Vous pouvez également rechercher le filtre dans le menu Filters > Alphabetical. Sélectionnez ensuite Déplacement dans le menu déroulant Vectors de l'onglet Propriétés et définissez un facteur d'échelle approprié. N'oubliez pas d'appuyer sur le bouton Appliquer après avoir modifié les paramètres.

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La valeur de déplacement maximum est de 0,98 mm.

Pour afficher la géométrie déformée superposée à la géométrie non déformée, il suffit de rendre visible à la fois l'objet VTK et l'objet filtre Warp en cliquant sur l'icône en forme d'œil à côté. Dans l'image suivante, le paramètre de représentation de l'objet VTK a été modifié en filaire et l'opacité réduite à 0,5 pour l'empêcher d'obscurcir la géométrie déformée.



REMARQUE: à mesure que davantage d'objets sont ajoutés au Pipeline Browser et que davantage de fenêtres d'affichage sont ouvertes, il devient de plus en plus important de s'assurer que le bon objet est sélectionné dans le Pipeline Browser et que la fenêtre de droite est mise au point lors de la modification de l'onglet Propriétés. Sinon, beaucoup de temps peut être consacré à la recherche de la bonne propriété ou les modifications apportées aux propriétés peuvent ne pas prendre effet.

Application de filtres pour dériver les résultats composés des données d'importation de base
Si nous voulons connaître la quantité d'acier d'armature dans la poutre dans son ensemble ou la quantité passant à travers une section particulière, nous devons effectuer l'intégration (sommation sur la géométrie) des données de base.

For example, the total volume of reinforcement bars in the beam running in x-direction is obtained from the integral over the full geometry and the total area of reinforcement steel running though a particular beam cross section is obtained from  over a slice.

In Paraview, integration can be done with an Integration Filter. This filter can be applied to the entire VTK object (the beam) or to a Slice (the cross section).

NOTE: due to a mismatch of node ordering between FCFEM and PV, integration over a volume renders negative results, i.e. = - Volume instead of + Volume.

To calculate integrals we need to apply an Integration Filter, which can be found in the menu item Filters > Alphabetical. Highlight the VTK object and apply the filter.



Press the button in the Properties tab and the results will open in a separate window to the right of the Renderview.



Before we tidy this up to find the desired result, i.e., lets first see how we can control where the window is placed and what it contains.

First close the SpreadSheetView window that has opened to the right. Then press the horizontal split icon on the Renderview window and a new window will open with a menu of display options. Before selecting an option, make sure the Integration filter object is highlighted in the Pipeline Browser.



To display numerical results we need to select SpreadSheet View at the bottom of the Create View list. This generates a spreadsheet of all available results in the VTK object integrated over the volume.



To inspect we could scroll to the right through the table, but we can also remove all unwanted results by deselecting them, i.e. deselect All Columns and select ReinforcementRatio_x.

.

Now we are left with just one value in the table of integration results



As explained before this is the negative value of the integral we are looking for. So the indicative total volume of steel required in x direction is 2.27e+06 mm3 (= 2272 cm3) or 2272 cm3 * 7.6 g/cm3 = 17267 g (= 17.3 kg). In practice the number will be higher due to practical considerations (e.g. anchoring requirements, minimum reinforcement requirements, etc.). Nevertheless, this result can be used to compare conceptual designs

The above was an example of the integration of a variable directly exported by FEMWB. In some cases we may want to combine VTK variables to obtain new results. This can be done in several ways, but here I will only discuss the simplest, i.e. with the Calculator Filter.

For example, if we want to know the total reinforcement requirement in all three coordinate directions we would have to sum ReinforcementRatio_x,  ReinforcementRatio_y and  ReinforcementRatio_z.

The Calculator filter can be found as an icon on the left of the filter bar or via the menu Filters > Alphabetical. The name for the resulting variable can be entered in field Result Array Name. Here we name the result Total_Reinforcement_Ratio. The formula can be composed in the box below the Result Array Name field. Input values can be selected from the Scalars drop down menu and they can be combined into a formula for the result using the operators given. After pressing the Apply button, the result will be available as a new variable in any subsequent operations (e.g. an Integration Filter) or views (e.g. RenderView or SpreadSheetView, see below).



For example, we can now apply the integration filter to the new variable Total Reinforcement Ratio



This shows how the total reinforcement requirement compares to those in the individual coordinate directions.

Integration over a Slice
In the previous section we discussed the Integration filter and its application to the entire VTK object. To demonstrate integration over a slice we will in this section determine the total reinforcement requirement and its center of gravity for the central cross section of the beam. The end result is shown in the picture below. The interaction of various objects can be inspected in the Pipeline Browser. The slice filter is applied to the beam VTK object and two Calculator filters are applied to the slice filter to derive the new variables “Reinforcement_ratio_x * z” and “Reinforcement_ratio_x * y” from the base data. These variables need to be integrated to determine the center of gravity of the reinforcement. Finally, Integration filters are applied to each Calculator to integrate results over the Slice. Please refer to the previous section for a general introduction of the Integration filter and its settings.

