KADE GmbH FEM-Berechnung & Simulation
Als Ihr Partner in der Produktentwicklung bieten wir Ihnen auch vielfältige Leistungen im Umfeld der FEM-Berechnung und Simulation.
FEM-Berechnung und Simulation
Ihr Partner in der Produktentwicklung
Als Ihr Partner in der Produktentwicklung bietet Ihnen die KADE GmbH auch vielfältige Leistungen im Umfeld der FEM-Berechnung und Simulation.
Die Finite-Elemente-Methode (FEM), auch als Finite-Elemente-Analyse (FEA) bezeichnet, ist eine numerische Methode zur Berechnung und Analyse von Bauteilen, Strukturen und physikalischen Phänomenen. Sie hilft Ingenieuren, das physikalische Verhalten von Produkten unter verschiedenen Belastungen genau zu analysieren und zu optimieren.
Um Kosten zu senken und den Konstruktionsprozess qualitativ zu optimieren, können alle FEM-Analysen schon während des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden.
Durch FEM-Berechnungen lassen sich Schwachstellen frühzeitig identifizieren, sodass kostspielige und zeitaufwendige Prototypen und Tests reduziert werden können.
Unsere Experten in der FEM-Berechnung setzen auf die etablierten Methoden nach Stand der Technik, unter Einsatz moderner CAE-Technologien und Anwendung der relevanten Normen und Richtlinien (wie FKM-Richtlinie, Eurocode 3 oder VDI 2230).
Wir liefern Ihnen zielgerichtete FEM-Analysen mit Verbesserungsvorschlägen, um Ihren Konstruktionsprozess zielgerichtet zu unterstützen.
Bei Bedarf erstellen wir umfassende Berechnungsberichte und Auswertungen zum Nachweis der Konformität und Zulassungsfähigkeit Ihrer Fahrzeuge, Maschinen & Anlagen.
Profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung aus vielfältigen Kundenprojekten der verschiedensten Branchen.
Unsere Aufgabengebiete in der FEM-Berechnung & Simulation
Statischer Festigkeitsnachweis
Ein statischer Festigkeitsnachweis dient der Bestätigung, dass ein Bauteil den auftretenden Belastungen ohne plastische Verformung oder Bruch standhält.
Die FEM-Berechnung hilft dabei, kritische Spannungen und Dehnungen in einem Bauteil zu identifizieren und sicherzustellen, dass die zulässigen Spannungsgrenzen nicht überschritten werden.
Im elastischen Bereich des Werkstoffs decken statische lineare Simulationen einen breiten Anwendungsbereich ab. Komplexe Bauteilverformungen und materielle Nichtlinearität können durch nichtlineare Simulationen analysiert werden.
Die FKM-Richtlinie („Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen“) ist ein allgemeines Verfahren zum Nachweis der Festigkeit von Bauteilen im Maschinenbau. Diese hat sich zum Standard für Festigkeitsnachweise im Maschinenbau und anderen Industrien entwickelt.
Ermüdungsfestigkeit und Dauerfestigkeitsnachweis
Die Ermüdungsfestigkeit beschreibt das Verhalten eines Bauteils unter zyklischer Belastung. Durch wiederholte mechanische Beanspruchungen können Bauteile auch bei Lasten unterhalb der Streckgrenze versagen.
Die Ermittlung der Betriebsfestigkeit und der Dauerfestigkeit dienen dazu, die Lebensdauer eines Bauteils unter realen Betriebsbedingungen sicherzustellen.
Die Ermüdungsfestigkeit lässt sich in drei verschiedene Kategorien unterteilen (gemäß Wöhler-Linie):
- Kurzzeitfestigkeit (Ermüdung des Bauteils bei sehr hohen Spannungsamplituden mit weniger als 104 Schwingspielzahlen)
- Zeitfestigkeit / Betriebsfestigkeit (Standhalten des Bauteils bei der in der kalkulierten Lebenszeit zu erwartenden Belastungen
im Bereich von 104 bis 2×106 Schwingungszyklen) - Dauerfestigkeit (Belastungsgrenze, die ein Bauteil bei hoher zyklischer Belastung (größer 2×106 Schwingungszyklen) ohne nennenswerte Ermüdungserscheinungen ertragen kann)
Eine Analyse der Ermüdungsfestigkeit ist auch eine sinnvoll vorbereitende wie auch begleitende Maßnahme bei realen Testreihen auf Prüfständen.
Schraubenberechnungen
Schraubenverbindungen sind essenzielle Konstruktionselemente, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Unsere FEM-Berechnungen ermöglichen eine präzise Analyse und Optimierung von Schraubenverbindungen.
Kritische Faktoren sind u.a.:
- Vorspannkraft und Setzverluste
- Einfluss von Querkräften und Biegemomenten
- Sicherheit gegen Gleit- und Abhebeversagen
- Kerbwirkung in Gewindegängen und Anfälligkeit für zyklische Belastungen
- Auswahl geeigneter Schraubentypen, -festigkeiten, -dimensionen und Anziehverfahren
Der Nachweis von Schraubenverbindungen erfolgt nach Normen wie der VDI-Richtlinie 2230 („Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen“), die vor allem kompakte Schraubenverbindungen behandelt, wie sie im Maschinenbau üblich sind.
Bei Stahlbaukonstruktionen erfolgt die Berechnung in der Regel nach Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8).
