Mehrkörperdynamik

Dank der Mehrkörpersimulation (MKS) können Ingenieure das dynamische Verhalten von mechanischen Systemen mit geringem Aufwand simulieren und testen

Horizontal spacer

Von Autos über Flugzeuge bis zu Waschmaschinen und Fertigungsstraßen: Bewegliche Teile erzeugen Belastungen, die sowohl in einfachen als auch in komplexen Mechanismen oft schwierig vorherzusagen sind. Diese Belastungen können mit der MKS und Simulationen auf Systemebene berechnet werden. Ingenieure in der Produktentwicklung müssen verstehen, wie bewegliche Teile miteinander und mit ihrer Umgebung agieren und reagieren.

Die MKS ist eine numerische Anwendung der Kinetik und beruht auf dem Teilgebiet der Dynamik der klassischen Mechanik. Das Grundprinzip der MKS beruht darauf, starre Körper in Form von diskreten Massen über Stabelemente miteinander zu verbinden. In der Starrkörpermechanik können sich Körper beliebig im Raum bewegen, wobei mechanische Gelenke oder Federgesetze die relative Bewegung der Bauteile beschränken. Die Analysemöglichkeiten umfassen auch statische Auslegungsuntersuchungen, aber Schwerpunkt ist die Voraussage des dynamischen Verhaltens von mechanischen Systemen.

Im Gegensatz zur Finite Elemente (FE)-Methode, für die eine detaillierte Bauteiltopologie mit einer Vielzahl von Elementen nötig ist, können mit MKS-Systemen selbst komplexe mechanische Systeme mit einer relativ geringen Anzahl an Freiheitsgraden abgebildet werden. Um die Prognosequalität speziell bei kritischen Komponenten weiter zu erhöhen, können zuvor mit einem FE-Programm berechnete Einzelkomponenten, sogenannte flexible Körper, eingebunden werden. Für eine akkurate Modellierung müssen zudem verschiedene physikalische Phänomene, wie Vibration, Reibung und Geräuschentwicklung, beachtet werden.

Zu den Stärken von MSC Software im Bereich Mehrkörperdynamik gehören:

CAD-Integration eines Fahrwerkes mit SimDesigner

In die MKS-Lösungen von MSC können detaillierte Geometriedaten aus führenden CAD-Paketen sowie aus zahlreichen standardisierten Formaten importiert werden. Dazu gehören CAD-Software kompatible Formate, einschließlich STEP, IGES, DXF, DWG und Parasolid, sowie Softwareeigene CAD-Formate, einschließlich CatiaV4, CatiaV5, Inventor, STEP, IGES, Acis, ProE, Creo, SolidWorks, Unigraphics und VDA.

Schwingungsform der flexiblen Landeklappe eines Flugzeuges


Spannungsanalyse des Laufs einer automatischen Handfeuerwaffe

Bei vielen MKS-Berechnungen reicht die Beschreibung über starre Körper nicht aus, da die strukturelle Elastizität und Flexibilität der Bauteile berücksichtigt werden muss. Die Flexibilität von Komponenten beeinflusst die Systemantwort und durch diese Änderungen treten unterschiedliche Deformationen und Spannungen auf.

Um das elastische Materialverhalten in der MKS berücksichtigen zu können, wurden sogenannte flexible Körper integriert. Unter einem flexiblen Körper versteht man die Berücksichtigung der Bauteilflexibilität (Finite Elemente Analyse, FEA) in der MKS. Dem geringen Mehraufwand in der Modellierung und der etwas längeren Rechenzeit stehen wesentlich genauere Voraussagen der Deformation und Dynamik des Gesamtsystems und der Bauteilbelastung gegenüber.

Adams von MSC Software nutzt eine Kombination von MKS und FEA unter Anwendung der sogenannten Methode der Modalen Reduktion, bei der das Verhalten flexibler Körper berücksichtigt wird. Das Modul Adams/Flex erlaubt den Import von Modellen aus den meisten großen FEA-Softwarepaketen und ist voll in das Adams-Paket integriert. Das Modul Adams/ViewFlex ermöglicht es Anwendern, einen starren Körper mit Hilfe einer FE-Analyse in einen flexiblen Körper umzuwandeln. Dabei wird ein Netz erzeugt und eine lineare Modalanalyse durchgeführt wird. Für diesen Prozess wurden Funktionen von MSC Nastran in Adams integriert. Das bedeutet, der Anwender muss die gewohnte Umgebung nicht verlassen oder Drittanbietersoftware zur FEA verwenden.


ViewFlex Modell in Adams/View

Mit Funktionen wie dem Export aus den Modulen Adams2Nastran und ViewFlex führt Adams eine Integration mit MSC Nastran in beide Richtungen ein. So können Adams-Modelle Modalanalysen und Frequenzganganalysen durchlaufen.

