Von Eva, einer griechischen Göttin und kostenloser FEM Software

In diesem Artikel lernen Sie

• Die vielleicht professionellste kostenlose FEM Software kennen
• Einen Vergleich zu Z88 und FreeCAD
• Die Installationsanleitung kennen
• den Unterscheid zu Code_Aster und Salome-Meca kennen

Inhalt

• Grundlagen
  • Präprozessor Salome-Meca
  • Solver Code_Aster
  • Postprozessor Salome-Meca
  • Fazit
• Hintergrund
  • Code_Aster
  • Salome-Meca
  • Vergleich zu kommerzieller Software
  • Qualitätssicherung
• Salome-Meca
  • Inhalt
  • Download und Installation
  • Forum
  • Praxisbeispiel
• Beginner Guide
• Zusammenfassung

1 Grundlagen: Salome-Meca oder Code_Aster??

Eine moderne FEM Software arbeitet nach dem EVA-Prinzip. Das ist das Grundprinzip der Datenverarbeitung: Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe der Daten. Jeder dieser Schritte besteht aus einem separaten Programm. Allerdings sind bei einer modernen, anwendungsfreundlichen FEM Software diese drei Schritte in einer Software zusammengefasst. Deshalb kann man diese drei Programme oftmals nicht voneinander unterscheiden und nimmt „nur“ die übergeordnete Software wahr.

Bei der Kostenlosen FEM Software die wir hier vorstellen übernimmt

• Code_Aster die Rolle der Verarbeitung, des Solvers und
• Salome-Meca die Rolle der übergeordneten Sofware (also Preprozessor und Postprozessor sowie die grafische Oberfläche)

Schauen wir uns das Vorgehen einer linearen FEM Berechnung beispielhaft an:

1.1 Eingabe: das ist der Päprozessor

Für eine Anwendungsfreundliche FEM Berechnung werden heutzutage die Geometriedaten aus einem CAD Programm eingelesen. Hierfür nutzt man CAD-Schnittstellen wir STEP, IGES, oder BREP. Ein CAD Modell besteht aus Linien, Flächen oder Volumen. Siehe folgende Bild.

Der CAD Import bei der kostenlosen FEM Software Salome-Meca

In Gegensatz dazu hat ein FEM Modell nur die äußere Form des CAD Modells, besteht aber aus vielen kleinen Elementen endlicher Größe. Den finiten Elementen. Deshalb wird mit Hilfe eines Vernetzungsmoduls aus einem CAD-Modell ein FEM-Modell erstellt. Dazu muss die Art der Finiten Elemente (Hexader, Tetraeder,…), und deren Größe (die richtige Netzfeinheit) festgelegt werden.

Die vernetzte Geometrie für eine FEM Simulation

Für eine lineare FEM Berechnung sind außerdem noch die Materialdaten einzugeben. Bei einer Mechanischen Berechnung im Sinne der Betriebsfestigkeit sind das das Materialverhalten (der E-Modul), die Querkontraktionszahl und die Dichte.

Im Letzen Schritt des Präprozessings werden die Randbedingungen definiert. Dafür werden die Lasten (Kräfte, Momente, Beschleunigungen,…) und die Festhaltungen (Verschiebungen, Einspannungen,…) an dem  FEM-Modell festgelegt.

Diese Aufgabe übernimmt Salome-Meca.

1.2 Verarbeitung: das ist der Prozessor / Solver / Gleichungslöser

Als Berechnungsingenieure sind wir ja an den Spannungen und Dehnungen im Bauteil interessiert. Deshalb wird im Solver / Gleichungslöser aus dem FEM Modell für jedes finite Element die Spannungen, Verformungen und Dehnungen berechnet. Gespeichert werden die Ergebnisse in umfangreichen Matritzen.

Diese Aufgabe übernimmt Code_Aster.

1.3 Ausgabe: das ist der Postprozessor

Die Ergebnisse aus dem Gleichungslöser liegen „nur“ in Matrizenform (tabellarisch) vor und sind somit für den Anwender kaum nutzbar. Deshalb werden die berechneten Spannungen, Verformungen und Dehnungen (bei einer mechanischen FEM Berechnung) mit Hilfe des Postprozessors grafisch dargestellt. Hier lassen sich auch z.B. Vergleichsspannungen anzeigen. Siehe folgende Abbildung.

Diese Rolle übernimmt Salome-Meca.

Darstellung der FEM Ergebnisse (Spannungen) in Salome-Meca

1.4 Fazit

Code_Aster ist der Solver, welcher für ein gegebenes FEM-Modell bestehend aus den finiten Elementen den Materialeigenschaften und den Randbedingungen die Spannungen und Dehnungen berechnet.

