Strukturanalyse
Was ist eine Strukturanalyse?
Die Strukturanalyse ist ein entscheidender Begriff im Bereich des Ingenieurwesens und der Materialwissenschaften. Sie bezieht sich auf die systematische Untersuchung und Bewertung der Verhaltensweise von Strukturen unter verschiedenen Belastungen, um ihre Integrität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu bewerten. Diese Analysetechnik spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung, Konstruktion und Wartung von vielfältigen Strukturen, von Gebäuden über Brücken bis hin zu Flugzeugen.
Grundlagen
Die Strukturanalyse basiert auf der Anwendung von physikalischen Prinzipien, Ingenieurmathematik und Computersimulationen. Sie ermöglicht die Vorhersage von Verformungen, Spannungen, Belastungen und anderen mechanischen Reaktionen, die auf eine Struktur einwirken. Ziel ist es, das Verhalten der Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen und sicherzustellen, dass sie den Anforderungen der realen Welt standhält.
Arten der Strukturanalyse
Statische Analyse: Bei der statischen Strukturanalyse werden die Auswirkungen von konstanten oder langsam veränderlichen Belastungen auf eine Struktur untersucht. Sie umfasst die Analyse von Spannungen, Verformungen und Verschiebungen.
Dynamische Analyse: Die dynamische Strukturanalyse befasst sich mit den Reaktionen einer Struktur auf wechselnde oder impulsartige Belastungen. Hierzu gehören Vibrationen, Stoßbelastungen und seismische Aktivitäten.
Ermüdungsanalyse: Diese Analyse beschäftigt sich mit dem Verhalten von Strukturen unter wiederholter Belastung über einen längeren Zeitraum. Sie ist wichtig, um das Ermüdungsverhalten von Materialien zu verstehen und Lebensdauerprognosen für Bauteile zu treffen.
Nichtlineare Analyse: In der nichtlinearen Strukturanalyse werden nichtlineare Materialverhalten, große Verformungen und Instabilitäten berücksichtigt, die bei hoher Belastung auftreten können.
Anwendungen: Die Strukturanalyse findet in verschiedenen Industriezweigen Anwendung:
Bauwesen: In der Bauindustrie wird die Strukturanalyse verwendet, um die Stabilität von Gebäuden, Brücken und anderen Infrastrukturanlagen zu gewährleisten.
Luft- und Raumfahrt: Bei Flugzeugen und Raumfahrzeugen wird die Strukturanalyse genutzt, um aerodynamische Stabilität, Festigkeit und Leichtbauweise zu optimieren.
Automobilindustrie: In der Automobilbranche wird die Strukturanalyse eingesetzt, um Fahrzeugsicherheit, Crashverhalten und Strukturintegrität zu verbessern.
Energieerzeugung: Bei Energieanlagen wie Kernkraftwerken und Windturbinen hilft die Strukturanalyse, Betriebssicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten.
Strukturanalyse mittels FEM
Die Strukturanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) ist eine numerische Technik zur Untersuchung des Verhaltens von Strukturen unter verschiedenen Belastungen. Die FEM zerlegt eine komplexe Struktur in kleinere, einfacher zu handhabende Teile (Finite Elemente), die durch mathematische Gleichungen beschrieben werden. Diese Methode ermöglicht die Vorhersage von Spannungen, Verformungen, Verschiebungen und anderen physikalischen Reaktionen, die auf eine Struktur einwirken.
Ablauf der Strukturanalyse mittels FEM
Geometriemodell: Die Struktur wird mithilfe eines geometrischen Modells repräsentiert, das aus Linien, Flächen oder Volumen besteht. Dieses Modell dient als Grundlage für die Berechnungen.
Diskretisierung: Die Struktur wird in kleinere Elemente unterteilt, die als Finite Elemente bezeichnet werden. Diese Elemente können geometrische Formen wie Dreiecke oder Quadrate in 2D oder Tetraeder oder Hexaeder in 3D sein.
