FEM-Software ist in der Regelsehr teuer, da die dahinterstehen-de Mathematik bezahlt sein will.Z88Aurora ist ein kostenloserVertreter dieser Softwaregattung,das sich bestens für die Ausbil-dung eignet. Das Produkt der UniBayreuth wurde primär für dieAusbildung von Ingenieuren er-sonnen, kann jedoch auch für dieprofessionelle Produktentwick-lung von Nutzen sein. Auch Aus-

FEM mit Z88Aurora spielerisch im Griffzubildende in Metallberufen soll-ten sich damit beschäftigen, ummehr Verständnis für das Verhal-ten von Bauteilen zu bekommen.Das folgende Skript zeigt dieHandhabung des staunenswertenProdukts.

Z88Aurora-Kurs (Teil 1: Einführung) Spaß mit FEM

Download

Z88Aurora kann hier bezogen werden:www.z88.uni-bayreuth.de. Mit aktuell 460 MBkann das Tool nicht „mal eben“ aus dem Netz ge-zogen werden. Besitzer langsamer Internetzugän-ge sollten den Download in die Nachtstunden le-gen. Die heruntergeladene msi-Datei installiertper Doppelklick das FEM-Programm auf dem ei-genen Rechner. Man sollte sich jedoch hüten,den vorgeschlagenen Installationspfad abzuän-dern, da erfahrungsgemäß die sichere Funktiondes Programm danach nicht mehr unbedingt ge-geben ist.

Einstieg leicht gemacht

Mit Z88Aurora werden viele Beispiele mitgelie-fert, die man sich auf jeden Fall ansehen sollte,um rasch zu lernen, wie das FEM-Programmhandzuhaben ist. Es empfiehlt sich, auch die da-zugehörenden PDF-Dateien zu den zahlreichenÜbungen in Augenschein zu nehmen. Diese Bei-spiele können über den Pfad C:/Z88AuroraV2/docu/de/Beispiele/Beschreibung geladen werden.Über den Pfad C:/Z88AuroraV2/docu/de/Videossind einige interessante Videos verfügbar, die an-schaulich zeigen, wie mit Z88Aurora vorzugehenist, um eine Bauteilanalyse durchzuführen. Der-art gerüstet ist es wesentlich leichter, die mitge-lieferten Beispiele erfolgreich durchzuarbeiten.Diese befinden sich im Verzeichnis C:/Z88Auro-raV2/docu/examples/import/. Wer nun glaubt,dass es beispielsweise wie bei einer CAD-Zeich-nung genügt, die entsprechende Datei zu laden,hat sich getäuscht, da FEM-Programme wieZ88Aurora ein wenig anders „ticken“. Hier ist esvorher nötig, ein Projekt anzulegen, um dort bei-spielsweise während der Berechnung generierteDateien abzuspeichern. Dazu wird Datei/Neu ge-wählt und in der erscheinenden Maske der ge-wünschte Pfad beziehungsweise der Projektnameeingegeben und mit OK bestätigt.

Von links nach rechts

Z88Aurora zeichnet sich durch eine sehr einfa-che Bedienung aus. Allerdings gilt das erst, nach-dem man verstanden hat, wie man vorgehenmuss, um Daten zu importieren, zu vernetzenund für FEM-Berechnung zu nutzen. Wer er-kannt hat, dass vier Icons dazu von links nachrechts betätigt werden müssen, hat schon einengroßen Schritt gemacht, mit Z88Aurora zu jon-glieren. Noch etwas Wichtiges gilt es zu beach-ten: es gibt keine Undo-Funktion! Daher müssenalle Aktionen gründlich überlegt werden, ehebeispielsweise Projektdaten entfernt werden.Diese sind anschließend nicht mehr verfügbar!

