Finite-Elemente-Analyse: Was ist das und wie funktioniert es?

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ingenieure und Hersteller die Haltbarkeit, Stärke und Sicherheit ihrer Designs testen? Wenn Sie jemals einen Autowerbespot gesehen haben, könnten Sie glauben, dass Ingenieure und Designer ihre Produkte ständig zerstören, um die Stärke zu testen. Sie könnten zu dem Schluss kommen, dass Hersteller diesen Prozess so lange wiederholen, bis das Design einer enormen Menge an Schäden standhalten kann und einen akzeptablen Punkt der Haltbarkeit erreicht. Auch wenn es Unternehmen Millionen kostet, ihre Konzepte zu testen und zu zerstören, ist dies der einzige Weg, um die Haltbarkeit eines Produkts zu beweisen, oder? Die Antwort darauf ist ja und nein. Während Ingenieure fast immer das endgültige Design eines Produkts testen, indem sie es mit tatsächlichen physischen Kräften interagieren lassen, verwenden Ingenieure und Hersteller auch computergestützte Ingenieursoftware (CAE-Software), um Stärke und Haltbarkeit zu optimieren, bevor sie es tatsächlich testen. Der Prozess, Software zu verwenden, um zu testen, wie ein Produkt auf reale Kräfte reagiert, wird Finite-Elemente-Analyse (FEA) genannt. Was ist Finite-Elemente-Analyse? Die Finite-Elemente-Analyse verwendet komplexe mathematische Gleichungen, Modelle und Simulationen, um zu verstehen, wie Objekte mit physischen Kräften interagieren. Dies hilft Ingenieuren, die Haltbarkeit von Objekten zu verstehen und wie man sie optimieren kann. Während FEA eine Reihe von komplexen Schritten enthält, kann es auf ein Ziel heruntergebrochen werden: die Auswirkungen von Stressoren auf ein Objekt zu testen. Warum Finite-Elemente-Analyse verwenden? Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Finite-Elemente-Analyse Ingenieuren und Herstellern helfen kann, die Kernfunktionen ihrer täglichen Arbeit zu beschleunigen. Die Finite-Elemente-Analyse reduziert die Herstellungskosten drastisch. Historisch gesehen mussten Ingenieure und Hersteller Objekte manuell immer wieder neu entwerfen, bis die Ingenieure sicher waren, dass das endgültige Design unter physischem Stress intakt bleiben würde. Dies erforderte viele Neuentwürfe, die den Designprozess verlängerten und viel Geld kosteten. Mit der Finite-Elemente-Analyse können Designer jedoch die Haltbarkeit im virtuellen Raum der computergestützten Ingenieursoftware testen. Dies verkürzt die Projektvorlaufzeiten erheblich, was den Herstellern Geld und Zeit spart und Materialverschwendung reduziert. Das Endergebnis ist ein sicheres und haltbares Design. Wie führt man eine Finite-Elemente-Analyse durch? Die Finite-Elemente-Analyse ist eine Methode der Strukturanalyse, die mathematische Prozesse verwendet. FEA erfordert, dass Sie ein größeres, komplizierteres Objekt in handlichere Abschnitte zerlegen. Wenn Sie die Struktur weiter aufteilen, erhalten Sie eine bessere Vorstellung davon, wie das Objekt auf Stressoren reagieren wird. Diese Methode, eine Struktur für FEA aufzubrechen, wird als Finite-Elemente-Methode (FEM) bezeichnet. Schritt 1: Modellierung Beim Modellieren des Objekts sollten Sie die ausgeklügelten geometrischen Merkmale weglassen und die Grundstruktur des Objekts sehen. Achten Sie darauf, welche Merkmale aus strukturellen Gründen vorhanden sind und welche aus ästhetischen Gründen. Verstehen Sie, warum Sie einen geometrischen Aspekt entfernen, während Sie einen anderen beibehalten. Schritt 2: Materialdefinition Wie der Name des Schritts schon sagt, sollten hier die Materialeigenschaften definiert werden. Diese hängen von der Art der durchgeführten Analyse ab. Spielen Sie mit