TA.BA_FEM1.H13 - Fragenkatalog
Gemäss Fragenkatalog von R.Baumann, Herbstsemester 2013
Gemäss Fragenkatalog von R.Baumann, Herbstsemester 2013
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Cartes-fiches
1. Welches sind die Vorteile der FEM-Analyse?
- Kostenersparnis bei der Entwicklung eines Produktes durch frühe Anwendung von FEM
- Optimale Formenentwicklung (Materialersparnis)
- Risikobeurteilung, Dimensionierung
- Virtuelle Tests mit verschiedenen Materialien und Abläufen
- Verkürzung der Entwicklungszeiten
- Reduktion von Herstellkosten und Einsparung von Ressourcen
- Innovation und Kreativität
- Erzielung höherer Qualität
- Erfüllung zunehmend strengerer Normen
Am Anfang vor 60 Jahren standen die elastischen Stabmodelle (1941, Hrennkoff), welche durch Ingeneure und Mathematiker entwickelt wurde. Darauf folgten 1953 die Flächenelemente. Seit 1965 wird die FEM kommerziell eingesetzt. Mit der gleichzeitigen Weiterentwicklung der Computer wurde die heutige, leistungsfähige FEM geschaffen. Heute wird mit Volumenberechnungen in sämtlichen Branchen gearbeitet.
Heute ist es möglich Strukturen, Strömungen, Wärmeleitungen, Magnetismus und Multiphysik zu analysieren.
Die Richtung geht in virtuelle Produkte Entwicklung. (CAE) Die Trends der Finite-Elemente-Methode zeigen in Richtung der Prozess-Integration. Der Kostenfaktor Mensch tritt weiter in den Vordergrund gegenüber den Kosten für Hardware und Rechenzeit.
5. Welches sind die Schritte vom realen Bauteil zum FE-Modell?
I. Idealisierung der Realstruktur (Art des Modells, Symmetrien, Vereinfachungen)
II. Randbedingungen festlegen
III. Netzbildung (Art des Netzes, Verfeinerung, Lokale Verfeinerung)
IV. Lagerungen, Kräfte (Müssen auf einen Knoten fallen)
7. Wie ist die Aussagesicherheit bei FE-Analysen und durch was wird deren Genauigkeit beeinflusst?
Die Aussagesicherheit wird massgeblich durch die Sorgfalt des Berechnungsingenieurs beeinflusst.
- Ein häufiger Fehler besteht in der physikalisch unkorrekten Annahme der Randbedingungen, welches dann zu einer falschen Spannungsverteilung und falschen Auflagerreaktionen führt.
- Ein weiterer Fehler ist, dass die ausgewählten Elemente die Reaktionen des Bauteils nur unzureichend wiedergeben, wodurch die tatsächliche Spannungsverteilung nicht erfasst wird.
- Des Weiteren kann es sein, dass zu stark vereinfachte Körpergeometrieverläufe zu nicht vorhandenen Spannungsspitzen führen.• Informationsquellen (Material, Berechnung)
- Das Netz einfach zu grob gewählt wurde, um verlässliche Aussagen machen zu können.
8. Welche Anforderungen stellen sich an die Qualitätsstandards einer FE-Analyse?
- Kundenzufriedenheit herstellen durch eine aufgabenorientierte Lösungsfindung.
- Aufzeichnung des FE?Einsatzes und deren Ergebnisse
- Bewertung, Verifizierung und Validierung von FE-Ergebnissen.
- Und eine Bescheinigung der Richtigkeit durch eine Fachperson oder dessen Vorgesetzter (Unterschrift). (ISO 9000)
9. Was für Vorteile bringt eine computergestützte Produktentwicklung?
Die Chancen der Produktentwicklung ergeben sich aus:
- der Verkürzung von Entwicklungszeiten
- der Reduktion von Herstellkosten und Einsparung von Ressourcen
- der Innovation und Kreativität
- der Erzielung höherer Qualität
- der unverzüglichen Erfüllung zunehmend strengerer Normen
- Aussagen über die Sicherheit eines Bauteils
Das Potential computerunterstützter Simulation ist gewaltig. Es wird aber erst dann voll ausgeschöpft, wenn anstelle der traditionellen, tayloristischen Bearbeitung ein simultaner, teamorientierter und abteilungsübergreifender Konstruktionsprozess tritt und dies vom Management getragen wird. Und: die Simulation ist in allen Phasen der Produktentwicklung wichtig. Die frühe Simulation bereits in der Produktplanung (Produktdefinition, Vorentwicklung) ergibt den grössten Nutzen.
