Statik und Dynamik

Die klassische FEM Analyse, d.h. die Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode, dient hauptsächlich der Festigkeitsberechnung und beschäftigt sich mit statischen und quasi-statischen Problemstellungen. Spannungen und Verformungen an Strukturen oder Maschinenbauteilen aufgrund statischer oder dynamischer Belastungen werden unter dem Ansatz kleinster Verformungen bei zumeist linearer Material- und Kontaktformulierung ermittelt und ermöglichen eine gezielte konstruktive Auslegung und Optimierung von Strukturen und Tragwerken sowie Bauteilen und Produkten.

Neben der Strukturmechanik gehört beispielsweise die Modal- oder auch Eigenfrequenzanalyse sowie im Fahrzeugbau die sogenannte NVH Betrachtung (Noise, Vibration, Harshness) in diesen Bereich.

In der Analyse der Statik und Dynamik kommen in der Regel implizite Programme zum Einsatz, mitunter bietet aber auch hier der Einsatz expliziter Methoden Vorteile.

Crash und Kurzzeitdynamik

Die explizite CAE Berechnung und Crash Simulation basiert ebenfalls auf der Finite-Elemente-Methode, beschäftigt sich jedoch im Wesentlichen mit hochtransienten bzw. hochdynamischen Abläufen. Solche Szenarien aus der Kurzzeitdynamik ergeben sich beispielsweise bei Unfällen oder Maschinenschäden. Hier ermöglicht die Crash Simulation die detaillierte Analyse von Ursache und Wirkung dieser oft komplexen Prozesse.

Neben der Abbildung hochdynamischer Vorgänge liegt eine weitere Stärke der expliziten Simulation in der Behandlung vielschichtiger Kontaktsituationen, d.h. in der Abbildung der komplexen Interaktionen einzelner Bauteile.

Ein weiterer hochgradiger nichtlinearer Effekt neben nichtlinearen Kontaktsituationen ergibt sich aus den Materialeigenschaften. Die explizite Simulation ermöglicht über den linear-elastischen Bereich der Werkstoffe hinaus ein Erfassen des nichtlinearen, plastischen Spannungs-/Dehnungsverhaltens auch unter Berücksichtigung weiterer Eigenschaften wie Dehnratenabhängigkeit, dynamischer Verfestigung, Mehrachsigkeit (Triaxialität) sowie Temperaturabhängigkeit. Mit diesen Ansätzen können über den linear-elastischen Bereich der statischen Analyse hinaus komplexe und hochgradig nichtlineare Belastungen von Strukturen in ihrem Verformungs- und Versagensverhalten bis hin zum Bruch betrachtet werden.

Typische Beispiele für den Einsatz der expliziten Berechnung sind der Crashtest im Fahrzeugbau und der Containment Lastfall bei Turbomaschinen sowie Falltests aber auch Umformprozesse. Für quasi-statische Problemstellungen wird im Falle von hoher Nichtlinearität statt der impliziten ebenfalls die explizite Methode eingesetzt.

Für die verschiedenen Berechnungen und Simulationen setzen wir folgende Programme ein:

• LS-Dyna, Abaqus, Radioss, PAM-Crash
• Nastran, LS-Dyna, Abaqus, Ansys