Hoe interpreteert u de resultaten van een FEM-analyse?

Een FEM-analyse levert vaak duidelijke kleurplots en grote hoeveelheden rekengegevens op. Toch vertelt een rode zone niet automatisch dat een constructie bezwijkt. Ook betekent een beperkte vervorming niet direct dat het ontwerp voldoet. Een juiste interpretatie vraagt om inzicht in het model, de belasting en de geldende eisen. De resultaten moeten daarom altijd worden beoordeeld in de context van de praktijksituatie. Daarbij kijkt een FEM-specialist niet alleen naar maximale waarden. Ook de locatie, oorzaak en betrouwbaarheid van deze waarden zijn belangrijk.

Controleer eerst het uitgangspunt van de FEM-analyse

Voordat de resultaten worden beoordeeld, moet duidelijk zijn welke situatie is berekend. Een FEM-model is een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid. De uitkomsten zijn alleen bruikbaar wanneer de invoer voldoende aansluit op het werkelijke gebruik.

Controleer daarom onder meer:

• welke belastingen en belastingcombinaties zijn toegepast;

• welke materiaaleigenschappen zijn ingevoerd;

• hoe verbindingen en contacten zijn gemodelleerd;

• waar de constructie is ondersteund of ingeklemd;

• welke geometrische vereenvoudigingen zijn gemaakt;

• welke veiligheidsnormen en beoordelingscriteria gelden.

Een verkeerd gekozen belasting of ondersteuning kan een overtuigende kleurplot opleveren. De resultaten beschrijven dan echter niet de werkelijke constructie. Een goede interpretatie begint dus bij het begrijpen van de aannames achter de FEM-analyse.

Begin met de vervorming van het model

De vervormde vorm is een logisch startpunt bij het beoordelen van FEM-resultaten. Deze weergave laat zien hoe de constructie onder belasting beweegt. Zo wordt zichtbaar of de richting en vorm van de vervorming overeenkomen met het verwachte gedrag.

FEM-software vergroot de vervorming vaak uit om deze zichtbaar te maken. Een constructie kan op het scherm sterk verbogen lijken, terwijl de werkelijke verplaatsing slechts enkele millimeters bedraagt. Controleer daarom altijd de schaalfactor en de berekende eenheden.

Let bij het beoordelen van de vervorming op de volgende punten:

• beweegt het onderdeel in de verwachte richting;

• blijven ingeklemde delen op hun plaats;

• gedragen verbindingen en contacten zich logisch;

• is de maximale verplaatsing toegestaan binnen de functionele eisen;

• ontstaan er onverwachte rotaties of lokale vervormingen?

Een constructie kan sterk genoeg zijn, maar toch te veel vervormen. Denk aan een machineframe waardoor assen niet meer goed uitlijnen. Ook een afscherming kan doorbuigen en daardoor andere onderdelen raken. Stijfheid en sterkte moeten daarom afzonderlijk worden beoordeeld.

Wat zeggen de spanningen in een FEM-analyse?

Spanningsplots laten zien hoe interne krachten zich door een onderdeel of constructie verdelen. De juiste spanningsmaat hangt af van het materiaal, de belasting en het mogelijke faalmechanisme.

Bij metalen wordt vaak de equivalente Von Mises-spanning gebruikt. Deze waarde kan worden vergeleken met de vloeigrens van een ductiel materiaal. Voor brosse materialen zijn hoofdspanningen vaak relevanter. Deze materialen reageren namelijk anders op trek- en drukbelasting.

Bij de interpretatie is het belangrijk om niet alleen naar de hoogste waarde te kijken. Beoordeel ook:

• waar de maximale spanning optreedt;

• over welk gebied de hoge spanning aanwezig is;

• waardoor de spanningsconcentratie wordt veroorzaakt;

• of het gebruikte materiaalmodel bij de situatie past;

• of lokale plastische vervorming is toegestaan;

• welke norm of ontwerpeis moet worden toegepast.

Een hoge spanning rond een gat of afronding kan fysiek verklaarbaar zijn. Een piek bij een puntbelasting of volledig starre inklemming kan juist door de modellering ontstaan. De hoogste waarde uit de legenda mag daarom nooit zonder verdere beoordeling worden overgenomen.

Let op spanningsconcentraties en singulariteiten

Een spanningsconcentratie ontstaat bij een lokale verandering in geometrie of stijfheid. Voorbeelden zijn gaten, uitsparingen, afrondingen, lasovergangen en plotselinge veranderingen in wanddikte. Deze spanningen kunnen werkelijk optreden en relevant zijn voor de levensduur.

Een spanningssingulariteit is iets anders. Hierbij blijft de berekende spanning toenemen wanneer de mesh verder wordt verfijnd. Dit kan gebeuren bij scherpe binnenhoeken, puntbelastingen en onrealistisch stijve opleggingen. De theoretische piekspanning convergeert dan niet naar een vaste waarde.

Een singulariteit maakt niet automatisch de volledige berekening onbruikbaar. De spanningen op enige afstand kunnen nog steeds betrouwbaar zijn. De specialist moet vaststellen of het kritieke gebied relevant is voor het werkelijke ontwerp. Soms is een realistischer model nodig, bijvoorbeeld met een afronding, boutverbinding of verdeeld aangebrachte belasting.

Een controle op mesh convergence helpt om het verschil tussen een betrouwbare spanningsconcentratie en een singulariteit te herkennen.

Hoe beoordeelt u de veiligheidsfactor?

De veiligheidsfactor geeft de verhouding aan tussen de toelaatbare materiaalwaarde en de berekende belasting of spanning. Bij een eenvoudige statische beoordeling kan de vloeigrens bijvoorbeeld worden gedeeld door de optredende Von Mises-spanning.

