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Modulares Schwergewicht-Feldbett aus Alu-Rohren (25×1.5) mit Stahl-Konnektoren (33.7×2.5). Design-Docs, Materialrecherche, Gewichtsberechnung, Korrosionsschutz-Analyse, und zwei getestete FreeCAD-Makros (Struktur + Konnektoren-Detail). Co-Authored-By: Claude Opus 4.6 (1M context) <noreply@anthropic.com>
315 lines
10 KiB
Python
315 lines
10 KiB
Python
"""
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Feldbett Connector FEM Simulation - FreeCAD Python Script
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==========================================================
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Simuliert die Belastung von Connector 2 (Q+D+B) unter Last.
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VORAUSSETZUNGEN:
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1. FreeCAD 0.20 oder neuer
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2. CalculiX installiert:
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Windows : meist mit FreeCAD mitgeliefert (prüfe Edit→Preferences→FEM→CalculiX)
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Ubuntu : sudo apt install calculix-ccx
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Mac : brew install calculix
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3. Das Connector-Script (feldbett_connectors_v2.py) muss VORHER
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ausgeführt worden sein — dieses Script baut auf dem Dokument
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"Feldbett_Connectors_v2" auf.
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ODER: Beide Scripts nacheinander in einer FreeCAD-Session ausführen.
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ANWENDUNG:
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Makro → Makro ausführen → diese Datei wählen
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→ FreeCAD öffnet automatisch die FEM-Ansicht
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→ Solver starten: Doppelklick auf "SolverCcxTools" im Modellbaum
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→ "Write .inp file" → "Run CalculiX"
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→ Ergebnisse: Doppelklick auf "CCX_Results" → Pipeline aktivieren
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ERGEBNISSE INTERPRETIEREN:
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Von-Mises-Spannung [N/mm²]:
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< Streckgrenze/Sicherheit → grün, sicher
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> Streckgrenze → rot, versagt
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Verformung [mm]:
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Zeigt wo der Connector nachgibt
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"""
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import FreeCAD as App
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import FreeCADGui as Gui
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import Part
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import math
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import os
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# ============================================================
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# PARAMETER — müssen identisch zu feldbett_connectors_v2.py sein!
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# ============================================================
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L = 35.0
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BREITE_AA = 70.0
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MODULE = 3
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ROHR_DA = 25.0
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ROHR_WAND = 2.0
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HUELSE_DA = 32.0
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HUELSE_WAND= 3.0
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EINSTECK_TIEFE = 45.0
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SPIEL = 0.4
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LAST_KG = 200.0
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SICHERHEIT = 2.0
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STRECKGRENZE = 235.0 # N/mm² (S235 Stahl)
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E_MODUL = 210000.0 # N/mm²
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POISSON = 0.3
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# ============================================================
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# GEOMETRIE (identisch zu Connector-Script)
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# ============================================================
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hwA = BREITE_AA / 2.0
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hwQ = L / 2.0
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dZ = hwA - hwQ
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legH = math.sqrt(0.75 * L**2 - dZ**2)
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def norm(v):
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l = math.sqrt(sum(x**2 for x in v))
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return tuple(x/l for x in v)
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vQ = (0.0, 0.0, 1.0)
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vD = norm(( L/2, -legH, -dZ))
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vDr = norm((-L/2, legH, dZ))
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vB = norm((-L/2, -legH, dZ))
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ROHR_DI = ROHR_DA - 2.0 * ROHR_WAND
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HUELSE_DI = ROHR_DA + 2.0 * SPIEL
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g = 9.81
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F_gesamt = LAST_KG * SICHERHEIT * g # N, mit Sicherheit
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F_pro_connector = F_gesamt / (MODULE * 4) # N pro Connector 2
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# An Connector 2 greifen D und B an — je 2 Stutzen
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F_pro_stutzen = F_pro_connector / 2.0 # N pro Stutzen
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print("=" * 55)
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print("FEM SIMULATION — CONNECTOR 2")
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print("=" * 55)
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print(f" Auslegungslast = {LAST_KG*SICHERHEIT:.0f} kg ({SICHERHEIT:.0f}× Sicherheit)")
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print(f" Kraft pro Stutzen = {F_pro_stutzen:.1f} N")
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print(f" Streckgrenze = {STRECKGRENZE:.0f} N/mm²")
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print(f" Zul. Spannung = {STRECKGRENZE/SICHERHEIT:.0f} N/mm²")
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print()
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# ============================================================
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# HILFSFUNKTIONEN
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# ============================================================
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def fv(t):
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return App.Vector(t[0], t[1], t[2])
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def rotation_to_dir(direction):
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z = App.Vector(0, 0, 1)
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d = App.Vector(*direction).normalize()
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cross = z.cross(d)
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dot = z.dot(d)
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if cross.Length > 1e-6:
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angle = math.degrees(math.acos(max(-1.0, min(1.0, dot))))
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return App.Rotation(cross, angle)
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elif dot < 0:
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return App.Rotation(App.Vector(1, 0, 0), 180)
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else:
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return App.Rotation()
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def make_huelse_solid(direction, origin=(0,0,0)):
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"""Solide Hülse (für FEM — keine Bohrung, vereinfacht für Vernetzung)."""
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outer = Part.makeCylinder(HUELSE_DA / 2.0, EINSTECK_TIEFE)
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inner = Part.makeCylinder(HUELSE_DI / 2.0, EINSTECK_TIEFE + 1.0)
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tube = outer.cut(inner)
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rot = rotation_to_dir(direction)
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tube.Placement = App.Placement(App.Vector(*origin), rot)
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return tube
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# ============================================================
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# GEOMETRIE FÜR FEM AUFBAUEN
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# Vereinfachter Connector 2: 4 Hülsen zusammengeschweißt
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# (FEM arbeitet besser mit einem zusammenhängenden Solid)
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# ============================================================
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print("Erzeuge Connector-Geometrie für FEM...")
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O = (0, 0, 0)
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h_Ql = make_huelse_solid((0, 0, -1), O)
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h_Qr = make_huelse_solid((0, 0, +1), O)
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h_Dr = make_huelse_solid(vDr, O)
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h_Bv = make_huelse_solid(vB, O)
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# Alle zu einem Solid verschmelzen (wichtig für FEM — muss ein Body sein)
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print(" Verschmelze Hülsen (kann einen Moment dauern)...")
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try:
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connector_solid = h_Ql.fuse(h_Qr).fuse(h_Dr).fuse(h_Bv)
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# FEM braucht ein sauberes Solid ohne lose Faces
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connector_solid = connector_solid.removeSplitter()
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print(" ✓ Solid erstellt")
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except Exception as e:
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print(f" ⚠ Fuse-Fehler: {e}")
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print(" Verwende h_Ql als Fallback für Test")
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connector_solid = h_Ql
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# ============================================================
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# FEM DOKUMENT AUFSETZEN
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# ============================================================
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doc_name = "Feldbett_FEM"
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if doc_name in App.listDocuments():
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App.closeDocument(doc_name)
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doc = App.newDocument(doc_name)
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print("Erzeuge FEM-Struktur...")
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# Geometrie-Objekt
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geo_obj = doc.addObject("Part::Feature", "Connector2_Solid")
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geo_obj.Shape = connector_solid
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doc.recompute()
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# ============================================================
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# FEM ANALYSIS
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# ============================================================
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try:
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import ObjectsFem
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import FemGui
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except ImportError as e:
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print(f"FEHLER: FEM-Modul nicht verfügbar: {e}")
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print("Stelle sicher dass FreeCAD mit FEM-Workbench installiert ist.")
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raise
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# Analysis-Container
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analysis = ObjectsFem.makeAnalysis(doc, "Analysis")
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# --- Material ---
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mat_obj = ObjectsFem.makeMaterialSolid(doc, "Material_Stahl")
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mat = mat_obj.Material
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mat["Name"] = "Stahl_S235"
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mat["YoungsModulus"] = f"{E_MODUL:.0f} MPa"
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mat["PoissonRatio"] = f"{POISSON}"
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mat["Density"] = "7900 kg/m^3"
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mat["UltimateTensileStrength"]= f"{STRECKGRENZE:.0f} MPa"
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mat["YieldStrength"] = f"{STRECKGRENZE:.0f} MPa"
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mat_obj.Material = mat
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||
mat_obj.References = [(geo_obj, "Solid1")]
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analysis.addObject(mat_obj)
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# --- Mesh (Vernetzung) ---
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# Netfgen oder GMSH — FreeCAD nutzt intern Netgen
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mesh_obj = doc.addObject("Fem::FemMeshShapeNetgenObject", "FEMMesh")
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mesh_obj.Shape = geo_obj
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mesh_obj.MaxSize = ROHR_DA / 2.0 # Elementgröße = halber Rohrdurchmesser
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mesh_obj.MinSize = ROHR_WAND # Mindestgröße = Wandstärke
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mesh_obj.Fineness = 3 # 1=sehr grob, 5=sehr fein (3=mittel, gut für Start)
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mesh_obj.Optimize = True
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mesh_obj.SecondOrder = True # Quadratische Elemente = genauer
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analysis.addObject(mesh_obj)
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print(f" Mesh: MaxSize={ROHR_DA/2:.1f}mm, Fineness=3 (mittel)")
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# --- Einspannung (Fixed Constraint) ---
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# Q-Stange an einem Ende festhalten (simuliert Befestigung am Bett-Rahmen)
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# Face-Auswahl: Stirnfläche der Q-links-Hülse
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fix = ObjectsFem.makeConstraintFixed(doc, "Einspannung_Q_Ende")