FEM wird heute in beinahe allen Brancheneingesetzt: in der chemischen Industrie ebenso wie in der Antriebstechnik, in der Elektronik, in der Freizeit? und Konsumgüterindustrie und in der Medizintechnik. In Zukunft werden Anwendungen in der Prozess?Simulation an Bedeutung gewinnen, um Fertigungskosten und Materialkosten zu reduzieren. Hier sind zu nennen: Metallumformung, z.B. Walzen, Schmieden, Blechtiefziehen oder Innenhochdruckumformung, Blasformen, Pulvermetallurgie, Giessen, Spritzgiessen oder Metalldruckgiessen.
12. Welches sind die Aufgaben und Anforderungen an einen Anwender der FEM?
Aufgaben:
- Naturnahe Idealisierung
- Korrekte Einleitung der Kräfte
- Anpassung der Dimensionen und Form (Durch Kräfte bestimmt)
Anforderungen:
- Grundwissen über die Mechanik, Statik, Dynamik (Im untersuchten Bereich)
- Kennt die Möglichkeiten und Grenzen der FEM-Analyse
- Kann seine Resultate auf Plausibilität prüfen
CAE (Computer Aided Engineering). Dies bedeutet Computer unterstütztes Engineering. Der Computer wird zur Hilfe der Entwicklung herangezogen.
15. Welche Alternativen gibt es zur konventionellen CAE-Prozesskette?
Alternativ können integrierte Systeme verwendet werden. Diese sind ideal für konstruktionsbegleitende Berechnungen unter einfachen Bedingungen (z.B. lineare Probleme).
Vorteile
- Zugriff auf Parametrik
- Keine Schnittstellenverluste
- Eine Oberfläche
Nachteile
- Komplexe Rand- und Anfangsbedingungen sowie komplexere Materialmodelle häufig nicht möglich
Ein Schnittstellenprotokoll (IGES, VDA FS, STEP) ist eine Datei die erzeugt wird, wenn die Geometrie an das FEM Programm übertragen wird. Im FE?Programm werden die Dateien wieder umgesetzt (keine Direktkoppelung). Dieses Protokoll kann üblicherweise verlustfrei übertragen werden.
IGES-, VDAFS-, STEP-File
Da die Geometrien in einem CAD Modell bereits vorliegen, ist es wünschenswert diese Daten nicht ein zweites Mal erstellen zu müssen, sondern diese direkt übernehmen zu können. Zur Datenübergabe stehen diverse genormte Schnittstellen zur Verfügung: z.B. DXF, IGES, VDAFS, STEP, PARASOLID.
19. Welche Arten der Nichtlinearitäten gibt es und was wird darunter verstanden?
- Materialnichtlinearität (Inhomogenes Material, Plastizität, Hyperelastizität, Cracking, Softening)
- Geometrische Nichtlinearität (grosse Verformungen bei kleinen Spannungen, z.B. Nachbeulverhalten)
- Randbedingungen: Kontakt, Reibung
20. Welche Fehler kann der Anwender bei der FEM-Analyse machen?
21. Welche Fehlerquellen können sich bei der Programm-Handhabung ergeben?
22. Was gibt es bei den Masseinheiten zu beachten?
Da das Programm ohne Masseinheiten rechnet, sind alle einheitlich (SI-Einheiten) anzunehmen (mm).Wichtig: Die Erdbeschleunigung kann immer mit 9.81 m/s^2 angenommen werden.
23. Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Ergebnisse?
