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Finite-Elemente-Analyse

Die Finite-Elemente-Analyse dient zur Untersuchung statischer, dynamischer, thermischer, strömungstechnischer und anderer Erscheinungen in einem Bauteil oder einer Konstruktion.

Man unterscheidet:
Lineare Analyse
Bei ihr wird davon ausgegangen, dass das analysierte Modell während der gesamten Verformung die selbe Steifigkeit besitzt und sich Form- und Materialeigenschaften nicht ändern.
Nicht-Lineare Analyse
Die Steifigkeit des Modells ändert sich im Betrieb und wird nicht als konstant angenommen.
Nicht-Lineare, dynamische Analyse
Bei dieser FEA werden Trägheitsmomente, Dämpfungseffekte und zeitabhängige Lasten berücksichtigt.

Das (CAD-)Modell, für das die Berechnung durchgeführt werden soll, wird in ein Netz aus geometrisch einfachen Elementen in endlicher Anzahl unterteilt. Bei einem 2D-Modell sind die Elemente Drei- oder Vierecke, bei einem 3D-Modell besteht das Netz aus Tetraedern oder Würfeln. Auf die Elemente werden die Materialeigenschaften des CAD-Modells reflektiert. Über die Eckpunkte, an denen die Elemente zusammenstoßen, werden Verschiebungen und Verdrehungen eingeleitet. Dadurch treten Spannungen und Verzerrungen innerhalb der Elemente auf, die dann berechnet werden können.
Dadurch lassen sich Materialermüdungen vorhersagen bzw. vermeiden.

Die FEA erlaubt neben der Simulation der Formstabilität auch - durch Untersuchung der Belastungen, denen Baugruppen ausgesetzt sind - die Bestimmung von kinematischen (Informationen über Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bewegungskurven, … ) und dynamischen (Gelenkreaktionen, Trägheitskräfte, …) Eigenschaften mit Hilfe von Bewegungsanalysen.

Eine weitere FEA-Anwendung ist die numerische Strömungsmechanik zur Simulation von Flüssigkeits- und Gasströmungen. Wärmeübertragungen und auf Modelle wirkende Kräfte beim Umströmen von Fluiden lassen sich so untersuchen.
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Internationaler Begriff

Synonym

Acronym
FEA

Beispiel
Mit der FEA lassen sich Kraft- und Temperaturfluss, Schall, Dynamik, Knick und Biegung in Bauteilen ermitteln. Dazu wird zur Vereinfachung das Bauteil durch ein feines, dreidimensionales Tragwerkmodell mit ähnlicher Gestalt ersetzt. Dieses Netz besteht aus geraden, über Gelenke verbundene Stäbe, die endlich vielen (=finite) Elemente, die nur Zug- und Druckkräfte übertragen können. Dieses System kann dann mit Hilfe der Gleichungen aus Statik und Festigkeitslehre berechnet und analysiert werden.

Siehe auch