Was ist FEA (Finite-Elemente-Analyse) in CAD?

IN DIESEM ARTIKEL:

• Was ist FEM (Finite-Elemente-Analyse)
• Prinzipien der Finite-Elemente-Analyse und Simulationssoftware
• Ein allgemeiner Prozess in der FEA
• Art der Finite-Elemente-Methode
• Anwendungen der Finite-Elemente-Analyse in CAD
• Warum FEM-Software nützlich ist
• Das Endergebnis

Ingenieure haben die wenig beneidenswerte Position, für die Integrität und Sicherheit aller von ihnen entworfenen Produkte und Strukturen voll verantwortlich zu sein. Kleine Fehler im Design führen oft zu drohenden Katastrophen (die häufig vor Gericht gehen und gerichtlich verhandelt werden).

Aus diesem Grund durchlaufen Produkte und Strukturen eine Reihe von Belastungstests und Optimierungen, bevor sie in der realen Welt eingesetzt werden. Aber dies über Hunderte von Iterationen (und Skalierung) zu tun, kann unerschwinglich teuer sein. Daher wenden sich Ingenieure häufig Simulationsmodellierungstechniken (wie der Finite-Elemente-Analyse) zu, um diese Tests zu automatisieren und zu vereinfachen.

Dies trägt dazu bei, die Verwendung von Materialien für das iterative Prototyping zu reduzieren, die andernfalls bei der Aktualisierung verwendet würden.

Die Finite-Elemente-Analyse ist eine der gebräuchlichsten Techniken, die von Ingenieuren und CAD-Designern verwendet wird, um „Belastungen“ für ihre Konstruktionen zu simulieren.

Was ist FEA (Finite-Elemente-Analyse)?

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine numerische Technik, die zur Lösung technischer Probleme mit einer Reihe von physikbasierten Berechnungen verwendet wird.

Beispielsweise muss ein Ingenieur, der eine Brücke entwirft, das Verhalten der Struktur unter Last vorhersagen. Das Gleichungssystem, das die Verteilung struktureller Spannungen beschreibt, kann bekannt sein, kann aber nicht einfach (oder direkt) für eine komplizierte Struktur wie eine Brücke gelöst werden.

Daher muss das System in kleine Elemente (die „finiten Elemente“) zerlegt werden, deren Berechnungen einfach durchgeführt und gelöst werden können.

Finite Elemente können ein-, zwei- oder dreidimensional sein.

Prinzipien der Finite-Elemente-Analyse und Simulationssoftware

Die Finite-Elemente-Methode wird im Allgemeinen in der FEA verwendet, um Näherungslösungen von Grenzproblemen (Feldproblemen) im Ingenieurwesen zu berechnen.

„Das Feld“ repräsentiert normalerweise eine physische Struktur als Hauptdomäne.

„Feldvariablen“ sind die interessierenden Variablen, die von einer Differentialgleichung bestimmt werden. Sie müssen eine Randbedingung für bestimmte Werte der Variablen (oder verwandter Variablen) erfüllen

Ein „Knoten“ ist ein bestimmter Punkt auf dem finiten Element, der den Wert der Feldvariablen enthält – der normalerweise explizit berechnet wird. Diese Werte werden dann verwendet, um Werte an Nicht-Knotenpunkten durch Interpolation von Werten an den Knoten mithilfe von Formfunktionen zu berechnen.

Ein allgemeiner Prozess in der FEA

1. Vorverarbeitung für die Fertigung

In dieser Phase müssen Sie das Domänenproblem, die Materialeigenschaften, die geometrischen Eigenschaften, das Netzmodell, die Randbedingungen und die Elementtypen definieren. Typischerweise vereinfacht der Techniker in dieser Phase das Problem so weit wie möglich, um schnelle und dennoch genaue Ergebnisse zu erhalten.

Beispielsweise kann ein CAD-Modell vor der Simulation viele Verrundungen, Löcher oder andere Merkmale aufweisen, die für die Simulation nicht wesentlich sind – aber Merkmale, die Rechenressourcen in Anspruch nehmen und die Renderzeiten verlängern. Ingenieure entfernen diese Funktionen normalerweise, um ihre Simulationen zu beschleunigen.

Dies kann manuell erfolgen (mit Designern, die diese Features nacheinander entfernen) – oder automatisch mit CAD-Defeaturing in der Spatial-Software. Ein großer Vorteil der Automatisierung dieses Prozesses ist die Reduzierung menschlicher Fehler.

