FEM-Simulation oder Versuch - wann was?
FEM-Simulation und realer Versuch konkurrieren nicht, sondern ergänzen sich: Die Simulation dient der Auslegung, dem Variantenvergleich und der virtuellen Absicherung, während der Versuch das Modell validiert und dort zwingend bleibt, wo Normen ihn verlangen. Gut abgesicherte, linear-statische und gut charakterisierte Fälle lassen sich heute weitgehend rechnerisch nachweisen; bei Crash, Druckgeräten und Betriebsfestigkeit fordern Regelwerke dagegen weiterhin einen physischen Nachweis. Ob ein FEM-Ergebnis als Nachweis genügt, entscheidet die Verifikation und Validierung (V&V), wie sie die ASME-Standards V&V 10 und V&V 40 sowie der Eurocode EN 1993-1-14 beschreiben.
FEM oder Versuch: Die Entscheidung im Überblick
Die Frage ist in der Praxis selten ein Entweder-oder. FEM-Simulation und realer Versuch sind komplementäre Werkzeuge: Die Simulation rechnet viele Varianten schnell und früh durch, der Versuch liefert das Verhalten des realen Bauteils unter realen Bedingungen. Üblich ist deshalb eine Arbeitsteilung, bei der die FEM die Auslegung und Variantenreduktion übernimmt und ein gezielter Versuch den kritischen Fall absichert.
Dahinter steht der Begriff der virtuellen Absicherung: Rechnerische Nachweise ersetzen einen Teil der physischen Prototypen und Iterationen, nicht aber jeden Versuch. Ob ein FEM-Ergebnis belastbar ist und als Nachweis taugt, hängt davon ab, wie gut das Modell verifiziert und validiert wurde. Diese Verifikation und Validierung (V&V) ist in Standards wie ASME V&V 10 für die Festkörpermechanik und, für den Stahlbau, im neuen Eurocode-3-Teil EN 1993-1-14:2025 beschrieben.
Als Faustregel gilt: Je besser Werkstoff, Lasten und Randbedingungen bekannt und je linearer das Verhalten ist, desto eher trägt die reine Rechnung. Je sicherheitsrelevanter, neuartiger, stärker nichtlinear oder je stärker normativ geregelt ein Bauteil ist, desto wichtiger wird der reale Versuch, sei es zur Validierung des Modells oder weil eine Norm ihn ausdrücklich fordert.
- FEM und Versuch sind komplementär, kein Entweder-oder
- Übliche Arbeitsteilung: FEM für Auslegung und Varianten, Versuch für den kritischen Fall
- Virtuelle Absicherung ersetzt Prototyp-Iterationen, nicht jeden Versuch
- Belastbarkeit eines FEM-Nachweises hängt an Verifikation und Validierung (V&V)
- Mehr Nichtlinearität, Sicherheit oder normative Pflicht verschiebt das Gewicht zum Versuch
Quellen: ASME V&V 10-2019 (R2025) — Standard for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics (ergänzt durch ASME V&V 40-2018 für die risikobasierte Glaubwürdigkeit von Rechenmodellen): definiert den Rahmen aus Verifikation (richtig gerechnet) und Validierung (richtiges Modell gegen Experiment) für Finite-Elemente-Simulationen in der Festkörpermechanik , EN 1993-1-14:2025 — Eurocode 3, Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Teil 1-14: Bemessung mithilfe von Finite-Element-Berechnung: erster eigens der FE-Berechnung im Stahlbau gewidmeter Eurocode-3-Teil; definiert Verifikation und Validierung und fordert deren Durchführung für FE-gestützte Nachweise
Welche Konstellationen sich per FEM sicher abbilden lassen
Gut abbildbar sind Fälle, in denen die physikalischen Annahmen zuverlässig bekannt sind. Dazu zählen lineare statische Festigkeits- und Steifigkeitsnachweise an metallischen Bauteilen mit gut charakterisiertem, elastischem Werkstoff, klaren Lagerungen und überschaubaren Lastfällen. Hier liefert die FEM Spannungen, Verformungen und Sicherheitsfaktoren mit hoher Zuverlässigkeit, sofern das Netz an kritischen Stellen ausreichend fein ist und Singularitäten vermieden werden.
