Finite-Elemente-Methode I FEM-Software

Berechnung und Simulation mit SIMULIA-Software rund um SIMULIA Abaqus Unified FEA

Mit Hilfe von FEM-Software können Sie als Anwender insbesondere das reale Verhalten von Komponenten mit geometrisch komplexen Formen unter verschiedensten Bedingungen simulieren und Ihren Entwicklungsprozess so weitaus schneller und effizienter gestalten.

 

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.

In der Automobilindustrie sind Entwicklungsteams beispielsweise in der Lage, mithilfe einer gewöhnlichen Modelldatenstruktur und integrierter Solver-Technologie komplette Fahrzeugbeladungen, die Schwingungsdynamik, Mehrkörpersysteme, einen Aufprall/Crash, die nichtlineare Statik, die Wärmekopplung sowie die Kopplung von Akustik und Strukturverhalten zu untersuchen.

 

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

Zum Zeitpunkt der Gründung unseres Unternehmens im Jahr 1971 zählte das Haus Wölfel zu den Pionieren in der Finite-Elemente-Methode in Deutschland. Heute gehören wir mit jährlich über 800 Projekten in unseren Fachgebieten Strukturmechanik, Dynamik und Akustik zu den führenden Ingenieurunternehmen in Europa.

Als zertifizierter Vertriebs-, Support- und Servicepartner von Dassault Systèmes arbeiten wir außerdem mit einem der führenden Entwickler auf diesem Gebiet zusammen. Unser Portfolio reicht von der FEM-Berechnung mit SIMULIA Abaqus über Topologie-Optimierung mit SIMULIA Tosca und parametrische Optimierung mit SIMULIA Isight bis hin zur Lebensdauerberechnung mit SIMULIA fe-safe. Mit diesen optimal aufeinander abgestimmten Simulationstools können Anwender branchenunabhängig sowohl Routineaufgaben als auch komplexe Entwicklungsprojekte realisieren.

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


Kontaktieren Sie uns gerne persönlich

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Wir beraten Sie gerne beim Erarbeiten, Optimieren und Automatisieren Ihrer Simulationsprozesse sowie bei Fragen rund um Ihre Lizenzen und die Arbeit mit SIMULIA-Software.

Dipl.-Ing. Wolfgang Rupp
CAE Software

+49 931 49708183
rupp@woelfel.de
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Michael Nguyen
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Finite-Elemente-Analyse mit SIMULIA Abaqus Unified FEA

Verbesserte Produktqualität, geringere Entwicklungskosten, bessere Konkurrenzfähigkeit

Um im Entwicklungsprozess einzelne Konstruktionsvarianten virtuell abzubilden, werden oftmals mehrere Simulationstools verschiedener Anbieter verwendet. Das Arbeiten mit heterogenen Simulationsumgebungen ist allerdings insbesondere in Bezug auf die Datenübergabe häufig fehleranfällig, arbeitsintensiv und damit letztendlich teuer. SIMULIA stellt unter der Benutzeroberfläche von Abaqus/CAE eine skalierbare Palette aufeinander abgestimmter Analysetools bereit. Simulationsdaten können damit nahtlos ausgetauscht werden, Prozesse werden optimiert und konsolidiert.

Durch die extrem leistungsfähigen und zuverlässigen Solver Abaqus/Standard und Abaqus/Explicit eignet sich die Software-Suite insbesondere dazu, komplexe Prozesse zu simulieren. Dazu zählen:

  • Hochgradig nichtlineares Materialverhalten
  • Veränderliche Geometrie mit extrem großen Verformungen
  • Kontakt und Selbstkontakt
  • Multiphysikalische Phänomene (z.B. Fluid-Struktur-Wechselwirkungen)
  • Transiente Dynamikereignisse (z.B. Falltests/Crash)

Dem Anwender stehen umfangreiche Materialmodell- und Elementbibliotheken zur Verfügung. Bei Bedarf können zusätzlich eigene Elemente und Materialmodelle programmiert und implementiert werden.

Neben der Berechnung von statischen, dynamisch impliziten oder expliziten Vorgängen sowie Frequenzberechnungen bietet SIMULIA innerhalb einer Lizenz die Möglichkeit zur Topologieoptimierung (Tosca), parametrischen Optimierung (Isight) und Lebensdauerberechnung (fe-safe). Die Verwaltung erfolgt über ein verständliches Token-Modell, das höchste Flexibilität in der Lizenzausstattung ermöglicht.