Die 3D-InterOp- und Modeler-Lösungen von Spatial ermöglichen die Feature-Erkennung und einfaches Defeaturing

2. Lösung

Hier werden Berechnungen für die unbekannten Werte der Feldvariablen durchgeführt. Sie können diese Werte verwenden, um abgeleitete Variablen wie Spannungen und Reaktionskräfte zu berechnen.

3. Nachbearbeitung

Sortieren, Plotten und Drucken sind die letzten Aktivitäten, bei denen Ihre ausgewählten Ergebnisse als Lösungen für Ihre Finite-Elemente-Analyse implementiert werden.

Arten der Finite-Elemente-Methode

Mängel bei der FEA-Modellierung für einige Bereiche (wie z. B. Strömungsmechanik) haben mehrere Verbesserungen des Lösungsprozesses erfordert, während gleichzeitig die Vielfalt bei der Anwendung der Finite-Elemente-Analyse erhöht wurde.

Einige der gebräuchlichsten Typen sind:

• Die erweiterte endliche Methode (XFEM)

Probleme wie Schadensbruch oder Versagen können nicht direkt mit der Finite-Elemente-Methode behandelt werden.

XFEM – das die Galerkin-Methode und Heaviside-Schrittfunktionen verwendet – ermöglicht die Erweiterung von Formfunktionen. Den Knoten werden jeweils zusätzliche Freiheitsgrade an den Diskontinuitätspunkten zur Berücksichtigung gegeben.

• Die verallgemeinerte Finite-Elemente-Methode

Bei diesem Typ werden Formfunktionen mit der Partition der Einheit multipliziert, während sie durch globale Koordinaten definiert werden. Dies verhindert ein erneutes Vernetzen, während Sie lokale Elementfunktionen bilden können.

Anwendungen der Finite-Elemente-Analyse in CAD

FEA gehört zu den leistungsstärksten und am häufigsten verwendeten Funktionen in der CAD-Konstruktion.

Es ist ein integraler Bestandteil von CAD zur Analyse eines Objekts durch die Verwendung von finiten Elementen, die kleine rechteckige und dreieckige Formen umfassen. Um das gesamte Objekt zu analysieren, wird jedes finite Element im gesamten Objektnetzwerk analysiert, und die Ergebnisse werden kombiniert, um das Gesamtverhalten eines komplexen Objekts darzustellen. Jedes Element kann auf bestimmte Eigenschaftsschwellenwerte wie Spannung-Dehnung, Dynamik, thermische Eigenschaften oder andere Eigenschaften (je nachdem, wo es angewendet wird) analysiert werden.

In einem CAD-Workflow können Sie jedes Element und jede Netzwerkstruktur so definieren, wie Sie es in Ihrem Design benötigen.

Warum FEM-Software nützlich ist

FEA ermöglicht es Ingenieuren, die Simulation eines entworfenen Modells durchzuführen, anstatt ein physisches Modell zu Testzwecken erstellen zu müssen.

FEA bietet weitere Vorteile.

FEM während der Analyse ermöglicht die Modellierung einer Vielzahl von Materialtypen und die Möglichkeit zu überwachen, wie sich begrenzte Effekte auf einen kleinen Konstruktionsbereich in komplizierter Geometrie auswirken.

Ingenieure können auf die Finite-Elemente-Modellierung spezialisierte Software für eine Vielzahl von Aufgaben verwenden.

Fluiddynamik, Verformung eines Fahrzeugs durch Kollision und Belastung menschlicher Knochen sind einige der praktischen Anwendungen von Finite-Elemente-Modellierungssoftware durch Ingenieure.

Das Endergebnis

FEA ist prädiktiv, aber nicht bestätigend.

Es stellt nicht sicher, dass eine Konstruktion den simulierten Belastungen mit Sicherheit standhält. Es gibt Ingenieuren nur einen Überblick darüber, wie das Design auf die auferlegten Belastungen reagieren kann, während die Kosten für physische Tests gesenkt werden.

Für die allgemeine FEA-Erfahrung gibt es eine Reihe von CAD-Software mit dieser Funktion, die Ihnen helfen könnte, bessere und genaue Strukturen in welchem ​​Bereich des Ingenieurwesens Sie auch immer zu entwerfen.