Z88 (Software)

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Z88
Entwickler Frank Rieg
Aktuelle Version Z88 V14
Z88Aurora V2b
(21. Juni 2012 / 11. Februar 2013)
Betriebssystem Windows, 32- und 64-bit
Linux, Unix,
Mac OS X, 64-bit
Kategorie FEM-Programm
Lizenz Z88V14 GNU GPL
Z88Aurora V2b (Custom)
Deutschsprachig Ja
z88.de

Z88 ist ein Softwarepaket für die Finite-Elemente-Methode (FEM) in der Struktur- und Kontinuumsmechanik. Die Software wird von einem Team unter der Leitung von Frank Rieg an der Universität Bayreuth seit 1986 entwickelt und von einer Reihe von Universitäten in Lehre und Forschung sowie mehreren kleinen und mittleren Unternehmen in der Produktentwicklung eingesetzt. Z88 kann sowohl zwei- als auch dreidimensionale Elemententypen mit linearem Ansatz berechnen. Zur Software gehören mehrere Solver und zwei Post-Prozessoren. Z88 läuft plattformunabhängig und ist in der SUSE-Linux-Distribution enthalten. 2007 ergaben Benchmark-Vergleiche des Solvers eine Leistung, die der kommerzieller Programme nicht nachstand.[1]

Geschichte und Funktionen[Bearbeiten]

Die Software wurde von Frank Rieg, einem Universitätsprofessor für Konstruktionslehre und CAD an der Universität Bayreuth, entwickelt. Die ursprünglichen Quellen wurden in FORTRAN 77 geschrieben. In den frühen 1990er Jahren wurde das Programm in die Programmiersprache C portiert.
Es existieren zwei Versionen des Programmes:

  • Z88 (aktuelle Version 14.0) ist freie Software unter den Bedingungen der GNU-GPL als freie Software mit Quelltext verfügbar. Durch die modulare Struktur des Programms und die Verfügbarkeit des Source Codes können eigene Erweiterungen eingearbeitet und verwendet werden. So wurden mehrere 2D- und 3D-Kontinuumselemente für Spezialfälle (zum Beispiel anisotropes Schalenelement) von Anwendern entwickelt.[2]
  • Z88Aurora (aktuelle Version im April 2014 ist 2b) ist Freeware, der Quelltext ist nicht offengelegt.

Beide Versionen beinhalten 24 verschiedene Element-Typen, darunter 2D-Elemente (Stab, Balken, Scheibe, Welle, Torus) und 3D-Elemente (Stab, Balken, lineare und quadratische Tetraeder und Hexaeder). Zu Z88 gehören ein direkter und mehrere iterative Solver, Z88Aurora besitzt zusätzlich einen mehrprozessorfähigen Sparse-Solver. Die Software hat eine Windows-Bedienoberfläche mit kontextsensitiver Online-Hilfe. Der Import von Cosmos-, Ansys- und Nastran-Dateien aus Pro/ENGINEER (Option Pro/MECHANICA) ist ebenso wie der Import von Abaqus- Dateien (in Z88Aurora) möglich. Handbücher zeigen den Umgang mit Z88 und Z88Aurora an Beispielen.

Zusätzlich existieren seit 2014 zwei Apps für Android-Endgeräte:

  • Z88Tina ist ein Freeware-FEA-Programm für Android-Smartphones oder –Tablets. Mit Z88Tina können zum einen Stäbe und Balken, zum anderen auch Kontinuumselemente wie Scheiben, Platten oder Tori berechnet werden.
  • Z88Mobile ist wie alle Z88-Produkte kostenlos. Diese App bietet zwei verschiedene Modi (Basic und Advanced) an und ist über Touch-Steuerung zu bedienen.

Einsatz in Forschung und Lehre[Bearbeiten]

Seit 1998 dient Z88 im Rahmen der Vorlesung an der Universität Bayreuth der Ausbildung von Ingenieurstudenten. Durch die mögliche manuelle Eingabe der Struktur- und Randbedingungsdaten sowie der Lastsätze veranschaulicht es den Studierenden die Funktionsweise eines Finite-Elemente-Programms. Auf Grund der offenen Dateiquellen kann die Software für Forschungszwecke im FE-Bereich eingesetzt und entsprechend modifiziert werden.

