TA.BA_FEM1.H13 - Fragenkatalog

• Erfüllen der Partnerregel
• Gleichmässigkeit
• Besser Vierecke benutzen anstatt Dreiecke (Genauigkeit)
• Unstetigkeiten refinenen

Initial Strain anwenden (Vordehnung einbauen).

Punkt-, Strecken und Flächenlasten.

Durch gezieltes Einschränken von Freiheitsgraden.

• Checken welche Freiheitsgrade schon eingeschränkt wurden
• Fehlermeldungen beim Solven beachten

• Elementsteifigkeit erstellen
• Struktursteifigkeit ausbauen
• Lastvektor erstellen
• Gleichungssystem aufbauen und Randbedingungen einbauen
• Gleichungssystem auflösen nach den unbekannten Verschiebungen
• Elementverschiebungen bestimmen
• Dehnungen und Spannungen in den Elementen bestimmen

• Direkte Gleichungslöser (Sparse, Frontal)

Vorteil: Genauigkeit, Schnell für kleine Gleichungssysteme

Nachteil: Hoher Speicherbedarf für grosse Gleichungssysteme, Geschwindigkeit bei grossen Modellen

• Iterative Gleichungslöser (CG, JCG, PCG)

Vorteile: Speicherbedarf (incore) bei grossen Modellen, Plattenplatz (out-of-core) bei grossen Modellen

Nachteile: Startlösung notwendig, Konvergenzkriterium

• Konvergenzanalyse
• Überschlagsrechnung von Hand
• Vergleich mit praktischen Messungen
• Berechnung mit unterschiedlichen Lasten
• Erfahrungsschatz

Dehnung, Spannung, Lagerkräfte, Temperaturen.

Grafische Darstellung (3-D), Diagrammverläufe, Tabellen.

Ober- und Unterseite müssen richtig definiert werden. Weiter wird bestimmt, wo die Kraft im Abstand zur Mittelachse aufgebracht wird.

Spannungsspitzen müssen genauer untersucht werden.

von Mises Spannung, 1., 2., und 3. Hauptspannung.

Mischung aus Schub- und Normalspannungen, welche der Realität entsprechen.

• Stabknicken
• Beulen von Flächenstrukturen
• Kippen
• Drillknicken

Durch bestimmen der Resultate ergibt sich der Instabilitätspunkt (von da an knickt die Struktur).

• Eigenwertbeulanalyse (lineare Berechnung -> liefert meist nicht sichere Resultate)
• Nichtlineare Berechnung

Proportionalitätsfaktor lamda λ. Er beschreibt den Eigenwert der Matrix.

1. statische Berechnung -> Steifigkeitsmatrix

2. solven -> Eigenwert der Matrix (Eigenwert * Kraft = kritische Beulkraft)

Der grundlegende Ansatz bei einer nichtlinearen Stabilitätsanalyse ist die Steigerung der Lasten mit konstanten Inkrementen, bis die Lösung zu divergieren beginnt. Stellen Sie sicher, dass das astinkrement ausreichend klein ist, wenn sich die Lasten der erwarteten kritischen Last nähern. Ist das Lastinkrement zu gross, dann kann die ermittelte Last zu ungenau sein.

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.

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)

I. Idealisierung

II. Modellbildung

III. Ergebnisse

IV. Validierung/Verifizierung/Plausbilitätskontrolle

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.

• 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)

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.

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.

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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.

• Materialnichtlinearität (Inhomogenes Material, Plastizität, Hyperelastizität, Cracking, Softening)
• Geometrische Nichtlinearität (grosse Verformungen bei kleinen Spannungen, z.B. Nachbeulverhalten)
• Randbedingungen: Kontakt, Reibung

• Falsche Annahme des Verhaltens des Werkstoffes (Materialeigenschaften)
• Falsche Randbedingungen (Temperaturen, äussere Einwirkungen, Lastfälle, Lagerungen)
• Unkorrekte Beurteilung von nichtlinearen Stellen (singuläre Stellen, Spannungskonzentrationen)