Fragen zu FEM1 (Finite Elemente Methode) HS24
Fragen die evtl. an der mündlichen Prüfung in Mdul FEM1 an der HSLU gestellt werden können. Alle angaben ohne Gewähr
Fragen die evtl. an der mündlichen Prüfung in Mdul FEM1 an der HSLU gestellt werden können. Alle angaben ohne Gewähr
Set of flashcards Details
| Flashcards | 83 |
|---|---|
| Language | Deutsch |
| Category | Technology |
| Level | University |
| Created / Updated | 13.01.2025 / 15.01.2025 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/20250113_fragen_zu_fem1_finite_elemente_methode_hs24
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| Embed |
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Welche Tätigkeiten und Arbeitsschritte sind unter dem Begriff Pre-Processing zusammengefasst?
Das Preprocessing umfasst die Vorbereitung der Eingangsdaten für die FEM-Berechning.
-Elementgeometrie festelegen (Geometrie, Querschnitt)
-Materialeignenschaften (E-Modul, Querkontraktionszahl, Dichte)
-Netzt kontriollieren (Seitenverhältnis, Qualität, visuell ansprechend)
-Randbedingungen festlegen (Lasten, Lagerung, Symmetrien)
Was versteht man unter der Idealisierung einer Struktur?
Ein komplexe Struktur soll in mathematisches Gebilde abstrahiert und vereinfacht werden, so dass für die FEM-Analyse noch alle nötigen Informationen vorhanden sind, ohne das Ergebnis massgeblich zu verfälschen.
Was vesteht man unter einem ebenen Verformungszustand?
Der ebene Verformungszustand hat 2 Verschiebungsfreiheitsgrade. Der EVZ wird verwendet bei deren Belastung nicht von der Z-Richtung abhängig ist. Dehnungen hat es nur in der XY-Ebene. Normal-/Schubspannungen hat es in der XY-Ebene und zusätzlich hat es Normalspannungen in der Z-Richtung. Der EVZ wird verwendet bei Strukturen bei der die Belastung nur in der XY-Ebene ist, z.b. Staumauer.
Nur spannungen in z-Richtung, keine Dehnung in z-Richtung
Die Dehnung existiert nur in der Ebene senkrecht dazu ist die Dehnung null. Konstanter querschnitt und Randbedingungen über die gesamte Länge
Was versteht man unter einem ebenen Spannungszustand?
Nur Dehnung in z-Richtung, keine Spannung in z-Richtung
Spannungen entstehen nur in der Ebene, senkrecht dazu sind die Spannungen null kann sich dehnen.
Kräfte wirken nur in der Ebene
Der ebene Spannungszustand hat 2 Verschiebungsfreiheitsgrade. Der ESZ wird verwendet bei deren Form und Belastung nicht von der Z-Richtung abhängig ist. Normal-/Schubspannungen hat es nur in der XY-Ebenen (in Z-Richtung keine Spannungen). Es gibt jedoch Dehnungen in XYZ-Richtungen. Der ESZ wird verwendet bei dünnen Flächentragwerken.
Was gilt es bei Diskontinuitäten zu beachten?
Es sind Elementgrenzen(-knoten) vorzusehen, wo Unstetigkeit entstehen.
Was sind Diskontinuitäten und wie entstehen sie?
Eine Diskontinuität ist eine sprunghafte Änderung eienr physikalischen Grösse. Sie kann durch das Material, Geometrie, Randbedingungen oder Belastungen entstehen.
Was versteht man unter Starrkörperbewegung?
Starrkörperbewegung = Starrkörpermode
-Ein Bauteil ist nicht genügend gelagert (nicht statisch bestimmt) und kann sich noch immer verschieben oder verdrehen ohne sich zu verformen.
Was sind Randbedingungen und wie werden diese ralisiert?
Randbedingungen sind Lasteinleitung, Lagerung und Zwangsbedingungen.
-Lasteinleitung: Punkt-, Strecken-, Flächen-, Druck-, Temperaturlasten Einleitung durch einen oder mehrere Knoten (gemäss Idealisierung)
-Lagerung: gezieltes einschränken der Freiheitsgrade, vermeiden von Starrkörpermods, realitätsnah
-Zwangsbedingungen: Einschränktung der Freiheitsgrade durch z.B Symetrien
Wie ist ein Schalen-Element definiert und welche Eigenschaften besitzt es?
