Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH)

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1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH) Fachbereich Maschinen- und Energietechnik Master-Studiengang Maschinenbau Studienrichtung Maschinenbauinformatik Umwandlung bestehender ANSYS-Datenbasen (.db) in Batch-Dateien (.txt) als Voraussetzung für die Zusammenführung von Finite-Elemente-Teilmodellen FEM - Beleg von André Seidel geb. am in Rochlitz Matrikelnummer: 39910

2 HOCHSCHULE FÜR TECHNIK, WIRTSCHAFT UND KULTUR LEIPZIG (FH) FACHBEREICH MASCHINEN- UND ENERGIETECHNIK STUDIENGANG MASCHINENBAU MASTER STUDIENRICHTUNG MASCHINENBAUINFORMATIK FEM-BELEG AUFGABENSTELLUNG Herrn: André Seidel Matrikel-Nr.: Sem.-Gr.: MBM 05 Thema: Umwandlung bestehender ANSYS-Datenbasen (.db) in Textformat als Voraussetzung für die Zusammenführung von Finite-Elemente-Teilmodellen Erläuterung: Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes zwischen der Orthopädischen Uniklinik Leipzig und der HTWK Leipzig wird eine FEM-Analyse der Schubspannungen im Implantat-Knochen-Interface einer künstlichen Hüftpfanne durchgeführt. In mehreren Vorarbeiten wurden FE-Modelle verschiedener Implatat-Varianten und des Beckenknochens fertiggestellt. Zur Vorbereitung der finalen FEM-Analyse ist es notwendig, jeweils zwei ANSYS-Datenbasen (.db) mit Teilmodellen zu einem Gesamtmodell zusammenzuführen. Weiterhin sollen verschiedene Parameter in der Datenbasis im Textformat editierbar sein. Als Voraussetzung für die Erarbeitung eines geeigneten Arbeitsablaufes für die Zusammenführung der Teilmodelle steht eine typische ANSYS-Datenbasis (.db) zur Verfügung. Teilaufgaben: 1. Untersuchung der Export- und Speichermöglichkeiten in ANSYS hinsichtlich einer geeigneten Ausgabe-Datei für die Weiterverarbeitung der Datenbasis im Textformat 2. Bereinigung der Datenbasis in Textformat von überflüssigen Befehlen 3. Einfügen von Kommentaren in die Datenbasis zur Dokumentation der Modellkomponenten 4. Erarbeitung eines Arbeitsablaufs für die Zusammenführung zweier ANSYS-Datenbasen (.db) in eine Datenbasis in Textformat unter Nutzung selbst erstellter vereinfachter Testmodelle 5. Evaluierung des Arbeitsablaufes (siehe 4.) hinsichtlich der Konfliktfreiheit der Modelldaten 6. Untersuchung der IGES-Export-Funktionalität in ANSYS hinsichtlich der Nutzung zur konfliktfreien Zusammenführung zweier Datenbasen Betreuer an Klinik: Oberarzt Dr. med. Roger Scholz Dipl.-Ing. Christian Voigt Verantwortlicher Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn Ausgabetermin: September 2006 Abgabetermin: Dezember Unterschrift des verantwortlichen Hochschullehrers

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... IV Abbildungsverzeichnis... V 1 Einleitung Vorbemerkung Problemstellung und Zielsetzung Theoretische Grundlagen IGES-Datei (.igs) LOG-Dateien (.log) ANSYS Parametric Design Language (APDL) Export- und Import-Funktion in ANSYS Export-Befehl CDWRITE Import-Befehl CDREAD Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei Vergleich zwischen log-file und cdb-datei Analyse der cdb-dateien mittels Texteditor Analyse einer cdb-muster-datei in Excel Aufbau einer cdb-datei Zusammenführung von Datenbasen Methodisches Vorgehen Test 1: Zusammenführen zweier Datenbasen Test 2: Umgekehrte Zusammenführung der DB s Test 3: Hinzuführen einer DB zu einer geöffneten DB Verhalten bei grafischem Picking Verhalten bei unterschiedlichen Solver-Einstellungen Schlussbetrachtung Quellenverzeichnis Anhang A ANSYS-Hilfe zum CDWrite-Befehl Anhang B cdb-analyse in Excel III

4 Abbildungsverzeichnis ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS APDL CAD CAx DB FE- FEM IGES STEP ANSYS Parametric Design Language Computer Aided Design Sammelbegriff verschiedener Computer Aided - Methoden Datenbasis Finite-Element- Finite Elemente Methode Initial Graphics Exchange Specification Standard for the Exchange of Product Model Data IV