Die Vorteile von SIMULIA Abaqus auf einen Blick:

Verbesserte Produktqualität

 

Geringere Kosten durch virtuelle Tests

Beschleunigte Entwicklungszyklen und höhere Effizienz

High-End Software für High-End Komponenten

Eine Lizenz, viele Funktionen (Statik, Dynamik, Frequenz, Optimierung, Lebensdauer,…)

Die Funktionen von SIMULIA Abaqus im Überblick:

Abaqus/CAE

  • Das Graphical User Interface (GUI) vereinigt die Modellerstellung (Pre-Processing), das Verfolgen der Lösung (Monitoring von Abaqus/Standard oder Abaqus/Explicit) und die Ergebnisbetrachtung (Post-Processing) nahtlos in einer Oberfläche
  • Verwaltung von Materialkarten in einer Bibliothek
  • Durch Python-basierte Skripte/Schnittstellen sehr gut programmierbar und automatisierbar
  • Schnittstellen zu verschiedenen CAD-Programmen (Catia, SolidWorks, NX, ProEngineer)
  • Vielzahl an Plug-Ins
  • Unterstützung bei der Modellierung (beispielsweise zur Identifikation von Kontaktpaaren, zur Wiederverwendung vorhandener Bauteile oder zur Definition von Faser-Verbund-Aufbauten)

Abaqus/Standard

  • Effizienter, robuster, impliziter Gleichungslöser
  • Automatische Inkrementierung möglich
  • Effiziente Behandlung von Nichtlinearitäten und Kontakten
  • Umfangreiche Kontaktdefinitionen (genereller Kontakt, Kontakt-Paare, automatisiertes Auflösen von Kontaktüberdeckungen wie beispielsweise bei Übermaßpassungen)
  • Einsatz beispielsweise für statische Analysen, langsame dynamische Analysen und Transportanalysen im stationären Zustand
  • Analyse kann mit Abaqus/Explicit fortgesetzt werden
  • Hocheffiziente Berechnung einschließlich der Unterstützung von CPUs und GPUs für die Berechnung

Abaqus/Explicit

  • Effizienter, expliziter Gleichungslöser, beispielsweise für hochgradig nichtlineare kurzzeit-dynamische Analysen (Crash, Drop-Tests) oder hochgradig nichtlineare quasi-statische Analysen (Umformprozesse, komplexe Kontaktzustände)
  • Gute Skalierbarkeit auf CPUs
  • Kontakt-Features wie genereller Kontakt und automatisiertes Auflösen von Kontaktüberdeckungen wie beispielsweise bei Übermaßpassungen (Interference Fit – ab Version 2019HF1)

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Topologieoptimierung mit SIMULIA Tosca

Effizientes Strukturdesign in verkürzter Entwicklungszeit

Leicht, sicher, komfortabel, effizient und langlebig sollen Produktinnovationen sein. SIMULIA Tosca Structure hilft Konstrukteuren dabei, einzelne Strukturen oder ganze Baugruppen zu entwerfen, die diese und weitere Anforderungen erfüllen und dabei den zur Verfügung stehenden Konstruktionsraum optimal nutzen. 

Durch Topologie-, Dicken-, Form- und Sickenoptimierung können Materialeinsatz und Gewicht minimiert und die Gesamtleistung des Produkts maximiert werden. Da die verschiedenen Konstruktionsvarianten virtuell erstellt, getestet und verglichen werden, verkürzt sich die Entwicklungszeit und das neue Produkt kann schneller auf dem Markt eingeführt werden. 

Tosca Structure arbeitet auf Basis von FEA-Simulationen. Durch die nahtlose Integration der Konstruktionsdaten ist eine zeitaufwendige Parametrierung nicht notwendig. Das Tool eignet sich auch für besonders anspruchsvolle Aufgaben mit Kontakt, ausgeprägten Materialnichtlinearitäten und großen Verformungen. 

Die Vorteile von SIMULIA Tosca auf einen Blick:

Verbesserte Gesamtleistung Ihres Produkts

Entwickeln von langlebigeren und leichteren Komponenten und Produkten

Optimierung hinsichtlich Fertigungs-
randbedingungen

Entdecken von neuen Konstruktions-
möglichkeiten

Reduzierte Anzahl an Produktentwicklungs-
zyklen


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Automation von Entwicklungsprozessen mit SIMULIA Isight

Parametrische Optimierung, DOE und Robust Design

In der komplexen Produkt- und Fertigungsentwicklung von heute sind häufig verkettete Simulationsprozesse erforderlich, bei denen die Parameter und Ergebnisse eines Softwarepakets als Input für ein anderes Paket benötigt werden. Eine manuelle Eingabe kostet viel Zeit, ist fehleranfällig und verlangsamt so die gesamte Produktentwicklung.

In SIMULIA Isight wird der Prozessablauf mit allen Anwendungen in einem virtuellen Versuchsplan grafisch abgebildet. Über das „Drag and Drop“-Prinzip können einzelne Simulationsanwendungen oder selbst entwickelte Skripte direkt in den Workflow integriert werden. Isight automatisiert daraufhin den Datenaustausch zwischen den Schnittstellen und die Ausführung der Anwendungen. In wenigen Stunden kann so eine Vielzahl von Varianten getestet werden. Außerdem bewertet Isight Ergebnisgrößen und identifiziert die optimalen Konstruktionsparameter (parametrische Optimierung). 

