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 Technische Begriffe - FEM

Aus der Serie „Technische Begriffe leicht erklärt“ haben wir uns heute für den Begriff FEM entschieden. FEM steht für Finite-Elemente-Methode. Es handelt sich um ein numerisches Verfahren, welches unter anderem im Rahmen von Simulationen zur gezielten Strukturanalyse und Optimierung eingesetzt wird. Auch bei physikalischen Aufgabenstellungen lässt sich diese Methode anwenden.

Die Methode der Finiten Elemente, auch als FEA (Finite-Elemente-Analyse) bezeichnet, ist wie schon erwähnt ein numerisches Verfahren, bei dem der zu untersuchende Bereich in eine endliche, also finite, Anzahl von Elementen unterteilt wird.

Durch entsprechende Algorithmen lässt sich zum Beispiel das Gesamtverhalten von Strukturen aus dem Verhalten der einzelnen Subbereiche berechnen.

Die erste Anwendung der FEM Methode war die lineare Behandlung von Festkörpern und Strukturen in Form der Verschiebungsmethode. Davon ausgehend hat die FEM ihre Anstöße erhalten. Die Bezeichnung „Finite-Elemente“ wurde erst wesentlich später benutzt. Im weiteren Verlauf wurde die Methode immer mehr verallgemeinert und wird heutzutage in den verschiedensten Bereichen eingesetzt. Unter anderem in der Feldberechnung, Wettervorhersagen oder technischen Fragestellungen der Branchen Fahrzeugbau, Maschinenbau, Medizintechnik und Konsumgüter. Ebenfalls vorzufinden in den Ingenieurwissenschaften.

Ein Haupteinsatzgebiet dieser Methode ist die Produktentwicklung, wo unter anderem mechanische Festigkeitsberechnungen einzelner Komponenten berechnet werden, um so aufwendige Crashtests zu vermeiden.

Der Einsatz der FEM in der Praxis begann in den 1950er Jahren bei einer Strukturberechnung von Flugzeugflügeln in der Luft- und Raumfahrtindustrie und kurz darauf auch im Fahrzeugbau. Die Methode basiert auf den Arbeiten bei der Daimler AG in Stuttgart, die das selbst entwickelte FEM-Programm ESEM einsetzte, lange bevor die computergestützten Konstruktionen (CAD) Anfang der 1980er Jahre ihren Einzug hielten.

Die Bezeichnung Finite-Elemente-Methode wurde erstmals von R.W. Clough 1960 vorgeschlagen und wird seit den 1970er Jahren verwendet.

Die Einsatzbereiche dieser Methode sind weitreichend. Je nach Bereich, kann die Frage, was FEM eigentlich ist, unterschiedlich ausfallen. So ist es für den Bauingenieur ein computergestütztes Berechnungsverfahren, mit dem er beispielsweise berechnen kann, ob ein Staudamm dem Wasserdruck standhalten würde.

Der Mathematiker versteht unter der FEM Methode ein allgemeines numerisches Näherungsverfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen. Und ein Maschinenbauingenieur berechnet mit einem FE-Programm, ob ein Bauteil oder dessen Komponente gewissen Belastungen standhält.

In den kommerziellen CAD Systemen ist die FEM Methode in Finite-Elemente-Paketen inbegriffen und kann einfache Problemstellungen berechnen, welche durch die CAD Systeme anschließend direkt ausgewertet werden. Die einzelnen Schritte, z.B. der Vernetzungsprozess laufen automatisch im Hintergrund ab.

Das sind die wichtigsten Informationen zu der FEM Methode. Auf einzelne Berechnungsmethoden können wir in diesem Artikel nicht eingehen. Daher haben wir uns für die knappe Beschreibung entschieden um Ihnen den Begriff etwas aufzufrischen. Wir hoffen, sie hatten Freude beim Lesen und freuen uns auf Ihr Feedback.

 

 Quellen: www.konstruktionspraxis.vogel.de, Wikipedia, ingenieur.de

 

 


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