Labor Mehrkörpersimulation

Getriebegattung Galaxie

Nominierung beim Deutschen Zukunftspreis [...]

TVA Erlebnis Forschung

Die Mehrkörpersimulation (MKS) ist eine Methode der numerischen Simulation, bei der reale technische Systeme mit bewegten Bauteilen durch virtuelle Prototypen nachgebildet werden. Mit Hilfe der virtuellen Prototypen kann das Verhalten eines Produktes oder einer Maschine im Vorfeld ohne aufwendige und zum Teil langwierige Versuche mit teuren realen Prototypen alleine durch Simulationen vorhergesagt werden. Bei der Produktenwicklung kommen diese Vorhersagen dem immerwährenden Wunsch nach kürzeren Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Kostenreduzierung und Qualitätssteigerung entgegen. Deshalb wird die Mehrkörpersimulation häufig in der frühen Phase des Produktentstehungsprozesses, also in der Vor- und Serien-Entwicklung, angewandt. Meist werden dazu sogenannte Mehrkörpersimulations-Programme (MKS-Programme) eingesetzt. Diese Programme generieren auf Basis der virtuellen Modelle die zugehörigen Bewegungsgleichungen, führen die Simulationsrechnungen durch und stellen die Ergebnisse animiert oder in Form von Diagrammen dar. Die Ergebnisse erlauben es, das Bewegungsverhalten der Bauteile zu untersuchen und so die einwandfreie Funktion der Baugruppe vorab zu gewährleisten. Gleichzeitig lassen sich damit auch die Belastungen auf die Bauteile in verschiedenen Betriebszuständen bestimmen, die für deren optimale Gestaltung zwingend notwendig sind.

Auch bei der Fehleranalyse spielen MKS-Programme eine wichtige Rolle, um in der Realität vorhandene und schwer nachvollziehbare Probleme virtuell untersuchen zu können.
   
Da die MKS-Programme ständig verbessert und erweitert werden und gleichzeitig die verfügbare Rechnerleistung immer weiter steigt, ist es möglich immer umfangreichere und komplexere MKS-Modelle aufzubauen. So können beispielsweise heute ohne großen Aufwand statt starrer Körper auch flexible Bauteilen eingebunden werden, um den Einfluss der Bauteilnachgiebigkeiten untersuchen zu können. Dies kommt der Beantwortung vielfältigster Fragestellungen zum Produktverhalten durch Steigerung der Detaillierungstiefe des virtuellen Modells sehr entgegen. Allerdings erhöht sich dadurch der Modellierungs-, Verifikations- und Auswerteaufwand, der zum Teil nur durch Standardisierung und Automatisierung dieser Schritte schnell und vor allem fehlerfrei bewerkstelligt werden kann.

MKS-Modell einer McPherson-Radaufhängung in Adams/View
MKS-Modell einer McPherson-Radaufhängung in Adams/View

Das Labor für Mehrkörpersimulation an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg beschäftigt sich mit Problem- und Fragestellungen zur dynamischen Abbildung von Bewegungsabläufen und Maschinenfunktionen. Die Aufgaben unterteilen sich in forschungsorientierte Hochschulprojekte und praxisorientierte Industrieprojekte. Hierfür kommen die modernsten Software-Pakete der führenden Anbieter zum Einsatz.
Das Labor- und Kompetenzzentrum für Mehrkörpersimulation bietet folgende Dienstleistungen an:

  • Grund- und Weiterbildungskurse an der OTH Regensburg
  • Breites Angebot an Mehrkörpersimulations-Software mit umfangreichem Support zu den eingesetzten Programmen
  • Bearbeiten von multi-disziplinären Problemstellungen mit dem Schwerpunkt Mehrkörperdynamik
  • Einführung von MKS-Software in Unternehmen
  • Beratung bei Problemstellungen auf dem Gebiet der Mehrkörpersimulation
  • Benchmarks zu verschiedenen MKS-Programmen

Nachfolgende Projekte werden derzeit im Labor Mehrkörpersimulation bearbeitet:

Forschungs- und Entwicklungskooperation mit der Audi AG

Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsrahmenvertrags zwischen der AUDI AG und der OTH Regensburg zusammen mit dem Labor Mehrkörpersimulation der Fakultät Maschinenbau wird beispielweise ein Allradlenksystem mithilfe der Mehrkörpersimulation untersucht. Durch die Kooperation tauschen die AUDI AG und die OTH Regensburg ihr Know-how auf dem Gebiet der Simulation und Fahrdynamik aus.

Der Fahrsimulator ist ein aus Studienbeiträgen finanziertes und von der OTH Regensburg selbst entwickeltes Projekt. Mit Hilfe des Simulators kann dem Bediener sehr realistisch die Dynamik eines beliebigen Fahrzeugs vermittelt werden.

