Die wichtigste Information ist nicht die CAD-Datei
CAD-Geometrie ist die Grundlage vieler strukturmechanischer FEM-Modelle. Trotzdem sollte eine Anfrage nicht mit „Bitte einmal berechnen“ enden. Ein Berechnungsmodell bildet immer nur die für eine Fragestellung relevanten Eigenschaften der Realität ab.
Deshalb sollte vor dem Modellaufbau klar sein: Welche technische Entscheidung soll die Simulation unterstützen? Geht es um Festigkeit, Steifigkeit, Verformung, Kontakt, Stabilität, Lebensdauer oder um den Vergleich mehrerer Konstruktionsvarianten?
Gute FEM beginnt mit einer guten Frage.
„Wie hoch ist die Spannung?“ ist häufig zu unspezifisch. Besser ist beispielsweise: „Hält die Baugruppe Lastfall X mit den vereinbarten Annahmen, und welche konstruktiven Bereiche bestimmen die Sicherheit?“
Die 9 wichtigsten Daten für den Projektstart
1. Aktuelle CAD-Geometrie
Benötigt werden die für die Berechnung relevanten Bauteile und gegebenenfalls Gegenbauteile. Native CAD-Daten können vorteilhaft sein; neutrale Formate wie STEP sind ebenfalls üblich. Wichtig sind Revisionsstand, Einheitensystem und eine eindeutige Zuordnung der Komponenten.
2. Reale Einbausituation
Wie wird das Bauteil befestigt, geführt oder abgestützt? Welche Nachbarbauteile übertragen Kräfte? Fotos, Schnittbilder oder eine vereinfachte Baugruppendarstellung können für das Verständnis wertvoller sein als zusätzliche Detailgeometrie.
3. Werkstoffe und relevante Materialkennwerte
Werkstoffbezeichnung allein genügt nicht immer. Je nach Fragestellung werden beispielsweise Elastizitätsmodul, Querkontraktionszahl, Dichte, Streckgrenze oder weitergehende Materialmodelle benötigt. Bei Kunststoffen, Elastomeren oder nichtlinearem Verhalten kann die Materialbeschreibung erheblich anspruchsvoller werden.
4. Kräfte, Momente, Druck und weitere Belastungen
Wo greift die Belastung an, in welcher Richtung und über welche Fläche beziehungsweise Schnittstelle wird sie eingeleitet? Neben mechanischen Kräften können Temperatur, Beschleunigung, Druck, Vorspannung oder andere Einwirkungen relevant sein.
5. Lagerungen und Randbedingungen
Welche Bewegungen sind in der Realität möglich und welche verhindert? Eine pauschal „fest eingespannte“ Fläche kann ein Modell künstlich versteifen. Genau deshalb gehören reale Lagerung und Einbausituation zu den kritischsten Eingangsinformationen. Siehe auch
7 typische Fehler bei FEM-Randbedingungen.
6. Kontakte und Verbindungen
Sind Teile verschraubt, verklebt, verschweißt, verpresst oder können sie sich gegeneinander bewegen? Kontakte beeinflussen Lastpfade und lokale Spannungen oft erheblich. Bei Schraubverbindungen kann zusätzlich Vorspannung relevant sein.
7. Lastfälle und Kombinationen
Ein Bauteil erlebt häufig nicht nur einen Betriebszustand. Montage, Nennbetrieb, Überlast, Transport oder Sonderfälle können unterschiedliche Lastfälle erzeugen. Diese sollten benannt und priorisiert werden.
8. Bewertungskriterien
Was gilt als bestanden? Zulässige Spannung, maximale Verformung, Sicherheitsfaktor, Kontaktpressung, Eigenfrequenz, Stabilitätskriterium oder ein kundenspezifischer Grenzwert? Ohne Bewertungskriterium bleibt selbst ein korrektes Ergebnis schwer entscheidbar.
9. Gewünschter Lieferumfang
Reicht eine technische Kurzbewertung oder wird ein nachvollziehbarer Berechnungsbericht benötigt? Sollen Varianten verglichen, Optimierungsvorschläge entwickelt oder konstruktive Änderungen direkt im CAD umgesetzt werden?
Welche CAD-Daten sind geeignet?
| Daten | Nutzen für die FEM-Vorbereitung |
|---|
| Native CAD-Daten | Erleichtern je nach System Änderungen, Unterdrückung von Features und Rückführung konstruktiver Anpassungen. |
| STEP | Gut für den systemneutralen Austausch solider 3D-Geometrie; Konstruktionshistorie und Parameter werden dabei typischerweise nicht übertragen. |
| Baugruppe mit Umgebung | Hilft, reale Schnittstellen, Kontaktpartner und Lastpfade zu verstehen. |
| 2D-Zeichnung | Kann Werkstoffe, Toleranzen, Oberflächen, Normhinweise und weitere technische Informationen ergänzen. |
| Fotos / Skizzen | Sehr hilfreich, wenn Montage, Belastung oder reale Einbausituation aus CAD allein nicht eindeutig hervorgehen. |
Was darf im FEM-Modell vereinfacht werden?
