Die FEM-Festigkeitsanalyse (Finite-Elemente-Methode) ist ein numerisches Verfahren zur rechnerischen Untersuchung mechanischer Spannungen und Verformungen in Bauteilen unter verschiedenen Belastungen. Sie dient dazu, das strukturelle Verhalten komplexer Geometrien unter realitätsnahen Randbedingungen zu simulieren, um Schwachstellen und kritische Bereiche frühzeitig zu erkennen. Der Festigkeitsnachweis ist der rechnerische oder experimentelle Beleg, dass ein Bauteil den zu erwartenden Beanspruchungen über seine Lebensdauer ohne Versagen standhält. In der Kombination beider Methoden werden auftretende Spannungen mit der zulässigen Beanspruchbarkeit verglichen, wobei Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden. Dies ist essenziell für die Gewährleistung von Sicherheit, Zuverlässigkeit und für die Umsetzung eines wirtschaftlichen Leichtbaudesigns.

Die FEM-basierte Topologieoptimierung ist ein rechnergestütztes Verfahren zur strukturellen Bauteiloptimierung, bei dem auf Basis von Lastfällen, Randbedingungen und Designzielen die optimale Materialverteilung über Hauptlastpfade im vorgegebenen Bauraum ermittelt wird. Ziel ist es, Material gezielt dort einzusetzen, wo es zur Kraftübertragung benötigt wird, und gleichzeitig Masse in weniger belasteten Bereichen einzusparen. Dies unterstützt insbesondere den ganzheitlichen Leichtbau, da Aspekte des Strukturleichtbaus berücksichtigt werden, wobei oft die Optimierung der Steifigkeitsverteilung im Vordergrund steht und die Einbindung von Flächentragwerken separat erfolgen muss. Oft werden Spannungs-, Steifigkeits- oder Frequenzanalysen begleitend eingebunden. Sie ermöglicht es, frühzeitig im Entwicklungsprozess innovative topologische Struktur-Leichtbaukonzepte zu generieren, die das Gewicht, die Kosten und die Nachhaltigkeit gezielt verbessern. Anwendung findet das Optimierungsverfahren z.B. im Bereich additive Fertigung, Strukturoptimierung von Gussbauteilen, Rahmentragwerken, Gelenkfachwerken und Space-Frames sowie von Spritzgussbauteilen.

Das Ziel der Topographieoptimierung sind dünnwandige Strukturen, wobei Steifigkeits- und Spannungsverteilungen oder andere mechanische Randbedingungen gleich bleiben oder verbessert werden. Dünnwandige Strukturen werden oft mit Oberflächenstrukturen ausgeführt. Hierbei werden oft mehrdimensionale Erhebungen, Sickenanordnungen oder Gesenke als Verstärkungselemente verwendet. Für einen bestimmten Satz von Oberflächenstrukturen generiert die Topographieoptimierungstechnologie innovative Designvorschläge mit einem optimalen Strukturmuster und optimalen Stellen für Verstärkungen. Typische Anwendungen sind z.B. die Versteifung von Verkleidungen, Schubfeldern, Beulversteifungen sowie die Optimierung des Schwingungsverhaltens und NVH.

Die FEM-Steifigkeitsoptimierung ist ein rechnerisches Verfahren zur gezielten Erhöhung oder Anpassung der Bauteilsteifigkeit (EI) mittels Finite-Elemente-Analyse (FEM), ohne unnötig Masse oder Material einzusetzen. Ziel ist es, durch intelligente Geometrie- oder Materialanpassungen ein optimales Verhältnis zwischen Bauraum, Gewicht und Funktion im vorgegebenen Steifigkeitskorridor zu erzielen. Im Sinne des ganzheitlichen Leichtbaus wird dabei nicht nur die lokale Verformung minimiert, sondern auch die steifigkeitsgetriebene Systemwirkung, Schnittstellenlasten und Einflüsse auf angrenzende Komponenten berücksichtigt. Die Steifigkeitsoptimierung erfolgt oft über Topologie- oder Formoptimierung und ist eng mit Masseverteilung, Bauraumrestriktionen und Fertigungstechnologien gekoppelt. Typischerweise erfolgt die Steifigkeitsoptimierung bspw. in biege- und torsionssteifen Tragstrukturen.

