Finite-Elemente-Methode I FEM

Spezialisten für Simulation und Berechnung

FE-Simulation macht nicht nur den Entwicklungsprozess weitaus schneller und effizienter, auch die Produktqualität kann deutlich verbessert werden.

Wenn Sie keine eigene Simulationsabteilung haben oder besonders große und komplexe CAE-Projekte aus Kapazitätsgründen auslagern möchten, unterstützen wir Sie als auf Simulation spezialisiertes Ingenieurbüro über die gesamte Prozesskette hinweg oder durch die Übernahme von Einzelaufgaben. Außerdem beraten wir Sie gerne beim Erarbeiten und Etablieren eigener Simulationsprozesse.

Was ist das Prinzip der Finite-Elemente-Methode?

Das zu analysierende Bauteil wird in kleinere, beispielsweise tetraedrische Segmente zerlegt. Man spricht von „finiten Elementen“. Da das Verhalten dieser Teilelemente berechnet werden kann, kann mit Hilfe von numerischen Näherungsverfahren auch das Verhalten des gesamten Bauteils näherungsweise abgebildet werden. Noch bevor ein Prototyp gebaut wird, können anhand des so entstehenden virtuellen Modells beliebig viele Tests durchgeführt werden. Die Anzahl der benötigten physischen Prototypen wird so deutlich reduziert.

VERBESSERTE
PRODUKTQUALITÄT

Virtuelle Funktionsprüfung
Virtuelle Festigkeitsnachweise
Schnelle Beurteilung unterschiedlicher Varianten

GERINGERE
KOSTEN

Frühzeitige Erkennung von Schwachstellen
Weniger und gezieltere Versuche
Materialersparnis
 

BESSERE
KONKURRENZFÄHIGKEIT

Simulation als Innovationstreiber
Kürzere Entwicklungszeiten
Optimierte Produkte

Was macht uns zu Spezialisten auf dem Gebiet der FEM-Simulation?

Simulation ist unser Handwerk. Zum Zeitpunkt der Gründung unseres Ingenieurbüros im Jahr 1971 zählte das Haus Wölfel zu den Pionieren in der Simulation mit der Finite-Elemente-Methode in Deutschland. Durch die Vielfalt der Kunden und Branchen, für die wir seitdem Simulationsprojekte durchführen, finden wir zu allen Aufgabenstellungen schnell Zugang. Dabei sind besonders komplexe Simulationen unsere Spezialität, gerade auf diesen höchst anspruchsvollen Aufgaben liegt unser Fokus. Ob virtuelle Crashtests, Kontaktprobleme oder NVH-Analysen, mit unserer Erfahrung aus fast 50 Jahren und jährlich über 800 Projekten helfen wir Ihnen dabei, Produktentwicklungszeiten drastisch zu verkürzen, Kosten für Prototypen fast gänzlich einzusparen und neue Potenziale zu erkennen.

Wir setzen ausschließlich hochprofessionelle Software wie SIMULIA Abaqus, ANSYS oder Femap/Nastran sowie eine leistungsstarke IT-Struktur ein. So können wir genaue und zuverlässige Ergebnisse in kurzer Zeit garantieren. Durch die Vielseitigkeit unseres Hauses können wir auf Wunsch ergänzend zu den Simulationen auch Messungen zur Validierung der virtuellen Ergebnisse durchführen.

Optimierung und Bewertung von Bauteilen zur Erhöhung der Effizienz und Verlängerung der Lebensdauer

Bei der Entwicklung und Optimierung von Bauteilen ist das Ziel einerseits eine wirtschaftliche Konstruktion und Produktion, andererseits der möglichst effiziente Einsatz in der späteren Anwendung.

Im Rahmen der Strukturmechanik wird daher simuliert, wie sich Festkörper unter statischer, dynamischer und thermischer Belastung verhalten und verändern. So können potenzielle Schwachstellen schon während der Entwicklung mittels einer Festigkeits- und Spannungsanalyse erkannt und behoben werden. Außerdem kann die Geometrie im Hinblick auf eine effizientere Bauteilnutzung optimiert und die Lebensdauer für die auftretenden Last- und Betriebsszenarien vorhergesagt werden.

Der Simulationsprozess gliedert sich in der Regel in drei Schritte:

Unser Leistungsportfolio im Bereich Strukturmechanik:

  • Lineare Analysen zur Festigkeits- und Spannungsanalyse
  • Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit
  • Geometrisch nichtlineare Analysen (große Verformungen)
  • Materialnichtlinearitäten/ Plastizitäten und Bewertung Materialverhalten
  • Nichtlineares Kontaktverhalten
  • Lebensdauerbewertung auf Basis der berechneten Spannungen und der vorhandenen Lastkollektive

Optimierung und Bewertung von Bauteilen unter dynamischer Beanspruchung

Kräfte, die im Rahmen der Anwendung auf ein Bauteil einwirken, können sich negativ auf dessen Funktionalität, Produktivität und Lebensdauer auswirken. Daher wird in der Regel schon während der Konstruktion analysiert, wie sich ein Bauteil unter Belastung verhält.

