FEM Tutorial Python

From FreeCAD Documentation
Revision as of 07:17, 23 January 2017 by Berndhahnebach (talk | contribs)
Tutorial
Topic
Finite Element Analysis
Level
Intermediates
Time to complete
30 minutes
Authors
Bernd
FreeCAD version
0.17.9477 or above
Example files
See also
None


Introduction

This example is meant to show how a simple Finite Element Analysis (FEA) in FreeCADs FEM Module is done by python. The model from FEM_CalculiX_Cantilever_3D will be taken for this example.



Requirements

  • FreeCAD version = 0.17.9477 or above.
  • This could be checked at the menu Help --> about FreeCAD.
  • Al thought due to the continuing changes in FEM module it is recommended to use the latest development snapshot of FreeCAD for python scripted FEM analysis's.
  • A set up FEM module. Check FEM_CalculiX_Cantilever_3D


Let's start

New document and the part to analyze

# new document
doc = App.newDocument("Scripted_CalculiX_Cantilever3D")
#
# part
import Part
box_obj = doc.addObject('Part::Box', 'Box')
box_obj.Height = box_obj.Width = 1000
box_obj.Length = 8000
#
# see how our part looks like
import FreeCADGui
FreeCADGui.ActiveDocument.activeView().viewAxonometric()
FreeCADGui.SendMsgToActiveView("ViewFit")
#

Analysis and analysis objects

# see how our part looks like
import FreeCADGui
FreeCADGui.ActiveDocument.activeView().viewAxonometric()
FreeCADGui.SendMsgToActiveView("ViewFit")
#
# analysis
import FemAnalysis
analysis_object = FemAnalysis.makeFemAnalysis('Analysis')
#
# solver
import FemSolverCalculix
solver_object = FemSolverCalculix.makeFemSolverCalculix('CalculiX')
solver_object.GeometricalNonlinearity = 'linear'
solver_object.SteadyState = True
solver_object.MatrixSolverType = 'default'
solver_object.IterationsControlParameterTimeUse = False
doc.Analysis.Member = doc.Analysis.Member + [solver_object]
#
# material
import FemMaterial
material_object = FemMaterial.makeFemMaterial('MechanicalMaterial')
mat = material_object.Material
mat['Name'] = "Steel-Generic"
mat['YoungsModulus'] = "210000 MPa"
mat['PoissonRatio'] = "0.30"
mat['Density'] = "7900 kg/m^3"
material_object.Material = mat
doc.Analysis.Member = doc.Analysis.Member + [material_object]
#
# fixed_constraint
fixed_constraint = doc.addObject("Fem::ConstraintFixed", "FemConstraintFixed")
fixed_constraint.References = [(doc.Box, "Face1")]
doc.Analysis.Member = doc.Analysis.Member + [fixed_constraint]
#
# force_constraint
force_constraint = doc.addObject("Fem::ConstraintForce", "FemConstraintForce")
force_constraint.References = [(doc.Box, "Face2")]
force_constraint.Force = 9000000.0
force_constraint.Direction = (doc.Box, ["Edge5"])
force_constraint.Reversed = True
doc.Analysis.Member = doc.Analysis.Member + [force_constraint]
#

