Glossar
Warum Simulation?
Versuch und Berechnung sind sich ergänzende Gebiete zur Verifizierung und Optimierung von Konstruktionen. Die Berechnung hilft dabei, schneller zu besseren Produkten zu kommen, welche die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Funktion, Zuverlässigkeit und Preis erfüllen können.
Der Einsatz der Simulation an der richtigen Stelle reduziert Ihre Kosten!
Unsere neueste Kundenzufriedenheitsanalyse zeigt, dass sich gerade die Firmen, die vorwiegend neue Produkte auf den Markt bringen auf die Möglichkeiten des Simultaneous Engineering zurückgreifen und sie auch in Zukunft noch früher in die Produktentwicklung und Prozessoptimierung einbinden werden. Wie verschiedene Untersuchungen ergaben, reduzieren sich sowohl die Gesamtzeit bis zur Markteinführung als auch die Gesamtkosten bei der Produktentwicklung, auch wenn sich zu Beginn die Kosten im Entwicklungsbereich und in der Konstruktion zwischen ca. 50 – 100 % erhöhen.
Finite-Elemente-Methode (kurz FEM)
Die Finite-Elemente-Methode (kurz FEM) ist ein numerisches Berechnungsverfahren. Dabei wird das Problem oder Berechnungsgebiet in eine endliche Anzahl von Elementen unterteilt. Die Gleichungen (meistens Differentialgleichungen) werden dann für jedes dieser Elemente gelöst. Die Ergebnisse geben dann Aufschluss über das gesamte Berechnungsgebiet. Die Anzahl der Elemente bestimmt dabei die Genauigkeit der Gesamtergebnisse. Die Methode wird im Ingenieurwesen sowohl in der Strukturmechanik als auch in der Strömungsmechanik angewandt.
Strukturmechanik
Die Strukturmechanik ist die Berechnung von Verformungen, Kräften und inneren Spannungen in Festkörpern, entweder für die Planung neuer oder die Nachrechnung bestehender mechanischer Strukturen. Sie befasst sich mit der Festigkeitsberechnung von Bauteilen, Werkstoff-Formteilen, Bauteilgruppen, usw., die aus festen Materialien wie Stahl, Aluminium, sonstigem Metall, Kunststoff, Gummi, Verbundwerkstoff, Beton, Holz, Glas oder anderen bestehen.
Die Strukturmechanik ist eine Disziplin der Technik, in der mechanische Festkörpermodellierungen erstellt werden, deren zu untersuchende Festkörper-Bauteile in finite Substrukturen unterteilt und mit von außen angreifenden mechanischen oder thermischen Belastungen (unter Anwendung des Freischneideprinzips im Falle vektorwertiger und gerichteter Größen) beaufschlagt werden. In der Regel entsprechen dabei die Konturen der finiten Einzelelemente der Substrukturen elementaren geometrischen Formen. Die Grenzflächen der Einzelelemente der finiten Substrukturen können dann dazu benutzt werden, um Größen und Zustände senkrecht, tangential oder in einem Winkel zu diesen Grenzen im Inneren der Festkörper-Bauteile genauer zu berechnen und somit Aufschlüsse über Gegebenheiten im Bauteilinneren zu gewinnen. Die Strukturmechanik ist ein interdisziplinäres ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet, welches Anwendungen im Maschinenbau (und darin insbesondere im Fahrzeugbau, aber auch in vielen anderen Zweigdisziplinen), im Bauwesen (und darin insbesondere im Stahlbau), in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Wehrtechnik besitzt.
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Strukturmechanik aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Strömungssimulation
Die numerische Strömungsmechanik (englisch: computational fluid dynamics, CFD) ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik. Sie hat das Ziel, strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. Die benutzten Modellgleichungen sind meist Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen oder Potentialgleichungen. Die Motivation hierzu ist, dass wichtige Probleme wie die Berechnung des Widerstandsbeiwerts sehr schnell zu nichtlinearen Problemen führen, die nur in Spezialfällen exakt lösbar sind. Die numerische Strömungsmechanik bietet dann eine kostengünstige Alternative zu Windkanal-Versuchen.
