Vernetzung mit Gmsh und Import in Z88Aurora

Neben den in Z88Aurora integrierten freien Tetraedervernetzern TetGen und Netgen finden auch alternative Vernetzungsprogramme Anwendung. Daher soll in diesem Artikel die Vernetzung von CAD-Geometrien mittels Gmsh (https://www.gmsh.info) und der anschließende Import in Z88Aurora (https://www.z88.de ) für eine Finite-Elemente-Analyse aufgezeigt werden. Dabei ist die Untersuchung eines Generatorgehäuses im Rahmen einer thermischen Finite Elemente Analyse mit Z88Aurora das Ziel. Dafür wird zu Beginn von einem CAD-Modell ausgegangen (siehe Abbildung 1), welches mit einem beliebigen 3D CAD-Programm erstellt wird. Für die FE-Analyse soll ein Netz mit linearen Tetraedern verwendet werden, welches durch oben genannten Tetraedervernetzer „Gmsh“ erstellt wird. Das Vorhaben gliedert sich in drei Schritte:

  1. Export der Geometrie als STEP
  2. Netzerstellung in Gmsh
  3. Import des Netzes in Z88Aurora

Export der Geometrie als STEP-Datei

Um Daten zwischen dem CAD Programm und Gmsh auszutauschen, bieten sich neutrale Dateiformate, wie zum Beispiel das STEP-Format (*.stp/*.step) an. Dieses Format wird von vielen CAD-Programmen unterstützt und ist in verschiedenen Anwendungsprotokollen weitestgehend standardisiert. Somit ist der erste Schritt das Exportieren einer STEP aus dem verwendeten CAD-Programm.

Abbildung 1: CAD Geometrie des Generatorteils

Netzerstellung mittels Gmsh

Zur Netzerstellung muss im ersten Schritt Gmsh für das jeweilige Betriebssystem heruntergeladen werden. Unter Windows ist beispielsweise keine Installation notwendig und das Programm kann direkt nach dem Entpacken des heruntergeladenen Archivs gestartet werden.

Über die Schaltfläche File -> Open kann die gerade erzeugte STEP Datei importiert werden, wodurch die Umrisse der Geometrie ersichtlich werden. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: In Gmsh importierte Geometrie

Um ein dreidimensionales Netz in Gmsh zu erstellen, muss zunächst ein dreidimensionales Volumen hinzugefügt werden. Dieses wird im linksseitigem Modellbaum über Geometry -> Physical Groups -> Add -> Volume erzeugt. Zur Bestätigung erscheint ein gelber Punkt in der Mitte des CAD–Körpers, wie aus Abbildung 3 hervorgeht.

Abbildung 3: Volumen hinzufügen

Wird der gelbe Punkt angewählt, verändert sich seine Farbe zu „rot“. Zusätzlich erscheint eine Eingabebox „Physical Group Context“, in welcher ein Name für dieses Volumen festgelegt werden kann. Diese kann jedoch für das einfache Vernetzen ignoriert werden. Durch Drücken des Buchstabens „e“ auf der Tastatur kann die Auswahl bestätigt und beendet werden.
Bei diesem Vorgang meldet das Programm, dass eine Datei in der Gmsh-internen Skriptsprache (*.geo) erstellt werden soll. Die *.geo ist eine interne Steuerungsdatei, ohne die der Vernetzungsprozess nicht starten kann.
Durch Auswahl der Schaltfläche „Create a new ‘.geo‘ file“ wird die geforderte *.geo Datei erstellt. Diese befindet sich standardmäßig im gleichen Verzeichnis, aus welchem vorher die STEP Datei importiert worden ist. Nach Erstellung der. geo-Datei kann der Auswahlprozess mit Drücken des Buchstabens „q“ auf der Tastatur abgeschlossen werden.

In der Menüleiste können unter Tools -> Options -> Mesh globale Einstellung für das Netz getroffen werden. Zum Beispiel können im Reiter „General“ verschiedene Vernetzungsalgorithmen, sowie Elementgröße und -ordnung definiert werden. Alternativ lässt sich die Elementgröße auch im Seitenmenü über Mesh -> Define -> Size at points lokal festlegen. Unter dem Reiter „Advanced“ finden sich zudem weitere Optionen zur Optimierung des Netzes (siehe Abbildung 4), die bei Bedarf genutzt werden können.

