Sie möchten sich in die Simulation von Bauteilen mittels Finiter Elemente Methode (FEM) einarbeiten ohne hohe Lizenzkosten zahlen zu müssen? In diesem Beitrag zeige ich Ihnen zwei Möglichkeiten dazu auf. Angeregt wurde ich zu diesem Beitrag durch die Frage eines Seminarteilnehmers.
Der Inhalt
- Motivation
- der erste Schritt
- der zweite Schritt
- der dritte Schritt
- der letzte Schritt
- Weitere Informationen
Grundlegend bin ich der Meinung, dass die Nutzung der FEM und die Einarbeitung der FEM auch ohne Kenntnis der mathematischen Hintergründe sehr gut möglich ist. Das ist keine selbstverständliche Einstellung. Wie komme ich darauf?
Die Motivation:
Täglich benutzen wir hoch komplexe Dinge. Wir tun dies mit großer Sicherheit und Selbstverständlichkeit oftmals, ohne dass wir uns über die Komplexität bewusst sind.
Ein Beispiel ist das Auto.
Dieses wird von uns täglich mit großer Sicherheit genutzt ohne dass wir z.B. den Carnot-Prozess des Verbrennungsmotors verstehen. Wichtig ist dabei, dass ein paar Grundlegende Maßnahmen zur sicheren Bedienung eingehalten werden. Im Falle des Autos sind dies u.a. regelmäßige TÜV Besuche, die Kontrolle der Scheinwerfer und Ölwechsel. Außerdem wird während des Betriebes auf z.B. kritische Geräusche, ungewohnte Vibrationen oder unübliches Verhalten geachtet. Im Falle einer Auffälligkeit wird dann eine Werkstatt aufgesucht und dort der Fehler behoben.
Zusätzlich prüfen wir vor Antritt und während der Fahrt die Bedingungen wie Dunkelheit, Glätte, Fahrbahnbedingung,… und passen unsere Fahrweise daran an. Gelernt wurde dieses Verhalten in einer Fahrschule.
Immer besser bedienbare Fahrzeuge haben es ermöglicht, dass mittlerweile praktisch jeder ein Fahrzeug bedienen kann. In den Anfängen des Automobilbaus war dies noch deutlich anders!
Die Finite Elemente Methode (FEM) wird für Ingenieure in den Bereichen der Entwicklung und Konstruktion immer mehr zu einem wichtigen Werkzeug.
Die modernen Softwarelösungen sind (ähnlich wie das Auto) immer einfacher handhabbar geworden. Und dieser Trend setzt sich fort. Damit ist die FEM einem immer breiteren Publikum zugängig. Wichtig ist es nun, dass diese mächtigen Werkzeuge richtig bedient, potenzielle Risiken bei deren Bedienung erkannt und Fehlermöglichkeiten bewusst werden (Analog der Anpassung der Fahrweise).
Der Einsatz der FEM wird aber niemals den Ingenieur ersetzen! Dessen Expertise ist für die Modellbildung und die Interpretation der Ergebnisse sowie der Optimierung des Bauteils absolut notwendig.
Der erste wichtige Schritt für kostenlose FEM …
… ist für mich die Organisation eines FE-Programmes und von Beispielen zur Einarbeitung – ich bin ein Freund der Praxis;) und schließlich möchten Sie ja simulieren.
Da moderne FEM Softwarepakete sehr teuer sind, lohnt sich deren Anschaffung für die Durchführung erster Berechnungen nicht. Ein Alternative bieten hier kostenlose Open Source Programme an. Zwei möchte ich vorstellen.
Möglichkeit eins: Z88 Aurora Open Sorce FEM Software
Entwickelt wird das Programm von Prof. Frank Rieg an der Universität Bayreuth. Eingesetzt wird es in der Lehre und in der Industrie.
Auf der Homepage www.z88.de finden Sie alle Informationen über dieses Softwarepaket.
Hervorzuheben sind vor allem folgende Punkte:
- die grafische Benutzeroberfläche
- eine App für Android Smartphones oder Tablets
- umfangreiche Einarbeitungsvideos auf Youtube und Hintegrundinfos
- lineare und nichtlineare Analysen
Schwierig ist es allerdings, Kräfte aufzubringen. Insbesondere wenn Kräfte nicht auf ganze Flächen, sondern nur auf einen Teil der Flächen aufgebracht werden sollen.
Außerdem fehlt eine CAD Anbindung.
Allerdings gibt es im Forum Beispiele Z88 viele Beispiele zum praktischen Rechnen inkl. eines kostenlosen Downloads der CAD Daten.
Community:
Im zugehörigen Forum http://forum.z88.de/ können Sie sich mit Gleichgesinnten austauschen. Daneben existiert auch noch ein Blog: http://fem-helden.de/.
Einarbeitung:
Auf Youtube finden Sie außerdem einen Kanal Youtube Z88 mit mehreren Videos, Anleitungen und Hintergründen.
