FEM-Analyse mit Inventor Nastran – Belastungen, Spannungen und Verformungen bewerten

SK-Konstruktion unterstützt Unternehmen bei der FEM-Analyse von Bauteilen und kleineren Baugruppen.

Mit Autodesk Inventor und Inventor Nastran untersuchen wir mechanische Konstruktionen unter definierten Lasten und Randbedingungen. Ziel ist es, Spannungen, Verformungen und kritische Bereiche bereits während der Entwicklung sichtbar zu machen und konstruktive Varianten gezielt miteinander zu vergleichen.

FEM-Analysen können dabei helfen, Konstruktionen besser zu verstehen, Schwachstellen frühzeitig zu erkennen und Änderungen bereits vor der Fertigung zu bewerten..

Was ist eine FEM-Analyse?

Die Finite-Elemente-Methode, kurz FEM, ist ein numerisches Berechnungsverfahren zur Untersuchung technischer Bauteile und Konstruktionen.

Dabei wird das CAD-Modell in viele kleine Berechnungselemente unterteilt. Auf Grundlage definierter Materialien, Lagerungen und Belastungen wird anschließend berechnet, wie sich das Bauteil unter den vorgegebenen Bedingungen verhält.

Je nach Aufgabenstellung können beispielsweise untersucht werden:

• Spannungen
• Verformungen
• Verschiebungen
• Reaktionskräfte
• Sicherheitsfaktoren
• unterschiedliche Belastungsfälle
• Materialvarianten
• Geometrievarianten
• thermische Einflüsse

Eine FEM-Analyse ersetzt dabei nicht automatisch einen realen Versuch oder eine vorgeschriebene Prüfung. Sie ist ein Werkzeug zur konstruktiven Bewertung und Optimierung.

Statische FEM-Analyse

Bei einer statischen Analyse werden Belastungen betrachtet, die sich während des untersuchten Zustands nicht wesentlich ändern.
Typische Fragestellungen sind beispielsweise:

• Wie stark verformt sich ein Bauteil unter einer bestimmten Last?
• Wo treten hohe Spannungen auf?
• Welche Bereiche einer Konstruktion sind besonders belastet?
• Wie wirkt sich eine Geometrieänderung aus?
• Welchen Einfluss hat eine andere Materialwahl?
• Welche konstruktive Variante verhält sich günstiger?

Statische Analysen eignen sich insbesondere für viele typische Aufgaben im Maschinenbau und in der Produktentwicklung.

Spannungen und Verformungen sichtbar machen

Ein wesentlicher Vorteil der FEM besteht darin, dass Belastungen nicht nur als einzelne Zahlen dargestellt werden.

Spannungen und Verformungen können über das gesamte Modell visualisiert werden.
Dadurch lässt sich beispielsweise erkennen:

• wo Spannungsspitzen entstehen
• welche Bereiche besonders stark belastet werden
• wo sich ein Bauteil stark verformt
• welche Geometriebereiche möglicherweise verstärkt werden sollten
• wo konstruktive Vereinfachungen möglich sein könnten

Diese Ergebnisse können anschließend direkt in die weitere CAD-Konstruktion einfließen.

Konstruktionen vergleichen und optimieren

FEM ist besonders hilfreich, wenn mehrere konstruktive Varianten miteinander verglichen werden sollen.

Beispielsweise kann untersucht werden:

Variante A → Berechnung → Ergebnis
Variante B → Berechnung → Ergebnis
Variante C → Berechnung → Ergebnis

Anhand der Ergebnisse können Unterschiede in Spannungen, Verformungen oder Materialeinsatz bewertet werden.
Dadurch können konstruktive Änderungen zielgerichteter erfolgen als ausschließlich auf Grundlage geometrischer Annahmen.

FEM bereits während der CAD-Konstruktion einsetzen

Da Konstruktion und FEM bei SK-Konstruktion eng miteinander verbunden sind, können Änderungen direkt am vorhandenen CAD-Modell vorgenommen werden.

Ein typischer Ablauf ist:

CAD-Modell → Randbedingungen definieren → FEM-Analyse → Ergebnisse bewerten → Konstruktion ändern → erneut berechnen

Dieser iterative Prozess ermöglicht es, unterschiedliche Varianten bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu untersuchen. 

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 Welche Informationen werden für  eine FEM-Analyse benötigt?

Damit eine FEM-Berechnung sinnvoll durchgeführt werden kann, müssen die tatsächlichen Randbedingungen möglichst genau bekannt sein.

Dazu gehören insbesondere:

• Bauteilgeometrie
• verwendetes Material
• Materialkennwerte
• wirkende Kräfte oder Lasten
• Lagerungen
• Befestigungen
• Kontakte zwischen Bauteilen
• relevante Bewegungsrichtungen
• besondere Betriebsbedingungen
• gegebenenfalls Temperaturbedingungen

Je genauer die tatsächliche Belastungssituation beschrieben werden kann, desto aussagekräftiger ist die Berechnung.

