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Was ist FEM?

Die Finite-Elemente-Methode ist ein numerisches Verfahren, das näherungsweise Lösungen für technische Fragestellungen bestimmt, die durch komplexe Systeme von Differenzialgleichungen mathematisch formuliert sind.

Hierfür wird das Berechnungsgebiet (das Bauteil) in sogenannte Finite Elemente aufgeteilt, was es erlaubt, das System aus Differenzialgleichungen in ein lösbares Gleichungssystem umzuformulieren.
Durch die Vielseitigkeit der Finite-Elemente-Methode ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum, z.B. :

  • Bauteilstatik und -dynamik
  • Thermische Analysen
  • Schwingungsberechnung
  • Lebensdauerberechnung
  • Prozesssimulation (z.B. Blechumformprozess)
  • Akustik
  • Crash-Simulation
  • Geometrische Optimierung
  • Schweißsimulationen
  • Elektromagnetische Feldberechnung
  • Multiphysikalische Simulation

Lehre im Labor

Das Labor FEM bietet die Vorlesungen Grundlagen der Finiten-Elemente-Methode in den Bachelorstudiengängen Maschinenbau und Biomedical Engineering an. Diese beinhaltet eine ausführliche Einführung in die Grundlagen aus den Bereichen der Strukturmechanik und Numerik. In der vorlesungsbegleitenden Übung werden die Inhalte der Vorlesung mit der Simulationssoftware ANSYS praktisch vertieft.

In den Masterstudiengängen Maschinenbau und Medizintechnik bietet das Labor FEM eine weiterführende Vorlesung zur Finiten-Elemente-Methode an. Dabei liegt der Fokus auf der nichtlinearen und zeitabhängigen FEM. Die Vorlesung wird um eine Übung ergänzt. Zudem werden Aspekte der Modellierung durch anspruchsvolle, praxisnahe Tiefziehsimulationen in der Simulationsumgebung LS-DYNA entwickelt.

Aus der Forschungsaktivität des Labors entstehen regelmäßig spannende und anspruchsvolle Bachelor- und Masterarbeitsthemen. Zudem besteht die Möglichkeit, thematisch passende Abschlussarbeiten aus der Industrie zu betreuen. Bachelor- und Masterarbeiten aus den Bereichen Finite-Elemente-Methode / Simulation / Entwicklung finden Sie in unserer Abschlussarbeiten-Datenbank (RZ-Login erforderlich).

Die langjährige Expertise des Labors mit den kommerziellen Simulationsprogrammen ANSYS Workbench und LS-DYNA gibt das Labor FEM allen Studierenden der Fakultät Maschinenbau in Form von regelmäßig vor Semesterstart beginnenden Block-Anwenderkursen weiter.

Forschung im Labor

Das Labor befasst sich in der Forschung mit folgenden Themen:

  • Numerische Akustik
  • Einsatz von Maschinellem Lernen in Verbindung mit Simulationsmethoden
  • Weiterentwicklung neuer Berechnungsverfahren
  • Dynamische Materialcharakterisierung verschiedener Werkstoffe (Elastomere, Guss, Kupfer, Papier)

Unsere Publikationen finden Sie hier:

Publikationen

Lineare und nichtlineare FEM

Eine Einführung mit Anwendungen in der Umformsimulation mit LS-DYNA

Unsere Kompetenzen

Abbildung virtuelle Prozesskette Umformtechnik

Die Tiefziehsimulation ist aufgrund von Materialmodellierung, Kontaktbedingungen und großen Verzerrungen eine hochgradig nichtlineare Simulation. Zur Sicherstellung qualitativ hochwertiger Simulationen bei gleichzeitig vertretbaren Berechnungszeiten werden Simulationstechniken der Zeit- und Massenskalierung angewandt.
Weiterhin wird das dynamische Verhalten des gesamten Pressensystems und sein Auswirkung auf den Ziehvorgang untersucht.

Computational Acoustics mit Modellreduktionstechniken

Bei der akustischen Optimierung technischer Fragestellungen ist es oft zielführend, nicht nur physikalische Größe, wie den Schalldruck zu reduzieren. Viel mehr ist ein Geräusch zu generieren, welches vom Kunden als angenehm empfunden wird. Die Finite-Elemente-Methode bietet hier Möglichkeiten, um auch das akustische Fluid mit Strukturen zu koppeln, um möglichst präzise Aussagen über die Geräuschentwicklung zu berechnen.
Für Berechnungen im akustischen Außenraum, sind geeignete Randbedingungen zu wählen, wie Infinite-Elementen, oder die Dirichlet-to-Neumann Randbedingung. Um nun die Berechnungszeiten gering zu halten, werden Modellreduktionsverfahren eingesetzt, für eine Approximation der Schallabstrahlung im Frequenzbereich.

Maschinelles Lernen im Umfeld der FEM

Maschinelles Lernen (ML) bietet durch die Verknüpfung mit Simulationsmodellen eine Möglichkeit, die Vorteile der Methoden zu kombinieren, während die Nachteile stark reduziert werden können. So dienen Simulationsmodelle als Datengrundlage, deren Aussagen von ML-Modellen und -algorithmen für eine Anzahl unterschiedlicher Trainingsverfahren genutzt werden. Zudem eignen sich Simulationen als Basis für datenhungrige Deep-Learning-Modelle und zur Datenvervielfältigung. Durch Einsatz von ML und Metamodellen können zeitintensive Simulationen „verkürzt“ werden. Dies bietet wiederum eine Basis für den Einsatz von Simulationsmodellen in regelungstechnischen Anwendungen. Ein weiteres Potenzial liegt in der Validierung von Simulationsmodellen, um etwaige Lücken zwischen Simulation und Realität schließen zu können.
Methoden des Clusterings ermöglichen es, Simulationsergebnisse dezidiert und automatisiert auf Ausreißer zu überprüfen.

Isogeometrische Analyse in der Blechumformung

Die Isogeometrische Analyse ist eine zur FEM zugehörige Forschungsrichtung, die sich mit der Berechnung von Modellen mit der realen Bauteilgeometrie (CAD-Modell) befasst. Ihre Vorteile liegen in der Reduktion des Pre-Processing Aufwands, der exakten Abbildung der Geometrie sowie des Potenzials zur Verkürzung von Rechenzeiten.

Laborausstattung

Insgesamt stehen 40 leistungsstarke Rechnerarbeitsplätze verteilt auf zwei Räume zur Verfügung. Alle Arbeitsplätze haben gleiche Softwareausstattung.

  • C 208 mit 29 Arbeitsplätzen
  • C 206 mit 8 Arbeitsplätzen

Raumübersicht

Hard- und Software

Ausgabegeräte
 

Linksammlung

Diese Sammlung stellt verschiedene Informationen rund um das Thema CAD, FEM und EDV bereit. Gerne können Sie uns auch eine Linkadresse vorschlagen, ebenso sind wir für Hinweise auf verwaiste Links dankbar.

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Das Team