Dienstleister für FEM-Berechnung

Das Ingenieurbüro Andreas Hanke ist ein Dienstleister für numerische Simulation und FEM-Berechnung im Bereich der Festkörpermechanik (Strukturmechanik). Unsere erfahrenen Berechnungsingenieure bearbeiten Fragestellungen von der einfachen Festigkeitsberechnung bis hin zu komplexen Modellen der Bruchmechanik, welche wir mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) lösen.

Neben den statischen Festigkeitsuntersuchungen konzentrieren wir uns besonders auf Probleme der Betriebsfestigkeit sowie auf die Analyse von Schraubenverbindungen und geschweißten Konstruktionen.

Dienstleistungsübersicht

Zu unseren Leistungen im Bereich der FEM-Simulation zählen die folgenden Punkte:

  • FEM-Berechnung strukturmechanischer und thermomechanischer Aufgabenstellungen
  • Unterstützung in der Produktentwicklung
  • Beratung in der Konzeptphase
  • Konstruktionsbegleitende Berechnung im Entwicklungsprozess
  • Vorschläge zur Ertüchtigung Ihrer Konstruktion
  • Erstellung zertifizierungsfähiger Berechnungsberichte

FEM-Berechnung

Informationen zu Theorie und Ablauf sowie Tipps &
Tricks zur FEM-Berechnung finden Sie hier...

Kundenmeinungen

Dipl.-Ing. Nils Tönißen

Das Ingenieurbüro Andreas Hanke unterstützt unsere Berechnungsabteilung seit 8 Jahren. Uns überzeugt das Know-How auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit, das bei der Berechnung von wesentlichen Bauteilen wie beispielsweise der Rotorwelle und diversen Schraubenverbindungen eingebracht wurde.

Senior Expert Engineer Nacelle Structural Mechanics / Nordex Energy GmbH

Dipl.-Ing. (SFI) Jan Wrede

Wir arbeiten seit 2012 sehr zufrieden mit dem Ingenieurbüro Hanke als Partner in Sachen FEM-Berechnung zusammen. Uns gefällt die fachliche Kompetenz in Kombination mit der vorhandenen Flexibilität und der pragmatischen Problemlösung.

Geschäftsführender Gesellschafter / Karl Wrede Stahl- und Maschinenbau GmbH

Dipl.-Ing. Christian Kasubek

Herr Hanke und sein Team haben uns bei mehreren Berechnungsprojekten unterstützt und die Ergebnisse haben uns überzeugt. Besonders schätzen wir den schnellen Kommunikationsweg, die Optimierungsvorschläge zur Ertüchtigung sowie die detaillierten Nachweise.

Bereichsleiter FE-Berechnung und Weiterbetrieb / IDASWIND GmbH

322

Anzahl abgeschlossener Projekte

512 000 kg

Schwerste berechnete Struktur

86 m

Größte berechnete Konstruktion

Definition FEM

Die Finite-Elemente-Methode, Abkürzung FEM (engl.: FEA – Finite Element Analysis) ist ein numerisches Verfahren zur Lösung physikalischer Probleme. Grundidee ist die Zerlegung (Diskretisierung) des Berechnungsgebietes in kleine, einfache Formen wie beispielsweise Dreiecke oder Rechtecke (2D-Elemente) sowie Tetraeder oder Quader (3D-Elemente). Durch dieses Vorgehen kann das Verhalten komplexer Geometrien auf der Elementebene formuliert werden. Das Verhalten der Gesamtstruktur ergibt sich dann aus der Kombination des Einzelelementverhaltens. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass physikalische Aufgabenstellungen für komplexe Strukturen gelöst werden können, für die keine analytische Lösung existiert oder bekannt ist.

Eine große Verbreitung hat die FEM in der Festigkeitsbewertung – beispielsweise im Maschinenbau und Bauingenieurswesen – erlangt.

Sinnvolle Einsatzgebiete einer Finite-Elemente-Berechnung

Eine FE-Berechnung bietet sich besonders dann an, wenn eine analytische Berechnung auf Grund komplizierter Konstruktionen und komplexer Geometrien nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

Typische Beispiele sind:

  • aufwändig geformte Gusskörper
  • Kerben, für die keine Formzahlen verfügbar sind
  • Nichtlinearitäten (z.B. Aufklaffen der Kontakte von Schraubenverbindungen, materielle Nichtlinearitäten)

Vorteile der FEM gegenüber Tests:

  • geringerer Aufwand (fallabhängig)
  • effizienter Vergleich verschiedener Designvarianten
  • Bewertung von Strukturen und Problemen, für die kein Test möglich ist

Einsatzgebiete, für die sich eine numerische Simulation nicht eignet

Für einfache Probleme, für die eine analytische Lösung bei überschaubarem Aufwand möglich ist, erübrigt sich eine numerische Simulation.

