Labor Finite-Elemente-Methode

Zweck des Labors

Die Methode der Finiten-Elemente dient in der industriellen Produktentwicklung als Berechnungsverfahren zur Lösung komplexer Probleme der Statik, Festigkeit, Dynamik und Thermodynamik. Während sich früher ausschließlich Spezialisten dieser Methode unter Verwendung von Großrechenanlagen bedienten, so nutzen heute in modernen Unternehmen Konstruktionsingenieure FEM in Verbindung mit CAD als effektives Werkzeug zur Problemlösung. Dies erfolgt auf leistungsstarken Personal Computern (PC) und Arbeitsplatzrechnern (Workstations) mit 3D-Grafiksystemen. Um dieser Entwicklung gerecht zu werden, müssen in einer praxisnahen Ausbildung den Studierenden die Grundlagen der Methode und das Arbeiten mit FEM-Programmen vermittelt werden.

Zweck des Labors

Lehre

Durchführung von Vorlesungen und Praktika zur Anwendung der Finite-Elemente-Methode im Rahmen der Lehrveranstaltungen "FEM und Betriebsfestigkeit", "Numerische Lösungsverfahren" und  "Maschinendynamik".

Abschlussarbeiten

Abschluss- und Studienarbeiten, anwendungsorientierte Projektberchnung:

In den vergangenen Semestern wurde eine Vielzahl von Projekten mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode bearbeitet. Neben der statischen oder dynamischen Berechnung und der darauf basierenden Beurteilung konkreter Bauteile, wurden auch Projekte aus den Bereichen Wärmeübertragung und Strömungssimulation bearbeitet.

Auch zukünftig werden aus folgenden Gebieten Aufgabenstellungen bearbeitet:

  • Allgemeine Festigkeits- und Deformationsanalyse von Maschinenelementen und Tragwerken,
  • Dynamikberechnungen von Maschinenelementen und Tragwerken,
  • Kinematik und Kinetik von Getrieben und Systemen,
  • Anwendung der FE-Methode auf Temperaturfeldprobleme,
  • Strömungssimulation,
  • allgemeine Feldprobleme,
  • Optimierung von Bauteilen,
  • Programmierung von Macros mit ANSYS-APDL, Schnittstellen CAD/FEM,
  • Anwendung der Boundary-Elemente-Methode.

Projektbearbeitung

FE-Modell Federhalterung
FE-Modell Federhalterung
Vergleichsspannungen
Vergleichsspannungen
Fahrradrahmen
Fahrradrahmen
Fahrradrahmen (Tretlager)
Fahrradrahmen (Tretlager)
Rotationsquerschneider
Rotationsquerschneider
Kontaktgeber
Kontaktgeber
Dentalimplantat
Dentalimplantat
Federelement einer PC-Tastatur
Federelement einer PC-Tastatur

Laborübergreifende Unterstützung

Ferner erfolgt bei Projekten, die an der Hochschule durchgeführt werden, eine laborübergreifende Unterstütung: u.a. bei Projekten aus den Bereichen Entwicklung und Konstruktion, Werkstofftechnik, Antriebstechnik, Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen.

Technologietransfer

In Zusammenarbeit mit der Industrie erfolgt auf den obengenannten Gebieten ein Technologietransfer.

Laboreinrichtung

Hardware

Dell Precision Workstations mit 2 bis 6 Kern-Prozessoren und Arbeitsspeicher von 4 bis 32 GB, Betriebssystem MS Windows 7 64bit.

Für speicher- und rechenleistungsintensive Anwendungen steht ein 4-Sockel-Rack-Server mit jeweils 8-Kernen und ausreichend Arbeitsspeicher zur Verfügung, der aus Studienbeiträgen finanziert wurde.

Software

ANSYS
Link zu Ansys

ist eine FEM-Software für Statik, Dynamik und Temperaturfeldanalyse und für Elektromagnetfeldanalyse. Große Verformungen, Material- und Strukturnichtlinearitäten (z.B. für Gummi) können berücksichtigt werden. Zur Modellierung steht eine umfangreiche Elementbibliothek mit einer Vielzahl von Elementen zur Verfügung. Leistungsfähige Pre- und Postprozessoren erleichtern die Modellerstellung und die Ergebnisauswertung.
Das Programm bietet in Verbindung mit ANSYS CFX die Möglichkeit, gekoppelte Fluid-Struktur-Berechnungen durchzuführen.

ANSYS Workbench
ANSYS Workbench Environment ist die CAE Benutzerumgebung der neuen Generation und zentraler Bestandteil des neuen Simulationskonzeptes von ANSYS. Workbench zeichnet sich durch eine einfach zu bedienende Oberfläche, durch stabile CAD-Importfunktionen und leistungsfähige Vernetzungsalgorithmen aus. Zudem erlaubt Workbench das Einbinden von ANSYS Kommandos und ermöglicht vor allem eine schnellere Lösung einfacher Standardberechnungen.

LS-DYNA

Das FEM-Berechnungsprogramm LS-DYNA ermöglicht die Simulation und Untersuchung hochgradig nichtlinearer physikalischer Vorgänge am Computer. Es geht hier um Vorgänge, bei denen große Deformationen in einem relativ kurzen Zeitbereich entstehen, wie Automobil-, Flugzeug-, Schiffs- oder Eisenbahncrash, aber auch der Aufprall von Komponenten und Produkten. Produktionsprozesse, vor allem aus dem Bereich der Umformung, sind ein weiteres Anwendungsgebiet für LS-DYNA.