Ebenfalls eine Domäne der Simulation sind vergleichende Aufgaben: Variantenvergleiche, Parameterstudien, Topologie- und Gestaltoptimierung sowie Modal- und Eigenfrequenzanalysen. Dabei kommt es weniger auf den exakten Absolutwert als auf die richtige Rangfolge und Tendenz an, und genau das leistet die FEM wirtschaftlich und schnell. Thermische und stationäre strömungsnahe Fragestellungen lassen sich in vielen Fällen ebenfalls belastbar rechnen.
Schwieriger und damit stärker validierungsbedürftig wird es, wenn das Versagen selbst im Fokus steht: Bruch, Rissfortschritt, Ermüdung, stark nichtlineares Material- oder Kontaktverhalten, große plastische Verformungen oder dynamische Crashvorgänge. Hier bleiben Modellannahmen unsicherer, und ein Abgleich mit dem Versuch ist in der Regel erforderlich, um das Modell zu kalibrieren und abzusichern.
- Zuverlässig: lineare Statik an metallischen Bauteilen mit bekanntem Werkstoff und klaren Lasten
- Stärke der FEM: Varianten, Parameterstudien, Topologieoptimierung, Modalanalyse
- Thermische und viele stationäre Fragestellungen sind oft belastbar rechenbar
- Validierungsbedürftig: Bruch, Ermüdung, Kontakt, große Plastizität, Crash
- Je besser Werkstoff, Last und Randbedingung bekannt, desto eher trägt die Rechnung allein
Wo Normen weiterhin einen Realversuch fordern
In mehreren Bereichen bleibt der physische Versuch regulatorisch vorgeschrieben, unabhängig davon, wie gut simuliert wird. Im Automobilbereich verlangen die UN-Regelungen der UNECE für die Typgenehmigung weiterhin reale Crashtests, etwa UN R94 für den Frontalaufprall (unter anderem mit deformierbarer Barriere und Teilüberdeckung) und UN R95 für den Seitenaufprall. Virtuelle Testverfahren werden zunehmend ergänzend zugelassen, ersetzen den physischen Homologationsnachweis aber in der Regel nicht vollständig.
Bei Druckgeräten verlangt die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU (PED) als Teil der Abnahme eine Druckfestigkeitsprüfung des fertigen Geräts. Die Auslegung kann rechnerisch erfolgen, gegebenenfalls ergänzt durch eine experimentelle Auslegungsmethode; wird letztere ohne vollständige Berechnung genutzt, ist ein vorab festgelegtes Prüfprogramm an repräsentativen Mustern durchzuführen und, soweit eine notifizierte Stelle zuständig ist, von dieser anzuerkennen. Ein Berst- oder Druckversuch kann hier also normativ verlangt oder als Nachweisweg vorgesehen sein.
Auch der Ermüdungs- oder Betriebsfestigkeitsnachweis stützt sich häufig auf reale Dauerschwingversuche, weil Streuung, Oberflächen- und Fertigungseinflüsse rechnerisch nur eingeschränkt erfassbar sind. Übergeordnet verlangen die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und die ab dem 20. Januar 2027 geltende Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 einen risikobasierten Sicherheitsnachweis; sie schreiben keine bestimmte Methode vor, lassen aber Prüfungen und Versuche als Teil des Konformitätsnachweises zu beziehungsweise erfordern sie je nach Risiko.
