Einführung FEM Simulation im Unternehmen: Was gibt es zu beachten?
Für viele Unternehmen macht es Sinn, die Simulation mit der Finite Elemente Methode (FEM) einzuführen. Die Vorteile liegen auf der Hand:
- Es wird viel neues Wissen aufgebaut.
- Das Know-how bleibt im Unternehmen.
- Einfacher und schneller Informationsfluss.
Es gibt inzwischen in fast jedem 3d-CAD-System einen Programmteil zur FEM-Berechnung. Diese sind oft ausreichend, zumindest für die ersten Berechnungen. Viel wichtiger als die Software, sind andere Fragen, die man sich vor dem Einstieg stellen sollte.
Was möchte ich simulieren?
Es können mit FEM viele verschiedene physikalische Phänomene simuliert werden. Aber nicht jede Software kann alles abbilden, die meisten jedoch Verformungen, Spannungen, Eigenfrequenzen und Temperaturen. Für andere Simulationen, wie Strömungsanalyse oder große Verformungen werden spezialisierte Programme benötigt.
Welche Aussagen möchte ich mit den Simulationsergebnissen treffen?
Das klingt erst einmal trivial – Ich möchte ein Bauteil oder eine Baugruppe berechnen. Aber welche Aussagen möchte ich wirklich am Ende der Simulation erhalten?
Eine FEM-Analyse liefert Zahlenwerte, beispielsweise Verformungen, Spannungen, Temperaturen, Eigenfrequenzen, Geschwindigkeiten, Volumenströme und vieles mehr. Aber die Simulation macht keine Aussage darüber, ob die Ergebnisse in Ordnung sind oder nicht.
Verformungen von Einzelbauteilen sind meist eindeutig. Schwieriger ist eine Aussage bei Spannungsergebnissen. Die FEM liefert beispielsweise eine Spannung von 150 MPa. Ist diese Beanspruchung noch zulässig? Das muss der Benutzer selbst entscheiden, das heißt bewerten, um eine Aussage über die Lebensdauer oder die statische Festigkeit treffen zu können. Und dabei gibt es neben der Spannungskonvergenz im FE-Modell noch viele Einflüsse, wie Werkstoff, Oberfläche, Lastkollektiv und ähnliches. Schweißnähte sind wiederum anders zu bewerten als ungeschweißte Kerbstellen.
Oft gibt es Hilfsmittel wie Richtlinien, Normen, physikalische Grenzen oder firmeninterne Regeln, um genauere Aussagen zu treffen. Auch dabei kann die Berechnungssoftware helfen, aber die detaillierten Parameter muss der Anwender wissen und beurteilen können.
So ist für jede Berechnungsdisziplin eigenes Know-how notwendig.
Wie können die Ergebnisse überprüft werden?
Um bei der Spannungsberechnung zu bleiben: Selbst, wenn Spannung auch nach einer Richtline oder Norm bewertet werden können, stellt sich trotzdem meist die Frage nach der Größe des Anwendungsfaktors oder der notwendigen Sicherheit bzw. Auslastung. Deshalb ist eine Verifikation der gesamten Auslegungsmethodik wichtig.
Klassisch werden Simulation und Bewertung mit Versuchen abgeglichen. Ist dies nicht möglich, da die Bauteile zu groß und zu teuer sind, kann man sich auch durch Nachrechnung von Schadensfällen und ausgeführter Bauteile an die Grenzen annähern.
Welche Probleme können bei der Modellierung entstehen?
Am Anfang steht immer die Frage, wie detailliert ein Modell sein muss, um die gewünschte Simulationsaussage zu bekommen. Werden alle Bauteile einer Baugruppe berücksichtigt, also inklusive Schrauben, Unterlagscheiben, Dichtungen usw., wird es schwierig, die Randbedingungen und Kontakte richtig zu erstellen. Das hat dann häufig zur Folge, dass kein oder ein falsches Ergebnis berechnet wird. Oder dass das Ergebnis nicht mehr nachvollziehbar ist. Und die Berechnungszeiten werden sehr lang, so dass Variantenberechnungen aufwändig werden.
Deshalb muss die Devise lauten, das Modell so einfach wie möglich zu halten und gegebenenfalls nach und nach die Komplexität zu steigern.
Bei der Modellierung müssen immer Randbedingungen gesetzt und Lasten aufgebracht werden. Randbedingungen schränken die Freiheitsgrade ein, so dass ein Bauteil an diesen Stellen in eine oder mehrere Richtungen festgehalten wird. Werden zu wenige Freiheitsgrade fixiert, kann die Software das Problem nicht lösen, sind es zu viele, können die Ergebnisse verfälscht sein. Bei der Belastung kann es sinnvoll sein, einen zusätzlichen Körper zur korrekten Lasteinleitung zu berücksichtigen.
Nach der Berechnung müssen die Ergebnisse immer geprüft werden. Sind die Verformungen, Spannungsverläufe, Temperaturverläufe, Eigenformen oder was auch immer plausibel? Sind Spannungen an der kritischen Stelle konvergiert? Verhalten sich die Kontakte korrekt? Sind die Reaktionskräfte der Randbedingungen wie erwartet?
Fazit
Für Unternehmen bringt die Simulation mit FEM große Verbesserungen bei der Auslegung. Es ist aber leider nicht damit getan, eine Software zu beschaffen und die Modelle aus dem CAD einfach automatisch zu vernetzen, ein paar Randbedingungen zu setzen und Lasten aufzubringen.
Es gibt auf dem Weg zur benötigten Simulationsaussage einige Stolperstellen. Deshalb macht es Sinn, bei der Einführung der FEM Simulation, sich Zeit für die Erarbeitung einer sicheren Methodik zu nehmen und diese dann zu überprüfen. Dieses Vorgehen sollte dann immer vergleichbar angewendet werden.
Bei der Erarbeitung Ihrer Simulationsmethodik für Ihr spezifisches Produkt kann ich Sie unterstützen. Mein Ziel ist es, dass Sie möglichst schnell selbst effiziente Simulationen durchführen und Ihre Produkte verbessern.
