Description GUI

Das Programm AMendate ermöglicht den Modellaufbau einer Optimierung, das Starten dieser Optimierung auf lokaler Ebene sowie über eine Schnittstelle mit einem Server und die Visualisierung der Ergebnisse.

Starten des Programms

Beim Starten des Programms erscheint zunächst das Menü der Projekte. Unter "Lokales Arbeitsverzeichnis" ist zu erkennen, an welchem Ort die Projekte gespeichert werden. Der Speicherort kann beliebig gewählt werden. In dem Reiter "Projekte" kann ein bereits bestehendes Projekt umbenannt und geöffnet, oder ein neues Projekt angelegt werden. Außerdem können im Reiter "Beispielprojekte" bereits vorbereitete Beispieloptimierungen geöffnet und als Vorlage oder Tutorial genutzt werden.

Auf das Menü gelangt man jederzeit über das Feld "Menü". Neben diesem ist der Name des derzeit aktiven Projekts dargestellt.

Einstellungen

Über den Einstellungsbutton öffnet sich ein Menü, in dem verschiedene Visualisierungs- sowie allgemeine Einstellungen getätigt werden können. Alle Einstellungen werden gespeichert und beim erneuten Öffnen des Programms beibehalten. (Für Profis: in der Datei XXXXX können weitere Einstellungen auf Textbasis vorgenommen werden.)

Der Reiter "Visualisierung" bietet Einstellungen rund um den Bildbereich. Es kann sowohl die grafische Darstellung der Objekte, als auch die Darstellung der Randbedingungen und Ergebnisdarstellung verändert werden.

Der Reiter "Allgemein" beinhaltet die Sprache der Oberfläche, das verwendete Einheitensystem und die Festlegung eines von anfang an aktivierten Standardlastfalls.

Visualisierungsbereich

Im Visualisierungsbereich werden während des Modellaufbaus alle eingeladenen Objekte, sowie Kräfte, Momente und Lager angezeigt. Im Ergebnisbereich wechselt die Ansicht zur Darstellung der Berechnungsergebnisse.

Über das Einstellungsmenü kann die Darstellung des Koordinatensystems verkleinert/vergrößert oder deaktiviert werden. Außerdem ist einer Anpassung von Hintergrundmuster und -farbe, Helligkeit, Schattierung und Stärke der Kantenglättung möglich. Außerdem können die Farben der Objekte und Randbedingungen entsprechend der eigenen Vorstellungen angepasst werden.

Über die Buttons im rechten unteren Bereich kann sowohl eine orthografische als auch eine perspektivische Ansicht gewählt werden, sowie verschiedene Ansichten entsprechend der Koordinatenachsen gewählt werden. Außerdem können Screenshots von jeder Ansicht erstellt und automatisch in dem Projektordner gespeichert werden. Dabei wird nur der Visualisierungsbereich und das Koordinatensystem berücksichtigt. Die Programmoberfläche an sich wird nicht mitgespeichert.

Die Funktion "Explosion" zieht die einzelnen Objekte auseinander, um eine bessere Ansicht der einzelnen Objekte zu gewährleisten. Teilweise können Randbedingungen in diese Darstellung besser auf einzelne Teilobjekte angewendet werden.

Im Visualisierungsbereich befindet sich unten Links ein Feld, in dem Meldungen an den Benutzer zurückgespielt werden. Diese Meldungen enthalten sowohl positive Nachrichten z.B. beim erfolgreichen Einladen einer neuen Datei als auch Fehlermeldungen, die den Nutzer auf einen Sachverhalt aufmerksam machen sollen. Dieses kann auch nach oben ausgeklappt werden, um ältere Nachrichten angezeigt zu bekommen.

Modellaufbau und Visualisierung einer Optimierung

Das Programm ist maßgeblich in die drei Bereiche Konfiguration, Optimierung und Ergebnisse aufgeteilt. Im Reiter Konfiguration werden alle Einstellungen bezüglich der Lastfälle, Lasten, Materialien und Volumenkörper getätigt. Analog werden die Einstellungen der Optimierungsparameter im Reiter Optimierung eingegeben. Im letzten Reiter Ergebnisse können nach dem Starten der Berechnung der Fortschritt verfolgt und die Ergebnisse eingesehen werden.

