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FE-Analyse2018-10-12T11:09:41+00:00

FE-Analyse

Effizienz und Effektivität sind Eigenschaften, die nicht nur auf Ihre Produkte zutreffen sollten, sondern auch auf deren Entstehungsprozess. Die FE-Analyse das richtige Instrument, um dies zu erreichen. So gilt es alle Potenziale zur Reduzierung von Kosten und Gewicht sowie zur Verbesserung der funktionalen und technischen Eigenschaften zu nutzen.

Durch Computer-Aided-Engineering (CAE) kann mithilfe von „virtuellen Prototypen“ eine Konstruktion bereits in der Entwurfs- bzw. Konstruktionsphase auf etwaige Schwachstellen hin untersucht werden. Optimierungsmaßnahmen können somit schneller eingeleitet werden, woraus eine wesentliche Zeit- und Kostenersparnis resultiert.

Wir führen für Sie vollständige lineare, nicht-lineare und dynamische Simulationen und Berechnungen von Bauteilen und Baugruppen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) durch. Auf Basis der Berechnungsergebnisse erstellen wir Festigkeitsnachweise vom standardmäßigen Ergebnisbericht bis zum umfangreichen Zulassungsbericht. Des Weiteren simulieren wir das Strömungsverhalten und/oder das Temperaturverhalten von flüssigen sowie gasförmigen Medien mit den Möglichkeiten des CFD (Computational Fluid Dynamics). Mehrkörpersimulationen (MKS), NVH-Simulationen und Bewegungsanalysen gehören ebenso zu unserem Leistungsangebot.

Eine unserer Stärken ist, dass erfahrene Konstrukteure und hochspezialisierte Berechnungsingenieure unter einem Dach vereint arbeiten. In uns haben Sie einen Ansprechpartner mit mehrjähriger Berechnungs- und Entwicklungserfahrung gefunden. Denn der Name casim steht für exzellente Simulationsmodelle, die inhaltsstarke Ergebnisse für Ihre Produkte liefern.

VORTEILE
  • Mehr als 20 Jahre Erfahrung
  • Stetig wachsendes Experten-Team
  • Know-how aus verschiedenen Branchen und Disziplinen
REFERENZEN
  • B. Braun Melsungen AG
  • BPW Bergische Achsen KG
  • Friedrich Hippe GmbH
  • Gebr. Bode GmbH & Co. KG
  • Herbert Kannegiesser GmbH
  • Hübner GmbH & Co. KG
  • Volkswagen AG
  • Wegu GmbH & Co. KG
  • u.v.m.
KONTAKT

Ihr Ansprechpartner im Bereich FE-Analyse ist Herr Dipl.-Ing. Johannes Schweinsberg

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UNSER DIENSTLEISTUNGSSPEKTRUM IM ÜBERBLICK

  • FE-Systeme

    (ANSA, Abaqus, Nastran, Marc Mentat, OpenFoam)

  • FEM-Berechnungen

    (linear, nichtlinear Statik und Dynamik, CFD)

  • Festigkeitsbewertungen

    (FKM-Richtlinie, Schraubenverbindungen VDI2230, IIW, DVS, Eurocode)

  • Betriebsfestigkeit

  • Modalanalyse

  • Temperaturfelder

  • Gummiberechnungen

„Zusammen mit unserem langjährigen Engineering-Partner casim konnten wir ein innovatives System entwickeln, welches unsere führende Marktposition auch in Zukunft sichert.“

Ralph Geiger, Head of Competence Center Sterilization Processes, B.Braun Melsungen AG

„Wenn es um die volle Wertschöpfungskette geht, bietet unser Engineering-Partner casim alles – von der Idee über die begleitende Berechnung bis hin zur fertigen Konstruktion.“

Nikolai Zenner, Entwicklung Trocknungstechnik, Herbert Kannegiesser GmbH

Haben Sie noch Fragen oder möchten Sie sich persönlich beraten lassen?

Haben Sie noch Fragen oder möchten Sie sich persönlich beraten lassen?