Dynamische Beanspruchungen sind häufig besonders kritisch, da sie sich im zeitlichen Verlauf beispielsweise in Bezug auf ihre Wirkungsrichtung oder Intensität verändern. Zudem kann ein Betrieb in der Nähe der eigenen Resonanz zu einem erheblichen Anstieg der Belastungen führen. Auf Basis der Ergebnisse einer Schwingungsanalyse können sowohl Bauteil als auch Betriebsbereich in dieser Hinsicht optimiert werden.

Unser Leistungsportfolio im Bereich Dynamik & Schwingung:

Ziel der Modalanalyse ist es, kritische Betriebsbereiche zu identifizieren und das Bauteil durch Anpassung der Struktur (z.B. Versteifung, Erhöhung der Dämpfung) zu optimieren.

Methode: Berechnung und Analyse modaler Parameter (z.B. Eigenfrequenz, modale Masse und Dämpfung) zur Bewertung und Optimierung der dynamischen Eigenschaften

 

 

Ziel der Betriebsschwingungs- und Frequenzganganalyse ist es, die Betriebsparameter (z.B. Drehzahl, Hochlauf) zu optimieren, um die Belastung des Bauteils zu reduzieren. Außerdem kann durch die Schwingungsoptimierung eine bessere Produktqualität sowie eine längere Lebensdauer erreicht werden.

Methode: Berechnung und Analyse der Bauteil-Schwingungen unter typischen Lastszenarien

Typische Analysen: Steady-State, Transiente Analyse, Stoßanalyse, Stationäre/Harmonische Berechnung

Bauteiloptimierung – Der Weg zum bestmöglichen Produkt in kürzester Zeit

Leicht, sicher, komfortabel, effizient und langlebig sollen Produktinnovationen sein. Gleichzeitig werden die Vorlaufzeiten immer kürzer. Es steigen also nicht nur die Anforderungen an das Produkt selbst, sondern auch an den Entwicklungsprozess.

Durch den frühzeitigen Einsatz von Optimierungstechniken wird einerseits das Produkt effizienter, gleichzeitig kann durch eine geringere Anzahl an aufwendigen Prototypentests aber auch die Entwicklungszeit erheblich verkürzt werden. Prinzipiell wird dabei zwischen Parameter- und Topologieoptimierung unterschieden.

Basis für eine erfolgreiche Optimierung ist die Definition und Priorisierung von möglichst genauen Zielen, beispielsweise hinsichtlich Gewicht, Materialkosten und Sicherheit. Durch den Einsatz von leistungsfähigen FE-Solvern können anschließend verschiedene Konstruktionsvarianten virtuell erstellt, getestet, verglichen und weiterentwickelt werden, bis das Produkt die zu Beginn definierten Anforderungen erfüllt.

Die Vorteile von Optimierungstechniken auf einen Blick:

  • Verbesserte Gesamtleistung des Produkts
  • Kürzere Entwicklungszeit
  • Frühzeitiges Erkennen von Problemstellen
  • Kosteneinsparung durch geringe Anzahl an physischen Prototypen
  • Langlebigere und leichtere Komponenten und Produkte
  • Entdecken von neuen Konstruktionsmöglichkeiten

Virtuelle Crashtests sparen Kosten und Zeit

Ein Auto prallt gegen ein Hindernis. Auch wenn einem ein solches Bild beim Stichwort Crash als erstes in den Sinn kommt, sind hochdynamische Vorgänge heute nicht mehr nur in der Automobilindustrie, sondern beispielsweise auch im Bauwesen oder im Maschinenbau von großer Bedeutung. Der Crash ist ein Sonderfall der dynamischen Belastung: Für einen in der Regel sehr kurzen Zeitraum wirkt eine extrem hohe Kraft auf ein Bauteil oder eine Bauteilgruppe. Daher spricht man auch von Kurzzeitdynamik.

In diesem Bereich herrscht oft ein Konflikt zwischen Sicherheit und Kosteneinsparung – das Endprodukt muss auch Extrembelastungen, beispielsweise einem starken Aufprall, standhalten und soll trotzdem möglichst leicht sein und möglichst geringe Materialkosten verursachen.

Versuche mit physischen Prototypen sind in der Kurzzeitdynamik in der Regel besonders teuer und können viel Zeit in Anspruch nehmen. Mit Hilfe von FE-Simulation kann das dynamische Verhalten der beteiligten Bauteile in einer Vielzahl von virtuellen Tests kostengünstig, schnell und sehr genau analysiert werden kann. Auf Basis der Ergebnisse können die Komponenten hinsichtlich ihrer Geometrie und des Materials optimiert werden. Weitere typische Aufgabenstellungen sind die Kontaktanalyse sowie die Optimierung der Betriebsparameter.