Automatisierter Datenaustausch in einem offenen System

Beschleunigung der Iterationsschritte und Verkürzung des Entwicklungsprozesses

Erhöhte Qualität und Zuverlässigkeit Ihres Produkts

Niedrigere Entwicklungskosten

  • SIMULIA Abaqus
  • NX Nastran
  • STAR-CCM+
  • MSC.Adams
  • MSC.Patran
  • ANSYS
  • LS-DYNA
  • MADYMO
  • Adams Car
  • Catia V5
  • SolidWorks
  • Pro Engineer
  • Unigraphics NX
  • SimCode
  • DLL
  • XML
  • COM
  • Email
  • Databases
  • JAVA Script
  • Price-H
  • Excel
  • Matlab
  • Data Matching
  • Calculator

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Lebensdaueranalyse mit SIMULIA fe-safe

Verlängerung der Lebensdauer entscheidender Komponenten

Komponenten und Produkte sollen durch geringeren Materialeinsatz immer leichter werden, ohne dabei an Qualität und Widerstandsfähigkeit einzubüßen. Denn Ermüdungsbrüche sind teuer und können zu Unfällen, mindestens aber zu kostspieligen Produktrückrufen und Garantieansprüchen führen.

Das manuelle Definieren und Analysieren von Spannungspunkten ist zeitaufwendig und häufig ungenau. Fügt man auf Grund falscher Annahmen Material an vermeintlichen Bruchstellen hinzu, ist das Produkt im schlechtesten Fall zwar schwerer, aber nicht länger haltbar.

SIMULIA fe-safe setzt multiaxiale, spannungs- oder dehnungsbasierte Ermüdungsmethoden ein, um die Lebensdauer eines Produkts zu analysieren. Die Software ermöglicht es den Einfluss von Lasthistorien aus Fertigungsprozess, Betriebslast, hoher Temperatur und Kriechen zu ermitteln.

Die Berechnung setzt dabei auf den Ergebnissen von SIMULIA Abaqus oder anderen gängigen FEM-Lösungen wie ANSYS und NASTRAN auf. Die Ergebnisse stehen unabhängig von der Komplexität der Analyse schnell zur Verfügung und werden beispielsweise in Abaqus/CAE visualisiert. Plots mit Isolinien zeigen die zu erwartende Lebensdauer. Punkte, an denen ein Anriss zu erwarten ist, werden markiert. 

fe-safe verfügt über eine umfangreiche Materialdatenbank und eignet sich insbesondere für Produkte und Komponenten aus Metall und Elastomeren. Baugruppen mit unterschiedlichen Teilen, Oberflächen und Werkstoffen können in einem einzigen Durchgang analysiert werden.

Ermüdungs-Hotspots werden identifiziert

Die Lebensdauer entscheidender Komponenten wird verlängert

Werkstoff kann an den richtigen Stellen eingespart oder ergänzt werden

Produktrückrufe und Garantiekosten werden gesenkt


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Nachweisbar belastbare Maschinenbauteile dank rechnerischem Festigkeitsnachweis gemäß FKM-Richtlinie – Software und Dienstleistung aus einer Hand

Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) liefern Aussagen über Spannung und Verformung eines Bauteils.

Auf dieser Basis sind grobe Ableitungen möglich, ob das Bauteil an entsprechenden Stellen die zulässige Spannung überschreitet. Dabei bleiben aber viele Einflussfaktoren auf die Festigkeit eines Bauteils unbeachtet. Dazu zählen: 

  • Fertigungseinflüsse, wie beispielsweise Oberflächenbeschaffenheit oder Verfestigungen 
  • Konstruktive und form-bedingte Kennwerte, beispielsweise bei dünnwandigen Strukturen oder in Bezug auf den effektiven Durchmesser bei Achsen und Wellen 
  • Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte, beispielsweise in Bezug auf Plastifizierung oder Rissbildung 
  • Die Überlagerung und zyklische Abfolge von Lastfällen 

Das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) hat vor diesem Hintergrund den sogenannten „Rechnerischen Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen“ (allgemein „FKM-Richtlinie“ genannt) definiert. Dieser einheitlich strukturierte Berechnungsalgorithmus zur Bewertung von Festigkeit und Lebensdauer hat sich im deutschsprachigen Raum als sicherer Standard etabliert und wird laufend weiterentwickelt. 

