Das numerische Verfahren der Finite Elemente Methode (FEM) ermöglicht eine frühzeitige rechnerische Untersuchung von Konstruktionsvarianten noch bevor die Bauteile in die Herstellung über gehen. Eventuelle Schwachstellen werden erkannt und können mit geometrischen Änderungen sehr effektiv und kostengünstig behoben werden. Dies spart Zeit und Geld. Bei der Untersuchung von Schwachstellen mit nachfolgender Lösungssuche für mögliche Verbesserungen erweist sich die FEM ebenfalls als unverzichtbares Instrument. In der Siumulation setzen wir die Software ANSYS ein und verfügen mittlerweile über eine 23-jährige Erfahrung.

Innerhalb dieser Vakuumkammer wird eine Umgebung geschaffen wie sie im Weltall zu finden ist. Eine Vorvakuumpumpe erzeugt zunächst ein grobes Vakuum. Sequenziell geschaltete Turbomolekularpumpen sorgen danach für den notwendigen Enddruck von 10^-10 mbar, was 0,0000000001 mbar entspricht. Als Vergleich dazu erreicht ein konventioneller Staubsauger nur 250 mbar, der Atmosphärendruck liegt bei ca. 1000 mbar. Durch die entstehende Druckdifferenz  wird die Vakuumkammer zusammengedrückt. Die Simulation berechnet diese Verformung und stellt sie in Farbe dar. Um die Grösse und die Art der Verformung verständlicher zu machen wird diese skaliert. Aufgrund der Geheimhaltung dürfen keine absoluten Werte gezeigt werden.

Die Verformung der Vakuumkammer ist primär für die Beurteilung der Funktion wichtig. Im Inneren befindet sich eine Aufnahme für hochpräzise Messinstrumente welche später im Weltall zum Einsatz kommen. Ist die Verformung zu gross können diese nicht ausreichend genau kalibriert werden. Um die vorherrschenden Temperaturen aus dem Weltall auf die Messinstrumente zu applizieren wird die Aufnahme zusätzlich geheizt und gekühlt. Dadurch kann sowohl die sonnenzugewandte als auch die abgewandte Seite innerhalb der Kammer getestet werden. Das nachfolgende Video zeigt die Konzentration der Spannungen im Material aufgrund der Verformungen beim Abpumpen der Vakuumkammer. Daraus werden alle Schweissnähte und Bleche auf ihre Festigkeit hin berechnet.

Das folgende Projekt zeigt einen mobilen Fahrzeugkran mit teleskopierbarem Hauptausleger. Am Kopf des Hauptauslegers kann zusätzlich ein Hilfsausleger angebaut werden. Dieser Hilfsausleger war jedoch nicht Gegenstand der Untersuchung. Durchgeführt wurde ein statischer Festigkeitsnachweis wobei das Bemessungskonzept der Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN EN 13001-2 zur Anwendung kam. Die maximale Belastung des Teleskopkrans betrug 300to auf 4m Ausladung. Die Spannungsermittlung erfolge mittels der Finiten Elemente Methode und die Darstellung des Ausnutzungsgrades auf Basis von Vergleichsspannungen. Zusätzlich musste eine Traglastkurve mit 80to Gegengewicht für unterschiedliche Ausschublängen der einzelnen Ausleger erstellt werden.

Aufgrund der Modellgrösse wurde der Ausleger vom Grundgestell entkoppelt und in einem ersten Schritt berechnet. Die am Drehkranz auftretenden Reaktionen sind im Anschluss daran als Aktionslasten auf das Grundgestell appliziert worden. Somit lassen sich auch sehr grosse und komplexe Modelle untersuchen. Im Anschluss an die Berechnung wurde der Teleskopkran mittels Prüfgewichten auf seine Tragfähigkeit hin praktisch überprüft. Das nachfolgende Bild zeigt den Versuchsaufbau.

Die unten dargestelle Abbildung zeigt die Eingabemaske eines Festigkeitsnachweises nach Eurocode 3. Für einen geschweissten Grundrahmen soll ein statischer Nachweis sowie ein Ermüdungsnachweis erbracht werden. Die die gesamte Struktur besteht aus Schalenelementen. Zunächst erfolgt die Eingabe der entsprechenden Werte für das Grundmaterial (Bleche). Dabei ist die Materialangabe sowie die Eingabe der Teilsicherheitsbeiwerte für Statisch und Ermüdung erfoderlich. Falls notwendig können die Lasten auch skaliert werden. Die entsprechenden Kerbfälle senkrecht, parallel sowie in Schubrichtung sind für den Ermüdungsnachweis relevant. Schweissnähte werden in einer gesonderten Eingabemaske behandelt, siehe weiter unten.

Die Darstellung der vorhandenen Sicherheit erfolgt analog einer herkömmlichen FEM-Berechnung mit einem Farbplot. Alternativ zur Sicherheit kann auch der Auslastungsgrad visualisiert werden.

