Festkörperelemente

Festkörperelemente sind diskrete Bausteine der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur numerischen Modellierung von festen, deformierbaren Körpern. Sie ermöglichen die Annäherung eines Kontinuums durch endliche Volumen und liefern Verschiebungen, Spannungen, Temperaturen und andere Feldgrößen in dreidimensionalen Bauteilen.

Zu den gängigen Formen gehören dreidimensionale Volumenelemente wie Hexaeder-, Tetraeder- und Pyramidelemente. Linear- und quadratisch-geformte Varianten unterscheiden sich in der Knotenanzahl und im Genauigkeitsgrad. Typische Bezeichnungen beziehen sich auf die Elementform (z. B. HEX8, TET4) und deren Knotenversionen. Die Elemente werden mit Materialmodellen wie linearer Elastizität, nichtlinearer Elastizität oder Plastizität verknüpft und an Integrationspunkten innerhalb des Elements ausgewertet.

Anwendungsgebiete umfassen Strukturanalysen, Festigkeits- und Lastfallberechnungen sowie wärme- und thermo-mechanische Kopplungen in Solid-Mechanik-Problemen. Sie eignen sich besonders für komplexe Geometrien, mehrere Materialeinschlüsse und dreidimensionale Spannungsfelder. Randbedingungen wie Festlager, Verschiebungsschranken, Lasten und Tempgradienten steuern das Verhalten der Modelle.

Vorteile der Festkörperelemente liegen in der Fähigkeit, dreidimensionale Phänomene detailliert abzubilden und beliebige Geometrien zu meshen. Nachteile ergeben sich aus dem hohen Rechenaufwand und der Abhängigkeit der Ergebnisqualität von der Netzqualität; eine sorgfältige Netzauswahl und -verfeinerung ist daher oft notwendig.

Im Zusammenhang mit anderen Elementtypen stehen Festkörperelemente im Gegensatz zu Schalenelementen für dünne Strukturen oder Faser-/Draht-Elementen; in multiphysikalischen Analysen werden sie häufig mit anderen Typen kombiniert, um komplexe Probleme abzubilden.