Stellen Sie sich einen Moment lang vor, Sie würden 1931 ungerührt am Empire State Building arbeiten und so tun, als ob Sie sich um nichts auf der Welt kümmern müssten. Trotz Ihres stoischen Auftretens würden Sie aber wahrscheinlich sicher sein wollen, dass die Ingenieure doppelt und dreifach überprüft haben, ob ihr Gebäudeentwurf statisch einwandfrei ist. Sie würden wissen wollen, dass sie tatsächlich alle Balken berechnet haben, auf denen Sie stehen können und die schließlich viel schwerere Lasten tragen würden. Oder etwa nicht?
Ingenieure wissen seit Galileo Galilei, wie man Balken mit Papier und Bleistift berechnet. Die Euler-Bernoulli-Gleichungen sind leicht auf Wikipedia zu finden. Aber was ist mit dem Testen der Haken, an denen der Balken hängt? Wir könnten annehmen, dass ein Haken ein gebogener Balken mit ungleichmäßigem Querschnitt ist, aber es gibt eine bessere Antwort: Finite Elemente.
Ingenieure lösen Probleme kosteneffizent
Ein Ingenieur hat keinen schicken Hochschulabschluss oder Doktortitel. Ein Ingenieur löst Probleme. Er baut und erschafft Dinge von Grund auf neu.
Der Satz, dass „Ingenieurwissenschaften angewandte Wissenschaften“ sind, hat mich nie überzeugt. Sicher ist es schön, die Unterschiede in den Formulierungen der klassischen Mechanik von Newton und Lagrange zu kennen. Und es ist fantastisch zu wissen, wie man von den Peanos-Axiomen zum Krylov-Unterraum gelangt. Aber wir greifen bei unseren Bemühungen nicht nur auf die Wissenschaft zurück. Wir nutzen das Urteil von Experten, wir wenden unsere Erfahrungen aus der Vergangenheit an, wir fragen andere um Rat und wir bringen eine Menge anderer Tricks mit, wie das ingeniöse unkonventionelles Denken. Das Wort „Ingenieur“ stammt nicht zufällig vom lateinischen „ingenium“.
Jeder kann ganz einfach „große“ Haken bauen. Aber wir Ingenieure bauen die genau „passenden“ Haken (schwer genug und kosteffizient). Wir optimieren unsere Variablen ständig, insbesondere die Zeit und Kosten. Wenn wir es nicht mit gekrümmten, unregelmäßigen Balken zu tun haben, brauchen wir ein Finite-Elemente-Tool zur Simulation (ich würde eher sagen zur Modellierung) der von der Auslegungslast im Haken erzeugten Spannungen. Wir könnten also unser superstarkes und extrem komplexes Finite-Elemente-Analyseprogramm starten und sehen, was passiert! Nun, es gibt noch einen anderen ingenieurfreundlichen Weg.
Innovation und Schranken des Quantumpotenzials
Versuchen Sie sich zu erinnern, was Ihnen in den Sinn kam, als Sie zum ersten Mal von Onshape und CAD in der Cloud hörten. Ich habe damals gedacht: ,Das ist unmöglich.'
Zu meiner Überraschung war es nicht nur machbar, sondern es erwies sich auch als die beste Lösung für CAD-Anwendungen.
Wenn wir unsere Arbeitsweise ändern, müssen wir eine “potenzielle Barriere&rdquo überwinden; ähnlich einem Neutron vor der Einleitung der Spaltung eines Urankerns. Es fállt uns schwer, unsere Komfortzone zu verlassen, den hier verbringen wir die meiste Zeit. Aber die Umstellung von einer Desktop-CAD-Anwendung auf Onshape zahlt sich aus. (Wenn Sie noch nicht umgestellt haben: Vertrauen Sie mir, zahlt sich aus.) Aber der Weg ist nicht einfach. Vielleicht müssen Sie ihre Kollegen erst noch müihsam überzeugen, weil sie ihre gewohnten Pfade nicht verlassen wollen.
Werfen Sie einen Blick auf die Karrikatur oben. Mit wem identifizieren Sie sich?