Das Modul Adams/Mechatronics integriert ohne Mehraufwand Steuerungssysteme in mechanische Modelle, indem es eine externe Systembibliothek einer Steuerungsanwendung wie Easy5 oder MATLAB dynamisch verlinkt. Die Einstellungen des Regelsystems können schnell für die Bewertung in einer Konstruktionsstudie angepasst werden, sodass das Regelsystem und das mechanische System gleichzeitig optimiert werden können.

Kontakt zwischen zwei flexiblen sowie einem flexiblen und starren Körper


Kontaktbetrachtung einer Kugelumlaufspindel

Ein wichtiges Element vieler Mehrkörpersysteme ist die Berechnung der Kontakte zwischen Teilen.

Die Lösungen von MSC bieten verschiedene Möglichkeiten für die Kontaktmodellierung. Dazu gehören Stoßkontakte oder Roll- und Reibkontakte. Diese können zwischen starren Körpern, starren und flexiblen Körpern oder zwei flexiblen Körpern auftreten. Einfache Regelkontaktkörper wie Kugeln oder Zylinder werden analytisch dargestellt.

Für komplexe Kontaktkörperpaarungen werden kompliziertere Verfahren verwendet. Die Kontaktbereiche werden automatisch erkannt und müssen nicht vorab definiert werden.

Kritische Punkte einer flexiblen Fahrzeugfederung


Modale Spannungsanalyse eines Krankenhausbettes

Bauteile und Materialien reagieren in unterschiedlicher Weise auf zyklische Belastungen. Bei zu hohen Spannungen kann das Material geschädigt werden. Probleme der Haltbarkeit und Lebensdauer, die zu spät im Entwicklungszyklus entdeckt werden, kosten Zeit und Geld. Wenn sie nicht vor der Markteinführung gelöst werden, führen sie zu hohen Gewährleistungskosten und einer geringeren Kundenzufriedenheit. Daher sind Betriebsfestigkeit und Lebensdauer Produkteigenschaften mit zentraler Bedeutung. Die Beantwortung der Frage nach der Haltbarkeit kann sich aber nicht nur auf die Konstruktion einer Komponente, sondern auch auf das gesamte System auswirken. Lange Lebensdauer und Haltbarkeit stehen oft im Konflikt mit anderen Eigenschaften, wie Fahrverhalten, Komfort oder Straßenlage. Es gilt einen Kompromiss zwischen gegensätzlichen Anforderungen zu finden – das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum perfekten Entwurf.

Mit den Lösungen von MSC können Spannung, Dehnung und Lebensdauer der Komponenten eines Systemmodells analysiert werden. Schnittstellen zu Programmen für die Berechnung der Betriebsfestigkeit ermöglichen Lebensdauerprognosen und die Untersuchung von entsprechenden Sicherheitsfaktoren. Beliebige Lastkollektive können mit Hilfe des üblichen Adams File-Formates in beide Richtungen ausgetauscht werden. Das erlaubt, reale Testdaten sowohl im virtuellen Modell als auch in realen Prüfständen zu verwenden. Darüber hinaus ermöglichen die MSC Lösungen die Zusammenführung im Bauteilmodus, die für die Integration flexibler Körper und das Aufspüren von Spannungen in einem beweglichen Bauteil erforderlich ist. Die Ergebnisse werden mit modalen Spannungen der FEA kombiniert, um Spannungen in einem beweglichen Bauteil genauer vorhersagen zu können. Alle Dehnungen und Spannungen durch äußere Kräfte oder Begrenzungen und Trägheitseffekte können so effizient wie möglich identifiziert werden.

Shaker-Tests mit einem
Geländefahrzeug

Führen Sie auf Systemebene Schwingungsanalysen wie Frequenzganguntersuchungen und Eigenresonanzanalysen durch. MSC verfügt über schwingungsspezifische Modellierungselemente wie frequenzabhängige Lager und Anregungsfunktionen für Leistungsspektraldichte, Gleitsinus und Unwuchtmassen. In Verbindung mit schwingungs- und frequenzbereichsspezifischem Postprozessing können Systemmoden, Frequenzgang, Tabellen für Modalanteile oder Anregungsfunktionen ins Modell implementiert werden.

Satellitenantenne mit integriertem elektronischem Steuersystem


Integriertes mechanisches System mit Kontrollsystem

Mit den MKS-Lösungen von MSC können Modelle mechanischer Systeme und Regelsysteme einfach integriert werden.

Bei den meisten physikalischen Systemen handelt es sich um eine Kombination mechanischer Komponenten, die durch pneumatische, hydraulische oder elektrische Systeme gesteuert und geregelt werden. Gesamtmodelle müssen alle Wirkungen von Regelsystemen berücksichtigen, um das Verhalten der kompletten Baugruppe richtig zu erfassen. Normalerweise werden Regelsysteme als Blockdiagramme darstellt, deren Ergebnisse grafisch dargestellt werden. Für MKS wird meist dreidimensionale Geometrie genutzt, deren Ergebnisse als grafische Animationen oder Bilder dargestellt werden.