5 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1.1: Spezialimplantat Constraint liner... 6 Abbildung 1.2: Acetabuläres und asymmetrisches Insert... 6 Abbildung 3.1: CDWRITE-Befehl in ANSYS Abbildung 3.2: Export-Optionen des CDWRITE-Befehls Abbildung 3.3: Export-Optionen Abbildung 3.4: Option ALL Abbildung 3.5: Befehl CDREAD Abbildung 4.1: Texteditor UltraEdit Abbildung 4.2: Auszug cdb-file in UltraEdit Abbildung 4.3: ANSYS-Hilfe mit Beispiel-Befehl Abbildung 4.4: Kommentierung von ANYSY-Befehlen im Texteditor Abbildung 4.5: Musterinsert in ANSYS Abbildung 4.6: Aufbau einer cdb-datei nach Kategorisierung der Informationsgehalte Abbildung 5.1: Methodisches Vorgehen bei DB-Zusammenführung Abbildung 5.2: Ablauf beim Zusammenführen zweier Datenbasen Abbildung 5.3: Zusammenführen zweier DB s in ANSYS Abbildung 5.4: cdb-vergleich für Test Abbildung 5.5: Ablauf beim umgekehrten Zusammenführen der Datenbasen Abbildung 5.6: cdb-vergleich für Test Abbildung 5.7: Reihenfolge bei Zusammenführung von DB s Abbildung 5.8: Ablauf beim Hinzufügen einer DB zu einer geöffneten DB Abbildung 5.9: cdb-vergleich für Test Abbildung 5.10: Anwendung des grafischen Pickings in ANSYS Abbildung 5.11: Analyse cdb-datei mit und ohne Anwendung von grafischem Picking Abbildung 5.12: Solver-Eigenschaften der Kugel.db Abbildung 5.13: Solver-Eigenchaften der Würfel.db Abbildung 5.14: Analyse nach ANTYPE in kombinierter DB Abbildung 5.15: Gegenüberstellung der Solver-Tests Abbildung 6.1: Beiliegende Ordner und Dateien V

6 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Vorbemerkung Die vorliegende Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Labor für Biomechanik der Orthopädischen Universitätsklinik Leipzig. Der Forschungsschwerpunkt des Labors für Biomechanik liegt auf dem Gebiet der Endoprothetik und hierbei in erster Linie in der Revisionsendoprothetik bei Hüftgelenken. Dabei spielt die Luxation (Verrenkung) der Hüftendoprothese sowie das Phänomen des Impingementes (unerwünschter Kontakt von Implantatanteilen) eine zentrale Rolle. 1 Im Rahmen einer Kooperation des Labors mit der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) zu Leipzig werden verschiedenartige Problemstellungen im Bereich künstlicher Hüftgelenke und des knöchernen Beckens anhand mathematischer Methoden und Modelle erforscht und analysiert. Innerhalb der Untersuchungen von Spezialimplantaten, wie in Abbildung 1.1 dargestellt, wird die FEM-Software ANSYS zur Finite-Elemente-Modellierung genutzt. Abbildung 1.1: Spezialimplantat Constraint liner Abbildung 1.2: Acetabuläres und asymmetrisches Insert 1 Quelle: 6

7 Einleitung Die FEM wird in der Biomechanik eingesetzt, um die Implantate eingehend zu hinsichtlich der nachstehend aufgeführten Funktionen zu untersuchen: 2 Simulation des Einwachsens im Imlantat-Knochen-Interface Abrieb-, Press-Fit- und Impigment-Mechansimen Kraftübertragung von der Schraubpfanne in den periprothetischen Knochen Der künstliche Ersatz von Hüftgelenken gehört mit zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen. Annähernd Hüftendoprothesen werden in Deutschland jährlich implantiert. 3 Die Hauptursache für die Notwendigkeit von Hütgelenkimplantaten liegt im Gelenkverschleiß (Coxarthrose) bei älteren Menschen. Weitere Ursachen wie starkes Übergewicht, Fehlbildungen im Bereich der Hüfte (Dysplasie) oder Absterben des Hüftkopfes durch Mangeldurchblutung bzw. Medikamente führen dazu, dass künstliche Hüftgelenke zunehmend auch bei jüngeren Menschen eingesetzt werden Problemstellung und Zielsetzung Im Rahmen des Projektes wurden diverse Finite-Element-Modelle verschiedenartiger Implantate sowie des Beckenknochens entwickelt. Grundlage für eine FEM-Betrachtung ist dabei der Import einer IGES-Datei und damit der Geometriedaten. Es kann unter Umständen notwendig sein, zwei ANSYS-Datenbasen mit Teilmodellen zu einer DB zusammenzuführen. Mittels dieser Arbeit soll untersucht werden, ob Datenbasen als Text- Dateien weiterverwendet werden können. Die nachstehenden Teilaufgaben sollen dabei berücksichtigt werden: Untersuchen der Export-Funktion und deren Optionen in ANSYS Untersuchen einer entstehenden Text-Datei hinsichtlich des Inhalts aller FE- Parameter, dabei ist die Datei mit Kommentaren zu versehen Untersuchen der Text-Datei (LOG-File oder ähnliche Datei) hinsichtlich überflüssiger Befehle (Datenbereinigung) Betrachtung der Zusammenführung: Auftreten von Entitiy-Nummern-Konflikten Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu erforschen, ob Datenbasen mit dem Ergebnis einer Text- Datei aus ANSYS heraus exportierbar und die entstehenden Text-Dateien verifizierbar sind. Dabei ist zu beachten, dass die Text-Datei später als Input-Datei weiterhin verwendbar ist. 2 Vgl. VOIGT 3 Vgl. 4 Vgl. 7