Schweißnahtberechnungen
Die Schweißnahtberechnung ist entscheidend für die Sicherstellung der strukturellen Integrität geschweißter Verbindungen. Unsere FEM-Berechnungen basieren auf Normen wie dem Eurocode 3, den Richtlinien des International Institute of Welding (IIW) sowie der FKM-Richtlinie im Maschinenbau, und analysieren u.a.:
- Spannungsverteilung in der Schweißnaht, im Nahtübergang, sowie im Grundwerkstoff
- Ermüdungsfestigkeit geschweißter Verbindungen
- Einflüsse von Kerbwirkungen
- Optimierung der Schweißnahtgeometrie zur Reduktion von Spannungsspitzen
Zum Nachweis der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten, werden in Abhängigkeit der Anforderungen und der Geometrie, das Nennspannungs-, Strukturspannungs- oder Kerbspannungskonzept angewendet.
Modalanalyse / Ermittlung von Eigenfrequenzen
Die Frequenzanalyse befasst sich mit der Bestimmung von Eigenfrequenzen und Eigenformen von Bauteilen. Dadurch entsteht ein Verständnis, wie Objekte und Strukturen schwingen und wie widerstandsfähig sie gegen einwirkende Kräfte und externe Anregungen sind. Werden Bauteile im Resonanzbereich belastet, kann dies zu Störgeräuschen oder zur kritischen Überlastung des Bauteils führen.
Bei der Analyse werden Modalparameter wie Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenform berücksichtigt.
Typische Anwendungsbereiche sind z.B. im Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Bauwesen zur Designoptimierung und im Leichtbau.
Stabilitätsversagen: Knicken und Beulen
Bauteile mit schlanken Geometrien wie Stützen, Platten oder Schalen, können unter Druckbelastung versagen, wenn sie ihre stabile Gleichgewichtslage verlieren und seitlich ausweichen. Dieses Verhalten tritt auch auf, bevor die Druckfestigkeit des Materials erreicht wird.
Wir bieten sowohl lineare als auch nichtlineare Nachweise zur Knick- und Beulsicherheit unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM), einschließlich:
- Lineare elastische Verzweigungsrechnung
- Geometrisch nichtlineare elastische Berechnungen
- Geometrisch und materiell nichtlineare Berechnungen
- Berechnungen mit Imperfektionen
Wärmesimulationen / Thermomechanik
Bauteile erfahren oft sowohl hohe mechanische wie thermische Beanspruchungen.
Thermo-mechanische Spannungen entstehen, wenn durch Temperaturdifferenzen im Bauteil verschiedene Dehnungen auftreten. Diese können durch verschiedene Faktoren wie Temperaturgradienten innerhalb des Bauteils oder Materialkombinationen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verursacht werden.
Mit der Finite-Elemente-Analyse können thermo-mechanische Beanspruchungen simuliert werden, um die Festigkeit und Funktionsfähigkeit der
Bauteile zu untersuchen. Bei großen Temperaturunterschieden im Bauteil müssen die temperaturabhängige Materialeigenschaften berücksichtigt werden (E-Modul, Streckgrenze, Bruchfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient).
Erkenntnisse aus der Analyse:
- Simulation Aufheizvorgänge
- Ermittlung Wärmeleitung, Strahlung, Konvektion
- Berechnung Wärmeübergang / Wärmedehnungsberechnung
Strömungssimulationen
Strömungssimulationen, auch bekannt als CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics), sind essenziell für die Analyse und Optimierung von Strömungsverhalten in verschiedenen Anwendungen. Sie ermöglichen es Konstrukteuren Strömungsmuster, Druckverteilungen und Temperaturfelder in Systemen zu verstehen und zu verbessern.
CFD-Simulationen finden in zahlreichen Branchen Anwendung:
- Automobilindustrie: Optimierung der Aerodynamik von Fahrzeugen zur Reduzierung des Luftwiderstands und Verbesserung der Kraftstoffeffizienz.
- Luft- und Raumfahrt: Analyse der Strömungsverhältnisse um Flugzeugtragflächen zur Verbesserung der Flugstabilität und -effizienz.
- Energietechnik: Untersuchung der Wärmeübertragung in Kraftwerkskomponenten zur Steigerung der Energieeffizienz.
- Gebäudetechnik: Analyse der Luftströmung in Klimaanlagen und Belüftungssystemen zur Verbesserung des Raumklimas.
- Medizintechnik: Optimierung von Beatmungsgeräten und Atemmasken durch Analyse der Luftströmung.
Topologieoptimierung
Die Topologieoptimierung setzen wir zur Strukturoptimierung von Bauteilen ein. Dabei wird eine ideale Materialverteilung innerhalb eines vorgegebenen Designraums berechnet, in Abhängigkeit von den zu erwartenden mechanischen Belastungen.
Die Zielsetzungen reichen dabei von Kostensenkung, über Leichtbauvarianten, bis hin zur Steigerung der Tragfähigkeit und Lebensdauer durch optimale Bauteilkonzepte.
Moderne Fertigungsverfahren ermöglichen einen immer größeren Handlungsspielraum in der Entwicklung von Bauteilen. Die Verbindung von Topologieoptimierung und additiver Fertigung eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Gestaltung und Funktionalität von Bauteilen und Produkten.
Unser Angebot
- Individuelle FEM-Analyse mit Auswertung für Ihren Anwendungsfall
- Zielgerichtete Verbesserungsvorschläge zur Optimierung Ihrer Konstruktion
- Berechnungsberichte und Auswertungen zum Konformitätsnachweis
Durch FEM-Berechnungen profitieren Unternehmen von:
Kostenersparnis durch reduziertePrototypen und Tests
Zeitersparnis durch frühzeitigeFehlererkennung und Optimierung
Höherer Produktqualität durch gezielteMaterial- und Designanpassungen
Unsere leistungsfähigen Tools in der FEM-Berechnung:
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