FEM – avancerad beräkningsmetod för komplexa fjäderbehov

Lesjöfors högutbildade medarbetare har djup kunskap och lång erfarenhet av komplicerade tekniska beräkningar. FEM är en metod som används för de mest avancerade fjäderlösningarna.

Lesjöfors använder FEM för mekaniska fjädrar med geometrier där de vanliga beräkningsmodellerna inte ger tillräckligt säkra resultat eller inte kan användas. Metoden används också för belastningsfall där fjädern utsätts för krafter eller töjningar i olika riktningar. För vanliga fjädergeometrier med vanliga kraft- och fjädringssystem ger de konventionella beräkningsmodellerna säkra och tillförlitliga resultat för rätt produktdimensionering.

Hög precision i beräkningen
Finita Elementmetoden (FEM) är i grunden en numerisk metod främst för att lösa partiella differentialekvationer. Metoden fick en ordentlig matematisk grund 1973 i och med publiceringen av Strang och Fix An Analysis of The Finite Element Method, och har sedan anpassats för att lösa olika fysiska problem inom till exempel mekanisk hållfasthet, elektromagnetism och vätskedynamik.

Metoden passar bra för hållfasthetsberäkningar av komplicerade geometrier där den ofta förutsäger resultat med god precision. Metoden genererar stora beräkningsdata för tredimensionella komplexa strukturer. Därmed har utvecklingen av nya programvaror och nya snabba datorer starkt bidragit till metodens spridning och tillgänglighet till många branscher, bland annat verkstadsindustrin.

Exempel på användning
Några exempel på situationer där användning av FEM kan ge fördelar:
• Fasonfjädrar i tråd
• Komplexa plattfjädrar
• Vridfjädrar med komplexa skänklar och infästningar
• Icke symetriska skruvfjädrar

Så går processen till
Lesjöfors FEM-process för fjädrar innehåller i huvudsak följande steg:
• Insamling av data – till exempel geometri, fjädring, laster, materialdata
• Modellering – skapa modell, applicera laster och randvillkor, definiera materialegenskaper
• Beräkning – val av beräkningstyp, val av resultatdata, beräkning
• Utvärdering – analys av fjädring, krafter och spänningar, bedömning av tillförlitligheten
• Resultat – framtagning av resultatbilder, resultatsammanställning, slutsatser

Komplexiteten vid FEM-beräkningar gör att processtiden är avsevärt längre än vid beräkning med konventionella metoder. Därför är också kostnaden betydligt högre, vilket ofta begränsar användningen av FEM till större projekt.

FEM – advanced calculation method for complex spring design
Lesjöfors highly skilled engineers have special knowledge and long experience of advanced calculations. FEM is a method for the most complicated geometries.

Lesjöfors uses FEM for mechanical springs with geometries where the conventional calculation methods do not give required reliability and for geometries where the conventional methods can not be used. The method is also used for load cases where the spring has loads and deflections in different directions. For normal spring geometries and normal load and deflection systems the conventional methods give reliable and precise results for correct dimensioning.

High precision calculations
The Finite Element Method (FEM) is basically a numerical technique foremost used to solve partially differential equations. The method got a rigorous mathematical foundation in 1973 by work of Strang and Fix; An Analysis of The Finite Element Method, and has after that been developed for solving different physical problems in for example mechanical strength, electromagnetism and fluid dynamics.

The method works well for strength calculations of complicated geometries and it often predict results with good precision. The method generates large data volumes for three dimensional complex structures. The development of new software and new, fast computers has strongly contributed to the spread and availability of the method to many branches including the engineering industry.  

Examples of use
Some examples where use of FEM can be favourable:
• Wire forms
• Complex flat/leaf springs
• Torsion springs with complex legs and fittings
• Non-symmetric coil springs

The process actions
Lesjöfors´ FEM process for springs has principally the following steps:
• Collection of data – for example geometry, deflection, loads, material data
• Modelling – create the model, apply loads and conditions, define material properties
• Calculation – choice of calculation and type of result data, calculation
• Evaluation – analyse of deflection, loads and stresses, judgement of reliability
• Result – production of result pictures, result analysis, conclusions  

The complexity of FEM calculations leads to a much longer process time compared to calculations with traditional methods. Therefore the cost is also considerably higher which often limits the use of FEM to larger projects.