Der Simulator wird auf öffentlichen Veranstaltungen ausgestellt und kann dort von den Besuchern getestet werden. Es besteht auch die Möglichkeiten, diesen im Labor Mehrkörpersimulation zu besichtigen.

Das Projekt Modellfahrzeug wird seit dem Wintersemester 2009/2010 von Studierenden des Bachelor- und des Master-Studiengangs Maschinenbau (Mechanical Engineering) im Rahmen von Projektarbeiten und der Lehrveranstaltung „Forschungs- und Entwicklungsprojektarbeit“ bearbeitet.

MKS-Modell des Fahrzeugs in MSC Adams
MKS-Modell des Fahrzeugs in MSC Adams
Das Modellfahrzeug auf der Straße
Das Modellfahrzeug auf der Straße

Ziel dieses Projektes ist es, die Fahrdynamik eines virtuellen Modells mit unterschiedlichen Mehrkörpersimulationsprogrammen an die eines realen Modellfahrzeugs (Maßstab 1:5) anzupassen.
Hierzu werden mit dem realen Modell reproduzierbare Fahrversuche durchgeführt und die so gewonnenen Messdaten mit den Ergebnissen aus den Simulationen verglichen. Mithilfe des Berechnungsprogramms TMeasy von Prof. Dr. Georg Rill, welches die Reifenkräfte und Momente ermittelt, werden in den MKS-Programmen MSC.Adams, RecurDyn und SIMPACK sowie mit dem Berechnungsprogramm Matlab die Modelle validiert und verifiziert.

Mit dem Modellfahrzeug können beliebige Fahrversuche automatisiert durchgeführt und gleichzeitig neben den einzelnen Raddrehzahlen alle Beschleunigungswerte (Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigungen) messtechnisch erfasst werden.

Rechte Vorderachse des Modellfahrzeugs
Rechte Vorderachse des Modellfahrzeugs
Verkabelung der Messtechnik mit dem Ardurino-Board
Verkabelung der Messtechnik mit dem Ardurino-Board

Neu ist auch ein Tracking-System, das mithilfe einer Kamera die gefahrene Bahn des Modellfahrzeugs ermittelt. Dabei wird die Differenz zwischen den Kameraframes berechnet und daraus die Änderung der Fahrzeugposition ermittelt.

Neben den Fahrversuchen mit dem Modellfahrzeug wird an einer autonomen Kollisionserkennung gearbeitet. Diese schreitet dann ein, wenn der Fahrer nicht reagiert. Des Weiteren ist in das Modellfahrzeug ein ABS-System implementiert worden.


MKS-Modell einer Asphaltbaumaschine der Hamm AG mit flexiblen Körpern

MKS-Modell einer Asphaltbau-maschine der Hamm AG

MKS-Modell eines Galaxiegetriebes
MKS-Modell eines Galaxiegetriebes

Das Labor selbst verfügt über 6 leistungsstarke Workstations. Zudem wird u.a. die Laboreinrichtung des CAD/CAE Labors der OTH Regensburg als Hardware genutzt. Es kann somit auf ca. 60 leistungsfähige PCs zurückgegriffen werden.
Damit für jede Problemstellung eine optimale Lösung gefunden werden kann, verfügt das Labor über eine Vielzahl von Softwareprodukten die stets der aktuellsten Version entsprechen.

Die Rechner sind mit folgenden Softwarepaketen ausgestattet:

  • MSC Adams 
    MKS-Programm mit anwendungsbezogenen Zusatztools
    50 Volllizenzen (gestiftet von Maschinenfabrik Reinhausen, Regensburg)
  • RecurDyn
    MKS-Software mit Multi-Physics-Technology und Windows-Benutzeroberfläche
    25 Volllizenzen
  • SIMPACK
    MKS-Programm mit modernster Solvertechnologie
    15 Lizenzen
  • SAM
    Programm zur interaktiven kinematischen Optimierung von Mechanismen
  • ASOM7
    Auslegung und Optimierung von Mehrgelenksystemen
  • MatLab
    Allgemeine Berechnungssoftware
  • Mathcad
    Allgemeine Berechnungssoftware
  • KISSSOFT
    Berechnungssoftware für Maschinenelemente
  • Optimus Motus
    Optimierung und Gestaltung von Kurvengetrieben
  • emDesigner
    Konstruktionslösung für mechanische Kurvenscheiben
  • cymex
    Auslegung von kompletten Antriebsträngen zur Optimierung von Getriebe- und Motorparametern
  • MOCAD
    Bewegungsdesign und Kurvengetriebeberechnung

Mechanismenmodelle

Animierte Modellsammlung der OTH Regensburg von Maximilian Kreppold

Veröffentlichungen

Abschlussarbeiten

Bei Interesse an einer Bachelor- oder Masterarbeit im Bereich Mehrkörpersimulation, wenden Sie sich bitte an einen Mitarbeiter des Labors. Erste Infos finden Sie hier: