Angewandte FEM in der Statik
Prüfungsfragenkatalog
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Kartei Details
| Zusammenfassung | Diese Lernkarten behandeln fortgeschrittene Themen der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Bereich der Statik, wie sie an Universitäten gelehrt werden. Sie konzentrieren sich auf die Analyse von Bauteilen, die Vernetzung von Modellen, die Anwendung von Randbedingungen und die Auswertung von Ergebnissen. Besonders behandelt werden Beulanalysen, Vergleichsspannungen und die Überprüfung von Simulationen. Ingenieure und Studierende der Statik profitieren von diesen Karteikarten, um ihre Kenntnisse in der Anwendung der FEM zu vertiefen und praktische Probleme zu lösen. |
|---|---|
| Karten | 82 |
| Lernende | 44 |
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Statik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 08.06.2016 / 19.08.2025 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/angewante_fem_in_der_statik
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63. Welches sind die wichtigsten Qualitätskriterien bei der Vernetzung?
64. Wie kann eine Vorspannung auf ein Modell aufgebracht werden?
Initial Strain anwenden (Vordehnung bzw. Übermass)
Vorspannung im FE-Modell lässt sich durch künstlich eingeführte Temperaturdifferenz zwischen einzelnen Bestandteilen des Modells simulieren.
66. Wie wird ein Modell (mechanisch) gelagert?
Durch gezieltes Einschränken von Freiheitsgraden an Knoten
67. Wie kann überprüft werden, ob die Lagerung ausreichend und richtig ist?
Prüfen, welche Freiheitsgrade schon eingeschränkt sind.
Solver gibt eine Meldung, falls Bauteil nicht vollständig gelagert ist.
68. Was versteht man unter der Lösungsphase und welche Schritte werden hierbei vom Programm durchgeführt?
1. Elementsteifigkeit erstellen
2. Struktursteifigkeit aufbauen
3. Lastvektoren erstellen
4. Gleichungssystem aufstellen und Randbedingungen einbauen
5. Gleichungssystem lösen nach der unbekannten Verschiebung
6. Elementverschiebung bestimmen
7. Dehnung und Spannung im Element
69. Welche Verfahren zur Gleichungslösung gibt es?
Direkt (z.b. Sparse)
Iterative (z.b. Preconditioned Conjugate Gradient)
70. Wie können Resultate auf ihre Richtigkeit überprüft werden?
Handrechnung
Vereinfachte Geometrie in FEM-Simulieren
Verschiebungen und Reaktionskräfte prüfen
Vergleichsrechnung mit anderem FE-Programmen
- Vergleich mit praktischen Messungen
71. Welche Arten von Daten stehen zur Auswertung zur Verfügung?
Spannungen
Verschiebungen
Reaktionskräfte
- Schnittkraftverläufe
72. Welche prinzipiellen Möglichkeiten der Datenauswertung gibt es?
Grafische Darstellung (Bunte Bilder) :D
Zahlmässige ausgaben an lokalen Stellen
- Diagrammverläufe
73. Was gilt es bei Schalenmodellen im Postprocessing zu berücksichtigen?
Auswertung von:
Mittelfläche (Membran)
Oberseite
- Unterseite
75. Welche Vergleichsspannungen kennen Sie?
Vergleichsspannung nach Gestaltänderungshypothese bei zähen Werkstoffen, statisch oder schwingender Beanspruchung
Vergleichsspannung nach Schubspannungshypothese bei spröden Werkstoffen auf Druck belastet, grösste Schubspannung ist für das Versagen zuständig
Vergleichsspannung nach Normalspannungshypothese bei spröden Werkstoffen, grösste Normalspannung (= 1. Hauptspannung) ist für das Versagen zuständig
Die 1. / 2. Hauptspannung wird als Auswertung bei spröden Werkstoffen als Vergleichsspannung verwendet.
Die Vergleichsspannung ist eine rechnerische Spannung, welche die gleiche Beanspruchung des Werkstoffs verursacht, wie wenn man sie an einem Zugstab aufbringen würde. Durch einen Vergleich dieser Vergleichsspannung mit der zulässigen Spannung kann die zusammengesetzte Beanspruchung beurteilt werden.
