FEM-06. FINITE-ELEMENTE-SIMULATION IN DER TECHNIK

ICEMM – EXZELLENZ IN DER SIMULATION

Die Finite-Elemente-Methode ist eine numerische Technik, die die annähernde Lösung von Differentialgleichungen ermöglicht, die auf komplexe Probleme in der Industrie angewandt werden, hauptsächlich im Bereich der Strukturanalyse und der Mechanik, obwohl sie auch in der Flüssigkeitsanalyse, der Akustik, dem Elektromagnetismus, … angewendet wird.

Im Strukturbereich wird die Finite-Elemente-Simulation sowohl für einfache Probleme wie die lineare statische Analyse als auch für sehr viel komplexere Probleme eingesetzt, die ein komplexes Materialverhalten (Plastizität, Bruch, Duktilität, …), Wechselwirkungen (Kontakte), große Verschiebungen, lineares oder nichtlineares dynamisches Verhalten, Hochgeschwindigkeitsstöße, … umfassen und in praktisch allen Industriezweigen Anwendung finden: Raumfahrt und Luftfahrt, Schifffahrt, Automobilbau, Energie, Entwicklung von Geräten, …

WONACH SUCHEN WIR, WENN WIR EINE FINITE-ELEMENTE-SIMULATION DURCHFÜHREN?

Die Ziele von Finite-Elemente-Simulationen im Bauwesen und im Maschinenbau werden hauptsächlich durch die Anforderungen des Projekts definiert. Einige der üblichen Fälle sind:

