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Rechner und Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik Mehrkörpersimulation (MKS)

Rechner und Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik Mehrkörpersimulation (MKS). Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk. MKS in der Fahrzeugtechnik. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation -. Universität der Bundeswehr

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Rechner und Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik Mehrkörpersimulation (MKS)

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  1. Rechner und Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik Mehrkörpersimulation (MKS) Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS in derFahrzeugtechnik

  2. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Definition Mehrkörpersystem (MKS) Unter einem Mehrkörpersystem versteht man die Menge endlich vieler starrer Körper, die in einen dreidimensionalen euklidischen Anschauungsraum eingebettet sind und untereinander sowie mit einem nicht zum System zählenden Bezugskörper (Funda-ment) physikalisch und/oder geometrisch gekoppelt sind.

  3. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Bezeichnungen Übliche Bezeichnungen Mehrkörpersimulation / MKS Mehrmassensimulation Starrkörpersimulation Rigid Body Simulation Multibody Simulation

  4. 16. und 17. Jahrhundert: Grundlagen der Mechanik (Translation): - Galilei (1564-1642) - Newton (1643-1727) 18. Jahrhundert: Mechanik (Rotation) und Energetische Ansätze: - Euler (1707-1783) - D‘Alembert (1717-1783) - Lagrange (1736-1813) Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Historie I Historische Entwicklung

  5. 19. Jahrhundert - Wandel von der reinen Wissenschaft zur Technik - Verbesserung der “Verfahren” - Wenige praktische Anwendungen - Hauptinteresse galt der Kinematik Bis ca. 1960: Wenige praktische Anwendungen der MKS aufgrund der komplexen Mathematik. Einsatz von mechanischen Modellen zur Untersuchung dynamischer Systeme. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Historie II Historische Entwicklung

  6. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Historie III Historische Entwicklung Ab 1960: Renaissance der MKS: - Bedarf in der Luft- und insbesondere Raumfahrt - Einsatz schnellaufender Maschinen - Erster Einsatz von Digitalrechnern Zunächst: Entwicklung von speziellen Programmen für jede Problemstellung Später (Mitte der 70’er): Entwicklung von universellen Werkzeugen für verschiedenste Aufgabenstellungen

  7. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Geometrische Kopplung Geometrische Kopplung: Geometrische Kopplung bedeutet, daß geo- metrische Elemente der Körper (Punkt, Gerade, Ebene) stets zusammenfallen (ideale Gelenke). Beispiele: Kugelgelenk: Zwei Punkte der Körper fallen zusammen Schubgelenk: Zwei Achsen fallen zusammen (Drehachse) Topologisches Schema

  8. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Geometrische Kopplung Wirkungen der geometrischen Kopplung: Die geometrische Kopplung bestimmt dieKinematikdes Systems. Durch die geometrische Kopplung werden dieFreiheitsgradedes Systems festgelegt. Die geometrischen Kopplungen führen zuZwangskräften. Topologisches Schema

  9. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Physikalische Kopplung Physikalische Kopplung: Physikalische Kopplung bedeutet Beein-flussung des Bewegungszustandes durch eingeprägte(innereundäußere) Kräfte. Beispiele: - Federkräfte - Dämpferkräfte - Momente - Kraftfelder Die physikalische Kopplung wird im all-gemeinen über sog.Kraftkoppelelementerealisiert. Topologisches Schema

  10. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Berechnungsverfahren Berechnung von MKS-Systemen Wesentliche Teilaufgaben: 1. Aufstellender Bewegungsgleichungen 2.Lösender Bewegungsgleichungen

  11. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Aufstellen der Bewegungsgleichungen 1. Aufstellen der Bewegungsgleichungen Zwangsbedingungen (Gelenke)verkomplizierendas Aufstellen der Bewegungsgleichungen erheblich ! Lösungsansätze (Formalismen): - „Klassische“ Mechanik (Euler, Newton) - D‘Alembert - Lagrange Unterscheidung: - Numerische Verfahren - Symbolische Verfahren (Gleichungslöser)

  12. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Mechanische Grundlagen Newton Translation Rotation Drallsatz Impulssatz Drehimpuls (Vektor)

  13. Beschreibung der Raumlage überEulerwinkel Gierwinkel: Nickwinkel: Wankwinkel: Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Raumlage (Euler) Eulerwinkel aus Winkelgeschwindigkeiten und der Raumlage

  14. mit: Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Mechanische Grundlagen D‘Alembert-Prinzip Lagrangegleichung (1.Art) • Verschwinden der Arbeit der virtuellen Zwangskräfte • Eliminieren der Zwangskräfte

  15. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Lösen der Bewegungsgleichungen 2. Lösen der Bewegungsgleichungen Die Lösung der Bewegungsgleichungen erfolgt i.d.R. auf numerischem Weg ! • Numerische Integrationsverfahren: • - Einschrittverfahren (z.B. Euler, Runge-Kutta) • Mehrschrittverfahren ( z.B. Adams-Moulten) • Explorationsverfahren (Gear) Berechnungsaufwand: Durch eine Reduktion der Systemfreiheitsgrade (Symbolische Lösung) kann der Berechnungsaufwand der numerischen Lösung erheblich verringert werden.

  16. Modellkoordinaten (MC) Weltkoordinaten (WC) Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS mit reiner Kraftkopplung • Berechnungsschema: • Transformation der Modellkoordinaten und Geschwindigkeitsvektoren in das Weltkoordinatensystem • Bestimmung der Differenzvektoren zwischen Koppelpunkten (Abstand, Geschwindigkeit) • Berechnung der resultierenden Kräfte und Momente • Transformation der Kräfte und Momente in die Körperkoordinaten-systeme • Bestimmung der Körperbeschleu-nigungen aufgrund der angreifenden Kräfte und Momente (Rotatorisch und Translatorisch) • Numerische Integration der Beschleu-nigungen => neue Geschwindigkeiten und Raumlagen

  17. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Ergebnisse der MKS Grundlegende Möglichkeiten der MKS: Beschreibung dynamischer Systeme sowohl im Hinblick auf dieKinematikals auch auf dieDynamik: - Bewegungsanalysen, Bewegungsräume - Stabilitätsuntersuchungen - Kollisionsanalysen - Bestimmung dynamischer Kräfte - Bestimmung der kinematischer Größen

  18. Medizin Sport Luft- und Raumfahrt Maschinenbau Fahrzeugtechnik Antriebstechnik Fertigung/Produktion Mechatronik Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Anwendungsbereiche Anwendungsbereiche der MKS

  19. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS in der Luft- und Raumfahrt Raumfahrt Luftfahrt

  20. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS: Sonstige Anwendungen Medizin Sport

  21. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS im Maschinenbau Kettensäge Baggerschaufel

  22. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS in der Fertigungstechnik

  23. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS bei Schienenfahrzeugen

  24. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS in der Fahrzeugtechnik Vergleichsweise späte Anwendung in der Fahrzeugtechnik Gründe: - Nichtlineare Systeme (Feder, Dämpfer) - Komplexe Kinematik (Elastokinematik) - Etablierte Versuchstechnik (+ hohe Stückzahlen) - Vergleichsweise preisgünstige Realsysteme (Prototypen) - Komplexe Wechselwirkungen Reifen/Boden Eine exakte Abbildung der Wechselwirkungen Reifen-Fahrbahn ist für die Simulation der Fahrdynamik entscheidend !!

  25. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Wechselwirkung Reifen-Fahrbahn Ausgangsgrößen von Rad-Boden-Modellen für MKS: Minimal: Radlast - Einfederung Seitenführungskraft – Schräglaufwinkel (mit Radlasteinfluss) Umfangskraft – Schlupf (mit Radlasteinfluss) Rollwiderstand Handling: Reifenrückstellmoment – Schräglaufwinkel (mit Radlasteinfluss) Seitenführungskraft – Sturz (mit Radlasteinfluss) Einlaufverhalten (Reifendynamik) – Schräglaufwinkel-/Schlupfänd. Kopplung Seitenkraft – Umfangskraft (Schräglaufwinkel/Radlast) (Dynamischer Reifennachlauf – Schräglaufwinkel)

  26. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Wechselwirkung Reifen-Fahrbahn Eine Abbildung aller realen Reifeneigenschaften in einem einzigen Modell ist für die bisher MKS nicht gelungen • Unterscheidungskriterien • Mathematische Modelle (Kennlinien) - Physikalische Modelle • Handlingmodelle - Modelle für Fahrkomfort • Stationäre – dynamische Modelle (Anfahren, Einlaufverhalten) • Feste Fahrbahn – Nachgiebige Fahrbahn • Abbildung von Effekten • Kopplung Seitenkraft – Umfangskraft (Krempel-Diagramm) • Sturzeinfluss • Reifeninnendruck etc. • Berücksichtigung lokaler Reibbeiwerte

