MATLAB.Exponenta
MATLAB и Simulink на русском
Технологии разработки и отладки
		сложных технических систем

Femlab

Система конечноэлементных расчётов FEMLAB 3.x. Документация.

2.2. Быстрое знакомство с технологией моделирования в FEMLAB

В этом подразделе дан краткий обзор основных процедур FEMLAB и показан пример моделирования. Изложение постепенно охватывает полный процесс моделирования, включая много важных аспектов пакета FEMLAB:

·         Использование предопределенных физических прикладных режимов

·         Определение проблемы мультифизики

·         Возможность задания физических свойств, которые непосредственно зависят от решения

·         Использование инструментальных средств постпроцессорной обработки и решения

В дополнение к названным возможностям FEMLAB, будет показан пример, охватывающий общую технологию моделирования:

·         Приведение трёхмерной задачи к двумерному виду

·         Проверка результатов моделирования на точность

Моделирование в системе FEMLAB включает в себя следующие шаги:

  1. Создание или импорт геометрии
  2. Генерация сетки конечных элементов
  3. Задание параметров материальных свойств в зонах расчётной области и на границах
  4. Решение модели
  5. Постпроцессорная обработка
  6. Параметрический анализ модели

Перечисленным шагам моделирования соответствуют операционные режимы FEMLAB.

2.2.1. Базовые процедуры

Запуск FEMLAB

Запуск FEMLAB в Windows описан в подразделе 1.4, а в системе UNIX / Linux - в подразделе 1.6.

Создание и загрузка моделей

Как было сказано в п. 2.1.4, работа программного приложения FEMLAB начинается с развёртывания диалогового окна Навигатора моделей. Ещё раз покажем общий вид этого окна (закладка New, рис. 2.2.1.1).


Рис. 2.2.1.1. Общий вид закладки New Навигатора моделей

Для инициализации простого прикладного режима достаточно в ниспадающем меню Space dimension выбрать нужную размерность пространства, в браузере прикладных режимов выбрать нужный и нажать кнопку OK, чтобы закрыть окно Навигатора моделей. Если надо скомбинировать мультифизический прикладной режим, то после выбора размерности пространства и простого прикладного режима нужно нажать кнопку Add. В браузер включенных прикладных режимов будет добавлена геометрия выбранной размерности и выбранный прикладной режим. Далее в браузере прикладных режимов выбираем другой прикладной режим и опять нажимаем кнопку Add. В браузер включенных прикладных режимов добавится ещё один режим. Так повторяем до тех пор, пока вся мультифизика не будет скомбинирована. На рис. 2.2.1.2 показана закладка New Навигатора моделей, в которой скомбинирован мультифизический прикладной режим. Нажатие кнопки OK приведёт к закрытию диалогового окна и развёртыванию графического интерфейса FEMLAB.


Рис. 2.2.1.2. Общий вид закладки New Навигатора моделей со сформированным мультифизическим режимом

Использование команд меню и диалоговых окон

В графическом интерфейсе FEMLAB для каждой задачи доступны для использования команды меню, инструментальные панели и диалоговые окна.

Отмена действия и восстановление после отмены.

Для отмены и восстановления нескольких команд предусмотрены команды меню Edit/ Undo и Edit/ Redo. Им соответствуют горячие клавиши Ctrl+Z и Ctrl+Y. Во многих случаях есть возможность отменять и восстанавливать несколько шагов моделирования.

Выбор команд из меню.

В графическом интерфейсе FEMLAB имеется развитая система команд меню. В окне FEMLAB есть горизонтальная строка главного меню. При нажатии мышью на любой из пунктов разворачивается вертикальное подменю. В некоторых случаях возможно развёртывание подменю второго уровня. Некоторые команды меню дублируются горячими клавишами. Они бывают показаны справа от соответствующих пунктов подменю. Применение горячих клавиш позволяет ускорить работу пользователя в системе FEMLAB. При выполнении некоторых команд развёртываются диалоговые окна. Остальные команды выполняются непосредственно при нажатии мышью. Пункты подменю, для которых имеются подменю более глубокого уровня, отмечены справа чёрным треугольником. Команды меню, приводящие к развёртыванию диалоговых окон, отмечены справа многоточием. Видно, что система команд меню и горячих клавиш организована таким образом, что её легко изучать даже при отсутствии документации.

Использование диалоговых окон.

Большинство диалоговых окон могут оставаться открытыми при работе с FEMLAB-моделью. Как правило, в каждом из этих окон имеется, кроме всего прочего, три кнопки для принятия или отмены произведённого в них ввода:

·         Нажатие кнопки Apply приводит к принятию произведённого ввода без закрытия окна;

·         Нажатие кнопки OK или клавиши Enter приводит к принятию произведённого ввода и закрытию окна;

·         Нажатие кнопки Cancel или клавиши Esc приводит к отмене произведённого ввода и закрытию окна.

