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Sprache Deutsch
Stufe Universität
Erstellt / Aktualisiert 11.06.2017 / 12.02.2020
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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
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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.

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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 Strukturen, Strömungen, Wärmeleitungen, Magnetismus und Multiphysik zu analysieren.

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4.In welche Richtung geht heute der Entwicklungstrend der FEM

Die Richtung geht in virtuelle Produkte Entwicklung (CAE=CAD+FEM).

Das heisst eine vollständige rechnerunterstützte Entwicklung eines technischen Gegenstandes von der ersten Idee bis zur Erstellung eines funktionsfähigen Prototyps.

Dazu möchte man FEM ins CAD integrieren damit auch Konstrukteure einfache Analysen durchführen und grobe Abschätzungen machen können. 

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5.Welches sind die Schritte vom realen Bauteil zum FE-Modell?

  • Idealisierung der Realstruktur (Art des Modells, Elementtypen, Symmetrien, Vereinfachungen)
  • Materialeigenschaften eingeben (E-modul, Querkontraktion)
  • Randbedingungen festlegen (Lager, Kräfte)
  • Netzbildung (Art des Netze, Verfeinerungen, Lokale Verfeinerung)
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6.Welche Bearbeitungsschritte fallen beim Lösen von FE-Problemen an?

  • Idealisierung
  • Modelbildung (Preprocessing)
  • Ergebnisse
  • Auswertung (Postprocessing)
  • Verifizierung/Validierung/Plausibilitätskontrolle
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7.Wie ist die Aussagesicherheit bei FE-Analysen und durch was wird deren Genauigkeit beeinflusst?

Die Aussagesicherheit muss letztlich durch ingenieurmässigen Sachverstand überprüft werden. Beeinflusst wird die Genauigkeit durch:

  • Physikalisch unkorrekten Annahmen der Randbedingungen, führt zu falschen Spannungsverteilung und falschen Auflagereaktionen.
  • Falsche Elementenwahl, sie geben die Reaktionen des Bauteils unzureichend wieder, führt ebenfalls zu falschen Spannungsverteilung
  • Zu stark vereinfachte Körpergeometrieverlaufe, führen zu nicht vorhanden Spannungsspitzen
  • Das Netz einfach zu grob gewählt wurde, um verlässliche Aussagen machen zu können
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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.

  • Validieren: Berechnungsergebnisse als gültig erklären
  • Verifizieren: Überprüfung der Richtigkeit
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9.Was für Vorteile bring eine computergestützte Produktentwicklung? 

  • Verkürzung der Entwicklungszeiten
  • Reduktion von Herstellkosten und Einsparung von Ressourcen 2017 2|11
  • Innovation und Kreativität
  • Erzielung höherer Qualität
  • Erfüllung zunehmend strengerer Normen
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10.Welches Potenzial liegt in der Simulation?

Das Potenzial ist gewaltig. Es wird aber erst dann voll ausgeschöpft wenn ein simultaner, teamorientierter und abteilungsübergreifender Konstruktionsprozess eintritt und dies vom Management getragen wird. Und die Simulation ist in allen Phasen der Produktentwicklung wichtig. Die frühe Simulation bereites in der Produktplanung ergibt den grössten Nutzen.

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11.Welches sind die heutigen Anwendungs- und Einsatzgebiete der FEM-Analyse?

Grundsätzlich fast überall. Denn Material ist Geld, und wo Material gespart wird, wird Geld gespart.

  • Luft-, Raumfahrt, Automobilindustrie
  • Maschinenbau (auch Kunststoffe, Gussteile usw.)
  • Konsumgüterindustrie
  • Chemieindustrie
  • Elektronik/Mikromechanik
  • Biologie/Physik
  • Prozesssimulation
  • Multiphysik

Beispiel: Druckverteilung und Geschwindigkeitsverteilung bei einem Schwimmer mit Bionik Neoprenanzug. Die Simulation hilft das Optimum an Leistung zu erreichen.

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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.

Anforderungen:

  • Grundwissen in der Mechanik, Statik, Dynamik um Plausibilitätskontrollen durchführen zu können
  • Kennt die Möglichkeiten und Grenzen einer FEM-Analyse
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13.Was versteht man unter CAE?

CAE (Computer Aided Engineering). Dies bedeutet Computer unterstütztes Engineering. Der Computer wird zur Hilfe der Entwicklung herangezogen.

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14.Wie sieht die konventionelle CAE-Prozesskette aus?

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15.Welche alternative gibt es zur konventionellen CAE-Prozesskette?

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Alternativ können integrierte Systeme verwendet werden. Diese sind ideal für konstruktionsbegleitende Berechnungen unter einfachen Bedingungen. (lineare Probleme)

 

Vorteile:             - Zugriff auf Parametrik

                               - Keine Schnittstellenverluste

                               - Eine Oberfläche

Nachteile:          - Nicht für komplexe Analysen

                                 geeignet.

