Membraanelementen

Membraanelementen zijn een soort eindige-elementen die een dun, flexibel oppervlak modelleren dat voornamelijk in-plane krachten kan dragen. Buigvervorming is verwaarloosbaar of niet inbegrepen, waardoor membranen zich richten op spanning en rek binnen het oppervlak. Daardoor dienen ze als efficiënte modellelementen voor membranestructuren die grote vervormingen kunnen ondergaan zonder aanzienlijke buiging.

In de modellering worden membranen doorgaans verondersteld plane-stress te dragen. De constitutieve relatie kan hyperelastic of lineair-elastisch zijn, afhankelijk van het materiaal en de toepassing. De berekening focust op de verandering van oppervlak en de bijbehorende in-plane spanning; buiging wordt meestal niet apart gemodelleerd, behalve wanneer membranen gecombineerd worden met andere elementen die buiging mogelijk maken.

Membranelementen worden discretiseerd als triangulaire of quadrilaterale elementen die het oppervlak in 2D verdelen maar in 3D georiënteerd blijven. Ze kunnen standalone worden toegepast voor dunne membranen of als onderdeel van shell- of sandwichconstructies. Bij compressie kan een membraan wrinkelen, wat stabilisatie vereist om kunstmatige stijving te voorkomen.

Toepassingen omvatten textiel- en doekmembranen, inflatiedelen zoals luchtkussens en airbags, membranestructuren in de bouw en ruimtevaart, en biomechanische membranen in de biomedische simulatie. In simulaties bieden membranelementen een efficiënte benadering voor grote vervormingen en geringe rekenlast ten opzichte van volwaardige buigzame elementen.

Beperkingen omvatten het ontbreken van buigweerstand, wat beperkingen oplevert bij buiging en verlies van stabiliteit onder compressie zonder aanvullende modellen of koppelingen met andere elementen.