Das Projekt kann jederzeit unten Links gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt fortgesetzt werden.

Konfiguration: Aufbau des Berechnungsmodells

Der Bereich Konfiguration enthält übergeordnet den Bereich "Lastfälle", in dem Lastfälle hinzugefügt und/oder entfernt werden. Jedem Lastfall wird ein Name zugeordnet werden, z.B. Bremsen oder Beschleunigen. Es können entweder direkt zu Beginn alle benötigten Lastfälle erstellt werden oder schrittweise während des Modellaufbaus.

Darunter befinden sich drei weitere Reiter, die im folgenden Beschrieben werden:

Objekte/Flächen

Zunächst werden im Reiter "Objekte/Flächen" alle für die Optimierung benötigten STL-Dateien in das Programm eingeladen. Dies kann entweder über den "Plus" -Button oder per Drag-and-Drop aus dem Windows Explorer erfolgen. Falsch eingeladene oder überarbeitete Objekte können einzeln entfernt oder gegen eine neue Version ersetzt werden. Eine entfernte Datei wird bei der Optimierung nicht berücksichtigt, sie wird allerdings nicht aus dem Projektordner gelöscht, sodass sie wieder eingeladen werden kann.

Eine STL-Datei wird durch anklicken aktiviert, sodass sich im unteren Bereich ein Eigenschaftsfeld öffnet.

• Hier kann der Name verändert und das Material ausgewählt werden.
• Über das Zahnrad neben dem Materialfeld kann die Materialdatenbank mit spezifischen Materialkennwerten erweitert werden.
• Für genau ein Volumen muss die Zuordnung als Gestaltungsbereich definiert werden. Mehrere Designbereiche innerhalb eines Modells sind nicht möglich, wenngleich das Volumen des Designbereichs beliebig komplex geformt sein darf.

Randbedingungen

Im Bereich Randbedingungen werden über den "Plus" Button die für die Optimierung benötigten Randbedingungen erstellt. Hierfür wird ein Name eingegeben und der betroffene Space ausgewählt. Anschließend wird in der unteren Liste der Lastfälle der für die Randbedingung relevante Lastfall (auch mehrere sind möglich) aktiviert. Die Randbedingung kann entweder eine Kraft, ein Lager oder ein Moment sein. Lagerungen, Kräfte und Momente werden immer in Komponentenschreibweise in den Hauptkoordinatenrichtungen angegeben.

Wenngleich die Einheiten innerhalb eines Modells konsistent sein müssen, ist die Wahl des Einheitensystems dem Benutzer überlassen (siehe Einstellungen). Vorgesehen ist das metrische System mit den Einheiten Kilogramm, Millimeter und Newton (kg, mm, N). STL-Dateien werden häufig in mm abgespeichert und Kräfte in N angegeben. Dementsprechend ist die Einheit des passenden Moments Nmm.

Für die verschiedenen Randbedingungen ergeben sich verschiedene Herangehensweisen für den Aufbau und die Ausgestaltung des Optimierungsmodells. Im Folgenden werden verschiedenen Möglichkeiten für die Erzeugung unterschiedlicher Randbedingungen vorgestellt und auf Besonderheiten der Software hingewiesen. Eine angebene Randbedingung (Last, Lager, Moment) bezieht sich immer auf das gesamte Objekt. Zur Unterstützung des Eingabeprozesses kann nach Aktivierung der Checkbox "Kraft" oder "Moment" direkt eine Fläche eines Volumens angeklickt und somit eine Richtung, orthogonal zur Oberfläche, definiert werden. Dies kann insbesondere für runde Flächen, Hohlzylinder von Anschraubpunkten oder Lagersitzen von Vorteil sein. Durch Ziehen des Mauszeigers kann im Anschluss direkt eine ungefähre Lastgröße definiert werden. Die exakten Werte der Raumrichtungen können im Anschluss über die Eingabefelder korrigiert und angepasst werden.