Die FEM-basierte Spannungsoptimierung ist ein Strukturoptimierungsverfahren, das mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Spannungsverteilungen in Bauteilen analysiert und gezielt verbessert. Hierbei werden u.a. bionisch-basierte Optimierungsverfahren wie SKO und spezielle Shape-Optimierungsverfahren eingesetzt. – Ziel ist es, Spannungsspitzen zu reduzieren und die Materialverteilung so zu gestalten, dass die vorhandene Belastung (Formänderungsenergieverteilung) möglichst gleichmäßig getragen wird. Dabei werden Geometrie, Wandstärken oder Verstärkungen so angepasst, dass kritische Spannungen unterhalb zulässiger Grenzwerte bleiben. Das Verfahren ermöglicht eine präzisere Ausnutzung der Materialeigenschaften und trägt wesentlich zur Gewichtsreduktion in spannungsgetriebenen Struktursystemen bei. Spannungsoptimierung ist besonders relevant im Leichtbau, da sie Sicherheit, Lebensdauer und Ressourceneffizienz gleichzeitig verbessern kann. Typischerweise erfolgt die Spannungsoptimierung an Strukturen und Bauteilen mit lokaler Lasteinleitung, Lagerstellen, Anschraubpunkten sowie Systemen die Dauerbeanspruchungen und Schwingungsbeanspruchungen unterliegen.

FEM-basierte generische Untersuchungen sind simulationsgestützte Strukturoptimierungsverfahren, bei denen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) systematisch das mechanische Verhalten eines Bauteils unter variierenden Randbedingungen, Lastfällen und Designparametern analysiert wird. Ziel ist nicht nur die Bewertung eines bestehenden Designs, sondern die Ableitung grundlegender Wirkzusammenhänge zur Optimierung der Struktur im Hinblick auf Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit oder Eigenfrequenz. Anders als klassische FEM-Analysen, die ein definiertes Geometriemodell prüfen, nutzen generische Analysen parametrische Geometrien oder Topologieansätze, um Variantenräume zu explorieren. Dadurch lassen sich robuste, lastpfadgerechte Designs identifizieren – unabhängig von konkreten Bauraumvorgaben. Sie eignen sich besonders für den frühen Entwicklungsprozess, wo strukturelle Potenziale systematisch erschlossen werden sollen.

Die FEM-Crashanalyse ist eine rechnergestützte Methode zur Simulation von Strukturverhalten bei Unfällen, bei der das Fahrzeug oder Flugzeug unter definierten Crashbedingungen (z. B. Aufprallgeschwindigkeiten, Winkel) digital belastet wird. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird das Verhalten einzelner Bauteile und Materialien – wie Verformung, Energieabsorption oder Versagen – detailliert berechnet. Ziel ist es, die Sicherheitsanforderungen für Insassen, Struktur und Systemintegrität zu erfüllen sowie gesetzliche Normen und Verbraucherschutzkriterien (z. B. NCAP, EASA, FAA) nachzuweisen. Die Optimierung erfolgt durch Variantenstudien an Geometrien, Materialien und Lastpfaden, wobei mithilfe von Topologie- oder Parameteroptimierung gezielt Gewicht reduziert und die Crashperformance verbessert wird. Besonders im Leichtbau ist die FEM-Crashanalyse essenziell, um Sicherheit trotz geringerer Masse nachzuweisen und Gewichtseffizienz zu maximieren.

Die FEM-basierte Analyse, Auslegung und Optimierung von Sandwichsystemen erfolgt für verschiedene Materialien für Decklagen und Kerne – wie z. B. Wabenstrukturen oder Schäume. FEM-Analysen (Finite-Elemente-Methoden) ermöglichen die realitätsnahe Bewertung der mechanischen Belastbarkeit von Sandwichstrukturen mit leichten Kernen (z. B. Aluminiumwaben oder Polymerschäume) und steifen Decklagen (z. B. CFK, GFK oder Metalle) inklusive hybrider Verbunde. Durch die Materialmodellierung werden unterschiedliche Verhaltensweisen wie Plastizität, Beulung, Schädigung, Dauerfestigkeitsverhalten oder viskoelastische Effekte der Kernmaterialien abgebildet, um die Performance unter Biege-, Scher- und Druckbeanspruchung exakt vorherzusagen. Optimierungsstrategien beinhalten Topologie- und Lagenaufbauvariationen, um unter vorgegebenen Belastungsfällen Gewicht einzusparen, wobei die Wechselwirkung von Decklage und Kern gezielt berücksichtigt wird, wobei Betriebsfestigkeitskonzepte und Beulung als Auslegungskriterien berücksichtigt werden können.

