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Finite-Elemente-Analyse

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist die virtuelle Modellierung und Simulation von Produkten und Baugruppen auf strukturelle, akustische, elektromagnetische oder thermische 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) Produktleistungsprobleme zu finden und zu lösen. FEA ist die praktische Anwendung der FEM, die von Ingenieuren und Wissenschaftlern verwendet wird, um komplexe strukturelle, akustische, elektromagnetische, thermische, fluidische und multiphysikalische Probleme mathematisch zu modellieren und numerisch zu lösen. FEA-Software kann in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, wird aber am häufigsten in der Luftfahrt-, Automobil-, Elektronik-, Industriemaschinen-, Schifffahrts- und Konsumgüterindustrie eingesetzt.

Ein Finite-Elemente-Modell (FE) besteht aus einem System von Punkten, die als "Knoten" bezeichnet werden und die Form des Entwurfs bilden. Mit diesen Knoten sind die finiten Elemente verbunden, die das Finite-Elemente-Netz bilden und die Material- und Struktureigenschaften des Modells enthalten, die definieren, wie es auf bestimmte Bedingungen reagiert. Die Dichte des Finite-Elemente-Netzes kann im gesamten Material variieren, abhängig von der erwarteten Änderung des Spannungsniveaus eines bestimmten Bereichs. Regionen, in denen große Spannungsänderungen auftreten, erfordern in der Regel eine höhere Netzdichte als Regionen, in denen es nur geringe oder keine Spannungsschwankungen gibt. Zu den interessanten Punkten gehören Bruchstellen von zuvor getestetem Material, Verrundungen, Ecken, komplexe Details und Bereiche mit hoher Spannung.

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A finite element analysis for structural dynamics of a gearbox for an electric vehicle powertrain visuals from the Simcenter 3D software.

Entdecken Sie die Vorteile

FEA ist eine etablierte Methodik, die häufig verwendet wird, um experimentelle und analytische Methoden zu ersetzen oder zu ergänzen, um das technische Design und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen. Im Vergleich zu Prototyping und Experimenten bieten FEA-basierte Simulationen die folgenden Vorteile.

Steigern Sie die Leistung

Die Finite-Elemente-Analyse ermöglicht es Ihnen, die technischen Möglichkeiten zur Steigerung der Produktleistung schnell zu analysieren und zu erkunden.

Reduzierung des Zeitaufwands

Die Finite-Elemente-Analyse hilft Ihnen, optimierte Produktdesigns 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 physischen Prototypen-basierten Testprozessen erheblich senken.

Schritte im FEA-Simulationsprozess

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

3D-Modell eines Autorahmens mit visuellem Heatmapping aus der Simcenter 3D-Software.

Vorverarbeitung

In der Vorverarbeitungsphase wird die Geometrie bearbeitet und für die Simulation vorbereitet. Bei einem Prozess, der als Vernetzung bezeichnet wird, wandelt ein Vorverarbeitungswerkzeug die Konstruktionsgeometrie in kleine finite Elemente um, bevor Materialeigenschaften, Lasten, Randbedingungen und Simulationsparameter angewendet werden.

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

Lösung

Die FEM-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Lösung der diskretisierten Gleichungen mit dem Solver. Dieser Schritt kann viel Zeit oder Rechenressourcen in Anspruch nehmen. Für komplexe Simulationen setzen immer mehr Unternehmen auf Cloud Computing als kostengünstige Lösung für dieses Problem.

Lineare Analyse einer mechanischen Struktur, die mit der Simcenter 3D-Software visualisiert wurde.

Nachverarbeitung

Ist die Lösung abgeschlossen, geht es im nächsten Schritt darum, die Ergebnisse der Simulation qualitativ und quantitativ anhand von Berichten, Monitoren, Plots, 2D/3D-Bildern und Animationen zu analysieren und zu visualisieren. Die Verifizierung und Validierung der Ergebnisse ist ebenfalls in dieser Phase enthalten.

Arten der FEM-Analyse

1D-Analyse (Balkenmodelle)

Die 1D-Analyse bezieht sich auf die Anwendung von Modellen, die ausschließlich von 1-dimensionalen Elementen erstellt wurden, die aus nur zwei Knoten bestehen, wie z. B. Balkenelemente. Die 1D-Analyse eignet sich gut für die Analyse von Strukturen in der Frühphase, die in der Regel kompliziert zu modellieren sind, wie z. B. eine Karosserie oder eine Flugzeugzelle. Das 1D-Balkenmodell kann Ingenieuren helfen, die Körperdynamik schnell zu beurteilen, bevor die gesamte Geometrie für eine tiefergehende Analyse bereit ist.

2D-Analyse (Schalenmodelle)

Die Ingenieure vernetzen die Geometrie mit 2-dimensionalen Elementen, wie z. B. einem Vierer- oder Dreieckselement für dünnwandige Körper, wie z. B. Teile aus Blech. Die Elementeigenschaften definieren dann die Dicke des Schalenelements, die der Solver zum Berechnen von Spannungen, Dehnungen und anderen Ergebnissen verwendet. FEA-Präprozessoren verfügen über schnelle Vernetzungsalgorithmen, mit denen Ingenieure ein Schalennetz für Geometrie erstellen können.

3D-Analyse (Volumenmodelle)

Bei massiver, klobiger Geometrie, wie z. B. einem Motorblock, verwenden Ingenieure 3-dimensionale Volumenelemente, um die Geometrie darzustellen. Tetra-, Pyramiden- und Hex-Elemente werden im gesamten Festkörper erzeugt. FEA-Präprozessoren verfügen über die Werkzeuge, die Ingenieure zum Erstellen von Volumennetzmodellen benötigen.

Multiphysik FEA

Moderne FEA ist mehr als nur die Simulation einer einzelnen physikalischen Domäne. Heute ist die FEA viel multidisziplinärer geworden, da sie es Ingenieuren ermöglicht, verschiedene Physiken miteinander zu koppeln, wie z. B. Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI), thermisch-mechanische Simulation, Mehrkörperdynamik mit strukturellen FE-basierten flexiblen Körpern, elektromechanisch-thermische und mehr. Die 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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Häufig gestellte Fragen

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