In diesem Bereich setzen wir mit SIMULIA Abaqus eine für die Berechnung von solchen in kürzester Zeit stattfindenden Vorgängen ideale Software ein.

Noise, Vibration, Harshness (NVH) – Unerwünschte Schwingungen und Lärm effektiv mindern

Maschinen verursachen Schwingungen und Lärm – in der Regel unerwünscht, aber oftmals unvermeidlich. Diese Emissionen werden häufig unter der Bezeichnung NVH – Noise, Vibration Harshness – zusammengefasst und können nicht nur im Hinblick auf die gesetzlichen Schutzvorschriften für Arbeitnehmer, sondern auch in Bezug auf Produktqualität und Lebensdauer der Maschine zum Problem werden. Durch das stetige Streben nach mehr Effizienz und die damit einhergehende höhere Auslastung wird die Thematik NVH immer relevanter.

Mit Hilfe von numerischer Simulation kann anhand des Körperschalls, also anhand der Strukturschwingungen, das vibroakustische Verhalten präzise analysiert und verbessert werden. Im Vergleich zu Tests mit physischen Prototypen können so nicht nur Zeit und Kosten eingespart, sondern auch genauere Ergebnisse erzielt und mehr Varianten getestet werden. Auf Basis der Ergebnisse können im Anschluss effektive Schwingungs- und Schallminimierungsmaßnahmen entwickelt werden.

Der Einsatz von (vibro-)akustischer Berechnung ermöglicht

  • die Identifikation der schallabstrahlenden Bauteile,
  • die Bewertung von Modellvarianten zur Designoptimierung,
  • die Prüfung und Auslegung von Minderungsmaßnahmen sowie
  • die Optimierung des Betriebsverhaltens.

Grundsätzlich ist die Thematik NVH in nahezu allen Branchen relevant. Typische Einsatzfelder für Simulationen in diesem Bereich sind Antriebstechnik und Maschinenbau. Als anschauliches Beispiel sind in der Windenergie insbesondere Tonalitäten, also einzelne Frequenzen, die innerhalb eines Geräuschs als Töne zu hören sind, problematisch. Diese werden mit einem Zuschlag auf den Gesamt-Schallleistungspegel bestraft und führen somit häufig zu Ertragseinbußen.

Unser Leistungsportfolio im Bereich Akustik am Beispiel einer Windenergieanlage:

  • Elastische Modellierung der beteiligten Bauteile
  • Simulation des Körperschalls und des Abstrahlverhaltens
  • Anschließende Simulation des Luftschalls durch Modellierung und Berechnung der Luftelemente
  • Extrapolation auf Referenzpunkt und Bewertung der Einflüsse auf den Gesamtschallpegel

Magnetfeld- & Wärmefeldübertragung

FE-Simulation ist flexibel einsetzbar und kann Produkte und Bauteile in den verschiedensten Branchen verbessern. Zu unserem Leistungsportfolio zählen weiterhin folgende Aufgabenstellungen:

  • Auslegung und Optimierung elektrodynamischer Aktoren und Maschinen
    • Berechnung elektromagnetischer Kenngrößen und Ermittlung elektrodynamischer oder elektromagnetischer Kräfte
  • Gekoppelte Simulation mit Temperatur und Strukturmechanik möglich
  • Variationsrechnungen für Parameterstudien und Optimierungen

Auf Basis der Ergebnisse der FEM-Simulation können Konstrukteure unter Berücksichtigung der Randbedingungen und Leistungsvorgaben die optimale Aktor-Performance realisieren. Die elektromagnetische Berechnung kann außerdem Input und Ausgangspunkt für eine anschließende Strukturanalyse und Bauteilberechnung sein.

 

Mit FEM-Simulation kann für thermisch beanspruchte Bauteile sehr effizient der Einfluss von Temperatur simuliert und bewertet werden. Die dadurch entstehenden Bauteilbelastungen können durch eine nachgelagerte Strukturberechnung analysiert werden.

Im Rahmen von Wärmefeldberechnungen wird zudem die Wärmeübertragung und Wärmeleitung effizient berechnet und die Eignung für einen bestimmten Einsatzzweck ermittelt und optimiert.

  • Lineare und nichtlineare Analysen mit Temperatur-, Konvektions- und Strahlungsrandbedingungen
  • Stationäre und transiente Simulationen
  • Übernahme der berechneten Temperaturfelder zur Ermittlung der Wärmedehnungen und Wärmespannungen

Kontaktieren Sie mich gerne persönlich

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Ich unterstütze Sie gerne bei numerischen und Mehrkörpersimulationen und berate Sie beim Erarbeiten, Optimieren und Automatisieren Ihrer Simulationsprozesse.

Dr.-Ing. Manuel Eckstein – Wölfel-Gruppe

Dr.-Ing. Manuel Eckstein
CAE Dienstleistung

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