77. Welche Beulprobleme gibt es?
78. Was ist eine Beulanalyse?
Bestimmen der kritischen Last bei der eine Struktur instabil wird, sowie die dazugehörige Beulform.
79. Welche grundsätzlichen Möglichkeiten der Beulanalyse gibt es?
Lineare Beulanalyse (Eigenwertbeulen) Achtung: liefert lediglich einen Anhaltswert!
Nichtlineares Beulen
80. Was ist das Ergebnis einer Eigenwertbeulanalyse?
Beim Aufbringen der Einheitskraft 1N auf einen Balken, kann mit der Eigenwert-Beulanalyse der Lastmultiplikator abgelesen werden, welche gleich der kritischen Knicklast ist.
81. Wie ist das Vorgehen bei einer Eigenwertbeulanalyse?
1. Statische-Mechanische-Analyse (Mit Einheitskraft 1N)
2. Einfügen einer Eigenwert-Beulanalyse (direkt bei der Lösung der Statisch-Mechanischen Analyse).
3. Eigenwert-Beulanalyse gibt die (nicht ganz exakte) Verformung des Balkens direkt vor dem Beulen an.
82. Wie ist das Vorgehen bei einer nichtlinearen Beulanalyse?
Schrittweise Laststeigerung (inkrementell bis Lösung divergiert), um die Kritische Last heraus zu bekommen, bei der die Struktur instabil wird.
Lastschritt dürfen nicht zu gross sein, sonst kann die Kritische Last nicht genau bestimmt werden.
1. Welches sind die Vorteile der FEM-Analyse?
- Effizientes Optimierungswerkzeug
- Universell einsetzbar für viele technische Fragestellungen
- Analyse und Optimierung von Bauteilstrukturen
- Erkenntnisse schon früh in der Produktentwicklungsphase
- Risikominimierung
- Einsparung von prototypischer Entwichlungsschleife
2. Wie hat sich die FE-Methode entwickelt und seit wann wird sie eingesetzt?
Im Jahre 1950 wurde das erste Mal Strukturberechnungen durchgeführt, das war in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrtindustrie. 1967 kam das erste Mal der Name FEM ins Spiel. Zuerst waren nur mechanische FE-Methoden möglich, bis heute wurden weitere FE-Methoden entwickelt wie Strömung, Multiphysik und Magnetismus.
3. Welches ist der heutige Stand der FEM-Analyse?
Durch die schnelleren Rechner heutzutage, ist es möglich schneller und genauer die FEM-Analyse durchzuführen. Heute ist es möglich Multiphysik und Mehrskalensimulationen durchzuführen.
4. In welche Richtung geht heute der Entwicklungstrend der FEM?
Die Entwicklung geht Richtung Integration ins CAD-System, bzw. in den Entwicklungsprozess.
5. Welches sind die Schritte vom realen Bauteil zum FE-Modell?
- Idealisierung – Welche physikalischen Idealisierungen müssen berücksichtigt werden?
- Modellbildung – Wie kann die idealisierte Physik mit der FE-Methode beschrieben werden?
6. Welche Bearbeitungsschritte fallen beim Lösen von FE-Problemen an?
7. Wie ist die Aussagesicherheit bei FE-Analysen und durch was wird deren Genauigkeit beeinflusst?
Aussagesicherheit wird beeinflusst durch:
- Physikalisch unkorrekte Annahmen
- Ausgewählte Elemente (Netz) geben die Reaktionen des Bauteils nur unzureichend wieder
- Zu stark Vereinfachte Geometrie führen zu nicht vorhandenen Spannungsspitzen
- Zu grob gewähltes Netz für zuverlässliche Aussagen
8. Welche Anforderungen stellen sich an die Qualitätsstandards einer FE-Analyse?
Um einen hohen Qualitätsstandard zu erreichen muss die Rückverfolgung, Verifikation und die Validierung klar ersichtlich sein, um FE-Analysen zu prüfen.
