FEM-calculaties vragen kwaliteit, kennis en integriteit

In de wereld van werktuigbouwkundige engineering geniet de Finite Element Method (FEM) een bijna onschendbare status. Wanneer er een kleurrijke ‘plot’ met spanningen op tafel komt, neigen projectleiders en keuringsinstanties naar een direct vertrouwen. In de praktijk zien wij dat de ‘handmatige’ berekeningen door de keuringsinstanties zeer nauwkeurig worden gecontroleerd, maar dat er bij FEM-resultaten letterlijk wordt gezegd: “die zullen wel kloppen”

Maar achter die fraaie kleurverlopen schuilt een gevaarlijke paradox. Juist omdat een complexe FEM-berekening voor een buitenstaander — en zelfs voor ervaren controleurs — vaak een ‘black box’ is die nauwelijks handmatig te verifiëren valt, rust er een enorme verantwoordelijkheid op de engineer.

De schijnzekerheid van de ‘Black Box’

Een berekening is slechts zo goed als de aannames die eraan ten grondslag liggen. Waar een eenvoudige liggerberekening nog met de hand te controleren is, verdwijnt bij complexe geometrieën het overzicht.

Neem als voorbeeld de berekening van een scharenpakket voor een hoogwerker. Een standaard lineaire berekening gaat ervan uit dat de stijfheid van de constructie gelijk blijft tijdens de belasting. In veel gevallen volstaat dit, maar bij grotere vervormingen verandert de geometrie zózeer dat dit de krachtenverdeling beïnvloedt. Denk hierbij ook aan een hengel. Naarmate deze verder buigt gaat het steeds zwaarder om hem verder te buigen.

Het verschil in vervorming tussen een lineaire- en niet-lineaire berekening van het scharenpakket is enorm. Onderstaande twee berekeningen heeft als enige verschil het vinkje: Large Deflection aan of uit staan:

Bij de lineaire berekening is de maximale vervorming 705 mm, terwijl dit bij de niet-lineaire slechts 157 mm is. Wat ook weer zijn effect heeft op de optredende spanningen.

De misvatting is groot: men denkt dat functies zoals Large Deflection standaard aanwezig zijn in elk FEM-pakket, bijvoorbeeld als onderdeel van een 3D-tekenpakket. Dit is echter niet het geval en bij het berekenen van bovenstaand voorbeeld zullen er dus onjuiste resultaten uit de berekeningen komen.

Hoogwaardige, realistische simulaties vereisen niet alleen een investering in gespecialiseerde softwarelicenties (in ons geval Ansys Mechanical Premium), maar vooral in de diepgaande theoretische kennis om deze parameters juist in te stellen.

Zonder de diepgaande kennis om te herkennen wanneer deze instelling noodzakelijk is, levert de engineer een rapport af dat ‘groen’ kleurt, terwijl de werkelijkheid ‘rood’ is. De controleur ziet een professioneel rapport en tekent het af, onwetend dat een enkel vinkje in de software het verschil tussen succes en falen betekende.

Kennis als enige waarborg

Bij IDengineering begrijpen we dat FEM-software slechts een rekenmachine is. De echte waarde zit in de zorgvuldigheid van de engineer die de randvoorwaarden bepaalt, de mesh-fijnheid controleert en de resultaten altijd toetst aan de nuchtere mechanica. Wij berekenen niet alleen; wij valideren. Omdat we weten dat een resultaat dat niet controleerbaar is, alleen op kennis en integriteit kan bouwen.