[PDF] CalculiX CrunchiX USERS MANUAL version 2.19

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CalculiX CrunchiX USER"S MANUAL version

2.19

Guido Dhondt

December 17, 2021

Contents

1 Introduction.11

2 How to perform CalculiX calculations in parallel 12

3 Units14

4 Golden rules16

5 Simple example problems18

5.1 Cantilever beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.2 Frequency calculation of a beam loaded by compressive forces . .25

5.3 Frequency calculation of a rotating disk on a slender shaft . . . . 27

5.4 Thermal calculation of a furnace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.5 Seepage under a dam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.6 Capacitance of a cylindrical capacitor . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.7 Hydraulic pipe system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.8 Lid-driven cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.9 Transient laminar incompressible Couette problem . . . . . . . . 53

5.10 Stationary laminar inviscid compressible airfoil flow . . . . . . . 55

5.11 Laminar viscous compressible compression corner flow . . . . . . 61

5.12 Laminar viscous compressible airfoil flow . . . . . . . . . . . . . . 62

5.13 Channel with hydraulic jump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.14 Cantilever beam using beam elements . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.15 Reinforced concrete cantilever beam . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.16 Wrinkling of a thin sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.17 Optimization of a simply supported beam . . . . . . . . . . . . . 78

5.18 Mesh refinement of a curved cantilever beam . . . . . . . . . . . 84

1

2CONTENTS

6 Theory89

6.1 Node Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2 Element Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2.1 Eight-node brick element (C3D8 and F3D8) . . . . . . . . 92

6.2.2 C3D8R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.2.3 Incompatible mode eight-node brick element (C3D8I) . . 93

6.2.4 Twenty-node brick element (C3D20) . . . . . . . . . . . . 94

6.2.5 C3D20R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.2.6 Four-node tetrahedral element (C3D4 and F3D4) . . . . . 97

6.2.7 Ten-node tetrahedral element (C3D10) . . . . . . . . . . . 98

6.2.8 Modified ten-node tetrahedral element (C3D10T) . . . . . 98

6.2.9 Six-node wedge element (C3D6 and F3D6) . . . . . . . . 99

6.2.10 Fifteen-node wedge element (C3D15) . . . . . . . . . . . . 100

6.2.11 Three-node shell element (S3) . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.2.12 Four-node shell element (S4 and S4R) . . . . . . . . . . . 101

6.2.13 Six-node shell element (S6) . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.2.14 Eight-node shell element (S8 and S8R) . . . . . . . . . . . 101

6.2.15 Three-node membrane element (M3D3) . . . . . . . . . . 109

6.2.16 Four-node membrane element (M3D4 and M3D4R) . . . . 109

6.2.17 Six-node membrane element (M3D6) . . . . . . . . . . . . 109

6.2.18 Eight-node membrane element (M3D8 and M3D8R) . . . 109

6.2.19 Three-node plane stress element (CPS3) . . . . . . . . . . 109

6.2.20 Four-node plane stress element (CPS4 and CPS4R) . . . 109

6.2.21 Six-node plane stress element (CPS6) . . . . . . . . . . . 110

6.2.22 Eight-node plane stress element (CPS8 and CPS8R) . . . 110

6.2.23 Three-node plane strain element (CPE3) . . . . . . . . . . 112

6.2.24 Four-node plane strain element (CPE4 and CPE4R) . . . 112

6.2.25 Six-node plane strain element (CPE6) . . . . . . . . . . . 112

6.2.26 Eight-node plane strain element (CPE8 and CPE8R) . . . 112

6.2.27 Three-node axisymmetric element (CAX3) . . . . . . . . 112

6.2.28 Four-node axisymmetric element (CAX4 and CAX4R) . . 113

6.2.29 Six-node axisymmetric element (CAX6) . . . . . . . . . . 113

6.2.30 Eight-node axisymmetric element (CAX8 and CAX8R) . 113

6.2.31 Two-node 2D beam element (B21) . . . . . . . . . . . . . 115

6.2.32 Two-node 3D beam element (B31 and B31R) . . . . . . . 115

6.2.33 Three-node 3D beam element (B32 and B32R) . . . . . . 115

6.2.34 Two-node 2D truss element (T2D2) . . . . . . . . . . . . 121

6.2.35 Two-node 3D truss element (T3D2) . . . . . . . . . . . . 121

6.2.36 Three-node 3D truss element (T3D3) . . . . . . . . . . . . 123

6.2.37 Three-node network element (D) . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.38 Two-node unidirectional gap element (GAPUNI) . . . . . 124