Genauigkeit einer Analyse mittels FE-Methode

Der Fehler einer FE-Berechnung liegt typischerweise unter 5%. Ungenauigkeiten werden eher durch Unsicherheiten der Lasten und Materialkennwerte verursacht.

Berechnungsdisziplinen

Folgende Analysen führen wir mittels FEM durch:

  • Statische Strukturanalysen
    Mit statischen Strukturanalysen werden Verformungen und Spannungen von Festkörpern unter Belastung berechnet. Die Analysen erfolgen vorzugsweise mit linearen Modellen, um den Aufwand zu reduzieren. Falls nötig, werden Nichtlinearitäten wie z.B. materielle Nichtlinearitäten (plastifizieren des Materials), geometrische Nichtlinearitäten (große Verformungen) oder Nichtlinearitäten durch abhebende Kontakte berücksichtigt.
  • Schwingungsanalysen
    Wird eine Konstruktion dynamisch angeregt, so ist eine Schwingungsanalyse nötig. Mit Modalanalysen ermitteln wir Eigenfrequenzen und Eigenformen. Anhand der anregenden Frequenz und den Eigenfrequenzen kann der Frequenzbereich, in dem die Konstruktion ohne die Gefahr einer Resonanzkatastrophe betrieben werden kann, festgelegt werden. Außerdem berechnen wir die Strukturantwort durch erzwungene Schwingungsberechnungen im Frequenz- und im Zeitbereich.
  • Stabilitätsanalysen
    Um die Stabilität von Konstruktionen sicherzustellen, untersuchen wir Konstruktionen hinsichtlich Knicken und Beulen. Zu diesem Zweck nutzen wir lineare und nichtlineare Analysen.
  • Thermomechanik
    Eine ungleichmäßige Erwärmung von Bauteilen führt zu Wärmespannungen. Durch gekoppelte Temperatur-Mechanik-Simulationen ermitteln wir die Spannungen und Verformungen, die durch die Temperaturbelastung verursacht werden.

Branchen

Wir bearbeiten Projekte aus den folgenden Branchen: Windenergie, Schiffbau, Maschinenbau, Lastaufnahmemittel, Druckgeräte und mehrSeit 2011 haben wir zahlreiche Projekte aus folgenden Branchen erfolgreich abgeschlossen:

  • Maschinenbau
  • Windenergie
  • Schiffbau
  • Stahl- und Anlagenbau
  • Druckgeräte- und Druckbehälterbau
  • Sondermaschinenbau
  • Werkzeugmaschinenbau

Normen und Richtlinien für die Berechnung

Für den Großteil der Nachweise nutzen wir folgende Normen und Richtlinien:

  • FKM-Richtlinie (Forschungskuratorium Maschinenbau: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile)
  • Eurocode 3 (DIN EN 1993: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten)
  • AD 2000-Regelwerk (Arbeitsgemeinschaft Druckgeräte)
  • DIN EN 13445 (Unbefeuerte Druckbehälter)
  • VDI 2230 (Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen)
  • DIN 743 (Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen)

Der Nachweis kann – abhängig von der Fragestellung – natürlich auch gemäß anderer Normen erfolgen.

Mögliche Formen der Zusammenarbeit

Für eine Zusammenarbeit bieten wir Ihnen folgende Optionen an:

  • Werkvertrag: Berechnungsdienstleistung mit klar definiertem Umfang zum Festpreis
  • Dienstleistungsvertrag: Abrechnung auf Stundenbasis
  • Bearbeiten Ihres Projektes in unserem Büro in Rostock
  • Arbeit direkt bei Ihnen vor Ort

Als Berechnungssoftware nutzen wir Ansys. Für den Austausch von Geometriedaten stehen die üblichen Schnittstellen wie step, iges und weitere zur Verfügung. Falls keine 3D-Formate vorhanden sind, modellieren wir die Geometrie anhand von vorliegenden Zeichnungen.

Das Ingenieurbüro Andreas Hanke stellt folgende Daten bereit: prüffähiger Nachweisbericht, FE-Modell, Ertüchtigungs- bzw. OptimierungsvorschlägeVom Ingenieurbüro Andreas Hanke bereitgestellte Daten

Zu jeder von uns durchgeführten Analyse erhalten Sie:

  • einen prüffähigen Berechnungsbericht
  • das FE-Modell (Ansys), mit dem die Berechnung durchgeführt wurde
  • falls nötig – Ertüchtigungs- und Optimierungsvorschläge

Vorgehen, wenn der rechnerische Nachweis nicht geführt werden kann

Sobald wir feststellen, dass die Konstruktion die angenommenen Lasten nicht erträgt, setzen wir uns mit Ihnen in Verbindung, um das weitere Vorgehen zu besprechen. Falls Sie sich für einen Berechnungsabbruch entscheiden, stellen wir Ihnen natürlich nur die geleisteten Arbeitsstunden in Rechnung.