Unter anderem wird Z88 im Rahmen von Lehre und Forschung an der HS Ravensburg-Weingarten,[3] der Universität Ioannina,[4] der Penn State University,[5] der Universidad de Buenos Aires,[6] der Universität Cagliari,[7] der Universität Maribor,[8] und an der Zonguldak Karaelmas Üniversitesi[9] eingesetzt. Im Rahmen von Diplom- und Seminararbeiten wurde Z88 bisher unter anderem an den Hochschulen Darmstadt, Hamburg-Harburg, München, Karlsruhe, Bern und Peking verwendet.

Zusätzlich zu Präsenz-Lehrveranstaltungen findet Z88 in zwei Lehrbüchern des Maschinenbaus Einsatz. Das Buch Finite Elemente Analyse für Ingenieure: Eine leicht verständliche Einführung wurde bisher über 6.000 mal verkauft. Dieses Fachbuch wendet sich an den Einsteiger in die Finite-Elemente-Analyse und benutzt Z88, damit der Leser alle im Buch angeführten Beispiele am eigenen Rechner nachvollziehen kann. Im Lehrbuch Maschinenelemente – Funktion, Gestaltung und Berechnung von Decker (bisher 18 Auflagen) wird anhand praktischer Anwendungen mit Z88 die Berechnung von Maschinenelementen mit der Finiten-Elemente-Analyse gelehrt.

Einsatz in der Industrie[Bearbeiten]

Durch den Open-Source Ansatz greifen viele Anwendungen auf Z88-Solver, Plotausgaben und ähnliches zurück. Unter anderem wurde Z88 für ein Programm zur Berechnung von punkt- und linienförmigen Lasten auf Glasplatten im Hochbaubereich erweitert. Für die Bestimmung von Elastizitätsmoduln und Biegefestigkeiten von Holz wurden Routinen implementiert und ein Unterprogramm in Z88 zur Berechnung von Druckbehältern entwickelt. Z88 wird unter anderem von

  • Boeing: Missile Defense Systems (USA),
  • Teledyne Brown Engineering (USA),
  • Winimac Coil Spring Inc. (USA),
  • Double D Design Ltd. (Neuseeland),
  • RINGSPANN GmbH (Deutschland), und
  • KTR Kupplungstechnik GmbH (Deutschland)
  • Neuson Hydrotec GmbH (Österreich)

verwendet.

Durch die Verfügbarkeit des Programmcodes und somit der Nachvollziehbarkeit der verwendeten Algorithmen und Materialmodelle diente Z88 wiederholt als Vergleichsberechnungsprogramm für kommerzielle Tools wie NASTRAN und ABAQUS.

Literatur[Bearbeiten]

  • Frank Rieg, Reinhard Hackenschmidt, Bettina Alber-Laukant: Finite Elemente Analyse für Ingenieure: Eine leicht verständliche Einführung. Hanser Fachbuchverlag, München / Wien 2014, 5. Auflage, ISBN 978-3-446-44283-2.
  • Karl-Heinz Decker: Maschinenelemente – Funktion, Gestaltung und Berechnung. Hanser Fachbuchverlag, München / Wien 2014, 19. Auflage, ISBN 978-3-446-43856-9.
  • Frank Rieg: Z88 – Das kompakte Finite Elemente System.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Roith, B.; Troll, A.; Rieg, F.: Integrated Finite Element Analysis (FEA) in three dimensional Computer Aided Design programs (CAD) - overview and comparison. ICED'07, Paris, 2007.
  2.  Martin Zimmermann: Theorie und Implementierung verschiebungsbezogener Schalen als finite Elemente im Maschinenbau. Shaker, 2008, ISBN 978-3-8322-7528-0.
  3. Einsatz an der Hochschule Ravensburg-Weingarten, Fakultät für Maschinenbau, Lehrveranstaltung Finite Elemente, bei Prof. Edmund Böhm. (Abgerufen am 27. August 2012.)
  4. Einsatz an der Universität Ioannina, Institut für Mechanik, Griechenland, Lehrveranstaltung Einführung Finite Elemente, bei Prof. Ioannis Stavroulakis. (Abgerufen am 27. August 2012.)
  5. Institute for Accoustics, America, Cameron P. Reagor.(Abgerufen am 27. August 2012.)
  6. Facultad de Ingenieria, Argentinien,Analisis Numerico I. (Abgerufen am 27. August 2012.)
  7. L’Universita Di Cagliari, Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Italien.(Abgerufen am 27. August 2012.)
  8. Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory for intelligent CAD Systems, Slovenia Bojan Dolsak. (Abgerufen am 27. August 2012.)
  9. Fakulty Bartin Orman, Türkei, Gökhan Gündüz. (Abgerufen am 27. August 2012.)