[ FEM multiphysikalische Simulation ]

Finite-Elemente (FEM) Simulationen

Die multiphysikalische Finite Elemente Simulation befasst sich mit der strukturellen, elektromagnetischen und thermischen Simulation und kann Objekte entsprechend simulieren.

Die Technologie 

FEM-Simulationen sind ein Hilfsmittel zur Vorhersage (und Optimierung) des Verhaltens verschiedenster, oft miteinander verknüpfter Verhaltensweisen komplexer Objekte bzw. Systeme ohne dafür auf physisch vorhandene Modelle, Prototypen oder Messungen angewiesen zu sein. Dazu wird das untersuchte System rechnerisch in eine – oft sehr große – Anzahl kleiner (finiter) Teilvolumina zerlegt, die physikalischen Zustände (Spannungen, Feldstärken, Temperaturen, etc.) jeder einzelnen Zelle berechnet und über ein iteratives Verfahren solange an die Nachbarzellen angeglichen, bis für das Gesamtsystem eine physikalisch sinnvolle Lösung erhalten wird. Mit FE-Methoden können Probleme aus unterschiedlichen physikalischen Bereichen und Problemstellungen behandelt werden. Insbesonders strukturmechanische FEM-Simulationen haben sich über die letzten Jahre zu einem Routinewerkzeug bei der Festkörpersimulation entwickelt und zählen zum Standardrepertoire in der Konstruktion mechanischer Bauteile. Ebenso ist es aber möglich, beispielsweise Temperaturverteilungen oder elektrische bzw. magnetische Felder zu simulieren, oder auch in Multiparameter-Simulationen mehrere Parameter gleichzeitig. Der F&E-Fokus von CTR liegt auf dem Einsatz gekoppelter Multiparameter-Simulationen mit optimierten Modellansätzen, z.B. zur Simulation des thermisch-mechanischen Verhaltens von Verbundwerkstoffen oder kristallinen anisotropen Hochleistungs-Funktionsmaterialien, das Kompetenzportfolio umfasst aber natürlich auch die Planung, Durchführung und – bedarfsabhängig – die Validierung klassischer Simulationen, beispielsweise im Bereich der Strukturmechanik.

Nutzen und Benefit

Der wesentlichste Vorteil und Nutzen der Verwendung von FE-Simulationsmethoden ist die Fähigkeit, die Verteilung unterschiedlichster Zustandsgrößen zu visualisieren und daraus ein detailliertes Verständnis des Verhaltens und der Zusammenhänge verschiedenerer Einflussfaktoren auf ein System zu erhalten. Dies ermöglicht – ohne aufwändige Reihenuntersuchungen an Modellen oder ähnlichem – die wesentlichen Designfaktoren und (möglichen) Fehlerquellen eines Systems zu identifizieren und gezielt zu optimieren.

Anwendung 

Das Leistungsangebot von CTR umfasst die gesamte Technologiekette der FEM-Simulation:

  • Problemdefinition
  • Erstellung bzw. Adaption der Geometriemodelle
  • Auswahl, Anpassung und ggf. Entwicklung (spezieller) Simulationsmodelle
  • Problemspezifische Visualisierung der Ergebnisse
  • Auswertung
  • messtechnischen Validierung

Entsprechend der vielfältigen Möglichkeiten von Finite-Elemente-Methoden und der Fähigkeiten der verwendeten Software-Pakete ist der Einsatzbereich sehr breit. Referenzprojekte beinhalten beispielsweise:

  • Strukturmechanik: Simulation der Spannungsverteilung in einem kombinierten Massiv/Formblech-Formteil; Entwicklungsziel war eine Minimierung der Bauteilmasse bei gleichzeitiger Gewährleistung der mechanischen Festigkeit über die Soll-Lebensdauer auch unter anspruchsvollen mechanischen (Wechsellasten) und thermischen Einsatzbedingungen. Zu sehen im Bild rechts oben: Spannungsverteilung im Formteil (Grunddesign) bei nominaler mechanischer Belastung, überlagert mit einem Temperaturgradienten von +10 --> -60°C
  • Systemsimulation von PV-Modulen: Simulation der Spannungsverteilungen und der daraus resultierenden – elastischen wie plastischen - Verformungen von Photovoltaik-Modulen in Abhängigkeit des Modulaufbaus (Verbundmaterialien), der Rahmeneigenschaften und der Montagevorrichtungen für verschiedene mögliche Lastfälle (Schnee, Wind, etc.), begleitet von einer messtechnischen Validierung. Zu sehen im Bild unterhalb: Verformungssimulation eines Photovoltaikmoduls (Viertelmodul) unter zunehmender Schneelast