FEM-Anwendungen in der maritimen Branche

Transkript

1 Familie STRAK, FEM-Anwendungen in der maritimen Branche Ronald Horn - FEM GmbH

2 Vita Dr. Ronald Horn seit 10/08 S.M.I.L.E.-FEM GmbH, Heikendorf Geschäftsführer 04/08-09/08 Lindenau GmbH, Schiffswerft & Maschinenfabrik, Kiel Technischer Assistent der Geschäftsführung 12/02-03/08 Lindenau GmbH, Schiffswerft & Maschinenfabrik, Kiel Leiter der Konstruktion 01/00-11/02 Germanischer Lloyd AG, Hamburg Stabsstellenleiter BMBF-Projektförderung 01/90-12/99 Germanischer Lloyd AG, Hamburg Projektleiter 08/87-12/89 Universität Hamburg, Institut für Schiffbau Wissenschaftlicher Mitarbeiter

3 S.M.I.L.E.-FEM GmbH seit 10/08 S.M.I.L.E.-FEM GmbH, Heikendorf, Deutschland Geschäftsführer Ingenieurbüro für lineare und nichtlineare Berechnungen, statische und dynamische Berechnungen Finite-Elemente-Berechnungen (ANSYS), explizite Dynamik (LS-DYNA), Computational Fluid Dynamics (CFX) Festigkeit-Betriebsfestigkeit Thermodynamik-Schwingungen- Kopplung-Optimierung-Design Optimization

4 Home Edgar von Wiegen Tel.-Nr Dr. Ronald Horn Tel.-Nr S.M.I.L.E.-FEM GmbH Winkel 2 D Kiel / Heikendorf Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) dr.ronald.horn@smile-fem.de Internet:

5 Fields of activity S M I L E Schiffbau Maschinenbau Industrieanlagenbau für Logistik/Dokumentation für EDV-Systeme

6 Fields of activity S M I L E Structural and thermal simulation Multiphysics solution Interaction of fluid and structure Life cycle and fatigue analysis Explicit dynamics analysis

7 Today Was bedeutet FEM? Festigkeit + CAD-Import Schwingungen CFD, FSI Multiphysics Explizite Dynamik

8 Was bedeutet FEM? Die Finite-Element-Methode ist ein numerisches Verfahren zur Lösung von physikalischen Feldproblemen. In der Strukturmechanik etwa berechnet man ein Verschiebungsfeld. Daraus kann dann auf das Dehnungsfeld und das Spannungsfeld geschlossen werden. An ausgewählten Punkten wird die reale Struktur repräsentativ abgebildet (Knoten). Diskretisierung bedeutet Idealisierung. Es entsteht ein Modell. Nicht alle Details können (und müssen) abgebildet werden. Die Knoten sind durch Elemente miteinander verbunden. Diese repräsentieren die Steifigkeit der Struktur. Randbedingungen (Fixierungen und Belastungen) können nur an den Knoten in Richtung der vorhandenen Freiheitsgrade aufgebracht werden. Die äußere Belastung ist genauso groß wie die Reaktion in der Struktur. Die Reaktion der Struktur ergibt aus Steifigkeiten mal Freiheitsgrad. Gleichgewichtsbedingung Materialgesetz - Kinematische Beziehung

9 Was bedeutet FEM? Die Grundgleichungen ein einem einfachen Zugstab: E,A L Aus den drei Grundgleichungen ergibt sich für den Zugstab: F L E A u = oder u = E A L u F F Gleichgewicht: σ = F A Kinematik (Dehnung ε ist konstant): du ε( x ) = = dx Materialgesetz: σ = E ε u L

10 Das hier angegebene Materialgesetz ist das Hookesche Gesetz in 3D. Damit wird lineare, homogene und isotrope Elastizität beschrieben. + = zx yz xy zz yy xx zx yz xy zz yy xx v v v v v v v v v v v E γ γ γ ε ε ε τ τ τ σ σ σ 2 ) 2 (1 sym 0 2 ) 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) (1 ) 2 (1 ) (1 σ ε = E Was bedeutet FEM?

11 Was bedeutet FEM? Die Gleichgewichtsbedingung wird an einem differentiellen Element formuliert. Daraus erhält man ein Differentialgleichungssystem. Das System ist i.d.r. nicht mehr exakt analytisch lösbar. Für die näherungsweise (numerische) Lösung einer Differentialgleichung gibt es verschiedene Verfahren (Residuen Methoden). Wenn ein Körper sich im Gleichgewicht befindet, ist der Zustand der Belastungen (äußere Kraft) gleich dem Spannungszustand im Inneren (innere Kraft). δw a = V δ u T p dv + O δ u T q do q δw i = δ ε σ dv V T p

12 Was bedeutet FEM? V N T (x) D T E D N(x) dv u = V N T (x) p dv + O N T (x) q do Steifigkeitsmatrix K Lastvektor K u = pˆ

13 Was bedeutet FEM? Zur Berechnung der Steifigkeitsmatrix und des Lastvektors sind Integrale zu lösen n m l f ( x, y, z) dxdydz = HiH jh k f ( xi, y j, zk ) i= 1 j= 1 k = Integrationspunkt x H 1 = f( x) dx = 2 f(0) 2 Integrationspunkte x H = H 2 = 1 f( x)dx = 1 f(- 1 ) f( ) 3

14 Was bedeutet FEM? Integrationspunkte Die Gleichgewichtsbeziehung V N T (x) D T E D N(x) dv u = V N T (x) p dv + O N T (x) q do wird also letztlich an den Integrationspunkten ausgewertet Kapitel 1

15 Was bedeutet FEM? K u = pˆ u(x) = N(x) u ε = D u σ = E ε

16 Structural

17 Structural / CAD-Import

18 Structural Structural analysis of static and transient, linear and nonlinear displacements, stress distributions (and temperature distributions) including nonlinear material laws, nonlinear contact, (conduction, radiation and convection).

19 Structural

20 Structural

21 Structural

22 Structural / modal modal analysis harmonic response analysis spectrum analysis

23 Structural / thermal

24 Structural / thermal

25 Computational Fluid Dynamics

26 Multiphysics Multiphysics (structural coupled-field studies) combining structural thermal CFD acoustic and electromagnetic simulations

27 Interaction of fluid and structure ANSYS and CFX used to solve FSI. FSI simulations may be one-way (independent CFD and FEA solutions) or two-way coupled (shared geometry model including load tranfer).

28

29 Explicit dynamics analysis LS-DYNA used for explicit dynamics analyses. Typical applications: high deformations, large strains, fracture or complete material failure.

30 Advanced FEM: Schock

31 The end Thank you very much for your attention