![22-animacja-znieksztalcenia](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/22-animacja-znieksztalcenia-678x381.jpg)
To „przejęzyczenie” to nie przypadek. Jedno ze środowisk pracy (ang. workbench) we FreeCAD pozwala na przeprowadzanie analiz metodą elementow skończonych (ang. FEM lub FEA).
I oparte jest właśnie na CalculiX
Autor: Maciej Stanisławski
Tym bardziej nie mogłem oprzeć się chęci nawiązania do popełnionego kilka(naście) lat temu artykułu pt. „Kalkulacje z CalculiX” (Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, czerwiec 2008 rok). Pisałem wtedy o wersji 1.7 tego bardzo dobrego narzędzia do analiz głównie wytrzymałościowych. Już wtedy bardzo dobrego i – co więcej – dostępnego bezpłatnie, na licencji GNU (General Public License). Równoległy rozwój bezpłatnego CAD 3D – jakim jest FreeCAD (opisywany swego czasu stosunkowo często na łamach CADblog.pl) – i bezpłatnego narzędzia do analiz CalculiX, doprowadził z czasem do integracji obu rozwiązań. Nie trzeba już importować plików do CalculiX. Jeśli nasz model zaprojektowaliśmy we FreeCAD, wiele analiz możemy przeprowadzić nie opuszczając środowiska tego programu CAD/CAE. W praktyce oznacza to korzystanie z tego samego obszaru roboczego i znanego już nam interfejsu.
Analizy z poziomu FreeCAD
Darmowy FreeCAD, zupełnie jak większość nowoczesnych systemów wspomagających projektowanie inżynierskie, wykorzystuje koncepcję „workbench” – tzw. środowisk pracy. Inaczej mówiąc: zestawów narzędzi specjalnie dobranych dla potrzeb realizacji konkretnego zadania. Przy przełączaniu się do innego środowiska pracy, zmieniają się narzędzia dostępne z poziomu interfejsu użytkownika – paski narzędzi, paski poleceń, wstążki etc. Ale zawartość obszaru roboczego nie ulega zmianie, przed nami dostępny jest cały czas nasz rysunek, model.
W przypadku FreeCAD (i innych systemów) można spotkać się z określeniem „moduł” w odniesieniu do środowiska pracy. Różnica polega jednak na tym, że o ile moduł może być w zasadzie dowolnym rozszerzeniem FreeCAD, o tyle środowisko pracy to specjalna konfiguracja interfejsu graficznego (GUI) – grupująca niektóre paski narzędzi i menu. Tak jest i w przypadku opisywanego środowiska analiz (ang. FEM Workbench).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/01-Workbench-selector.jpg)
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/02-FEM-workbench-UI-1024x120.jpg)
Krok po kroku
Aby przeprowadzić analizę wytrzymałościową we FreeCAD, musimy zacząć od jej zdefiniowania dla geometrii utworzonej we FreeCAD lub zaimportowanej z innego systemu. Tworzymy model lub otwieramy istniejący i przechodzimy do środowiska FEM.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/03-Model-belka-U-1024x546.jpg)
Następnie:
1. Włączamy tzw. kontroler analiz (ikona „A”). W drzewie operacji pojawi się nowa analiza („Analisys”).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/04-kontroler-analizy-1.jpg)
2. Tworzymy we FreeCAD siatkę elementów skończonych dla naszego modelu geometrycznego (lub importujemy ją z innej aplikacji – tutaj import na razie pominiemy). W tym celu po zaznaczeniu naszej bryły (lub ostatniej operacji – tutaj zaokrąglenia), klikamy ikonę „Siatka MES przez Gmsh”, i w oknie operacji klikamy „Apply”.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/05-definiowanie-siatki-1-1024x243.jpg)
Siatka zostanie wygenerowana „z automatu”. I dla elementu bez zaokrągleń, czy fazowań, zapewne nie byłoby problemu. Ale w tym przypadku, przy domyślnych ustawieniach, pojawia się błąd (komunikat na czerwono informujący, że w siatce znajduje się 9 źle ukształtowanych trójkątów, plus informacja o stopniu zniekształcenia).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/06-komunikat-o-bledzie-siatki-1024x557.jpg)
Rozwiązaniem będzie np. ręczne ograniczenie wielkości elementów siatki do maks. 1 mm. Po wprowadzeniu zmian, klikamy Apply, a potem OK. Siatka jest zdefiniowana. (Przy okazji warto zwrócić uwagę, o ile wydłużył się czas generowania dokładniejszej siatki: z 0,5 s do 11,9 s).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/07-poprawione-parametry-siatki-1024x462.jpg)
3. Teraz znowu zaznaczamy model i definiujemy materiał. Proponuję na początek wybrać CalculiX-Steel (ta definicja materiału powinna działać w każdej instalacji FreeCAD). Klikamy OK.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/08-ikona-definiowania-materialu.jpg)
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/09-wybor-materialu.jpg)
Jeśli teraz w drzewie operacji klikniemy na naszą „Analysis”, zobaczymy, że mamy już widoczny domyślnie ustawiony solwer, następnie siatkę mesh (nieaktywną) i zdefiniowany materiał.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/10-widok-ogolny-1024x548.jpg)
4. Przyszła pora na ustalenie wiązań. Klikamy ikonę „Create a FEM constraint”.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/11-fem-constraints.jpg)
Następnie wskazujemy jedną ze ścian naszego modelu (tą, która będzie domyślnie „zamocowana”
– w tym przypadku jest to tylna ścianka).
