Die Finite-Elemente-Analyse ist ein weit verbreitetes numerisches Verfahren bei der Entwicklung neuer Produkte mit hohem Mehrwert oder hoher Verantwortung. Diese Technik bezieht sich auf eine Vielzahl industrieller Anwendungen, obwohl sie vielleicht am bekanntesten für die Berechnung von Strukturen ist, da dies der erste Anwendungsbereich ist, in dem sie am intensivsten genutzt wird.
Die erste Software für die Finite-Elemente-Analyse wurde 1965 von der NASA entwickelt, NASTRAN (NASA STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM) im Rahmen eines von der amerikanischen Regierung finanzierten Projekts zur Durchführung von Strukturberechnungen bei Luft- und Raumfahrtprojekten. Inzwischen gibt es zahlreiche Strukturlöser für die Finite-Elemente-Analyse, darunter NASTRAN, Abaqus Standard und Ansys als implizite Löser und Abaqus Explicit, LS-Dyna, PamCrash und Radioos als explizite Löser.
WERKZEUGE FÜR DIE FINITE-ELEMENTE-ANALYSE
Bei ICEMM arbeiten wir stets mit den führenden Simulationssoftware-Tools und verfügen derzeit über Lizenzen für Abaqus Standard/Explicit und MSC Nastran für die Finite-Elemente-Analyse, die für lineare und nichtlineare Strukturanalysen, implizite und explizite dynamische Analysen, Ermüdungs- und Bruchanalysen sowie thermische Analysen eingesetzt werden.
Die Anwendung der Finite-Elemente-Methode beschränkt sich nicht auf die Analyse von Strukturen, sondern findet auch in anderen Simulationsbereichen Anwendung, z. B. bei der CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics), der Akustikanalyse und der elektromagnetischen Analyse, obwohl bei der CFD-Analyse eher Techniken auf der Grundlage der Finite-Volumen-Methode (FVM) verwendet werden.
Im Rahmen unserer auf Innovation und der Suche nach neuen technologischen Herausforderungen basierenden Strategie hat ICEMM damit begonnen, akustische Simulationsprojekte zu entwickeln, um die Industrie bei der Reduzierung des akustischen Fußabdrucks ihrer Entwicklungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck haben wir Actran, die führende Akustiksimulationssoftware auf dem Markt. Actran ist eine Finite-Elemente-Analysesoftware, mit der wir Probleme der Schallausbreitung, der Vibroakustik und der Aeroakustik im gesamten Frequenzbereich effizient lösen können.
WIE WIR BEI ICEMM UNSERE FINITE-ELEMENTE-ANALYSEN DURCHFÜHREN
Das Verfahren, das wir bei ICEMM immer anwenden, wenn wir eine Finite-Elemente-Analyse durchführen müssen, besteht darin, dass wir uns mit unserem Kunden treffen, um die Eignung der Methode für das zu lösende Problem zu beurteilen.
Es ist wichtig, mit unseren Kunden zu klären, ob die Methode anwendbar ist (sie ist nicht immer die geeignetste, vor allem, wenn das Problem analytisch gelöst werden kann, was viel einfacher, billiger und genauso zuverlässig ist), die aufzustellenden Hypothesen festzulegen und die verfügbaren Inputs zu untersuchen (in vielen Fällen ist es notwendig, die Analyse zu vereinfachen, immer auf der Seite der Sicherheit, aufgrund eines Mangels an Daten). Es ist auch wichtig, das Verantwortungsniveau der Studie zu bewerten, da die Qualitätsstandards in der Luftfahrt, der Nuklearindustrie oder dem Bauwesen nicht dieselben sind wie beispielsweise in der Photovoltaikindustrie.
Sobald der Umfang der Simulation gemäß den oben genannten Punkten definiert ist, können wir mit der Arbeit am Simulationsmodell beginnen. Um die Finite-Elemente-Analyse durchzuführen, müssen wir zusätzlich zu den Solvern der ersten Ebene die folgenden Punkte festlegen:
- Pre- und Post-Processing-Tools: Die Erstellung des Finite-Elemente-Modells verschlingt in der Pre-Processing-Phase viele Ressourcen in Form von Ingenieurstunden, was sich auf die Entwicklungskosten auswirkt. Um diese Zeiten zu optimieren, verfügen wir bei ICEMM über die besten verfügbaren Vernetzungswerkzeuge. Für komplexe Geometrien verwenden wir Hypermesh, und für einfachere Geometrien Abaqus CAE. Derzeit führen wir MSC Apex von Hexagon ein, ein Tool, das uns bei der Geometriebereinigung und der Vernetzung positiv überrascht hat und das unsere derzeitigen Möglichkeiten ergänzen wird.
- Maschenweite und Elementtyp: Zu diesem Punkt wird in vielen Literaturhinweisen auf die Sensitivitätsstudien verwiesen, die sowohl für die Maschenweite als auch für den Elementtyp in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Problem durchgeführt werden müssen. Dieser Prozess ist zwar richtig, aber er ist mit einem hohen Zeit- und Ressourcenaufwand verbunden. Bei ICEMM haben wir jedoch nach 18 Jahren Erfahrung eigene Verfahren entwickelt, die auf unserer Erfahrung und auf den Verfahren großer Luftfahrt- und Automobilunternehmen beruhen und die es uns ermöglichen, diese Parameter im Voraus festzulegen und so die damit verbundenen Kosten zu optimieren. In unserem Blog können Sie eine Reihe von Beiträgen zu diesen Themen lesen:
- Lasten: einer der wichtigsten Punkte in jeder Finite-Elemente-Analyse, wenn die Lasten falsch sind, ist auch die Finite-Elemente-Analyse falsch. In diesem Abschnitt raten wir unseren Kunden, die anzuwendenden Lasten korrekt zu definieren, entweder weil sie durch Vorschriften festgelegt sind oder weil sie vorher berechnet werden müssen, da sie vom Verhalten der Struktur abhängen (dynamische Lasten) oder weil sie mit ihr gekoppelt sind (aeroelastische Lasten).
