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Simulation Vibrationen mit Adaptronik den Schwung nehmen

Adaptronische Systeme können die Schwingungen wirksam reduzieren. Fraunhofer-Forscher haben ein Simulationswerkzeug entwickelt, mit dem diese Systeme effizient ausgelegt werden können.

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Mit Adaptronik gegen Schwingungen: Fraunhofer-Forscher haben eine Simulation für die Auslegung adaptronischer Systeme auf der SMM 2016 vorgestellt.
Mit Adaptronik gegen Schwingungen: Fraunhofer-Forscher haben eine Simulation für die Auslegung adaptronischer Systeme auf der SMM 2016 vorgestellt.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Langsam legt das Containerschiff vom Kai ab. Im Innern wummern die Diesel-Zweitakt-Motoren. 60.000 kW Leistung bringen alles zum Schwingen: Die Anschlüsse am Motor, die Hochdruckleitungen für Treibstoff und Schmieröl, den Antriebsstrang, Treppen, Stufen, Boden und Decken aus Stahl – einfach alles. Die Schwingungen übertragen sich auf den gesamten Schiffskörper. „Ein massives Problem: Die Vibrationen stören nicht nur, sie schädigen auch wichtige Bauteile des Schiffs“, sagt Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt, Wissenschaftler am Fraunhofer LBF in Darmstadt. Dieses Problem besteht aber nicht nur bei Schiffen – ungewollte Schwingungen führen zum Beispiel auch bei Maschinen und Anlagen zu kostspieligen Ausfällen, wenn Bauteile den Belastungen nicht mehr stand halten.

Schwingungsminderung am Computer simulieren

Abhilfe können hier adaptronische Systeme schaffen: Sie helfen, die Schwingungen zu reduzieren. Das Fraunhofer LBF hat eine Simulationssoftware programmiert, mit deren Hilfe diese Systeme effizient entwickelt werden können: Die Mechanical Simulation Toolbox. „Erstmals ist eine Simulationssoftware für adaptronische Systeme verfügbar. Bislang existiert für derartige Systeme kein durchgängiger Entwicklungsprozess. Entsprechende Software gibt es bislang nur als Insellösungen“, so Atzrodt.

Mit Hilfe der Software lassen sich passive und adaptronische Systeme zur Schwingungsminderung am Computer simulieren. Bei passiven Systemen wird keine zusätzliche elektrische Energie eingeleitet. Sie wirken alleine durch ihren Aufbau. Federn und zusätzliche Massen beispielsweise reduzieren die Schwingungen von Brücken, Motoren- oder Getriebelagern, indem sie die Übertragungspfade modifizieren. „Diesen Systemen sind jedoch gerade für mobile Anwendungen Grenzen gesetzt, da sie hier nicht beliebig groß und schwer werden dürfen“, erklärt Atzrodt. Dann kommen adaptronische Systeme ins Spiel.

Drei Toolboxen ergänzen Matlab/Simulink

Diese Bauteile wandeln zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um und wirken so aktiv den Schwingungen entgegen. Dadurch sind sie trotz geringerem Gewicht und geringerer Größe leistungsfähiger. Die Toolbox des Fraunhofer LBF simuliert das schwingende sowie das benötigte adaptronische System. Das virtuelle System kann angefangen beim einfachen Modell später komplex aufgebaut werden.

Insgesamt sind drei Toolboxen verfügbar, die für Matlab/Simulink geschrieben wurden und diese Programme sinnvoll erweitern sollen. Somit stehen dem Anwender alle Möglichkeiten von Matlab/Simulink zur Verfügung und zusätzlich die Blöcke und Funktionen der Mechanical Simulation Toolbox. So ergibt sich laut Atzrodt in der Kombination eine gute Möglichkeit, die Simulationsstrategie zur Auslegung von passiven und aktiven Maßnahmen umzusetzen, denn adaptronische Systeme können Schritt für Schritt einfach am Rechner entworfen werden. „Das spart Zeit und Kosten für teure Prototypen. Systeme können gleich von Anfang an optimal ausgelegt werden“, nennt Atzrodt als Vorteile. Dabei ist die Simulationsumgebung nicht auf die Schifffahrt beschränkt. „Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen entstehen“, so Atzrodt.

Die Software besteht aus den drei Paketen:

  • Structure and Vibration: Die Structure and Vibration Toolbox wurde zur Auslegung und Analyse von passiven Maßnahmen zur Schwingungsminderung erstellt. In der Kombination mit der Toolbox Smart Structure können semi-aktive und aktive Systeme abgebildet werden.
  • Ansys-Matlab Interface: Die Ansys-Matlab Interface Toolbox verknüpft die Möglichkeiten des FE-Tools Ansys mit Matlab/Simulink. Mit der Toolbox können auf verschiedenen Weisen Ansys-Modelle reduziert und Co-Simulationen umgesetzt werden.
  • Smart Structures: Mit der Smart Structures Toolbox wird die Structure and Vibration Toolbox um die Möglichkeit der Simulation semi-aktiver und aktiver Systemen ergänzt. Die Toolbox erscheint in den nächsten Monaten.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

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