Statische Analysen

Bei einem statisch oder quasi-statisch belasteten Bauteil können die sich einstellenden Spannungen und Verformungen mit Hilfe von statischen Finite-Elemente-Analysen berechnet werden. Die so berechneten Werte können mit zulässigen Werkstoffkennwerten verglichen werden, um eine Aussage über die Betriebssicherheit treffen zu können.

Bereits in der frühen Konzept- oder Entwicklungsphase können eventuell vorhandene Schwachstellen durch unsere Ingenieure an virtuellen Prototypen erkannt werden. Falls Schwachstellen gefunden werden, können diese zeitnah und kosteneffizient durch abgeleitete Maßnahmen direkt im Berechnungsmodell optimiert werden.

Je nach Fragestellung wird die Komplexität der Modelle variiert – von der ersten Analyse eines einfachen Bauteils ohne speziellen Festigkeitsnachweis bis hin zur Analyse einer komplexen Baugruppe unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten (Material, Kontakt, große Verformungen) und Schraubenvorspannung.

Nachfolgend sind einige Analyseoptionen aufgeführt:

Kontaktmodelle

Zur möglichst realitätsnahen Abbildung des Kraftflusses in einer Baugruppe wird die Verbindung der Bauteile mit der Definiton von nichtlinearem Kontaktverhalten abgebildet. So können die Komponenten voneinander abheben und aufeinander gleiten, jedoch ist ein gegenseitiges Durchdringen nicht möglich. Kontakt kann mit oder ohne Reibung modelliert werden.

Kontaktmodelle werden typischer Weise bei der Analyse von Schraubverbindungen, Pressverbänden, Dichtungen und Formschlüssen eingesetzt.

Werkstoffmodelle

In einer FEM-Berechnung können verschiedene Werkstoffmodelle verwendet werden. Die einfachste Analyse erfolgt mit linear-elastischem Materialverhalten, bei dem die Spannungen immer proportional zu den auftretenden Dehnungen sind. Je nach Anforderungen kann auch ein plastisches Materialmodell implementiert werden, bei wechselnden Lasten auch unter Berücksichtigung des Bauschinger Effekts.

Bei der Analyse von Kunststoffen, Elastomeren und Schäumen werden entsprechende Matieralmodelle definiert, z.B. hyperelastisches oder viskoelastisches Material.

Stabilitätsprobleme (Beulen, Knicken)

Wenn eine Konstruktion oder deren Komponenten auf Druck belastet werden, können Stabilitätsprobleme auftreten. Bei einer kritischen Last verliert die Struktur ihre Stabilität und beult aus bzw. knickt, noch bevor die linearelastische Tragfähigkeit erreicht ist. In einer Festigkeitsanalyse wird daher neben den auftretenden Spannungen auch die Beul- bzw. Knicksicherheit überprüft.

Mit Hilfe einer linearen Beulanalyse können rechnerisch Beul- bzw. Knicklasten berechnet werden. Bei einer nichtlinearen Beulanalyse können zusätzliche Nichtlinearitäten wie große Verformungen, Theorie 2. Ordnung, Kontakt und plastisches Materialverhalten berücksichtigt werden. Das Beulen wird stark durch Imperfektionen beeinflusst, daher können diese optional bei der Analyse aufgegeben und berücksichtigt werden.

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