Abbildung 4: Weitere Einstellungen(„Advanced“)

Die dreidimensionale Vernetzung erfolgt durch Auswahl des Menüpunktes Mesh -> 3D im Seitenmenü. Der dabei ausgewählte Vernetzungsalgorithmus (z.B. Delaunay-Triangulation) vernetzt anschließend nacheinander die Kanten (1D), die Flächen (2D) und das Volumen (3D). Abbildung 5 zeigt das Ergebnis der Vernetzung beispielhaft.

Abbildung 5: Einfache Vernetzung in Gmsh

In Gmsh werden die Geometrien standardmäßig nur als Grundgerüst dargestellt. Unter dem Reiter „Visibility“ lässt sich dies jedoch ändern und so beispielsweise durch Anwählen von „2D-“ oder „3D element faces“ auch die Oberfläche darstellen, wie Abbildung 6 zeigt.

Abbildung 6: Darstellen der Oberfläche

Entspricht das erstellte Netz den Qualitätsanforderungen, kann dieses in Z88Aurora importiert werden. Müssen am Netz weitere Verbesserungen vorgenommen werden, besteht die Möglichkeit dieses über die Schaltfläche „Define -> Optimize 3D“ im linksseitigen Menü zu optimieren. Dies sorgt u.a. dafür, dass die Elemente nicht so stark verzerrt sind, was einen großen Einfluss auf die spätere Ergebnisgüte hat. Ähnlich dazu entzerrt „Optimize 3D (Netgen)“ die Elemente mithilfe des Netgen-Optimierers. Außerdem können mit „Refine by splitting“ Elemente weiter verfeinert werden. Darüber hinaus ist es möglich mit lokalen Netzkriterien (z.B. Mesh -> Define -> Size at points) die Netzgüte an besonders kritischen Stellen, wie beispielsweise Nuten und Kerben weiter zu verbessern. In Abbildung 7 ist beispielsweise ein verbessertes Netz dargestellt.

Abbildung 7: Finales und optimiertes Netz

Natürlich kann das Generatorgehäuse auch mit anderen Elementen oder höheren Ansatzfunktionen vernetzt werden. Dabei unterscheidet sich das Vorgehen für zum Beispiel quadratische Tetreaeder nicht wesentlich von dem gerade beschriebenen. Der einzige Unterschied ist, dass im Menü Tools -> Options -> Mesh die Elementordnung („Element order“) auf 2 eingestellt wird. Das Erzeugen strukturierter Netze mit Hexaedern ist dagegen aufwendiger. Hier muss auf die Funktionen Extrude und Recombine zurückgegriffen werden. Eine Anleitung dazu, ist unter dem folgenden Link zu finden: http://gmsh.info/doc/texinfo/gmsh.html#Structured-grids

 

Importieren des Netzes in Z88Aurora

 

Da Z88Aurora bereits über einen Abaqus Import verfügt, wird für den Netzimport dieses Netzformat (Dateiendung *.inp) verwendet. Dazu wird in Gmsh die Schaltfläche File-> Export angewählt und als Dateityp „Mesh – Abaqus INP (*.inp)“ definiert. Nach dem Speichern erscheint wiederum eine Dialogbox. Hier wird noch den Haken bei „Save groups of nodes“ gesetzt und bestätigt.
Bevor die Datei in Z88 Aurora importiert werden kann, muss jedoch noch eine Kleinigkeit an der gerade erstellten *.inp angepasst werden, da diese nicht zu 100% mit dem Abaqus-Format konform ist: Dazu wird die *.inp Datei in einem beliebigen Editor geöffnet und einige Keywords folgendermaßen geändert:

„NODE“ zu „Node“,

und

„ELEMENT“ zu „Element“.

Das geht am einfachsten mittels der „Suchen & Ersetzen“-Funktion.
Nun kann Z88Aurora gestartet werden und nach Erstellung eines neuen Projektordners, im Prä-Prozessor unter „Importieren“, die „Abaqus-Datei“ ausgewählt werden. Daraufhin wird die gerade erstellte und korrigierte *.inp Datei in Z88 geladen. Der in Z88Aurora integrierte Konverter wandelt das Netz anschließend in das Z88 interne Format um, was die weitere Analyse mit Z88Aurora ermöglicht. Das Ergebnis ist nachfolgend dargestellt.

Abbildung 8: FE-Netz in Z88Aurora

Wie es bei unserer Analyse weitergeht, erfahrt ihr einem späteren Artikel. Viel Spaß beim Ausprobieren, liebe FEM-Helden!

 

 

 

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