CAE. Inhalt der Vorlesung CAE. Kap. 2.1 Das Prinzip der FEM

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1 1 Einleitung und Übersicht 1.1 Begrüßung 1.2 Aktuelle Marktstudie PLM-, CAD-, -Systeme 1.3 Übersicht (Computerunterstützte Produktentwicklung) 1 2 Die Finite Elemente Methode Linear elastisches Materialverhalten 2.3 Nichtlinearitäten 3 Die Finite Elemente Analyse 3.1 Die prinzipielle Vorgehensweise 3.2 FE-Modellbildung (Preprocessing) 3.3 FE-Gleichungslösung (Solver) 3.4 FE-Ergebnisauswertung und interpretation (Postprocessing) Inhalt der Vorlesung HS-Bochum, CAD/ Institut, 1/ 13 Historie der Entwicklung Fazit: Die Finite Elemente Methode ist ein sehr junges Verfahren. HS-Bochum, CAD/ Institut, 2/ 13

2 Historie der Soft- und Hardware Fazit: Software ist eine schnell verderbliche Ware HS-Bochum, CAD/ Institut, 3/ 13,, Gängige FE-Solver-Software Fazit: Der Weltmarkt für FE-Software ist überschaubar. HS-Bochum, CAD/ Institut, 4/ 13

3 ,, Erfolgsfaktoren - Die Finite Elemente Methode (FEM) ist in den Ingenieurwissenschaften ein sehr weit verbreitetes numerisches Berechnungsverfahren. - Sie hat sich in der Vergangenheit und auch heute noch sehr schnell und erfolgreich verbreitet. Erfolgsfaktoren sind: Das Verfahren ist für viele Anwendungen geeignet (Mechanik, Thermoelastik, Akustik, Strömungssimulation, Elektrotechnik, Wetterkunde, Geologie,...) Rasante Entwicklung der Hardware Rasante Entwicklung der Software - basiert auf der Vereinfachung und Zerlegung komplexer realer Aufgabenstellungen soweit, bis bekannte Ansätze und Gleichungen eingesetzt werden können, wie z.b. die mechanischen Grundgleichungen eines Stabes, Balkens, Platte,... HS-Bochum, CAD/ Institut, 5/ 13 Berechnungsziele Fazit: Die FEM ist ein sehr weit verbreitetes Berechnungsverfahren. HS-Bochum, CAD/ Institut, 6/ 13

4 Standards zur Beschreibung von Produktdaten: IGES: Initial Graphics Exchange Specification VDA-FS: Verband der Automobilindustrie- Flächenschnittstelle. STEP: Standard for the Exchange of Product model data Prinzipielle Vorgehensweise Fazit: Basis für eine FE-Analyse sind normalerweise CAD-Daten. HS-Bochum, CAD/ Institut, 7/ 13,, Prinzipielle Vorgehensweise 1. Preprocessing 2. Solving 3. Postprocessing Fazit: Jede FE-Analyse läuft in drei Schritten. HS-Bochum, CAD/ Institut, 8/ 13

5 ,, Lösung von Gleichungen der Elastizitätstheorie Fazit: Jede FEM liefert nur eine diskrete (punktweise) Näherungslösung (kein exaktes Ergebnis). HS-Bochum, CAD/ Institut, 9/ 13 BEM Verfahrensvergleich FEM, FDM, BEM Fazit: Für spezielle Anforderungen gibt es Alternativen zur FEM. HS-Bochum, CAD/ Institut, 10/ 13

6 ,, Voraussetzungen zum Einsatz Um gute FE-Ergebnisse zu erhalten und diese sicher beurteilen zu können, sind folgende Voraussetzungen notwendig: - Leistungsfähige und benutzerfreundliche Hard- und Software für einen optimalen Arbeitsplatz. - Gute Kenntnisse -Grundregeln zur fehlerarmen FE-Modellierung. - Ausreichende Erfahrung des Anwenders durch regelmäßige FE-Aufgabenstellungen (z.b. firmenintern) durch Weiterbildung und Fachaustausch (z.b. firmenextern) zur sicheren Durchführung von FE-Analysen - Solides Ingenieurwissen der Werkstoffkunde Technischen Mechanik zur richtigen Interpretation der FE-Ergebnisse. Fazit: Der Einsatz ist deutlich anspruchsvoller, als der von z.b. CAD. HS-Bochum, CAD/ Institut, 11/ 13,, Vorteile beim Einsatz - Die FEM kann die Entwicklungszeiten und kosten senken, denn je früher eine Schwachstelle erkannt wird, desto schneller und preiswerter kann sie behoben werden.... die Anzahl der Prototypen, Labortests und Versuchsreihen kann reduziert werden (aber nicht entfallen). - Die FEM kann eine Qualitätssteigerung und Produktoptimierung erreichen, denn konstruktive Varianten des Rechenmodells sind einfach, schnell und preiswert zu simulieren.... das eingesetzte Material kann besser ausgenutzt werden, wodurch bessere Bauteileigenschaften möglich sind. - Erst durch die FEM ist ein Nachweis der Sicherheit überhaupt möglich, z.b. bei messtechnisch nicht zugänglichen Bauteilen (z.b. rotierende Wellen, Bauteilinneres,...) bei Belastungen, die im Labor nicht nachgestellt werden können (z.b. Spiegelteleskop unter Erdbebenlast,...) zur vollständige Erfassung aller theoretischen Größen (z.b. alle sechs Spannungskomponenten eines dreischsigen Spannungszustands,...) weil Prototypen technisch oder finanziell unmöglich sind (z.b. Staudamm, Satellitenstart,...) -... Fazit: Die Vorteile für eine moderne Produktentwicklung sind beeindruckend. HS-Bochum, CAD/ Institut, 12/ 13

7 Beim Einsatz müssen... Folge: Keine Berücksichtigung von... physikalische Eigenschaften idealisiert werden Lunkern und thermischer Randzonenbeeinflussung bei Schweißnähten durch Schweißen oder Wärmebehandlung veränderte Materialeigenschaften Materialtextur von gewalzten Blechen oder von Schmiedeteilen ungleiche Materialdichten bei z.b. Schleuderguss Oberflächengüten idealisiert werden Bearbeitungsspuren, wie z.b. Drehriefen, Frässpuren,... Oberflächenrauheiten Lacke, Anstriche Randbedingungen idealisiert werden Geometrien vereinfacht und diskretisiert (in endlich kleine Elemente zerlegt) werden numerische Instabilitäten und Rechen-/ Rundungsfehler akzeptiert werden. relativ hohe Kosten bei professioneller Anwendung getragen werden.... realen und komplexen Lagerbedingungen und Belastungen. Beschreibung mit nur 6 Freiheitsgraden notwendig. Fertigungstoleranzen (alle Maße immer fix) kleinen Radien und Fasen (sonst Erhöhung des Berechnungsaufwands) exakten Konturlinien, sondern nur stückweise. Fazit: Ein professioneller Einsatz erfordert Wissen und Erfahrung. Nachteile, Vereinfachung, Annahmen, Probleme HS-Bochum, CAD/ Institut, 13/ 13