FEMSimulationen

FEMSimulationen bezeichnet die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur numerischen Lösung physikalischer Probleme. Typische Einsatzbereiche liegen in der Strukturmechanik, Wärmeleitung, Elektromagnetik, Akustik und Biomechanik. Ziel ist es, komplexe Geometrien und Randbedingungen realistisch abzubilden, ohne auf einfache analytische Lösungen angewiesen zu sein.

Grundprinzip des FEM besteht darin, einen komplexen Kontur- oder Volumenbereich in eine diskrete Menge einfacher Elemente zu zerlegen. Innerhalb jedes Elements werden Feldgrößen durch Interpolationsfunktionen angenähert. Aus dem globalen Gleichungssystem ergibt sich eine Matrixgleichung, die numerisch gelöst wird.

Typischer Arbeitsablauf umfasst: Geometrie definieren, Materialeigenschaften festlegen, Rand- und Lastbedingungen bestimmen, Netz erzeugen, Lösung durchführen und Ergebnisse nachbearbeiten. Es kommen lineare und nichtlineare Analysen, statische und transiente Berechnungen sowie Mehrphysik-Kopplungen zum Einsatz.

FEM-Simulationen werden von kommerziellen Softwarepaketen wie ANSYS, Abaqus und COMSOL sowie von Open-Source-Tools wie CalculiX, Elmer oder GetDP unterstützt. Sie bieten umfangreiche Materialmodelle, Kontaktmechanik, Geometriedateien und vielseitige Post-Processing-Optionen. Validierung und Verifikation sind wesentliche Qualitätsmerkmale, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.

Herausforderungen umfassen Mesh-Qualität, Konvergenzverhalten, Modellunsicherheiten sowie Rechenressourcenbedarf. Aktuelle Entwicklungen zielen auf Mehrphysik-Simulationen, adaptives Netzbau, fortgeschrittene Materialmodelle und verteiltes Rechnen auf Hochleistungsrechnern.