Fragen zu FEM1 (Finite Elemente Methode) HS24

Das integrierte CAD/CAE-System wie z.B NX. Ideal für Konstruktionsbegleitete Berechnungen unter einfacher Bedingungen (linear).

CAD stellt Datei zur verfügung ---> Schnittstelle ---> Pre-Prozessor des CAE interpretiert die CAD Datei und bereitet sie auf ---> FEM-Universalprogramm ---> Post Prozessor.

CAE=Computer Aided Engeneering (rechnergestütztes Entwickeln)

CAE ist eine Kombination von CAD und FEM.

Die Aufgaben des FEM Anwenders sind es die richtige Idealisierung und Modellbildung für die Aufgabenstellung zu finden. Er muss für die errechneten Ergebnisse Interpretieren, verifizieren und auf Plausibilität prüfen und dokumentieren.

Dazu muss er ein solides Grundwissen im Bereich Mechanik, Strukturmechanik und Werkstoffkunde haben.

-Mindestens 80% des Pensums als FE-Analytiker

FEM wird eigentlich in allen Branche eingesetzt. Denn Material ist Geld und wo Material gespart wird, wird auch Geld gespart.

vor allem: Luft-Raumfahrt, Automobilindustrie und Maschinenbau

Anwendungsgebiete: Strukturmechanik, Wärmeleitung, Strömung, Magnetfeldberechnungen, Multiphysik

Das Potenzial computergestützter Simulation ist in allen Phasen der Produktentwicklung von Vorteil. Jedoch ergibt sich einen sehr grossen Nutzen bei der frühen Fehler und Problemerkennung in der Entwicklungsphase.

-Verkürzung der Entwicklungszeiten

-Reduktion von Herstellkosten und Einsparung von Ressourcen

-Innovation und Kreativität

-Erzielung höherer Qualität

-Erfüllung zunehmend strengerer Normen

-Kundenzufriedenheit herstellen durch einen aufgabenorietierte Lösungsfindung

-Aufzeichnungen der FE-Einsatzes mit verständlichen Ergebnissen

-Bewertung,, Verifizierung und Validierung der FE-Ergebnissen und eine Bescheinigung durch eine Fachperson oder dessen Vorgesetzten (Unterschrift).

-Fähigkeit des Personals und angemessene Infrastruktur muss vorhanden sein (ISO 9001)

Die Aussagesicherheit hängt massgeblich vom Bediener ab.

Faktoren welche die Genauigkeit beeinflussen sind:

-Ansatzfunktion

-Elementform

-Elementgrösse

-Netzfeinheit

-Idealisierung

-Numerische Fehler

-Kompetenzen des Anwenders

-Genauigkeit der Eingangsdaten

1.Idealisierung

2.Modellbildung (Netz, Dehnungszustand, Spannungszustahnd)

3.Auswertung der Ergebnisse

4.Resultate verifizieren

-Idealisierung --> Welche physikalischen Idealisierungen müssen berücksichtigt werden. (Abstraktion einer Struktur auf ein Mathematisches gebilde)

-Modellbildung --> Wie kann die idealisierte Physik mit der FE-Methode beschrieben werden?

1.Idealisierung der Realstruktur (Art des Modells, Symmetrien)

2.Materialeigenschaften festlegen

3.Netzbildung (Art des Netzes, Feinheit)

4.Randbedingungen bzw. Lagerungen und Kräfte (Starrkörpermode Vermeiden)

Die Entwicklung geht in Richtung Integration ins CAD-System bzw. in den Entwicklungsprozess und virtuelle Produkktentwicklung. (CAE)

Durch die schnelleren Rechner heutzutage ist es möglich schnellere und genauere FEM-Analysen durchzuführen. Es können heute Strukturen, Strömungen, Wärmeleitungen, Magnetismus und Multiphysik berechnet und analysiert werden und Mehrskalensimulationen durchzuführen.

Netzfreie Methoden, intelligente Programme (Prausibilitätsprüfung durch Programme)

Im Jahre 1950 wurden das erste Mal Strukturberechnungen durchgeführt und zwar in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. 1967 kam das erste Mal der Name FEM ins Spiel. Tuerst waren nur mechanische FE-Methoden möglich, bis heute wurden weitere FE-Methoden im Bereich Strömung, Multiphysik und Magnetismus entwickelt.

-Effizientes Optimierungswerkzeug

-Universell einsetzbar für viele technische Fragen

-Analyse und Optimierungen von Bauteistrukturen

-Erkenntnisse schon früh in der Produktentwicklungsphase

-Risikominimierung

-Einsparung von prototypischer Etwiklungschleife

1.Statisch-Meachanische-Analyse (mit Einheitskraft 1N)

2.Einfügen einer Eigenwert-Beulanalyse und mit der Lösung  verlinken gemometrie, Modell, Technische Daten

Lösung zur neue Eigenwertbeulanalyse übertragen.