Ein FEM-Modell muss nicht jedes CAD-Detail enthalten. Kleine Fasen, Beschriftungen, kosmetische Radien oder andere für die Fragestellung irrelevante Details können die Vernetzung unnötig erschweren. Gleichzeitig dürfen funktional wichtige Kerben, Kontaktbereiche oder Steifigkeitselemente nicht unkritisch entfernt werden.
Die richtige Vereinfachung hängt deshalb immer von der Frage ab. Für globale Steifigkeit kann eine kleine Kerbe irrelevant sein; für lokale Spannungsbewertung kann genau diese Kerbe entscheidend werden.
Was tun, wenn Lasten noch nicht vollständig bekannt sind?
Das kommt in frühen Entwicklungsphasen häufig vor und verhindert nicht automatisch den Projektstart. Wichtig ist, sauber zwischen bekannten Eingaben, offenen Punkten und Annahmen zu unterscheiden.
Mögliche Vorgehensweisen sind:
- Lasten aus der übergeordneten Baugruppe ableiten,
- mehrere plausible Lastfälle vergleichen,
- Grenzfälle beziehungsweise Sensitivitäten untersuchen,
- fehlende Daten zunächst als klar dokumentierte Annahmen behandeln,
- Messung oder Versuch für kritische Eingaben vorsehen.
Eine Annahme ist nicht automatisch ein Fehler.
Problematisch wird sie erst, wenn sie nicht dokumentiert, nicht geprüft oder später als gesicherte Realität interpretiert wird.
Warum Lastpfad und Freikörperbild so wichtig sind
Bevor ein komplexes Netz erzeugt wird, sollte verstanden sein, wie die Kraft überhaupt durch die Konstruktion läuft. Ein einfaches Freikörperbild kann dabei mehr Klarheit schaffen als ein sehr detailliertes CAD-Modell.
Hilfreiche Fragen sind: Wo kommt die Last hinein? Über welche Bauteile und Verbindungen wird sie übertragen? Wo verlässt sie das betrachtete System? Welche Reaktionskräfte müssen sich ergeben? Diese Plausibilitätsfragen helfen später auch bei der Kontrolle des FEM-Modells.
Welche Ergebnisse sollte man vorab vereinbaren?
Nicht jede Simulation braucht denselben Bericht. Für eine Entwicklungsentscheidung kann ein kompakter Variantenvergleich genügen. Für Kundenfreigaben oder dokumentationspflichtige Prozesse kann ein ausführlicherer Bericht erforderlich sein.
| Möglicher Lieferumfang | Typischer Zweck |
|---|
| Technische Kurzbewertung | Schnelle interne Entwicklungsentscheidung |
| Ergebnisplots + Kernaussagen | Bewertung von Spannung, Verformung oder Kontakt |
| Variantenvergleich | Konstruktionsentscheidung / Optimierung |
| Berechnungsbericht | Nachvollziehbare Dokumentation von Modell, Annahmen und Ergebnissen |
| CAD-Änderung nach FEM | Direkte Umsetzung erkannter Verbesserungspotenziale |
Wie viele Daten braucht BOLTCAD für eine erste Einschätzung?
Für den ersten Kontakt muss noch kein vollständiges Berechnungslastenheft vorliegen. Für eine orientierende Einschätzung helfen bereits:
- kurze Beschreibung von Bauteil und Funktion,
- die konkrete technische Frage,
- CAD-Modell oder aussagekräftige Bilder,
- bekannte Werkstoffe,
- bekannte Lasten und Einbausituation,
- gewünschter Termin und Ergebnisumfang.
Aus diesen Informationen lässt sich häufig erkennen, welche Punkte vor einer belastbaren Berechnung noch geklärt werden müssen und welche Modellierungstiefe sinnvoll ist. Welche Faktoren den Aufwand beeinflussen, erklären wir separat im Beitrag „Was kostet eine FEM-Berechnung?“.
FEM / ANSYS bei BOLTCAD: Wir verbinden Berechnung mit Konstruktion und technischer Bewertung. Dadurch können Ergebnisse direkt in Varianten und CAD-Änderungen überführt werden. Mehr dazu auf unserer Leistungsseite FEM / ANSYS Simulation und im übergeordneten Bereich CAE.
FEM- und ANSYS-Unterstützung aus Hilden bei Düsseldorf
BOLTCAD ENGINEERING verbindet FEM/ANSYS mit Siemens NX, Konstruktion, ISO GPS, Produktentwicklung und Prototyping. So betrachten wir Simulation nicht isoliert, sondern als Werkzeug für technische Entscheidungen und konstruktive Verbesserungen. Projekte bearbeiten wir regional in NRW sowie deutschlandweit.