verschiedenen Materialien, um zu prüfen, welches die erforderlichen Bedürfnisse erfüllt. Schritt 3: Lasten definieren Ihre Struktur kann nicht im Vakuum existieren. Dieser Schritt hilft Ihnen, zu identifizieren, welche äußeren Kräfte auf die Struktur wirken. Wie wirkt es sich auf eine Komponente im Vergleich zu einer anderen aus? Schritt 4: Randbedingungen Wie wir es in mathematischen Problemen schon gemacht haben, werden Bedingungen festgelegt, unter denen die Struktur existieren wird, hauptsächlich um die Komplexität des Problems zu reduzieren. Wenn wir die Bedingungen im Voraus kennen, hilft uns das, viel Zeit bei der Berechnung zu sparen. Schritt 5: Vernetzung Die Geometrie Ihrer Struktur wird in kleinere Formen unterteilt, die als, Trommelwirbel bitte, Finite-Elemente bezeichnet werden. Vernetzung bedeutet einfach, die Berechnungen dieser Finite-Elemente zu verbinden, um eine Netzstruktur zu erstellen. Hinweis: Je dichter Ihre Netzstruktur ist, desto präziser werden Ihre Ergebnisse sein. Wenn Sie jedoch Knotenpunkte hinzufügen, werden die komplexen Berechnungen zunehmen. Schritt 6: Lösung Einfach ausgedrückt, werden partielle Differentialgleichungen in algebraische Gleichungen umgewandelt. Dies hilft, Gleichungen als Matrizen darzustellen. Die einzelnen Matrizen werden dann zu einer globalen Matrix zusammengefügt, die dann für unbekannte Variablen gelöst wird. An diesem Punkt hat Ihre FEM-Computersoftware eine Darstellung für Ihr Objekt erstellt. Überprüfen Sie weiterhin verschiedene Designs, um zu sehen, welches Ihren Anforderungen entspricht. Beispiele für die Finite-Elemente-Methode Während die Finite-Elemente-Methode in der Theorie komplex erscheinen mag, machen praktische Anwendungsfälle sie viel leichter verständlich. Ein Hauptanwendungsfall der Finite-Elemente-Methode ist das Testen der Stärke und Haltbarkeit einer Brücke. Wenn Ingenieure eine Brücke entwerfen, tendieren die Ästhetik dazu, den ganzen Ruhm zu ernten. Als Verbraucher und Stadtbewohner priorisieren wir die visuelle Anziehungskraft eines Bauwerks über seine Sicherheit und Haltbarkeit. Deshalb ist eine der berühmtesten Brücken der Welt die schöne Golden Gate Bridge in San Francisco. Es ist ein architektonisches Meisterwerk, das zur Zeit seiner Errichtung die längste einspannige Hängebrücke der Welt war. Sie verband Marin County mit der Stadt San Francisco und war zudem visuell ansprechend. Aber wie oft denken die Menschen darüber nach, wie viel Planung es erforderte, eine so große Struktur zu konstruieren? Wie haben Ingenieure eine Brücke gebaut, die seit mehr als 80 Jahren steht, ohne dass ihnen Computersoftware zur Verfügung stand? Die Antwort liegt in der Finite-Elemente-Methode. Wenn wir an die Golden Gate Bridge denken, kann man all die verschiedenen Elemente schätzen, die Ingenieure berücksichtigen mussten. Die Brücke ist im Wesentlichen ein Brückendeck, Pylonen, Kabel, Träger und Fundament, die zu einem einzigen Objekt kombiniert sind, das 887.000 Tonnen tragen kann. Als nächstes mussten Ingenieure testen, wie diese Brücke auf Erdbeben und die starken Winde reagieren würde, die in der Bay Area häufig vorkommen. Der beste Weg, dies zu tun, war, zu analysieren, wie jedes Element auf physische Kräfte reagieren würde, um die gesamte Brücke zu konstruieren. Zum Beispiel wurde das Fachwerksystem unter der Brücke hinzugefügt, um das Deck zu versteifen und die Spannung der Fahrbahn auf die Brücke selbst zu reduzieren. Ohne es würde die Brücke einstürzen. Ingenieure platzierten sogar Stoßdämpfer an jedem Ende der Brücke, um ihr zu helfen, seismische Kräfte zu widerstehen. Ohne die Dämpfer könnte die