FEM mesh

# mesh
import Fem
femmesh = Fem.FemMesh()
#
# nodes
femmesh.addNode(8000.0, 1000.0, 0.0, 1)
femmesh.addNode(8000.0, 1000.0, 1000.0, 2)
femmesh.addNode(8000.0, 0.0, 0.0, 3)
femmesh.addNode(8000.0, 0.0, 1000.0, 4)
femmesh.addNode(0.0, 1000.0, 0.0, 5)
femmesh.addNode(0.0, 1000.0, 1000.0, 6)
femmesh.addNode(0.0, 0.0, 0.0, 7)
femmesh.addNode(0.0, 0.0, 1000.0, 8)
femmesh.addNode(728.0, 1000.0, 1000.0, 9)
femmesh.addNode(1456.0, 1000.0, 1000.0, 10)
femmesh.addNode(2184.0, 1000.0, 1000.0, 11)
femmesh.addNode(2912.0, 1000.0, 1000.0, 12)
femmesh.addNode(3640.0, 1000.0, 1000.0, 13)
femmesh.addNode(4368.0, 1000.0, 1000.0, 14)
femmesh.addNode(5096.0, 1000.0, 1000.0, 15)
femmesh.addNode(5824.0, 1000.0, 1000.0, 16)
femmesh.addNode(6552.0, 1000.0, 1000.0, 17)
femmesh.addNode(7280.0, 1000.0, 1000.0, 18)
femmesh.addNode(728.0, 0.0, 1000.0, 19)
femmesh.addNode(1456.0, 0.0, 1000.0, 20)
femmesh.addNode(2184.0, 0.0, 1000.0, 21)
femmesh.addNode(2912.0, 0.0, 1000.0, 22)
femmesh.addNode(3640.0, 0.0, 1000.0, 23)
femmesh.addNode(4368.0, 0.0, 1000.0, 24)
femmesh.addNode(5096.0, 0.0, 1000.0, 25)
femmesh.addNode(5824.0, 0.0, 1000.0, 26)
femmesh.addNode(6552.0, 0.0, 1000.0, 27)
femmesh.addNode(7280.0, 0.0, 1000.0, 28)
femmesh.addNode(728.0, 1000.0, 0.0, 29)
femmesh.addNode(1456.0, 1000.0, 0.0, 30)
femmesh.addNode(2184.0, 1000.0, 0.0, 31)
femmesh.addNode(2912.0, 1000.0, 0.0, 32)
femmesh.addNode(3640.0, 1000.0, 0.0, 33)
femmesh.addNode(4368.0, 1000.0, 0.0, 34)
femmesh.addNode(5096.0, 1000.0, 0.0, 35)
femmesh.addNode(5824.0, 1000.0, 0.0, 36)
femmesh.addNode(6552.0, 1000.0, 0.0, 37)
femmesh.addNode(7280.0, 1000.0, 0.0, 38)
femmesh.addNode(728.0, 0.0, 0.0, 39)
femmesh.addNode(1456.0, 0.0, 0.0, 40)
femmesh.addNode(2184.0, 0.0, 0.0, 41)
femmesh.addNode(2912.0, 0.0, 0.0, 42)
femmesh.addNode(3640.0, 0.0, 0.0, 43)
femmesh.addNode(4368.0, 0.0, 0.0, 44)
femmesh.addNode(5096.0, 0.0, 0.0, 45)
femmesh.addNode(5824.0, 0.0, 0.0, 46)
femmesh.addNode(6552.0, 0.0, 0.0, 47)
femmesh.addNode(7280.0, 0.0, 0.0, 48)
femmesh.addNode(8000.0, 500.0, 500.0, 49)
femmesh.addNode(0.0, 500.0, 500.0, 50)
femmesh.addNode(4731.99999977, 500.000001086, 499.999998599, 51)
femmesh.addNode(0.0, 500.0, 1000.0, 52)
femmesh.addNode(364.0, 1000.0, 1000.0, 53)
femmesh.addNode(1092.0, 1000.0, 1000.0, 54)
femmesh.addNode(1820.0, 1000.0, 1000.0, 55)
femmesh.addNode(2548.0, 1000.0, 1000.0, 56)
femmesh.addNode(3276.0, 1000.0, 1000.0, 57)
femmesh.addNode(4004.0, 1000.0, 1000.0, 58)
femmesh.addNode(4732.0, 1000.0, 1000.0, 59)
femmesh.addNode(5460.0, 1000.0, 1000.0, 60)
femmesh.addNode(6188.0, 1000.0, 1000.0, 61)
femmesh.addNode(6916.0, 1000.0, 1000.0, 62)
femmesh.addNode(7640.0, 1000.0, 1000.0, 63)
femmesh.addNode(8000.0, 500.0, 1000.0, 64)
femmesh.addNode(364.0, 0.0, 1000.0, 65)
femmesh.addNode(1092.0, 0.0, 1000.0, 66)
femmesh.addNode(1820.0, 0.0, 1000.0, 67)
femmesh.addNode(2548.0, 0.0, 1000.0, 68)
femmesh.addNode(3276.0, 0.0, 1000.0, 69)