Materialdaten und Randbedingungen

Eine FEM-Berechnung liefert nicht automatisch ein korrektes Ergebnis, nur weil ein CAD-Modell vorhanden ist.

Besonders wichtig sind realistische Materialdaten und Randbedingungen.
Beispielsweise muss geklärt werden:

• Wo ist das Bauteil befestigt?
• In welche Richtung wirkt eine Kraft?
• Wie groß ist die Belastung?
• Ist die Belastung verteilt oder punktuell?
• Welche Bauteile können sich gegeneinander bewegen?
• Welche Kontakte bestehen zwischen einzelnen Komponenten?

Falsch angenommene Randbedingungen können zu Ergebnissen führen, die das reale Verhalten der Konstruktion nicht ausreichend abbilden.
Deshalb gehört die technische Bewertung der Randbedingungen zu den wichtigsten Schritten einer FEM-Analyse.

Vernetzung des FEM-Modells

Für die Berechnung wird die Geometrie in einzelne finite Elemente zerlegt.
Diese sogenannte Vernetzung beeinflusst die Genauigkeit und den Rechenaufwand der Analyse.

In kritischen Bereichen kann eine feinere Vernetzung sinnvoll sein, beispielsweise:

- an Übergängen
- an Bohrungen
- an Radien
- an Lastangriffspunkten
- an Kontaktflächen
- bei deutlichen Geometrieänderungen

Die Vernetzung wird deshalb abhängig von der Geometrie und der jeweiligen Aufgabenstellung gewählt.

Sicherheitsfaktoren richtig bewerten

Je nach Material und Aufgabenstellung kann aus den berechneten Spannungen ein Sicherheitsfaktor abgeleitet werden.

Dabei ist jedoch wichtig:

Ein angezeigter Sicherheitsfaktor bedeutet nicht automatisch, dass ein Bauteil für jeden realen Einsatzfall ausreichend dimensioniert ist.

Zusätzliche Faktoren können beispielsweise sein:

• wechselnde Belastungen
• Kerbwirkungen
• Fertigungstoleranzen
• Schweißverbindungen
• Materialstreuungen
• Oberflächenzustände
• Stoßbelastungen
• Temperatur
• Ermüdung
• reale Betriebsbedingungen

FEM-Ergebnisse müssen deshalb immer im Zusammenhang mit der tatsächlichen Anwendung betrachtet werden.

Thermische FEM-Analyse

Wenn Temperaturen das Verhalten eines Bauteils beeinflussen, können je nach Aufgabenstellung auch thermische Effekte betrachtet werden.

Mögliche Fragestellungen sind beispielsweise:

• Wie verteilt sich Wärme innerhalb eines Bauteils?
• Welche Temperaturbereiche entstehen?
• Wo treten besonders hohe Temperaturen auf?
• Welche Auswirkungen haben Temperaturunterschiede auf die Konstruktion?
• Wie verändert sich ein Bauteil durch thermische Ausdehnung?
• Thermische Untersuchungen können insbesondere bei Bauteilen sinnvoll sein, deren Funktion oder Maßhaltigkeit durch Temperatur beeinflusst wird.

Dynamische Betrachtungen

Bei Belastungen, die sich zeitlich verändern oder durch Schwingungen entstehen, können je nach Aufgabenstellung weitergehende Analysen erforderlich sein.

Dazu gehören beispielsweise Fragestellungen zu:

• Eigenfrequenzen
• Schwingungsverhalten
• wechselnden Belastungen
• dynamischen Lastfällen

Ob eine solche Analyse für das jeweilige Projekt sinnvoll und mit den verfügbaren Modellen belastbar durchführbar ist, sollte vorab anhand der Aufgabenstellung bewertet werden.

FEM bei Baugruppen

Neben Einzelteilen können auch kleinere Baugruppen untersucht werden.
Dabei gewinnen zusätzlich die Kontakte zwischen den einzelnen Komponenten an Bedeutung.

Beispiele sind:

• verschraubte Bauteile
• gelagerte Komponenten
• miteinander verbundene Konstruktionen
• Aufnahmen und Halterungen
• Rahmen und Gestelle

Je komplexer eine Baugruppe wird, desto wichtiger ist eine realistische Definition der Kontakte und Randbedingungen.

FEM im Maschinenbau

Im Maschinenbau kann eine FEM-Analyse beispielsweise bei folgenden Bauteilen und Konstruktionen sinnvoll sein:

• Halterungen
• Träger
• Rahmen
• Gestelle
• Aufnahmen
• Vorrichtungen
• Maschinenbauteile
• Verbindungselemente
• Sonderkonstruktionen

Die Berechnung kann sowohl bei neuen Konstruktionen als auch bei der Änderung bestehender Maschinenkomponenten eingesetzt werden.

