Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul FELI ist die Schnittstelle zwischen den analytischen Berechnungsmodulen und der Finite-Elemente-Analyse in COMSOL Multiphysics. Es übergibt die Geometrie- und Berechnungsdaten eines LV-Moduls an COMSOL, sodass ein dort aufgebautes FEM-Modell direkt mit den Parametern der Normberechnung gespeist wird – ohne manuelle Neueingabe von Abmessungen, Drücken oder Werkstoffdaten.
Über die Elementgröße wird die Vernetzungsfeinheit des importierten Modells gesteuert: Ein feineres Netz löst Spannungsspitzen an Kerben, Übergängen und Ausschnitten besser auf, erhöht aber die Rechenzeit. In der Praxis nutzt man den Weg von der Formelberechnung zur FEM immer dann, wenn ein Detail außerhalb des Geltungsbereichs der Normformeln liegt, wenn örtliche Spannungen für einen Ermüdungs- oder Design-by-Analysis-Nachweis (z. B. nach EN 13445-3, Anhang B bzw. Kapitel 18) benötigt werden oder wenn eine analytische Auslegung durch eine unabhängige Vergleichsrechnung abgesichert werden soll.
So läuft die Berechnung ab
- Quellmodul berechnen: Zunächst wird das betreffende Berechnungsmodul – etwa eine Schalen-, Boden- oder Flanschberechnung – vollständig mit Geometrie, Lasten und Werkstoffdaten durchgerechnet. Diese Daten bilden die Grundlage des FEM-Modells.
- Übergabe an COMSOL: FELI exportiert die Modul-Parameter in das COMSOL-Modell. Abmessungen, Drücke und Materialkennwerte stehen dort als Modellparameter zur Verfügung und bleiben mit der Ausgangsberechnung konsistent.
- Vernetzung steuern: Über die Elementgröße wird die Netzfeinheit vorgegeben. Für belastbare Spannungsergebnisse an Kerben und Übergängen ist eine Konvergenzbetrachtung sinnvoll: Das Netz wird schrittweise verfeinert, bis sich die maßgebenden Ergebnisgrößen nicht mehr nennenswert ändern.
- FEM-Analyse und Bewertung: Die Finite-Elemente-Rechnung liefert Spannungs- und Verformungsfelder, die mit den analytischen Ergebnissen verglichen oder für weiterführende Nachweise – etwa Spannungskategorisierung oder Ermüdungsbewertung – ausgewertet werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Elementgröße | El | mm |
| Werkstoffnummer | 1 | – |
| Berechnungstemperatur Lastfall 1 | T1 | °C |
| Berechnungsdruck 1 Lastfall 1 | p1,1 | MPa(p) |
| Festigkeitskennwert | K | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | S | - |
| Wanddickenzuschlag | c1 | mm |
| Korrosionszuschlag | c2 | mm |
| Zulässige Spannung | f | N/mm² |
| Elastizitätsmodul bei 20°C | E20 | N/mm² |
| Werkstoffnummer | 2 | – |
| Berechnungstemperatur Lastfall 2 | T2 | °C |
| Berechnungsdruck 1 Lastfall 2 | p1,2 | MPa(p) |
| Festigkeitskennwert | K | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | S | - |
| Wanddickenzuschlag | c1 | mm |
| Korrosionszuschlag | c2 | mm |
| Zulässige Spannung | f | N/mm² |
| Elastizitätsmodul bei 20°C | E20 | N/mm² |
| Maßgebende Berechnungstemperatur | T* | °C |
| Maßgebender Berechnungsdruck | p* | MPa(p) |
| Kraft 1 in X-Richtung LF1 Fx1 LF1 | Fx | N |
| Kraft 1 in Y-Richtung LF1 Fy1 LF1 | Fy | N |
| Kraft 1 in Z-Richtung LF1 Fz1 LF1 | Fz | N |
Häufige Fragen
Wann lohnt sich der Schritt von der Normformel zur FEM-Rechnung?
Normformeln decken definierte Standardgeometrien und Lastfälle ab. Sobald ein Detail außerhalb dieser Anwendungsgrenzen liegt – ungewöhnliche Stutzenanordnungen, dicht benachbarte Ausschnitte, Sonderbauformen, kombinierte lokale Lasten – oder ein Nachweis über örtliche Spannungen geführt werden soll (Design by Analysis, detaillierte Ermüdungsanalyse), ist die FEM das Mittel der Wahl. Für Standardfälle bleibt die Formelberechnung dagegen schneller, konservativ abgesichert und für Prüfstellen unmittelbar nachvollziehbar.
Welche Elementgröße sollte man wählen?
Als Ausgangspunkt eignet sich eine Elementgröße, die die Wanddicke mit mehreren Elementen auflöst; an Kerben, Nahtübergängen und Ausschnitten muss lokal deutlich feiner vernetzt werden. Verlässlich wird das Ergebnis erst durch eine Netzkonvergenzstudie: Die Rechnung wird mit schrittweise verfeinertem Netz wiederholt, bis sich die bewertungsrelevanten Spannungen stabilisieren. Ein zu grobes Netz unterschätzt Spannungsspitzen systematisch – ein häufiger und gefährlicher Fehler bei FEM-Nachweisen.
Ersetzt die FEM-Rechnung den Normnachweis?
Nicht automatisch. Ein FEM-Ergebnis muss nach den Regeln des jeweiligen Regelwerks bewertet werden – etwa über Spannungskategorisierung oder direkte Nachweisverfahren nach EN 13445-3 Anhang B/C. Der Vorteil der Schnittstelle liegt gerade darin, beide Welten konsistent zu halten: Die analytische Berechnung liefert die dokumentierte Basisauslegung, die FEM den vertieften Blick auf die Details, mit identischen Eingangsdaten.