Finite Elemente für Mehrfeldprobleme

Die Simulationssoftware openCFS

Die Entwicklung von mechatronischen Systemen erfordert die Verfügbarkeit von entsprechenden CAE (Computer Aided Engineering) Werkzeugen, welche eine virtuelle Analyse und Optimierung ermöglichen. Dabei führt die physikalische/mathematische Modellierung dieser Systeme zu gekoppelten, partiellen Differentialgleichungen, deren effiziente numerische Lösung eine große Herausforderung darstellt. Die Komplexität besteht einerseits in der simultanen Lösung der einzelnen physikalischen Felder und andererseits in den Koppeltermen, welche in den meisten Fällen nichtlinear sind (z.B. bewegte, leitfähige Körper in elektromagnetischen Feldern).

Aus diesen Gründen entwickelt der Forschungsbereich seit vielen Jahr das open source Simulationsprogramm openCFS, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster basierend auf der Finiten-Elemente-Methode (FEM), welches kontinuierlich um neue numerische Verfahren, Materialmodelle sowie Koppelstrategien erweitert wird. Mit dem Fokus auf Strukturmechanik, Elektromagnetik und Akustik erlaubt openCFS die effiziente numerische Berechnung folgender, gekoppelter Feldprobleme:

  • Elektromagnetik-Mechanik-Akustik
  • Piezoelektrik-Akustik
  • Elektro-Thermo-Mechanik
  • Elektrostatik-Mechanik-Akustik
  • Strömungsakustik
Feldsimulation bei zwei länglichen Körpern als Simulationsergebnis
Model einer roten Mikroantenne

Mehrwert der Simulationssoftware openCFS

1. Finite Elemente höherer Ordnung

Zusätzlich zu den Standard-Elementen (isoparametrischer Ansatz) erlaubt openCFS den Einsatz von Finiten-Elementen höherer Ordnung, welche eine optimale Konvergenzrate und damit Effizienz ermöglichen.

2. Flexible Diskretisierung

Nichtkonforme Gittertechniken erlauben die Verwendung von deutlich unterschiedlichen Gittern in den einzelnen Berechnungsgebieten. Um die erforderlichen physikalischen Stetigkeitsbedingungen am gemeinsamen, nichtkonformen Interface zu garantieren, stehen sowohl Mortar-FEM als auch Nitsche-FEM Ansätze zur Verfügung. Dadurch wird nicht nur der numerische Fehler minimiert, sondern vor allem die Gittererstellung wesentlich vereinfacht.

3. Koppelstrategien

Die Software openCFS ermöglicht sowohl eine Volumen- als auch Interface-Kopplung der einzelnen physikalischen Felder und stellt direkt und interativ gekoppelte Lösungsverfahren zur Verfügung.

Kontakt

Assistant Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Florian Toth

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