Labor Mehrkörpersimulation

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.

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:

• Erstellen eines digitalen Zwillings einer Doppelschlagverlitzmaschine in Kooperation mit der Niehoff GmbH & Co. KG

• Untersuchungen im Bereich Fahrzeugdynamik

• Standardisierung von Reibwerten in MKS-Programmen
• Riemen- und Energiekettensimulation
• Fahrwerksentwicklung in Kooperation mit der AUDI AG (Spektrum 2/16, S. 31)

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.

• Artikel aus dem Hochschulmagazin Spektrum

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.

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.

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.

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