Dipl.-Ing. Johannes Schweinsberg

Ansprechpartner im Bereich FE-Analyse

Tel. (0561) 87997-0

mailks@casim.de

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FE-Analyse

Zum Thema FE-Analyse finden Sie hier unsere Inhalte, nutzen Sie hierfür auch gerne unser Inhaltsverzeichnis mit Schnellinks:

1. Von der Virtualität zur Realität
2. FEM – Vielfalt in der Bauteilanalyse
3. Kurzzeitdynamik
4. Temperaturfelder
5. Mehrkörpersimulation
6. Festigkeitsnachweise

1. Von der Virtualität zur Realität

Effizienz und Effektivität sind Eigenschaften, die nicht nur auf Ihre Produkte zutreffen sollten, sondern auch auf deren Entstehungsprozess. Die Finite Elemente Methode (kurz: FEM oder FEA) ist ein wichtiges Instrument, um dies zu erreichen. So gilt es alle Potenziale zur Reduzierung von Kosten und Gewicht sowie zur Verbesserung der funktionalen und technischen Eigenschaften zu nutzen.

Durch Computer-Aided-Engineering (CAE) kann mithilfe von „virtuellen Prototypen“ eine Konstruktion bereits in der Entwurfs- bzw. Konstruktionsphase auf etwaige Schwachstellen hin untersucht werden. Berechnungen auf Basis der Finite Elemente Methode helfen etwaige Optimierungspotenziale früh zu erkennen. Eine wichtige Voraussetzung, um Optimierungen frühzeitig und somit effizient umsetzen zu können. Das steht für eine wesentliche Reduzierung des Aufwandes an Kosten und Zeit.

Wir führen für Sie vollständige lineare, nicht-lineare und dynamische Simulationen und Berechnungen von Bauteilen und Baugruppen nach der Finite Elemente Methode (FEM) durch. Auf Basis der Berechnungsergebnisse erstellen wir Festigkeitsnachweise – vom standardmäßigen Ergebnisbericht bis zum umfangreichen Zulassungsbericht. Des Weiteren simulieren wir auf Basis der FEM das Strömungsverhalten und/oder das Temperaturverhalten von flüssigen sowie gasförmigen Medien mit den Möglichkeiten des CFD (Computational Fluid Dynamics). Mehrkörpersimulationen (MKS), NVH-Simulationen und Bewegungsanalysen gehören ebenso zu unserem Leistungsangebot.

Eine unserer Stärken ist, dass erfahrene Konstrukteure und hochspezialisierte Berechnungsingenieure unter einem Dach vereint arbeiten. Mit uns haben Sie einen Ansprechpartner mit mehrjähriger Erfahrung in dem Themenfeld Finite Elemente Methode.

Denn der Name casim steht für exzellente Simulationsmodelle, die inhaltsstarke Ergebnisse für Ihre Produkte liefern.

2. FEM – Vielfalt in der Bauteilanalyse

Die Finite Elemente Methode bietet ein weitreichendes Spektrum von Möglichkeiten, rechnerbasierend zu untersuchen, wie sich Bauteile und/oder ganze Baugruppen unter Einwirkung von physikalischen Größen verhalten werden. Nachfolgend werden die unterschiedlichen Ansätze in der Finite Elemente Methode (FEM) dargestellt.

Statische FE Berechnung

Folgende Eigenschaften können im Rahmen einer statischen FEM Berechnung analysiert werden:

  • Verformung, Spannung und Dehnung
  • Knick und Beulsicherheiten
  • Plastizität, Hyperelastizität, Viskoelastizität
  • Kriechen und Relaxation

Statische Analysen werden durchgeführt, wenn von einer unveränderlichen bzw. gleichbleibenden Belastung ausgegangen werden kann: Man bezeichnet diese auch als „quasi-statisch“.

Differenziert wird bei der statischen Analyse der Finite Elemente Methode zwischen linearen und nicht-linearen Berechnungen. Angefangen bei der Analyse eines geometrisch simplen Bauteils mit linear-elastischem Materialverhalten mit geringen Verformungen und Verschiebungen, bis hin zur Berechnung von komplexen Baugruppen unter Berücksichtigung von nicht-linearem Kontaktverhalten mit Reibung, Schraubenvorspannung, Werkstoffnichtlinearitäten sowie großen Verformungen und Verschiebungen wird dabei eine große Bandbreite an Modellen abgedeckt. 

Bei der Auswahl des notwendigen Komplexitätsgrades, um Ihr Simulationsproblem bestmöglich abzubilden, können wir Sie dank unserer langjährigen Erfahrung selbstverständlich bestens beraten. Sind die Spannungswerte einmal mit Hilfe der Finite Elemente Methode bestimmt, können diese mit zulässigen Werten verglichen werden, um somit Schwachstellen und Optimierungspotentiale aufzudecken und bestmöglich auszunutzen. Die Zielführung der Optimierung kann dann zeitnah durch eine weitere FEM Berechnung iterativ überprüft werden.

