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ANSYS Conference &
7. CADFEM Austria Users' Meeting
Wien, 26.04.2012
ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS
oder
„Experiment“ vs. „Simulation“
DI Ralph Timmers
AB Stahlbau und Mischbautechnologie
Fakultät für Bauingenieurwissenschaften
Leopold-Franzens-Universität Innsbruck
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
Grundidee
2
Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck:
• Anwendung der numerischen Software ANSYS,
• Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme
ARAMIS und PONTOS.
Grundidee:
Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen
und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen.
Ziel:
Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
Inhalt
 Optische Messsysteme ARAMIS & PONTOS
 Verifikation von ARAMIS
• Versuche mit ARAMIS
• Numerische Simulation mit ANSYS
• Auswertung und Vergleich
 Verifikation von PONTOS
• Versuche mit PONTOS
• Numerische Simulation mit ANSYS
• Auswertung und Vergleich
 Zusammenfassung
3
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012
ARAMIS & PONTOS
4
An der Universität Innsbruck zur Material- & Bauteilprüfung
PONTOS
Dynamische 3D-Koordinaten
ARAMIS
Optische 3D-Deformationsanalyse
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 5
Exemplarischer Ablauf einer Messung mit ARAMIS
1. Messbereich definieren
2. Referenzmuster aufbringen (aufsprühen)
3. Messung = Aufzeichnung der Verformung des
Referenzmusters mit High-Speed-Kameras
ARAMIS & PONTOS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 6
4. Auswertung
Aus der Veränderung des Referenz-
musters je Zeitschritt (3D-Koordinaten)
folgt die Relativverschiebung jeder
Facette zueinander (Dehnungen,
Dehnraten, … ).
Loadstep_01 - Referenzstufe
Loadstep_40
Loadstep_70
ARAMIS & PONTOS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 7
Exemplarischer Ablauf einer Messung mit PONTOS
1. Messbereich definieren
2. Kontrollpunkte aufbringen (kleben)
3. Messung = Aufzeichnung der Lageänderung der
Kontrollpunkte mit High-Speed-Kameras
ARAMIS & PONTOS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 8
4. Auswertung
Aus der Lageänderung der
Kontrollpunkte (3D-
Koordinaten) je Zeitschritt
folgen die Verschiebungen,
Geschwindigkeiten,
Beschleunigungen, …
ARAMIS & PONTOS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 9
Typische Anwendungsgebiete
 Berührungsloses und materialunabhängiges Messen
 Erfassen der realen Bauteilgeometrie und besseres
Verstehen des 3D-Bauteilverhaltens
 Anwendungsgebiete
Statisch z.B. Festigkeitsanalysen, Beulformen, …
Dynamisch z.B. Schwingungsanalysen, Crashtest, …
Bruchmechanisch z.B. Rissentwicklung, Rissverfolgung, …
 Verifikation von FE-Modellen
ARAMIS & PONTOS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 10
VERIFIKATION VON ARAMIS - TRAGLASTVERSUCH
ARAMIS – Versuche
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 11
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ARAMIS – Versuche
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 14
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Verschiebungsfeld Dehnungsfeld
ARAMIS – Versuche
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 15
Simulationsablauf
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
Lineare
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(Eigenwerte)
GMNIA mit
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(aus Eigenwerten)
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 16
Lineare Beulanalyse – exemplarisch die ersten 4 Eigenwerte
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 17
GMNIA
Imperfektionen
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
0
200
min , 1,0
200 200 200
a b mm
e mm
 
= = = 
 
Quelle: Eurocode EN 1993-1-5,
Anhang C, Ausgabe 2007-04-01
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 18
Materialverhalten aus Zugversuchen
2
2
87
95
o
u
N
f
mm
N
f
mm
=
=
ARAMIS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 19
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ARAMIS – Simulation mit ANSYS
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Weggesteuert, analog zu
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 20
Auswertung mit ANSYS
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ARAMIS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 21
Verschiebung uz bei ux=8,3mm
ARAMIS ANSYS
,1
,2
21,4
16,5
z
z
u mm
u mm
=
=
,1
,2
21,5
16,6
z
z
u mm
u mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 22
Verschiebung uz bei ux=16,7mm
ARAMIS ANSYS
,1
,2
34,0
23,8
z
z
u mm
u mm
=
=
,1
,2
34,8
24,5
z
z
u mm
u mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 23
Verschiebung uz bei ux=64,0mm
ARAMIS ANSYS
,1
,2
81,6
48,9
z
z
u mm
u mm
=
=
,1
,2
82,0
48,8
z
z
u mm
u mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 24
Dehnung bei ux=8,3mm
ARAMIS ANSYS
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 25
Dehnung bei ux=16,7mm
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Rissbildung
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 26
Dehnung bei ux=64,0mm
ARAMIS ANSYS
ARAMIS – Auswertung & Vergleich
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Traglastkurve (Kraft-Weg-Diagramm)
ARAMIS ANSYS
max 3604F N=
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60
Kraft[N]
