Z88 (Software)

Z88
Screenshot Z88 unter Windows
Basisdaten
Entwickler	Professor Frank Rieg
Aktuelle Version	13.0 A (13. Mai 2009)
Betriebssystem	Windows, Linux, Unix 32- und 64-bit, OS X
Kategorie	FEM-Programm
Lizenz	GNU GPL
Deutschsprachig	Ja
z88.uni-bayreuth.de

Z88 ist ein Softwarepaket für die Finite-Elemente-Methode (FEM) in der Struktur- und Kontinuumsmechanik, welches unter der GNU-GPL als freie Software mit Quelltext verfügbar ist. Die Software wird von einem Team unter der Leitung von Professor Frank Rieg an der Universität Bayreuth seit 1986 entwickelt, und wird an einer Reihe von Universitäten in Lehre und Forschung eingesetzt. Z88 kann sowohl zwei- als auch dreidimensionale Elemententypen mit linearem Ansatz berechnen. Zur Software gehören mehrere Solver und zwei Post-Processoren. 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

Die Software wurde von Professor Dr.-Ing. 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 und wird seither durch ein Team von bis zu acht Entwicklern am Lehrstuhl kontinuierlich weiterentwickelt.

Z88 beinhaltet 24 verschiedene Element-Typen, darunter 2D-Elemente (Stab, Balken, Scheibe, Welle, Torus) und 3D-Elemente (Stab, Balken, lineare und quadratische Tetraeder und Hexaeder). Durch die modulare Struktur des Programmes 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]

Zu Z88 gehören ein direkter und mehrere iterative Solver, die zum Teil auch mehrprozessorfähig sind. Die Software besitzt eine Windows-Bedienoberfläche mit kontextsensitiver Online-Hilfe. Der Import von COSMOS- und NASTRAN-Dateien aus Pro/ENGINEER (Option Pro/MECHANICA) ist möglich. Zusätzlich stehen zwei Plot-Programme zur Verfügung. Die aktuelle Version 13.0 A ist freie Software unter den Bedingungen der GNU General Public License (GPL). Ein Handbuch zeigt den Umgang mit Z88 an Beispielen.

Seit 2009 wird ein Prä- und Postprozessor namens Z88 Aurora entwickelt, der auf der bewährten Solvertechnologie von Z88 aufsetzt und eine intuitive Benutzerführung mit der Möglichkeit zur Aufgabe von Randbedingungen besitzt. Neben einem Vernetzer sind zusätzlich zu den linearen FE-Berechnungen Eigenschwingungsanalysen, nichtlineare Festigkeitsanalysen und thermische Berechnungen möglich. Eine neue Materialdatenbank ermöglicht die Parameterbestimmung von Materialmodellen aus Versuchsdaten, zusätzlich sind viele relevante Materialien mit ihren Kenndaten erfasst. Wie Z88 ist Z88 Aurora freie Software, die auf Nachfrage über die Website bezogen werden kann.

• Bilder von Z88 Aurora
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  Z88 Aurora

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  Festigkeitsberechnung

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  Postprozessor

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  Workflow

Einsatz in Forschung und Lehre

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

Unter anderem wird Z88 im Rahmen von Lehre und Forschung an der TU Dresden,^[3] der HS Ravensburg-Weingarten,^[4] der Universität Ioannina,^[5] der Penn State University,^[6] der Universidad de Buenos Aires,^[7] der L’Universita Di Cagliari,^[8][9] der Universität Maribor,^[10] und an der Zonguldak Karaelmas Üniversitesi^[11][12] 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 4.000 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 17 Auflagen) wird anhand praktischer Anwendungen mit Z88 die Berechnung von Maschinenelementen mit der Finiten-Elemente-Analyse gelehrt.

Einsatz in der Industrie

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 Elastizitätsmodulen 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)

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

• Frank Rieg, Reinhard Hackenschmidt: Finite Elemente Analyse für Ingenieure: Eine leicht verständliche Einführung. Hanser Fachbuchverlag, München / Wien 2009, ISBN 978-3-446-40215-7.
• Karl-Heinz Decker: Maschinenelemente – Funktion, Gestaltung und Berechnung. Hanser Fachbuchverlag, München / Wien 2009, 17. Auflage, ISBN 978-3-446-41759-5.
• Frank Rieg: Z88 – Das kompakte Finite Elemente System.

Weblinks

• Offizielle Webseite
• Z88-Benutzerforum der Uni Bayreuth
• Z88-Benutzerforum von CAD.DE
• Lehrstuhl von Professor Frank Rieg an der Universität Bayreuth

Einzelnachweise

1. ↑ International Conference on Engineering Design, ICED ’07 PDF. Abgerufen 24. November 2008.
2. ↑ Martin Zimmermann: Theorie und Implementierung verschiebungsbezogener Schalen als finite Elemente im Maschinenbau. Shaker, 2008, ISBN 978-3-8322-7528-0.
3. ↑ Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion, Lehrveranstaltung Maschinenelemente, Thomas Henlich (Abgerufen am 25. November 2008.)
4. ↑ Einsatz an der Hochschule Ravensburg-Weingarten, Fakultät für Maschinenbau, Lehrveranstaltung Finite Elemente, bei Prof. Edmund Böhm. (Abgerufen am 21. November 2008.)
5. ↑ Einsatz an der Universität Ioannina, Institut für Mechanik, Griechenland, Lehrveranstaltung Einführung Finite Elemente, bei Prof. Ioannis Stavroulakis. (Abgerufen am 21. November 2008.)
6. ↑ Institute for Accoustics, America, Cameron P. Reagor.(Abgerufen am 21. November 2008.)
7. ↑ Facultad de Ingenieria, Argentinien, Analisis Numerico I José Pereiras (PDF). (Abgerufen am 21. November 2008.)
8. ↑ L’Universita Di Cagliari
9. ↑ Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Italien Mauro Serra.(Abgerufen am 21. November 2008.)
10. ↑ Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory for intelligent CAD Systems, Slovenia Dr. Bojan Dolšak. (Abgerufen am 21. November 2008.)
11. ↑ Zonguldak Karaelmas Üniversitesi
12. ↑ Fakulty Bartin Orman, Türkei, Gökhan Gündüz. (Abgerufen am 21. November 2008.)