Im Folgenden sind die Möglichkeiten einer statischen FEM Berechnung im Detail aufgeführt:

  1. Werkstoffabbildung:

Den Werkstoff im Berechnungsmodell korrekt abzubilden, beeinflusst die Qualität des Ergebnisses ungemein. Am einfachsten ist die Beschreibung eines linear-elastischen Werkstoffverhaltens, welches ein proportionales Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung aufweist. Darüber hinaus können aber auch charakteristische Werkstoffeigenschaften wie Plastizität, Hyperelastizität und Viskoelastizität berücksichtigt werden.

  1. Kontaktanalysen:

Die Verwendung von nichtlinearem Kontaktverhalten, ermöglicht die Übertragung der eingeleiteten Kräfte über die Bauteilgrenzen hinweg. Die Kontaktpartner können aufeinander gleiten und voneinander abheben, sich aber nicht durchdringen. Dadurch können das Pressungsverhalten, eventuelle Kontaktöffnungen und Reibung berücksichtigt und analysiert werden. Typische Anwendungen sind hierbei Schraubenverbände, Formschlüsse und Dichtigkeitsprüfungen.

  1. Geometrische Nichtlinearitäten:

Geometrische Nichtlinearitäten treten vornehmlich an Kunststoff- und Gummibauteilen auf, da diese eine komplexe Last-Verformungs-Beziehung aufweisen. Aufgrund dieser Eigenschaft kann sich die Steifigkeit des zu untersuchenden Bauteils unter Belastung ändern. Um dies in der Berechnung abzubilden, sind spezielle Analyseoptionen erforderlich. Typische Beispiele sind Gummidichtungen, Kunststoffbehälter, Blattfedern, Abgasaufhängungen und Flächenstrukturen mit Membrananteil, wie etwa Tanks.

  1. Strukturanalyse (Beul- und Knicksicherheiten)

Wird eine Konstruktion durch Druck belastet, können Stabilitätsprobleme auftreten. Bei einer kritischen Last verliert die Struktur sogar ihre Stabilität und knickt oder beult aus noch bevor die linearelastische Tragfähigkeit erreicht ist. Aus diesem Grunde ist es wichtig, neben der Berechnung der Festigkeit auch die Beul- und Knicksicherheit zu überprüfen. Dies kann mithilfe einer linearen Beulanalyse erfolgen. Bei der nichtlinearen Beulanalyse können zusätzlich Nichtlinearitäten wie etwa das plastische Materialverhalten berücksichtigt werden. Auch Imperfektionen können optional berücksichtigt werden, denn auch durch sie wird das Versagen stark beeinflusst. Typische Beispiele für dieses Anwendungsgebiet sind Hochregale, Stahlbaubühnen, Druckbehälter oder Kräne.

  1. Langzeitverhalten, Ermüdungsanalyse (Kriechen bzw. Relaxation)

Je nach Werkstoff, Spannung und Temperatur stellt sich in einem Bauteil eine zeitabhängige plastische Verformung ein. Diese wird als Kriechen bezeichnet. Kriechen tritt vor allem bei Kunststoffen auf, ist aber auch bei metallischen Werkstoffen oberhalb der Übergangstemperatur zu erwarten. Die Relaxation ist hingegen der zeitabhängige Spannungsabbau, der sich bei gleichbleibenden Dehnungen in einem Bauteil einstellt.

Das Kriech- sowie das Relaxationsverhalten können durch Ansetzen des Kriechmoduls abgeschätzt werden. Für genauere Ergebnisse kann zusätzlich anhand von Kriechkurven ein detailliertes Werkstoffmodell hergeleitet und eine Kriechanalyse durchgeführt werden, mit der sich die Kriechdehnungen bzw. -spannungen in Abhängigkeit der Zeit berechnen lassen. Typische Anwendungsfälle sind langzeitbelastete Kunststoffteile und heiße metallische Bauteile.

  1. Quasi-statische Berechnungen mit Abaqus/Explicit:

In unserem Leistungskatalog haben wir außerdem das Programm Abaqus/Explicit. Neben kurzzeitdynamischen Berechnungen, dem klassischem Anwendungsgebiet von expliziten Verfahren, ist dieses Programm auch hervorragend geeignet zur Berechnung quasi-statischer Umformprozesse, wie z. B. Blechumformungen.