- Randbedingungen: Dieser Punkt ist a priori einfach zu definieren, dennoch finden wir in externen Berichten viele Fehler, die auf mangelnde Erfahrung des Ingenieurs, der die Studie durchführt, zurückzuführen sind. Wenn die Randbedingungen falsch sind, werden auch die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse falsch sein, wie beim vorherigen Punkt. Die Randbedingungen müssen entsprechend den realen Zwängen definiert werden, und falls sie nicht dargestellt werden können, immer auf der Sicherheitsseite.
- Materialien: Die Schwierigkeit, die Materialien korrekt zu definieren, hängt mit der Komplexität der Finite-Elemente-Analyse zusammen, die wir durchführen wollen. Wenn wir eine lineare Analyse mit isotropen Materialien durchführen, wird es nicht schwierig sein, das Material korrekt zu definieren, da wir über umfangreiche Datenbanken mit den erforderlichen Daten verfügen. Wenn wir jedoch das nichtlineare Verhalten des Materials in Abhängigkeit von der Zeit, der Temperatur oder der Dehnungsrate, von Verbundwerkstoffen, Beschädigungen oder Brüchen definieren wollen, sieht die Sache schon anders aus, denn oft sind die Eigenschaften in keiner Datenbank definiert, und wir müssen auf kontrastreiche technische Veröffentlichungen zurückgreifen oder Versuche mit dem Material durchführen.
WIE VIEL KOSTET DIE DURCHFÜHRUNG EINER FINITE-ELEMENTE-ANALYSE?
Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, was der Kunde sucht. Wenn er nur einen einfachen Bericht mit “Farben” für das Dossier einer Entwicklung wünscht, der mit einer “einfachen” Finite-Elemente-Software erstellt wurde, lautet die Antwort: Nein, es gibt sehr günstige Studien. In diesem Fall ist ICEMM nicht der Lieferant, den Sie brauchen.
Wenn Sie hingegen eine qualitativ hochwertige Finite-Elemente-Analyse suchen, die den Anforderungen entspricht und volle Gewähr für die erzielten Ergebnisse bietet, können die Kosten für die Finite-Elemente-Analyse hoch sein, obwohl sie immer vom Umfang der Analyse abhängen.
Dabei ist zu bedenken, dass in diesen Fällen sehr teure Lizenzen für Finite-Elemente-Software anfallen, die sich auf etwa 20-22.000 €/Jahr für einen FEM-Solver der ersten Stufe mit einem einzigen Kern belaufen (bei sehr großen Modellen müssen wir mehr Rechenkapazität einsetzen, um in angemessener Zeit Ergebnisse zu erhalten, und mehr Lizenzen erwerben), plus 14-15.000 €/Jahr für einen hochwertigen Präprozessor, plus die Berechnungsmaschine (20.000 € für einen Server mittlerer Leistung mit 2 Sockeln) plus die Ingenieurstunden.
Es ist wichtig zu wissen, dass große Simulationsmodelle, wie sie bei der Analyse von Autounfällen verwendet werden, Hunderte von Kernen und Token (Lizenzen) erfordern können, um die Simulationen in der erforderlichen Zeit durchzuführen. Um diese Probleme zu lösen, ist es heutzutage effizienter, das von unseren Technologiepartnern für CAE-Simulationen angebotene Cloud-Computing zu nutzen.
Trotz der Kosten für diese Art von Dienstleistungen ist die Entwicklung einer Finite-Elemente-Analyse mit der von ICEMM gebotenen Qualität immer eine Garantie für die Rentabilität der Investition, da sie es unseren Kunden ermöglicht, effizientere, optimierte und sichere Designs zu erstellen.
ICEMM, IHRE REFERENZ FÜR DIE FINITE-ELEMENTE-ANALYSE
Die Exzellenz unserer Dienstleistungen wird durch die kontinuierliche Zusammenarbeit mit renommierten nationalen und internationalen Industrieunternehmen wie Airbus, INDRA, Navantia, ELECNOR, SENER und anderen untermauert. Aber auch kleinere Unternehmen wie LODEPA oder Fagor Electrónica vertrauen bei ihren Projekten auf unsere Dienstleistungen, was ICEMM zu einer Referenz auf dem Gebiet der Finite-Elemente-Analyse macht.
Hervorzuheben ist auch die Erfahrung von ICEMM in anderen Simulationsbereichen, wie z. B. der Simulation von Fluiden mit CFD-Techniken (Computational Fluid Dynamics) und der Analyse von mit dem Fluid gekoppelten oder entkoppelten Partikeln mit Hilfe der DEM-Simulation (Discrete Element Method).
Im Bereich der Strömungssimulation sind wir bei ICEMM auf thermische Analysen, Klimatisierung (einschließlich Rechenzentren), Belüftung und Gasabsaugung, Hydraulik und Aerodynamik spezialisiert.
Im Bereich der Partikelsimulation verfügen wir über umfangreiche Erfahrungen bei der Simulation von Partikelprozessen und bei der Untersuchung der Fluidisierung von Feststoffpartikelbetten (z. B. Biomassereaktoren).