6.2.39 Two-node 3-dimensional dashpot (DASHPOTA) . . . . . 124

6.2.40 One-node 3-dimensional spring (SPRING1) . . . . . . . . 125

6.2.41 Two-node 3-dimensional spring (SPRING2) . . . . . . . 125

6.2.42 Two-node 3-dimensional spring (SPRINGA) . . . . . . . 126

6.2.43 One-node coupling element (DCOUP3D) . . . . . . . . . 126

CONTENTS3

6.2.44 One-node mass element (MASS) . . . . . . . . . . . . . . 126

6.2.45 User Element (Uxxxx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.2.46 User Element: 3D Timoshenko beam element (U1) . . . . 127

6.2.47 User Element: 3-node shell element (US3) . . . . . . . . . 127

6.3 Beam Section Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.3.1 Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.3.2 Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.3.3 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.4 Fluid Section Types: Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.4.1 Orifice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.4.2 Bleed Tapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.4.3 Preswirl Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.4.4 Straight and Stepped Labyrinth . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.4.5 Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.4.6 Carbon Seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

6.4.7 Gas Pipe (Fanno) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6.4.8 Rotating Gas Pipe (subsonic applications) . . . . . . . . . 154

6.4.9 Restrictor, Long Orifice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.4.10 Restrictor, Enlargement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.4.11 Restrictor, Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6.4.12 Restrictor, Bend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.4.13 Restrictor, Wall Orifice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

6.4.14 Restrictor, Entrance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

6.4.15 Restrictor, Exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

6.4.16 Restrictor, User . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.4.17 Branch, Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.4.18 Branch, Split . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.4.19 Cross, Split . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6.4.20 Vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

6.4.21 M¨ohring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

6.4.22 Change absolute/relative system . . . . . . . . . . . . . . 181

6.4.23 In/Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.4.24 Mass Flow Percent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

6.4.25 Network User Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

6.5 Fluid Section Types: Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6.5.1 Pipe, Manning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

6.5.2 Pipe, White-Colebrook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.5.3 Pipe, Sudden Enlargement . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.5.4 Pipe, Sudden Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.5.5 Pipe, Entrance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.5.6 Pipe, Diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.5.7 Pipe, Bend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.5.8 Pipe, Gate Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.5.9 Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

6.5.10 In/Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

6.6 Fluid Section Types: Open Channels . . . . . . . . . . . . . . . . 195

4CONTENTS

6.6.1 Straight Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

6.6.2 Sluice Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

6.6.3 Sluice Opening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

6.6.4 Weir Crest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

6.6.5 Weir slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

6.6.6 Discontinuous Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6.6.7 Discontinuous Opening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