An den Berechnungsergebnissen lassen sich die Schwachstelle der Konstruktion identifizieren. Gerne unterbreiten wir Ihnen auch Vorschläge zur Ertüchtigung Ihrer Konstruktion.

Zeitmanagement - Dauer der BearbeitungZeit bis zum Vorliegen von Ergebnissen

Kleinere Projekte können wir in den meisten Fällen zeitnah bearbeiten. Der Zeitrahmen für größere Projekte hängt naturgemäß von unserer Auftragslage ab. Sprechen Sie uns gerne an!

Benötigte Daten für ein Angebot bzw. einen Nachweis

Für ein Angebot bzw. einen Nachweis brauchen wir folgende Daten:

  • Geometrie, vorzugsweise als 3D-Cad-Geometrie im step- oder iges-Format, alternativ auch als technische Zeichnung oder Skizze
  • auf die Struktur wirkende Lasten wie Kräfte, Beschleunigungen, Drücke, Temperaturen, …
  • verwendete Materialien – falls für die Materialien in Normen bzw. Richtlinien keine Materialkennwerte vorliegen, werden auch diese benötigt

Kosten einer FEM-Berechnung

Die Kosten einer FE-Berechnung hängen hauptsächlich von folgenden Punkten ab:

  • Geometrie: Anzahl und Komplexität der Körper
  • Material: linear oder nichtlinear
  • Verbindung der Körper: Schraubverbindung, Schweißverbindung
  • Kontakte: ist ein Abheben der Körper möglich oder sind diese „fest“ verbunden?
  • Lasten: Handelt es sich um ein Extremlastproblem oder muss auch Ermüdung berücksichtigt werden?

Deswegen können die Kosten nicht pauschal angegeben werden.

Für einen genauen Kostenrahmen erstellen wir Ihnen gerne ein kostenloses Angebot.

Ihr Dienstleister für FEM-Berechnung und mehr


Sie brauchen Unterstützung, bereits ab der Konzeptphase Ihrer Projektidee?

Sie benötigen zertifizierungsfähige Nachweise für Ihr finales Produkt?

Ihr Bauteil bedarf einer Optimierung hinsichtlich Design oder Masse?


Dann kontaktieren Sie uns jetzt


Ihr Ansprechpartner für
FEM-Berechnungen

Bild von Andreas Hanke

Andreas Hanke

Geschäftsführung, Dipl.-Ing.

FEM-Berechnung im Zeitraffer

Das Video zeigt die Analyse einer Schraubenverbindung Rotorwelle-Rotornabe einer Windkraftanlage. Es werden folgende Schritte gezeigt:

  • Einlesen der 3D-CAD-Geometrie des Konstrukteurs
  • Aufbereitung der Geometrie
  • Vernetzung
  • Definition der Randbedingungen
  • Lösung des nichtlinearen Differentialgleichungssystems mit Hilfe von Ansys
  • Ergebnisauswertung


FEM-Dienstleistung


Statische Festigkeitsberechnung

FEM-Berechnung - v. Mises-Spannungen an einem geschweißten Maschinenträger für den statischen Nachweis

  • Schweißkonstruktionen
  • Schmiedeteile
  • Gussbauteile
  • Schraubenverbindungen

Ermüdungsfestigkeit

Ansys: Spannungen an Kerbe von Gussbauteil zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit

Numerische (FEM) und analytische Berechnung schwingungsbelasteter Bauteile hinsichtlich Betriebsfestigkeit, Dauerfestigkeit und Kurzzeitfestigkeit.

Berechnung von Schraubenverbindungen

Ansys Ergebnisse der Schraubenverbindung Rotorwelle - Rotornabe

Finite Elemente Analyse von Schraubenverbindungen unter Extrem- und Ermüdungslasten mit Berücksichtigung aller relevanten Nichtlinearitäten.

Berechnung von Schweißverbindungen

Vergleichsspannungen an einer Schweißnaht, die mit dem Strukturspannungskonzept berechnet wurde

Berechnung von Schweißkonstruktionen hinsichtlich statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit.

Bruchmechanik

Rissöffnung einer Bruchmechanikanalyse an einer Stahlscheibe

Berechnung der Festigkeit rissbehafteter Bauteile in den Disziplinen

  • Sprödbruch
  • Rissfortschritt unter zyklischer Belastung

Stabilität

Verformung der numerischen Beulanalyse eines Turmes einer Windkraftanlage

Untersuchungen hinsichtlich des Stabilitätsverhaltens. Ermittlung der Sicherheit gegen:

  • Knicken
  • Beulen

FEM-Berechnung – was ist das eigentlich?

