FEM-Simulation: Belastungen virtuell vorhersehen

Mit der FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode) lassen sich Belastungen virtuell vorhersehen – bevor Prototypen entstehen.
Ingenieur:innen erkennen Spannungen, Verformungen, Eigenfrequenzen und Sicherheitsreserven frühzeitig, reduzieren Iterationen und treffen belastbare Entscheidungen.

Ob Leichtbau, Lebensdauernachweis, Thermik-Mechanik-Kopplung oder eine strukturierte Bauteilanalyse verkürzt Time-to-Market, senkt Kosten und steigert die Produktqualität.

Die Produkte von heute sind leichter, komplexer und funktionaler. Werkstoffe werden anspruchsvoller, Betriebsbedingungen variabler. Klassische Try-and-Error-Schleifen mit physischen Mustern kosten Zeit und Budget.

Die FEM-Simulation schließt diese Lücke: Sie macht Annahmen explizit, zeigt Belastungen im Bauteil, bewertet Steifigkeit und Festigkeit und legt kritische Details offen.

Das Ergebnis: Mehr geprüfte Varianten im kürzeren Zeitfenster und verifizierte Entscheidungen schon vor der ersten Werkzeuginvestition.

Eine belastbare Bauteilanalyse beantwortet vier Kernfragen:

1. Trägt die Geometrie?
   Spannungen bleiben unter zulässigen Grenzwerten, Verformungen beeinträchtigen Funktion und Optik nicht.
2. Wie robust ist das Design?
   Toleranzen, Fertigungsstreuungen und Lastkollektive werden mittels Sensitivitäten und Was-wäre-wenn-Szenarien abgedeckt.
3. Wie lange hält es?
   Lebensdauer unter Zeitlasten (Low-/High-Cycle Fatigue), Schwingungen, Temperaturwechseln.
4. Wo optimieren?
   Material gezielt verlagern, Rippen/Stege anpassen, Fasen entschärfen, Wandstärken bedarfsgerecht variieren.

Die Finite-Elemente-Methode übersetzt diese Fragen in ein numerisches Modell aus Elementen, Randbedingungen und Materialgesetzen. So werden nicht nur statische Fälle, sondern auch Dynamik, Thermomechanik oder Nichtlinearitäten (Kontakt, große Verformungen / Dehnungen und nichtlineares Materialverhalten) abbildbar.

• Netzkonvergenz statt Bauchgefühl: Elementgröße systematisch variieren, bis Ergebnisse stabil sind.
• Kontakt korrekt modellieren: Reibkoeffizienten und Steifigkeitsübergänge realitätsnah ansetzen.
• Singularitäten erkennen: Theoretische Spitzen an scharfen Geometrien richtig interpretieren.
• Material realistisch abbilden: Elastisch-plastisch, temperaturabhängig, verfestigend – statt rein linear.
• Randbedingungen prüfen: Freiheitsgrade und Lagerungen hinterfragen; zu starre Setzungen verfälschen Belastungen.
• Ergebnis-Review im Team: Mechanik, Fertigung und Qualität prüfen gemeinsam – fachliche Plausibilität schlägt perfekte Farbplots.

Wenn die Bauteilanalyse Hotspots sichtbar macht, beginnt die zielgerichtete Optimierung:

• Topologie & Form: Rippen neu positionieren, Verrundungen erhöhen, lastpfadgerechtes Design umsetzen.
• Gewicht vs. Steifigkeit: Sandwichstrukturen, Sicken, lokale Verstärkungen statt pauschaler Wandstärken.
• Lebensdauer: Kerbwirkungszahlen, Mittelspannungen, Schwingbreiten – Festigkeitskonzepte (z. B. FKM-Richtlinie) berücksichtigen.

Dauerhaltbarkeit entscheidet oft über Garantie, Rückruf und Reputation. Die FEM-Simulation liefert lokale Spannungskollektive; mit Werkstoffkennwerten und Wöhlerlinien entsteht der Lebensdauernachweis.

Wichtig sind Mittelspannungseinfluss, Kerbempfindlichkeit, Oberflächengüte, Temperatur sowie korrekte Lastkollektive. Für wechselnde Betriebsprofile empfiehlt sich ein Blockprogramm oder eine zeitreihenbasierte Auswertung. Ziel: Sichere Designs bei minimalem Materialeinsatz.

• First-Pass-Yield: Erstfreigabe ohne Nacharbeit
• Iterationen bis Freigabe: Digital vs. physisch
• Prototypenreduktion: Stückzahl & Kosten
• Gewichtsreduktion: Bei konstantem Sicherheitsfaktor
• Time-to-Decision: Zeit bis zur belastbaren Empfehlung
• Feldrückläufer / Mio. Einheiten: Nach SOP
• MTBF: Mean Time Between Failures bei Lebensdauerthemen

Diese Kennzahlen verknüpfen die FEM-Simulation direkt mit Geschäftszielen: Qualität, Tempo, Kosten.

Ein druckbelastetes Aluminiumgehäuse zeigte in der ersten Bauteilanalyse lokale Überschreitungen an einem Flansch. Durch Verrunden, Rippenverlagerung und eine moderate Wandstärkenanpassung sank die lokale Spannung unter den zulässigen Wert, die Verformung an der Dichtlinie wurde halbiert. Parallel ergab die Lebensdauerabschätzung eine deutliche Reserve gegen Wechselbelastung. Ergebnis: Gewicht –8 %, Sicherheitsfaktor +20 %, dichtes, fertigungsgerechtes Design – ohne Zusatzprototyp.

• Design Engineering: Funktionsanforderungen, Änderungsmanagement, Fertigungsgerechtigkeit.
• Simulation Team: Modellbildung, Lösung, Ergebnisinterpretation.
• Test & Validierung: Referenzfälle, Messabgleich, Freigaben.
• Qualität & Compliance: Normbezüge, Nachweise, Auditfähigkeit.
• Produktmanagement: Zielgrößen, Trade-offs, Business-Entscheidungen.

So stellen Sie sicher, dass FEM-Simulation nicht isoliert läuft, sondern als durchgängiger Entscheidungsprozess im Unternehmen verankert ist.

Wer Belastungen virtuell vorhersehen kann, entscheidet früher, spart Prototypen, reduziert Risiko und steigert Kundennutzen.Die Finite-Elemente-Methode liefert die notwendige Tiefe – von linearen Überschlägen bis zu komplexen, gekoppelten Analysen Mit sauberer Bauteilanalyse, nachvollziehbaren Randbedingungen und konsequenter Validierung entsteht ein robuster Entwicklungsstandard – effizient, auditierbar und skalierbar.