KONSTRUKTION
Finite Elemente Methode (FEM)
Die finite Elemente Methode ist ein Verfahren zur Lösung von z.B Festkörperproblemen. Grundkonzept ist dabei die Zerlegung komplexer Bauteile in eine beliebige, aber endliche Anzahl berechenbarer Teilgebiete (die finiten Elemente).
Für verschiedene Anwendungsfälle und Teildisziplinen stehen dem Berechnungsinterieur eine Vielzahl von Elementtypen zur Verfügung (z.B 1D-, 2D- oder 3D- Elemente, mit oder ohne Zwischenknoten).
Für jedes Element wird eine aus Strukturmechanik hergeleitete Bewegungsgleichung aufgestellt. Das resultierende Gleichungssystem wird mittels numerischer Verfahren gelöst und interessierende Größen (z.B Steifigkeit, Spannung, Dehnung, Schnitt- und Lagerkräfte etc.) aus den berechneten Verschiebungen rückgerechnet. Das Verfahren kann analog auch auf Feldprobleme z.B aus Bereichen der Fluidmechanik (Strömungsberechnung) und Elektromechanik angewandt werden.
In der Automobilentwicklung sind FE- Berechnungen inzwischen unverzichtbares Werkzeug in den Bereichen Aerodynamik, Fahrzeugsicherheit (Crashberechnung), Komfort und Steifigkeit (NVH- und Festigkeitsberechnung) etc.
In der Preprozessingphase werden die geometrischen und physikalischen Randbedingungen abgebildet und definiert.
Im Wesentlichen:
Vernetzung der Bauteile mit finiten Elementen
Definition wesentlicher Materialeigenschaften (Dichte, E- Modul, Querkontraktion, Dämpfung, etc.)
Definition der Zwangsbedingungen und äußeren Kräfte (Lagerungen, Kontakte, Schwerkraft- und Geschwindigkeitsfeld, Belastungskraft, etc.)
Übliche Preprozessoren im Automotive- Bereich sind u.a.:
ANSA, MEDINA-PRE, HYPERMESH, GENERATOR, etc.
In der Solver- Phase wird das gestellte Problem nummerisch gelöst. Typische Berechnungssolver im Automotive- Bereich sind (je nach Problemstellung) u.a.: NASTRAN, ABAQUS, PAMCRASH, LS-DYNA, etc.
Man unterscheidet üblicherweise FE- Berechnungen in die Disziplinen statisch, dynamisch, linear und nichtlinear
Ziel der Berechnung mittels FEM ist es, bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses wesentliche Eigenschaften des Fahrzeuges und der Komponenten (z.B des Sitzes) vorherzusagen.
Damit wird lange vor der Verfügbarkeit erster Prototypen des Steifigkeits-, Schwingungs- und Crashverhalten der Konzepte prognostizierbar.
Eine simulationsgetriebene Entwicklung zeichnet sich durch hohe Planungssicherheit, Geschwindigkeit und geringere Entwicklungskosten aus. Mögliche Fehlentwicklungen werden frühzeitig erkannt und vermieden.
Durch den ständigen Abgleich der Berechnungen mit Versuchsergebnissen und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Simulationsmethodik werden die Prognosen der Berechnung immer robuster. Zukünftige Anforderung an eine Entwicklung wird eine weitere Verkürzung der Entwicklungszeit bei gleichzeitig reduzierten Kosten sein. Das Ersetzen von Prototypenversuchen durch virtuelle Baustufen mit einer Entwicklungsabsicherung durch FEM wird eine Möglichkeit dazu sein.
Eine aktuelle Erweiterung im Bereich der Simulation ist im Bereich Komfort zu sehen. Hier werden zusätzlich zur bereits relevanten Modalanalyse Modelle entwickelt, die eine Komfortauslegung bereits vor dem ersten Prototyp ermöglichen sollen.