Materialverhalten: Für jedes Element werden Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Poisson-Verhältnis und Dichte definiert. Diese Eigenschaften beeinflussen das Verhalten des Materials unter Belastung.
Randbedingungen: An den Rändern der Struktur werden Randbedingungen festgelegt, die das Verhalten der Struktur einschränken. Diese können Verschiebungen, Festlegungen oder angewandte Kräfte sein.
Formulierung der Gleichungen: Für jedes Finite Element werden Gleichungen basierend auf den Material- und Geometrieeigenschaften abgeleitet. Diese Gleichungen beschreiben das Verhalten des Elements unter Belastung.
Assemblierung: Die einzelnen Gleichungen der Finite Elemente werden zu einem Gesamtsystem von Gleichungen zusammengesetzt, das die gesamte Struktur umfasst.
Lösung: Das Gleichungssystem wird numerisch gelöst, um die Verschiebungen, Verformungen und Spannungen in der Struktur zu berechnen.
Auswertung: Die berechneten Ergebnisse werden analysiert, um die Integrität und Leistungsfähigkeit der Struktur zu beurteilen. Dies kann die Überprüfung auf kritische Spannungen, Verformungen oder Ermüdungserscheinungen beinhalten.
Vorteile der FEM-Strukturanalyse:
Flexibilität bei der Modellierung komplexer Geometrien und Materialverhalten.
Berücksichtigung von Nichtlinearitäten, wie beispielsweise plastisches Materialverhalten.
Ermöglicht die Vorhersage von Verhalten und Reaktionen unter verschiedenen Lastbedingungen.
Unterstützt die Optimierung von Strukturen für maximale Leistungsfähigkeit.
Eignet sich für statische, dynamische und thermische Analysen.
Strukturanalyse-Software
Software für Strukturanalyse sind spezialisierte Tools, die Ingenieuren und Wissenschaftlern ermöglichen, das Verhalten von Strukturen unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu simulieren, zu analysieren und zu optimieren. Diese Softwarelösungen verwenden numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) oder die Finite-Differenzen-Methode, um komplexe mathematische Modelle von Strukturen zu erstellen. Hier sind einige bekannte Softwarepakete für die Strukturanalyse:
SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS Simulation ist ein anwenderfreundliches Portfolio an Werkzeugen zur Strukturanalyse. Dabei wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, um anhand virtueller Tests von CAD-Modulen das tatsächliche physikalische Verhalten eines Produkts vorherzusagen. Das Portfolio umfasst lineare, nichtlinear-statische und dynamische Analysen.
3DEXPERIENCE Works Simulation
Die Struktursimulation aus 3DEXPERIENCE Works beinhaltet leistungsstarke, kollaborative und vernetzte Simulationslösungen auf der Cloud-basierten 3DEXPERIENCE®-Plattform. Sie können Konstruktionsinnovationen beschleunigen durch volle Daten-Assoziativität beim Lösen technischer Herausforderungen Ihrer SOLIDWORKS 3D Konstruktionen.
ABAQUS
SIMULIA Abaqus Unified FEA liefert etablierte, hochleistungsfähige FEA-Simulationslösungen für komplexe nichtlineare Probleme, umfangreiche lineare Dynamikanalysen, Multiphysiksaufgaben sowie für Routineaufgaben. Mit der Abaqus Suite lassen sich vollständige Fahrzeuglasten, dynamische Vibrationen, Crash, Mehrkörpersysteme, nichtlineare Statik, thermische Kopplung und akustisch-strukturelle Kupplung mit nur einer Modellierungsdatenstruktur und integrierter Solver-Technologie betrachten.
Fazit
Die Strukturanalyse ist ein grundlegender Prozess, der es Ingenieuren ermöglicht, das Verhalten von Strukturen vorherzusagen, Schwachstellen zu identifizieren und Verbesserungen vorzunehmen. Durch die Kombination von theoretischen Konzepten, experimentellen Daten und fortschrittlicher Simulationstechnologie trägt die Strukturanalyse dazu bei, innovative und zuverlässige Lösungen in verschiedenen Branchen zu entwickeln.