Моделирование в FEMLAB

Графический интерфейс пользователя FEMLAB поддерживает все этапы моделирования:

·         Препроцессорная обработка, CAD, геометрия;

·         Задание физических параметров и коэффициентов уравнений, данных материальных свойств, граничных условий, связей и других свойств;

·         Выполнение сеточных операций, сборка и решение конечноэлементной модели;

·         Постпроцессорная обработка и визуализация результатов решения.

Одномерный и двумерный графический интерфейс.

На рис. 2.2.1.3 показан общий вид окна GUI FEMLAB в двумерном режиме моделирования.


Рис. 2.2.1.3. Окно двумерного графического интерфейса FEMLAB

Общий вид окна одномерного графического интерфейса FEMLAB похож на то, что изображено на рис. 2.2.1.3. Отличие заключается в том, что в одномерном режиме в поле axes только одна ось, и панель рисования содержит меньше инструментов.

Трёхмерный графический интерфейс.

Главные отличия трёхмерного графического интерфейса от двумерного заключаются в том, что в поле axes три ортогональные оси, геометрические объекты отображаются в виде проекций на плоскость наблюдения, имеются более развитые способы визуализации объектов, а также их выбора и выделения. На рис. 2.2.1.4 показан общий вид окна GUI FEMLAB в трёхмерном режиме моделирования.


Рис. 2.2.1.4. Окно трёхмерного графического интерфейса FEMLAB

Главные компоненты графического интерфейса пользователя (GUI).

·         Строка меню - с помощью неё можно выполнить любую команду меню для любого действующего режима моделирования.

·         Главная инструментальная панель позволяет быстро выполнять некоторые операции с моделью.

·         Панель рисования содержит инструментальные средства CAD для рисования и редактирования геометрических объектов.

·         Инструментальная панель Plot обеспечивает быстрый доступ к наиболее простым методам визуализации решения.

·         Панель визуализации объектов и выделения работает в трёхмерном режиме моделирования и управляет отображением граней, рёбер и вершин, а также режимами выделения объектов.

·         Панель Orbit/Pan/Zoom работает в трёхмерном режиме моделирования или в режиме постпроцессорной обработки двумерных моделей и управляет направлением проецирования на экран монитора, подсветкой, прозрачностью и др.

·         Поле axes предназначено для показа различных объектов модели, глобальной визуализации решения и др. Мышью можно выделять объекты и выполнять над ними некоторые операции.

·         Цветовые шкалы отображают соответствие между цветом точек графика и значением визуализируемой физической величины.

·         Протокол сообщений содержит сообщения о выполнении различных операций с моделью.

·         Строка состояния показывает текущие значения координат указателя мыши, а также некоторые параметры текущей настройки; изменить их можно двойным щелчком мыши.

Переключение между операционными режимами.

Перечислим операционные режимы, т.е. режимы, соответствующие различным этапам моделирования:

  • Режим рисования (прорисовки геометрии) (Draw Mode)
  • Режим задания условий на точках (Point Mode) (2D, 3D)
  • Режим задания условий на рёбрах (Edge Mode) (только 3D)
  • Режим задания граничных условий (Boundary Mode)
  • Режим задания материальных свойств или коэффициентов PDE (Subdomain Mode)
  • Режим работы с сеткой (Mesh Mode)
  • Режим визуализации решения и постпроцессорной обработки (Postprocessing Mode)

Кнопки главной инструментальной панели, с помощью которых можно переключаться между операционными режимами, показаны на рис. 2.2.1.5.


Рис. 2.2.1.5. Кнопки переключения операционных режимов на главной инструментальной панели

Переключаться между операционными режимами можно и командами меню: Physics/ Selection Mode/ Point Mode, Physics/ Selection Mode/ Edge Mode, Physics/ Selection Mode/ Boundary Mode, Mesh/ Mesh Mode, Postprocessing/ Postprocessing Mode. Переключиться в режим рисования можно, щёлкнув мышью по имени геометрии в группе команд меню Draw.

Получение справки

В системе FEMLAB есть своя справочная система. Предусмотрено три способа её запуска:

  • Команда меню Help/ FEMLAB Help;
  • Горячая клавиша F1;
  • Кнопка Help на главной инструментальной панели (рис. 2.2.1.5).

Есть также команда меню, позволяющая просматривать документацию по FEMLAB в форматах HTML и PDF. Выполнение команды меню Help/ Help Desk (HTML/PDF) приводит к запуску программы Internet Explorer с показом главной страницы HTML-документации. Там есть гиперссылки на все разделы документации как в формате HTML, так и в формате PDF. Такой способ получения справки является наиболее удобным и экономичным.

