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Finite-Elemente-Analyse

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist die virtuelle Modellierung und Simulation von Produkten und Baugruppen auf strukturelle, akustische, elektromagnetische oder thermische Leistung. FEA ist die praktische Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM).

Was ist die Finite-Elemente-Analyse?

Die Finite-Elemente-Analyse ist die Modellierung von Produkten und Systemen in einer virtuellen Umgebung, um potenzielle (oder bestehende) Produktleistungsprobleme zu finden und zu lösen. FEA ist die praktische Anwendung der FEM, die von Ingenieuren und Wissenschaftlern verwendet wird, um komplexe strukturelle, akustische, elektromagnetische, thermische, fluidische und multiphysikalische Probleme mathematisch zu modellieren und numerisch zu lösen. FEA-Software kann in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, wird aber am häufigsten in der Luftfahrt-, Automobil-, Elektronik-, Industriemaschinen-, Schifffahrts- und Konsumgüterindustrie eingesetzt.

Ein Finite-Elemente-Modell (FE) besteht aus einem System von Punkten, die als "Knoten" bezeichnet werden und die Form des Entwurfs bilden. Mit diesen Knoten sind die finiten Elemente verbunden, die das Finite-Elemente-Netz bilden und die Material- und Struktureigenschaften des Modells enthalten, die definieren, wie es auf bestimmte Bedingungen reagiert. Die Dichte des Finite-Elemente-Netzes kann im gesamten Material variieren, abhängig von der erwarteten Änderung des Spannungsniveaus eines bestimmten Bereichs. Regionen, in denen große Spannungsänderungen auftreten, erfordern in der Regel eine höhere Netzdichte als Regionen, in denen es nur geringe oder keine Spannungsschwankungen gibt. Zu den interessanten Punkten gehören Bruchstellen von zuvor getestetem Material, Verrundungen, Ecken, komplexe Details und Bereiche mit hoher Spannung.

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Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.

Entdecken Sie die Vorteile

FEA ist eine etablierte Methodik, die häufig verwendet wird, um experimentelle und analytische Methoden zu ersetzen oder zu ergänzen, um das technische Design und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen. Im Vergleich zu Prototyping und Experimenten bieten FEA-basierte Simulationen die folgenden Vorteile.

Steigern Sie die Leistung

Die Finite-Elemente-Analyse ermöglicht es Ihnen, die technischen Möglichkeiten zur Steigerung der Produktleistung schnell zu analysieren und zu erkunden.

Reduzierung des Zeitaufwands

Die Finite-Elemente-Analyse hilft Ihnen, optimierte Produktdesigns schneller auf den Markt zu bringen als eine Build-and-Test-Methode.

Kostensenkung

Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Analyse können Sie Ihre Produktentwicklungskosten im Vergleich zu herkömmlichen physischen Prototypen-basierten Testprozessen erheblich senken.

Schritte im FEA-Simulationsprozess

Unabhängig von der verwendeten Software folgen die meisten FEA-Simulationen diesen verallgemeinerten Schritten.

3D-Modell eines Autorahmens mit visuellem Heatmapping aus der Simcenter 3D-Software.

Pre-processing

In der Vorverarbeitungsphase wird die Geometrie bearbeitet und für die Simulation vorbereitet. Bei einem Prozess, der als Vernetzung bezeichnet wird, wandelt ein Vorverarbeitungswerkzeug die Konstruktionsgeometrie in kleine finite Elemente um, bevor Materialeigenschaften, Lasten, Randbedingungen und Simulationsparameter angewendet werden.

Die CFD-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Lösung der diskretisierten Gleichungen mit dem CFD-Solver.

Solving

Die FEM-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Lösung der diskretisierten Gleichungen mit dem Solver. Dieser Schritt kann viel Zeit oder Rechenressourcen in Anspruch nehmen. Für komplexe Simulationen setzen immer mehr Unternehmen auf Cloud Computing als kostengünstige Lösung für dieses Problem.