- Art des Gleichungslösers
- Netzfeinheit -> Ansatzfunktion, Elementform, Elementgrösse, Elementtyp
- Werkstoffverhalten, Werkstoffdaten
- Numerische Genauigkeit der Rechnung
- Zu starke Idealisierung; Vereinfachung
24. Welche Qualitätssicherungsmassnahmen sind zu treffen?
- Verschiedene Netze anwenden
- Modellaufbau mit verschiedenen Elementen realisieren
- Mehrere Anwender überprüfen die gleiche Problemstellung
- Verschiedene Programme benutzen
Ein Numerisches Verfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen die in ein algebraisches Gleichungssystem überführt werden. Grundgedanke von FEM: Der Grundgedanke besteht darin, das Tragwerk (oder Gebiet) in viele endliche (finite) Elemente aufzuteilen, die an den Elementrändern verknüpft sind. Für die gesuchte Funktion (Verschiebungen, Temperatur, etc.) werden Ansätze gewählt, die nur in den einzelnen Elementen definiert sind und deren unbekannten Faktoren die Verschiebungen bzw. Temperatur an den Elementknoten darstellen.
28. Wie viel Freiheitsgrade haben die verschiedenen Elementtypen?
- Stabelement : 2 Freiheitsgrade
- Balkenelement : 3 Freiheitsgrade
- Scheibenelement : 2 Freiheitsgrade
- Schalenelement : 6 Freiheitsgrade
- Plattenelement : 3 Freiheitsgrade
- Volumenelement : 3 Freiheitsgrade
Freiheitsgrade geben die möglichen Verschiebungen eines Knotens an.
Kontinuum = Material, Stoff, Volumen Kontinuumselemente sind Elemente, die nur translatorische Freiheitsgrade besitzen. (Scheibenelement, Stabelement, Volumenelement)
Strukturelemente = real constant muss gesetzt werden / Translatorische und rotatorische Freiheitsgrade (Balken?, Platten? und Schalenelement)
32. Wie ist ein Balken-Element definiert und wann kann es verwendet werden?
- 3 Freiheitsgrade am Knoten: 2 Verschiebungen (ux, uy), 1 Rotation (ROTz)
- Geometrie: 2-Dimensional, geeignet für schlanke, langgestreckte Bauteile
- Beanspruchung: Längs- bzw. Normalspannungen, Schubspannungen, Biegespannung
33. Wie ist ein Volumen-Element definiert und wann wird es eingesetzt?
- 3 Freiheitsgrade am Knoten: 3 Verschiebungen (u,v,w)
- Geometrie: 3-Dimensional, geeignet für allgemeine, voluminöse Bauteile
- Beanspruchung: Normal- und Schubspannungen in alle 3 Raumrichtungen, Dehnungen ebenso
34. Wie ist ein Schalen-Element definiert und welche Eigenschaften besitzt es?
- 6 Freiheitsgrade am Knoten. 3 Verschiebungen (ux, uy, uz), 3 Rotationen (ROTx, ROTy, ROTz)
- Geometrie: 3-Dimensional, geeignet für flächige Bauteile (Veränderliche Dicke möglich)
- Beanspruchung: Membran-, Biege- und Schubspannung im Element (linearer Verlauf zwischen Ober- und Unterseite)
Zu den Randbedingungen zählen Lagerbedingungen und Lasten. Lagerbedingungen werden durch gezieltes Einschränken der Freiheitsgrade realisiert. Die Lasten können als Punkt?, Strecken? oder Flächenlasten aufgebracht werden. (Einleitung durch einen oder mehrere Knoten)
Körper, der sich nicht deformiert. (Gebraucht in der Statik beim Berechnen der Kräfte)
Eine Diskontinuität ist eine Unstetigkeit in der Geometrie. Oder ein Übergang zwischen zwei Materialien.
Bei derartigen Unstetigkeiten sollten sie darauf achten, jede Seite des Steifigkeitssprunges getrennt zu behandeln. (Kerbe mit Radius versehen)
39. Was versteht man unter einem ebenen Spannungszustand?
Nur Dehnungen in z-Richtung, keine Spannungen in z-Richtung
40. Was ist unter einem ebenen Verformungszustand zu verstehen?
Nur Spannungen in z-Richtung, keine Dehnungen in z-Richtung