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Finite-Elemente-Analyse

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist die virtuelle Modellierung und Simulation von Produkten und Baugruppen hinsichtlich struktureller, akustischer, elektromagnetischer oder thermischer Leistung. FEA ist die praktische Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM).

Was ist die Finite-Elemente-Analyse?

Die Finite-Elemente-Analyse ist die Modellierung von Produkten und Systemen in einer virtuellen Umgebung, um potenzielle (oder bestehende) Probleme mit der Produktleistung zu finden und zu lösen. FEA ist die praktische Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM), die von Konstrukteuren und Wissenschaftlern zur mathematischen Modellierung und nummerischen Lösung komplexer Struktur-, Fluid- und Multiphysik-Problemen herangezogen wird. Die FEA-Software kann in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen, wird aber am häufigsten in den Branchen Luftfahrt, Biochemie und Automobil verwendet.

Ein Finite-Elemente-Modell (FE) besteht aus einem System mit Punkten, den sogenannten „Knoten“, die die Form der Konstruktion bilden. Mit diesen Knoten verbunden sind die Finite-Elemente, welche ein Finite-Elemente-Netz bilden und die Material- und Struktureigenschaften des Modells enthalten. Hierüber wird definiert, wie es auf bestimmte Bedingungen reagiert. Die Dichte des Finite-Elemente-Netzes variiert innerhalb des Materials und hängt von der erwarteten Änderung des Belastungsniveaus eines bestimmten Bereichs ab. Bereiche mit hohen Belastungsveränderungen erfordern normalerweise eine höhere Netzdichte als jene, in denen es nur geringe oder gar keine Belastungsabweichungen gibt. Interessante Punkte sind Bruchstellen des zuvor getesteten Materials, Verrundungen, Ecken, komplexe Details und Bereiche mit hoher Belastung.

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Eine Finite-Elemente-Analyse zur Strukturdynamik eines Getriebes für einen Elektrofahrzeug-Antriebsstrang, Visualisierungen aus der Simcenter 3D Software.
Eine Visualisierung der Simcenter Nastran Software, einem führenden Finite-Elemente-Methode (FEM) Solver.

Nutzen Sie FEA, um Ihre Produktleistung zu verbessern

Erfahren Sie, wie andere die FEA nutzen, um mit Simcenter Innovationen zu entwickeln.

Vorteile erkunden

FEA ist eine etablierte Methodik, die häufig als Ersatz oder Ergänzung für experimentelle und analytische Methoden eingesetzt wird, um den Konstruktionsentwurf und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen. Im Vergleich zu Prototypenbau und Experimenten bieten FEA-basierte Simulationen die folgenden Vorteile.

Leistungssteigerung

Mit der Finite-Elemente-Analyse können Sie schnell die technischen Möglichkeiten für eine verbesserte Produktleistung analysieren und erkunden.

Reduzierung des Zeitaufwands

Die Finite-Elemente-Analyse hilft Ihnen, optimierte Produktkonstruktionen schneller auf den Markt zu bringen als eine Build-and-Test-Methode.

Kostensenkung

Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Analyse können Sie Ihre Produktentwicklungskosten im Vergleich zu herkömmlichen, auf physischen Prototypen basierenden Testverfahren erheblich senken.

Schritte im FEA-Simulationsprozess

Unabhängig von der verwendeten Software folgen die meisten FEA-Simulationen diesen allgemeinen Schritten.

3D-Modell eines Autorahmens mit Wärmebild-Visualisierung aus der Simcenter 3D-Software.

Vorverarbeitung

Die Preprocessing-Phase umfasst die Bearbeitung der Geometrie und deren Vorbereitung für die Simulation. In einem als Vernetzung bezeichneten Prozess wandelt ein Preprocessing-Tool die Konstruktionsgeometrie in kleine finite Elemente um, bevor Materialeigenschaften, Lasten, Zwangsbedingungen und Simulationsparameter angewendet werden.

Die CFD-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Berechnung der diskretisierten Gleichungen mit dem CFD-Solver.

Lösung

Die FEA-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Berechnung der diskretisierten Gleichungen mithilfe des Solvers. Dieser Schritt kann viel Zeit oder Rechenressourcen erfordern. Für komplexe Simulationen wenden sich immer mehr Unternehmen dem Cloud Computing als kostengünstige Lösung für dieses Problem zu.

Lineare Analyse einer mechanischen Struktur visualisiert in Simcenter 3D-Software.

Nachverarbeitung

Ist die Lösung abgeschlossen, besteht der nächste Schritt darin, die Ergebnisse der Simulation qualitativ und quantitativ mithilfe von Berichten, Monitoren, Plots, 2D/3D-Bildern und Animationen zu analysieren und zu visualisieren. In dieser Phase sind auch die Verifizierung und Validierung der Ergebnisse enthalten.

Arten der FEA-Analyse

1D-Analyse (Balkenmodelle)
1D-Analyse bezieht sich auf die Anwendung von Modellen, die ausschließlich durch 1-dimensionale Elemente erzeugt werden, die nur aus zwei Knoten bestehen, z. B. Balkenelemente. Die 1D-Analyse eignet sich gut für frühe Analysen von Strukturen, die in der Regel kompliziert zu modellieren sind, wie z. B. eine Autokarosserie oder eine Flugzeugzelle. Das 1D-Balkenmodell kann Ingenieuren dabei helfen, die Körperdynamik schnell zu beurteilen, bevor die gesamte Geometrie für eine tiefergehende Analyse bereit ist.

2D-Analyse (Schalenmodelle)
Konstrukteure vernetzen die Geometrie mit 2-dimensionalen Elementen, z. B. einem viereckigen oder einem dreieckigen Element für dünnwandige Körper, z. B. Teile aus Blech. Elementeigenschaften definieren dann die Stärke des Schalenelements, das der Solver zum Berechnen von Spannungen, Dehnungen und anderen Ergebnissen verwendet. FEA-Vorverarbeitungsprozessoren verfügen über schnelle Vernetzungsalgorithmen, die Ingenieure beim Erstellen eines Schalennetzes auf Geometrie unterstützen.

3D-Analyse (Volumenmodelle)
Für massive, kompakte Geometrien, wie beispielsweise einen Motorblock, verwenden Konstrukteure dreidimensionale Volumenelemente zur Darstellung der Geometrie. Im gesamten Volumenkörper werden Tetra-, Pyramiden- und Hex-Elemente erzeugt. FEA-Vorverarbeitungsprozessoren verfügen über die Tools, die Konstrukteure zum Erstellen von Volumennetzmodellen benötigen.

Multiphysik-FEA
Moderne FEA ist mehr als nur die Simulation eines einzelnen physikalischen Bereichs. Heute ist die FEA viel interdisziplinärer geworden, indem sie es Konstrukteuren ermöglicht, verschiedene physikalische Bereiche miteinander zu koppeln, wie zum Beispiel Fluid-Struktur-Interaktion (FSI), thermisch-mechanische Simulation, Mehrkörperdynamik mit FE-basierten flexiblen Körpern, elektromechanisch-thermische Kopplungen und mehr. Multiphysik-Simulation ist von grundlegender Bedeutung für immer komplexere Produkte, die ein ganzheitliches, domänenübergreifendes Engineering erfordern, um maximale Leistung zu erzielen.

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Visualisierungen der Simcenter 3D-Software, die ein Simulationsmodell einer Traktorkonstruktion darstellen.

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Häufig gestellte Fragen

Weitere Informationen

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