8 Theoretische Grundlagen 2 Theoretische Grundlagen An dieser Stelle sollen einige Grundbegriffe bzw. Dateiformate näher betrachtet werden. 2.1 IGES-Datei (.igs) Dieses neutrale, sprich herstellerunabhängige Datenformat dient dem digitalen Austausch von Informationen zwischen CAx-Systemen, insbesondere CAD-Programmen. Im Zusammenhang mit ANSYS beinhalten die IGES-Dateien die Geometriedaten für den Import aus dem CAD-Programm. Die Daten werden in einzelnen Einheiten (Entities) in einer einer beliebigen Rangordnung gespeichert. Die in ANSYS zu importierenden Modelle, bestehend aus Linien, Kurven und Flächen, werden mittels verschiedener Entity-Typen dargestellt. Um Körper datenseitig zu transportieren werden neben IGES häufig Informationen im Datenaustauschformat STEP verwendet. Die textbasierte Speicherung von Informationen im IGES-Format führt dazu, dass diese Dateien relativ groß sind (oftmals mehrere MByte). 2.2 LOG-Dateien (.log) Viele automatisierte Prozesse legen Statusmeldungen oder bestimmte Zwischenergebnisse, die beim Prozessablauf entstehen, in Log-Dateien ab. Hintergrund hierfür ist es, diese Informationen zu einem späteren Augenblick auswerten zu können. Zum Beispiel können Namen und Optionen der Befehle, die innerhalb einer bestimmten Software Verwendung finden, gespeichert werden. Treten während des Betriebsprozesses Störungen auf, kann mittels der Log-Dateien die Ursache analysiert werden. Vereinfacht ausgedrückt kann eine Log-Datei als Liste von Einträgen in zeitlich chronologischer Abfolge definiert werden. Sie beinhaltet das automatisch erstellte Protokoll aller oder bestimmter Aktionen. Die signifikante Frage an viele Log-Dateien innerhalb von technischen Prozessen bzw. im Rahmen von diversen Softwarepaketen ist die Sicherstellung deren Authentizität, Reihenfolge und Vollständigkeit. Auch in ANSYS werden alle ausgeführten Befehle in einer Log-File reproduzierbar dokumentiert. Ausgegeben wird diese in der ANSYS-eigenen Sprache APDL, auf die im kommenden Abschnitt näher eingegangen werden soll. 8

9 Theoretische Grundlagen 2.3 ANSYS Parametric Design Language (APDL) APDL ist die ANSYS-spezifische Sprache für parametrische Konstruktion. Mit Hilfe von APDL ist es Anwendern möglich, Modelle in Form von Parametern zu generieren. Parameter sind dabei seitens des Users definierte Variablen, denen numerische Werte zugeordnet werden können. Somit können Änderungen konstruktiver Art am Modell sowie hinsichtlich der FE-charakteristische Einflussgrößen auf das Modell schnell und einfach durchgeführt werden. APDL nutzt eine Reihe weiterer Funktionen, um die verschiedenartigen Analysen im ANSYS zu simplifizieren. Neben den beschriebenen Parametern sind an dieser Stelle ebenso Makros aufzuführen, welche als Sequenz von ANSYS-Kommandos mit nur einem Befehl einen Prozess an Transaktionen hervorrufen können. Somit generiert der Anwender quasi sein eigenes Kommando, welches in einer Datei gespeichert wird und für den wiederholten Einsatz verwendet werden kann. Makros liegen als Dateiformat.mac vor. Im Rahmen dieser Arbeit sind diverse Makros entstanden, die dem Beleg beiliegen. Überdies bietet APDL Verzweigungen (z.b. If-Then-Else-Verzweigungen), Schleifen (z.b. DO-Schleife) sowie Vektor- und Matrizenoperationen (Parameterfelder). So bildet die Programmiersprache APDL die Grundlage für weiterführende Einsatzmöglichkeiten von ANSYS, wie beispielshalber adaptives Vernetzen oder die Strukturoptimierung. 9

10 Export- und Import-Funktion in ANSYS 3 Export- und Import-Funktion in ANSYS 3.1 Export-Befehl CDWRITE Um Informationen aus ANSYS in eine externe Textdatei zu überführen bzw. Daten in ANSYS einzuspielen, gibt es innerhalb des Preprocessors den Reiter Archive Model und hierunter die Befehle CDWRITE ( Write - Datenexport). and CDREAD ( Read - Datenimport), siehe Abbildung 3.1: Abbildung 3.1: CDWRITE-Befehl in ANSYS Mittels des Befehls CDWRITE können auswählbare Informationen in ein definiertes Text- Dateiformat in Form einer cdb-datei sowie, abhängig von Archivierungsoption in eine iges- Datei transformiert werden. Hierbei bietet ANSYS die folgenden Möglichkeiten für die datentechnische Archivierung: Abbildung 3.2: Export-Optionen des CDWRITE-Befehls 10

