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Finite-Elemente-Analyse (FEA)

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 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.

Erstellen von Finite-Elemente-Modellen

Durch Einsatz von Trägern und Schalen anstelle von Volumenelementen kann ein repräsentatives Modell mit weniger Knoten ohne Einbußen bei der Genauigkeit erstellt werden. Jedes Modellierungsschema erfordert die Definition unterschiedlicher Eigenschaften wie Querschnittsflächen, Blechdicke, Trägheitsmomente, Biegesteifigkeit, Torsionskonstante und Querschub.

Simulieren von realen Arbeitsumgebungen

Um die Auswirkungen von realen Arbeitsumgebungen in der FEA zu simulieren, können verschiedene Lasttypen auf das FE-Modell angewendet werden, einschließlich Knoten (Kräfte, Momente, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Temperatur und Wärmestrom), Elementarkräfte (verteilte Belastung, Druck, Temperatur und Wärmestrom) sowie Beschleunigungskörperlasten (Schwerkraft).

Zu den Arten der FE-Analyse gehören lineare Statistik, nichtlineare Statik und Dynamik, Standardmodi, dynamische Reaktion, Knickung und Wärmeübertragung. Typische Ergebnisse des Solvers sind Knotenverschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie Elementarkräfte, Dehnungen und Spannungen.

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