- Automobil: reale Crashtests zur Typgenehmigung, etwa UN R94 (Frontal) und UN R95 (Seite)
- Virtuelle Crashverfahren ergänzen zunehmend, ersetzen den physischen Nachweis aber meist nicht
- Druckgeräte (PED 2014/68/EU): Druckfestigkeitsprüfung bei der Abnahme ist Pflicht
- Experimentelle Auslegungsmethode und Berstversuch als normativer Nachweisweg möglich
- Betriebsfestigkeit stützt sich häufig weiter auf reale Dauerschwingversuche
- Maschinenrichtlinie und Maschinenverordnung: risikobasierter Nachweis, Versuche je nach Risiko
Quellen: UN-Regelung Nr. 94 (UNECE, WP.29) — einheitliche Bedingungen für die Genehmigung von Fahrzeugen hinsichtlich des Schutzes der Insassen beim Frontalaufprall: Beispiel für einen weiterhin verlangten physischen Crashtest in der Typgenehmigung (analog UN R95 für den Seitenaufprall) , Richtlinie 2014/68/EU (Druckgeräterichtlinie, PED): verlangt in den wesentlichen Sicherheitsanforderungen eine Druckfestigkeitsprüfung bei der Abnahme und lässt eine experimentelle Auslegungsmethode mit vorab festgelegtem, von der notifizierten Stelle anzuerkennendem Prüfprogramm als Nachweisweg zu
Zulässigkeit im Nachweisverfahren: die Rolle von V&V
Ob eine Simulation als Nachweis zählt, hängt davon ab, wie sie abgesichert wird. Die ASME-Standards trennen dazu zwei Schritte: Verifikation prüft, ob das Modell korrekt gerechnet wurde (Abgleich der numerischen Lösung mit analytischen oder genaueren numerischen Referenzen), Validierung prüft, ob es das reale Verhalten trifft (Abgleich mit dem Experiment). ASME V&V 10-2019 (R2025) beschreibt diesen Rahmen für die Festkörpermechanik, ASME V&V 40-2018 ergänzt einen risikobasierten Ansatz zur Glaubwürdigkeit von Modellen, abhängig vom jeweiligen Anwendungszweck.
Im Bauwesen greift der Eurocode diese Logik auf. Der FE-orientierte Teil EN 1993-1-14:2025 ist der erste eigens der Finite-Element-Berechnung im Stahlbau gewidmete Eurocode-3-Teil und verlangt ausdrücklich, dass FE-gestützte Nachweise verifiziert und validiert werden. Die übergeordneten Grundlagen nach DIN EN 1990:2021-10 beschreiben in Anhang D zudem die Bemessung mit Hilfe von Versuchen, wenn rechnerische Modelle allein nicht ausreichen oder statistisch abgesichert werden müssen.
Für die Zulässigkeit zählt daher weniger das Werkzeug als die nachvollziehbare Nachweiskette: dokumentierte Modellannahmen, Verifikation gegen Referenzlösungen, Validierung gegen Versuch oder anerkannte Daten und eine prüfbare Dokumentation. Je nach Bauordnung, Risikoklasse oder Konformitätsverfahren kann zusätzlich eine unabhängige Prüfung des Nachweises gefordert sein; das sollte früh geklärt werden.
- Verifikation: richtig gerechnet (gegen analytische oder numerische Referenz)
- Validierung: richtiges Modell (gegen reales Experiment)
- ASME V&V 10-2019 (R2025) für Festkörpermechanik, V&V 40-2018 als risikobasierter Rahmen
- EN 1993-1-14:2025 fordert Verifikation und Validierung FE-gestützter Nachweise
- DIN EN 1990:2021-10 Anhang D regelt die Bemessung mit Hilfe von Versuchen
- Zulässig ist die nachvollziehbare, dokumentierte und ggf. unabhängig geprüfte Nachweiskette
Quellen: ASME V&V 10-2019 (R2025) — Standard for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics (ergänzt durch ASME V&V 40-2018 für die risikobasierte Glaubwürdigkeit von Rechenmodellen): definiert den Rahmen aus Verifikation (richtig gerechnet) und Validierung (richtiges Modell gegen Experiment) für Finite-Elemente-Simulationen in der Festkörpermechanik , DIN EN 1990:2021-10 — Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung: legt die Grundlagen der Nachweisführung fest und beschreibt in Anhang D die Bemessung mit Hilfe von Versuchen als Ergänzung oder Absicherung rechnerischer Modelle , EN 1993-1-14:2025 — Eurocode 3, Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Teil 1-14: Bemessung mithilfe von Finite-Element-Berechnung: erster eigens der FE-Berechnung im Stahlbau gewidmeter Eurocode-3-Teil; definiert Verifikation und Validierung und fordert deren Durchführung für FE-gestützte Nachweise
Ergebnistoleranz: FEM gegen Messung
Eine pauschale, genormte Toleranz zwischen Simulation und Messung gibt es nicht; die erreichbare Übereinstimmung hängt von Modellqualität, Werkstoffdaten, Randbedingungen und Messunsicherheit ab. Für gut validierte, linear-statische Modelle liegen die Abweichungen in der Praxis häufig im einstelligen Prozentbereich; Werte in der Größenordnung von etwa drei bis fünf Prozent gelten oft als gutes Ergebnis, sind aber keine zugesicherte Garantie.