11 Export- und Import-Funktion in ANSYS In der nachstehenden Tabelle sind alle relevanten Export-Option für den Befehl CDWRITE aufgeführt und hinsichtlich deren Eignung für die bestehende Problemstellung analysiert. Grundlage hierfür waren verschiedene Export-Tests mit den einzelnen Archivierungsmöglichkeiten: Export- Option ALL COMB DB SOLID GEOM CM MAT LOAD Generierte Datei(en) iges, cdb cdb cdb iges cdb cdb cdb cdb Erklärung ALL vereinigt den Export von Geometrieinformationen (iges) FEM-Daten (cdb), welche alle notwendigen Informationen in reproduzierbarer Form enthält (siehe nachfolgende Erklärung). Es werden.iges- und.cdb-informationen in einer Datei vereinigt. Cdb entspricht der cdb-datei, die bei der Export- Option ALL entsteht, allerdings ohne Geometrieinformationen Entstehende Datei enthält ausschließlich Informationen zur Solidmodellgeometrie. Entstehende Datei enthält ausschließlich geometrische Informationen. Entstehende Datei enthält ausschließlich Knotenund Elementkomponenten sowie Komponenten der Geometrien. Entstehende Datei enthält ausschließlich Materialeigenschaften. Entstehende Datei enthält ausschließlich Lasten und Randbedingungen. Abbildung 3.3: Export-Optionen Im Anhang A ist zudem die Original-ANSYS-Hilfe hinsichtlich des Kommandos CDWRITE zu finden. ALL: Es werden zwei Dateien generiert, einerseits die IGES-Datei, welche die Informationen hinsichtlich der Geometrie enthält. Andererseits entsteht beim Archivierungsvorgang eine cdb-datei, die wiederum alle Finite-Elemente-spezifischen Angaben wie Materialkonstanten, Lasten oder Komponenten beinhaltet. 11

12 Export- und Import-Funktion in ANSYS Die Abbildung 3.4 stellt den Archivierungsvorgang mittels des Befehls CDWRITE und der Exportoption ALL dar: Abbildung 3.4: Option ALL Fazit: Mit dem Befehl CDWRITE können Datenbasen aus ANSYS exportiert werden. Dabei erfolgt für die Export-Option ALL eine Trennung in eine IGES-Datei mit den umfassenden Geometriedaten und eine cdb-datei, welche alle signifikanten FEM-Informationen enthält. 3.2 Import-Befehl CDREAD Die Daten können auf analogem Weg wiederum in ANSYS importiert werden. Dies erfolgt, wie bereits erwähnt, unter Nutzung des Befehls CDREAD. Hierbei werden die folgenden Importoptionen seitens ANSYS angeboten: Abbildung 3.5: Befehl CDREAD An dieser Stelle soll nicht auf die einzelnen Einlesemöglichkeiten eingegangen werden, da dies für die Exportoptionen in Abbildung 3.3 in ausführlicher Form dargestellt wurde. Im Sinne der Aufgabenstellung ist hier vorrangig die Option ALL bedeutsam, bei der eine igs-datei und eine cdb-datei upgeloaded werden. 12

13 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei 4 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei 4.1 Vergleich zwischen log-file und cdb-datei Im Kapitel drei wurde insbesondere auf den Dateityp cdb eingegangen, der beim Datenimport mittels des ANSYS-Befehls CDWRTE mit der Option ALL generiert wird. Eine cdb-datei ist sozusagen eine Text-Datei, welche eine unsäglich große Anzahl an Finite- Elemente-Informationen beinhaltet. Aufgrund des Splittings der Ausgangsdatenbasis bei der Befehlsausführung von CDWRITE in eine igs- sowie cdb-datei weist die entstandene cdb-datei keine Geometriedaten auf, da sich diese innerhalb der.iges-datei wieder finden. Eine zweite Möglichkeit ANSYS-Informationen in eine reproduzierbare Text-Datei zu erhalten, besteht in der Nutzung der log-datei. Beim Start von ANSYS wird gleichzeitig diese Datei, auch als session log bezeichnet, geöffnet und anschließend werden jegliche, innerhalb der Software durchgeführten Schritte darin dokumentiert. ANSYS hängt Log-Daten immer an und verhindert so, dass Daten überschrieben werden. Jedoch weisen die Log-Dateien aus ANSYS die folgenden Nachteile auf: Log-Datei enthält ausschließlich ausgeführte Kommandos Log-Datei enthält überflüssige Befehle, da jede Transaktion im ANSYS, die der User ausführt, dokumentiert wird Aufgrund der Informationsvielfalt ist eine Identifikation zur Erstellung der kennzeichnenden FE-Daten sehr komplex Fazit: Log-Files sind sehr unübersichtlich und weisen abhängig vom Nutzer in ANSYS eine fehlende Ordnung auf. Das Erkennen aller erforderlichen Informationen ist aufgrund der Tatsache, dass innerhalb dieser log-datei alle ausgeführten Aktivitäten mitgeschrieben werden, ausschließlich mit einem enormen Auswerteaufwand sowie einem hinreichend großen Erfahrungswert des Anwenders zu erreichen. 13

14 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei 4.2 Analyse der cdb-dateien mittels Texteditor Wie im vorangegangenen Kapitel beschrieben, soll anhand der seitens des Biomechanischen Labors zur Verfügung gestellten Datenbasen die Generierung von cdb- Dateien durchgeführt werden. Anschließend werden die entstandenen cdb-dateien in einem Texteditor geöffnet. Hierzu wurde auf den Standard-Windows-Editor verzichtet und anstatt dessen der Texteditor UltraEdit-32 verwendet. UltraEdit-32 kann vielfältig konfiguriert an die persönlichen Bedürfnisse angepasst werden. Die Software liest und bearbeitet eine große Anzahl von Dateitypen. Neben seiner Funktion als Texteditor ist sie ebenso zum Programmieren geeignet und gilt mittlerweile für viele Programmierer als Standard-Software. Abbildung 4.1: Texteditor UltraEdit-32 Innerhalb des Texteditors kann die in der Programmiersprache APDL generierte cdb-datei analysiert werden. Dabei können Textpassagen mit verschiedenen Farben gekennzeichnet und erklärende Bemerkungen eingefügt werden, welche mit Hilfe von Ausrufezeichen vom ursprünglichen Inhalt getrennt werden. Abbildung 4.2: Auszug cdb-file in UltraEdit-32 Im Rahmen des vorliegenden Beleges wurden die APDL-Kommandos innerhalb der 14

