FEA / Finite Element Analysis

Bei der Finite-Elemente-Analyse (FEA) werden Produkte und Systeme in einer virtuellen Umgebung modelliert, um potenzielle (oder bestehende) Struktur- oder Performanceprobleme zu ermitteln und zu lösen. FEA ist die praktische Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM), die von Konstrukteuren und Wissenschaftlern zur mathematischen Modellierung und nummerischen Lösung äußerst komplexer Struktur-, Fluid- und Multiphysik-Problemen herangezogen wird. Die FEA-Software kann in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen, wird aber am häufigsten in den Branchen Luftfahrt, Biochemie und Automobil verwendet.

Ein Finite-Elemente-Modell (FE) besteht aus einem System mit Punkten, den sogenannten „Knoten“, die die Form der Konstruktion bilden. Mit diesen Knoten verbunden sind die Finite-Elemente, welche ein Finite-Elemente-Netz bilden und die Material- und Struktureigenschaften des Modells enthalten. Hierüber wird definiert, wie es auf bestimmte Bedingungen reagiert. Die Dichte des Finite-Elemente-Netzes variiert innerhalb des Materials und hängt von der erwarteten Änderung des Belastungsniveaus eines bestimmten Bereichs ab. Bereiche mit hohen Belastungsveränderungen erfordern normalerweise eine höhere Netzdichte als jene, in denen es nur geringe oder gar keine Belastungsabweichungen gibt. Interessante Punkte sind Bruchstellen des zuvor getesteten Materials, Verrundungen, Ecken, komplexe Details und Bereiche mit hoher Belastung.

FE-Modelle können mit eindimensionalen (1D-Träger), zweidimensionalen (2D-Schalen) oder dreidimensionalen (3D-Volumenkörper) Elementen erstellt werden. Durch Einsatz von Trägern und Schalen anstelle von Volumenelementen kann ein repräsentatives Modell mit weniger Knoten ohne Einbußen bei der Genauigkeit erstellt werden. Für jedes Modellierungsschema müssen unterschiedliche Eigenschaftsbereiche definiert werden, wie z. B.:

  • Schnittflächen
  • Trägheitsmomente
  • Torsionskonstante
  • Plattenstärke
  • Biegesteifigkeit
  • Querschub

Um die Effekte echter Arbeitsumgebungen in FEA zu simulieren, können verschiedene Lasttypen auf das FE-Modell angewendet werden. Hierzu gehören Folgende:

  • Knoten: Kräfte, Momente, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Temperatur und Wärmefluss
  • Elemente: verteilte Belastung, Druck, Temperatur und Wärmefluss
  • Beschleunigungskörperlasten (Schwerkraft)

Zu den Berechnungsmethoden gehören:

  • Linear-statische Berechnung: lineare Berechnung der angewendeten Lasten und der statischen Einschränkungen
  • Nichtlinear-statische und dynamische Berechnung: Effekte aufgrund von Kontakt (wenn ein Teil des Modells einen anderen Teil berührt), nichtlineare Materialdefinitionen (Plastizität, Elastizität usw.) und große Verschiebung (Dehnungen, die über die kleine Verschiebungstheorie hinausgehen, welche einen linearen Berechnungsansatz einschränkt)
  • Normale Modi: natürliche Frequenzen der Vibration
  • Dynamische Reaktion: Lasten oder Bewegungen, die je nach Zeit und Frequenz variieren
  • Beulen: kritische Lasten, bei denen die Struktur instabil wird
  • Wärmeübertragung: Leitfähigkeit, Strahlung und Phasenübergang

Zu den typischen, vom Solver berechneten Ergebnissen zählen folgende:

  • Knotenersetzungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen
  • Kräfte, Dehnungen und Belastungen der Elemente

Vorteile von FEA

FEA kann für neue Produktentwicklungen oder zur Verbesserung eines bestehenden Produkts verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Konstruktion vor der Fertigung den Spezifikationen entspricht. Mit der FEA haben Sie folgende Möglichkeiten:

  • Vorhersage und Verbesserung der Produktleistung und -zuverlässigkeit
  • Reduzierung der Erstellung und Tests physischer Prototypen
  • Auswertung verschiedener Konstruktionen und Materialien
  • Optimierung der Konstruktionen und Reduzierung des Materialverbrauchs

FEA-Software

Beispiele für FEA-Softwareanwendungen:

Simcenter 3D ist eine einheitliche, skalierbare, offene und erweiterbare Umgebung für FEM, die mit Konstruktion, 1D-Simulation, Tests und Datenmanagement verbunden ist. Simcenter beschleunigt den FEM-Prozess, indem erstklassige Tools zur Geometriebearbeitung, assoziative Simulationsmodellierung und funktionsübergreifende Lösungen mit umfangreichem Branchen-Know-how kombiniert werden. Simcenter 3D enthält schnelle und leistungsstarke Solver für Strukturmechanik, Akustik, Strömungsmechanik, thermische Analysen, Bewegungssimulation und Verbundwerkstoffe sowie die Optimierung und multiphysikalische Simulation.

NX Nastran ist ein Finite-Elemente-Solver zur Berechnung von Spannungen, Schwingungen, strukturellem Versagen/struktureller Lebensdauer, Wärmeübertragung, Geräuschen/Akustik und Flattern/Aeroelastizität.

LMS Samtech enthält eine FEM-Lösungssuite (Finite-Elemente-Methode) zum Simulieren kritischer Leistungsmerkmale für mechanische Systeme. Die Lösung erfüllt sämtliche Anforderungen bei der Windturbinenentwicklung sowie Anforderungen in Bezug auf Rotordynamik, Strukturanalysen und thermische Analysen und Verbundwerkstoffen. Die leistungsstarken Solver eignen sich sowohl für nichtlineare Finite-Elemente-Analysen als auch Mehrkörpersimulationen. Die Software verfügt auch über eine hochwertige CAE-Integrationsplattform für Prozesse in der Luftfahrt.

STAR-CCM+ is a stand-alone simulation solution for computational fluid dynamics (CFD), computational solid mechanics (CSM), heat transfer, particle dynamics, reacting flow, electrochemistry, electromagnetics, acoustics and rheology. STAR-CCM+ delivers accurate and efficient simulation technologies through a single integrated user interface and automated workflows. This facilitates the analysis and exploration of complex real-world problems.

HEEDS provides an efficient and easy to use design exploration framework. Workflows are easily automated through integration with your current design and simulation tools. HEEDS automatically explores the design space to quickly identify solutions that meet your goals and constraints such as reducing product costs while keeping stresses below acceptable limits.

Femap ist ein CAD-System unabhängiges, solverneutrales Werkzeug für das Pre- und Postprocessing leistungsstarker FEM-Lösungen. Es bietet Berechnungsingenieuren selbst für komplexeste Aufgaben eine einfach anzuwendende, präzise und kostengünstige FEM-Lösung.

Solid Edge Simulation ist ein integriertes FEA-Tool, mit dem Konstrukteure Teile und Baugruppen innerhalb der Solid Edge-Umgebung digital überprüfen können. Da es auf der bewährten Modellierungstechnologie Femap für Finite Elemente basiert, reduziert Solid Edge Simulation die Verwendung realer Prototypen erheblich. Auch Material- und Testkosten sowie Konstruktionszeit werden eingespart.

The following software components are used by FEA software developers as the foundation for their applications:

Parasolid ist eine Komponentensoftware für die geometrische 3D-Modellierung, die Benutzern von auf Parasolid basierenden Produkten die Modellierung komplexer Teile und Baugruppen ermöglicht. Sie kommt als Geometriekern in einer Vielzahl verschiedener CAD-, CAM- und CAE-Anwendungen zum Einsatz.

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