Wichtig ist, dass beide Seiten fehlerbehaftet sind: Auch der Versuch streut durch Toleranzen, Aufbau und Messtechnik. Abweichungen zwischen FEM und Messung lassen sich daher nicht automatisch der Simulation anlasten. Bei Nichtlinearität, Kontakt, Plastizität oder dynamischen Vorgängen werden die Unterschiede größer, und ein sorgfältiger Modellabgleich (Korrelation) ist nötig, um die Ursachen zu trennen.
Für die Praxis folgt daraus: Eine Toleranzvorgabe sollte zum Zweck passen. Für Steifigkeits- und Tendenzaussagen genügen gröbere Übereinstimmungen, für einen sicherheitsrelevanten Festigkeitsnachweis sind engere Grenzen und eine echte Validierung gegen den Versuch angemessen. Die Akzeptanzkriterien gehören vor Projektbeginn definiert.
- Keine pauschale, genormte Toleranz: abhängig von Modell, Werkstoff, Randbedingung, Messung
- Gut validierte lineare Modelle: Abweichungen oft im einstelligen Prozentbereich (grob 3 bis 5 Prozent)
- Diese Werte sind Erfahrungsgrößen, keine zugesicherte Garantie
- Auch der Versuch streut; Abweichung ist nicht automatisch ein FEM-Fehler
- Nichtlinearität und Dynamik vergrößern die Differenz und erfordern Modellabgleich
- Akzeptanzkriterien vor Projektbeginn und passend zum Nachweiszweck festlegen
Häufige Fragen zu FEM-Simulation und Versuch
Kann eine FEM-Simulation den Versuch vollständig ersetzen?
In der Regel nicht vollständig, aber oft weitgehend. Bei gut bekannten, linearen und unkritischen Fällen kann die Rechnung allein genügen. Je sicherheitsrelevanter, neuartiger oder nichtlinearer ein Bauteil ist und je stärker Normen einen physischen Nachweis fordern, desto eher bleibt ein Versuch nötig. Die virtuelle Absicherung reduziert meist die Zahl der Versuche, statt sie auf null zu senken.
Was bedeuten Verifikation und Validierung (V&V) konkret?
Verifikation beantwortet, ob richtig gerechnet wurde: die numerische Lösung wird mit analytischen oder genaueren numerischen Referenzen verglichen. Validierung beantwortet, ob das richtige Modell gerechnet wurde: der Abgleich erfolgt mit dem realen Experiment. EN 1993-1-14:2025 und die ASME-Standards V&V 10 und V&V 40 verankern diese Trennung als Grundlage für belastbare Simulationsnachweise.
Ist bei Druckbehältern ein Berst- oder Druckversuch Pflicht?
Die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU verlangt bei der Abnahme eine Druckfestigkeitsprüfung des fertigen Geräts. Die Auslegung kann rechnerisch erfolgen, gegebenenfalls ergänzt durch eine experimentelle Auslegungsmethode; wird diese ohne vollständige Berechnung genutzt, ist ein vorab festgelegtes Prüfprogramm an repräsentativen Mustern durchzuführen und von der notifizierten Stelle anzuerkennen. Ein Berst- oder Druckversuch kann so vorgeschrieben oder als Nachweisweg vorgesehen sein.
Sind Crashtests trotz Simulation noch vorgeschrieben?
Ja. Für die Typgenehmigung verlangen die UN-Regelungen der UNECE weiterhin reale Crashtests, etwa UN R94 für den Frontal- und UN R95 für den Seitenaufprall. Virtuelle Testverfahren werden zunehmend ergänzend anerkannt, ersetzen den physischen Homologationsnachweis in der Regel aber nicht vollständig. Simulation dient hier vor allem der Auslegung und der Reduzierung von Testfahrzeugen.
Wann lohnt sich die Kombination aus FEM und gezieltem Versuch?
Wenn Materialverhalten oder Randbedingungen unsicher sind, wenn Normen einen Nachweis über Versuche zulassen oder fordern oder wenn Stückzahl und Sicherheitsanforderungen den Aufwand rechtfertigen. Wirtschaftlich ist häufig: FEM zur Auslegung und Variantenreduktion, ein gezielter Versuch zur Validierung und Absicherung des kritischen Falls. So sinken Prototypenzahl und Risiko zugleich.