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FEM in der Produktentwicklung

Auch bei der Entwicklung neuer Produkte können FEM-Analysen helfen, konstruktive Entscheidungen zu unterstützen.

Mögliche Anwendungen sind:

• Vergleich unterschiedlicher Geometrien
• Bewertung von Wandstärken
• Untersuchung von Verformungen
• Materialvergleich
• Optimierung belasteter Bereiche
• Untersuchung kritischer Bauteile

Die Berechnung kann dabei bereits vor der Herstellung eines Prototyps erfolgen.
Anschließend können rechnerische Ergebnisse und praktische Tests miteinander verglichen werden.

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FEM und Prototypen sinnvoll kombinieren

Eine FEM-Berechnung und ein realer Prototyp erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
Die FEM kann rechnerisch zeigen, wie sich eine Konstruktion unter definierten Bedingungen verhält.

Ein Prototyp kann dagegen beispielsweise genutzt werden, um:

• Einbausituationen zu prüfen
• Abmessungen zu testen
• Montage zu beurteilen
• praktische Funktionen zu überprüfen
• reale Belastungssituationen besser zu verstehen

Bei geeigneten Projekten können beide Methoden miteinander kombiniert werden.

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FEM-Ergebnisse dokumentieren

Je nach Aufgabenstellung können die durchgeführten Berechnungen und wesentlichen Ergebnisse dokumentiert werden.

Eine solche Dokumentation kann beispielsweise enthalten:

• Beschreibung des untersuchten Bauteils
• verwendete Materialdaten
• definierte Lasten
• Lagerungen und Randbedingungen
• verwendete Vernetzung
• Ergebnisdarstellungen
• Spannungen
• Verformungen
• Sicherheitsfaktoren
• Bewertung der Ergebnisse
• Hinweise auf kritische Bereiche

Damit bleiben Annahmen und Ergebnisse auch für spätere konstruktive Änderungen nachvollziehbar.

Grenzen einer FEM-Analyse

Eine FEM-Simulation ist ein mathematisches Modell der Realität.
Die Qualität der Ergebnisse hängt deshalb maßgeblich von den verwendeten Annahmen und Eingangsdaten ab.

Eine FEM-Analyse kann beispielsweise nicht automatisch berücksichtigen:

• unbekannte reale Belastungen
• falsch angenommene Lagerungen 
• unvollständige Materialdaten
• Fertigungsfehler
• Verschleiß
• unbekannte Stoßbelastungen
• nicht modellierte Kontaktetatsächliche

• Materialstreuungen

Deshalb verstehen wir FEM als Werkzeug zur konstruktiven Bewertung und Entscheidungsunterstützung, nicht als pauschale Garantie für die Sicherheit eines Bauteils.
Gesetzlich vorgeschriebene Prüfungen, Nachweise oder Validierungen werden durch eine FEM-Berechnung nicht automatisch ersetzt.

Typische Fragestellungen unserer Kunden

„Hält dieses Bauteil die vorgesehene Belastung aus?“
Die vorhandene Konstruktion kann unter definierten Belastungs- und Lagerbedingungen untersucht werden.

„Wo liegt die Schwachstelle unserer Konstruktion?“
Spannungs- und Verformungsverteilungen können kritische Bereiche sichtbar machen.

„Kann das Bauteil leichter ausgeführt werden?“
Geometrie- und Materialvarianten können miteinander verglichen werden.

„Welche von mehreren Konstruktionen ist günstiger?“
Varianten können unter vergleichbaren Randbedingungen berechnet und gegenübergestellt werden.

„Wie stark verformt sich unsere Konstruktion?“
Die resultierenden Verschiebungen und Verformungen können rechnerisch ausgewertet werden.

FEM-Analyse aus Schopfheim

SK-Konstruktion ist ein Konstruktionsbüro mit Sitz in Schopfheim im Landkreis Lörrach.
Wir verbinden mechanische CAD-Konstruktion mit FEM-Analysen, sodass Berechnungsergebnisse direkt in konstruktive Änderungen einfließen können.
Dadurch können insbesondere kleinere Entwicklungs- und Maschinenbauprojekte ohne unnötige Schnittstellen zwischen Konstruktion und Berechnung bearbeitet werden.

Sie möchten eine Konstruktion mit FEM untersuchen?

Senden Sie uns eine Beschreibung der Aufgabenstellung sowie die vorhandenen CAD-Daten, Zeichnungen und Informationen zu Material, Belastungen und Lagerungen.

Wir prüfen zunächst, ob sich die Fragestellung mit einer FEM-Analyse sinnvoll abbilden lässt und welche Randbedingungen für die Berechnung benötigt werden.

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