15 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei Textdatei identifiziert und anschließend mittels der ANSYS-Hilfe eingehend untersucht: Abbildung 4.3: ANSYS-Hilfe mit Beispiel-Befehl Die einzelnen Einträge an Befehlen und Koordinateninformationen sind auf diese Weise in hinreichend genauer, verständlicher und reproduzierbarer Form zu beschreiben. Kommentare können in APDL mit Ausrufezeichen eingefügt werden. Demnach wird im Texteditor jede Zeile untersucht und kommentiert, wie es der folgende Auszug belegt: Abbildung 4.4: Kommentierung von ANYSY-Befehlen im Texteditor Fazit: Mittels dieser Vorgehensweise kann die zu untersuchende cdb-datei ausführlich analysiert werden. Kommentare werden direkt in die Datei als Erklärung der einzelnen Kommandos eingetragen. Dennoch zeichnet sich die Analyse im Texteditor durch eine unzureichende Übersichtlichkeit aus. 4.3 Analyse einer cdb-muster-datei in Excel Aufgrund des gewaltigen Umfangs an Zeilen innerhalb der cdb-datei erschien es sinnvoll, 15

16 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei die Daten aus dem Texteditor in ein Excel-Arbeitsblatt zu exportieren. Anhand des Befehls Alles markieren sowie Copy&Paste wird hierzu der Inhalt der Textdatei in ein Excel- Sheet kopiert. Jede Zeile im Texteditor wird ebenfalls im Excel eine separate Zeile zugeordnet. Der signifikante Vorteil der Dateianalyse im Excel besteht in der Erweiterung um ergänzende Spalten. Zwar können im Texteditor, wie bereits beschrieben, erklärende Formulierungen eingefügt werden ohne die Funktionalität der cdb-file zu verifizieren, dennoch ist diese Möglichkeit die einzelnen Befehle und Informationen zu beschreiben relativ unübersichtlich und führt zu einem erhöhten Suchaufwand. An dieser Stelle werden neben Spalte A, indem sich der ursprüngliche Inhalt der cdb-datei befindet, weitere Spalten eingefügt: Kategorie: die Befehle und Informationen werden in thematischen Kategorien zusammengefasst Erklärung: Erläuterung zu Eintrag der cdb-datei in Deutsch. ANSYS-Hilfe: Original-Beschreibung der ANSYS-Hilfe zu jedem Eintrag der cdb- Datei, in Englisch. Der Hauptgrund, die Datei im Excel zu bearbeiten, liegt eindeutig darin, dass man über die Funktion Autofilter die Inhalte der unterschiedlichen Spalten filtern kann. Insbesondere für die Anzeige der einzelnen Kategorien ist dies zweckmäßig. So kann beispielsweise über benutzerdefinierte Filterung eine Anzeige erzielt werden, bei der die Kategorie Koordinaten mit einer immens hohen Anzahl an Zeilen sozusagen verdeckt bleiben. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Übersichtlichkeit und zu einer vereinfachten Analyse. Außerdem wird eine schnelle Suche einzelner Kommandos ermöglicht. An dieser Stelle sollte im Sinne der Verständlichkeit versucht werden, sich auf maximal 15 Kategorien zu beschränken. Statistik zur untersuchten cdb-muster-datei: Name der Datenbasis: Model new-mesh.db Name der Excel-Datei: cdb-datei-analyse.xls Anzahl der Zeilen / Kategorien: / 15 Anzahl der Knoten: Anzahl der Elemente: Anzahl der Materialien: 7 Anzahl der Real-Konstanten: 4 Anzahl der Elementtypen: 5 Die Excel-Tabelle dient der Untersuchung, ob die cdb-datei nach deren Generierung über den ANSYS-Archvierungsmodus (Kommando CDWRITE) alle notwendigen FEM- 16

17 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei Informationen enthält. Sie gilt sozusagen als Muster für eine nachvollziehbare Analyse. Textbasierende cdb-dateien haben weiterhin den Vorteil gegenüber ANSYS-Datenbasen (.db), dass sie in der Regel abwärtskompatibel sind. Datenbasen lassen sich in einer niedrigeren ANSYS-Version als in deren Entstehungsversion nicht öffnen. Im Gegensatz hierzu sind cdb-dateien versionsunabhängig. Die nachstehende Abbildung zeigt den Aufbau der cdb-datei-analyse.xls: Abbildung 4.5: Musterinsert in ANSYS 10.0 Im Anhang B ist die Analyse der exemplarischen cdb-datei als Excel-Liste cdb-datei- Analyse.xls abgebildet. 4.4 Aufbau einer cdb-datei Aufgrund der durchgeführten Analyse und der darin entwickelten Kategorisierung von Kommandoblöcken soll nun der Aufbau einer cdb-datei beschrieben werden. Dabei bezieht sich die Betrachtung jene Dateien, die mittels der Exportoption ALL (siehe 3.1) archiviert (CDWRITE) wurden. Abhängig von der Datenbasis können die Kategorien durchaus variieren. Ein Teil der Kategorien wird sich in allen cdb-dateien wieder finden lassen. Hierzu zählen beispielhalber die Kategorien Anzahl von, Parameter-Definition oder auch KO- Systeme. Hingegen müssen andere Informationsblöcke nicht zwingend in einer cdb-datei vorhanden sein, je nach Datenbasis. Nichtlinearität oder Lagerdefinition seien hierfür genannt. Im Folgenden sei der Aufbau einer cdb-datei in allgemeiner Form modelliert: 17

18 Analyse der aus ANSYS exportierten Text-Datei Abbildung 4.6: Aufbau einer cdb-datei nach Kategorisierung der Informationsgehalte 18

19 Zusammenführung von Datenbasen 5 Zusammenführung von Datenbasen 5.1 Methodisches Vorgehen Im Kapitel 3 wurde bereits die Archivierungsfunktion im ANSYS im Zusammenhang mit den Kommandos CDWRITE und CDREAD eingehend betrachtet. Anschließend wurde die generierte cdb-datei untersucht. Hintergrund beider Betrachtungsweisen war das Zusammenführen von Datenbasen. Dieser Aspekt soll nun ausführlich dargelegt werden. Im folgenden Flussdiagramm soll eine allgemeingültige Methodik aufgeführt sein, die das Zusammenführen zweier Datenbasen zum Inhalt hat: Abbildung 5.1: Methodisches Vorgehen bei DB-Zusammenführung Zwei Datenbasen können miteinander kombiniert werden, indem zu einer geöffneten Datenbasis mittels des CDREAD-Befehls unter der Import-Funktion ALL eine iges-datei sowie cdb-datei einer zweiten Datenbasis eingelesen wird. Vorraussetzung hierzu ist natürlich eine zuvor erfolgte Generierung der iges- bzw. cdb-datei aus Datenbasis 2. Im Folgenden soll die Abhängigkeit der zeitlichen Abfolge hinsichtlich des Imports der Datenbasen untersucht werden. 19

20 Zusammenführung von Datenbasen 5.2 Test 1: Zusammenführen zweier Datenbasen Die folgenden Versuche beinhalten jeweils die Zusammenführung von zwei Datenbasen. Es gilt hierbei zu untersuchen, inwiefern dabei Konflikte auftreten. Weiterhin stellt sich an dieser Stelle die Frage, wie sich die Parameter bei der Kombination verhalten und ob eine Abhängigkeit von der zeitlichen Abfolge der Zusammenführung besteht und wie sich diese auswirkt. Hierzu sind zwei Datenbasen erstellt worden, die in den folgenden Tests in unterschiedlichen Abfolgen zusammengeführt werden. Kugel.db Wuerfel.db Archivierungsvorgang im ANSYS: CDWRITE mit Export-Option ALL Archivierungsvorgang im ANSYS: CDWRITE mit Export-Option ALL Kugel.iges Kugel.cdb Wuerfel.iges Wuerfel.cdb Re-Import im ANSYS: CDREAD 1 mit Import- Option ALL Import im ANSYS: CDREAD 2 mit Import- Option ALL Kugel+Wuerfel.db Makro: Start.mac Archivierungsvorgang im ANSYS: CDWRITE mit Export-Option ALL Kugel+Wuerfel.iges Kugel+Wuerfel.cdb Abbildung 5.2: Ablauf beim Zusammenführen zweier Datenbasen 20

21 Zusammenführung von Datenbasen Erläuterung: Die beiden Datenbasen werden eingangs unabhängig voneinander mittels des CDWRITE-Befehls im ANSYS jeweils in iges- und cdb-file zerlegt. Anschließend wird zuerst der Re-Import der Kugel über das CDREAD-Kommando durchgeführt. Danach erfolgt auch der Import von Wuerfel.iges und Wuerfel.cdb. Nach erfolgter Zusammenführung (siehe Abbildung 5.3) werden iges und cdb aus der Kombination beider Datenbasen generiert. Der Export bzw. Import der Daten erfolgt dabei bezogen auf csys,0, unabhängig davon, welches Koordinatensystem jeweils aktuell ist. Abbildung 5.3: Zusammenführen zweier DB s in ANSYS Es werden nun die beiden cdb-dateien der Einzel-Datenbasen mit der cdb-datei der Gesamt-DB verglichen. Dies erfolgt über die Betrachtung von drei ausgewählten Eigenschaften: Kugel Würfel Kugel+Wuerfel Elementtyp ET,1, 96 ET,1, 95 Knoten ET,1, 95 ET,2, 96 Würfel: Kugel: E-Modul MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, , MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, ,..EX,1,1, ,..EX,2,1, , Abbildung 5.4: cdb-vergleich für Test 1 Fazit: Anhand der drei ausgewählten Eigenschaften ist erkennbar, dass die Zählung der Entitiy-Nummerierung bei der Zusammenführungen von zwei Datenbasen mit der zuletzt importierten DB beginnt. Am Beispiel der Knoten ist ersichtlich, dass sich die absolute 21