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein numerisches Verfahren, das sich u.a. für Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen von Festkörpern eignet. Zu diesem Zweck wird die Geometrie durch die Vernetzung in sogenannte Finite Elemente (meist Tetraeder bzw. Hexaeder bei 3D-Geometrien) unterteilt, deren Verhalten durch die Elementansatzfunktion beschrieben wird. So kann eine komplexe Geometrie, für die keine analytische Beschreibung existiert, durch die Verknüpfung der Elementansatzfunktionen beschrieben und berechnet werden.

Einen ersten Einstieg in die Theorie und den Ablauf einer FE-Berechnung, sowie weitere nützliche Informationen zu diesem Thema finden Sie in unseren Blog-Artikeln zur FEM-Berechnung:

FE-Modell Erstellung für Einsteiger

Erstellen einer FEM-Simulation für Einsteiger - Ansys ErgebnisplotUm Ihnen zu helfen, vernünftig an die FE-Modellerstellung heranzugehen, habe ich die folgende Liste an „best practices“ geschrieben. Erfahrung habe ich hauptsächlich in der Festkörpermechanik. Dementsprechend fokussiert sich dieser Artikel hauptsächlich auf Aufgabenstellungen aus diesem Themengebiet.

Preprocessing, Solver, Postprocessing: Ablauf einer FEM–Berechnung

Blogartikel zum Ablauf einer FEM-Analyse - Preprocessing, Solver, Postprocessing - Ansys VerschiebungsplotErfahren Sie in diesem Artikel mehr über die wesentlichen Schritte einer FE-Analyse: Von der Geometrieerstellung/ dem Geometrieimport über die Lösung der aufgestellten Gleichungssysteme bis zur Ergebnisauswertung.

Singularitäten in der FEM – Was genau ist das, wo treten diese auf und was ist bei der Bewertung zu beachten?

FEM-Untersuchungen zum Einfluss von Singularitäten - Beispiel: Singularität an einer scharfen KerbeArtikel zu Singularitäten in der FEM – Mit zunehmender Netzverfeinerung steigen Spannungen in der FE-Analyse immer weiter an: so zeigt sich typischerweise eine Singularität.  Wo treten Singularitäten auf, wie können sie vermieden werden,  bzw. was ist bei der Bewertung zu beachten. 

Statischer Nachweis unter Berücksichtigung der plastischen Reserven durch materielle Nichtlinearitäten
FE-Simulationen zur Ermittlung der plastischen Materialreserven von Bauteilen - Beispiel: plastische Dehnungen am gekerbten BauteilenBei der linearen Berechnung von Bauteilen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) kommt es an lokalen Kerben oft zu sehr hohen Spannungen, welche die Streckgrenze überschreiten. Viele dieser Bauteile können mit Hilfe einer plastischen Rechnung trotzdem nachgewiesen werden . 

Hardware-Konfiguration für eine FEM-Simulation – Worauf sollte man achten?

Blog-Artikel zur Hardware-Konfiguration für FEM-Simulationen Artikel zur Hardware-Konfiguration einer FEM-Workstation –  Mit zunehmender Feinheit der Vernetzung steigt der Rechenaufwand enorm, weshalb es wichtig ist, die entsprechenden Komponenten wie Prozessor, Arbeitsspeicher und Festplatte so zu wählen, dass diese optimale Voraussetzungen für den Lösungsprozess bieten.

Link-Sammlung zur FEM-Berechnung und -Simulation

Sammlung von nützlichen Links zum Thema FEM-Analyse - Ansys SpannungsplotDiese Link-Sammlung biete eine Vielzahl von nützlichen und informativen Artikel rund um das Thema der Finite-Elemente-Methode (FEM). Des Weiteren sind zahlreiche Anwendungstipps, Informationen über FE-Programme, sowie Video-Tutorials und Webinare enthalten.

Hydraulisches Vorspannen von Schraubenverbindungen – Analyse per FEM

hydraulischen Vorspannen von Schraubenverbindungen - Simulation des Anziehprozesses mit Hilfe der FEMIn diesem Artikel werden der Anziehfaktor und die Rückfederungsverluste beim hydraulischen reibungs- und torsionsfreien Anziehen von Schraubverbindungen diskutiert und beispielhaft an einer Mehrschraubenverbindung berechnet.

Anfertigung eines Berechnungsberichtes zur Dokumentation einer FEM-Analyse

Artikel über das Anfertigen eines Berechnungsberichtes - SymbolbildEin ausführlicher Berechnungsbericht gewährleistet eine vollständige Nachvollziehbarkeit einer Festigkeitsanalyse. Anhand dessen sollte der Leser in die Lage versetzt werden, das Modell, die Berechnung und die Interpretation der Ergebnisse zu beurteilen und somit eventuelle Fehler zu identifizieren.