Die international gebräuchliche Abkürzung CFD wird etwa seit einer Konferenz der AIAA 1973 benutzt. Dort wurde auch die Verwendung von CFD als Werkzeug zum Design von Flugzeugen etabliert.
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Adiabat
Adiabat (Adiabat, von altgriechisch ἀδιάβατος (adiabatos) „nicht hindurchtretend“) ist ein Begriff aus der Strömungssmulation. Zwischen adiabaten Bauteilen und deren Umgebung findet kein Wärmeaustausch statt. Ein adiabates System wäre also ein System, das thermisch perfekt isoliert ist und keine Wärme annimmt oder abgibt.
Adiabate Bauelemente spielen in der Gebäudeentwicklung eine wichtige Rolle, um beispielsweise Wärmebrücken, die Wärme oder Kälte ungewollt in das Gebäudeinnere führen, zu reduzieren. Auch in der Entwicklung von technischen Produkten sind isolierte Systeme wichtig, um angrenzende Bauteile über eine ungewollte Wärmeentwicklung nicht in ihrer Funktion zu stören.
CAE
CAE ist die Abkürzung für Computer Aided Engineering und umfasst alle Varianten der Computerunterstützung von Arbeitsprozessen in der Technik, wie CAD, FEM, CFD, MKS u.v.a.
Dehnung
Die Dehnung ist die Verformung eines Bauteils im Verhältnis zur unverformten Geometrie. Die Dehnung ist also abhängig von der wirkenden Kraft und den Materialparametern.
Dabei können die wirkenden Kräfte mechanisch oder auch thermisch Kräfte sein. Es gibt sowohl positive als auch negative Dehnung. Das heißt, der Körper wird entweder länger (Streckung) oder kürzer (Stauchung).
Das entsprechende Verhalten von Materialien bei gegebenen Kräften kann mittels modernern Simulationstechnologien wie beispielsweise der Finite-Element-Methode (FEM) sehr exakt berechnet werden. Somit kann im Vorfeld ohne physischen Testaufbau das Verhalten von Bauteilen oder kompletten Produkten unter Dehnungskräften berechnet werden.
Elastizitätsmodul
Das Elastizitätsmodul ist ein Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen Dehnung und Spannung während einer elastischen Verformung darstellt.
Kontakt
Im Bereich der technischen Berechnung spricht man von Kontakt, wenn sich zwei verschiedene Bauteile berühren und in eine oder mehrere Richtungen zueinander bewegt werden können.
Konvektion
Konvektion ist die Wärmeübertragung durch bewegliche Teilchen (Flüssigkeiten und Gase). Im Vakuum gibt es keine Konvektion.
Kriechen
Kriechen bezeichnet die zeitabhängige Verformung eines Werkstoffs unter gleichbleibender Last. Kriechen ist vor allem bei dauerbelasteten Metallen und Kunststoffen zu berücksichtigen.
Laminare Strömung
Eine Strömung ist laminar, wenn während der Bewegung des Gases oder der Flüssigkeit keine Verwirbelungen auftreten.
Plastizität
Man spricht von Plastizität, wenn ein Bauteil über seine Elastizitätsgrenze hinaus einer Belastung ausgesetzt wird. Wobei die Materialien nach der Einwirkung die entstandene Form beibehalten, das heißt, es entstehen irreversible Verformungen, die sogenannten plastischen Verformungen.
Bei der Belastung unterscheidet man zwischen Zugspannung (Tension), Druckspannung (Kompression), Torsionsspannung oder Schubspannung.
Hohe Plastizität besitzen beispielsweise einige Metalle (Kaltumformung von Blechen) oder auch glühender Stahl beim Schmieden.
Eine geringe Plastizität besteht beispielsweise bei Gummi, der sich nach Verformung in der Regel wieder in den Ausgangszustand begibt. Ein anderes Beispiel für geringe Plastizität sind spröde Stoffe, wie bspw. Glas oder Keramik, die bei zu hoher Belastung relativ schnell versagen.