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ARAMIS – Auswertung & Vergleich
max 3880F N=
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 28
VERIFIKATION VON PONTOS - SCHWINGUNGSMESSUNG
PONTOS – Versuche
Alublech ident mit
Aramisversuchen
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 29
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 30
PONTOS - reine Biegeschwingung
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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 31
Simulationsablauf
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mittels Mode Superposition
PONTOS – Simulation mit ANSYS
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Normierung der
Anfangsauslenkung
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 32
Modalanalyse – exemplarisch die ersten 6 Eigenfrequenzen
PONTOS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 33
Dämpfung
Beta Dämpfung für Transiente Analyse,
geschätzt anhand der ersten Eigenfrequenz
1. Eigenfrequenz 13,3 Hz
2 2 0,008
0,0002
2 13,3
ξ
β
ω π
⋅ ⋅
= = =
⋅ ⋅
PONTOS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 34
Transiente Analyse - Randbedingungen
Simulation „Hammerschlag“
PONTOS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 35
ANSYS - reine Biegeschwingung
PONTOS – Simulation mit ANSYS
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 36
Auswertepunkt – PONTOS / ANSYS
PONTOS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 37
Vergleich
PONTOS ANSYS
13f Hz 13f Hz
0sec 1sec 2sec 2sec0sec 1sec
PONTOS – Auswertung & Vergleich
ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 38
Zusammenfassung
Experiment - ARAMIS & PONTOS
+ Messung kann komplexe Effekte sichtbar machen (z.B.: Rissentwicklung)
+ Messung liefert reale Daten
- Messung beschränkt auf definiertes Messvolumen
- Messungen meist aufwändig in der Versuchsdurchführung
Simulation - ANSYS
+ Grundsätzlich sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse
(Abweichungen nur durch getroffene Annahmen wie
Materialfestigkeiten, Randbedingungen, Dämpfung, …)
+ Keine aufwändigen Versuche notwendig
- Komplexe Effekte nur schwer zu erfassen (z.B.: Rissentwicklung)
- Ergebnisse hängen stark von der Qualität der Berechnung (Konvergenz,
verwendete Elemente, …) und den Eingangsdaten (Material, …) ab
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS - Experiment vs. Simulation

  • 1. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting Wien, 26.04.2012 ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS oder „Experiment“ vs. „Simulation“ DI Ralph Timmers AB Stahlbau und Mischbautechnologie Fakultät für Bauingenieurwissenschaften Leopold-Franzens-Universität Innsbruck
  • 2. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 Grundidee 2 Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck: • Anwendung der numerischen Software ANSYS, • Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme ARAMIS und PONTOS. Grundidee: Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen. Ziel: Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.
  • 3. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 Inhalt  Optische Messsysteme ARAMIS & PONTOS  Verifikation von ARAMIS • Versuche mit ARAMIS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich  Verifikation von PONTOS • Versuche mit PONTOS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich  Zusammenfassung 3
  • 4. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 ARAMIS & PONTOS 4 An der Universität Innsbruck zur Material- & Bauteilprüfung PONTOS Dynamische 3D-Koordinaten ARAMIS Optische 3D-Deformationsanalyse
  • 5. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 5 Exemplarischer Ablauf einer Messung mit ARAMIS 1. Messbereich definieren 2. Referenzmuster aufbringen (aufsprühen) 3. Messung = Aufzeichnung der Verformung des Referenzmusters mit High-Speed-Kameras ARAMIS & PONTOS
  • 6. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 6 4. Auswertung Aus der Veränderung des Referenz- musters je Zeitschritt (3D-Koordinaten) folgt die Relativverschiebung jeder Facette zueinander (Dehnungen, Dehnraten, … ). Loadstep_01 - Referenzstufe Loadstep_40 Loadstep_70 ARAMIS & PONTOS
  • 7. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 7 Exemplarischer Ablauf einer Messung mit PONTOS 1. Messbereich definieren 2. Kontrollpunkte aufbringen (kleben) 3. Messung = Aufzeichnung der Lageänderung der Kontrollpunkte mit High-Speed-Kameras ARAMIS & PONTOS
  • 8. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 8 4. Auswertung Aus der Lageänderung der Kontrollpunkte (3D- Koordinaten) je Zeitschritt folgen die Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, … ARAMIS & PONTOS
  • 9. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 9 Typische Anwendungsgebiete  Berührungsloses und materialunabhängiges Messen  Erfassen der realen Bauteilgeometrie und besseres Verstehen des 3D-Bauteilverhaltens  Anwendungsgebiete Statisch z.B. Festigkeitsanalysen, Beulformen, … Dynamisch z.B. Schwingungsanalysen, Crashtest, … Bruchmechanisch z.B. Rissentwicklung, Rissverfolgung, …  Verifikation von FE-Modellen ARAMIS & PONTOS
  • 10. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 10 VERIFIKATION VON ARAMIS - TRAGLASTVERSUCH ARAMIS – Versuche
  • 11. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 11 100kN Prüfmaschine der TVFA Innsbruck ARAMIS – Versuche