9. Was für Vorteile bringt eine computergestützte Produktentwicklung?
Verkürzung der Entwicklungszeiten
Reduktion von Herstellkosten und Einsparung von Ressourcen
Innovation und Kreativität
Erzielung höherer Qualität
- Erfüllung zunehmend strengerer Normen
10. Welches Potenzial liegt in der Simulation?
Mit einer Simulation können bereits in der frühen Entwicklungsphase Probleme erkannt werden.
11. Welches sind die heutigen Anwendungs- und Einsatzgebiete der FEM-Analyse?
Früher hauptsächlich Automobilindustrie, Schiff-, Luft- und Raumfahrt sowie im Bauwesen.
Heute in fast allen Branchen: Für Prozesssimulationen, Biologie, Medizintechnik, Maschinenbau, etc.
12. Welches sind die Aufgaben und Anforderungen an einen Anwender der FEM?
Die Aufgaben des FEM Anwender ist es die richtige Idealisierung und Modellbildung für die Aufgabenstellung zu finden. Des Weiteren muss für die Auswertung und Interpretation der FEM-Analyse ein solides Grundwissen im Bereich Mechanik, Strukturmechanik und Werkstoffkunde vorhanden sein, um die Ergebnisse auf Plausibilität zu überprüfen.
13. Was versteht man unter CAE?
CAE ist Computer Aided Engineering (de.: rechnergestützte Entwicklung)
CAE ist eine Kombination von CAD und FEM.
14. Wie sieht die konventionelle CAE-Prozesskette aus?
15. Welche Alternativen gibt es zur konventionellen CAE-Prozesskette?
Das integrierte CAD/CAE-System z.b. bei NX. Ideal für Konstruktionsbegleitete Berechnungen unter einfachen Bedingungen (z.b. Linear).
Vorteile:
• Zugriff auf Parametrik
• Keine Schnittstellenverluste
• Eine Oberfläche
Nachteile:
• Komplexe Rand- und Anfangsbed. häufig nicht möglich
• selten komplexe Materialmodelle
• Gefahr: Black Box Anwendungen
16. Was versteht man unter einem Schnittstellenprotokoll?
Das Schnittstellenprotokoll kann direkt oder indirekt geschehen. Es ist zwischen CAD-System und Pre-Prozessor, also eigentlich „Wie wird die Geometrie vom CAD ins FEM gebracht?“
17. Welche Schnittstellenprotokolle finden hauptsächlich Verwendung?
Direkt: Parasolid, UG, etc.
Indirekt: IGES, STEP, DXF, etc.
18. Welche Aspekte gibt es bei einer CAD-FEM Kopplung zu beachten?
Die Gefahr ist es zu viel Wissen/Geometrie vom CAD ins FEM zu übernehmen, die nicht relevant für die FE-Analyse sind.
19. Welche Arten der Nichtlinearitäten gibt es und was wird darunter verstanden?
- Material-Nichtlinearität (Inhomogenes Material)
Kriechen
Plastizität
Hyperelastizität
- Geometrische-Nichtlinearität
Grosse Verformung bei kleiner Spannung
Instabilitätsprobleme
- Randbedingungen
- Kontakt mit Reibung
Mangelnde Grundlagenkenntnisse in Mechanik, Festigkeitslehre und Werkstoffkunde
Mangelnde konstruktive Erfahrung
Ungenügende theoretische Grundkenntnisse zur FE-Methode
Mangelnde Auseinandersetzung mit dem zu analysierenden Problem
Fehlendes Verständnis für die Motivation des Auftraggebers
Unterlassung einer kritischen Durchsicht der Unterlagen bzw. Angaben
Nachlässigkeit bezüglich fehlender Daten
Falsche Einschätzung der Leistungsfähigkeit des FE- Programms
Mangelnde Übung im Umgang mit dem FE- Programm
Voreilige Interpretation: Glaube an „bunte Bilder“
Unterlassung der „Buchführung“ über wichtige Entscheidungen, Inputparametern und Dateien
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