22 Zusammenführung von Datenbasen Anzahl der Knoten aus beiden Datenbasen addiert. Die Reihenfolge ergibt sich jedoch wie folgt: es werden in der zusammengeführten cdb-datei zuerst die Knoten der zuletzt importierten DB aufgeführt, anschließend die Knoten der ersten DB. Analog verhält es sich anhand der beiden weiteren gewählten Informationsfelder Elementtyp und Elastizitätsmodul. Die gewählten Eigenschaften stellen hierbei Musterbeispiele dar, bei allen weiteren Eigenschaften (Reals usw.) wird es sich analog verhalten. 5.3 Test 2: Umgekehrte Zusammenführung der DB s Abbildung 5.5: Ablauf beim umgekehrten Zusammenführen der Datenbasen 22

23 Zusammenführung von Datenbasen Erläuterung: Um die im Test 1 gewonnen Kenntnisse im Hinblick auf die Entitiy- Nummerierung bei der Zusammenführung von Datenbasen zu beweisen, soll nun die Kombination der DB s in umgekehrter zeitlicher Abfolge durchgeführt werden. Es wird also zuerst, wie in Abbildung 5.5 ersichtlich, der Würfel und anschließend die Kugel nach bekannter Vorgehensweise in ANSYS importiert. Kugel Würfel Wuerfel+Kugel Elementtyp ET,1, 96 ET,1, 95 Knoten ET,1, 96 ET,2, 95 Kugel: Würfel: E-Modul MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, , MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, ,..EX,1,1, ,..EX,2,1, , Abbildung 5.6: cdb-vergleich für Test 2 Fazit: Analog dem Test 1 wird deutlich, dass die Entitiy-Nummerierung mit der zuletzt eingelesenen Datenbasis beginnt und mit der ersten DB fortschreibt. Bei der aufeinander folgenden Durchführung der Import-Funktionen für verschiedene Ausgangs-Datenbasen kann festgestellt werden, dass die Zusammenführung konfliktfrei möglich ist und die Nummerierung der Eigenschaften allgemeingültig mit der folgenden Reihenfolge ausgedrückt werden kann: Abbildung 5.7: Reihenfolge bei Zusammenführung von DB s 5.4 Test 3: Hinzuführen einer DB zu einer geöffneten DB Für die beiden Testfälle 1 und 2 wurde jeweils ein Makro erfasst, welches die Reihenfolge des Re-Imports bestimmte. Nun soll der Fall betrachtet werden, dass eine Datenbasis im ANSYS regulär geöffnet ist und man über die Archivierungsfunktion CDREAD eine weitere Datenbasis hinzuführt. Elementare Frage ist an dieser Stelle, ob sich die Ergebnisse der beiden variierenden Szenarien voneinander unterscheiden. 23

24 Zusammenführung von Datenbasen Abbildung 5.8: Ablauf beim Hinzufügen einer DB zu einer geöffneten DB Erläuterung: Zu der bereits im ANSYS geöffneten Datenbasis Kugel.db wird über die Import-Funktion eine zweite DB angefügt (als Wüerfel-iges sowie Wuerfel.cdb). Anschließend werden wiederum die drei cdb-dateien im Texteditor miteinander verglichen. Auf der nächsten Seite ist die Tabelle mit den dabei zu beobachtbaren Ergebnissen abgebildet. 24

25 Zusammenführung von Datenbasen Kugel Würfel Kugel+Wuerfel Elementtyp ET,1, 96 ET,1, 95 Knoten ET,1, 95 ET,2, 96 Würfel: Kugel: E-Modul MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, , MPDATA,R5.0,1,EX, 1,1, ,..EX,1,1, ,..EX,2,1, , Abbildung 5.9: cdb-vergleich für Test 3 Fazit: Da sich der Test 3 im Hinblick auf die zeitliche Abfolge des Einspielens der Datenbasen dem Test 1 gleicht, galt es zu untersuchen, ob die verschiedenartige Vorgehensweise im Ergebnis auf die letztendliche Zusammenführung der DB s einen Unterschied aufweist. Es kann nun festgestellt werden, dass der im Test 1 beschrittene Weg über den jeweilig nacheinander durchgeführte Re-Import der zwei Datenbasen anhand der ANSYS-Import- Funktion zum gleichen Ergebnis führt wie im Test Verhalten bei grafischem Picking Unter grafischem Picking im Zusammenhang mit der Finite-Elemente-Methode mit ANSYS versteht man die Umsetzung von Befehlen über die Anwahl von Punkten mittels eines Cursors. Im folgen Test soll untersucht werden, ob es im Hinblick auf cdb-dateien zum einen für den Fall der Nutzung des grafischen Pickings bzw. im Falle ohne Anwendung von grafischem Picking einen signifikanten Unterschied gibt. Für diese Analyse wurde eine Kraft F x in Höhe von 100N an der modellierten Datenbasis aufgetragen. Im ersten Versuch erfolgt die Umsetzung mittels der Anwendung des grafischen Pickings. Dies ist in der Abbildung 5.10 auf der nachfolgenden Seite ersichtlich. Anschließend wird über den CDWRITE-Befehl die zur Datenbasis gehörige cdb-datei generiert. Während des zweiten Tests wird die Last über den entsprechenden Befehl in der Befehlszeile eingebracht und wiederum eine cdb-datei erzeugt. 25