W oknie operacji klikamy „Add”, na liście pojawi się zaznaczony przez nas element. Ponownie wychodzimy z okna, klikając OK. Uwaga na marginesie – w przypadku, gdy nasz model ma proste ściany, widocznych jest więcej punktów mocujących (czerwony kwadrat widoczny na modelu).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/12-wskazane-mocowanie-1024x549.jpg)
5. Klikamy ikonę „Constraint Force”, która służy do definiowania siły w [N] przyłożonej równomiernie do wybranej ściany w kierunku, który także zdefiniujemy.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/13-fem-kierunek-i-wielkosc-sily-oddzialywania-1.jpg)
Kolejno wskazujemy ścianę, a następnie kierunek działania siły – klikając przycisk „kierunek” i wpisując nazwę ściany, lub wskazując krawędź modelu (na tym etapie zawsze zaczyna irytować mnie nie do końca spolszczone menu programu; problem ten dotyczy też dostępnej w sieci dokumentacji). Nie zapomnijmy też o wpisaniu interesującej nas wartości obciążenia (domyślnie jest to 1 [N]).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/14-fem-wskazana-sciana-1024x429.jpg)
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/15-fem-kierunek-dzialania-1024x563.jpg)
W ten sposób mamy zdefiniowane wszystkie warunki i parametry do przeprowadzenia analizy.
6. W drzewie operacji zaznaczamy/klikamy na solver (domyślnie po włączeniu kontrolera analizy ustawiony zostaje „SolverCcxTools”, zewnętrzny solwer CalculiX).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/16-wskazanie-solwera-i-uruchomienie-analizy-1024x297.jpg)
Teraz wystarczy kliknąć na ikonę „Run solver calculations”. Analiza zostanie przeprowadzona. W przypadku gęstej siatki/skomplikowanego modelu, może pojawić się okno DOS sygnalizujące, że FreeCAD wykonuje obliczenia na solwerze CalculiX – przyp. autora. W moim przypadku czasu wystarczyło na to, by wstać od komputera i pójść zaparzyć kawę :).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/17-okno-DOS-podczas-analizy.jpg)
Oprócz tego, że na naszym modelu wyświetlona zostanie teraz siatka mesh, w drzewie operacji pojawi się pozycja „CCX_Results”.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/18-koniec-analizy-1024x545.jpg)
Aby obejrzeć szczegółowo wyniki tej analizy, musimy kliknąć „CCX Results”, a następnie – ikonę „Show Results”. Bez tego na naszym widoku w obszarze roboczym nie zobaczymy żadnych rezultatów, gdyż domyślne ustawienie zakłada „brak” jakiegokolwiek wyniku.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/19-CCX-Results.jpg)
Zaznaczmy opcję „Displacement Magnitude” (wielkość przemieszczenia), lub uplastycznienia (von Mises Stress).
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/20-stopien-odksztalcenia-1024x549.jpg)
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/21-on-mises-stress-1024x549.jpg)
Od razu lepiej. Jeśli chcemy zobaczyć wizualizację zniekształcenia, zaznaczmy opcję „Pokaż” i przesuńmy suwak.
![](https://www.cadblog.pl/cadblog_wp/wp-content/uploads/2022/04/22-animacja-znieksztalcenia-1024x548.jpg)
Czy uzyskane wyniki są miarodajne? O to warto zapytać osoby, które na co dzień zajmują się tego typu analizami. Wizualizacja w moim odczuciu wygląda na mocno przesadzoną.
W każdym razie w ten sposób mamy za sobą pierwszą analizę FEM w środowisku FreeCAD wspartą przez CalculiX. W miarę prosto. I bezpłatnie. Tym bardziej zachęcam wszystkich do samodzielnego eksperymentowania. FreeCAD w wersji 0.19 ze wszystkimi dostępnymi środowiskami pracy można pobrać tutaj.
(ms)
Niniejszy artykuł to fragment nie napisanej (chociaż zaczętej kilka lat temu) książki o bezpłatnych systemach CAD. W tzw. międzyczasie DraftSight przestał być bezpłatny, Onshape – już nie jest tym, czym był i na placu boju pozostał w zasadzie FreeCAD jako 3D i Solid Edge 2D Drafting (pisałem o tym tutaj). Jednak nie wszystko stracone, w okresie wakacyjnym planuję przygotowanie e-booka poświęconego w całości FreeCAD. Dlaczego? Dlatego że dostępne w sieci tutoriale nie do końca mi odpowiadają…
Bądź pierwszy, który skomentuje ten wpis