Die meiste Zeit fühle ich mich wie der Höhlenmensch, der das Rad in seinen Händen hält. Aber ich muss zugeben, manchmal fühle ich mich wie der andere, der hartnäckig versucht, den Karren zu ziehen. Wie steht es mit Ihnen? Und was ist mit dem Management oder Ihren Kollegen in Ihrem Unternehmen?
CAEplex: Einfache Probleme brauchen einfache Lösungen
Sagen wir, Sie folgen den Empfehlungen zum Stand der Technik und entwerfen online einen Haken für einen Kran mit Onshape. Jetzt möchten Sie wissen, wie viele Tonnen der Haken tragen kann. Würden Sie eine komplexe und teure Finite-Elemente-Software und die gesamte erforderliche Hardware kaufen und installieren? Warum sollten Sie für einen einfachen Haken mit Kanonen auf Spatzen schießen? Das klingt weder zeit- noch kosteneffektiv.
Sicher würden Sie lieber eine neue Registerkarte öffnen und diese Spannungen in weniger als einer Minute berechnen:
Seamplex ist Partner von Onshape und der Entwickler von CAEplex, einem benutzerfreundlichen, webbasierten Tool für die Durchführung thermomechanischer Finite-Elemente-Analysen in der Cloud. Es handelt sich um eine vollständig integrierte Anwendung, Sie brauchen Onshape also nicht zu verlassen, wenn Sie Ihre Tests durchführen.
Schauen wir uns an, wie Sie schnell eine Finite-Elemente-Analyse einer Teilestudie in drei einfachen Schritten (eigentlich vier) in Onshape durchführen können. Wenn Sie den ersten Schritt abgeschlossen haben, können Sie die restlichen drei Schritte, die Hauptschritte im CAEplex-Ansatz, nacheinander ausführen.
Schritt 0: Der Anwendungsfall
Wenn Sie CAEplex imOnshape App Store abonniert haben, öffnen Sie das Dokument, das die zu analysierende Teilestudie enthält. Klicken Sie auf das Pluszeichen (+) in der unteren Symbolleiste, navigieren Sie zu „Anwendung hinzufügen“ und wählen Sie „CAEplex“ aus. Es wird eine neue Registerkarte erstellt, in der Sie die Teilestudie auswählen und den Problemtyp wählen können, den Sie lösen möchten: mechanisch oder thermisch.
Schritt 1: Das Problem
Legen Sie die Materialeigenschaften fest und wählen Sie aus, für welche Flächen (oder Kanten oder Punkte) Verschiebungsbedingungen (z. B. fest) und für welche Flächen (oder Kanten oder Punkte) externe Belastungsbedingungen (z. B. einen Druck) gelten sollen.
Sie können auf schwer zugängliche Stellen zugreifen, indem Sie die Geometrie beschneiden oder Oberflächen mit der Symbolleiste rechts ausblenden. Sie können optionale volumetrische Lasten wie das Eigengewicht und/oder eine Temperaturverteilung einbeziehen und dabei die Wärmeausdehnung berücksichtigen.
Schritt 2: Das Gitter
Nach der vollständigen Definiton des kontinuierlichen Problems wird ein Finite-Elemente-Netz erstellt. Tetraeder erster oder zweiter Ordnung können mit verschiedenen 2D- und 3D-Algorithmen erzeugt werden. Sie können sie lokal um bestimmte Flächen, Kanten oder Eckpunkte herum glätten. Für den Fall, dass die Vernetzung fehlschlägt und kein geeignetes Gitter erzeugt werden kann, kontaktieren Sie bitte unseren Support über die Chat-Schaltfläche unten rechts auf unserer Website.
Alle Vernetzungsfehler können durch geeignete Einstellungen und/oder durch leichte Modifikationen der ursprünglichen CAD-Geometrie behoben werden. Denken Sie daran, dass CAEplex auf Einfachheit und Geschwindigkeit ausgerichtet ist. Wenn Sie ein Problem mit vielen Volumenkörpern und komplexen Schnittstellen lösen müssen, sind Sie vielleicht mit dem oben beschriebenen leistungsstarken Tool besser bedient. Oder Sie können sogar ein Tool verwenden, das ganz ohne Vernetzungen auskommt.
Schritt 3: Die Ergebnisse
Wenn CAEplex die Steifigkeitsmatrix erstellt, das lineare Problem gelöst und die Spannungen aus den Knotenverschiebungen berechnet hat, wird in Schritt #3 eine farbige Karte der resultierenden Von-Mises-Spannungen erzeugt.