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16.Was versteht man unter einem Schnittstellenprotokoll? 

Das Schnittstellenprotokoll kann direkt oder indirekt geschehen. Es ist zwischen CADSystem und Pre-Prozessor, also eigentlich „Wie wird die Geometrie vom CAD ins FEM gebracht?“ Direkt: Parasolid, UG, etc. Indirekt: IGES, STEP, DXF, etc. = Neutrale Formate 

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17.Welche Schnittstellenprotokolle finden hauptsächlich Verwendung?

  • Direkt: Parasolid, UG, etc.
  • Indirekt: IGES, STEP, DXF, etc. 
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18.Welche Aspekte gibt es bei einer CAD-FEM-Kopplung zu beachten?

  • Problematisch ist das die CAD-Daten für ein FE-Modell viel zu detailliert geliefert wird, wünschenswert wären nur FE-relevanten Daten zu erzeugen und weiterzugeben.
  • Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung. Das kann nur geschehen wenn die Daten parametrisiert vom CAD-System zum FEM-System und zurück (bidirektional) transferiert werden können.
  • Konstrukteure müssen damit umgehen können und das nötige Fachwissen besitzen
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19.Welche Arten der Nichtlinearitäten gibt es und was wird darunter verstanden?

  • Materialnichtlinearität (Inhomogens Material, Plastizität, Hyperelastizität, Cracking)
  • Geometrische nichtlinearität (grosse Verformungen bei kleinen Spannungen z.B. Nachbeulverhalten)
  • Randbedingungen: Kontakt, Reibung
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20.Welche Fehler kann der Anwender bei der FEM-Analyse machen? und

21.Welche Fehler können sich bei der Programm Handhabung ergeben?

Lizenzierung: Keine Angabe
  •  Ungenügende theoretische Grundkenntnisse zur FE-Methode
  • Mangelnde Auseinandersetzung mit dem zu analysierenden Problem
  • Mangelnde Übung im Umgang mit dem FE-Programm
  • Fehlintepretation 
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22.Was gibt es bei den Masseinheiten zu beachten? 

Vergewissern ob das korrekte Einheitssystem gewählt wurde, weil Einheiten nicht direkt im Eingabefeld ersichtlich sind.

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23.Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Ergebnisse?

  • Ansatzfunktion (höhere Ordnung ist genauer)
  • Elementform (möglichst regelmässige geformt)
  • Elementgrösse 
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24.Welche Qualitätssicherungsmassnahmen sind zu treffen?

  • Verschiedene Netze anwenden
  • Verschiedene Elemente verwenden
  • Verschiedene Programme benützen
  • Mehrere Anwender überprüfen die gleiche Problemstellung
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25.Was stellt die FEM aus rein mathematischer Sicht dar?

Ein numerisches Verfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen die in ein algebraisches Gleichungssystem überführt werden.

Der Grundgedanke der FEM besteht darin das Gebiet in viele endliche (finite) Elemente aufzuteilen, die an den Elementrändern verknüpft sind. Für die gesuchte Funktion (Verschiebung, Temperatur etc.) werden Ansätze gewählt, die nur in den einzelnen Elementen definiert sind und deren unbekannten Faktoren die Verschiebung bzw. Temperatur an den Elementknoten darstellen.

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26.Für was stehen die einzelnen Terme in der Gleichung [K] {u} = {F} ?

K=Steifigkeitsmatrix

U= Verschiebungsfaktor (Vektor)

F=Kraftfaktor (Vektor)

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27.Welche Klassen und Typen von Elementen gibt es?

  • Elementklassen: Linien, Flächen, Volumen, linear, quadratisch 
  • Elementtypen: Stab, Balken, Scheiben, Platten, Schalen, Volumen
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28. Wie viele Freiheitsgrade haben die verschiedenen Elementtypen?

  • Balken: 3 Verschiebungen, 3 Verdrehungen
  • Scheiben: 2 Verschiebungen  
  • Schale: 3 Verschiebungen, 3 Verdrehungen  
  • Volumen: 3 Verschiebungen 
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29.Was sind Freiheitsgrade in einem FE-Model?

Freiheitsgrade geben die mögliche Verschiebung/Verdrehung des Knotens an

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30.Was sind Kontinuumselemente?

Kontinuumselemente sind Elemente, die nur translatorische Freiheitsgrade besitzen (Scheibenelemente, Volumenelemente)

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31.Welche Elemente gibt es neben den Kontinuumselementen noch und wodurch unterscheiden sie sich?

Strukturelemente, sie besitzen Translatorische und rotatorische Freiheitsgrade (Balkenelement, Schalenelement)