Finite-Elemente-Methode (kurz FEM)
Die Finite-Elemente-Methode (kurz FEM oder FEA für Finite-Elemente-Analyse) ist ein numerisches Berechnungsverfahren, um die Festigkeit und das Verhalten von Körpern unter Einwirkung von physikalischer Kraft zu berechnen.
Sie gehört, wie auch die CFD-Strömungssimulation, zu den virtuellen Simulationsmethoden, die allgemein auch unter dem Begriff CAE (Computer Aided Engineering) zusammengefasst sind.
Die FEM-Simulation dient in der Konstruktionspraxis dazu, Bauteile ohne praktische Tests im Voraus auf ihre Belastbarkeit hin zu untersuchen. Durch die Reduzierung oder gar den Ersatz aufwendiger Tests an Prototypen können Entwicklungskosten und Entwicklungszeiten drastisch reduziert werden.
Auch können mit virtuellen Simulationen weitaus mehr Szenarien unterschiedlichster Belastungssituationen und Randbedingungen berechnet werden, als durch Versuche abgeprüft werden können. Dadurch können Produkte unter dem Strich nicht nur in der Festigkeit, sondern auch in Struktur, Aufbau und Design wesentlich effizienter und genauer optimiert werden.
Auch kann an weniger belasteten Stellen Material eingespart werden, was sich letztendlich nicht nur auf Materialkosten, sondern auch auf das Gewicht auswirkt. Es gibt spezielle Verfahren, welche der Bionik, also der Anpassung der Natur im Laufe der Evolution, nachempfunden sind. Das klassische Beispiel ist hier der Schachtelhalm, der Steifigkeit und Flexibilität optimal verbindet, ohne bei einem Sturm zu brechen.
Ihre Vorteile durch FEM-Simulationen: Sie wissen mehr über das Verhalten Ihre Bauteile, können sehen, was sonst Unsichtbares ist und gewinnen dadurch zusätzlich an Sicherheit.
Kurz gesagt, Sie sparen bei der Entwicklung Ihrer Produkte Zeit, Geld und Nerven und sind Ihrem Wettbewerb einen Schritt voraus.
Was ist die zugrunde liegende Theorie einer Finite-Elemente-Berechnung?
Bei der Finite Elemente Methode wird die Problemstellung oder das Berechnungsgebiet in eine endliche Anzahl von Elementen unterteilt.
Die Gleichungen (meistens Differentialgleichungen) werden dann für jedes dieser Elemente gelöst. Die Ergebnisse geben dann Aufschluss über das gesamte Berechnungsgebiet. Die Anzahl der Elemente bestimmt dabei die Genauigkeit der Gesamtergebnisse. Die Methode wird im Ingenieurwesen sowohl in der Strukturmechanik als auch in der Strömungsmechanik angewandt.
Mit der FEM Methode lassen sich die Auswirkungen von Druck, Zug oder Torsion auf Körper berechnen. Randbedingungen zu einem Fluid wie Druck, Temperatur und Wärmeübergang werden dabei nur vereinfacht berücksichtigt.
Will man die Schnittstelle zu Fluiden genauer erfassen, wird in der Praxis oft eine Kombination von FEM- und CFD Simulationen verwendet.