Die FEM-basierte Analyse, Auslegung und Optimierung von Faserverbundsystemen – insbesondere von CFK-Strukturen – ist ein zentrales Instrument im Strukturleichtbau. Dabei werden anisotrope Materialeigenschaften wie Richtungsabhängigkeit der Steifigkeit und Festigkeit präzise über spezielle Materialmodelle in die Finite-Elemente-Modelle eingebunden. Durch die FEM-Simulation werden kritische Lastpfade, Spannungsverläufe und potenzielle Versagensbereiche frühzeitig erkannt, um Konstruktionen funktions- und lastgerecht zu gestalten. Die Optimierung erfolgt gezielt über Lagenaufbau, Faserausrichtung und Geometrie – etwa durch Topologie- und Schichtdickenanpassung – mit dem Ziel der maximalen Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Erfüllung aller Sicherheits- und Steifigkeitsanforderungen. – Solche Methoden ermöglichen masseneffiziente Designs, welche die Vorteile von CFK – wie hohe spezifische Steifigkeit – voll ausnutzen und gleichzeitig die Lebensdauer der Struktur durch realitätsnahe Betriebsfestigkeitsanalysen absichern.

Bei der FEM-basierten Analyse, Auslegung und Optimierung auf Impact – also auf stoßartige oder crashartige Belastungen – werden gezielt Szenarien wie Kollisionen oder Aufprallereignisse durch spezielle dynamische FEM-Simulationen abgebildet. Ziel ist es, bereits in der Entwicklungsphase strukturelle Schwachstellen zu identifizieren und das Design hinsichtlich trägheitskritischer Energieaufnahme, Verformungsverhalten und Sicherheit zu optimieren. Die Optimierung erfolgt durch gezielte Modifikation der Geometrie, Werkstoffauswahl oder Topologie, sodass bei möglichst geringem Gewicht eine maximale Schutz- und Funktionswirkung erreicht wird.

Die FEM-basierte Analyse, Auslegung und Optimierung auf Dauerfestigkeit dient dazu, die Ermüdungssicherheit von Bauteilen unter zyklischer Belastung zu gewährleisten. Dabei wird mithilfe numerischer Methoden die Spannungsverteilung unter realitätsnahen Lastfällen ermittelt. Die Auslegung auf Dauerfestigkeit erfolgt auf Basis der Wöhlerlinienmethode, ε-N-Konzept / Strain-Life-Methode, bruchmechanischen Konzepten, Energie- und Schädigungsparameter (z. B. Smith-Watson-Topper, Morrow, Brown-Miller), Linear Damage Accumulation (Miner-Regel) oder anderen Verfahren. Es werden Sicherheitsfaktoren und lokalen Beanspruchungen unter Berücksichtigung von Mittelspannungseinfluss, Kerben, Fügestellen und Materialeigenschaften berücksichtigt. Ziel ist es, sicherzustellen, dass ein Bauteil bei einer definierten Anzahl von Lastwechseln keine Risse oder Schäden aufweist. Die Optimierung erfolgt iterativ, z. B. durch Formanpassung, Werkstoffwahl, Topologie- und Formänderung oder bionischer Verfahren sodass das Bauteil möglichst leicht, aber zugleich ermüdungsfest ausgelegt ist.

FEM-Materialmodellierung beschreibt die rechnerische Abbildung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen wie Metallen, Kunststoffen, Faserverbundmaterialien sowie Sondermaterialien unter realitätsnahen Belastungen. Dabei werden Materialgesetze in Finite-Elemente-Modelle integriert, um anisotropes, plastisches, versagensnahes oder ein anderes noch nicht vollständig erforschtes Materialverhalten zu simulieren. Ziel ist es, Materialnutzung und Strukturverhalten möglichst präzise vorherzusagen. Die Optimierung erfolgt durch gezielte Variation von Geometrien, Wandstärken oder Faserorientierungen zur Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Festigkeit und Steifigkeit. So lassen sich Bauteile entwickeln, die nur dort Material verwenden, wo es aus statischer Sicht unbedingt notwendig ist bzw. die Materialeigenschaften gezielt für Strukturfunktionen zu nutzen – ein zentrales Prinzip des Strukturleichtbaus.