Ordnung muss sein

Vor dem Arbeiten mit Z88Aurora ist es nötig, einProjekt anzulegen, um dort beispielsweise wäh-rend der Berechnung generierte Dateien abzu-speichern. Dazu wird Datei/Neu gewählt und inder erscheinenden Maske der gewünschte Pfadbeziehungsweise der Projektname eingegebenund mit OK bestätigt.

Import ganz easy

Der Import von Dateien ist relativ einfach undvon anderer Software bekannt. In Z88Aurora istein nach rechts weisender Pfeil das Icon, welchesden Import versinnbildlicht. Sobald dieses Iconbetätigt wurde, erscheint auf der rechten Bild-schirmseite ein Auswahlfenster, in dem das Im-portformat gewählt werden kann. Da das Gabel-schlüssel-Beispiel im Z88-Format vorliegt, istder Button „Z88-Datei“ anzuwählen. Im OrdnerC:/Z88AuroraV2/docu/examples/import/b1 liegtdiese Datei zum Laden bereit, was mit OK einge-leitet wird.

Alles im Blick

Das nun eingezeichnete Gabelschlüssel-Modellkann per Klick auf die linke Maustaste verscho-ben werden. Drehen am Mausrad vergrößert be-ziehungsweise verkleinert die Ansicht, währendein rechter Mausklick nebst gleichzeitiger Maus-bewegung eine Rotation des Modells ermöglicht.

Aus 2D wird 3D

Wie zu erkennen ist, muss dem Gabelschlüsselnoch eine Dicke zugewiesen werden, um eineFEM-Berechnung vorzunehmen. Dies geschiehtüber den Button „Präprozessor“, der rechts vomButton „Import“ platziert ist. Nachdem dieserButton betätigt wurde, erscheint am rechten Bild-schirmrand ein Fenster, in dem unter anderem dieDicke eines importierten Teils festgelegt werdenkann. Nachdem der Button „Dicke“ betätigt wur-de, erscheint der Reiter „Elementgeometrie“, indem durch Betätigen des Buttons „Hinzufügen“dem Element eine neue Elementeigenschaft zu-gewiesen werden kann. Der Vorgabewert von ei-nem Millimeter kann durch Doppelklick geän-dert werden. Per Schließen-Button wird der Rei-ter wieder geschlossen.

Es werde Material

Natürlich muss für eine korrekte FEM-Berech-nung noch festgelegt werden, aus welchem Ma-terial der Gabelschlüssel besteht. Zu diesemZweck wird der Button „Datenbank“ betätigt,woraufhin der Reiter „Materialdatenbank“ er-scheint. Hier wird nun das gewünschte Materialper Klick aus der Materialdatenbank ausgewähltund mit dem Button „Zuweisen“ dem Gabel-schlüssel zugewiesen. Natürlich sind auch nichtin der Datenbank gespeicherte Materialien ver-wendbar, da diese jederzeit in die Datenbank auf-genommen werden können.

Gut gepickt ist halb gewonnen

FEM funktioniert nur, wenn man dem Programmsagt, wo welche Kräfte wirken. Man muss dazuwissen, wo ein Teil fest ist und wo es sich be-wegt. Ein Gabelschlüssel wird natürlich am Griffgehalten, während das Maul sich an eine Mutteranschmiegt, um dort eine Kraft auszuüben, damitdie Mutter festgezogen werden kann. Genau diesmuss in geeigneter Form an Z88Aurora übermit-telt werden. Zu diesem Zweck gibt es diePickung-Methode, die es erlaubt, Punkte auf demNetz anzuwählen und diese mit bestimmtenKräfte-Werten zu beaufschlagen.

Der sichere Weg

Da im Gabelschlüssel-Beispiel nur Knoten oderElemente, aber keine Flächen angewählt werdenkönnen, wäre es sinnvoll zur Vermeidung langerPickingzeiten ganze Elemente anzuwählen. Lei-der ist es nicht möglich, dies zu tun, da beim Zu-weisen von Randbedingungen in der aktuellenZ88-Version eine Fehlermeldung erfolgt. Dahermüssen im Fall des Gabelschlüssels Knoten ver-wendet werden, was ein wenig länger dauert,aber sicher ans Ziel führt.