ANSYS ICEM CFD

ICEM CFD ist ein Softwareprodukte im Bereich der 3D-Gittergenerierung für Computational Fluid Dynamics (CFD). Auch in der Strukturmechanik kann ANSYS ICEM CFD eingesetzt werden. Das Programm bietet die Möglichkeit zur Erstellung von hybriden Rechengittern mit Hexaeder- Tetraeder-, Prismen- und Pyramidenelementen.

ANSYS CFX

Software zur numerischen Strömungsberechnung von dreidimensionalen reibungsbehafteten Strömungen mit Wärmeübergang in komplexen Geometrien. Die CFX-Progammungebung unterstützt alle Arbeitsschritte, die für die Durchführung einer Strömungssimulation notwendig sind, wie z.B. Geometrie- und Datenimport, Vernetzung, Berechnung von stationären oder zeitlich veränderlichen Lösungen sowie die Auswertung und Darstellung der Ergebnisse durch einen leistungsfähigen Postprocessor.

FEMFAT
FEMFAT

FEMFAT ist ein Programm zur Betriebsfestigkeitsberechnung von statisch und dynamisch beanspruchten Bauteilen auf Grundlage von Finite-Elemente-Berechnungsergebnissen. Die angewandten Berechnungsverfahren zur Beurteilung von FE-Ergebnissen sind der „B-Methode“ zuzuordnen, d.h. sie beruhen auf experimentellen und theoretischen Forschungsergebnissen sowie auf Modellversuchen und Betriebserfahrungen.

Die grundsätzliche Vorgehensweise basiert auf dem in der TGL und der neueren FKM-Richtlinie beschriebenen Einflussgrößenverfahren. Am FE-Knoten werden ausgehend von ungekerbten Probenfestigkeitsdaten lokale Wöhlerlinien berechnet, welche durch lokale Bauteileigenschaften und –belastungen beeinflusst werden.

Rifest Plus
IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH

Programm zum Durchführen des "Rechnerischen Festigkeitsnachweises für Maschinenbauteile" nach der FKM-Richtlinie.

Für Konstrukteure und Berechnungsingenieure im Maschinenbau gibt es seit 1994 die FKM-Richtlinie für den rechnerischen Festigkeitsnachweis. Sie entstand im Arbeitskreis Bauteilfestigkeit mit der Förderung durch das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen" Otto von Guericke".

Die Richtlinie wurde auf der Grundlage ehemaliger TGL-Standards, der früheren Richtlinie VDI 2226 und weiterer Quellen erarbeitet und auf den neuen Erkenntnisstand weiterentwickelt. Die FKM-Richtlinie

  • ist im Maschinenbau und in verwandten Bereichen der Industrie anwendbar,
  • ermöglicht den rechnerischen Festigkeitsnachweis für stabförmige, für flächenrörmige und für volumenförmige Bauteile unter Beachtung aller relevanten Einflüsse,
  • beschreibt den statischen und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis, letzteren je nach Beanspruchungscharakteristik als Dauer- oder als Betriebsfestigkeitsnachweis.

MSC.Visual Nastran 4D
Link zu MSC Visual Nastran 4D

Visual Nastran 4D repräsentiert ein Analysetool, welches sowohl kinematische und dynamische Vorgänge, als auch die hierdurch erzeugten Belastungen und Verformungen untersucht und auswertet. Einzelne Bauteile oder ganze Baugruppen mit Kontaktflächen oder Gelenken zueinander können schnell und einfach übernommen und untersucht werden. Das komplette Paket Visual Nastran 4D besteht im Prinzip aus:

- Visual Nastran Motion - realistische Bewegungs-Simulation, Kräfteermittlung
- Visual Nastran Desktop FEA - Lineare Stabilitätsanalyse, Bauteil-Optimierung

Beide Module sind in Mechanical-Desktop und Inventor integriert, die an das Analysetool übergebenen Modelle bleiben assoziativ, d.h. Änderungen im Modell werden in der Analyse berücksichtigt.

HyperWorks

ist ein Programmpacket für ein solverunabhängiges FEM-Pre und Post Processing. Das Packet beinhaltet u.a. die Unterprogramme HyperMesh für das Pre-Processing, OptiStruct für Analyse und Optimierung und HyperView für das Post-Processing.

HyperMesh ermöglicht die Generierung von FEM-Netzen aus CAD-Daten für verschiedene FEM-Solver, wie z.B. für die an der Fakultät vorhandenen Solver von ANSYS, Abaqus und LS-DYNA.

Pro/Engineer
Link zu Pro E
ist ein elementorientiertes CAD/CAM-System. Die Modelle werden mit Grundelementen wie Frästaschen, Bohrungen, Rippen, Fasen und Auszugsschrägen, etc. gestaltet. Pro/E arbeitet mit variablen Parametern anstelle von festen Maßen. Änderungen können mit weniger Aufwand als bei herkömmlichen Systemen durchgeführt werden.

Mit speziellen Schnittstellen von ANSYS besteht die Möglichkeit Geometriedaten, die in Pro/E vorliegen, direkt nach ANSYS zu exportieren.

Solid Edge

ist ein 2D/3D-CAD System und verwendet den Parasolid-Kern als Modellierkern. Dieser ist mit ANSYS direkt kompatibel. Einfache Finite-Elemente-Berechnungen lassen sich seit der Version 18 durchführen. Mit der Version ST2 über das Modul Solid Edge Simulation diese Funktionalität erweitert worden.