1. Statische Festigkeitsprüfung: Dieser Fall ist wahrscheinlich der am weitesten verbreitete, bei dem wir Finite-Elemente-Simulationen verwenden, um die Werte der Verschiebungen der Struktur zu erhalten und daraus die Werte der Spannungen und Dehnungen in der Struktur für die im Projekt oder in den geltenden Vorschriften festgelegten Belastungsbedingungen zu ermitteln. Bei dieser Art von Finite-Elemente-Modellen handelt es sich in der Regel um lineare Modelle für einfache Verhaltensweisen oder um nichtlineare Modelle für komplexere Verhaltensweisen, bei denen Plastizität, Kontakt oder andere Nichtlinearitäten berücksichtigt werden sollen. Diese FEM-Modelle werden immer unter dem Aspekt der Sicherheit erstellt, auch wenn dies gewisse Abweichungen vom tatsächlichen Verhalten der Struktur mit sich bringt.
2. Ermüdungsprüfung: Diese Art von Problem kann mit zwei verschiedenen Ansätzen angegangen werden. Ein erster Ansatz, bei dem wir ein “grobes” Finite-Elemente-Modell der Struktur ohne viele Details verwenden, das aber die Kraftübertragung und Steifigkeit der Struktur korrekt wiedergibt, und ein zweiter Ansatz, bei dem wir die Geometrie des untersuchten Bereichs detailliert darstellen. Der Ansatz mit dem “groben” Modell ermöglicht es uns, die Spannungen im Fernfeld zu ermitteln und mit Hilfe von Spannungskonzentrationsfaktoren die maximalen Spannungen zu bestimmen (Peterson’s Stress Concentration Factors). Mit dem detaillierten Modellansatz können die maximalen Spannungen direkt aus dem Finite-Elemente-Modell ermittelt werden. Mit diesen Maximalspannungen können wir die Ermüdungsanalyse unter Verwendung der S-N- oder E-N-Kurven durchführen. Unter bestimmten Umständen, in der Regel bei mehrachsigen Ermüdungsproblemen, ist es erforderlich, komplexere Ermüdungskriterien zu bewerten, was den Einsatz spezieller Werkzeuge wie fe-safe erfordert.
3. Bruchprüfung: Diese Art von Finite-Elemente-Simulationen wird durchgeführt, wenn die Geometrie oder die Belastungen eine Analyse der Struktur mit herkömmlichen oder analytischen Methoden nicht zulassen. Die gängigsten Techniken sind XFEM und VCCT.
4. Berechnung von Schwingungen oder dynamischem Verhalten: Für diese Art von Problemen führen wir Finite-Elemente-Simulationen durch, wobei wir FEM-Modelle verwenden, die die Steifigkeit und die Masse der Struktur genau wiedergeben, wodurch wir die Eigenfrequenzen und die Schwingungsmoden der Struktur berechnen können. Auf diese Weise können wir die dynamische Reaktion der Struktur auf dynamische Belastungen durch Motoren, Fahrzeuge, Erdbeben, Wind usw. bestimmen.
5. Aufprallanalyse: Die Lösung von Aufprallproblemen bei hohen und mittleren Geschwindigkeiten erfordert die Anwendung von Finite-Elemente-Simulationstechniken und kann nicht durch analytische Verfahren bewältigt werden. Dabei handelt es sich um komplexe und rechenintensive Simulationen, die Kontaktphänomene, Materialschäden, …
6. Korrelation von Prüfungen: In diesen Fällen zielt die Finite-Elemente-Simulation darauf ab, ein Ergebnis zu erhalten, das der Prüfung so nahe wie möglich kommt. Es handelt sich um Modelle mit einem sehr hohen Detaillierungsgrad und komplexem Verhalten, um das Verhalten der Struktur korrekt darzustellen.
7. Prozesssimulation: zur Vorhersage von Defekten, Eigenspannungen und anderen Problemen in Prozessen wie dem Kunststoffspritzguss oder der Metallprägung. Diese Arten von Finite-Elemente-Modellen sind sehr komplex in Bezug auf die Definition des Materialverhaltens und die Modellierung des Herstellungsprozesses.
8. Simulation in der Biomechanik: Biomechanische Projekte haben zwei unterschiedliche Ziele: zum einen die Überprüfung der Belastbarkeit von medizinischen Geräten oder Prothesen, ähnlich wie bei den oben erwähnten statischen und Ermüdungstests, zum anderen die Simulation des Verhaltens von lebendem Material, sei es Hartgewebe wie Knochen oder Weichgewebe wie Organe oder Muskeln, durch finite Elemente. Im letzteren Fall ist die Verwendung eines geeigneten konstitutiven Modells unerlässlich, um korrekte oder möglichst realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten.
9. Thermische Analyse: Die Berechnung von Wärmeübertragungsproblemen mit Hilfe von Finite-Elemente-Strukturcodes stellt eine Alternative zum Einsatz komplexer CFD-Solver dar. Die Hauptanwendung ist, wenn der Wärmeübertragungsmechanismus hauptsächlich durch Leitung erfolgt und die konvektive Wärmeübertragung gut definiert ist und keine Auflösung des Fluidverhaltens erfordert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärmeübertragung durch Strahlung ebenfalls mit dieser Technik bewertet werden kann. Im Allgemeinen werden die thermischen und mechanischen Probleme entkoppelt untersucht, aber es kann Fälle geben, in denen es notwendig ist, sie zu koppeln und beide Probleme gleichzeitig zu lösen (z. B. bei der Kriechanalyse von Strukturen, die thermischen Behandlungen zur Berechnung von Eigenspannungen unterzogen werden).

ICEMM, EIN WERTVERSPRECHEN

Bei ICEMM führen wir seit 20 Jahren Finite-Elemente-Simulationen in verschiedenen Industriesektoren durch, hauptsächlich in:

• Luftfahrt – Primärstruktur in Metall- und Verbundwerkstoffen – Lineare und nichtlineare statische, dynamische, Ermüdungs- und Bruch- oder Schadenstoleranzanalysen
• Eisenbahn – Dynamische und Ermüdungsanalysen von Fahrzeugausrüstungen – Berechnung von Eisenbahnradsätzen (europäische und amerikanische Normen, AAR)
• Marine – Statische und Ermüdungsanalyse – Crash-Analyse nach MIL-STD-810 und MIL-DTL-901E (Experten für Crashtest-Simulationen mit leichten, mittelschweren und DSSM)
• Wind – Statische und Ermüdungsanalyse
• Solar – Statische Analyse
• Biomechanik – Simulation in der Zahnmedizin – Implantologie – Verhalten des Knochens
• Automobilindustrie – Statische Analyse
• Bauwesen – Statische, Ermüdungs- und dynamische Analysen
• Wasserbauwerke – Statische, Ermüdungs- und dynamische Analysen

Unser Ansatz konzentriert sich auf den Kunden und die spezifischen Anforderungen des Projekts oder der Entwicklung, wobei wir unsere Erfahrung und technischen Fähigkeiten einsetzen, um mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation ein sicheres und hochwertiges Produkt zu liefern.