Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Multiphysikalische Systeme
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Multiphysikalische Systeme in Hubladern

Hublader als multiphysikalisches System

Wir simulieren und analysieren auch komplexe Kraft- und Steuerelemente mit hydraulischen, pneumatischen oder elektronischen Bauteilen.

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Modellierung, Simulation und Analyse von multiphysikalischen Systemen

Die Kenntnis der Schnittlasten an einem Bauteil ist eine grundlegende Voraussetzung, um dieses beanspruchungsgerecht dimensionieren zu können. In vielen Fällen ist die Mehrkörpersimulation (MKS), teilweise auch in Kombination mit der Methode der finiten Elemente (FEM), die einzige mit vertretbarem Aufwand anwendbare Methode, um diese zu ermitteln.

Je nach Anwendungsfall kann die Anregung des Systems z.B. durch Vorgabe bestimmter Bewegungsabläufe definiert sein oder die Anregungen werden aus Messdaten realer Fahrzeuge abgeleitet, um die unbekannten Größen zu berechnen.

Wichtig ist dabei, die wesentlichen Kraftkoppelelemente in ihren Eigenschaften ausreichend genau zu modellieren, weswegen z.B. im Nutzfahrzeugbereich der Modellierung von Luftfedern eine besondere Rolle zukommt.

Bauteilschnittlasten
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Bauteilschnittlasten

Herausforderung Gesamtmodell

Bei der Simulation größerer mechanischer Systeme, wie von Prüfständen oder kompletten Fahrzeugen, steht man vor der Problematik, nicht nur das Zusammenwirken von sehr vielen beweglichen Bauteilen, sondern auch das Verhalten von komplexen Kraftelementen oder sensorgestützten, aktiv rückkoppelnden Steuerelementen sinnvoll zu modellieren.

In der Praxis ergeben sich hierbei Grenzen aufgrund limitierter Zeit- und Hardwareressourcen und vor allem durch Parametrisierungsschwierigkeiten. Eine zentrale Herausforderung ist daher, das physikalisch »korrekte« Verhalten einzelner Komponenten kontrolliert auf das »wesentliche« Verhalten zu reduzieren, ohne dass die Voraussagekraft des Gesamtmodells darunter leidet.

Im Rahmen der weit verbreiteten Mehrkörpersystem-Modellierung (MKS-Modellierung) vernachlässigt man beispielsweise die elastische Biegefähigkeit der meisten Bauteile und ersetzt sie modellhaft durch starre, träge Massen, die über ideale Gelenke und Kraftelemente miteinander wechselwirken. Der dadurch entstandene Fehler muss gegebenenfalls durch eine geschickte Wahl von Modellparametern und nichtlinearen Kennlinien für Reibung, nachgiebige Lagerungen, Anschläge etc. kompensiert werden. Zentrale Bauteile können über die Technik der modalen MKS-FEM-Kopplung auch mit elastischen Freiheitsgraden im Gesamtmodell berücksichtigt werden.

Hinterachse
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Hinterachse

Komplexe Kraft- oder Steuerelemente besitzen darüber hinaus meist auch ausgeprägte Anteile aus physikalischen Domänen jenseits der Mechanik (Hydraulik, Pneumatik, Elektronik...). Spezielle Programme zur modularen bzw. eindimensionalen Systemsimulation erlauben nicht nur deren effiziente Implementierung mit hoher Flexibilität für den Detailgrad des resultierenden Teilmodells, sondern unterstützen auch das Einbinden ins mechatronische Gesamtmodell (Kosimulation).

Eine quantitative Modellierung erfordert zwingend den Abgleich mit entsprechenden direkten oder indirekten Messungen auf System- und Komponentenebene (Parametrisierung des Modells). Generell hängt daher die Voraussagekraft der Simulationsergebnisse nicht nur von den Details der Modellierung, sondern ebenso auch von der Qualität der Eingangsdaten (Messmethode, Abtastrate, Filterung...) ab.

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