In wenigen Minuten zum vollflächigen, visualisierten FKM-Nachweis mit AutoFENA

Zur Führung des FKM-Nachweises bietet sich die Nutzung von Rechenprogrammen an. Zwar können mit viel Ingenieurverstand versagenskritische Punkte identifiziert werden. Spätestens jedoch, wenn Überlagerungen und Abfolgen von Lastfällen entstehen, werden Nachweis und Darstellung der Festigkeit  

  • komplex,  
  • aufwändig und  
  • aufgrund manueller Dateneingaben letztlich unsicher. 

Das FKM-Berechnungsprogramm AutoFENA, entwickelt von der ihf Ingenieurgesellschaft, erledigt diesen Prozess in wenigen Minuten.  

Dabei nutzt das Programm per Schnittstelle die Daten aus der FEM-Software (z. B. SIMULIA Abaqus) und bietet so einen automatisierten Workflow, durch den beliebige Lastfall-Kombinationen problemlos analysiert und dargestellt werden können. Durch Rückspielen der Ergebnisse in die FEM-Software entsteht eine 3D-Visualisierung des Auslastungsgrades über die gesamte Oberfläche des untersuchten Bauteils.

Sicherheit gewinnen, Risiko minimieren

Aufwand reduzieren (z. B. keine manuelle Auswahl versagenskritischer Punkte)

Effizienz steigern dank geführten Prozesses zwischen FEM- und FKM-Software

Material-Reserven ausreizen

Statische und zyklische Nachweise

Kompetenter Support und Service mit ergänzendem Know-How von ihf

Wann ist es sinnvoll, FKM-Nachweise extern zu vergeben?

Wir stellen Ihnen nicht nur die passenden Werkzeuge bereit, wir unterstützen Sie auch im Rahmen von Dienstleistungen: Wenn Sie beispielsweise vor besonders komplexen Herausforderungen stehen, Zeitdruck oder nicht genügend Kapazitäten für umfangreiche Projekte haben, können Sie auf das Knowhow unserer erfahrenen Simulationsingenieure zurückgreifen, ohne selbst in zusätzliches Personal und Software investieren zu müssen. Als spezialisiertes Ingenieurbüro liefern wir genaue und zuverlässige Ergebnisse in kurzer Zeit.

Warum sollten Sie mit Wölfel und ihf zusammenarbeiten?

Wölfel hat in den vergangenen Jahrzehnten selbst hunderte Simulationsprojekte erfolgreich durchgeführt. Von dieser Erfahrung profitieren nicht nur die Kunden, die uns mit der Durchführung von richtlinienkonformen FKM- oder Schweißnahtnachweisen beauftragen, sondern auch unsere Kunden im Softwarevertrieb: Wir kennen die Programme, die wir anbieten, selbst bis ins Detail. Und natürlich vertreibt Wölfel nur Software, die unsere eigenen Simulationsingenieure auch persönlich empfehlen. So können wir Sie optimal und transparent bei der Software-Beschaffung beraten und erstklassigen Support sicherstellen. Der Anbieter von AutoFENA, die ihf Ingenieurgesellschaft, ist nicht nur irgendein Softwareentwickler, sondern aktiv an der Weiterentwicklung der FKM-Richtlinie selbst beteiligt. So ist gewährleistet, dass alle Veränderungen aktuell und verlässlich im Programm aufgenommen werden.

Nehmen Sie jetzt Kontakt auf, wenn Sie mehr Effizienz, Geschwindigkeit und Sicherheit beim FKM-Nachweisverfahren und damit für Ihre gesamten Konstruktionsprozesse erreichen möchten.

Ihr Fokus liegt auf der FE-basierten Ermüdungsanalyse ohne die Anwendung der FKM-Richtlinie?

Dann empfehlen wir Ihnen SIMULIA fe-safe aus dem SIMULIA Unified License Portfolio. Kommen Sie auf uns zu – gemeinsam finden wir die passende Lösung zusammen mit dem für Sie idealen Workflow. Egal, ob Sie Software beschaffen und selbst nutzen oder auf unsere Expertise als Simulationsdienstleister zugreifen möchten, um Ihre Produktentwicklungsprojekte zu beschleunigen.

Case Study

Case Study "Festigkeitsnachweis einer Kupplungskomponente nach FKM-Richtlinie" 1.70 MB
Case Study "Festigkeitsnachweis einer Kupplungskomponente nach FKM-Richtlinie"

In dieser Case Study demonstrieren wir detailliert den statischen und zyklischen FKM-Nachweis zur Sicherstellung der Haltbarkeit einer Klemmnabe – und gehen speziell auf die Stärken einer Abstützung auf FE-Ergebnisse ein. Verpassen Sie nicht diesen praxisbezogenen Einblick in die Vorteile des software-gestützten, FE-basierten FKM-Nachweises. Füllen Sie einfach rechts das Formular aus und das PDF erreicht Sie per E-Mail (Absender: Wölfel-Gruppe).


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