femmesh.addNode(4004.0, 0.0, 1000.0, 70)
femmesh.addNode(4732.0, 0.0, 1000.0, 71)
femmesh.addNode(5460.0, 0.0, 1000.0, 72)
femmesh.addNode(6188.0, 0.0, 1000.0, 73)
femmesh.addNode(6916.0, 0.0, 1000.0, 74)
femmesh.addNode(7640.0, 0.0, 1000.0, 75)
femmesh.addNode(0.0, 500.0, 0.0, 76)
femmesh.addNode(364.0, 1000.0, 0.0, 77)
femmesh.addNode(1092.0, 1000.0, 0.0, 78)
femmesh.addNode(1820.0, 1000.0, 0.0, 79)
femmesh.addNode(2548.0, 1000.0, 0.0, 80)
femmesh.addNode(3276.0, 1000.0, 0.0, 81)
femmesh.addNode(4004.0, 1000.0, 0.0, 82)
femmesh.addNode(4732.0, 1000.0, 0.0, 83)
femmesh.addNode(5460.0, 1000.0, 0.0, 84)
femmesh.addNode(6188.0, 1000.0, 0.0, 85)
femmesh.addNode(6916.0, 1000.0, 0.0, 86)
femmesh.addNode(7640.0, 1000.0, 0.0, 87)
femmesh.addNode(8000.0, 500.0, 0.0, 88)
femmesh.addNode(364.0, 0.0, 0.0, 89)
femmesh.addNode(1092.0, 0.0, 0.0, 90)
femmesh.addNode(1820.0, 0.0, 0.0, 91)
femmesh.addNode(2548.0, 0.0, 0.0, 92)
femmesh.addNode(3276.0, 0.0, 0.0, 93)
femmesh.addNode(4004.0, 0.0, 0.0, 94)
femmesh.addNode(4732.0, 0.0, 0.0, 95)
femmesh.addNode(5460.0, 0.0, 0.0, 96)
femmesh.addNode(6188.0, 0.0, 0.0, 97)
femmesh.addNode(6916.0, 0.0, 0.0, 98)
femmesh.addNode(7640.0, 0.0, 0.0, 99)
femmesh.addNode(8000.0, 1000.0, 500.0, 100)
femmesh.addNode(0.0, 1000.0, 500.0, 101)
femmesh.addNode(8000.0, 0.0, 500.0, 102)
femmesh.addNode(0.0, 0.0, 500.0, 103)
femmesh.addNode(364.0, 500.0, 1000.0, 104)
femmesh.addNode(728.0, 500.0, 1000.0, 105)
femmesh.addNode(1092.0, 500.0, 1000.0, 106)
femmesh.addNode(1456.0, 500.0, 1000.0, 107)
femmesh.addNode(1820.0, 500.0, 1000.0, 108)
femmesh.addNode(2184.0, 500.0, 1000.0, 109)
femmesh.addNode(2548.0, 500.0, 1000.0, 110)
femmesh.addNode(3276.0, 500.0, 1000.0, 111)
femmesh.addNode(3640.0, 500.0, 1000.0, 112)
femmesh.addNode(4004.0, 500.0, 1000.0, 113)
femmesh.addNode(4368.0, 500.0, 1000.0, 114)
femmesh.addNode(4732.0, 500.0, 1000.0, 115)
femmesh.addNode(5096.0, 500.0, 1000.0, 116)
femmesh.addNode(5460.0, 500.0, 1000.0, 117)
femmesh.addNode(5824.0, 500.0, 1000.0, 118)
femmesh.addNode(6188.0, 500.0, 1000.0, 119)
femmesh.addNode(6552.0, 500.0, 1000.0, 120)
femmesh.addNode(6916.0, 500.0, 1000.0, 121)
femmesh.addNode(7640.0, 500.0, 1000.0, 122)
femmesh.addNode(2912.0, 500.0, 1000.0, 123)
femmesh.addNode(7280.0, 500.0, 1000.0, 124)
femmesh.addNode(364.0, 500.0, 0.0, 125)
femmesh.addNode(1092.0, 500.0, 0.0, 126)
femmesh.addNode(728.0, 500.0, 0.0, 127)
femmesh.addNode(1820.0, 500.0, 0.0, 128)
femmesh.addNode(1456.0, 500.0, 0.0, 129)
femmesh.addNode(2548.0, 500.0, 0.0, 130)
femmesh.addNode(2184.0, 500.0, 0.0, 131)
femmesh.addNode(3640.0, 500.0, 0.0, 132)
femmesh.addNode(3276.0, 500.0, 0.0, 133)
femmesh.addNode(4004.0, 500.0, 0.0, 134)
femmesh.addNode(5096.0, 500.0, 0.0, 135)
femmesh.addNode(4732.0, 500.0, 0.0, 136)
femmesh.addNode(5460.0, 500.0, 0.0, 137)
femmesh.addNode(6188.0, 500.0, 0.0, 138)
femmesh.addNode(5824.0, 500.0, 0.0, 139)