Apply the following Settings in the Properties tab for the VTK object:



Next highlight the VTK object and apply a Slice filter with the following settings on the Properties tab:



'''Settings Calculator 1

Calculator 1 computes the new variable ReinforcementRatio_x * y which needs to be integrated to obtain the y-coordinate of the reinforcement’s center of gravity.



After pressing Apply, a new variable named “ReinforcementRatio_x * y” is available for display or further processing.

'''Settings Calculator 2

Calculator 2 computes the new variable ReinforcementRatio_x * z which needs to be integrated to obtain the z-coordinate of the reinforcement’s center of gravity.



After pressing Apply, a new variable named “ReinforcementRatio_x * z” is available for display or further processing.

Finally, two Integration filters are applied, one on Calculator1 to integrate variable ReinforcementRatio_x * y and on Calculator2 to integrate  ReinforcementRatio_x * z. Each are displayed in their own window with SpreadSheetView selected. The way to deselect all other results is explained earlier.



Finally the Center of Gravity can be calculated from the above results as:

CoG_y = 55744.2 / 556.277 = 100.2 mm (exact value: 100 mm)

CoG_z = 187144 / 556.277 = 336.4 mm (exact value: 5/6 * 400 mm)

Integration over a Line
To demonstrate visualisation and integration of results over a line we use the 2D example of a heavy wall as introduced in this FC forum thread. The FreeCAD file for this example can be downloaded in this FC forum thread. The challenge is to visualise reinforcement ratio across various vertical cross sections and to determine the required area of steel from integration of those results.

Techniques introduced in previous sections of this tutorial will not be repeated here. It is also important to note again that as more objects are added to the Pipeline Browser and more display windows are open, it becomes increasingly important to ensure that the right object is selected in the Pipeline Browser and the right Window has focus when making changes to the Properties Tab. Otherwise much time can be spent on finding the right property or changes to properties may not seem to take effect.

Starting with the VTK object imported from FEMWB we note that the PV controls operate slightly differently on a 2 dimensional object. The left mouse button drags the geometry and the middle mouse button rotates it. To position the geometry in the plane of analysis (i.e. x-y), press the icon that puts the view along the negative z axis:



For the picture below the Coloring property on the Properties tab for the VTK object was set to ReinforcementRatio_x.

The only additional object required to visualise a variable along a straight line is a Plot Over Line filter. This can be activated from the icon bar or the menu option Filters > Alphabetical.

We next want to display the horizontal reinforcement requirements in the vertical cross section under the column. To achieve this in the way shown below, the following settings need to be changed in the Properties tab of the Plot Over Line filter (make sure the LineChartView window and the Plot Over Line object both have the focus)



Note that the distance along the line (arc length) is usually on the horizontal axis and the variable that we want to display (here ReinforcementRatio_x) on the vertical axis. However, as the wall section in this example is vertical and we want to see the reinforcement requirement over the height of the wall, it is more natural to inverse the axes. This, however, comes at the expense of a lot more changes to the settings in the Properties tab for the Plot Over Line filter.

In the next two picture only the location of the line was changed. Note however that this relocation will automatically change the Left Axis Range > Use Custom Range setting to “select”. This may mean that the graph does not properly fit in the LineChartView window. It is therefore necessary to deselect this option every time the position of the line is changed. Other settings are as per the above table.





The total horizontal reinforcement requirement in the last cross section can now simply be obtained by applying an Integration filter to the Plot Over Line object, i.e. highlight the Plot Over Line object in the Pipeline Browser and add an Integration filter from the menu option Filters > Alphabetical.



In the usual way deselect all but the ReinforcementRatio_x result in the SpreadSheetView and read off the result as 23.11 mm2 / mm. To obtain the total cross sectional area of steel, we still need to multiply with the thickness of the wall, which in this example is (an impressive) 600 mm. So the total cross sectional area of steel running through the cross section near the right hand support is 23.11 * 600 = 13866 mm2 = 139 cm2

To achieve a more practical distribution of reinforcement we could integrate the above graph in parts. For example, if we want to know the required cross sectional area of steel in the top 400mm of the wall then we should adjust the properties of the Plot Over Line object as follows

This yields the following result



The result for the top 400 mm of the wall is thus 8.436 mm2 / mm. So the top 10% of the wall requires 8.44 / 23.11 * 100% = 37% of the reinforcement steel.

This procedure could be repeated to divide the wall in zones of constant reinforcement.

Representation of Vector Results with the Glyph 3D Filter
So far we have only dealt with Scalar values, like reinforcement ratio and displacement magnitude. Visualization of vector results, like Principal Stress vectors, is done with Glyphs.

Let’s return to the VTK data object for the beam with central support and visualize maximum and minimum principal stress vectors.

Highlight the VTK data object in the Pipeline Browser and select the Glyph Filter from the Filter Icon bar or from the menu option Filter > Alphabetical. Then apply the following settings in the Properties tab of the Glyph Filter object (see table and picture):

;

If all goes well you should see the following result for the example file.



Next add another Glyph Filter with the following settings for the Minor Principal Stress (don’t forget to first highlight the VTK data object in the Pipeline Browser):



The final result shows the major and minor principal stress vectors superimposed on the beam with ReinforcementRatio_x.

Export of Graphical Results
To export a RenderView window highlight the window and use menu option