Lineare Analyse einer mechanischen Struktur, die mit der Simcenter 3D-Software visualisiert wurde.

Post-processing

Ist die Lösung abgeschlossen, geht es im nächsten Schritt darum, die Ergebnisse der Simulation qualitativ und quantitativ anhand von Berichten, Monitoren, Plots, 2D/3D-Bildern und Animationen zu analysieren und zu visualisieren. Die Verifizierung und Validierung der Ergebnisse ist ebenfalls in dieser Phase enthalten.

Arten der FEM-Analyse

1D-Analyse (Balkenmodelle)

Die 1D-Analyse bezieht sich auf die Anwendung von Modellen, die ausschließlich von 1-dimensionalen Elementen erstellt wurden, die aus nur zwei Knoten bestehen, wie z. B. Balkenelemente. Die 1D-Analyse eignet sich gut für die Analyse von Strukturen in der Frühphase, die in der Regel kompliziert zu modellieren sind, wie z. B. eine Karosserie oder eine Flugzeugzelle. Das 1D-Balkenmodell kann Ingenieuren helfen, die Körperdynamik schnell zu beurteilen, bevor die gesamte Geometrie für eine tiefergehende Analyse bereit ist.

2D-Analyse (Schalenmodelle)

Die Ingenieure vernetzen die Geometrie mit 2-dimensionalen Elementen, wie z. B. einem Vierer- oder Dreieckselement für dünnwandige Körper, wie z. B. Teile aus Blech. Die Elementeigenschaften definieren dann die Dicke des Schalenelements, die der Solver zum Berechnen von Spannungen, Dehnungen und anderen Ergebnissen verwendet. FEA-Präprozessoren verfügen über schnelle Vernetzungsalgorithmen, mit denen Ingenieure ein Schalennetz für Geometrie erstellen können.

3D-Analyse (Volumenmodelle)

Bei massiver, klobiger Geometrie, wie z. B. einem Motorblock, verwenden Ingenieure 3-dimensionale Volumenelemente, um die Geometrie darzustellen. Tetra-, Pyramiden- und Hex-Elemente werden im gesamten Festkörper erzeugt. FEA-Präprozessoren verfügen über die Werkzeuge, die Ingenieure zum Erstellen von Volumennetzmodellen benötigen.

Multiphysik FEA

Moderne FEA ist mehr als nur die Simulation einer einzelnen physikalischen Domäne. Heute ist die FEA viel multidisziplinärer geworden, da sie es Ingenieuren ermöglicht, verschiedene Physiken miteinander zu koppeln, wie z. B. Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI), thermisch-mechanische Simulation, Mehrkörperdynamik mit strukturellen FE-basierten flexiblen Körpern, elektromechanisch-thermische und mehr. Die Multiphysik-Simulation ist von grundlegender Bedeutung für immer komplexere Produkte, die ein ganzheitliches, domänenübergreifendes Engineering erfordern, um maximale Leistung zu erzielen.

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Simcenter 3D-Software-Visualisierungen, die ein Simulationsmodell eines Traktordesigns darstellen.

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Häufig gestellte Fragen

Ist die Finite-Elemente-Analyse genau?

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird seit Jahrzehnten erfolgreich in der Produktentwicklung eingesetzt. Parallel dazu wurden kontinuierlich High-Fidelity-Modellierungsansätze und pragmatischere Ansätze entwickelt, mit denen Sie schneller zu ausreichend genauen Ergebnissen kommen.

Heutzutage können und müssen Ingenieure den Genauigkeitsgrad wählen, der ihren Anforderungen am besten entspricht, um technische Fragen mit minimalem Rechenaufwand zu beantworten. Der Genauigkeitsgrad reicht von High-Fidelity-Modellierungstechniken, die die Vorhersage des realen Verhaltens innerhalb weniger Prozent oder sogar weniger ermöglichen, bis hin zu schnellen Methoden, die schnelle Trendvorhersagen ermöglichen.