femmesh.addNode(6916.0, 500.0, 0.0, 140)
femmesh.addNode(6552.0, 500.0, 0.0, 141)
femmesh.addNode(7640.0, 500.0, 0.0, 142)
femmesh.addNode(2912.0, 500.0, 0.0, 143)
femmesh.addNode(4368.0, 500.0, 0.0, 144)
femmesh.addNode(7280.0, 500.0, 0.0, 145)
femmesh.addNode(364.0, 1000.0, 500.0, 146)
femmesh.addNode(728.0, 1000.0, 500.0, 147)
femmesh.addNode(1092.0, 1000.0, 500.0, 148)
femmesh.addNode(1456.0, 1000.0, 500.0, 149)
femmesh.addNode(1820.0, 1000.0, 500.0, 150)
femmesh.addNode(2184.0, 1000.0, 500.0, 151)
femmesh.addNode(2548.0, 1000.0, 500.0, 152)
femmesh.addNode(3276.0, 1000.0, 500.0, 153)
femmesh.addNode(3640.0, 1000.0, 500.0, 154)
femmesh.addNode(4004.0, 1000.0, 500.0, 155)
femmesh.addNode(4368.0, 1000.0, 500.0, 156)
femmesh.addNode(4732.0, 1000.0, 500.0, 157)
femmesh.addNode(5096.0, 1000.0, 500.0, 158)
femmesh.addNode(5460.0, 1000.0, 500.0, 159)
femmesh.addNode(5824.0, 1000.0, 500.0, 160)
femmesh.addNode(6188.0, 1000.0, 500.0, 161)
femmesh.addNode(6552.0, 1000.0, 500.0, 162)
femmesh.addNode(6916.0, 1000.0, 500.0, 163)
femmesh.addNode(7640.0, 1000.0, 500.0, 164)
femmesh.addNode(2912.0, 1000.0, 500.0, 165)
femmesh.addNode(7280.0, 1000.0, 500.0, 166)
femmesh.addNode(364.0, 0.0, 500.0, 167)
femmesh.addNode(1092.0, 0.0, 500.0, 168)
femmesh.addNode(728.0, 0.0, 500.0, 169)
femmesh.addNode(1820.0, 0.0, 500.0, 170)
femmesh.addNode(1456.0, 0.0, 500.0, 171)
femmesh.addNode(2548.0, 0.0, 500.0, 172)
femmesh.addNode(2184.0, 0.0, 500.0, 173)
femmesh.addNode(3640.0, 0.0, 500.0, 174)
femmesh.addNode(3276.0, 0.0, 500.0, 175)
femmesh.addNode(4004.0, 0.0, 500.0, 176)
femmesh.addNode(5096.0, 0.0, 500.0, 177)
femmesh.addNode(4732.0, 0.0, 500.0, 178)
femmesh.addNode(5460.0, 0.0, 500.0, 179)
femmesh.addNode(6188.0, 0.0, 500.0, 180)
femmesh.addNode(5824.0, 0.0, 500.0, 181)
femmesh.addNode(6916.0, 0.0, 500.0, 182)
femmesh.addNode(6552.0, 0.0, 500.0, 183)
femmesh.addNode(7640.0, 0.0, 500.0, 184)
femmesh.addNode(2912.0, 0.0, 500.0, 185)
femmesh.addNode(4368.0, 0.0, 500.0, 186)
femmesh.addNode(7280.0, 0.0, 500.0, 187)
femmesh.addNode(8000.0, 250.0, 250.0, 188)
femmesh.addNode(8000.0, 250.0, 750.0, 189)
femmesh.addNode(8000.0, 750.0, 750.0, 190)
femmesh.addNode(8000.0, 750.0, 250.0, 191)
femmesh.addNode(0.0, 250.0, 750.0, 192)
femmesh.addNode(0.0, 250.0, 250.0, 193)
femmesh.addNode(0.0, 750.0, 250.0, 194)
femmesh.addNode(0.0, 750.0, 750.0, 195)
femmesh.addNode(1456.0, 500.0, 500.0, 196)
femmesh.addNode(6552.0, 500.0, 500.0, 197)
femmesh.addNode(6916.0, 500.0, 500.0, 198)
femmesh.addNode(2184.0, 500.0, 500.0, 199)
femmesh.addNode(2548.0, 500.0, 500.0, 200)
femmesh.addNode(2912.0, 500.0, 500.0, 201)
femmesh.addNode(1820.0, 500.0, 500.0, 202)
femmesh.addNode(7640.0, 750.0, 250.0, 203)
femmesh.addNode(7640.0, 750.0, 750.0, 204)
femmesh.addNode(7280.0, 500.0, 500.0, 205)
femmesh.addNode(7640.0, 250.0, 250.0, 206)
femmesh.addNode(5460.0, 500.0, 500.0, 207)
femmesh.addNode(5096.0, 500.0, 500.0, 208)