6.6.8 Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

6.6.9 Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

6.6.10 Enlargement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

6.6.11 Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

6.6.12 Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

6.6.13 In/Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

6.7 Boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

6.7.1 Single point constraints (SPC) . . . . . . . . . . . . . . . 206

6.7.2 Multiple point constraints (MPC) . . . . . . . . . . . . . 206

6.7.3 Kinematic and Distributing Coupling . . . . . . . . . . . 206

6.7.4 Mathematical description of a knot . . . . . . . . . . . . . 211

6.7.5 Node-to-Face Penalty Contact . . . . . . . . . . . . . . . 214

6.7.6 Face-to-Face Penalty Contact . . . . . . . . . . . . . . . . 230

6.7.7 Face-to-Face Mortar Contact . . . . . . . . . . . . . . . . 236

6.8 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

6.8.1 Linear elastic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

6.8.2 Linear elastic materials for large strains (Ciarlet model) . 238

6.8.3 Linear elastic materials for rotation-insensitive small strains239

6.8.4 Ideal gas for quasi-static calculations . . . . . . . . . . . . 240

6.8.5 Hyperelastic and hyperfoam materials . . . . . . . . . . . 241

6.8.6 Deformation plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

6.8.7 Incremental (visco)plasticity: multiplicative decomposition 242

6.8.8 Incremental (visco)plasticity: additive decomposition . . . 244

6.8.9 Tension-only and compression-only materials. . . . . . . . 244

6.8.10 Fiber reinforced materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

6.8.11 The Cailletaud single crystal model. . . . . . . . . . . . . 247

6.8.12 The Cailletaud single crystal creep model. . . . . . . . . . 250

6.8.13 Elastic anisotropy with isotropic viscoplasticity. . . . . . . 252

6.8.14 Elastic anisotropy with isotropic creep defined by a creep usersubroutine.255

6.8.15 User materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

6.9 Types of analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

6.9.1 Static analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

6.9.2 Frequency analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

6.9.3 Complex frequency analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

6.9.4 Buckling analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

6.9.5 Modal dynamic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

6.9.6 Steady state dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

6.9.7 Direct integration dynamic analysis . . . . . . . . . . . . 270

6.9.8 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

CONTENTS5

6.9.9 Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

6.9.10 Shallow water motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

6.9.11 Hydrodynamic lubrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

6.9.12 Irrotational incompressible inviscid flow . . . . . . . . . . 275

6.9.13 Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

6.9.14 Stationary groundwater flow . . . . . . . . . . . . . . . . 279

6.9.15 Diffusion mass transfer in a stationary medium . . . . . . 280

6.9.16 Aerodynamic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

6.9.17 Hydraulic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

6.9.18 Turbulent Flow in Open Channels . . . . . . . . . . . . . 286

6.9.19 Three-dimensional Navier-Stokes Calculations . . . . . . 288

6.9.20 Shallow water calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

6.9.21 Substructure Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

6.9.22 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

6.9.23 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

6.9.24 Green functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

6.9.25 Crack propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

6.10 Convergence criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

6.10.1 Thermomechanical iterations . . . . . . . . . . . . . . . . 330

6.10.2 Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

6.10.3 Line search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

6.10.4 Network iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

6.10.5 Implicit dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

6.11 Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

6.11.1 Point loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

6.11.2 Facial distributed loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

6.11.3 Centrifugal distributed loading . . . . . . . . . . . . . . . 343

6.11.4 Gravity distributed loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

6.11.5 Forces obtained by selecting RF . . . . . . . . . . . . . . 344

6.11.6 Temperature loading in a mechanical analysis . . . . . . . 345

6.11.7 Initial(residual) stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

6.11.8 Concentrated heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

6.11.9 Distributed heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

6.11.10Convective heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

6.11.11Radiative heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

6.12 Error estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

6.12.1 Zienkiewicz-Zhu error estimator . . . . . . . . . . . . . . . 348

6.12.2 Gradient error estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

6.13 Output variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

7 Input deck format353

7.1 *AMPLITUDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

7.2 *BASE MOTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

7.3 *BEAM SECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

7.4 *BOUNDARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

7.4.1 Homogeneous Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

6CONTENTS

7.4.2 Inhomogeneous Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

7.4.3 Submodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

7.5 *BUCKLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

7.6 *CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

7.7 *CFLUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

7.8 *CHANGE FRICTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

7.9 *CHANGE MATERIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

7.10 *CHANGE PLASTIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

7.11 *CHANGE SURFACE BEHAVIOR . . . . . . . . . . . . . . . . 370

7.12 *CHANGE SOLID SECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

7.13 *CLEARANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

7.14 *CLOAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

7.15 *COMPLEX FREQUENCY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

7.16 *CONDUCTIVITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

7.17 *CONSTRAINT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

7.18 *CONTACT DAMPING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

7.19 *CONTACT FILE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

7.20 *CONTACT OUTPUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

7.21 *CONTACT PAIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

7.22 *CONTACT PRINT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

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