Im Blog FEM-Helden ist eine aus meiner Sicht gut geschriebene Artikelserie vorhanden, die eine einfache und schnelle Einführung in die FEM gibt: Einführung Z88
Zusätzlich können Sie sich anhand des passenden Buches Finite Elemente Analyse für Ingenieure: Grundlagen und praktische Anwendungen mit Z88Aurora
Wichtig ist, bei der Lizenz wird zwischen kommerzieller Nutzung und privater/schulischer/universitärer Nutzung unterschieden. Auch wenn die Nutzung generell kostenlos ist, muss bei der kommerziellen Anwendung eine besondere Lizenz beantragt werden. Näheres zur Lizenzierung von Z88 finden Sie hier.
Mein Fazit: Z88 Aurora ist für eine Einarbeitung in die FEM gut geeignet, wenn die vorhandenen Beispiele genutzt werden. Insbesondere gut finde ich die umfangreichen Informationen auf Youtube, dem Blog und der Homepage. Schwierig ist allerdings die Simulation von eigenen Bauteilen, da die Lastaufbringung sehr aufwändig werden kann.
Die zweite Möglichkeit für eine kostenlose FEM-Software ist FreeCAD
FreeCAD wurde 2001 gegründet von Jürgen Riegel und seit dem stetig von einer wachsenden Community weiterentwickelt. Die zugehörige und gut gepflegte Homepage ist http://www.freecadweb.org/. Der Name FreeCAD ist etwas irreführend. Denn neben CAD (also dem Konsturieren) bietet diese Software auch die Möglichkeit zu simulieren.
Hervorzuheben ist vor allen
- Die gute Anbindung von CAD und FEM
- Eine sehr einfache Bedienung
- Eine stetige Weiterentwicklung
Da FreeCAD nicht den Primären Fokus auf die FEM legt, ist diesbezüglich die Dokumentation etwas schwacher, wächst aber stetig.
Community:
Die Homepage Forum FreeCAD ist eine umfangreiche Frage und Antwort Seite, zu allen Themen rund um FreeCAD.
Auch Youtube beinhaltet jede Menge interessanter und hilfreicher Videos: Youtube FreeCAD.
Einarbeitung:
Für eine Einarbeitung in den FEM Modul gibt es eine gut verständliche Seite: Einarbeitung FreeCAD. Der Fokus liegt vor allem auf der Bedienung der Software. Hintergründe der FEM werden überwiegend vorausgesetzt.
Mein Fazit: FreeCAD ist für mich das gelungenere Produkt. Es ermöglicht einem eine gute Bedienung und Interpretation der Ergebnisse. Der Anfänger in der FEM muss allerdings zusätzlich Hintergrundwissen lesen. Hierfür bietet sich auch der oben genannte BLOG Beitrag an.
Der zweite Schritt….
… ist die Organisation von Werkstoffdaten. Für die reine Simulation werden nur wenige Daten benötigt. Dies sind der E-Modul und die Querkontraktionszahl. Zur Bewertung der FEM-Ergebnisse müssen deutlich mehr Daten vorliegen. In den Artikeln Kostenlose Werkstoffdaten für FEM Teil 1 und Kostenlose Werkstoffdaten für FEM Teil 2 finden Sie einen Hinweis auf alle erforderlichen Daten. Außerdem finden Sie dort Quellen wie sie an kostenlose Werkstoffdaten wie Wöhlerlinien, Zugfestigkeiten,… für Stahl, Aluminium und weitere gängige Werkstoffgruppen.
Im dritten Schritt…
… erfolgt die Validierung der FEM Ergebnisse.
Die FEM-Ergebnisse stellen immer nur eine Näherungslösung dar! Das bedeutet, dass Sie die Simulationsergebnisse kritisch hinterfragen und auf Plausibilität prüfen müssen. Erst wenn Sie sich sicher sind, dass Sie den Ergebnissen glauben können, akzeptieren Sie Ihre Rechenergebnisse. In unserem BLOG Beitrag 10 Regeln zur Validierung der FEM finden Sie kurz und bündig zusammengefasst die wichtigsten Schritte zur Validierung.
Als letzten Schritt…
… bewerten wir die FE-Ergebnisse. Dies ist der eigentliche Wertbeitrag der Simulation. Am Ende dieses Schrittes steht die Aussage: Das Bauteil hält, oder es hält nicht. Diese Aussage ist auch mit einer Aussagewahrscheinlichkeit verbunden.
Die Festigkeitsaussage muss immer den statischen und den Schwingfestigkeitsnachweis beinhalten. Wie Sie einen statischen Nachweis führen, können Sie unserem kostenlosen eBook entnehmen: Einfuehrung_Betriebsfestigkeit_Teil1_Statik
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Software zur Interpretation der FEM Ergebnisse
Wir haben basierend auf unserer jahrelangen Erfahrung, der Mitarbeit in den Forschungsgremien zur FKM Richtlinie und dem praktischen Arbeiten mit der Richtlinie easyFKM - die Excel-Software zur FKM Richtlinie entwickelt. Wir haben dabei speziell darauf geachtet, dass diese Software
✓ einfachst möglich bedienbar
✓ gut dokumentiert und nachvollziehbar sowie
✓ optisch ansprechend ist (es soll ja auch Spaß machen).
Überzeugen Sie sich selbst davon anhand der Testversion von easyFKM - die Excel-Software zur FKM Richtlinie
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