femmesh.addNode(6188.0, 500.0, 500.0, 209)
femmesh.addNode(5824.0, 500.0, 500.0, 210)
femmesh.addNode(364.0, 750.0, 250.0, 211)
femmesh.addNode(364.0, 750.0, 750.0, 212)
femmesh.addNode(364.0, 250.0, 250.0, 213)
femmesh.addNode(1092.0, 500.0, 500.0, 214)
femmesh.addNode(728.0, 500.0, 500.0, 215)
femmesh.addNode(364.0, 250.0, 750.0, 216)
femmesh.addNode(4549.99999989, 250.000000543, 249.9999993, 217)
femmesh.addNode(4549.99999989, 750.000000543, 249.9999993, 218)
femmesh.addNode(4549.99999989, 750.000000543, 749.9999993, 219)
femmesh.addNode(4368.0, 500.0, 500.0, 220)
femmesh.addNode(4549.99999989, 250.000000543, 749.9999993, 221)
femmesh.addNode(4913.99999989, 250.000000543, 749.9999993, 222)
femmesh.addNode(4913.99999989, 750.000000543, 749.9999993, 223)
femmesh.addNode(3276.0, 500.0, 500.0, 224)
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femmesh.addVolume([50, 19, 9, 39, 216, 105, 212, 213, 169, 215], 190)
femmesh.addVolume([50, 19, 8, 6, 216, 65, 192, 195, 104, 52], 191)
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femmesh.addVolume([34, 33, 13, 43, 82, 154, 155, 134, 132, 225], 204)
femmesh.addVolume([35, 14, 15, 51, 157, 59, 158, 227, 219, 223], 205)
femmesh.addVolume([25, 45, 15, 51, 177, 208, 116, 222, 228, 223], 206)
femmesh.addVolume([44, 43, 13, 23, 94, 225, 226, 176, 174, 112], 207)
femmesh.addVolume([35, 34, 14, 51, 83, 156, 157, 227, 218, 219], 208)
femmesh.addVolume([46, 15, 36, 16, 207, 159, 139, 210, 60, 160], 209)
femmesh.addVolume([36, 35, 15, 45, 84, 158, 159, 137, 135, 208], 210)
femmesh.addVolume([37, 36, 16, 46, 85, 160, 161, 138, 139, 210], 211)
femmesh.addVolume([25, 26, 16, 46, 72, 118, 117, 179, 181, 210], 212)
femmesh.addVolume([47, 16, 17, 26, 209, 61, 197, 180, 118, 119], 213)
femmesh.addVolume([47, 16, 26, 46, 209, 118, 180, 97, 210, 181], 214)
femmesh.addVolume([27, 28, 18, 48, 74, 124, 121, 182, 187, 205], 215)
femmesh.addVolume([35, 34, 51, 45, 83, 218, 227, 135, 136, 228], 216)
femmesh.addVolume([13, 14, 44, 23, 58, 220, 226, 112, 113, 176], 217)
femmesh.addVolume([44, 25, 24, 51, 178, 71, 186, 217, 222, 221], 218)
femmesh.addVolume([44, 45, 25, 51, 95, 177, 178, 217, 228, 222], 219)
femmesh.addVolume([46, 15, 16, 25, 207, 60, 210, 179, 116, 117], 220)
femmesh.addVolume([46, 15, 25, 45, 207, 116, 179, 96, 208, 177], 221)
femmesh.addVolume([50, 8, 19, 39, 192, 65, 216, 213, 167, 169], 222)
femmesh.addVolume([35, 51, 15, 45, 227, 223, 158, 135, 228, 208], 223)
femmesh.addVolume([34, 44, 43, 13, 144, 94, 134, 155, 226, 225], 224)
femmesh.addVolume([51, 44, 45, 34, 217, 95, 228, 218, 144, 136], 225)
femmesh.addVolume([9, 29, 39, 30, 147, 127, 215, 148, 78, 126], 226)
femmesh.addVolume([40, 9, 19, 39, 214, 105, 168, 90, 215, 169], 227)
#
# add it to the analysis
femmesh_obj = App.ActiveDocument.addObject('Fem::FemMeshObject', 'Box_Mesh')
femmesh_obj.FemMesh = femmesh
doc.Analysis.Member = doc.Analysis.Member + [doc.Box_Mesh]
#