Die Verschiebungen können durch Ziehen des Schiebereglers leicht verzerrt werden. So können Sie überprüfen, ob die Belastungen das richtige Vorzeichen haben und in die erwarteten Richtungen führen. Ein Vergleich des verzerrten Gitters mit dem Original kann ebenfalls angezeigt werden. Neben den Von-Mises-Spannungen können Sie auch Tresca und die drei Hauptspannungen zusammen mit Verschiebungen als skalare Felder überprüfen. Die Skala kann interaktiv verändert werden und eine vollständige VTK-Datei kann für die weitere Nachbearbeitung in einem Offline-Tool wie ParaView oder Mayavi heruntergeladen werden.
Einfach und leistungsstark – Thermomechanische Probleme
Betrachten wir die thermoelastische Ausdehnung von endlichen Zylindern am Beispiel eines einfachen Zylinders mit Radius in der Ebene, der folgender Temperaturverteilung unterliegt:
Die Frage ist: Wie sehen die Verschiebungen aus, die diese nicht-triviale Temperatur verursacht? Die gute Nachricht ist, dass CAEplex über einen algebraischen Parser verfügt: Die Eingabefelder können nicht nur regulären Zahlen verarbeiten, sondern auch mit Ausdrücken wie 1/2 anstelle von 0,5 oder sqrt(pi/3) anstelle von Quadratwurzel was anfangen. Für mm kann die Temperatur zu 1-x^2-y^2 vereinfacht werden, also schreiben wir das als :
Nach der Lösung des Problems können wir einen Bericht oder ein Bild für Präsentationszwecke erzeugen (d. h. mit transparentem Hintergrund):
Was ist, wenn wir keinen Ausdruck haben? CAEplex kann gestreute 3D-Daten interpolieren. Aber am besten wäre doch, eine gekoppelte thermisch-mechanische Berechnung durchzuführen, oder?
Nun, ja, aber es handelt sich nicht um ein echtes gekoppeltes Problem, denn (beim linearen Ansatz) hat der mechanische Teil keinen Einfluss auf das thermische Problem. Es sind zwei miteinander verbundene Probleme.
Wir können also zunächst die Wärmeleitung lösen, um die Temperaturverteilung zu erhalten, und diese dann aus dem mechanischen Problem ablesen. Anstatt einen algebraischen Ausdruck zu schreiben, wählen wir das thermische Projekt aus der Combo. Beachten Sie, dass es nicht notwendig ist, das gleiche Gitter im mechanischen und thermischen Fall zu verwenden, die Geometrie muss jedoch identisch sein. Eigentlich sollte das thermische Problem Elemente erster Ordnung, das mechanische Problem hingegen Elemente zweiter Ordnung verwenden. Darüber hinaus sollten lokale Glättungen an verschiedenen Stellen durchgeführt werden. Herkömmliche FEM-Programme erlauben diese Art von Flexibilität normalerweise nicht.
Neue Funktionen und Updates in CAEplex
Alle Vorteile, die Sie bei der Verwendung eines 100 % cloudbasierten Produkts wie Onshape genießen (wie z. B. automatische Updates und beispiellose Geschwindigkeit), erhalten Sie auch bei CAEplex. Dies wird mit dem sorgfältigen Bottom-up-Design möglich. Mehr noch: Seamplex, das Unternehmen hinter CAEplex, hat auch seinen eigenen kostenfreien und quelloffenen Finite-Element Solver von Grund auf entwickelt.
Damit kontrolliert Seamplex das gesamte Berechnungsspektrum.
Unser Entwicklungsteam verbessert CAEplex kontinuierlich und fügt neue Funktionen hinzu, sowohl in der Schnittstelle als auch im Solver. Künftige Versionen enthalten Erweiterungen wie einen Berichtsgenerator, eine parametrische Analyse der Netzkonvergenz, die Berechnung von linearisierten ASME-Spannungen und Materialbibliotheken enthalten. Bleiben Sie dran, denn wir haben schon bald einige aufregende Ankündigungen!
(Oben: Bild eines Wolkenkratzers mit Nietensetzern, die einen Balken befestigen, aus The New York Public Library Digital Collections.)