3.Eigenwert-Beulanalyse giebt dei (nicht ganz exakte) Verformung ders Balken an.

4.Über den Lastmultiplikator kann die kritische Knicklast herausgelesen werden.

Beim Aufbringen einer Einheitskraft von 1N auf einen Balken, kann mit der Eigenwertbeulanalyse der Lastmultiplikater (Sicherheit) abgelesen werden, welcher in diesem Fall der kritischen Knicklast entspricht.

-Lineare Beulanalyse

Bei der Eigenwertbeulanalyse wird die theoretische Beulfestigkeit einer linearen elastischen Struktur bestimmt.
Diese Methode wird in der Literatur auch als elastische Beulanalyse bezeichnet. So stimmt z.B. die
Eigenwertbeulanalyse eines Knickstabes mit der klassischen Knickung nach Euler überein.
Die meisten realen Strukturen erreichen jedoch ihre theoretische Beulfestigkeit nicht.

-nichtlineare Beulanalyse

Die Nichtlineare Analyse ist gewöhnlich der exaktere Weg und wird deshalb für die Konstruktion oder
die Bewertung von bereits vorliegenden Strukturen empfohlen. Diese Technik verwendet eine nichtlineare
statische Analyse mit schrittweiser Laststeigerung, um das Lastniveau herauszubekommen, bei dem die
Struktur instabil wird.

Die Beulanalyse ist eine Technik zur Bestimmung von kritischen Lasten bei denen eine Struktur instabil
wird, sowie der dazugehörigen Beuleigenformen.

Die Vergleichsspannung ist eine rechnerische Spannung, welche die gleiche Beanspruchung des Werkstoffes verursacht, wie wenn zwei verschiedene Beanspruchungsarten, wie z.B Torsion und Druck auf ein Bauteil wirken. Durch das Vergleichen der zusammengesetzen Vergleichspannung mit den zulässigen Werkstoffwerten, kann eine Aussage über die Festigkeit gemacht werden.

-Vergleichsspannung nach Gestaltänderungshypothese bei zähen Werkstoffen, statisch oder schwingender Beanspruchung

- Vergleichsspannung nach Schubspannungshypothese bei spröden Werkstoffen auf Druck. Grösste Schubspannung ist für das Versagen zuständig.

-Vergleichsspannung nach Normalspannungshypothese (spröde Werkstoffe) grösste Normalspannung (= 1. Hauptspannung) ist für das Versagen zuständig.

-Die 1. / 2. Hauptspannung wird als Auswertung bei spröden Werkstoffen als Vergleichsspannung verwendet.

Elementgrenzen an Diskontinuitäten - Elementgrenzen (Knoten) sind dort vorzusehen, wo Unstetigkeiten
(Diskontinuitäten) in der Geometrie (z.B. Dickenänderung) oder des Materials (z.B. Wechsel der Elastizitätsmodule)
vorliegen. Knoten müssen auch dort festgelegt werden, wo Einzelkräfte oder Einzelmomente
angreifen oder wo Druckbelastungen sich sprunghaft ändern und wo Lagerbedingungen (z. B.
Stützen) berücksichtigt werden sollen.

Konvergenzanalyse Singularitäten beachten.

Ober- und Unterseite müssen richtig definiert werden. Weite wird Bestimmt, wo die Kraft im Abstand zur Mittelachse aufgebracht wird. Wird die Oberseite, die Unterseite oder die Mittelfäche genommen?

-Graphische Darstellung

-Nummerische ausgabe

-Diagrammverläufe

- farbschattierte Bilder

- Höhenlinienplots

- Momentenverläufe

- Tabellen

-Spannungen

-Verschiebungen

-Reaktionskräfte

-Schnittkraftverläufe

-Handrechnung

-Vereinfachte Geometrie in FEM-Simulieren

-Verschiebungen und Reaktionskräfte prüfen

-Plausibilität prüfen

-Kontolle verformung und Reaktionskräfte

-Direkt (z.B Sparse) (genau, Schnell, hoher Speichebedarf)

-Iterative (z.B Preconditioned Conjugat Gradient) (kleiner Speicherbedarf, ungenauer, Startlösung notwendig)

1. Elementsteifigkeit erstelllen

2. Stuktursteifigkeit aufbauen

3 Lastvektoren erstellen

4. Gleichungssystem aufstellen und Randbedingungen einbauen

5. Elementverschiebung bestimmen

7. Dehnungen und Spannungen im Element berechnen