In Lösungen wie Adams sind einerseits Regelsystem-spezifische Elemente integriert. Zum anderen lassen sich auch Regelsysteme direkt aus Easy5 von MSC oder Matlab von Simulink integrieren. Integrieren Sie mechanische Modelle in Blockdiagramme der Software zum Entwurf des Regelsystems oder importieren Sie die Aktuatoren oder Steuereinheiten aus der Software zum Entwurf des Regelsystems direkt in die Umgebung zur Simulation des mechanischen Systems.

Response Surface Diagramm


Animation eines Spurwechsel-Manövers

Bei einfachen Konstruktionsproblemen kann das Verhalten mechanischer Systeme mit einer Kombination aus Intuition, Versuch und Irrtum erkundet und optimiert werden. Mit zunehmender Anzahl von Konstruktionsparametern ist es auf diese Weise jedoch nicht möglich, schnell und systematisch Antworten zu finden.

Wird nur ein Parameter geändert, liegen keine Informationen über mögliche Wechselwirkungen vor. Beim Testen verschiedener Kombinationen, werden mehrere Simulationen benötigt, was in vielen Fällen zu einer großen Menge an auszuwertenden Ausgangsdaten führt. Damit diese zeitaufwändigen Aufgaben entfallen, stellt MSC Planungs- und Analysewerkzeuge zum Durchführen verschiedener Experimente zur Verfügung. Mit diesen Werkzeugen können Ingenieure die zu analysierenden Modelle mit den unterschiedlichen Parametern automatisiert erstellen. Dies führt zu einer größeren Verlässlichkeit der Ergebnisse und schnelleren Antworten sowie hilft, die Funktionsweise mechanischer Systeme besser zu verstehen und zu optimieren.

Modellierung von einzelnen Bauteilen,
Subsystemen und Gesamtsystemen


Fahrzeugspezifische Anpassung mit Adams/Car

Ingenieure können Ihre Arbeitsumgebung auf ihre individuellen Bedürfnisse anpassen und auf bestimmte Anforderungen zuschneiden. Die Lösungen von MSC bieten viele Möglichkeiten, um Modellerstellung, Berechnung und Ergebnisaufbereitung zu automatisieren. Die Automatisierung kann durch Makros, Vorlagen und Eingabemasken individuell angepasst und direkt in Standardtools integriert werden.


MSC Software wird in vielen Bereichen der Mehrkörperdynamik eingesetzt:
  • Starre & bewegliche Mehrkörpersysteme
  • Sensitivitätsanalyse
  • Schwingungsanalyse
  • Fahrzeugentwicklung & -tests
  • Gekoppelte Analyse von Regelsystemen & mechanischen Systemen
  • Kinematik & Kinetik
  • Kontakt & Reibung
  • Lasten & Hubraum
  • Betriebsfestigkeits- & Lebensdaueranalyse
  • Berechnung von Bruch & Materialermüdung
  • Kinetische, statische & dissipative Energieverteilung
  • Analyse des Verhaltens bei Kurvenfahrt, Lenkung, quasistatischen & linearen Prozessen
  • Analyse von Regelsystemen
Industrielle Anwendungen:
  • Luft- & Raumfahrt / Verteidigung: Flugzeugtriebwerke, Raumfahrzeuge, Fahrwerke, Helikopterrümpfe, Waffen- & Waffensysteme, Steuerungssysteme für Flugzeuge, Schleudersitze, Flugsimulatoren, Kampffahrzeuge, missionskritische Systeme von Raumfahrzeugen
  • Automobiltechnik: Getriebe, Federung, Antriebsstränge, Bremssysteme, Lenksysteme, Motoren, Steuerungssysteme, Kraftübertragungseinheiten, Gleichlaufgelenke, Lager, Kupplungen, Chassisstruktur
  • Maschinenbau: Robotergreifer, Förderbänder, Pumpen, Werkzeugmaschinen, Verpackungsanlagen, Getriebe, Schritt- & Servomotoren
  • Schwermaschinen: Bagger, Agrartechnik, hydraulische Steuerungssysteme, Raupenfahrzeuge, Gabelstapler, Attraktionen in Vergnügungsparks
  • Medizintechnik: Orthopädie, menschliche Fortbewegung, Biodynamik, Dynamometrie, ergonomische Analysen, Robotergliedmaßen
  • Konsumgüter: Sportartikel, Fahrräder, Werkzeug, Drucker
  • Energie: Windturbinen, Solarzellen, Offshore-Konstruktionen, Bohrinseln, Zentriersysteme
MSC Software Produkte: 

Adams/Car

Dynamische Berechnung der Fahrzeugkonstruktion

Adams Machinery

Virtueller Prototypenbau für Maschinen- & Anlagenhersteller

SimDesigner

CAD-integrierte Simulation

SimXpert

Integrierte Simulationsumgebung
+49 89 21093224 ext. 4950
Mo-Fr 9-17 Uhr