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Definition Was ist eigentlich Mehrkörpersimulation?

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Kinematische Systeme sind Bestandteil unseres täglichen Lebens. Sie reichen von einfachen Pendeln bis zu kompletten Fahrzeugen. Mit der Mehrkörpersimulation kann der Bewegungsablauf solcher Systeme analysiert werden. Wie das funktioniert.

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Die Mehrkörpersimulation ist eine Methode der numerischen Simulation, bei der reale Mehrkörpersysteme durch mehrere unverformbare Körper abgebildet werden.
Die Mehrkörpersimulation ist eine Methode der numerischen Simulation, bei der reale Mehrkörpersysteme durch mehrere unverformbare Körper abgebildet werden.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Eine Mehrkörpersimulation (MKS) ist immer dann die richtige Simulation, wenn mehrere mechanische Bauteile aufeinander einwirken, also ein Mehrkörpersystem per Simulation zu berechnen ist. dynamische Reaktion vorherzusagen und die Leistung von beweglichen Produkten

Was ist Mehrkörpersimulation?

In vielen technischen Anwendungen ist es notwendig, das dynamische Zusammenspiel zahlreicher über Koppelelemente verbundener Komponenten zu untersuchen. Diese sogenannten Mehrkörpersysteme bestehen in einfachen Fällen aus starren Körpern, die über Gelenke, Federn, Dämpfer oder Kontaktbedingungen verbunden sind. Wird eine Baugruppe mit mehreren Bauteilen belastet, kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bauteilen. Mit Hilfe der Mehrkörpersimulation können die resultierenden Belastungen im Mehrkörpersystem ermittelt werden und somit einzelne Bauteile dimensioniert oder ganze Antriebe ausgelegt werden, wie etwa bei einer Getriebeberechnung.

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.

Das technische System wird in ein physikalisch-mathematisches Modell überführt. Die Bewegungen der Modellbestandteile werden anschließend durch Differentialgleichungen beschrieben. Die Lösung der Gleichungen erfolgt numerisch. Die Simulation liefert schließlich Ergebnisse über Kräfte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Kontakte der Körper.

MKS ist grobe Vereinfachung der Realität

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.

Lesetipp

Das Whitepaper Effiziente Getriebeentwicklung mit Mehrkörpersimulation erklärt an einem Praxisbeispiel, wie mit Mehrkörpersimulation Getriebe kosteneffizient entwickelt werden können.

Um diese Mehrkörpersysteme zu untersuchen, werden spezielle MKS-Programme eingesetzt, die eine Berechnung des Strukturverhaltens im Zeitbereich ermöglichen. Die Mehrkörpersimulation ist eine sehr grobe Vereinfachung der realen Welt. Um ein System detaillierter und genauer abzubilden, wird das Verfahren daher oft mit anderen Simulationsverfahren kombiniert. Aktuell wachsen FEM und Mehrkörpersimulation zunehmend zusammen.

Vorteile der Mehrkörpersimulation

  • Durch die Berücksichtigung realistischer, bewegungsinduzierter Belastungen und Umweltauswirkungen können Produktentwickler darauf vertrauen, dass ihre Produkte, wenn sie hergestellt und betrieben werden, zuverlässig funktionieren, den Haltbarkeitsanforderungen entsprechen und nicht übermäßig vibrieren oder wegen Materialermüdung ausfallen.
  • Die Simulation von Mehrkörpersystemen bietet zudem die Möglichkeit, schnell unterschiedliche Kinematiken zu testen und optimierte Lösungen zu finden. Anhand der Mehrkörpersimulation können auch Körperschallpegel von periodisch arbeitenden Maschinen ermittelt und optimiert werden.
  • Warum MKS, wenn die Gelenke schon im CAD-System definiert wurden?
  • Selbst wenn die Gelenke bereits im CAD-System definiert wurden und die Bewegungen stimmen, sind die kinetischen Eigenschaften wie Kräfte und Momente noch nicht abgesichert.
  • Bei Starrkörpern benötigen MKS-Solver im Vergleich zu einer FEM-Analyse in der Regel nur sehr kurze Rechenzeit für dynamische Aufgaben.

Wo Mehrkörpersimulation eingesetzt wird

  • Bewegungsanalyse von komplexen kinematischen Systemen, etwa Antrieben oder Getriebesystemen
  • Ermittlung dynamischer Bauteilbelastungen, beispielsweise Fahrzeugdynamik
  • Bereitstellung dynamischer Lastannahmen für die FEM
  • Lokalisierung von Konstruktionsdefiziten existierender Maschinen
  • Realisierung des Virtual Prototyping

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