Een veiligheidsfactor groter dan één betekent echter niet automatisch dat het ontwerp voldoet. De vereiste waarde hangt af van verschillende factoren:

• de toepasselijke norm;

• onzekerheden in belastingen;

• variatie in materiaaleigenschappen;

• gevolgen van mogelijk falen;

• productie- en montagetoleranties;

• slijtage, corrosie en temperatuur;

• statische of herhalende belasting.

Ook moet worden gecontroleerd of de vergelijking technisch geldig is. Een statische vloeicontrole zegt bijvoorbeeld weinig over vermoeiing door miljoenen belastingwisselingen. Voor hijsmiddelen, drukvaten en staalconstructies kunnen bovendien specifieke normfactoren gelden.

HIH Engineering werkt onder meer met Eurocode 3, Eurocode 8 en Eurocode 9. Ook normen voor hijskranen, hijsgereedschappen, hoogwerkers en drukvaten behoren tot de expertise.

Controleer reactiekrachten en krachtenevenwicht

Reactiekrachten vormen een belangrijke controle op het rekenmodel. De som van de reacties moet overeenkomen met de aangebrachte externe belasting. Bij een afwijking kan sprake zijn van een fout in de belasting, ondersteuning of eenheid.

Bekijk ook hoe de reactiekrachten over de opleggingen zijn verdeeld. Een onverwacht hoge reactie bij één bevestigingspunt kan wijzen op een werkelijke piekbelasting. Het kan ook het gevolg zijn van een te stijve modellering.

Bij bouten, lagers en lasverbindingen is de globale krachtsverdeling vaak minstens zo belangrijk als een lokale spanning. Deze krachten vormen namelijk de basis voor de verdere beoordeling van de verbindingen.

Verschillende FEM-analyses vragen om andere interpretaties

Niet iedere analyse levert dezelfde resultaten op. Bij een statische FEM-analyse worden vooral spanningen, vervormingen, reactiekrachten en stabiliteit beoordeeld.

Een dynamische analyse richt zich op tijdsafhankelijke belastingen. Daarbij zijn onder meer versnellingen, trillingsniveaus en dynamische spanningen belangrijk. Ook de duur en frequentie van de belasting spelen een rol.

Bij een eigenfrequentieanalyse worden natuurlijke frequenties en bijbehorende trillingsvormen berekend. De vervormingen van deze modevormen hebben meestal geen directe fysieke schaal. Ze laten vooral zien hoe een constructie bij een bepaalde frequentie kan trillen. De berekende eigenfrequenties moeten worden vergeleken met de frequenties van aandrijvingen, motoren en andere bronnen.

Een thermische analyse geeft inzicht in temperaturen en warmtestromen. Bij een gekoppelde thermische FEM-analyse wordt ook bekeken welke spanningen door temperatuurverschillen en uitzetting ontstaan.

Wanneer is een FEM-resultaat betrouwbaar?

Een betrouwbaar resultaat voldoet niet aan één afzonderlijke controle. Verschillende onderdelen moeten gezamenlijk worden beoordeeld:

• het model vertegenwoordigt de werkelijke constructie voldoende nauwkeurig;

• belastingen en randvoorwaarden zijn technisch onderbouwd;

• materiaalmodellen passen bij het verwachte gedrag;

• het krachtenevenwicht klopt;

• de mesh is voldoende verfijnd in kritieke gebieden;

• piekspanningen zijn correct geïnterpreteerd;

• de resultaten passen bij handberekeningen of praktijkervaring;

• de beoordeling volgt de toepasselijke norm.

Waar mogelijk worden FEM-resultaten vergeleken met analytische berekeningen, meetgegevens of fysieke tests. Een afwijking hoeft niet direct op een fout te wijzen. Wel moet kunnen worden verklaard waar het verschil vandaan komt.

Van FEM-resultaten naar ontwerpverbeteringen

Het doel van een FEM-analyse is niet alleen vaststellen of een ontwerp voldoet. De resultaten kunnen ook worden gebruikt om een constructie gericht te verbeteren.

Een hoge spanning kan aanleiding zijn om een afronding te vergroten of een lokale versteviging toe te voegen. Overmatige vervorming kan worden beperkt door de geometrie of ondersteuning aan te passen. Gebieden met zeer lage spanningen kunnen kansen bieden om materiaal en gewicht te besparen.

Door verschillende ontwerpvarianten te vergelijken, wordt zichtbaar welke aanpassing het meeste effect heeft. Zo ondersteunt FEM de ontwikkeling van veilige, lichte en kostenefficiënte constructies.

FEM-resultaten laten beoordelen door HIH Engineering

De interpretatie van FEM-resultaten vraagt om meer dan het aflezen van kleuren en maximale waarden. Ervaring met mechanica, materialen, modellering en normen is nodig om tot bruikbare conclusies te komen.

HIH Engineering heeft meer dan 30 jaar ervaring met FEM-analyses en werkt met ANSYS. De FEM-specialisten zijn bekend met verschillende materialen, analysetypen en veiligheidsnormen. Zij reageren snel, denken pragmatisch mee en sluiten aan op de expertise binnen uw organisatie.

U ontvangt vooraf een duidelijke kostenspecificatie. Na afloop ontvangt u een uitgebreide rapportage, indien gewenst ook in het Engels. Daarin worden de uitgangspunten, resultaten en conclusies helder vastgelegd.

Wilt u FEM-resultaten laten beoordelen of een ontwerp laten doorrekenen? Neem contact op voor een inhoudelijke bespreking van uw vraagstuk.

Ga terug