  • 12. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 12 Versuchsaufbau ARAMIS – Versuche
  • 13. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 13 Versuchsgeschwindigkeit 1 mm/min ARAMIS – Versuche
  • 14. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 14 Auswertung mit ARAMIS Verschiebungsfeld Dehnungsfeld ARAMIS – Versuche
  • 15. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 15 Simulationsablauf ARAMIS – Simulation mit ANSYS Lineare Strukturanalyse Lineare Beulanalyse (Eigenwerte) GMNIA mit Imperfektionen (aus Eigenwerten)
  • 16. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 16 Lineare Beulanalyse – exemplarisch die ersten 4 Eigenwerte ARAMIS – Simulation mit ANSYS
  • 17. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 17 GMNIA Imperfektionen ARAMIS – Simulation mit ANSYS 0 200 min , 1,0 200 200 200 a b mm e mm   = = =    Quelle: Eurocode EN 1993-1-5, Anhang C, Ausgabe 2007-04-01
  • 18. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 18 Materialverhalten aus Zugversuchen 2 2 87 95 o u N f mm N f mm = = ARAMIS – Simulation mit ANSYS
  • 19. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 19 GMNIA - Randbedingungen ARAMIS – Simulation mit ANSYS „Backe oben“ Weggesteuert, analog zu Maschinenweg der Prüfmaschine
  • 20. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 20 Auswertung mit ANSYS Verschiebungsfeld Dehnungsfeld ARAMIS – Simulation mit ANSYS
  • 21. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 21 Verschiebung uz bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS ,1 ,2 21,4 16,5 z z u mm u mm = = ,1 ,2 21,5 16,6 z z u mm u mm = = ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 22. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 22 Verschiebung uz bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS ,1 ,2 34,0 23,8 z z u mm u mm = = ,1 ,2 34,8 24,5 z z u mm u mm = = ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 23. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 23 Verschiebung uz bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS ,1 ,2 81,6 48,9 z z u mm u mm = = ,1 ,2 82,0 48,8 z z u mm u mm = = ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 24. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 24 Dehnung bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 25. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 25 Dehnung bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS Rissbildung ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 26. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 26 Dehnung bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS ARAMIS – Auswertung & Vergleich
  • 27. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 27 Traglastkurve (Kraft-Weg-Diagramm) ARAMIS ANSYS max 3604F N= 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 30 40 50 60 Kraft[N] Weg [mm] ARAMIS – Auswertung & Vergleich max 3880F N= Rissbildung
  • 28. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 28 VERIFIKATION VON PONTOS - SCHWINGUNGSMESSUNG PONTOS – Versuche Alublech ident mit Aramisversuchen
  • 29. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 29 Anregung einer Biegeschwingung Durchgeführter Versuch PONTOS – Versuche
  • 30. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 30 PONTOS - reine Biegeschwingung Anregung einer Biegeschwingung PONTOS – Versuche
  • 31. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 31 Simulationsablauf Modalanalyse Transiente Strukturanalysen mittels Mode Superposition PONTOS – Simulation mit ANSYS Strukturanalyse zur Normierung der Anfangsauslenkung
  • 32. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 32 Modalanalyse – exemplarisch die ersten 6 Eigenfrequenzen PONTOS – Simulation mit ANSYS
  • 33. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 33 Dämpfung Beta Dämpfung für Transiente Analyse, geschätzt anhand der ersten Eigenfrequenz 1. Eigenfrequenz 13,3 Hz 2 2 0,008 0,0002 2 13,3 ξ β ω π ⋅ ⋅ = = = ⋅ ⋅ PONTOS – Simulation mit ANSYS
  • 34. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 34 Transiente Analyse - Randbedingungen Simulation „Hammerschlag“ PONTOS – Simulation mit ANSYS
  • 35. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 35 ANSYS - reine Biegeschwingung PONTOS – Simulation mit ANSYS
  • 36. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 36 Auswertepunkt – PONTOS / ANSYS PONTOS – Auswertung & Vergleich
  • 37. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 37 Vergleich PONTOS ANSYS 13f Hz 13f Hz 0sec 1sec 2sec 2sec0sec 1sec PONTOS – Auswertung & Vergleich
  • 38. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 38 Zusammenfassung Experiment - ARAMIS & PONTOS + Messung kann komplexe Effekte sichtbar machen (z.B.: Rissentwicklung) + Messung liefert reale Daten - Messung beschränkt auf definiertes Messvolumen - Messungen meist aufwändig in der Versuchsdurchführung Simulation - ANSYS + Grundsätzlich sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse (Abweichungen nur durch getroffene Annahmen wie Materialfestigkeiten, Randbedingungen, Dämpfung, …) + Keine aufwändigen Versuche notwendig - Komplexe Effekte nur schwer zu erfassen (z.B.: Rissentwicklung) - Ergebnisse hängen stark von der Qualität der Berechnung (Konvergenz, verwendete Elemente, …) und den Eingangsdaten (Material, …) ab
  • 39. Danke für Ihre Aufmerksamkeit!