Het verschil tussen een simpele en complexe FEM-berekening zit in de mate waarin het model de werkelijkheid moet benaderen. Een simpele FEM-analyse werkt met lineaire materiaalmodellen, eenvoudige geometrie en statische belastingen. Een complexe FEM-analyse voegt daar niet-lineair materiaalgedrag, grote vervormingen, contactmechanica of dynamische effecten aan toe. Hoe meer van deze factoren tegelijk spelen, hoe complexer het model wordt. In dit artikel beantwoorden we de meest gestelde vragen over FEM-analyses, van het onderscheid tussen simpel en complex tot veelgemaakte fouten bij het opzetten van een model.
Een FEM-berekening is simpel wanneer het gaat om een lineaire statische analyse: de geometrie is overzichtelijk, het materiaal gedraagt zich lineair-elastisch en de belastingen zijn constant in richting en grootte. Een complexe FEM-analyse ontstaat zodra je te maken krijgt met niet-lineariteit, dynamische belastingen, meerdere samenstellende onderdelen met contactvlakken, of sterk variërend materiaalgedrag.
In de praktijk zijn dit de factoren die een analyse van simpel naar complex tillen:
Een simpele FEM-analyse levert doorgaans snel en betrouwbaar een antwoord. Een complexe analyse vraagt meer rekentijd, meer modelleerkeuzes en een ervaren ingenieur die de resultaten kritisch interpreteert.
De invoerparameters die een FEM-model complex maken, zijn materiaalmodellen, randvoorwaarden, contactdefinities en belastinghistorie. Hoe meer van deze parameters van de lineaire basisaanname afwijken, hoe zwaarder de rekenkundige last en hoe groter de kans op modelleringsfouten.
Materiaalmodellen vormen een van de grootste bronnen van complexiteit. Een lineair-elastisch model heeft slechts twee parameters nodig: de elasticiteitsmodulus en de dwarscontractie. Een elastoplastisch model vraagt daarnaast een vloeigrens, een verhardingscurve en soms temperatuurafhankelijke waarden. Voor polymeren of composieten worden nog uitgebreidere modellen gebruikt.
Randvoorwaarden en belastingen worden complex zodra ze tijdsafhankelijk zijn, of wanneer ze afhangen van de vervorming van het model zelf, zoals druk die van richting verandert bij grote rotaties. Ook het definiëren van contactvlakken tussen onderdelen vraagt zorgvuldigheid: de keuze tussen bonded, frictionless of frictional contact heeft grote invloed op de uitkomst.
Mesh-kwaliteit is een indirecte maar belangrijke invoerparameter. Een te grove mesh leidt tot onnauwkeurige spanningspieken, terwijl een te fijne mesh de rekentijd onnodig verhoogt. Bij complexe geometrie, zoals dunwandige constructies of scherpe hoeken, vraagt de mesh extra aandacht.
Bij een simpele FEM-analyse volstaat validatie vaak door de uitkomsten te vergelijken met een analytische handberekening of een bekende referentieoplossing. Bij een complexe FEM-analyse is validatie een uitgebreider proces dat meerdere stappen vraagt en soms experimentele data vereist.
Voor simpele analyses controleer je doorgaans:
Voor complexe analyses voeg je daar aan toe:
Validatie is geen sluitstuk maar een doorlopend onderdeel van het modelleerproces. Zeker bij complexe FEM-analyses geldt: een ongevalideerd model geeft geen betrouwbare basis voor een ontwerpbeslissing.
Je kiest voor een FEM-analyse wanneer de geometrie, de belastingen of het materiaalgedrag te complex zijn om analytisch op te lossen. Een handberekening werkt goed voor gestandaardiseerde profielen, eenvoudige balkconstructies of situaties waarbij de normbladen een directe rekenmethode bieden. Zodra die voorwaarden niet gelden, is FEM de logische stap.
Concrete situaties waarbij FEM de voorkeur verdient:
Tegelijk geldt: een handberekening blijft waardevol als eerste verificatiestap, ook wanneer je een FEM-model opbouwt. De twee methoden vullen elkaar aan in plaats van dat de een de ander vervangt.
Voor complexe FEM-analyses zijn de meest gebruikte softwarepakketten Ansys, Abaqus, Nastran en Simufact. Elk pakket heeft zijn eigen sterktes, afhankelijk van het type analyse en de sector. Naast FEM-tools worden voor stromingsvraagstukken aparte pakketten ingezet voor Computational Fluid Dynamics en simulatie, zoals Ansys Fluent of OpenFOAM.
Ansys Mechanical is breed inzetbaar voor zowel statische als dynamische analyses en biedt uitgebreide mogelijkheden voor niet-lineair gedrag. Abaqus staat bekend om zijn kracht bij materiaal niet-lineariteit en wordt veel gebruikt in de automotive en luchtvaartindustrie. Nastran is populair voor grote structurele analyses en wordt veel ingezet in combinatie met CAD-omgevingen zoals Siemens NX of Catia.
De keuze voor een softwaretool hangt af van het type vraagstuk, de beschikbare licenties en de ervaring van de engineer. Het gebruik van de verkeerde solver of een onjuiste configuratie van de solver-instellingen is een veelgemaakte fout bij complexe analyses.
De meest voorkomende fouten bij het opzetten van een FEM-model zijn een te grove mesh op kritische locaties, onjuiste randvoorwaarden, verkeerd gedefinieerde contactinteracties en het gebruik van een te eenvoudig materiaalmodel voor een complex vraagstuk.
Een overzicht van fouten die in de praktijk regelmatig voorkomen:
Veel van deze fouten zijn te voorkomen door een gestructureerde aanpak: begin met een eenvoudig basismodel, valideer stap voor stap, en voeg complexiteit pas toe wanneer het basismodel correct gedrag vertoont.
Binnen ons Development & Engineering team werken ervaren werktuigbouwkundige engineers die dagelijks FEM-analyses uitvoeren, van eenvoudige lineaire berekeningen tot uitgebreide niet-lineaire simulaties. We zetten daarvoor bewezen softwarepakketten in en combineren dat altijd met een kritische interpretatie van de resultaten.
Wat we bieden:
Wil je weten welk type FEM-analyse past bij jouw vraagstuk? Neem contact op met AKOS voor een vrijblijvend gesprek. We denken graag mee over de juiste aanpak voor jouw situatie.
Over AKOS
AKOS is een advies- en ingenieursbureau gericht op het ontwikkelen van de industrie door het leveren van expertise en oplossingen op het gebied van mens, productie en technologie.
Menu
Terugbelverzoek