• Lasten
  • Kräfte werden pro Objekt (Volumen) angegeben und gleichmäßig auf dieses verteilt.
  • Für eine Flächenlast muss die Wirkfläche mit Dicke 0 als ein eigenes Objekt (.STL-Datei) eingeladen werden.
    
  • Soll nur eine einzelne Kraft als Punktlast wirken, muss hierfür wiederum ein eigenes (sehr kleines) Volumen erzeugt werden. Hierbei sollte darauf hingewiesen sein, dass eine idealisierte Punktlast in der Realität immer eher einer Flächen/Volumenlast entspricht!
    
• Lager
  • Verschiebungen können in x-, y- und z-Richtung gesperrt werden.
    
  • Die Aktivierung aller Verschiebungsrestriktionen entspricht einem Festlager.
  • Ein Loslager kann durch die Auswahl von nur einer oder zwei Verschiebungsrestriktion/en erzeugt werden.
  • Für eine Optimierung muss jede Richtung mindestens einmal an einem beliebigen Objekt gesperrt (aktiviert) sein, sodass keine Starrkörperbewegung auftreten kann. (Ausnahme bei Anwendung von Symmetrie, siehe unten)
• Momente
  • Momente wirken ebenfalls auf ganze Objekte und können in x-, y- und z-Richtung definiert werden.

Lastfälle

Im Bereich Lastfälle werden alle erstellten Randbedingungen aufgelistet. Durch Anwählen eines Lastfalls werden alle aktiven Randbedingungen markiert. Genau so können einzelne Randbedingungen durch klicken aktiviert und somit den Lastfällen zugeordnet werden.

Auch die entsprechenden Kraftpfeile im Visualisierungsbereich passen sich der Auswahl des Lastfalls an. So kann das Optimierungsmodell vor dem Starten auf Vollständigkeit und Auswahl der richtigen Randbedingungen in den jeweiligen Lastfällen überprüft und gegebenenfalls angepasst werden.

Optimierung (Optimierungsdefinition)

Mithilfe der zuvor definierten Materialien und Randbedingungen kann bereits eine Analyse für die gewählte Geometrie durchgeführt werden. Um eine Geometrieoptimierung durchzuführen, müssen noch weitere Parameter gesetzt werden.

Designtyp

Zunächst kann zwischen den drei Einstellungen "Filigran", "Normal" und "Massiv" unterschieden werden. Hiermit wird die Formgebung beeinflusst, wodurch eher feine (filigran), eher massive (massiv) oder als Zwischenweg "normale" Strukturen während der Optimierung ausgebildet werden. Ein Beispiel für die verschiedenen Einstellungen sind in dem untenstehenden Bild gegenübergestellt. Es ist zu beachten, dass ein Optimierungsergebnis mit der Einstellung "Filigran" nicht automatisch leichter ist als ein "Massives", denn durch viele feine Streben kann das Gewicht auch größer sein als durch wenige Massive.

Bild filigree, normal massive

Berechnungstyp

Weitergehend kann ausgewählt werden, ob lediglich eine "Abschätzung", eine "Optimierung" oder eine "Optimierung" bis hin zum druckbaren Design stattfinden soll. Eine "Abschätzung" dauert in den meisten Fällen nur wenige Minuten und gibt einen Überblick über die Gewichts- und Spannungsentwicklung, die eine Optimierung unter den gegebenen Randbedingungen erreichen kann. Die "Optimierung" kann je nach Bedingungen bis zu einigen Stunden dauern und liefert einen ausführlichen/hoch aufgelösten Designvorschlag. Die Option "Herstellen" dauert zeitlich am Längsten, denn hier wird die Auflösung zum Ende der Optimierung deutlich erhöht, um im Detail eine gut druckbare Oberfläche und Struktur des Bauteils zu erhalten.