Die Berechnung von Schweissnähten erfordert mehr Eingabedaten als die Berechnung von Grundmaterial. Dabei können unterschiedliche Nahttypen wie Kehlnähte, Stumpfnähte oder Nähte mit Nahtvorbereitung (HY oder HV) behandelt werden. Materialangabe, Skalierungsfaktor und Teilsicherheitsbeiwerte sind analog dem Grundmaterial erforderlich. Die Methode der Strukturspannungsermittlung wie zum Beispiel nach IIW_A ist ebenfalls auszuwählen. Regelkonform sind auch die entsprechenden Kerbfälle senkrecht, parallel und in Schubrichtung der Naht einzugeben, dies sowohl für alle Nahtübergänge als auch für die Nahtwurzel. Eine fortlaufende grafische Darstellung der eingegebenen Werte ermöglicht eine Kontrolle und schafft Überblick.

Die Darstellung der vorhandenen Sicherheit von Schweissnähten erfolgt wie beim Grundmaterial mit einem Farbplot. Alternativ zur Sicherheit kann auch hier der Auslastungsgrad visualisiert werden.

Die FKM-Richtlinie ist eine anerkannte Richtlinie für Festigkeitsnachweise von Maschinenbauteilen. Es wird insgesamt zwischen vier Nachweisarten unterschieden. Zum einen gibt es den statischen Festigkeitsnachweis mit Nennspannungen und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Nennspannungen. Aufgrund der heute zur Verfügung stehenden FEM Programme kommen jedoch hauptsächlich der statische Festigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen und der Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen (Dauer- Zeitfestigkeits- Betriebsfestigkeitsnachweis) zum Einsatz. Auf Basis eines Volumenmodells ist es somit möglich einen vollumfänglichen FKM-Nachweis für jede Stelle des Bauteils durchzuführen. Das unten stehende Bild zeigt die Eingabemaske für einen FKM-Nachweis.

Die Darstellung der vorhandenen Sicherheit erfolgt wiederum analog einer herkömmlichen FEM-Berechnung mit einem Farbplot. Alternativ zur Sicherheit kann auch der Auslastungsgrad visualisiert werden.

Die numerische Berechnung von hochfesten Schraubenverbindungen nach VDI 2230 stellt - im Übringen wie die Berechnung von Schweissnähten - einen hohen Anspruch an das FEM Modell. Der Grund liegt in der Einhaltung von definierten Modellierungs- und Auswertevorgaben. Dadurch wird die Berechnung komplex und zeitintensiv. Auf der anderen Seite bildet die Verwendung eines FEM Modells die Realität viel genauer ab als eine rein analytische Betrachtung. Insbesondere können nicht lineares Material- und Kontaktverhalten oder auch geometrische Nichtlinearität mit berücksichtigt werden. Das unten stehende Beispiel zeigt die Verschraubung eines Stahlbau Rahmens mit einem Fahrwerk. Der entsprechende Nachweis wurde in Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8) geführt.

Nicht immer ist der alleinige Nachweis einer Schraubenverbindung für eine Gesamtbeurteilung der umliegenden Konstruktion ausreichend. Der Grund liegt darin, dass die Regelwerke hierzu wenig an Informationen liefern. Vielfach muss jedoch das Verhalten von Bauteilverformungen in der näheren Umgebung von Schraubenverbindungen zusätzlich betrachtet werden. Dabei kommen hauptsächlich die Auswertung des Kontaktdrucks zwischen den Platten und das Klaffen von lokalen Bereichen zur Anwendung. Diese sind zwar nicht in den Regelwerken vorgeschrieben, liefern jedoch unter Umständen sehr hilfreiche Zusatzinformationen. Diese Abbildung zeigt farblich die Veränderung des Kontaktspalts. Im rot eingefärbten Bereich liegt ein grösserer Kontaktspalt als im blauen Bereich vor.

Für das Velomobile Alpha7 von "go-one" in Deutschland wurde der cw-Wert bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten berechnet. Die vom Kunden übermittelte CAD Geometrie konnte dabei ohne Aufbereitung direkt in die Strömungsumgebung eingebunden werden. Massgeblich für die cw-Wert Berechnung ist die Normalkraft auf die projizierte Fläche des Objekts. Diese kann sich je nach Anströmwinkel ändern. Hier wurde nur die Anströmung von vorne, also in Fahrtrichtung berücksichtigt. Die unten abgebildete Darstellung der Strömungslinien entlang der mittleren Schnittebene am Fahrzeug zeigt anhand der Farben wo sich Bereiche mit hoher Geschwindigkeit (rot eingefärbt) oder niedriger Geschwindigkeit (blau eingefärbt) befinden.

Weitere Darstellungsmöglichkeiten von Ergebnissen sind die Erstellung von Druckprofilen am Fahrzeug beziehungsweise am Kopf des Fahrers oder die Lokalisierung von Turbulenzen durch den Plot der "Turbulence Kinetic Energy". Im folgenden Bild sind die Bereiche mit hoher Turbulenz mit roter Farbe visualisiert. Diese lokalen Wirbel sind zu vermeiden - ein Grund warum das Fahrzeug als Option im Kopfbereich eine Haube erhielt. Nebst den vorhin erwähnten Auswertemöglichkeiten lässt sich auch der Fahrwiderstand bei der entsprechenden Geschwindigkeit auslesen. Dieser Wert zusammen mit der Geschwindigkeit und der Dichte von Luft bilden die Basis für die Berechnung des cw-Wertes. Die Tabelle zeigt den cw-Wert des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Geschwindigkeit.