Есть команды меню Help/ Online Support, Help/ Online Resources. Они осуществляют непосредственный выход на Internet-ресурсы, указанные в п. 2.1.6.

Сохранение моделей

Можно сохранять модели в различных форматах:

  • Файл модели в формате FEMLAB (расширение fl). Это стандартный формат, который содержит и текстовые данные, и двоичные машинные коды.
  • Файл модели в формате MATLAB (расширение m). При сохранении и загрузке требуется совместная работа FEMLAB с MATLAB. Такой способ сохранения существенно облегчает программирование FEMLAB-моделей в системе MATLAB с использованием функций пакета.

Сохранение в этих форматах осуществляется командой меню File/ Save или горячей клавишей Ctrl+S. Если сохранение происходит первый раз, то развернётся диалоговое окно Save As. Надо ввести нужное имя файла, в ниспадающем меню выбрать требуемый формат и затем нажать кнопку Save.

2.2.2. Моделирование в FEMLAB

Описание всех моделей в этой документации будет представлено в едином формате. Данный подраздел посвящён описанию такого формата.

Соглашение о стилях описания моделей

Основной поток действий в ходе моделирования обозначен порядком следования кнопок на главной инструментальной панели и пунктов в строке меню (слева направо, см. рис. 2.2.1.3, 2.2.1.4). Такой порядок примерно определяет структуру заголовков большинства описаний. Они не будут всегда точно соответствовать тем заголовкам, которые здесь будут перечислены с некоторыми пояснениями, зато всегда они будут соответствовать реальным этапам моделирования.

Навигатор моделей

Этот раздел будет содержать описание последовательности действий в окне Навигатора моделей (выбор прикладных режимов, мультифизическое комбинирование и др.).

Режимы и настройки

Здесь будет содержаться описание предварительных режимов и настроек, связанных с группой команд меню Options.

Геометрическое моделирование

Здесь описывается технология создания геометрических объектов в расчётной области с использованием инструментальных средств CAD и панели рисования.

Физическое моделирование

На этом шаге моделирования производится ввод всех физических параметров модели и коэффициентов уравнений в зонах расчётной области, на границах, рёбрах и вершинах. Кроме того, в этой части будут описываться константы, expressions-переменные и переменные связи для всей модели и её подобластей различной размерности (несмотря на то, что для выполнения этих операций в GUI предусмотрена группа команд меню Options; следует учитывать, что эти команды доступны для выполнения только после геометрического моделирования). Эта часть описания может содержать один или несколько следующих подразделов.

Установка параметров зон расчётной области

Здесь описываются материальные свойства, источники моделируемого поля и коэффициенты PDE в зонах расчётной области. В зонах можно задать также начальные условия и выбрать типы конечных элементов.

Граничные условия

Здесь задаются параметры и уравнения граничных условий.

Условия на рёбрах

Здесь задаются параметры и уравнения условий на рёбрах (только в трёхмерных режимах моделирования).

Установка параметров модели в точках

Здесь описываются точечные источники моделируемого поля и другие параметры, относящиеся к отдельным точкам. Все эти параметры могут задаваться для вершин расчётной области.

Скалярные переменные прикладного режима

Некоторые прикладные режимы используют дополнительные скалярные переменные, которые являются независимыми от геометрии, например, частота. Для задания их значений предусмотрена команда меню Physics/ Scalar Variables.

Дополнительные переменные модели

Здесь будут описываться константы, expressions-переменные и переменные связи различных типов, которые необходимы или полезны для конструирования FEMLAB-модели. Будет описываться также технология их задания с помощью команд меню группы Options.

Построение сетки конечных элементов

Здесь создаётся сетка конечных элементов. Обычно всё сводится к нажатию кнопок главной инструментальной панели, связанных с сеточными операциями. В некоторых случаях нужно задавать параметры настройки генератора сетки, чтобы сетка получилась нужного качества. Для выполнения этих операций в GUI предусмотрена группа команд меню Mesh.

Вычисление решения

В большинстве случаев для этого достаточно просто выполнить команду меню Solve/ Solve Problem. В некоторых случаях требуется изменение выбора решателя или параметров его настроек. Может также потребоваться изменение параметров Менеджера решения (способы определения начальных условий и начальных приближений, блокировка отдельных прикладных режимов в мультифизике, блокировка вычисления отдельных зависимых переменных и др.).

Постпроцессорная обработка и визуализация

Здесь описывается вся технология постпроцессорной обработки результатов решения. В основном выполняется работа с диалоговым окном Plot Parameters. При необходимости применяются и другие средства визуализации: в фигурах FEMLAB и MATLAB, в сечениях расчётной области, в подобластях различной размерности. Если надо, описывается вычисление интегральных параметров рассчитанного поля. Могут описываться также операции экспорта и сохранения данных, операции постпроцессорной обработки средствами MATLAB.


Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика