Z88FEMソフトウェア

Z88_FEM_software
Z88は、有限要素法（FEM）およびトポロジー最適化のためのソフトウェアパッケージです。バイロイト大学のFrankRiegが率いるチームは、1985年に開発を開始し、現在、ソフトウェアはいくつかの大学や中小企業で使用されています。Z88は、線形アプローチで2次元および3次元の要素タイプを計算できます。ソフトウェアパッケージには、いくつかのソルバーと2つのポストプロセッサが含まれており、Microsoft Windows、Mac OS X、および32ビットと64ビットのUnix / Linuxコンピューターで使用できます。バージョン。2007年に実施されたベンチマークテストでは、商用ソフトウェアと同等のパフォーマンスが示されました。 Z88 開発者
フランク・リーグとチーム
安定したリリースZ88V15OS 88Aurora V4
Z88Arion V2 / 17. Juli 2017 / 24. April 2017 / 23. April 2018
リポジトリ
github .com / LSCAD / Z88OS
オペレーティング・システム
Windows、 Linux、Unix、 Mac OS X
タイプ
有限要素解析
ライセンス
Z88V15 GNU GPL Z88Aurora V4（カスタム）
Webサイト
z88 .de

コンテンツ
1 歴史と機能
1.1 概要 1.2 Z88Auroraの機能 1.3 Z88Arionの機能
2 申し込み
2.1 教育と研究への応用 2.2 業界でのアプリケーション
3 文学
4 外部リンク
5 参考文献
歴史と機能編集

概要
このソフトウェアは、バイロイト大学の工学設計およびCADの教授であるFrankRiegによって開発されました。もともとFORTRAN77で書か れていたこのプログラムは、1990年代初頭にプログラミング言語Cに移植されました。有限要素解析には2つのプログラムが
Z88OS（現在のバージョン15.0）は、GNU General PublicLicenseの下でソースコードを含む自由ソフトウェアとして利用できます。プログラムのモジュール構造とソースコードのオープンな可用性により、カスタマイズされた拡張機能とアドオンを開発することが可能であり、いくつかの特殊なケースの2Dおよび3D連続要素（異方性シェル要素など）がユーザーによって開発されました。
Z88Aurora（現在のバージョン4.0）は、もともとZ88有限要素解析プログラムのユーザーインターフェイスを記述していました。いくつかの追加とさらなる開発の後、Z88OSよりもはるかに幅広い機能を備えています。Z88Auroraはフリーウェアですが、ソースコードは公開され
2014年以降、2つのAndroidアプリも利用できます。
Z88Tinaは、Androidスマートフォンおよびタブレット向けのフリーウェアFEAプログラムです。Z88Tinaを使用すると、トラスや梁だけでなく、平面応力要素、プレート、トーラスなどの連続体要素も計算できます。
Z88Mobileは、すべてのZ88製品と同様に、無料です。このアプリは、2つの異なるモード（基本モードと詳細モード）を提供し、タッチインターフェイスを備えています。
製品ファミリは、2016年以降、トポロジ最適化用のソフトウェアによってサポートされています。
Z88Arionは、トポロジー最適化のための無料のプログラムであり、計算のための3つの別個のアルゴリズムを提供します（OC：最適性基準、SKO：ソフトキルオプション、TOSS：剛性と応力のトポロジー最適化）。

Z88Auroraの機能
Z88Auroraの現在のバージョンには、いくつかの計算モジュールが含まれています。
線形静解析の場合、結果は加えられた力に比例すると想定されます。
非線形解析は、非線形ジオメトリおよび非線形材料に使用されます。
熱および熱機械分析を使用すると、温度または熱電流に関する結果だけでなく、熱機械変位および応力に関する結果も計算できます。
固有振動数シミュレーションを利用することにより、固有振動数とその結果生じる振動を決定できます。
コンタクトモジュールは、相互作用部品やアセンブリをシミュレートすることが可能となります。統合された部品管理ツールにより、アセンブリの効果的な処理が可能になります。接着接続または摩擦のない接続と、接触の離散化（接触のタイプ：節点-表面または表面-表面接触）、数学的面付け法（ラグレンジ法、摂動ラグレンジ法、またはペナルティ法）をシミュレートするオプションが ）および接触剛性の方向（法線方向または接線方向）は、接触設定を介して変更できます。このモジュールは、線形または2次形状関数を持つ四面体と六面体のみをサポートします。さらに、このモジュールは線形機械的強度解析でのみ使用できます。
選択したモジュールに関係なく、Z88Auroraを使用した有限要素解析は、プリプロセッサ、ソルバー（プロセッサ）、およびポストプロセッサの3つの領域に分けることができます。
プリプロセッサはFEモデルを構築します。Z88Auroraのツールを使用し、トラスや梁などの構造要素を使用して、ソフトウェア内で直接構造を構築するか、モデルを複数のファイル形式からインポートすることができます。ジオメトリはSTEPファイル（* .STP）、ASCIIまたはバイナリ形式のSTLファイル（* .STL）、またはAutocadファイル（* .DXF）からインポートでき、FE構造データはNASTRANファイル（* .NAS）からインポートできます。 ABAQUSファイル（* .INP）、ANSYSファイル（* .ANS）、またはCOSMOSファイル（* .COS）。Z88Auroraには、2D要素（トラス、ビーム、平面応力要素、シャフト要素、トーラス要素）と3D要素（トラス、ビーム、線形および二次四面体および六面体）を含む合計25の異なる要素タイプが含まれています。2つのオープンソースメッシャー（Hang Si博士（WIASベルリン）によるTetGenとJoachimSchöberl教授（TU Wien）によるNETGEN）は、四面体メッシュを生成します。既存の四面体メッシュ（線形および二次）用の四面体リファイナー、超要素構造（六面体、シェルなど）用のマップされたメッシャー、2Dシェル要素から列シェルを作成するシェルシックナー、およびトリミング関数は、モデルをリファインするのに役立ちます。セット管理により、サーフェス、ノード、および要素を簡単に選択して、境界条件を適用したり、材料を定義したりできます。材料データベースには、52の事前定義された材料が含まれ、編集可能で、簡単に拡張できます。力、変位、圧力、熱条件などのさまざまな境界条件は、グラフィカルユーザーインターフェイスを使用して適用できます。
ソルバーは、選択した計算モジュールに応じて、変位、応力、温度、および節点力を計算します。線形有限要素解析には、次の4つの数値ソルバーを使用できます。
いわゆるジェニングスストレージを備えた直接コレスキーソルバー。トラスとビームで構成される中小規模の構造に（高速であるため）便利です。
中程度の構造の直接マルチCPUスパース行列ソルバーと
大規模なFE構造にスパース行列ストレージを使用する2つの異なる前処理付き反復ソルバー。
定常熱計算または熱機械計算では、反復ソルバーまたは直接マルチコアソルバーを使用します。
非線形計算は、特別な反復ソルバーを適用することによって行われます。固有振動数シミュレーションでは、ランチョス法を使用します。
結果は、ポストプロセッサを使用して視覚化されます。結果をフィルタリングしたり、パーツをクリップして、関連するセクションのみを表示したりすることができます。特定の結果をテキストまたはCSV形式にエクスポートでき、分析機能により、単一ノードに関連する結果を表示できます。さらに、変形された構造は、STLファイルにエクスポートすることで他のアプリケーションで使用できます。
このソフトウェアには、状況に応じたオンラインヘルプを備えたWindowsユーザーインターフェイスが付属しています。例を使用して、Z88およびZ88Auroraの使用法を示すハンドブックが利用可能です。フリーウェアは、Windows、Linux、OSXで利用できます。

Z88Arionの機能
トポロジの最適化は、事前定義されたスペース内でトポロジクラスを変更することにより、特定のターゲット関数に向けて既存の構造を最適化することによって行われます。適切な場所で材料を除去することにより、最適な構造が作成されます。トポロジー最適化の目標は、仮想製品開発プロセス内で定義された適用力と境界条件の下で最適な構造を自動的に作成することです。ドラフトモデルが基礎を提供します。変位、応力、固有振動数および振動は、構造解析によって計算され、最適化プロセスで考慮されます。この時点で、最適化プロセスの正確なモデルと設計変数が定義されます。ここでは、対象関数だけでなく、境界条件や制限も定義します。最適化問題は、設計変数のバリエーションを繰り返すアルゴリズムによって解決されます。その結果、ドラフトモデルが改善され、最適なドラフト、いわゆる設計提案が達成されるまで同じプロセスが実行されます。
トポロジー最適化の目標に応じて、2つの異なる方法を選択できます。
最適性基準（OC）
ソフトキルオプション（SKO）
剛性と応力のトポロジー最適化（TOSS）
OC法は、以前に定義された相対体積に関連して最大の剛性を特徴とする設計提案を生成します。 SKOプロセスは最大強度を最適化します。TOSSアルゴリズムは、バイロイト大学の開発チームによって特別に開発されたものであり、OC法の進歩として理解することができます。これは、OCといわゆるSKO法（ソフトキルオプション）のハイブリッドプロセスであり、OC法から得られる最適な剛性構造を使用し、それを基礎として使用して、応力が最適化された設計提案を作成します。そうするために、材料はストレスの多い領域で追加され、ストレスの少ない領域で削除されます。
決定された設計提案は、ポストプロセッサに表示されます。たとえば、ユーザーはさまざまな反復を確認し、表示制限を変えることができます。さらに、Z88Arion V2以降、結果の構造を滑らかにしてSTLとしてエクスポートし、最適化されたパーツを他のプログラムで直接再利用できるようにすることができます。Z88Auroraへの直接インターフェースも

申し込み

教育と研究への応用
Z88は、1998年以来、バイロイト大学の工学部の学生を教育するために使用されています。構造の手動作成と境界条件の適用の可能性により、FEMソフトウェアの機能を簡単に視覚化できます。オープンファイルソースにより、ソフトウェアはFE領域での研究目的に使用でき、個別のニーズに合わせて変更できます。
中でも、Z88はで研究と教育のために使用される大学ラーフェンスブルク-ヴェンガルテン、ヨアニナ大学、ペンシルベニア州立大学、大学デブエノスアイレス、カリアリ大学、マリボル大学、及びゾングルダクKaraelmasÜniversitesiました。さらに、Z88は、ダルムシュタット大学、ハンブルク-ハールブルク大学、ミュンヘン大学、カールスルーエ大学、ベルン大学、北京大学（とりわけ）で学位論文に使用されています。
さらに、Z88を使用した教科書が2冊創意工夫のための有限要素解析：EineleichtverständlicheEinführungは6000部以上を販売しました。この教科書は、有限要素解析のエントリーレベルのユーザー向けに設計されており、Z88を使用して、ユーザーが自分のシステムで本に示されている例に従うことができます。『Maschinenelemente-Funktion、Gestaltung und Berechnung by Decker』（第19版）は、Z88の実用的なアプリケーションを使用して、有限要素解析による機械要素の計算を教えています。

業界でのアプリケーション
オープンソースアプローチにより、多くのアプリケーションがZ88ソルバー、そのプロット出力などを使用します。とりわけ、Z88は、建物建設におけるガラス板の点集中および線形荷重を計算するプログラムに適合されています。木材のヤング率と曲げ強度を決定するためのルーチンが実装され、圧力容器を計算するためのサブアプリケーションが開発されました。Z88を使用している企業の例は次のとおりです。
ボーイング：ミサイル防衛システム（米国）、
Teledyne Brown Engineering（USA）、
Winimac Coil Spring Inc.（USA）、
Double D Design Ltd.（ニュージーランド）、
RINGSPANN GmbH（ドイツ）、
KTR Kupplungstechnik GmbH（ドイツ）および
Neuson Hydrotec GmbH（オーストリア）。
ソースコードの可用性、したがって適用されるアルゴリズムと材料モデルの透明性により、Z88はNASTRANやABAQUSなどの商用ツールのリファレンスソフトウェアとして理想的です。

文学
Frank Rieg、Reinhard Hackenschmidt、Bettina Alber-Laukant：エンジニアのための有限要素分析：Z88Auroraを使用した基本と実用的なアプリケーション。ハンサーFachbuchverlag、ミュンヘン/ウィーン2014年、第5版、ISBN  978-1-56990-487-9。
Karl-Heinz Decker：Maschinenelemente – Funktion、Gestaltung undBerechnung。ハンサーFachbuchverlag、ミュンヘン/ウィーン2014、19 Auflage、
ISBN 978-3-446-43856-9。 
Frank Rieg：Z88 – Das kompakte Finite ElementeSystem。

外部リンク
公式ウェブサイト
バイロイト大学によるZ88ユーザーフォーラム
CAD.DEによるZ88ユーザーフォーラム
工学設計およびCAD部門; フランクRiegでのバイロイト大学

参考文献
^ Roith、B; トロール、A; Rieg、F（2007）。3次元コンピュータ支援設計プログラム（CAD）の統合有限要素解析（FEA）-概要と比較。パリ：ICED。
^ Zimmermann、Martin（2008）。Theorie und Implementierung verschiebungsbezogener Schalen als finite Elemente imMaschinenbau。シェーカー。ISBN
 978-3-8322-7528-0。
^ フリッシュ、マイケル（2015）。Entwicklung eines Hybridalgorithmus zur Steifigkeits- und spannungsoptimierten Auslegung vonKonstruktionselementen。アーヘン：シェーカー。ISBN
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^ フリッシュ、マイケル; ディーズ、ケビン; リーグ、フランク; Dörnhöfer、A（2016）。Weiterentwicklung und Einsatz eines Verfahrens zur Topologieoptimierung zur Effizienzsteigerung in derKonzeptphase。バンベルク：NAFEMS。ISBN
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^ Bendsoe、MP; Sigmund、O（2004）。トポロジの最適化。スプリンガー。ISBN
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^ 下の機械工学、講義有限要素のための大学ラーフェンスブルク-ヴェンガルテン、Fakulty、で使用エドモンド・ベーム。（2012年8月27日に見られるように。）
^ ギリシャのイオアニナ大学数学研究所での使用、Georgios E. Stavroulakisの下での有限フレメント入門の講義（2015年以降はクレタ工科大学の計算力学および最適化研究所のCOMECOページで継続）
^ 音響学研究所、アメリカ、キャメロンP.リーガー（2012年8月27日見）
^ Facultad de Ingenieria、アルゼンチン、 Analisis NumericoI。（2012年8月27日に見られるように。）
^ L’Universita Di Cagliari、Dipartimento di Ingegneria Strutturale、イタリア（2012年8月27日閲覧）
^ 機械工学部、インテリジェントCADシステム研究所、スロベニアBojanDolsak。（2012年8月27日に見られるように。）
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