Punkte sammeln

Zum Picken muss unbedingt die Taste „STRG“betätigt sein, während mit der linken Maustastedie gewünschten Punkte ausgewählt werden.Nachdem alle Elemente ausgewählt wurden, diezum Umklammern des Gabelschlüssels mit derHand dienen, werden diese über den Button„Hinzufügen“ im Bereich „Markierungen“ ge-speichert. Wer will, kann mit einem Doppelklickden Namen ändern. Über „Set hinzufügen“ kön-nen die nun ausgewählten Punkte zu einem soge-nannten Set verknüpft werden, was für die FEM-Berechnung Voraussetzung ist.

+Stolperstein "Festhaltung"

Nun können über den Button „Zuweisen“ dieRandbedingungen festgelegt werden, die zur kor-rekten FEM-Berechnung nötig sind. Die soge-nannte Festhaltung ist dabei eine ganz wichtigeEigenschaft, ohne die keine FEM-Berechnungmöglich ist. Der Grund ist schlicht, dass die Fest-haltung quasi den Ausgangspunkt bildet, vondem aus die Verformung des Teils berechnetwird.

Eine Festhaltung wird erzeugt, indem man diegewünschten Punkte gegen jegliche Verschie-bung schützt. Im Fall des Gabelschlüssels ge-schieht dies, indem die Punkte, die am realenWerkzeug von der Hand umklammert werden, inX- , Y- und Z-Richtung den Typ „Verschiebung“erhalten und mit dem Wert 0 beaufschlagt wer-den. Im Eingabefeld „Verwaltung“ bekommt die-se Einstellung den Namen „Fest“ oder eine ande-re aussagekräftige Bezeichnung und wird denRandbedingungen per Button „Hinzufügen“ zu-gewiesen. Die restlichen Teile des Gabelschlüs-sels müssen nun der Funktionsweise des Werk-zeugs entsprechend mit den tatsächlich wirken-den Kräften belastet werden.

Wo Kräfte sinnvoll walten

Natürlich sind zum Aufbringen der Kräfte Erfah-rungswerte nötig. Mit 1000 Newton bei Muskel-kraft ist man auf der richtigen Seite, um zumin-dest näherungsweise eine korrekte FEM-Simula-tion zu erhalten. Zu beachten ist noch, dass beimAnziehen einer Mutter nur eine Fläche belastetwird, weshalb nur auf einer Seite eine Kraft zuberücksichtigen ist. Hier beginnt der Bereich, derviel Erfahrung erfordert, um realistische Berech-nungen durchführen zu können. Es ist jedochzum Kennenlernen von Z88Aurora nicht nötig,bereits mit perfektem Ingenieurwissen zu glän-zen, um sinnvoll das FEM-Programm einzuset-zen. Schließlich kommt die Erfahrung im Laufeder Zeit und es macht zudem Spaß, sich der Sa-che ein wenig experimentell zu nähern.

Endlich am Ziel

Nachdem nun alle Randbedingungen festgelegtsind, kann über den Button „Gleichungslöser“die letzte Hürde zur FEM-Berechnung genom-men werden. Nachdem dieser Button betätigtwurde, muss nur noch der Solvertyp gewählt(wobei Paradiso eigentlich immer passt) undüber den Button „Berechnung starten“ die FEM-Berechnung in Gang gesetzt werden.

In der Regel liegt das Ergebnis nach kurzer Zeitvor und kann über den Button „Postprozessor“betrachtet werden. Im Teil „Ergebnisse“ könnenper Klick unterschiedliche Gesichtspunkte derBerechnung ausgewählt werden, um so unter-schiedlich Aspekte des Kraftverlaufs bei Belas-tung sichtbar zu machen.

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