Strukturmechanik

Funktion

Funktion

Eine strukturmechanische Analyse mit der Finite Elemente Methode (FEM) dient im Allgemeinen der Ermittlung von Spannungen, Dehnungen und Verformungen. Sie wird auch oft für thermische Analysen eingesetzt, je nach Anwendungsfall geben wir hier einer CFD Analyse aber meist den Vorzug, da sie die Fluideigenschaften besser erfasst.

Wie MKS und CFD benötigt auch die FEM 3D CAD Geometrie als Input. Die Art der Untersuchung bestimmt, mit wie vielen Details und vor allem an welcher Stelle. Für globale Verformungen werden weniger Details benötigt, für den Festigkeitsnachweis werden sehr genaue Details vor allem an den kritischen Stellen benötigt. Nach der Vernetzung (die Zerlegung der Geometrie in die "Finiten Elemente") erfolgt die Aufbringung der Lasten und Randbedingungen, wodurch es möglich ist, die Spannungen zu berechnen.

Während die ersten kommerziellen Solver ihren Ursprung in der Raumfahrt-Industrie haben, ist die Verwendung von FEM-Tools heute in vielen Branchen etabliert. Der Einsatz reicht dabei von so unterschiedlichen Anwendungen wie dem Leichtbau von Fahrzeugen, der Bruchmechanik von Elektronikbauteilen bis zum Festigkeitsnachweis von Anlagenteilen. FEM gibt nicht nur Sicherheit, sondern hilft vor allem auch, bessere Produkte schneller und günstiger zu entwickeln.

Unsere Simulations-Möglichkeiten

Statische und dynamische Analysen

Bei statischen Systemen sind äußere Kräfte und Auflagerreaktionen im Gleichgewicht, es findet keine Bewegung statt, nur Verformungen der Köper. Bei dynamischen Analysen ist dies nicht der Fall, es findet eine Bewegung statt und die Massen- und Trägheitskräfte müssen berücksichtigt werden. Im Vergleich zur Systemsimulation werden dabei aufgrund des Rechenaufwands allerdings nur rel. kurze Zeiträume betrachtet. Wir führen beides durch, beschränken uns dabei aber auf implizite Analysen. Für explizite Analysen und spezielle Festigkeitsnachweise verfügen wir durch unsere langjährigen Kontakte über ein starkes Partnernetzwerk.

Lineares und nichtlineares Verhalten

Allgemein formuliert: bei nichtlinearen Systemen verhält sich eine Ausgangsgröße nicht proportional zur Eingangsgröße. In der FEM sind die wesentlichen Ursachen dafür Geometrie, Material und Kontakte, die wir in unseren Analysen natürlich alle für Sie berücksichtigen können.

Temperaturfeld

Ist mit FEM möglich, in den meisten Fällen ist allerdings eine CFD Analyse wesentlich genauer, da sie auch die Fluidströmung und die damit verbundene Konvektion berechnet und nicht, wie in der FEM üblich, ein Konvektionskoeffizient angenommen wird. Die errechneten Temperaturen können danach zur Ermittlung der mechanischen Spannungen auf die Struktur übertragen werden. Eine andere, sehr mächtige Berechnungsmöglichkeit, ist die starke Kopplung zwischen Temperatur- und Strukturfeld.

Schwingungsanalysen

Wir haben uns insbesondere auf das Schwingungsverhalten von mechatronischen Produkten spezialisiert, das oft auch auf der Interaktion zwischen Struktur und Regelung basiert.

  • Modalanalyse zur Untersuchung der Eigenfrequenzen und Eigenformen
  • Harmonische Anregung und Power Spectral Density (PSD)
  • Ermittlung erforderlicher Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften, Verformungen und Spannungen

Co-Simulation mit Systemsimulation

Eine Co-Simulation mit der Systemsimulation ist prinzipiell möglich, aber nicht sehr praktikabel und wird deshalb in den seltensten Fällen gemacht. In der Praxis ist es wesentlich besser, das Verhalten eines Bauteils in einer FEM-Berechnung zu simulieren und dieses vereinfachte Verhaltensmodell dann in die Systemsimulation einzubinden. Eine andere Möglichkeit ist, eine MKS-Simulation durchzuführen und nur die unbedingt erforderlichen Körper reduziert flexibel zu berücksichtigen.

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