Das Schalenenlement ist ein 3D Strukturelement, welches in jedem Knoten 3 Verschiebungs- und 3 Verdrehungsfreiheitsgrade hat. Das Schalenelement ist geeignet für dünnwandige Bauteile wie Rohre oder ebene Flächentragwerke, wo Biege- und Normalspannungen auftreten. Spannungsverlauf linear in z-Richtung.
Lasten: Einzelkräfte, Momente, Drücke und Temperaturen in-plane und senkrecht
Mindesteingaben: Elastizitätsmodul E, Querkontraktionszahl v, Schalendicke t
Wie ist ein Volumenelement definiert und wann wird es eingesetzt?
Das Volumenelement ist ein 3D Kontinuumselement, welches in jedem Knoten 3 Verschiebungsfreiheitsgrade hat. Es wird für Bauteile mit vergleichbar grossen Abmessungen in alle Richtungen und zur Modelierung von komplexen Bauteilen von CAD / CAM-Systemen verwendet. (Tetraeder oder Hexaeder)
Lasten: Temperaturen, Einzelkräfte, Drücke
Mindestangaben: Elastizitätsmodul E, Querkontraktionszahl v
Wie ist ein Balken-Element definiert und wann kann es verwendet werden?
Das Balkenmodell ist ein 3D Strukturelement, welches in jedem Knoten 3 Verschiebungs- und 3 Verdrehungsfreiheitsgrade hat. Balkenelemente werden für lange und schlanke Bauteile verwendet. Anwendung hauptsächlich unter Biegebelastung stehender Balkenstrukturen.
Lasten: Streckenlasten längs und quer, 2-Achsige Biegung und Torsion, Einzelkräfte oder Momente an den Knoten.
Mindestangaben: Elastizitätsmodul E, Querkontraktionszahl v, Querschnittsterm (common Section)
Welche Elemente gibt es neben den Kontinuumselementen noch und wodurch unterschieden sie sich?
Strukturelemente dienen zur Diskretisierung von Stäben, Balken und Schalen. Die Knotenpunkte werden nur auf einer Achse eines Stabes bzw. Mittelfläche einer Schale angeordnet, wobei die Freiheitsgrade in den Knotenpunkten aus Verschiebung und Verdrehungen bestehen.
Was sind Kontinuumselemente?
Scheiben- und Volumenelemente sind Kointinuumselemente. Sie weisen als Freiheitsgrade im Allgemeinen nur Verschiebungskomponenten in den Knotenpunkten des finiten Elementes auf.
Diskretisierung = Unterteilung des Bauteils in finite Elemente
Was sind Freiheitsgrade in einem FE-Modell?
Freiheitsgrade sind die möglichen Verschiebungen und Verdrehungen eines Knotens. Anderst ausgedrückt alle Unbekannten.
Wie viele Freiheitsgrade haben die verschiedenen Elementtypen?
-Stab: 3 Verschiebungen
-Balken: 3 Verschiebungen, 3 Verdrehungen
-Scheibe: 2 Verschiebungen
-Schale: 3 Verschiebungen, 3 Verdrehungen
-Volumen: 3 Verschiebungen
Ordnen sie die Elementtypen den Elementklassen zu, sind diese 2D oder 3D?
Welche Klassen und Typen von Elementen gibt es?
Elementklassen: Linien, Flächen, Volumen
Elementtypen: Stab, Balken, Scheiben, Platten, Schalen, Volumen
Für was stehen die einzelnen Terme in der Gleichung [K] {u} = {F}?
-[K] ist die Steifigkeits-Matrix
-{u} ist der Verschiebungsvektor
-{F} ist der Lastvektor
Was stellt die FEM aus rein mathematischer Sicht dar?
Ein numerisches Verfahren zur Lösung partiller DGL, welche in ein algebraisches Gleichungssystem überführt wird.
--->Spannungs-Dehnungsgleichung in Matrizenform
Welche Qualitätssicherungsmassnahmen sind zu treffen?
-Konvergenz Prüfen
-Mehrere Anwender die gleiche Problemstellung überprüffen lassen
-Verifizierung der Lösungen
-validierung
-Unterschrift
-Vieraugenprinzip
-Verschiedenen Programme benutzen
Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Ergebnisse?