26 Zusammenführung von Datenbasen Abbildung 5.10: Anwendung des grafischen Pickings in ANSYS Nun werden die beiden cdb-dateien der unterschiedlichen Lasteinleitungs-Verfahren im Texteditor miteinander verglichen. In der nachstehenden Abbildung sind die Ergebnisse mit Anwendung sowie ohne Anwendung von grafischem Picking abgebildet: Abbildung 5.11: Analyse cdb-datei mit und ohne Anwendung von grafischem Picking Fazit: Im Anschluss an diese Versuchsreihe wurde die Erkenntnis gewonnen, dass der Aspekt des grafischen Pickings keinen Einfluss auf die Generierung des cdb-datei aufweist. Unabhängig, ob man beispielsweise Lasten über das grafische Picking oder ohne dessen Anwendung innerhalb der Datenbasis anträgt, wird in der cdb-datei eine für beide Fälle identische APDL-Befehlszeile fortgeschrieben. 5.6 Verhalten bei unterschiedlichen Solver-Einstellungen Abschließend soll untersucht werden, inwiefern sich Solver-Eigenschaften bei der Zusammenführung von Datenbasen auswirken. Dabei werden wiederum verschiedene Tests anhand zweier Datenbasen durchgeführt. Die eine DB (Kugel.db) wird durch die Eigenschaft Analysis Type static (0) gekennzeichnet, wie auch in der folgenden Abbildung ablesbar: 26

27 Zusammenführung von Datenbasen Abbildung 5.12: Solver-Eigenschaften der Kugel.db Im Gegensatz dazu wird die zweite DB (Wuerfel.db) als modal (2) verifiziert: Abbildung 5.13: Solver-Eigenchaften der Würfel.db 27

28 Zusammenführung von Datenbasen Anschließend werden zwei unterschiedliche Versuche durchgeführt. Im ersten Versuch wird der Würfel zur geöffneten Kugel-DB hinzugefügt und anschließend über CDWRITE die cdb-datei der kombinierten Datenbasis generiert. Darin wird der Analysis-Typ mit 2 aufgeführt. Im zweiten Test erfolgt die kombination der beiden Datenbasen in reziproker Reihenfolge. Im Texteditor ist innerhalb der gemeinsamen cdb ablesbar, dass sich der Analysis Type als static (0) eingestellt hat: Abbildung 5.14: Analyse nach ANTYPE in kombinierter DB Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die beiden beschriebenen Tests und die Entwicklung der Solver-Eigenschaft Analysis-Typ: Kugel Würfel Versuch 1: Kugel&Wuerfel Versuch 2: Wuerfel&Kugel ANTYPE 0 ANTYPE 2 ANTYPE 2 ANTYPE 0 Abbildung 5.15: Gegenüberstellung der Solver-Tests Fazit: Anhand dieser Testreihe kann festgestellt werden, dass bei der Zusammenführung von Datenbasen mit unterschiedlichen Solver-Eigenschaften im ANSYS die zuletzt importierte DB dominant ist, d.h. derartige Optionen werden durch die, zeitlich gesehen letzte Datenbasis bestimmt. 28

29 Schlussbetrachtung 6 Schlussbetrachtung Im vorliegenden Beleg im Rahmen des Projektes zur Untersuchung von künstlichen Hüftpfannen am Biomechanischen Labor der Universitätsklinik Leipzig galt es die Zusammenführung von unterschiedlichen Datenbasen zu untersuchen. Da dies im ANSYS nicht einfach über Resume DB möglich ist, sollte ein praktikabler Weg aufgezeigt werden. Im ersten Schritt sind hierbei die beiden gefundenen Lösungsmöglichkeiten der log-file und der cdb-datei zu analysieren und zu vergleichen. Dabei wurde eingehend auf die Archivierungsfunktion eingegangen. Es sind die ANSYS- Kommandos CDWRITE (Daten-Export) sowie CDREAD (Daten-Import) und deren Optionen untersucht worden. An dieser Stelle gilt festzuhalten, dass sowohl für die Archivierung von Datenbasen in Textformat, wie auch als Vorbereitung für die Zusammenführung von unterschiedlichen Datenbasen die Optionsvariante ALL am besten geeignet ist. Dies begründet sich darin, dass beim CDWRITE-Vorgang eine iges-datei sowie eine Datei im cdb-format entstehen, wobei letztere sämtliche FEM-spezifischen Informationen aus der verschlüsselten Datenbasis enthält. Nach eingehender cdb-datei-analyse kann diagnostiziert werden, dass die cdb-datei gegenüber log-files viel geeigneter ist und sich durch wesentlich geringere Nacharbeit auszeichnet. Im weiteren Verlauf der Belegbearbeitung sind dann anhand eigens erstellter Testmodelle verschiedene Versuche im ANSYS erfolgt, um die Zusammenführung von zwei Datenbasen zu analysieren. Infolge dieser Tests ist ein allgemeingültiger Ablauf für die Kombination von verschiedenen Datenbasen evaluiert worden. Aufgrund der Vielzahl der durchgeführten Versuche in ANSYS bzw. dem Texteditor UltraEdit liegen der vorliegenden Arbeit eine Reihe von Dateien bei. Diese sind auf der beiliegenden CD in der folgenden Ordnerstruktur zu finden: Abbildung 6.1: Beiliegende Ordner und Dateien 29

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