Brücke bei einem Erdbeben einstürzen. Zu denken, dass die Ingenieure der Golden Gate Bridge all dies manuell tun mussten, ist verblüffend. Noch beeindruckender ist jedoch, dass sie all dies in nur vier Jahren erreicht haben - indem sie sich auf die Finite-Elemente-Methode verließen. Schnellvorlauf bis heute; wir haben computergestützte Ingenieursoftware, die es Ingenieuren ermöglicht, die Finite-Elemente-Analyse durchzuführen, bevor der Bau beginnt. Während die Ingenieure von früher all diese Elemente im Voraus bedenken mussten, können Ingenieure heute mit Software ihre Designs optimieren und deren Sicherheit gewährleisten. Deshalb würde der Bau der Golden Gate Bridge heute ganz anders aussehen. Mit CAE-Software können Benutzer mit der Baugeometrie spielen, um langlebige und sichere Strukturen zu bauen. Sobald Sie mit dem Entwerfen einer Struktur oder eines Objekts fertig sind, führt die Software die Finite-Elemente-Analyse durch. Im Fall einer Brücke geht es dabei hauptsächlich um den direkten Stress, den das Gewicht auf die Struktur hätte. Die Software kann dann identifizieren, welche Elemente der Brücke unter bestimmten Belastungen versagen würden und ob die Brücke einstürzen würde. Mit der Finite-Elemente-Analyse können Ingenieure schnell Bereiche identifizieren, die neu gestaltet werden müssen. Finite-Elemente-Analyse-Software Wie wir bereits besprochen haben, hilft computergestützte Software bei der Finite-Elemente-Analyse. Aber wie identifizieren wir gute CAE-Software? CAE-Software muss die folgenden Anforderungen erfüllen, um in ihrer Kategorie berücksichtigt zu werden. - Ermöglichen Sie Benutzern, Simulationen über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) zu erstellen - Ermöglichen Sie das Testen von Komponenten innerhalb einer Simulation mit anpassbaren Umweltvariablen - Helfen Sie bei der Optimierung von Prozessen und der Produktentwicklung Unten sind die fünf besten CAE-Software aufgelistet, die für die Finite-Elemente-Analyse verwendet werden. Diese sind gemäß den Softwaretrends aufgeführt, die beim Veröffentlichen dieses Artikels beobachtet wurden. 1. MATLAB MATLAB ist ein Programmier-, Modellierungs- und Simulationswerkzeug, das von MathWorks entwickelt wurde. Was Benutzer mögen: "Am meisten schätze ich an Matlab, dass es einfach zu bedienen ist und eine hervorragende Community-Unterstützung bietet. Verschiedene Signal- und Bildverarbeitungsmethoden sind verfügbar. Mathematische Operationen und Matrixoperationen werden einfach und helfen, Arbeit und Forschung zu rationalisieren." - MATLAB-Bewertung, Vandan C Was Benutzer nicht mögen: "Die Lizenz und die Kosten sind etwas hoch, und die Anwendungsdatengröße ist ebenfalls hoch, sodass das Ausführen des Projekts zu viel Zeit in Anspruch nimmt und den Arbeitsablauf mühsam macht. Es liefert jedoch nach dem Warten dennoch eindeutige Ergebnisse, was alles lohnenswert macht." - MATLAB-Bewertung, Sagar V. 2. Fusion 360 Fusion 360 ist die erste und einzige integrierte Cloud-CAD-, CAM-, CAE- und PCB-Produktentwicklungslösung für Produktdesigner, Maschinenbauingenieure, Elektronikingenieure und Maschinenbauer. Es ermöglicht Ihnen, Ihren gesamten Design- und Herstellungsprozess zu verbinden, um qualitativ hochwertige Produkte schneller auf den Markt zu bringen und sich positiv auf Ihr Endergebnis auszuwirken. Was Benutzer mögen: "Fusion ist kostengünstig, einfach zu bedienen und skaliert leicht auf die Teamgröße. Nur ein Dateiformat und eine Datei zu haben, um alles zu erstellen, ist großartig." - Fusion360-Bewertung, Adam O. Was Benutzer nicht mögen: "Es ist ein wenig fehlerhaft. Einige Probleme erfordern die