7. Ein weiteres Feld der Finite Elemente Methode ist die Schwingungsanalyse. Sie untergliedert sich in:

  • Eigenfrequenzen und Eigenformen (Modalanalyse)
  • Frequenzganganalyse
  • Beliebige transiente Lasten
  • Antwortspektrumanalysen
  • Zufallsbedingte Schwingungen, PSD (Power Spectral Density)
  • NVH-Simulation (Noise, Vibration, Harshness)

Wo Maschinen zum Einsatz kommen, sind Schwingungen meist unvermeidlich. Mit einer Schwingungsanalyse lässt sich das strukturdynamische Verhalten von einzelnen Bauteilen bis hin zu komplexen Gesamtsystemen bereits in der Entwicklungsphase abbilden.

Mithilfe einer Modalanalyse ermitteln wir auf Basis der Finite Elemente Methode für Sie die Eigenfrequenzen und Eigenformen eines Systems. Mit diesen Parametern wird das dynamische Verhalten eines Systems beschrieben, d.h. sie sind wichtig, um zu bestimmen, wie das System gegenüber dynamischen Lasten ausgelegt werden sollte. Dabei entspricht eine Eigenform derjenigen Verformung des Systems, die bei einer Schwingung mit der entsprechenden Eigenfrequenz auftreten würde. Aufbauend auf den Ergebnissen der Modalanalyse können wir für Sie eine Frequenzganganalyse oder Spektrumanalyse durchführen.

Bei einer Frequenzganganalyse wird das dynamische Antwortverhalten eines eingeschwungenen Systems unter harmonischer Krafteinwirkung untersucht. Als Ergebnis erhalten Sie die Verschiebungen, Dehnungen und Spannungen als Funktion über der Frequenz (Frequenzgang). Dabei sind insbesondere die Antwortspitzen von Interesse, bei deren dazugehörigen Frequenzen die Spannungen betrachtet werden können.

Beispiele für die Anwendung einer Frequenzganganalyse sind: 

  • Motorenbauteile
  • Rütteltisch
  • rotierende Maschinen

Die Antwortspektrumanalyse wird benutzt, um zu zeigen, wie Gebäude, Maschinen und Bauteile auf Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen reagieren. Durch dieses Verfahren ist es möglich, mit relativ geringem Aufwand eine Abschätzung für die maximalen Beanspruchungen der Strukturen zu ermitteln.
Aus den Antworten auf die einzelnen Schwingungen wird dann ein gesamtes Antwortspektrum ermittelt. Diese Berechnung wird mit einem Frequenzspektrum, das wir aus der Modalanalyse erhalten, durchgeführt, da die Eigenfrequenz der Struktur unbekannt ist. Das Antwortspektrum entspricht der maximalen Antwortbewegung einer Vielzahl von Einmassenschwingern, die auf einen Freiheitsgrad beschränkt, den Frequenzbereich abdecken. Als Ergebnis liefern wir Ihnen die auftretenden maximalen Verschiebungen, Dehnungen und Spannungen. 

Beispiele für die Anwendung der Antwortspektrumanalyse: 

  • Standsicherheits- bzw. Erdbebennachweise für Bauwerke unter Erdbebenbelastungen
  • Einfluss von Wellenlast auf Schiff- oder Offshore-Plattformen 
  • Fahrbahnstöße und –unebenheiten im Bereich Fahrzeugbau 

Eine weitere Möglichkeit der Finite Elemente Methode ist die Simulation von transienten Lasten. Hierbei werden im Gegensatz zur Frequenzganganalyse, zeitabhängige Einflüsse berücksichtigt. Diese Belastungen können dabei beliebig zeitlich variieren. Als Ergebnis erhält man auch hier die Spannungen sowie die Verformungen und Beschleunigungen.

Beispiele für transiente Lasten sind:

  • Aufprall
  • Schockwellen
  • Fallsituationen

Bei einer PSD-Analyse (Power Spectral Density) werden zufallsbedingte Schwingungen berücksichtigt. Dies sind z. B. Vibrationen, deren weitere Entwicklung im zeitlichen Verlauf nicht bekannt ist. Es wird dabei ein Anregungsspektrum erstellt, auf dessen Grundlage die Analyse durchgeführt wird.