-Ansatzfunktion
-Elementform
-Elementgrösse
-Netzfeinheit
-Idealisierung
-Numerische Fehler, diskretisierungs Fehler
-Kompetenzen des Anwenders
-Genauigkeit der Eingangsdaten
Was gibt es bei den Masseinheiten zu beachten?
Frei wählbahr bzw. von der Software umrechenbar. Darauf achten welche Einheiten eingestellt sind. Wenn Masseinheiten eingegeben werden, auf die richtige Syntax und die richtigen Einheiten achten. Einheitenkontrolle bei Arbeiten mit Parametern.
Welche Fehlerquellen können sich bei der Programm-Handhabung ergeben?
-schlechte Vernetzung
-schlechte Elementformulierungen
-zu ungenauer Gleichungslöser
-ungenaue Rückrechnung
-Falsche Mitteilung
-Keine Warnungen
-Falsche Darstellungen
Welche Fehler kann der Anwender bei der FEM-Analyse machen?
-Falsche Annahme des Verhalten des Werkstoffes
-Falsche Randbedingungen setzen
-Unkorrekte Beurteilung von nichtlinearen Stellen (Singularitäten)
-Fehlinterpretation
-Falsche Idealisierung / Modelierung
Welche Arten der Nichtlineartäten gib es und was wird darunter verstanden?
-Material-Nichtlinearität (Inhomogenes Material, Plastizität und Hyperelastizität)
-Geometrische-Nichtlinearität (Grosse Verformungen bei kleiner Spannung, instabilität))
-Randbedingungen: Kontakt mit Reibung
Verstanden: Verformung des Bauteils ist nicht proportional mit der aufgebrachten Kraft
Welche Aspekte gibt es bei einer CAD-FEM Kopplung zu beachten?
Die Gefahr ist es zu viel Informationen der Geometrie vom CAD ins FEM zu übernehmen, welche für die FE-Analyse nicht relevant sind.
-Komplexe Randbedingungen nicht möglich
-nichtlineare Analysen meist nicht möglich (CAD-System kann nur linear unter einfachen randbedingungen)
Welche Schnittstellenprotokolle finden hauptsächlich Verwendung?
-Direkt: Parasolid, UG, etc
-Indirekt: IGES, STEP, DXF (neutrales Format)
Was versteht man unter einem Schnittstellenprotokoll?
Ein Schnittstellenprotokoll (IGES, VDA, FS, Step) ist ein Dateientyp der erzeugt wird, wenn die Geometrie an vom CAD an das FE-Programm übergebenwerden soll. Im FE-Programm werden die Dateien wieder umgesetzt direkt (Parasolid, UG, etc.) oder indirekt (IGES, STEP, DXF, etc. = Neutrale Formate).
Welche Alternativen gibt es zur konventionellen CAE-Prozesskette?
Das integrierte CAD/CAE-System wie z.B NX. Ideal für Konstruktionsbegleitete Berechnungen unter einfacher Bedingungen (linear).
Wie sieht die konventionelle CAE-Prozesskette aus?
CAD stellt Datei zur verfügung ---> Schnittstelle ---> Pre-Prozessor des CAE interpretiert die CAD Datei und bereitet sie auf ---> FEM-Universalprogramm ---> Post Prozessor.
Was versteht man unter CAE?
CAE=Computer Aided Engeneering (rechnergestütztes Entwickeln)
CAE ist eine Kombination von CAD und FEM.
Welches sind die Aufgaben und Anforderungen an einen Anwender der 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
Welches sind die heutigen Anwendungs- und Einsatzgebiete der FEM-Analyse?
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
Welches Potenzial liegt in der Simulation?
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.
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
Welche Anforderungen stellen sich an die Qualitätsstandards einer FE-Analyse?
-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)
Wie ist die Aussagesicherheit bei FEM-Analysen un durch was wird deren Genauigkeit beinflusst?
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
Welche Bearbeitungsschritte fallen beim Lösen von FE-Problemen an?
1.Idealisierung
2.Modellbildung (Netz, Dehnungszustand, Spannungszustahnd)
3.Auswertung der Ergebnisse
4.Resultate verifizieren
Welches sind die Schritte vom realen Bauteil zum FE-Modell?
-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)
In welche Richtung geht der heutige Entwicklungstrend der FEM?
Die Entwicklung geht in Richtung Integration ins CAD-System bzw. in den Entwicklungsprozess und virtuelle Produkktentwicklung. (CAE)