Recherche in den Foren, um eine Lösung zu finden, bis ein Patch veröffentlicht wird. Einige Probleme bestehen eine ganze Weile, während andere sofort behoben werden." - Fusion360-Bewertung, Justin H. 3. SOLIDWORKS SOLIDWORKS bietet verbundene, einfach zu bedienende Werkzeuge, die Ihnen helfen, jeden Aspekt Ihres Produktentwicklungsprozesses zu innovieren und zu beschleunigen. Was Benutzer mögen: "Die Software ermöglicht es mir, verschiedene Ansichten in Echtzeit beim Entwerfen zu sehen, sodass ich mein Teil besser visualisieren und seine Funktion klarer verstehen kann als je zuvor." - SOLIDWORKS-Bewertung, Md. Sazzad M. Was Benutzer nicht mögen: "Parametrisches Design ist für Solidworks nicht so wertvoll. Außerdem ist das Erstellen von Skizzen durch Gleichungen auch nicht einfach, und es gibt weniger Optionen. Es gibt auch nur wenige Optionen für A-Klasse-Oberflächen. Keyshot wird auch nicht mit Solidworks geliefert." - SOLIDWORKS-Bewertung, Himanshu K. 4. Solid Edge Solid Edge ist ein Portfolio von erschwinglichen, einfach zu implementierenden, zu wartenden und zu verwendenden Softwaretools, die alle Aspekte des Produktentwicklungsprozesses vorantreiben – mechanisches und elektrisches Design, Simulation, Fertigung, technische Dokumentation, Datenmanagement und cloudbasierte Zusammenarbeit. Was Benutzer mögen: "Feature-reiche Modellierungsfähigkeiten, synchrone Technologie, Rendering mit KeyShot, starker Parasolid-Kernel, super einfache Simulation (FEA-Analyse)." - Solid Edge-Bewertung, Florian S. Was Benutzer nicht mögen: "Animations- und Skizzenumgebung könnten einige Verbesserungen erhalten, und sie könnten mehr Funktionen hinzufügen, um mit Netzen zusammen mit B-Rep-Modellierung zu arbeiten." - Solid Edge-Bewertung, Flavio H. 5. Altair SimSolid Durch die Durchführung von Strukturanalysen an voll ausgestatteten CAD-Baugruppen innerhalb von Minuten ist SimSolid eine bahnbrechende Simulationstechnologie für Designer, Ingenieure und Analysten. Es eliminiert die Geometrievorbereitung und Vernetzung: die beiden zeitaufwändigsten, fachkundigsten und fehleranfälligsten Aufgaben, die in einer herkömmlichen Struktursimulation durchgeführt werden. Was Benutzer mögen: "Altair SimSolid basiert auf fortschrittlicher Ingenieursimulationstechnologie, die es ideal für die Analyse komplexer, realer Produkte macht. Sein einzigartiger, All-in-One-Solver-Ansatz bietet Geschwindigkeit und Genauigkeit, während seine Vernetzungs- und Modellierungsfähigkeiten Zeit sparen und die Konstruktion von Modellen vereinfachen. Es ist auch eine umfassende und leistungsstarke integrierte Suite von Tools, die es Ingenieurfachleuten ermöglicht, einfach in 3D zu entwerfen." - Altair SimSolid-Bewertung, Yashovardhan J Was Benutzer nicht mögen: "Es gibt keine Möglichkeit für geometrische Änderungen, sobald das Modell importiert wurde. Die Einführung von geometrischen Modellierungswerkzeugen in SimSolid würde die Effizienz des Analyse-Workflows erhöhen." - Altair SimSolid-Bewertung, Giulio D. Finite Analyse für unendlichen Gewinn Während das Erlernen der Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse Geduld und Übung erfordert, kann der Gewinn immens sein. Egal, ob Sie in der Automobil-, Energie- oder Bauingenieurbranche arbeiten - die Finite-Elemente-Analyse wird helfen, die Sicherheit und Haltbarkeit Ihrer Designs zu verbessern. Möchten Sie mehr über Ingenieur- und Designprinzipien erfahren? Lesen Sie, was Building Information Modeling ist und wie es Ingenieuren und Architekten gleichermaßen hilft. Dieser Artikel wurde ursprünglich 2019 veröffentlicht. Er wurde mit neuen Informationen aktualisiert.