Ein Leitfaden für Anfänger zur Finite-Elemente-Analyse (FEA)

Die Finite-Elemente-Analyse, auch bekannt als FEA, ist die virtuelle Simulation einer physikalischen Komponente unter Verwendung einer mathematischen Technik namens Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Wurzeln der FEA reichen bis ins 16. Jahrhundert zurück, und die erste wirkliche Verwendung der FEA geht auf Schellbacks Arbeit im Jahr 1851 zurück. In den nächsten hundert Jahren wurde die FEA hauptsächlich von Mathematikern und anderen Gelehrten verwendet. Mit der Weiterentwicklung digitaler Computer begannen reale Entwicklungen von FEM in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Bauindustrie aufzutauchen.

FEA kann jetzt mehr Benutzer als je zuvor erreichen. Die heutige Finite-Elemente-Analysesoftware ist intuitiv zu bedienen, über elektronische Geräte zugänglich und unglaublich schnell und leistungsstark. Um mehr darüber zu erfahren, was FEA ist und wie es funktioniert, lesen Sie weiter.

Was ist Finite-Elemente-Analyse?

FEA ist der Prozess der Erstellung einer digitalen Simulation eines bald realen Produkts. Während die Finite-Elemente-Analyse früher erforderte, dass Sie Bleistift zu Papier brachten, findet die FEA heute in der virtuellen Umgebung eines Computerprogramms statt. Computerbasierte FEA-Software kann komplexe Geometrien und Komponenten virtuell modellieren, sodass Wissenschaftler und Ingenieure besser vorhersagen können, wie sich diese Produkte im wirklichen Leben verhalten werden.

Im Konstruktions- und Fertigungsprozess kann FEM Ihnen helfen, die physikalischen Eigenschaften eines Teils zu verstehen – wie z. B. Schlagfestigkeit, thermische Elemente und transiente Dynamik – um seine Festigkeit, Bewegung und andere Verhaltensweisen vorherzusagen. FEA kann sich auch die Eigenschaften eines bestimmten Materials unter bestimmten Bedingungen wie Durchbiegung, Vibration und anderen Stressoren vorstellen. Durch diese Vorhersagen ermöglicht Ihnen die FEM, potenzielle Leistungsprobleme zu identifizieren und Lösungen zu finden, bevor die Komponente erstellt wird.

Es gibt verschiedene Arten der Finite-Elemente-Analyse, darunter:

• Wärmetechnische Analyse :Bestimmen Sie, wie sich Temperaturschwankungen auf die Leistung der Teile auswirken
• Fluiddynamische Berechnungen :Verstehen Sie die strukturellen Auswirkungen der Dichte einer Flüssigkeit, eine Eigenschaft, die in der Öl- und Gasindustrie besonders wichtig ist
• Technische seismische Berechnungen :Prognostizieren Sie die Teileleistung bei verschiedenen Bodenvibrationen und -frequenzen
• Modalanalyse :Antizipieren Sie, wie externe erzwungene Vibrationen wie Wind oder Fahrgeschwindigkeit die Leistung des Teils beeinflussen
• Lineare statische Analyse :Wenden Sie lineare Proportionen eines Modells im kleinen Maßstab auf die Struktur in voller Größe an, um Szenarien zu antizipieren

Wie funktioniert die Finite-Elemente-Analyse?

Die Finite-Elemente-Analyse ist ein unglaublich mathematischer Prozess, also erklären wir es in Laiensprache. Einfach ausgedrückt zerlegt FEA eine komplexe Struktur in kleinere und überschaubarere Teile. Wenn Sie die Struktur in kleinere Abschnitte aufteilen, gewinnen Sie mehr Wissen darüber, wie die größere Struktur auf Stressoren reagiert.

Der erste Schritt des FEA-Prozesses besteht darin, die Platzierung von Knoten auf der Struktur zu bestimmen, die einzelne Punkte auf einer 2D- oder 3D-Darstellung Ihres Entwurfs sind. Nachdem Sie Ihre Knoten oder Knotenpunkte ausgewählt haben, verbinden Sie sie, indem Sie Linien zwischen ihnen ziehen. Dadurch entsteht eine Maschenstruktur, die die endgültige Form des Designs bildet. Die vom Netz umschlossenen Regionen enthalten eine Sammlung von Finiten Elementen, daher der Name „Finite-Elemente-Analyse“.

Indem Sie die kleinen Abschnitte angehen, aus denen das Netz Ihrer Struktur besteht, können Sie genauer bestimmen, wie sich die gesamte Struktur unter bestimmten Umständen verhalten wird. Beachten Sie, dass Ihre Ergebnisse umso präziser sind, je dichter Ihre Netzstruktur ist, aber Ihre Berechnungen werden komplexer, wenn Sie Knotenpunkte hinzufügen.

Wie wird die Finite-Elemente-Analyse in der Fertigung eingesetzt?

In der Fertigung wird FEA verwendet, um die potenziellen Reaktionen einer Komponente auf externe und interne physikalische Stressoren zu bestimmen. Die Finite-Elemente-Analysesoftware wurde entwickelt, um Teilegeometrie, Material, Umgebung und andere Faktoren beim virtuellen Testen Ihrer FEA-Simulation zu berücksichtigen. Dadurch können Sie vorhersagen, wie sich eine Komponente unter erwarteten und unerwarteten Bedingungen verhält.

Da die FEA in einer virtuellen Welt existiert, kann sie den Prototyping-Prozess erheblich rationalisieren. Anstatt einen Prototyp nach dem anderen bauen zu müssen, können Sie mit der FEM eine Komponente problemlos viele Male testen und zwischen den Iterationen Änderungen vornehmen. Dadurch sparen Sie Zeit, Ressourcen, Kosten und Aufwand bei der Konstruktion eines Bauteils. Die FEA-Software wurde so konzipiert, dass sie so realistisch wie möglich ist, sodass diese leistungsstarken Programme die Teileleistung genau vorhersagen können.

Rapid Virtual Prototyping unterstützt durch FEM ist besonders wichtig in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Da Luft- und Raumfahrtkomponenten den extremen Belastungen des Weltraums standhalten müssen – wie Luftdruck, Trägheit, Aufprallkräfte und extrem hohe Hitze – ist es entscheidend, dass sie sehr strengen Herstellungsrichtlinien folgen. Mithilfe der FEM können Sie genau vorhersagen, wie eine Komponente auf diese extremen Bedingungen reagieren wird. FEA kann auch Jahre oder sogar Jahrzehnte der Nutzung vorhersagen, ein hilfreiches Werkzeug für Luft- und Raumfahrtkomponenten, die viele Jahre im Orbit sein könnten.

Während des gesamten Herstellungsprozesses können Sie mit FEA Zeit und Geld sparen, Energie- und Materialverschwendung reduzieren und sofortiges und genaues Feedback darüber erhalten, wie sich physische Belastung auf Ihr Bauteil auswirken könnte. Insgesamt trägt FEM zu einem schnelleren, weniger intensiven Designzyklus mit erhöhter Produktivität bei.

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