Sie ermöglicht die rechnerische Untersuchung des mechanischen, dynamischen und thermischen Verhaltens von Bauteilen und Baugruppen direkt auf Basis des 3D-CAD-Modells.
Ein wesentliches Merkmal von IN-CAD FEA ist die assoziative Verbindung zwischen CAD-Modell und FE-Modell:
Änderungen an der parametrischen Geometrie in IN-CAD 3D werden automatisch in die Berechnungsmodelle übernommen.
Alle Berechnungen erfolgen mit dem Finite-Elemente-Verfahren (FEM).
Typische Fragestellungen aus der Praxis
Mit IN-CAD FEA lassen sich u. a. folgende Fragen beantworten:
- Hält das Bauteil die vorgesehenen Lasten aus?
- Wo entstehen kritische Spannungen oder Verformungen?
- Gibt es Knick- oder Stabilitätsprobleme?
- Liegen Eigenfrequenzen im kritischen Arbeitsbereich?
- Wie verhält sich die Konstruktion unter zeitabhängigen oder schwingenden Lasten?
- Welche Temperaturverteilungen und temperaturbedingten Spannungen entstehen?
Verfügbare Analysearten in IN-CAD FEA
Mechanische Analysen
- Statische Festigkeit
Berechnung von Spannungen und Verformungen unter konstanten Lasten, inklusive temperaturbedingter Dehnungen oder vorgegebener Verschiebungen. - Stabilität (Beulen / Knicken)
Ermittlung kritischer Lasten, bei denen die Konstruktion instabil wird. - Ermüdungsfestigkeit
Bewertung der Lebensdauer bei zyklisch wechselnden Belastungen.
Dynamische Analysen
- Eigenfrequenzen (Modalanalyse)
Berechnung der Eigenfrequenzen und Schwingungsformen zur Vermeidung von Resonanz. - Erzwungene Schwingungen
Analyse des Systemverhaltens bei harmonischen Anregungen (z. B. Maschinen, Motoren). - Lineare Dynamik
Zeitabhängige Belastungen auf Basis zuvor berechneter Eigenformen. - Nichtstationäre Dynamik
Allgemeine zeitabhängige Analysen mit hoher Genauigkeit, auch für nichtlineare Probleme.
Thermische Analysen
- Stationäre Wärmeleitung
Berechnung eines eingeschwungenen Temperaturfelds. - Nichtstationäre Wärmeleitung
Zeitabhängige Temperaturentwicklung.
Thermische Analysen können mit mechanischen Analysen kombiniert werden, um temperaturbedingte Spannungen und Verformungen zu bewerten.
Grundprinzip der Finite-Elemente-Methode
Die reale Konstruktion wird durch eine Finite-Elemente-Netzstruktur aus Tetraederelementen ersetzt.
Diese zerlegen das Bauteil in viele kleine Volumenelemente, die über Knoten miteinander verbunden sind.
- Jeder Knoten besitzt Freiheitsgrade (z. B. Verschiebungen).
- Lasten und Lagerungen werden auf Knoten bzw. Flächen abgebildet.
- Das Gleichungssystem kann mehrere Zehntausend bis Hunderttausend Unbekannte enthalten.
- Eine feinere Netzstruktur erhöht die Genauigkeit, benötigt aber mehr Rechenleistung.
Typischer Ablauf einer FEA-Studie in IN-CAD 3D
- 3D-Modell erstellen
- FEA-Studie anlegen (z. B. statisch, dynamisch, thermisch)
- Materialien zuweisen
- Finite-Elemente-Netz generieren
- Randbedingungen definieren
- Lagerungen / Fixierungen
- Kräfte, Drücke, Temperaturen, Verschiebungen
- Berechnung starten
- Ergebnisse auswerten
- Spannungen
- Verformungen
- Sicherheitsfaktoren
- Eigenfrequenzen
- Temperaturfelder
Dieser Ablauf ist für die meisten Analysearten identisch – Unterschiede ergeben sich hauptsächlich durch die verwendeten Randbedingungen