Das kostenlose FEM-Programm Salome-Meca ist dagegen die komplette FEM Software bestehend aus Preprozessor, Solver und Postprozessor. Mit dieser können

• CAD Daten eingelesen,
• FEM-Modelle erstellt,
• Randbedingungen aufgebracht,
• Spannungen / Dehnungen berechnet und
• grafisch dargestellt werden.

Salome-Meca stellt also für den Anwender die eigentlich interessante Software dar. Diese beinhaltet den Solver Code_Aster.

2 Hintergrund

Beide Programme, Code_Aster und Salome-Meca sind kostenlos. Da stellt sich ja die Frage: warum sollte jemand überhaupt eine kostenlose FEM-Software anbieten? Da muss doch ein Haken dran sein!

Deshalb schauen wir uns die Hintergründe zu beiden Programmen an.

2.1 Code_Aster

Der zweitgrößte Stromversorger der Welt, die stattliche französische Elektrizitätsgesellschaft Électricité de France (EDF) ist Betreiber mehrerer (Kern-)Kraftwerke. Um diese sicher auszulegen nutzte EDF bei der Simulation unter anderem die Finite Elemente Methode.

Allerdings wurde eine 100%-ige Nachverfolgbarkeit der Berechnungsergebnisse bei der Simulation von Nukleartechnik gefordert, die mit kommerziellen FEM-Programmen nicht gewährleistet werden konnte. Deshalb entwickelte EDF eine eigene FEM-Software (Code_Aster) für den internen Gebrauch. 1999 wurde die Software dann als freie Software veröffentlicht.

Ziel der Veröffentlichung ist es, eine größere Gemeinschaft von der Nutzung zu überzeugen. Denn dann – so die Erwartung – profitiert man von dem Feedback der Nutzer und macht damit die Weiterentwicklung attraktiver.

Insbesondere im französischsprachigen Raum und zunehmen in englischsprachigen Gebieten setzt sich Salome-Meca und Code_Aster mehr und mehr durch. Und langsam auch hier in Deutschland!

2.2 Salome-Meca

Salome-Meca ist wie gesagt der Pre- und Postprozessor für eine FEM Berechnung. Um eine komplette Software anzubieten wird außerdem der Solver Code-Aster integriert. Damit kann ein Anwender den kompletten Simulationsworkflow durchlaufen.

Wie Code_Aster wird auch Salome-Meca von der französischen Elektrizitätsgesellschaft EDF weiterentwickelt. Salome-Meca ist dabei das FEM-Programm, mit dem bei EDF Betriebsfestigkeitsberechnungen, Sicherheitsnachweise von Nuklearreaktoren, Simulationen von Turbinenvibrationen und ähnliches durchgeführt werden.

Es beinhaltet eine Möglichkeit CAD-Modelle zu erstellen oder einzulesen, zu vernetzten, Lasten aufzubringen und natürlich die Ergebnisse zu visualisieren. Dazu steht eine sehr schöne grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung.

Salome-Meca (eigentlich Salomé-Méca) ist das Modul von Salome, mit dem mechanische Analysen (daher der Begriff Méca vom französichen mécanique für mechanisch) durchgeführt werden können. Es gibt hier auch noch weitere Module wie Salome_Hydro, mit dem hydraulische Analysen erfolgen oder Salome-CFD für Strömungssimulationen. Der Name Salome ist der Name einer griechischen Göttin.

2.3 Vergleich zu kommerzieller Software

Speziell bei der Entwicklung der Druckwasserreaktoren von Kernkraftwerken wurde die FEM-Software eingesetzt. Bei Softwarevergleichen von Simulationsprojekten zur Reaktorsicherheit konnte nachgewiesen werden, dass die kostenlose FEM-Software Code_Aster kommerziellen FEM-Programmen mindestens ebenbürtig ist!

Natürlich kann Salome-Meca nicht ganz mit einer professionellen Software wie Ansys mithalten, was die Bedienung und Stabilität angeht.

2.4 Qualitätssicherung und Weiterentwicklung

Bei kostenlosen FEM Software Paketen gibt es aus meiner Sicht immer zwei Pferdefüße. Zum einen muss eine regelmäßige Weiterentwicklung sichergestellt werden und zum anderen gilt es die Software regelmäßig auf Fehlerfreiheit zu testen.

Beides kann normalerweise nur eine kommerzielle Software liefern. ABER: Code_Aster/Salome-Meca haben hier ein paar gewichtige Vorteile:

• EDF treibt bei der Nukleartechnik die Weiterentwicklung voran,
• Zulieferer von EDF nutzen die Software,
• 20 Ingenieure arbeiten an der Weiterentwicklung,
• 6000 Tests zur Validierung,
• Support von 70 Ingenieur aus Industrie, EDF und Forschung,
• jedes Jahr eine neue Version,
• Umfangreiche Community,
• 144 000 Downloads in 2018.

Dies zeigt, dass diese FEM-Software den beiden anderen kostenlosen FEM Programmen (Z88, FreeCAD) bei weitem überlegen ist.

3 Kostenlose FEM Software Salome-Meca

3.1 Inhalt und Umfang

Insgesamt ist Salome-Meca ein extrem umfangreiches Softwarepaket. Insgesamt sind folgende Themen abgebildet:

• maschinenbautypischen Fragestellungen
  • Statisch und quasistatische Analysen
  • Linear oder nichtlineares Materialverhalten
  • Nichtlineare Geometrie (große Verformungen)
  • Dynamisches Verhalten (Modalanalysen, Harmonische Antworten, Schock, )
  • Baugruppen (Kontakte, Reibung)
  • Thermische Analysen (transient und linear)
  • Akustische Bewertungen
• Bauingenieure
  • Seismische Fragestellungen
  • Beton
• Bruchmechanik und Fatigue
  • Risswachstum
  • Schadensakkumulation
  • Lebensdauerberechnung (Low Cycle Fatigue und High Cycle Fatigue!)
• Mulitphysics
  • Kopplung mehrerer Phänomene

Man sieht, dass Salome-Meca eine extrem umfangreiche FEM-Software ist. Sie ist damit eine erste Alternative zu den vielen FE-Programmen die z.B. in CAD Systemen integriert sind und bietet einen super Einstieg in die FEM. Wahrscheinlich werden 80..90% der praktischen Problemstellungen mit dieser Software abzudecken sein.

Bleibt die Frage: wo bekomme ich das FEM-Programm her?

3.2 Download und Installation Salome-Meca für Windows

Jede Software beginnt mit deren Installation:

1. Hier finden Sie den Salome-Meca Download für Windows und alle bisherigen Versionen von Salome-Meca für Windows. Idealerweise wählen Sie die neueste Version aus.
   WICHTIG: NICHT Code_Aster herunterladen, denn das ist nur der Solver!
2. Entpacken Sie die zip-Datei mit Ihrem Zip-Programm. Es öffnet sich das folgende Fenster.
   Geben Sie hier den Pfad ein, in den die Daten entpackt werden sollen.
   WICHTIG: der Pfad darf keine Sonderzeichen (z.B. ö,Ü,…) enthalten.
   
3. Es öffnet sich das Verzeichnis mit den folgenden Ordnern:
   
4. Wechseln Sie in den Ordner „WORK“
5. Führen Sie die Datei „run_slome.bat“ aus.
6. Geschafft! Es öffnet sich Salome_Meca:
   

3.3 Forum und Hilfe

Sollten Fragen offen sein, so gibt es eine recht rege Community, die sich in Foren regelmäßig austauscht:

• Salome-Meca Forum
• Code_Aster Forum

3.4 Ein Praxisbeispiel

Hier finden Sie ein Praxisbeispiel eines FEM Projektes das komplett mir Salome-Meca bearbeitet wurde.

Ein Beispiel einer nichtlinearen FEM-Analyse mit der FEM Software Salome-Meca

Aufgabe war die Simulation des Umformprozesses eines Rohres. Dieses Beispiel zeigt schön die Fähigkeiten von Salome Meca, da es sich hier um  deutlich nichtlineares Berechnungsergebnis handelt.

4 Beginner Guide Salome Meca

Jetzt gilt es natürlich zu starten! Dafür haben wir für Sie ein Praxisbeispiel vorbereitet. Hier erfahren Sei wie Sie einen Kranhaken simulieren und mittels FKM-Richtlinie (mit der FKM-Richtlinie Software FKMmadeEASY) bewerten.

In unserem Beginner Guide zur Einführung in die kostenlose FEM Software Salome-Meca finden Sie

• Eine Installationsanleitung
• Die CAD Geometrie des Kranhakens
• Fragestellungen für einen statischen Festigkeitsnachweis
• Eine kostenlose Testversion von FKMmadeEASY für einen Festigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie
• eine Schritt für Schritt Anleitung für den Festigkeitsnachweis.