Kan een FEM-analyse fysieke tests en prototypes vervangen?

Een FEM-analyse kan het aantal fysieke tests en prototypes sterk verminderen. Ontwerpvarianten kunnen digitaal worden vergeleken voordat een onderdeel wordt geproduceerd. Dit bespaart materiaal, productietijd en kosten. Volledige vervanging is echter niet in iedere situatie mogelijk of wenselijk. Of een fysieke test nodig blijft, hangt af van het product en het doel van de analyse. Ook de beschikbare gegevens, toepasselijke normen en gevolgen van falen spelen mee. In veel ontwikkeltrajecten vullen simulaties en praktijkproeven elkaar daarom aan.

Wat voorspelt een FEM-analyse?

FEM staat voor Finite Element Method, oftewel de eindige-elementenmethode. Bij deze methode wordt een onderdeel of constructie opgedeeld in kleine elementen. Vervolgens berekent software hoe deze elementen reageren op de opgegeven belastingen en omstandigheden.

Met een FEM-analyse kunnen onder meer de volgende resultaten worden bepaald:

Een FEM-model maakt kritieke gebieden al tijdens het ontwerpproces zichtbaar. Hierdoor kan het ontwerp worden aangepast voordat een fysiek prototype wordt gebouwd. Verschillende materiaalkeuzes, wanddiktes en vormen kunnen digitaal worden onderzocht.

Wanneer kan een FEM-analyse fysieke tests vervangen?

Een FEM-analyse kan fysieke tests vervangen wanneer het gedrag goed voorspelbaar en betrouwbaar te modelleren is. De belastingen, materiaaleigenschappen en randvoorwaarden moeten dan voldoende bekend zijn.

Dit is bijvoorbeeld mogelijk bij relatief eenvoudige statische belastingen. Denk aan een metalen frame met een duidelijk bepaalde belasting en ondersteuning. Een goed onderbouwde statische FEM-analyse kan dan aantonen waar spanningen en vervormingen optreden.

Ook bij het vergelijken van ontwerpvarianten is een fysieke test niet altijd nodig. Met FEM kan snel worden vastgesteld welke variant stijver, lichter of sterker is. Minder geschikte ontwerpen vallen af voordat er productie- en materiaalkosten worden gemaakt.

In sommige gevallen kan een berekening volgens de geldende norm als technische onderbouwing dienen. De norm moet het gebruik van een numerieke berekening dan wel toestaan. Bovendien moet het model aan de voorgeschreven uitgangspunten en veiligheidsfactoren voldoen.

Wanneer blijft een fysiek prototype nodig?

Een FEM-model is altijd een vereenvoudiging van de werkelijkheid. Het model bevat aannames over materialen, verbindingen, belastingen en gebruiksomstandigheden. Wanneer deze aannames onzeker zijn, blijft een fysieke test waardevol.

Praktijkvalidatie kan nodig zijn bij:

Een prototype laat ook effecten zien die vooraf niet in het rekenmodel zijn opgenomen. Denk aan speling in verbindingen, lasvervorming of een onverwachte belasting tijdens gebruik. Zulke effecten worden alleen berekend wanneer ze bewust in het model zijn verwerkt.

FEM kan meerdere prototypefasen voorkomen

Bij een traditioneel ontwikkelproces wordt een prototype gebouwd en getest. Na iedere fout of tekortkoming volgt een aanpassing en een nieuw prototype. Dit kan veel tijd en materiaal kosten.

Met FEM worden deze ontwerpstappen grotendeels naar een digitale omgeving verplaatst. Zwakke punten worden gevonden voordat de productie begint. Daarna kunnen meerdere oplossingen worden doorgerekend zonder telkens een nieuw onderdeel te maken.

Een ontwikkelingstraject kan daardoor bijvoorbeeld verschuiven van meerdere prototypes naar één definitief validatieprototype. Het laatste prototype wordt gebruikt om te controleren of het werkelijke gedrag aansluit op de berekeningen. Dit verkleint de kans dat tijdens de test nog ingrijpende aanpassingen nodig zijn.

FEM vervangt in dat geval vooral de tussenliggende ontwerp- en testcycli. De afsluitende praktijktest blijft bestaan, maar vindt plaats met een beter onderbouwd ontwerp.

Hoe worden een FEM-analyse en fysieke test gecombineerd?