Beispiele für die Anwendung der PSD-Analyse:

  • Belastungen durch Wellen und Böen
  • Vibrationen beim Raketenstart
  • Breitbandrauschen verschiedener Fahrstrecken im Schienenfahrzeugbereich

Eine weitere Analyseform ist die NVH-Simulation (Noise, Vibration, Harshness), welche die durch Maschinen verursachten Vibrationen und Geräusche untersucht.

Insbesondere im Automobilbereich spielt die NVH-Simulation eine immer wichtigere Rolle, da die hörbaren Fahrzeuggeräusche (Noise), fühlbaren Vibrationen (Vibration) und Rauheiten (Harshness) vom Verbraucher als ein wesentliches Qualitätsmerkmal aufgefasst werden. Ein besonders wichtiger Aspekt sind hierbei die Vibrationen, welche im Fahrzeug oft als störend empfunden werden und die Funktion bis hin zum Totalausfall aufgrund von Materialermüdung durch Überschreitung der Schwingfestigkeit beeinträchtigen können.

Mithilfe der numerischen NVH-Simulation lässt sich das strukturdynamische Verhalten von einzelnen Bauteilen bis hin zu komplexen Gesamtsystemen bereits in der Entwicklungsphase abbilden. Die ermittelten kritischen Schwingformen, welche im Betriebszustand angeregt werden und so zu Geräuschen, Funktionsstörungen oder zu Schwingfestigkeitsproblemen führen, lassen sich somit durch konstruktive Maßnahmen kostengünstig vermindern oder gar beseitigen.

Unsere Leistungen im Überblick:

• Schnelle und kostengünstige Berechnung von Eigenfrequenzen und Eigenformen, von Einzelkomponenten bis hin zu komplexen Systemen

• Simulation von Betriebsschwingungen unter periodischer Anregung zur Bestimmung der sich einstellenden Schwingformen, Spannungen und Verschiebungen (Beurteilung der Schwingfestigkeit)

• Schallabstrahlungssimulationen

• Neben der numerischen Modal- und Betriebsschwingungsanalyse verfügen unsere Mitarbeiter über umfassendes Know-how bei der Validierung der Simulationsergebnisse durch die experimentelle Bestimmung der dynamischen Bauteil- und Baugruppeneigenschaften

3. Kurzzeitdynamik

Zu den sicherlich populärsten Möglichkeiten der Finite Elemente Methode gehört die Simulation des Kurzzeitverhaltens.

  • Crashtests
  • Falltests
  • Aufpralltests

Neben der Berechnung statischer Beanspruchungen bietet Ihnen casim auch die Simulation hochdynamischer Vorgänge, wie z. B. Fall- und Crashtests, mit dem Programm Abaqus/Explicit an. 

Dieses Programm mit expliziter Zeitintegration ist hervorragend geeignet für die Berechnung von Vorgängen, die innerhalb sehr kurzer Zeit stattfinden. Abaqus/Explicit bietet unter anderem den Vorteil, dass durch den Einsatz einer allgemeinen Kontaktdefinition komplexe Kontaktprobleme zwischen einer Vielzahl von Bauteilen sehr effektiv untersucht werden können. Außerdem ist es in der Lage, Simulationen mit sehr großen Verformungen abzubilden. 

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, bei all diesen FEM Berechnungen Materialschädigungen oder sogar vollständiges Versagen des Materials zu berücksichtigen.

Dabei können wir unter anderem die auftretenden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie die Spannungen und Verformungen des Bauteils ermitteln.

Crash-Simulationen bieten den Vorteil, dass ohne kostspielige und zeitaufwändige Versuche mit Prototypen, das Crashverhalten des Fahrzeugs optimiert werden kann und die Einflüsse von Gewichteinsparungen untersucht werden können. Dadurch kann man auch sehr effizient den Einfluss verschiedener Werkstoffe analysieren.

Beispiele für kurzeitdynamische Untersuchungen:

  • Falltests für Gehäuse oder Verpackungen 
  • Aufprallvorgänge 
  • Durchschlagtests
  • Kupplungsvorgänge

4. Temperaturfelder

Wie ist das Temperaturverhalten von Bauteilen und Baugruppen? Auch auf diese Frage kann die Finte Elemente Methode eine Antwort liefern.