  27. SWIFT Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Wechselwirkung Reifen-Fahrbahn Physikalische Reifenmodelle: Nachbildung des physikalischen Reifenaufbaus in einem meist komplexen Ersatzmodell. Materialeigenschaften (Elastizitäten, Dämpfungs-eigenschaften, Massen etc. ) werden im Versuch bestimmt. • Vorteile: • Abbildung verschiedenen Reifen-Fahrbahn Paarungen • Abbildung unterschiedlicher Reifen • Abbildung spezieller Effekte (Kontaktproblem, weicher Boden, Reifendynamik, Profileinfluss, Akustik etc.) • Nachteile: • Schwierige Parametergewinnung • Hoher bis extremer Rechenaufwand • Abbildungsqualität (Quantität) oft nur mäßig FEM Modell

  28. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Kennlinienmodelle Mathematisch-empirische Reifenmodelle (Kennlinienmodelle): Approximation gemessener Reifeneigenschaften durch mathematische Funktionen (Blackbox). Ggf. werden zusätzlich auch physikalische Parameter berücksichtigt (z.B. Masse, Trägheitsmomente) • Vorteile: • Je nach Fitting gute bis hervorragende Abbildung der gemessenen Grössen • Meist geringer Rechenaufwand • Einfache Anwendbarkeit • Nachteile: • Hoher messtechnischer Aufwand • Oft schwierige Auswertung (Fitting) • Gilt nur für eine Paarung Reifen-Fahrbahn • Sehr begrenzte Anzahl an Ausgabewerten Seitenführungskraft Schräglauf-winkel (gemessen/nachgebildet)

  29. CTire Magic Formula -F -Fy -Fx Mz DTire Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Wichtige Modelle Reifen-Fahrbahn • Handlingmodelle: • Fiala • Smithers • Rill (Easy-to-use), Swift • Magic-Formula (MF-Tyre) • Komfortmodelle • C-Tyre (2-D) • D-Tyre (3-D) • Nachgiebiger Boden • physikalische-empirische Modelle meist nach dem Ansatz von BEKKER Für Kette-Fahrbahn/Boden und Reifen-Boden existieren bis heute keine etablierten Standard-Modelle

  30. Magic Formula -F -Fy -Fx Mz Stationäre Reifeneigenschaften SWIFT Fitting Instationäre Reifeneigenschaften Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Kombinationsmodelle

  31. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk MKS in der Fahrzeugtechnik • Untersuchung von Systemkomponenten • Achsen (Elastokinematik, Lasten) • Antriebsstrang (Motor) • Federn, Dämpfer • Lenkung • Untersuchung des Gesamtsystems • Fahrsicherheit (Lenken, Bremsen) • Fahrdynamik (Fahrstabilität) • Komfort • Reglerauslegung (ABS, ASR, ESP ...) • Optimierung von Komponenten (Reifen, Achsen, Lenkung) • Ermittlung dynamischer Lasten (auch für FEM)

  32. Starrachse McPherson Querlenker Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Achsauslegung Achsauslegung

  33. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Achskinematik - Elastokinematik

  34. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Lenkauslegung Lenkung und Antrieb Lenkung Antriebsstrang

  35. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Antrieb Antrieb Schaltgetriebe Steuerkette

  36. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Fahrdynamik Fahrdynamik Komplexer Kurs Fahrstabilität

  37. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Vertikaldynamik Vertikaldynamik Luftfederung Schlagloch Bodenwelle

  38. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Querdynamik Querdynamik Stabilität Einfacher Fahrspurwechsel

  39. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Längsdynamik Längsdynamik Bremsverlauf (ADAMS)

  40. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Längsdynamik Fahrdynamik „Normale“ Bremsung Bremsung m-Split

  41. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Fahrsicherheit Fahrsicherheit - Insassenschutz Kollision mit Fußgänger

  42. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Aktuelle Entwicklungen / Trends Aktuelle Entwicklungen ... und Trends

  43. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Nutzung von Templates Dämpfer Reifen Motorlagerung Bushing

  44. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Nachbildung von Prüfständen Simulation eines Schwingungsprüfstandes

  45. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Abbildung von Subsystemen Regelung Elastizitäten Hydraulik

  46. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Modellverfeinerung Fahrwerk Motor Antriebsstrang Aufbau • - Federn / Dämpfer • Lenkung • Bremsen • ... • - Ventile • Nockenwelle • Steuerkette • ... • - Getriebe • Kupplung • Differentiale • ... • - Karosserie • Sitze • Airbag • ...

  47. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Sonderfahrzeuge Sonderfahrzeuge Panzer Schneemobil

  48. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk Kommerzielle Programme Kommerzielle Programme MESA VERDE DADS

  49. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk ADAMS

  50. Simulationsmethoden in der Fahrzeugtechnik - Mehrkörpersimulation - Universität der Bundeswehr Hamburg FAHRZEUGTECHNIK Prof. Dr.-Ing. M. Meywerk ADAMS – Ablauf der Simulation Simulation (Solver) Preprocessing Postprocessing

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