Mit der Finite Element Methode (FEM), können komplizierte Bauteile,
sowie ganze Baugruppen auf kritische Bereiche überprüft werden. Das
Abbilden des Kriechverhaltens eines Materiales ist vor allem in der
Kunststoff-Branche von Bedeutung. Weil die Dehnung nicht nur von der
Belastung, sondern auch von der Zeit und der Temperatur abhängt, können
bei Kunststoffteilen sehr viel grössere Verformungen auftreten als bei
vergleichbaren Metallteilen.
Das Abbilden von nichtlinearem
Materialverhalten (Kriechen) in einem Bauteil ist einer der vielen
Vorteile, welche die Bauteilauslegung mittels FEM im Kunststoffbereich
bietet. Mit einer FEM-Berechnung können Materialien abgebildet werden
die grosse Dehnungen zulassen. Nebst den klassischen Kriechgesetzen,
bieten die FE-Systeme auch die Möglichkeit hyperelastische Bauteile
(Gummiteile) zu berechnen. Um eine FEM Berechnung durchführen zu
können, müssen unter Anderem möglichst gute Materialdaten vorhanden
sein. Da in den meisten Fällen die Materialdaten nicht einfach
verfügbar sind, müssen oft Messungen zur Bestimmung der
Materialparameter durchgeführt werden.
Mit der
Finite-Element-Methode können nebst den einfachen Lastfällen wie
Biegung, Zug, Druck Torsion etc. auch komplizierte Lastfälle schnell
und zuverlässig abgebildet werden. Ein weiterer Vorteil ist das
Abbilden von komplexen Geometrien, die mit herkömmlichen Mitteln nicht
mehr zu berechnen sind. Nebst den klassischen Randbedingungen wie
Momente, Kräfte und Druckbelastungen, können auch Wärmespannungen
infolge Wärmedehnung und Schraubenvorspannungen simuliert werden. Ein
spezielles Augenmerk wird oft auf Kerbspannungen gelegt. Vor allem bei
Faserverstärkten oder amorphen Kunststoffen sind Kerbspannungen öfter
ein Thema als bei teilkristallinen Kunststoffen. Der Einfluss einer
Kerbe kann dazu führen, dass in einem bestimmten Bereich die zulässige
Spannung bei weitem überschritten wird.
Neben den statischen
Strukturanalysen, kann mittels der Strukturdynamik das Verhalten von
Bauteilen unter Einwirkung dynamischer Beanspruchungen überprüft
werden. Wichtige Stichwörter sind hier die Bestimmung von
Eigenfrequenzen (Modalanalysen) und das Durchführen von transienten
Analysen. Bei einer transienten Analyse wird das Teil durch eine
äussere, zeitabhängige Last in Schwingung gebracht und die Antwort des
Teiles bestimmt. Daraus können die Spannungen und Deformationen am
Bauteil oder ganzen Baugruppen sichtbar gemacht werden.
Eine
FE-Analyse als Bauteilsimulation sollte möglichst früh in der
Bauteilgestaltung durchgeführt werden. Somit können die Komponenten
schon im Entwicklungsstadium überprüft und optimiert werden. Damit
vereinfacht sich die Bauteilgestaltung, weil die kritischen Stellen
schon vor dem ersten Prototyp sichtbar gemacht und bei der
Bauteilgestaltung berücksichtigt werden können. In vielen
Anwendungsfällen soll das Bauteilgewicht bei möglichst hoher Festigkeit
und Steifigkeit reduziert werden. In solchen Fällen stösst man oft an
die Belastungsgrenzen der eingesetzten Materialien. Die
Bauteilsimulation gibt hier dem Entwickler eine gewisse Sicherheit.
Obschon die FE-Analyse die Prototypenphase nicht ersetzt, können doch
mit ihrer Hilfe optimierte Prototypen hergestellt werden. Mit gezieltem
Einsatz der FEM-Simulation, kann somit die Durchlaufzeit von der
Konstruktion bis zur Serienproduktion verkürzt werden. | |