Heute sind Zertifizierungs- und Verifizierungsprozesse für FEA-Simulationswerkzeuge gut etabliert. Sie werden ein entscheidender Bestandteil für den Fortschritt der FEA, ihre Zuverlässigkeit und ihr Vertrauen in digitale Zwillinge und ihre Etablierung in neuartigen Bereichen bleiben. Während die prädiktive Simulation den Bedarf an teuren Messungen und Prototypen kontinuierlich reduzieren wird, wird sie weiterhin strenge FE-Methoden und die Validierung von Best Practices durch Experimente erfordern. 

Ist es schwer, FEA zu lernen?

Das Erlernen von FEA erfordert Zeit, Hingabe, gründliches Studium und Übung. Es ist wichtig, die zugrunde liegende fundamentale Physik Ihres Fachgebiets zu verstehen, numerische Methoden und ihre Grenzen zu verstehen und die praktische Verwendung des eigentlichen FEA-Softwaretools zu üben. Dank Automatisierung, steigender Rechenleistung und ständiger Verbesserung der Benutzeroberflächen in moderner FEA-Software werden die Hürden für High-Fidelity-FEA über alle Benutzerebenen hinweg weiter sinken - und der Spielraum auf die Erkundung von Ergebnissen und das Treffen simulationsbasierter Entscheidungen verlagert. Es ist auch wichtig, die grundlegende physikalische Dynamik zu verstehen, die stattfindet, um die Ergebnisse zu beurteilen und sinnvolle technische Entscheidungen auf der Grundlage von FEA-Ergebnissen zu treffen.

Welche Anwendungen gibt es für FEA?

FEA-Software wird in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt, wenn es darum geht, die mechanische Physik und ihre Auswirkungen auf das Design eines Produkts oder Systems zu verstehen oder vorherzusagen. Im industriellen Produktdesign hat sich die Finite-Elemente-Analyse zur Simulation des multiphysikalischen Verhaltens in komplexen Geometrien entwickelt, die es Unternehmen ermöglicht, ihr Produktdesign virtuell vollständig zu verstehen und zu optimieren, bevor sie einen Prototyp bauen.

Zu den Branchen, in denen die Finite-Elemente-Analyse weit verbreitet ist, gehören:

  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilbranche
  • Konsumgüterunternehmen
  • Marine (Schiffsdesign, Antriebssysteme und Motorendesign)
  • Elektronik
  • Energie (Kernkraft, Öl & Gas und Stromerzeugung)
  • Haustechnik
  • Biowissenschaften
  • Turbomaschinen
  • Sport
  • Andere allgemeine Anwendungen mit Strukturen, Vibrationen, Elektromagnetik, Schall, Wärme und Flüssigkeitsströmung

Was ist FEM-Analyse?

Die Finite-Elemente-Methode bedeutet dasselbe wie die Finite-Elemente-Analyse. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich FEM spezifischer auf die mathematische Methode bezieht. Viele Menschen verwenden die Begriffe FEM und FEA jedoch synonym.

Manchmal wird FEM auch verwendet, um sich auf das Finite-Elemente-Modell zu beziehen, was in erster Linie das vernetzte (1D-, 2D- oder 3D-) Modell bedeutet, das auch Lasten und Randbedingungen enthalten kann.

Weitere Informationen

Zum Video

On-Demand-Webinar | Wiederverwendung älterer Finite-Elemente-Daten zur Erstellung von Modellen auf Systemebene

On-Demand-Webinar | Rationalisierung des Schiffsdesigns durch Simulation und Datenmanagement

Zuhören

Podcast | Weiterentwicklung der Konstruktion und Simulation von Elektromotoren mit Adrian Perregaux

Podcast | Ausführbare digitale Zwillinge: Eine Smartwatch für Maschinen

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