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FEM- Simulation Falltest- Wie hoch ist der Sturzschaden ?

Bei der FEM- Simulation von Falltests wird die explizite Finite-Elemente-Methode zur Berechnungen der Bauteilbelastungen angewendet. Diese auch als explizite Finite- Elemente- Analyse bezeichnete Methodik findet ihre Anwendung bei der Lösung verschiedener physikalischer Probleme, wie im vorliegenden Fall der Verformungs- oder Festigkeitsberechnung. Dieser teilautomatisierbare Prozess ermöglicht uns so alle Strukturen und Komponenten unter der Einwirkung dynamischer Belastungen zu berechnen.

Im Allgemeinen können wir durch diese Art der FEM- Berechnung die mechanische Reaktion bestimmter Produkte auf reale Bedingungen (wie Temperatur, Vibration, Kraft oder andere physikalische Einflüsse) berechnen. In diesem speziellen Fall wird sie jedoch dafür verwendet, um die Produktstabilität im Sturzfall zu überprüfen. Wenn das Produkt im tatsächlichen Gebrauch nicht versagt, sollte es auch in der Simulation wie erwartet funktionieren.

fem simulation falltest
Anordnung eines Mobiltelefons kurz vor dem Aufprall

Genau dies kann man mittels einer expliziten FEM-Simulation im Rahmen eines virtuellen Falltests nachweisen. Dazu werden die zu testenden Objekte in einer Distanz kurz vor der Berührung der harten Oberfläche (Aufprall auf dem Boden) angeordnet. Anschließend beaufschlagt der Berechnungsingenieur die zu untersuchenden Komponenten mit einer entsprechenden Randbedingung (z. B. einer Aufprallgeschwindigkeit).

Warum verwenden wir die explizite FEM- Berechnung für Falltests ?

Um bei Produkten eine ausreichende Festigkeit gegenüber stoßartigen Belastung nachzuweisen, wird entweder eine FEM-Simulation oder ein Falltest durchgeführt.

Der Vorteil der Simulation liegt dabei darin, den Festigkeitsnachweis zu erbringen, ohne den Prototypen dafür zerstören zu müssen. Die Stoßfestigkeit wird daher üblicherweise durch eine explizite FEM Berechnung im Rahmen eines virtuellen Falltests abgesichert.

FEM- Simulationen von Falltests sind nicht nur aufgrund ihrer zeitabhängigen Lasten (Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, etc.) hochdynamisch, sondern oft auch aufgrund des Materialverhaltens (beispielsweise bei Kunststoffen) häufig nichtlinear.

Anwendungsbeispiele für explizite Finite- Elemente- Simulationen

Weitere übliche Anwendungen für explizite Finite- Elemente- Simulationen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Crashsimulationen, Schnappverbindungen von Kunststoffteilen oder Umformprozesse. Generell sind Lasten, bei denen (zeitabhängige) plastische Verformungen auftreten häufig Gegenstand der Untersuchungen. Im Rahmen der Simulation können wir ebenfalls Steifigkeitsverluste bei Strukturversagen oder durch nichtlineare Kontaktprobleme ermitteln und analysieren.  

Vor Allem bei Aufgabenstellungen aus der Kurzzeitdynamik findet die FEM-Simulation in der Automobilindustrie häufige Verwendung. Wenn es um die Aufprallsicherheit von Fahrzeugen geht, sind diese Simulationen aus dem Entwicklungsprozess heutzutage kaum mehr wegzudenken. Auch die Untersuchung des Verhaltens der Insassen eines Fahrzeuges oder aber die Einwirkung eines Zusammenstoßes auf an einem Unfall beteiligte Personen ist in diesem Zusammenhang für die Automobil- und Nutzfahrzeughersteller besonders relevant.

So richtet sich beispielsweise auf das Verhalten eines Fußgängers während des Aufpralls auf einer Motorhaube im Rahmen der FE- Simulation eines Falltests besondere Aufmerksamkeit. Auch das Bewerten sicherheitsrelevanter Komponenten wie Blenden, Lenkrad oder Instrumententafeln steht für den Fußgänger- und Insassenschutz häufig im Fokus der Anwendung. 

Durch eine explizite Finite- Elemente- Simulation können wir Aufprallvorgänge für verschiedene Produkte aus verschiedenen Branchen simulieren. Von Schutzkappen über Mobiltelefonen bis hin zu Behältern findet eine FEM- Berechnung in Falltests häufige Anwendung. Zeit- und Kostenreduktion sind dabei die Hauptvorteile, die uns motivieren, Prototypen virtuell zu testen ohne sie zu bauen und zu zerstören. Die virtuellen Falltests bringen bei überschaubarem Aufwand gute Ergebnisse, welche eine sehr gute Übereinstimmung zum Realversuch erzielen. Dies sind jedoch nicht die einzigen Vorteile für unsere Kunden bei der Nutzung von FEM-Simulation für ihren Produktentwicklungsprozess. 

Vorteile für unsere Kunden

Durch die FEM- Simulation eines Falltests können wir Schäden selbst im Inneren eines Gerätes schnell erkennen, weiterhin ist eine schnelle und einfache Bewertung von verschiedenen Varianten möglich. Das frühe Erkennen diverser Schwachstellen führt zu einer enormen Kosten- und Zeitersparnis. So gibt die Falltest- Simulation vor Allem aber Auskunft über die Sturz- und Stoßbelastungen, sowie über Spannungen und plastische Dehnungen im Material.

Falltests spielen im Rahmen der Produktentwicklung vieler verschiedener Geräte und Alltagsgegenstände eine nicht unerhebliche Rolle. Hierzu zählen zum Beispiel Tanks/Tankbehälter, Container, Gefahrgutbehälter, IBC- Behälter und Transportbehältern. Aber auch Handys, Mobilgeräte, Telefongeräte sowie Koffer und Aufbewahrungsboxen gehören zu den am häufigsten getesteten Produkten. Weiterhin finden sich in der Falltest- Simulation Insulin-Pens, Blutzuckermessgeräte und auch Gartengeräte, Heimwerkzeuge und Handbohrmaschinen. Für den KFZ- Schutz von Insassen werden Kopfaufprallberechnungen mit Hilfe der FEM- Simulation durchgeführt.

Neugierig geworden ? 

Erfahren Sie mehr über die Crashsimulation bzw. Aufprallsimulation, und wie Sie die Festigkeit Ihrer Bauteile in Bezug auf die auftretenden Belastungen mit Hilfe einer FEM- Simulation nachweisen können.

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