Optimierungsziel

Anschließend muss das Optimierungsziel definiert werden. Bei AMendate wird eine Zielspannung angegeben, die während der Optimierung als Leitwert dient. Hierfür kann ein Dauerfestigkeitswert des Materials verwendet werden und dieser mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor versehen werden. Die Software berücksichtigt intern bei der Designfindung keine Sicherheitsfaktoren. Dies muss vom Ingenieur in der maximalen Spannung eingerechnet werden. Durch die spannungsorientierte Optimierung wird ein optimal gleichmäßig belastetes Bauteil entwickelt, bei dem vor allem die Übergänge zwischen Streben und Flächen optimal und mit wenigen Spannungsüberhöhungen ausgeformt sind. Dem bereits erwähnten Einheitensystem entsprechend ist die Standardeinheit der Spannung MPa = Nmm^2.

Symmetrie

Zur Berechnung von symmetrischen Bauteilen kann eine Achsensymmetrie um den Koordinatenursprung angewählt werden. Empfohlen wird hierfür ein Modellaufbau mit vollständiger Geometrie. Für die Berechnung wird dann jedoch nur jeweils der positive Bereich der Raumachsen verwendet, das Ergebnis dann in den negativen Bereich gespiegelt. Hierbei werden sowohl die Geometrie als auch die Randbedingungen gespigelt. Daher dürfen bei Belastungen über den Nullpunkt hinaus (Bsp.: Flächenlast einer symmetrischen Brücke) nur der Lastanteil für den positiven Koordinatenraum angegeben werden (halbierte Kraft, entsprechend der halben Fläche, Bsp: nur Kraft auf einer der Brückenseiten). Für eine korrekte Berechnung müssen ALLE Randbedingungen symmetrisch sein, dies gilt für Lagerungen, Kräfte und Momente. Insbesondere bei der Defintion von Momenten schleichen sich hier leicht Fehler ein.

Konfigurationsdatei

Zum Schluss können alle angegebenen Informationen in der Konfigurationsdatei eingesehen werden. Hier sind ebenfalls weitere spezielle Einstellungen möglich, die vor allem für Simulationsexperten von Interesse sind.

Unter den User Setting können folgende Einstellungen getätigt werden:

Weitere Einstellungen können im Bereich FEM vorgenommen werden:

Folgende Ausgabedateien sind auswählbar:

Ergebnisse

Die erste Iteration wird angezeigt, sobald ein Ergebnis vorliegt. Weitere Iterationen werden angezeigt, sobald diese berechnet sind. Über die Steuerung im Feld Ergebnisiterationen kann manuell zwischen den verschiedenen Iterationen gewechselt werden oder ein automatischer Ablauf betrachtet werden.

Über den AMendate Log kann der aktueller Fortschritt in Form des Konsolenoutputs verfolgt werden.

Als Ergebnisdatei liegt eine STL-Datei vor, die meist direkt durch ein additives Verfahren gefertigt werden kann. 

Es können auch ältere Ergebnisdateien in den Projekt ausgewählt und angezeigt werden.

Modellaufbau und Visualisierung einer Analyse

Es können sowohl Optimierungsergebnisse als auch Originalbauteile analysiert werden. Nach Durchführung beider Analysen lassen sich die Ergebnisse vergleichen und so die Performance der Optimierung bewertet werden.

Für die Analyse eines Objekts wird der Modellaufbau genau wie für eine Optimierung durchgeführt. Alle benötigten Dateien (Design/Nondesignspace) werden eingeladen und die entsprechenden Randbedingungen und Lastfälle erstellt. Das zu analysierende Objekt muss im Bereich Objekte/Flächen als Gestaltungsbereich aktiviert werden.

Der Bereich Optimierung muss nicht ausgefüllt werden, allerdings muss in diesem Bereich die Konfigurationsdatei geöffnet und unter "User Settings" der Befehl "onlyFEM" hinzugefügt werden. Dadurch wird nur eine Analyse ohne Optimierung durchgeführt. Zusätzlich kann die Auflösung unter FEM verändert werden, um genauere Ergebnisse zu erreichen. Die Auflösung einer Optimierung / Analyse wird immer entsprechend der stl mit dem größtem Volumen innerhalb des Arbeitsordners abgeschätzt. Wenn die stl-Datei des originalen Designspaces im Ordner verbleibt, richtet sich die Auflösung also nach diesem Volumen.

Das Ergebnis der Analyse zeigt die Spannungen und Verschiebungen in dem ausgewählten Objekt an.