  • Stationäre und transiente Temperaturfelder
  • Wärmeleitung, Konvektion und Wärmeabstrahlung
  • Wärmetransport

Mittels der Finite Elemente Methode können wir Ihnen die Berechnung von Temperaturverteilungen innerhalb Ihrer Bauteile anbieten. 

Falls die Temperaturverteilung nicht Ihren Anforderungen entspricht, können wir für Sie auch den Einfluss von Konstruktionsänderungen auf die Temperaturverteilung in Ihren Produkten berechnen. So sparen Sie die Kosten und den Aufwand für die Produktion von Prototypen.

Unsere Simulationsmethoden eignen sich einerseits für stationäre Temperaturfelder, d.h. bei diesen Temperaturfeldern unterliegt die Verteilung keiner zeitlichen Änderung. Dies tritt bei vielen Bauteilen im Dauerbetrieb auf. So strömt bei einem Mikroprozessor mit Kühlkörper die Wärme vom Mikroprozessor in den Kühlkörper und von dort wird sie an die umgebende Luft abgegeben. 

Weitere Beispiele für Bauteile mit stationären Temperaturfeldern im Dauerbetrieb sind Flüssiggastanks, formgebende Werkzeuge, Messgeräte oder Wärmetauscher.

Andererseits berechnen wir auch transiente Temperaturfelder für Sie. Diese sind das Gegenteil von stationären Temperaturfeldern, d.h. die Temperatur ändert sich in Abhängigkeit von der Zeit. Ein solches Verhalten tritt unter anderem dann auf, wenn Geräte in Betrieb genommen oder ausgeschaltet werden. So führt das Einschalten des oben genannten Mikroprozessors dazu, dass sich zunächst der Mikroprozessor selbst aufheizt. Später gibt dieser dann Wärme an den Kühlkörper ab. Erst wenn der Kühlkörper vollständig aufgeheizt ist und die Wärme an die umgebende Luft abgibt, stellt sich ein stationäres Temperaturfeld ein. Weitere Beispiele für transiente Temperaturfelder sind An- und Abfahrvorgänge von Motoren, Wärmetauschern und Kesseln.

Neben der Berechnung der Temperaturverteilung in Festkörpern analysieren wir für Sie auch den Wärmetransport in einem Fluid mithilfe der CFD-Simulation. Eine solche Simulation kann z. B. darstellen, wie sich die Luft, die an einem Getriebedeckel zur Kühlung entlangströmt, durch die Wärme, die vom aufgeheizten Getriebedeckel abgestrahlt wird, erwärmt. Dabei wird im Finite Elemente Modell die Luft mitsamt der Bewegungen und Strömungen und der Druckverhältnisse dargestellt. Unsere Ingenieure verwenden hierfür die Programme Abaqus/CFD und OpenFOAM.

Stromlinien am aufgeheizten Getriebedeckel

Stromlinien am aufgeheizten Getriebedeckel

Strömungssimulation

  • Laminar/turbulent
  • Stationär/transient
  • Kompressibel/inkompressibel
  • Besondere Erfahrungen

Mithilfe computergestützter Strömungssimulation – Computational Fluid Dynamics (CFD) – bieten wir Ihnen die Berechnung des Strömungsverhaltens unterschiedlicher Medien (Flüssigkeits-, Gas-, Partikelströmungen) unter definierten Rahmenbedingungen an. Dieses Verfahren ermöglicht die Darstellung von Abläufen, die experimentell nicht oder nur mit aufwändigen und kostspieligen Versuchsanlagen (z. B. Windkanäle) ermittelt werden können. So können Sie zusätzliche Erkenntnisse über Ihre Bauteile gewinnen und hohe Kosten vermeiden.

Die Strömungssimulation stellt eine wertvolle Ergänzung bei der Entwicklung verschiedener Anlagen, -bauteile und Verfahren aus den folgenden Bereichen dar:

  • Fahrzeugbau
  • Anlagenbau 
  • Klimatechnik
  • Energie- und Umwelttechnik u.v.a.

Mithilfe der numerischen Simulation können wir folgende Strömungsvorgänge für Sie untersuchen:

  • Räumlich 2-/3-dimensionale Strömung
  • Laminare/turbulente Strömung
  • Zeitlich stationäre/instationäre Strömung
  • Strömung mit Wärmetransport und Wärmeübergang
  • Mehrphasen-Strömung
  • Strömung aufgrund bzw. um bewegte Festkörper
  • Strömung innerhalb von Bauteilen

Mithilfe von CFD-Simulationen können somit genaue Aussagen über das globale und lokale Strömungsverhalten getroffen werden.

