FEA verstehen: Finite-Elemente-Analyse in CAD – Prinzipien, Anwendungen & Software

IN DIESEM ARTIKEL:

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

Ingenieure befinden sich in der unerbittlichen Position, vollständig für die Integrität und Sicherheit aller von ihnen entworfenen Produkte und Strukturen verantwortlich zu sein. Kleine Designfehler führen oft zu unmittelbaren Katastrophen (die häufig vor Gericht landen und verhandelt werden).

Deshalb durchlaufen Produkte und Strukturen eine Reihe von Belastungstests und Optimierungen, bevor sie in der realen Welt eingesetzt werden. Dies über hunderte von Iterationen (und im Maßstab) zu tun, kann jedoch prohibitiv teuer sein. Daher greifen Ingenieure oft auf Simulationsmodellierungstechniken (wie Finite-Elemente-Analyse) zurück, um diese Tests zu automatisieren und zu vereinfachen.

Dies hilft, den Materialverbrauch für iteratives Prototyping zu reduzieren, der andernfalls in der Realisierung verwendet würde.

Finite-Elemente-Analyse ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken von Ingenieuren und CAD-Designern, um „Spannung“ auf ihren Designs zu simulieren.

Was ist FEA (Finite-Elemente-Analyse)?

Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine numerische Technik, um Ingenieurprobleme mit einer Reihe physikbasierter Berechnungen zu lösen.

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

Daher muss das System in kleine Elemente (die „endlichen Elemente“) zerlegt werden, deren Berechnungen leicht gemacht und gelöst werden können.

Endliche Elemente können eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional sein.

Prinzipien der Finite-Elemente-Analyse und Simulationssoftware

Die Finite-Elemente-Methode wird in der FEA allgemein verwendet, um approximative Lösungen von Randwertproblemen (Feldproblemen) im Ingenieurwesen zu berechnen.

„Das Feld“ stellt normalerweise eine physikalische Struktur als Hauptdomäne dar.

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

Ein „Knoten“ ist ein spezifischer 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-knotigen Punkten durch Interpolation der Werte an den Knoten mithilfe von Formfunktionen zu berechnen.

Ein allgemeiner Prozess in FEA

1. Vorverarbeitung für die Fertigung

In dieser Phase müssen Sie das Domänenproblem, Materialeigenschaften, geometrische Eigenschaften, Netzmodell, Randbedingungen und Elementtypen definieren. In dieser Phase vereinfacht der Ingenieur das Problem typischerweise so weit wie möglich, um schnelle, aber genaue Ergebnisse zu erhalten.

Zum Beispiel kann ein CAD-Modell vor der Simulation viele Fasen, Löcher oder andere Merkmale haben, die für die Simulation nicht wesentlich sind – aber Rechenressourcen verbrauchen und Rendertimes erhöhen. Ingenieure entfernen diese Merkmale typischerweise, um ihre Simulationen zu beschleunigen.

Dies kann manuell erfolgen (indem Designer diese Merkmale einzeln entfernen) – oder automatisch mittels CAD-Defeaturing auf Spatial-Software. Ein großer Vorteil der Automatisierung dieses Prozesses ist die Reduzierung menschlicher Fehler.

Spatials 3D InterOp und Modeler-Lösungen ermöglichen Feature-Erkennung und einfaches Defeaturing

2. Lösung

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

3. Nachbearbeitung

Sortieren, Plotten und Drucken ist der letzte Satz von Aktivitäten, bei dem Ihre ausgewählten Ergebnisse als Lösungen für Ihre Finite-Elemente-Analyse implementiert werden.

Typen der Finite-Elemente-Methode

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

Einige gängige Typen sind:

• Die erweiterte Finite-Elemente-Methode (XFEM)

Probleme wie Schädigung, Bruch 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 zusätzliche Freiheitsgrade an den Diskontinuitätspunkten zur Berücksichtigung gegeben.

• Die verallgemeinerte Finite-Elemente-Methode

Bei diesem Typ werden Formfunktionen mit der Partition-of-Unity multipliziert, während sie durch globale Koordinaten definiert sind. Dies verhindert Re-Meshing, während lokale Elementfunktionen gebildet werden können.

Anwendungen der Finite-Elemente-Analyse in CAD

FEA ist eine der leistungsstärksten und am häufigsten verwendeten Funktionen im CAD-Design.

Es ist integraler Bestandteil von CAD für die Analyse eines Objekts durch den Einsatz von endlichen Elementen, die kleine rechteckige und dreieckige Formen umfassen. Um das gesamte Objekt zu analysieren, wird jedes endliche Element im gesamten Objektnetzwerk analysiert, und die Ergebnisse werden kombiniert, um das Gesamtverhalten eines komplexen Objekts darzustellen. Jedes Element kann auf bestimmte Eigenschwellenwerte wie Spannung-Dehnung, Dynamik, thermische Eigenschaften – oder andere Eigenschaften (je nach Anwendungsbereich) analysiert werden.

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

Warum FEA-Software nützlich ist

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

FEA bietet weitere Vorteile.

FEM während der Analyse ermöglicht die Modellierung einer Vielzahl von Materialtypen und die Fähigkeit, zu überwachen, wie begrenzte Effekte einen kleinen Bereich des Designs in komplexer Geometrie beeinflussen.

Ingenieure können Software verwenden, die für Finite-Elemente-Modellierung spezialisiert ist, für eine breite Palette von Aufgaben.

Strömungsdynamik, Verformung eines Fahrzeugs bei Kollision und Spannung an menschlichen Knochen sind einige praktische Anwendungen von Finite-Elemente-Modellierungssoftware durch Ingenieure.

Das Fazit

FEA ist vorhersagend, aber nicht affirmativ.

Sie stellt nicht sicher, dass ein Design den simulierten Belastungen mit Sicherheit standhält. Sie gibt Ingenieuren nur einen Einblick, wie das Design auf die auferlegten Belastungen reagieren könnte, während die Kosten physischer Tests gesenkt werden.

Für das gesamte FEA-Erlebnis gibt es eine Reihe von CAD-Software mit dieser Funktion, die Ihnen helfen könnte, in welchem Ingenieurbereich Sie auch immer tätig sind, bessere und genauere Strukturen zu entwerfen.