Auf dem Gebiet der ingenieurstechnischen Simulationsberechnungen sind die Plastizitäten unterschiedlichster Materialien bekannt und werden bei der Simulation mit einberechnet. Damit erhält man eine realistische Abbildung der Reaktion von Materialien.
Randbedingungen
Als Randbedingungen versteht man die Kräfte oder die vorgegebene Verformungen, die von außen auf ein abgeschlossenes System wirken. Allgemein sind es alle Werte, die an den Grenzen eines Berechnungsmodells vorgegeben werden. Dazu gehören auch Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Beschleunigung etc.
Ein Festlager hat z.B. eine vorgegebene Verformung von 0.
Im einfachsten Fall einer Statik sind an jedem Punkt der Grenze entweder die Verformung oder die Kraft bekannt.
Ein Festlager hat z.B. eine vorgegebene Verformung von 0.
Im einfachsten Fall einer Statik sind an jedem Punkt der Grenze entweder die Verformung oder die Kraft bekannt.
Spannung
Im Ingenieurwesen beschreibt die Spannung die Beanspruchung von Bauteilen und Werkstoffen. Spannung ist die Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Alle Werkstoffe haben eine maximale Spannung, die beschreibt wie stark der entsprechende Werkstoff belastet werden kann, bevor es zu Schäden kommt. Die Spannung gliedert sich in Zug-/Druckspannung, Schubspannung und Torsionsspannung.
Turbulente Strömung
Man spricht von turbulenter Strömung, wenn in der Bewegung der Flüssigkeit oder des Gases Verwirbelungen in jeglicher Größenordnung auftreten. Die turbulente Strömung ist um einiges komplizierter zu berechnen wie die laminare Strömung.
Verfestigung
Verfestigung ist das Verhalten von plastisch beanspruchten Werkstoffen. Die mechanische Festigkeit ändert sich mit der plastischen Verformung. Es wird also mehr oder weniger Kraft benötigt um das Bauteil weiter zu verformen.
VOF-Methode
Die Volume-of-Fluid-Methode (VOF-Methode) ist eines der Standardverfahren zur Berechnung zweiphasiger Strömungen der numerischen Strömungsmechanik. Bei der VOF-Methode wird die Finite-Volumen-Diskretisierung eingesetzt, d.h. das Modell wird in dreidimensionale Volumenelemente (Berechnungszelle) eingeteilt, wie es bei üblichen CFD-Simulationen der Fall ist. Innerhalb der Berechnungszelle wird eine neue Variable C gespeichert, die den Volumenanteil einer Phase innerhalb der Zelle darstellt. Der Wert kann dabei zwischen 0 und 1 liegen. Aus der Verteilung der Phasen werden die physikalischen Eigenschaften wie Dichte oder Viskosität abgeleitet. In Zellen, die beide Fluide enthalten, werden diese Werte gemittelt. Die Werte werden dann verwendet, um mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen ein neues Geschwindigkeitsfeld zu berechnen. Die VOF-Methode kann zusätzliche physikalische Eigenschaften berücksichtigen. Dazu zählen z.B. Oberflächenspannung, Wärmetransport, Auftriebseffekte und Phasenwechsel.
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen, die durch einen physischen Körper ausgesendet wird. Eine typische Wärmestrahlung über elektromagnetische Wellen ist die Infrarotstrahlung.
Elektromagnetische Wellen entstehen durch die Kopplung elektrischer und magnetischer Felder. Elektrische Geräte und Leitungen führen niederfrequente magnetische Felder. Mobiltelefone oder WLAN hingegen hochfrequente elektromagnetische Felder. In der Produktentwicklung spielen elektromagnetische Wellen eine nicht unbeachtliche Rolle. Einerseits möchte man die Funktion von Produkten optimal ausführen. Andererseits die Strahlenbelastung und Wärmeentwicklung so gering wie möglich halten. Auch in diesem Umfeld spielen ingenieurstechnische Simulationsberechnungen eine wichtige Rolle.
Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit ist die im Zugversuch ermittelte maximale Spannung, die ein Werkstoff aushalten kann (im Bezug auf die ursprüngliche Querschnittsfläche der Zugprobe). Sie beschreibt also die maximale Belastung (und damit Spannung) eines Werkstoffs.
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