Erfahrungen haben wir insbesondere auf den folgenden Themengebieten:

  • Düsen (kompressible und turbulente Strömung)
  • Durchströmung eines Kühlmantels (turbulente Strömung mit Temperatureinfluss)
  • Vergleich von Ölen mit unterschiedlichen Viskositäten für Mechatronikkanäle (je nach Viskosität ergibt sich eine laminare oder turbulente Strömung)
  • Umströmung eines Getriebegehäusedeckels (turbulente Strömung mit Temperatureinfluss):

Durch das Getriebe wird der Gehäusedeckel von innen aufgeheizt. An der Außenseite wird eine Kühlung des Getriebegehäuses mittels eines Luftstroms gewährleistet. Trotz der Ablösungen an der schmalen Seite des Getriebegehäusedeckels (Stromabwärts) stellt sich an dieser Stelle ein günstigeres Temperaturniveau aufgrund der ausgeprägten Verrippung ein als auf der Stirnseite des Gehäusedeckels. Mithilfe zusätzlicher Rippen kann das Kühlverhalten der Getriebedeckel-Stirnseite weiter optimiert werden.

Umströmung eines Getriebegehäusedeckels

Umströmung eines Getriebegehäusedeckels

Umströmung eines Getriebegehäusedeckels: der betrachtete Strömungsraum (oben), die Stromlinien (Mitte) und das sich ergebende Temperaturfeld (unten).

5. Mehrkörpersimulation (MKS)

Mehrkörpersimulation

Mehrkörpersimulation

  • Starrkörper
  • Flexible Körper (mit elasto-plastischem Material)

Mehrkörpersimulationen beschäftigen sich mit dem Bewegungsverhalten von mechanischen Systemen und spielen heutzutage eine immer größere Rolle bei der Entwicklung neuer und innovativer Produkte. Ziel der Simulationen ist es, Versuche an den realen Systemen weitestmöglich zu ersetzen und damit Aufwand und Kosten einzusparen. Zudem bietet die Simulation die Möglichkeit, Versuche darzustellen, die in der Realität zu gefährlich sind oder die man nicht mit der gewünschten Präzision auswerten kann. Man erhält so frühzeitig Auskunft über die Stärken und Schwächen der neuentwickelten Bauteile. Außerdem besteht die Möglichkeit mit sehr viel geringeren Kosten verschiedene Konstruktionsvarianten miteinander zu vergleichen und so die optimale Lösung für ihr Produkt zu finden.

Bei Mehrkörpersimulationen werden mehrere Bauteile über Gelenke miteinander verbunden. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen können dabei komplexe Bewegungsabläufe wiedergeben. So können kinematische Randbedingungen (z. B. Gelenke mit denen die Bauteile verbunden sind) oder Kraftelemente (z. B. Federdämpfer) modelliert werden. 

Außerdem kann eine Vielzahl an unterschiedlichen Lastfällen simuliert werden. Dies kann z. B. die Geschwindigkeit sein, mit der eine Autotür zugeschlagen wird. Als weitere Parameter kommen auch Kräfte und Beschleunigungen vor. Bei der Simulation wird ein Modell aufgebaut, das alle mechanischen Auswirkungen realistisch wiedergibt. So können die Bewegungsabläufe analysiert und auf Kollisionen geprüft werden. 

Es ist einerseits möglich, die Bauteile als starr anzunehmen. Mit dieser Variante kann man schnell und effizient die Bewegungsabläufe von Bauteilen analysieren. Andererseits können die Bauteile auch als flexibel angenommen werden. Dann wird zunächst die Steifigkeit der einzelnen Teile mittels einer FEM Analyse ermittelt. Zusätzlich kann auch elasto-plastisches Materialverhalten berücksichtigt werden. Bei der Verwendung von flexiblen Bauteilen können die Spannungen und Verformungen an den Bauteilen sofort ausgewertet werden.

Beispiele für die Anwendung der Mehrkörpersysteme:

  • Getriebe
  • Baumaschinen
  • Kolbenmaschinen
  • Gurtsysteme
  • Scheibenwischer
  • Schiebetüren
  • Verladearme
  • Türsysteme
  • Fahrwerke von Flugzeugen
  • Roboter
  • Komplette Fahrzeuge auf Schiene und Straße
  • Menschlicher Bewegungsapparat

Wir verwenden für die FEM Berechnung bzw. Simulation das Programm SolidWorks Motion.

