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 Konstruktionsingenieure FEM in Verbindung mit CAD als effektives Werkzeug zur Problemlösung. Dies erfolgt auf leistungsstarken Arbeitsplatzrechnern (Workstations). 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.

Lehre

Durchführung von Vorlesungen und Praktika zur Anwendung der Finite-Elemente-Methode im Rahmen der Lehrveranstaltungen "Grundlagen der FEM", "Einführung in CFD", "Maschinendynamik", "Finite-Elemente-Methode" und "Numerische Strömungsmechanik" in Bachelor- und Masterstudiengängen.

 

Abschlussarbeiten

Abschluss- und Studienarbeiten anwendungsorientierte Projektberchnung:

  • Entwicklung eines parametrischen FE-Modells zur Berechnung von Elastiklagern: PDF-Ausschreibung
  • Finite-Elemente-Modellierung von Gießpolyurethanen: PDF-Ausschreibung
  • Parameterstudie zu den umformtechnischen Prozessschritten beim
    Widerstandselementschweißen: PDF-Ausschreibung

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

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 Microsoft Windows 7 64bit.

Für speicher- und rechenleistungsintensive Anwendungen steht ein 4-Sockel-Rack-Server mit jeweils 8-Kernen und 512 GB Arbeitspeicher zur Verfügung.  Der Rechenserver wurde aus Studienbeiträgen finanziert und steht Anwendern per Remot-Desktop-Verbindung zur Verfügung.

Software

Hersteller-Link

Lasso Ingenieursgesellschaft

ANSA ist ein leistungsfähiges und weltweit verbreitetes Preprozessing-System welches speziell dafür entwickelt wurde, die geometrische CAD-Oberflächenbeschreibung einer Struktur schnell und effizient in ein CAE-Berechnungsmodell zu überführen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. M. Wagner


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CADFEM GmbH

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.

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.

Ansprechpartner: Prof. Dr. O. Webel

CFX-Berlin

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.

Ansprechpartner: Prof. Dr. O. Webel

Elektromagnetik-Anwendungen (ANSYS HFSS, Maxwell, Q3D Extractor und Simplorer) erlauben elektromechanische Analysen zur Charakterisierung elektrischer Antriebe, Sensoren und Wandler, Hochfrequenzanalysen zur Beschreibung von Wellenausbreitungen für Antennen und Elektronikbaugruppen sowie Schaltungsberechnungen zur Analyse von Leistungen und Signalen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. M. Saller (FK M), Prof. Dr. K. Wolf und Prof. Dr. Th. Stücke (FK EI)

Nur mit ANSYS Version 15 kompatibel. Um darauf zuzugreifen sprechen Sie mit einem Labormitarbeiter.

Ist eine ANSYS Erweiterung und bietet eine Sammlung verschiedener, in der Workbenchumgebung integrierter Anwendungen. Beispiele sind Routinen zur automatisierten Bewertung der mechanischen Festigkeit gemäß FKM-Richtlinie oder zur Schallabstrahlung. Außerdem enthält CiT eine umfangreiche Materialdatenbank.


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DYNAmore

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.

Ansprechpartner: Prof. Dr. M. Wagner


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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.

Ansprechpartner: Prof. Dr. M. Wagner


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Programm zum Durchführen des "Rechnerischen Festigkeitsnachweises für Maschinenbauteile" nach der FKM-Richtlinie in der 5., vollstandig überarbeiteten und erweiterten Ausgabe 2003.

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.


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Simulia / Abaqus FEA ist ein kommerzielles Programmpaket, mit dem sich Probleme der Festkörper-Statik und -Dynamik, der Wärmeleitung, des Elektromagnetismus und der Fluiddynamik bearbeiten lassen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. A. Nonn


Auf den Rechnern des FEM-Labors sind auch zwei CAD-Programme installiert.

PTC Creo: Hersteller-Link

PTC Creo 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 Creo vorliegen, direkt nach ANSYS zu exportieren.

Solid Edge: Hersteller-Link

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 (Modul Solid Edge Simulation) wurde diese Funktionalität erweitert.

Ansprechpartner: CAD/CAE-Labor

Jakob Gebhardt,

B.Eng

Tel.: (0941) 943-5174

E-Mail

Raum A 102