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# Face muss manuell ausgewählt werden — wir setzen eine plausible Referenz
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# (In der Praxis: in FreeCAD GUI die richtige Face anklicken)
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fix.References = [(geo_obj, "Face1")] # ← ggf. in GUI anpassen
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analysis.addObject(fix)
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# --- Kraft an D-Stutzen ---
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force_D = ObjectsFem.makeConstraintForce(doc, "Last_D_Stutzen")
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force_D.Force = F_pro_stutzen # N
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force_D.Direction = (geo_obj, ["Edge1"]) # Richtung entlang D-Achse
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force_D.Reversed = False
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# Kraftvektor in D-Richtung
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force_D.DirectionVector = App.Vector(*vD)
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||
force_D.References = [(geo_obj, "Face2")] # ← Stirnfläche D-Stutzen, in GUI anpassen
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analysis.addObject(force_D)
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||
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||
# --- Kraft an B-Stutzen ---
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force_B = ObjectsFem.makeConstraintForce(doc, "Last_B_Stutzen")
|
||
force_B.Force = F_pro_stutzen
|
||
force_B.DirectionVector = App.Vector(*vB)
|
||
force_B.References = [(geo_obj, "Face3")] # ← Stirnfläche B-Stutzen, in GUI anpassen
|
||
analysis.addObject(force_B)
|
||
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||
# --- Solver (CalculiX) ---
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solver = ObjectsFem.makeSolverCalculixCcxTools(doc, "SolverCcxTools")
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||
solver.AnalysisType = "static"
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||
solver.GeometricalNonlinearity = "linear"
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||
solver.ThermoMechSteadyState = False
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||
solver.MatrixSolverType = "default"
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||
solver.IterationsControlParameterTimeUse = False
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||
solver.SplitInputWriter = False
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||
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# CalculiX-Pfad automatisch suchen
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ccx_paths = [
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"/usr/bin/ccx", # Linux apt
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"/usr/local/bin/ccx", # Linux/Mac brew
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||
"C:/Program Files/FreeCAD/bin/ccx.exe", # Windows
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||
"C:/Program Files (x86)/FreeCAD/bin/ccx.exe",
|
||
]
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||
for path in ccx_paths:
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||
if os.path.exists(path):
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||
solver.ccxBinaryPath = path
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print(f" ✓ CalculiX gefunden: {path}")
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break
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else:
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print(" ⚠ CalculiX nicht automatisch gefunden.")
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print(" → Manuell setzen: Edit → Preferences → FEM → CalculiX")
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analysis.addObject(solver)
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# ============================================================
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# ABSCHLUSS & ANLEITUNG
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# ============================================================
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doc.recompute()
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# FEM-Workbench aktivieren
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try:
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||
Gui.activateWorkbench("FemWorkbench")
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||
FemGui.setActiveAnalysis(analysis)
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except Exception:
|
||
pass
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||
|
||
try:
|
||
Gui.activeDocument().activeView().fitAll()
|
||
except Exception:
|
||
pass
|
||
|
||
print()
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print("=" * 55)
|
||
print("FEM-SETUP ABGESCHLOSSEN")
|
||
print("=" * 55)
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||
print("""
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NÄCHSTE SCHRITTE IN FREECAD:
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1. FACES ANPASSEN (wichtig!):
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Die Einspannungen und Lasten sind auf "Face1/2/3"
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gesetzt — das sind Platzhalter.
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→ Im Modellbaum: Doppelklick auf "Einspannung_Q_Ende"
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→ Stirnfläche der Q-Hülse anklicken → OK
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→ Gleiches für "Last_D_Stutzen" und "Last_B_Stutzen"
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2. MESH ERZEUGEN:
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||
→ Doppelklick auf "FEMMesh" im Modellbaum
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→ "Mesh parameters" prüfen → OK
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→ Vernetzung startet automatisch (dauert 10-30 Sek.)
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3. SIMULATION STARTEN:
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→ Doppelklick auf "SolverCcxTools"
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→ Button "Write .inp file"
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→ Button "Run CalculiX"
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→ Warten (je nach Mesh 30 Sek. bis 5 Min.)
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4. ERGEBNISSE ANZEIGEN:
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→ Im Modellbaum erscheint "CCX_Results"
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→ Menü: FEM → Postprocessing → Apply pipeline to result
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→ Wähle "Von Mises Stress" oder "Displacement"
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→ Farbskala zeigt Spannungsverteilung
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""")
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print(f"GRENZWERTE:")
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print(f" Zulässige Spannung : {STRECKGRENZE/SICHERHEIT:.0f} N/mm² (grün im Plot)")
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print(f" Streckgrenze : {STRECKGRENZE:.0f} N/mm² (orange = kritisch)")
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print(f" Simulierte Last : {LAST_KG*SICHERHEIT:.0f} kg ({SICHERHEIT:.0f}× Sicherheit)")
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