Программное обеспечение Z88 FEM

Z88
Разработчик(и)	Фрэнк Риг и команда
Стабильная версия	З88В15ОС ; Z88Аврора V5 ; Z88Арион V3 / 17 июля 2017 г./ 1 апреля 2019 г./ 23 апреля 2018 г.
Репозиторий	github .с /LSCAD /Z88OS ;
Операционная система	Окна , ; Линукс , Юникс , ; Мак ОС Х
Тип	Конечно-элементный анализ
Лицензия	Z88V15 GNU GPL ; Z88Aurora V5 (Кастом)
Веб-сайт	z88 .из

Z88 — это пакет программного обеспечения для метода конечных элементов (МКЭ) и оптимизации топологии. Команда под руководством Франка Рига из Университета Байройта начала разработку в 1985 году, и сейчас программное обеспечение используется несколькими университетами, а также малыми и средними предприятиями . Z88 способен рассчитывать двух- и трехмерные типы элементов линейным подходом. Программный пакет содержит несколько решателей и два постпроцессора и доступен для компьютеров Microsoft Windows , Mac OS X и Unix / Linux в 32-битной и 64-битной версиях. Тесты производительности, проведенные в 2007 году, показали производительность на уровне коммерческого программного обеспечения. ^[1]

История и функциональность

Обзор

Программное обеспечение было разработано Фрэнком Ригом, профессором инженерного проектирования и САПР в Университете Байройта . Первоначально написанная на FORTRAN 77, программа была портирована на язык программирования C в начале 1990-х годов.
Есть две программы для конечно-элементного анализа:

Z88OS (текущая версия 15.0) доступна как бесплатное программное обеспечение, включая исходный код, под лицензией GNU General Public License . Благодаря модульной структуре программы и открытой доступности исходного кода можно разрабатывать индивидуальные расширения и дополнения, а анизотропной оболочки). пользователи разработали несколько специальных 2D- и 3D-элементов сплошной среды (например, элемент ^[2]
Z88Aurora (текущая версия 5.0) первоначально описывала пользовательский интерфейс программы анализа методом конечных элементов Z88. После нескольких дополнений и дальнейшего развития она теперь включает значительно больший набор функций, чем Z88OS. Z88Aurora распространяется бесплатно , однако исходный код не является общедоступным.

С 2014 года также доступны два приложения для Android:

Z88Tina — бесплатная программа ВЭД для смартфонов и планшетов Android. Используя Z88Tina, можно рассчитывать не только фермы и балки, но и элементы сплошной среды, такие как плоские напряженные элементы, пластины и торы.
Z88Mobile бесплатен, как и все продукты Z88. Это приложение предлагает два разных режима (базовый и расширенный) и имеет сенсорный интерфейс.

Семейство продуктов поддерживается программным обеспечением для оптимизации топологии с 2016 года:

Z88Arion — это бесплатная программа для оптимизации топологии, предоставляющая три отдельных алгоритма вычислений (OC: критерии оптимальности, SKO: опция мягкого уничтожения, TOSS: оптимизация топологии для жесткости и напряжения).

Функциональные возможности Z88Aurora

Текущая версия Z88Aurora содержит несколько вычислительных модулей:

В случае линейного статического анализа предполагается, что результат пропорционален приложенным силам.
Нелинейный анализ используется для нелинейной геометрии и нелинейных материалов.
Используя термический и термомеханический анализ, можно не только рассчитать результаты о температуре или тепловых потоках, но также термомеханические смещения и напряжения.
Используя моделирование собственных частот, можно определить собственные частоты и результирующие колебания.
Контактный модуль позволяет моделировать взаимодействующие детали и узлы. Интегрированный инструмент управления деталями позволяет эффективно управлять сборками. Существуют варианты моделирования клеевого соединения или соединения без трения, а также дискретизация контакта (тип контакта: узел-поверхность или контакт поверхность-поверхность), метод математического наложения (метод Лагранжа, метод возмущенного Лагранжа или метод штрафа). ) и направление контактной жесткости (нормальное или тангенциальное) можно изменить в настройках контакта. Этот модуль поддерживает только тетраэдры и шестигранники с линейными или квадратичными функциями формы. Кроме того, модуль доступен только для линейного анализа механической прочности.

Независимо от того, какой модуль был выбран, конечно-элементный анализ с использованием Z88Aurora можно разделить на три области: препроцессор, решатель (процессор) и постпроцессор.

Препроцессор строит модель FE. Можно либо построить конструкцию непосредственно внутри программного обеспечения, используя инструменты Z88Aurora и элементы конструкции, такие как фермы и балки, либо модель можно импортировать из файлов нескольких форматов.Геометрию можно импортировать из файлов STEP (*.STP), файлов STL в ASCII или двоичном формате (*.STL) или файлов Autocad (*.DXF), а данные структуры FE можно импортировать из файлов NASTRAN (*.NAS). Файлы ABAQUS (*.INP), файлы ANSYS (*.ANS) или файлы COSMOS (*.COS). Z88Aurora содержит в общей сложности 25 различных типов элементов, включая 2D-элементы (ферма, балка, плосконапряженные элементы, элементы вала, элементы тора) и 3D-элементы (ферма, балка, линейные и квадратичные тетраэдры и шестигранники). Два генератора сеток с открытым исходным кодом (TetGen, разработанный доктором Ханг Си (WIAS Берлин) и NETGEN, созданный профессором Йоахимом Шоберлем (TU Wien)) создают сетки тетраэдров. Уточнение тетраэдров для существующих сеток тетраэдров (линейных и квадратичных), отображение сетки для структур суперэлементов (шестигранники, оболочки и т. д.), утолщение оболочек, которое создает оболочки столбцов из 2D-элементов оболочки, а также функция обрезки служат для уточнения модели. Управление наборами позволяет легко выбирать поверхности, узлы и элементы для применения граничных условий, определения материалов и т. д. База данных материалов содержит 52 предварительно заданных материала, ее можно редактировать и легко расширять. Различные граничные условия, такие как силы, перемещения, давление и температурные условия, можно применять с помощью графического интерфейса пользователя.

Решающая программа рассчитывает перемещения, напряжения, температуры и узловые силы в зависимости от выбранного вычислительного модуля. анализа методом конечных элементов доступны четыре числовых решателя Для линейного :

Прямой решатель Холецкого с так называемым хранилищем Дженнингса, который полезен (потому что быстро) для малых и средних конструкций, состоящих из ферм и балок,
прямой многопроцессорный решатель разреженных матриц для средних структур и
два итерационных решателя с разными предварительными условиями, использующие разреженную матрицу для хранения больших структур FE.

В стационарных тепловых или термомеханических расчетах используются итерационные решатели или прямые многоядерные решатели.

Нелинейные расчеты выполняются с помощью специального итерационного решателя.Моделирование собственной частоты использует процедуру Ланцоша.

Результаты визуализируются с помощью постпроцессора. Можно отфильтровать результаты или вырезать часть, чтобы просмотреть только соответствующие разделы. Конкретные результаты можно экспортировать в текстовый формат или формат CSV, а функция анализа позволяет отображать результаты, относящиеся к одному узлу. Более того, деформированную структуру можно использовать в других приложениях, экспортировав ее в файл STL.

Программное обеспечение поставляется с пользовательским интерфейсом Windows с контекстно-зависимой онлайн-справкой. Доступны справочники, демонстрирующие использование Z88 и Z88Aurora на примерах.
Бесплатная программа доступна для Windows, Linux и OS X.

Функциональные возможности Z88Arion

Оптимизация топологии осуществляется путем оптимизации существующей структуры в соответствии с заданной целевой функцией путем изменения ее класса топологии в заранее определенном пространстве. Путем удаления материала в подходящих местах создается оптимальная структура. Целью оптимизации топологии является автоматическое создание оптимальной структуры при определенных приложенных силах и граничных условиях в процессе разработки виртуального продукта. ^[3]Проект модели обеспечивает основу. Смещения, напряжения, собственные частоты и колебания рассчитываются посредством структурного анализа и будут учитываться в процессе оптимизации. Именно на этом этапе определяются точная модель и переменные расчета для процесса оптимизации. Здесь определяются не только целевая функция, но также граничные условия и ограничения. Задача оптимизации решается с помощью алгоритма, который повторяет изменения проектных переменных. Результатом является улучшенная черновая модель, которая проходит тот же процесс до достижения оптимального проекта, так называемого проектного предложения.

В зависимости от цели оптимизации топологии можно выбрать два разных метода: ^[4]

Критерии оптимальности (ОК)
Вариант мягкого убийства (ОБУВЬ)
Оптимизация топологии для жесткости и напряжений (TOSS)

Метод OC дает проектное предложение, которое обеспечивает максимальную жесткость по отношению к заранее определенному относительному объему. ^[5] Процесс SKO оптимизируется для достижения максимальной прочности. Алгоритм TOSS был специально разработан командой разработчиков Байройтского университета и может рассматриваться как развитие метода OC. Это гибридный процесс OC и так называемого метода SKO (опция Soft Kill), в котором используется оптимальная жесткая структура, полученная в результате метода OC, и используется она в качестве основы для создания проектного предложения, оптимизированного по нагрузкам. Для этого материал добавляется в зонах повышенного напряжения и удаляется в зонах пониженного напряжения. ^[6]

Определенное проектное предложение отображается в постпроцессоре. Например, пользователь может просматривать различные итерации и изменять пределы представления. Кроме того, начиная с Z88Arion V2, появилась возможность сглаживать полученную структуру и экспортировать ее в формат STL, чтобы обеспечить прямое повторное использование оптимизированной части в других программах. Также имеется прямой интерфейс к Z88Aurora.

Приложение

Применение в преподавании и исследованиях

Z88 используется для обучения студентов-инженеров в Университете Байройта с 1998 года. Возможность ручного создания конструкции и применения граничных условий обеспечивает простую визуализацию функций программного обеспечения FEM. Благодаря открытым источникам файлов программное обеспечение можно использовать в исследовательских целях в областях FE и модифицировать в соответствии с индивидуальными потребностями.

Помимо прочего, Z88 используется для исследований и преподавания в университете Равенсбург-Вайнгартен , ^[7] Университет Янины , ^[8] Пенсильванский государственный университет , ^[9] Университет Буэнос-Айреса , ^[10] Университет Кальяри , ^[11] Университет Марибора , ^[12] и в Университете Зонгулдак-Караэлмас. ^[13] Кроме того, Z88 использовался для написания дипломных работ в университетах Дармштадта, Гамбурга-Харбурга, Мюнхена, Карлсруэ, Берна и Пекина (среди других).

Кроме того, есть два учебника, использующих Z88. Анализ конечных элементов для Ingenieure: Eine leicht verständliche Einführung было продано тиражом более 6000 экземпляров. Этот учебник предназначен для пользователей начального уровня анализа методом конечных элементов и используется как Z88, чтобы позволить пользователю следовать примерам, показанным в книге, в своей собственной системе. В книге Декера «Maschinenelemente - Funktion, Gestaltung und Berechnung» (19-е издание) используются практические приложения с Z88 для обучения расчету элементов машин с помощью анализа методом конечных элементов.

Применение в промышленности

Благодаря подходу с открытым исходным кодом многие приложения используют решатель Z88, его выходные данные и т. д. Помимо прочего, Z88 был адаптирован в программу для расчета точечных сосредоточенных и линейных нагрузок на стеклянные панели при строительстве зданий. Были внедрены процедуры для определения модуля Юнга и прочности древесины на изгиб, а также разработано дополнительное приложение для расчета сосудов под давлением.Примеры компаний, использующих Z88:

Боинг: Системы противоракетной обороны (США),
Теледайн Браун Инжиниринг (США),
Winimac Coil Spring Inc. (США),
Double D Design Ltd. (Новая Зеландия),
РИНСПАНН ГмбХ (Германия),
KTR Hülsentechnik GmbH (Германия) и
Neuson Hydrotec GmbH (Австрия).

Доступность исходного кода и, следовательно, прозрачность применяемых алгоритмов и моделей материалов делают Z88 идеальным в качестве эталонного программного обеспечения для коммерческих инструментов, таких как NASTRAN и ABAQUS .

Литература

Франк Риг, Райнхард Хакеншмидт, Беттина Альбер-Лаукант: Анализ методом конечных элементов для инженеров: основы и практические применения с Z88Aurora . Hanser Fachbuchverlag, Мюнхен/Вена, 2014 г., 5-е издание, ISBN 978-1-56990-487-9 .
Карл-Хайнц Декер: Элементы машин – назначение, конструкция и расчет . Hanser Fachbuchverlag, Мюнхен/Вена 2014, 19-е издание, ISBN 978-3-446-43856-9 .
Франк Риг: Z88 – Компактная система конечных элементов .

Внешние ссылки

Ссылки

^ Ройт, Б; Тролль, А; Риг, Ф (2007). Интегрированный анализ методом конечных элементов (FEA) в трехмерных программах автоматизированного проектирования (CAD) – обзор и сравнение . Париж: ICED.
^ Циммерман, Мартин (2008). Теория и реализация оболочек, связанных с перемещением, как конечных элементов в машиностроении . Шейкер. ISBN 978-3-8322-7528-0 .
^ Фриш, Майкл (2015). Разработка гибридного алгоритма жесткостного и оптимизированного по напряжениям проектирования элементов конструкции . Ахен: Шейкер. ISBN 978-3-8440-4028-9 .
^ Свежий, Майкл; Диз, Кевин; Риг, Фрэнк; Дорнхёфер, А (2016). Дальнейшая разработка и использование процесса оптимизации топологии для повышения эффективности на этапе разработки концепции . Бамберг: НАФЕМС. ISBN 978-1-910643-03-7 .
^ Бендсо, член парламента; Зигмунд, О (2004). Оптимизация топологии . Спрингер. ISBN 3-540-42992-1 .
^ Фриш, Майкл (2015). Разработка гибридного алгоритма жесткостного и оптимизированного по напряжениям проектирования элементов конструкции . Ахен: Шейкер. ISBN 978-3-8440-4028-9 .
^ Использование в Университете Равенсбург-Вайнгартен, факультете машиностроения, лекции «Конечные элементы» под руководством Эдмунда Бема . (по состоянию на 27.08.2012).
^ Института вычислительной механики и оптимизации Использование в Университете Янины, факультет математики Института механики, Греция, лекция «Введение в конечные элементы» под руководством Георгиоса Э. Ставрулакиса (с 2015 года продолжается на странице COMECO в Техническом университете Крита )
^ Институт акустики, Америка, Кэмерон П. Ригор . (видно 27 августа 2012 г.)
^ Инженерный факультет, Аргентина, Численный анализ I. (вид на 27.08.2012.)
^ Университет Кальяри , факультет строительного проектирования, Италия. (видно 27 августа 2012 г.)
^ Факультет машиностроения, Лаборатория интеллектуальных САПР, Словения Боян Долсак . (по состоянию на 27.08.2012).
^ Факультет Бартин Орман, Турция, Гёкхан Гюндюз . (по состоянию на 27.08.2012).

[1] Ройт, Б; Тролль, А; Риг, Ф (2007). Интегрированный анализ методом конечных элементов (FEA) в трехмерных программах автоматизированного проектирования (CAD) – обзор и сравнение . Париж: ICED.

[2] Циммерман, Мартин (2008). Теория и реализация оболочек, связанных с перемещением, как конечных элементов в машиностроении . Шейкер. ISBN 978-3-8322-7528-0 .

[3] Фриш, Майкл (2015). Разработка гибридного алгоритма жесткостного и оптимизированного по напряжениям проектирования элементов конструкции . Ахен: Шейкер. ISBN 978-3-8440-4028-9 .

[4] Свежий, Майкл; Диз, Кевин; Риг, Фрэнк; Дорнхёфер, А (2016). Дальнейшая разработка и использование процесса оптимизации топологии для повышения эффективности на этапе разработки концепции . Бамберг: НАФЕМС. ISBN 978-1-910643-03-7 .

[5] Бендсо, член парламента; Зигмунд, О (2004). Оптимизация топологии . Спрингер. ISBN 3-540-42992-1 .

[6] Фриш, Майкл (2015). Разработка гибридного алгоритма жесткостного и оптимизированного по напряжениям проектирования элементов конструкции . Ахен: Шейкер. ISBN 978-3-8440-4028-9 .

[7] Использование в Университете Равенсбург-Вайнгартен, факультете машиностроения, лекции «Конечные элементы» под руководством Эдмунда Бема . (по состоянию на 27.08.2012).

[8] Института вычислительной механики и оптимизации Использование в Университете Янины, факультет математики Института механики, Греция, лекция «Введение в конечные элементы» под руководством Георгиоса Э. Ставрулакиса (с 2015 года продолжается на странице COMECO в Техническом университете Крита )

[9] Институт акустики, Америка, Кэмерон П. Ригор . (видно 27 августа 2012 г.)

[10] Инженерный факультет, Аргентина, Численный анализ I. (вид на 27.08.2012.)

[11] Университет Кальяри , факультет строительного проектирования, Италия. (видно 27 августа 2012 г.)

[12] Факультет машиностроения, Лаборатория интеллектуальных САПР, Словения Боян Долсак . (по состоянию на 27.08.2012).

[13] Факультет Бартин Орман, Турция, Гёкхан Гюндюз . (по состоянию на 27.08.2012).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]