Im Laborblock dynamische Simulation soll der Unterschied zwischen statischer und dynamischer Simulation erarbeitet werden. Der wesentliche Unterschied dabei ist, dass bei der dynamischen Simulation die Belastung eine zeitabhängige Größe ist.

 

In diesem Laborblock wird das, in der Automobilindustrie weit verbreitete, Mehrkörper­system (MKS) Simulationsprogramm MSC.ADAMS verwendet. Die klassische MKS Simulation bildet die reale Welt idealisiert als ein mechanisches System von starren Körpern, Gelenken und Kraftelementen ab. Sie erlaubt statische, quasi-statische und dynamische Untersuchungen von 3-dimensionalen mechanischen Systemen. Als Ergebnis stehen Lagegrößen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Kräfte, sowie benutzerdefinierte Routinen zur Verfügung. Um die Details der realen Welt besser abzubilden wird die klassische MKS oft mit anderen Simulationsverfahren (z.B. FEM: Finite Elemente Methode, CFD: computational fluid dynamics – numerische Strömungs­mechanik, ...) kombiniert. Im speziellen sei hier die modale Reduktion von flexiblen Strukturen (im Gegensatz zu den starren Körpern in der klassischen MKS) erwähnt. Dabei wird in einem ersten Schritt der flexible Körper mittels FEM modal reduziert (d.h. die Anzahl der Freiheitsgrade wird auf eine beherrschbare Anzahl von Schwingungsformen reduziert) und anschließend in das MKS- Modell eingebaut.

Typische Anwendungsgebiete der MKS sind die Bewegungsanalyse von komplexen kinematischen Systemen (z.B. Robotik, Simulation von Fahrdynamik, Komfort, Reifen,, ...), die Bereitstellung dynamischer Lastannahmen für die FEM und die Ermittlung dyna­mischer Bauteilbelastungen (z.B. Simulation von Motoren, Getriebe, Kettentriebe, …).

Anhand eines Modells des Einmassenschwingers erlernt man den Umgang mit dem Programm MSC.ADAMS. Dabei werden die Kenntnisse der erregten Schwingung nochmals aufgefrischt. Der Einmassenschwinger wird mit einer Schwingung konstanter Amplitude und veränderlicher Frequenz angeregt (siehe Diagramm 1 in einmassenschwinger.ppt). Die zugehörige Systemantwort (gleiche Amplitude bei geringer Frequenz, hohe Amplitude bei Resonanzfrequenz und niedrige Amplitude bei hoher Frequenz) ist in Diagramm 2 (einmassenschwinger.ppt) dargestellt. Die folgende Animation veranschaulicht diese Schwingung nochmals (siehe Einmassenschwinger.avi).

Danach werden am Beispiel eines einfachen Einzylindermotors (siehe einzylinder.ppt) die Möglichkeiten der Modellierung im Bereich dynamische Bauteilbelastungen für Kurbelwelle / Pleuel erörtert.

Abschliessend zeigen die Animationen die praktische (industrielle) Anwendung dieser Methode anhand eines V8- Motors. Deutlich zu erkennen ist, dass sich die flexible Kurbelwelle zufolge der Zünddrücke deformiert (skaliert dargestellt). Aus diesen Verformungen der Kurbelwelle resultieren Spannungen in den Radien der Lagerstellen (höchstbelastete Bereiche der Kurbelwelle). Um mögliche Schwachstellen in der Konstruktion zu erkennen wird im Anschluss eine Betriebsfestigkeitsuntersuchung durchgeführt welche Aufschluss über die Bauteillebens­dauer gibt.