Was ist eine Software zur Spannungsanalyse?
Eine Software zur Spannungsanalyse ist eine Software simuliert Spannungen auf ein Objekt.
Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die auf das Innere eines Objekts wirkt (innere Kraft pro Flächeneinheit). Wenn ein Objekt verformt wird, wird es gestresst und verformt sich oder bricht, aber es ist unmöglich, die Spannung im Inneren des Objekts während dieses Prozesses visuell zu überprüfen.
Eine Software zur Spannungsanalyse wird daher verwendet, um die Spannungen in einem Objekt mit Hilfe eines Computers zu analysieren und zu überprüfen, ob das Objekt den Spannungen standhalten kann.
Anwendungen von Softwares zur Spannungsanalyse
Eine Software zur Spannungsanalyse wird hauptsächlich zur Bewertung und Überprüfung der Festigkeit von Strukturen eingesetzt. So werden beispielsweise in der Entwurfsphase einer Maschine die auf die Struktur einwirkenden Kräfte bestimmt und ihre Widerstandsfähigkeit bewertet. Falls erforderlich, werden die Struktur und die Werkstoffe der Maschine überprüft und für eine höhere Festigkeit neu ausgelegt.
Als es noch keine Software zur Spannungsanalyse gab, wurde die entworfene Maschine tatsächlich gebaut und die Spannungsanalyse durch Versuche durchgeführt. Die Software zur Spannungsanalyse hat den Zeit- und Kostenaufwand für die Durchführung von Experimenten reduziert.
Funktionsweise der Software zur Spannungsanalyse
Die Funktionsweise der Software zur Spannungsanalyse besteht aus der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Finite-Elemente-Methode ist „eine mathematische Methode zur näherungsweisen Lösung von Differentialgleichungen“.
Bei der Analyse eines Objekts auf einem Computer ist es notwendig, die Eigenschaften des Objekts durch mathematische Ausdrücke darzustellen (zu modellieren), da Computer nur mathematische Ausdrücke verarbeiten können. Die Methode zur näherungsweisen Modellierung der Struktur und der Eigenschaften eines Objekts wird als Finite-Elemente-Methode bezeichnet. Bei der Finite-Elemente-Methode wird ein Objekt mit einer komplexen Struktur und komplexen Eigenschaften in eine endliche Anzahl von Elementen unterteilt.
Die komplexe Struktur des Tokioter Turms beispielsweise lässt sich leicht approximieren, indem man sie in einzelne rote Balken unterteilt. Ein endliches Element kann durch eine relativ einfache mathematische Formel dargestellt werden. Jeder Mikrobereich, der unterteilt wird, wird durch eine mathematische Formel dargestellt, die dann zusammengefügt wird, um die Eigenschaften des gesamten Objekts zu approximieren. Mit anderen Worten: Eine komplexe Struktur wird in eine endliche Anzahl kleiner Elemente unterteilt, die Spannungen und Verschiebungen werden für jedes Element bestimmt, und dann wird das Ganze zusammengefügt.
Die Finite-Elemente-Methode ist eine Methode zur Analyse der Verschiebungen und Spannungen eines Objekts, bei der die Struktur und die Eigenschaften der einzelnen endlichen Elemente modelliert und addiert werden.
Weitere Informationen über Softwares zur Spannungsanalyse
Kräfte lassen sich grob in äußere und innere Kräfte unterteilen. Innere Kräfte pro Flächeneinheit werden auch als Spannungen bezeichnet.
1. Äußere und innere Kräfte und Spannungen
Äußere Kräfte
Äußere Kräfte sind Kräfte, die außerhalb eines Objekts wirken. Eine äußere Kraft ist z. B. eine Kraft, die ein Bauteil, wie z. B. eine Stange, von außen durch eine mit ihr in Kontakt stehende Fläche zieht. Äußere Kräfte sind Kräfte, die von außen auf das Objekt einwirken, d. h. sie werden durch Ziehen von Hand oder Zusammendrücken mit einer Maschine erzeugt.
Innere Kräfte
Innere Kräfte sind Kräfte, die im Inneren eines Objekts wirken. Wenn ein Bauteil, auf das eine äußere Kraft einwirkt, hypothetisch durchtrennt wird, entsteht eine innere Kraft, die die äußere Kraft ausgleicht. Während äußere Kräfte durch Aktionen wie Ziehen mit der Hand sichtbar werden, sind innere Kräfte ein wichtiges Konzept bei der Bewertung der Verformung und des Bruchs von Objekten.
Spannung
Die Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die auf das Innere eines Objekts einwirkt. Die Einheit ist daher nicht die Krafteinheit [N], sondern [Pa], das gleiche wie der Druck. Ein Objekt, auf das eine äußere Kraft einwirkt, erzeugt eine innere Kraft, die die äußere Kraft ausgleicht, d. h. je größer die äußere Kraft ist, desto größer ist auch die innere Kraft.
Bei der Betrachtung der Verformung oder des Bruchs eines Objekts wird auf die innere Kraft geachtet. Da aber die Abmessungen des Bauteils mit der inneren Kraft allein nicht berücksichtigt werden können, ist eine Spannung erforderlich, die die Kraft pro Flächeneinheit geteilt durch die innere Kraft in der Fläche ist. Mit Hilfe der Spannung kann die Belastung eines Objekts unabhängig von seiner Größe überprüft werden.
2. Arten von Spannungen
Spannungen können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Zugspannungen und Scherspannungen.
Zugspannung ist die Spannung, die entsteht, wenn ein Objekt gezogen wird, und die gleichmäßig über die virtuelle Schnittebene des Objekts verteilt ist. Scherspannung ist die Spannung, die entsteht, wenn ein Objekt abgeschert wird. Beim Schneiden von Pappe mit einer Schere entstehen beispielsweise Scherspannungen in der Schere und in der Pappe, da die Schere die Pappe schneidet.
Zug- und Scherspannungen können kombiniert werden, um komplexe Probleme zu lösen. Wenn Sie beispielsweise die beiden Enden einer Karotte mit den Händen festhalten und eine Biegebewegung ausführen, treten in der Mitte Zug- und Scherspannungen auf, so dass die Karotte in der Nähe der Mitte bricht.
Wenn das Gleiche bei einer Struktur wie einer Brücke passiert, kann dies zu einem schweren Unfall führen. Daher muss Software zur Spannungsanalyse verwendet werden, um zu überprüfen, welche Spannungen auf das Objekt einwirken, um eine solche Situation zu vermeiden.