6. Festigkeitsnachweise

Eine der häufigsten Fragestellungen in der Anwendung der Finite Elemente Methode ist sicherlich die Frage danach, ob ein Bauteil im späteren Einsatz- ggf. über die Lebensdauer- halten wird.

Festigkeitsnachweise

Festigkeitsnachweise

  • Statische Festigkeit
  • Betriebs- / Zeitfestigkeit
  • Dauerfestigkeit
  • Rechnerischer Festigkeitsnachweis nach FKM
  • Nachweis von Schraubenverbindungen nach VDI 2230

Unser Berechnungsangebot beinhaltet zum einen die Ermittlung der statischen Festigkeit Ihrer Bauteile, d.h. die Berechnung der Spannungen, die im Bauteil aufgrund von statischen Belastungen auftreten.

Zum anderen überprüfen wir für Sie Ihre Bauteile auf Dauerfestigkeit, d.h. bis zu welcher Belastungsgrenze die Bauteile dynamische Belastungen ohne Schäden oder Ermüdungserscheinungen ertragen.

Sollte die Dauerfestigkeit nicht gegeben sein, so berechnen wir für Sie, welche Anzahl von Lastwechseln die Bauteile ertragen bzw. über welche Zeitspanne sie die erforderliche Belastung ertragen. Dies ist die sogenannte Zeitfestigkeit. 

Als Berechnungsverfahren für diese Festigkeitsnachweise nutzen wir die FKM-Richtlinie. Hierbei wird zunächst eine Festkörpersimulation mit der Finite Elemente Methode (FEM) gemäß der aktuellen sechsten Ausgabe der FKM-Richtlinie durchgeführt. Diese beruht auf den neuesten Forschungsergebnissen, wodurch wir die Bauteilgrenzen zu Ihren Gunsten weiter ausschöpfen können. Dies ermöglicht es uns, sowohl den statischen, als auch den Ermüdungsfestigkeitsnachweis trotz höherer Bauteilbelastung zu erbringen.

Hierfür nutzen wir die Software WIAM® fatigue RIFEST und erstellen Ihnen eine umfangreiche Darstellung der Ergebnisse in Berichtsform.

Zur Überprüfung ihrer Schraubenverbindungen umfasst unser Angebot die Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI-Richtlinie 2230 (Blatt 1), die als Standardwerk der ingenieurmäßigen Entwurfs- und Bauregeln gilt. Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung der Richtlinie ist die Kenntnis der wirkenden Betriebskräfte an den Verbindungsstellen. Bei der Mehrzahl der Anwendungen handelt es sich um Mehrschraubenverbindungen, was die Ermittlung der Eingangsgrößen für die Auslegung verkompliziert. Um aus dem Schraubenfeld die Betriebskräfte an den einzelnen Schraubenverbindungen zu ermitteln, wenden unsere Berechnungsingenieure auch hier zunächst die Finite Element Methode (FEM) an. Hierbei werden die lokalen Effekte der verspannten Bauteile unter Betriebsbelastung realitätsnah abgebildet. Anschließend wird aus den errechneten Schraubenbelastungen und den Konstruktionsangaben (Schraubengröße, Schraubenqualität, Montageverfahren etc.) der Nachweis der Schraubenverbindung nach VDI-Richtlinie 2230 (Blatt 1) durchgeführt.

Unsere Leistungen im Überblick:

• Beratung bei der Dimensionierung von Schraubenverbindungen

• Beratung bei der Auswahl von Schraubenqualität, Montageverfahren, Schmiermitteln, Sicherungselementen etc.

• Betriebssichere Auslegung der Schraubenverbindungen

• Erstellung von Festigkeitsnachweisen nach der VDI-Richtlinie 2230 (Blatt 1), entweder für Ihre eigene Dokumentation oder auch als Prüfbericht zur Vorlage bei Prüfbehörden

• Validierung der Berechnungsergebnisse im Versuch (z. B. Messung des Vorspannkraftverlustes aufgrund des Setzens von Oberflächenbeschichtungen mit unbekanntem Setzverhalten)

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Quellen:

Finite-Elemente-Methode – Wikipedia

Entwicklung eines FE-Konzeptes zur Berechnung von Stirnplattenanschlüssen unter mehrwachsiger Biegung – Stefan Kolling

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