De grootste zekerheid ontstaat vaak door simulatie en fysieke tests gericht te combineren. De FEM-analyse voorspelt het gedrag van het ontwerp. Een praktijkproef controleert vervolgens of die voorspelling klopt.

Daarbij kunnen bijvoorbeeld gemeten vervormingen, spanningen of eigenfrequenties worden vergeleken met de berekende waarden. Wijkt het resultaat af? Dan worden de aannames en invoergegevens opnieuw beoordeeld. Mogelijk moeten materiaaleigenschappen, verbindingen of randvoorwaarden worden aangepast.

Dit proces heet modelvalidatie. Na validatie kan hetzelfde rekenmodel vaak worden gebruikt voor nieuwe belastingen of ontwerpvarianten. Daardoor zijn minder aanvullende tests nodig.

Een bestaand en goed gevalideerd model is vooral waardevol bij een productfamilie. Kleine wijzigingen kunnen dan digitaal worden beoordeeld. Een volledig nieuwe praktijktest is niet bij iedere variant noodzakelijk, mits de wijzigingen binnen het gevalideerde toepassingsgebied vallen.

Welke betrouwbaarheid heeft een FEM-analyse?

De betrouwbaarheid van de resultaten wordt niet alleen bepaald door de gebruikte software. De kwaliteit van de invoer en de technische keuzes zijn minstens zo belangrijk.

Een betrouwbare FEM-analyse vraagt om:

De uitkomst moet ook aansluiten op de fysica van de constructie. Een kleurplot alleen is daarvoor niet voldoende. De resultaten van een FEM-analyse moeten worden beoordeeld in relatie tot de gemaakte aannames.

Waar mogelijk kan een handberekening als eerste controle worden gebruikt. Voor complexe of veiligheidskritische toepassingen is vergelijking met meetgegevens of een praktijktest verstandig.

Welke voordelen biedt FEM ten opzichte van fysieke tests?

FEM maakt het mogelijk om al vroeg in het ontwerpproces technische keuzes te onderbouwen. Fysieke tests zijn dan vaak nog kostbaar of praktisch moeilijk uitvoerbaar.

De belangrijkste voordelen zijn:

Ook destructieve tests kunnen deels worden beperkt. Een digitale analyse beschadigt het product niet en kan eenvoudig worden herhaald. Daarnaast kunnen omstandigheden worden onderzocht waarvoor geen geschikte testopstelling beschikbaar is.

Is simuleren altijd goedkoper dan testen?

Een FEM-analyse vraagt tijd, specialistische kennis en betrouwbare invoergegevens. Bij een eenvoudig en goedkoop onderdeel kan een fysieke proef daarom soms efficiënter zijn. Zeker wanneer een test snel en veilig kan worden uitgevoerd.

Bij complexe constructies, dure prototypes of grote series ontstaat meestal meer voordeel. Een ontwerpfout die digitaal wordt ontdekt, hoeft niet tijdens productie te worden hersteld. De mogelijke besparing is daardoor groter dan alleen de kosten van één prototype.

De beste aanpak wordt dus per project bepaald. Daarbij worden de kosten en doorlooptijd van simulatie afgezet tegen die van productie en testen.

FEM-analyse of fysieke test: kies een passende aanpak

Een FEM-analyse kan veel fysieke tests en prototypes vervangen, maar niet automatisch iedere praktijktest. Simulatie is vooral geschikt voor ontwerpoptimalisatie, variantvergelijking en technische onderbouwing. Fysieke tests blijven belangrijk voor validatie, certificering en situaties met veel onzekerheden.

HIH Engineering heeft meer dan 30 jaar ervaring met FEM-analyses en werkt met ANSYS. De specialisten zijn bekend met statische, dynamische, thermische en niet-lineaire analyses. Ook hebben zij ervaring met verschillende materialen en veiligheidsnormen.

HIH Engineering sluit de eigen FEM-expertise aan op de kennis binnen uw organisatie. De specialisten reageren snel, werken flexibel en denken pragmatisch mee. U ontvangt vooraf een duidelijke kostenspecificatie en achteraf een uitgebreide rapportage. Deze rapportage kan indien gewenst ook in het Engels worden opgesteld.

Wilt u bepalen welke tests binnen uw ontwikkelproces digitaal kunnen worden uitgevoerd? Neem contact op voor een inhoudelijke beoordeling van uw vraagstuk.

Ga terug