Recompute

# recompute
doc.recompute()
#

Run the analysis

# run the analysis
import FemGui
FemGui.setActiveAnalysis(FreeCAD.ActiveDocument.Analysis)
import FemToolsCcx
fea = FemToolsCcx.FemToolsCcx()
fea.update_objects()
message = fea.check_prerequisites()
if not message:
    fea.reset_all()
    fea.run()
    fea.load_results()
else:
    FreeCAD.Console.PrintError("Houston, we have a problem! {}\n".format(message))  # in report view
    print("Houston, we have a problem! {}\n".format(message))  # in python console
#


Show the results

# run the analysis
for m in analysis_object.Member:
    if m.isDerivedFrom('Fem::FemResultObject'):
        result_object = m
        break
#
femmesh_obj.ViewObject.setNodeDisplacementByVectors(result_object.NodeNumbers, result_object.DisplacementVectors)
femmesh_obj.ViewObject.applyDisplacement(10)
#

Additional Information

Scripting FEM mesh objects

Scripting the Netgen mesh object was tried here: http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=16944#p134519 , but has some limitations. On the contrary the GMSH mesh object fully supports python scripting. See forum topic http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=20087

Scripting multiple analysis

See forum post: http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=19549#p151385

Scripting results

See forum posts: http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=4677&start=20#p148982 and http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=4677&start=30#p149043 and http://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?t=18415#p144028


Appendix

Have Fun!

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