Schnellere Marktreife und optimierte Produkte durch virtuelle MKS-Prototypen

Wenn ein Produkt aus mehreren diskreten, starren Körper besteht, die sich berühren, aneinanderstoßen oder beispielsweise über Gelenke, Federn oder Dämpfer gekoppelt sind, spricht man von einem Mehrkörpersystem. Im Rahmen der Produktentwicklung ist es von großer Bedeutung, wie sich die einzelnen Komponenten im Zusammenspiel verhalten und welche Wechselwirkungen dabei entstehen.

Die Analyse mittels physischer Prototypen nimmt viel Zeit in Anspruch und verursacht hohe Kosten. Mehrkörpersimulation macht es möglich, solche mechanischen oder mechatronischen Systeme als virtuelle Modelle abzubilden. Auch innerhalb der Systeme auftretende Kräfte, Bewegungen und Schwinggrößen können berechnet werden. MKS liefert sehr genaue Ergebnisse in relativ kurzer Berechnungszeit. Durch den virtuellen Vergleich verschiedenster Varianten kann nicht nur die Produktqualität verbessert, sondern auch die Entwicklungszeit wesentlich verkürzt werden.

Wenn Sie keine eigene Simulationsabteilung haben oder besonders große und komplexe CAE-Projekte aus Kapazitätsgründen auslagern möchten, unterstützen wir Sie als auf Simulation spezialisiertes Ingenieurbüro über die gesamte Prozesskette hinweg oder durch die Übernahme von Einzelaufgaben. Außerdem beraten wir Sie gerne beim Erarbeiten und Etablieren eigener Simulationsprozesse.

Mit SIMULIA Simpack setzen wir für unsere Mehrkörpersimulationen die weltweit führende Softwarein diesem Bereich ein. Da wir als offizieller Vertriebspartner von Dassault Systèmes eng mit dem Entwickler zusammenarbeiten, verwenden wir immer die neuste Version und haben Zugriff auf alle aktuellen Module. Unsere leistungsstarke IT-Infrastruktur ermöglicht es uns, eine Vielzahl von Varianten in kürzester Zeit zu berechnen. Bei Bedarf kombinieren wir MKS häufig mit weiteren Simulationsverfahren wie der Finite-Elemente-Methode. Durch die Vielseitigkeit unseres Hauses können wir auf Wunsch ergänzend außerdem auch Messungen zur Validierung der virtuellen Ergebnisse durchführen.

 

Optimierte Bewegungsabläufe durch Auslegung der Kinematik

Von der einfachen Radaufhängung bis hin zur Roboter-Delta-Kinematik und anderen High-Tech-Produkten – der Bewegungsablauf von kinematischen Systemen kann bereits in den frühen Entwicklungsphasen anhand von einem virtuellen MKS-Modell analysiert werden. So kann eine Vielzahl verschiedener Kinematiken in kurzer Rechenzeit getestet und miteinander verglichen werden. Die Produkte können damit beispielsweise hinsichtlich Effizienz, Lebensdauer sowie Produktions- und Wartungskosten optimiert werden.

Der Fokus der kinematischen Analyse liegt darauf, die Bewegung selbst zu untersuchen und zu optimieren. Verformungen des Körpers selbst werden in dieser Voranalyse üblicherweise noch nicht berücksichtigt, können aber im späteren Entwicklungsschritt Dynamik untersucht werden.

Durch die Analyse der Bauteildynamik im Hinblick auf Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung können kritische Betriebszustände identifiziert werden. Mit diesem Wissen können entweder die Betriebsparameter oder aber die Kinematik entsprechend angepasst werden, um eine zu hohe Belastung zu vermeiden und Schäden so vorzubeugen.

Komplexe Bewegungsabläufe durch die Integration von flexiblen Körpern realistisch abbilden

Um das Bauteilverhalten exakt abbilden und effektiv optimieren zu können, ist es in einigen Fällen notwendig, die strukturelle Elastizität zu berücksichtigen. Darunter fallen beispielsweise Kontaktprobleme und akustische Probleme. Über die rein kinematische Simulation hinaus wird hier auch das dynamische Verhalten der Gesamtstruktur an Hand von einem virtuellen 3D-Modell analysiert. Die Anzahl der aufwändigen und teuren physischen Versuche kann somit deutlich reduziert werden. Das ist insbesondere dann relevant, wenn die Inbetriebnahme des gesamten Systems unter Last erst beim Endkunden möglich ist.

Um die Elastizität von Wellen, Zahnrädern oder komplexen Bauteilen wie Rotorblättern zu berücksichtigen, werden flexible Körper in das Modell integriert. Je nach Anforderung kann der Detaillierungsgrad dabei variieren: Von einfachen elastischen Elementen wie Federn oder Dämpfern über vereinfachte Kontaktmodelle bis hin zur vollständigen Integration von elastischen Bauteilen. Hierfür wird das MKS-Modell mit einer FEM-Simulation gekoppelt. Zuvor mit SIMULIA Abaqus, ANSYS oder NASTRAN berechnete Einzelkomponenten können direkt integriert werden.

Durch nachgelagerte Analysen, beispielsweise hinsichtlich Lebensdauer oder Akustik, kann die Produktqualität noch weiter verbessert werden.

Typische Anwendungen in diesem Bereich sind:

  • die Analyse von Torsionsschwingungen in Antrieben,
  • die Analyse der Auswirkungen von Spielen und andere fertigungsbedingten Toleranzen,
  • die Analyse der Ausbreitungspfade von Vibrationen in Maschinen,
  • die Identifikation schwingungsgefährdeter Bauteile/Baugruppen in der Entwicklung sowie
  • das virtuelle Testen von verschiedenen Abhilfemaßnahmen.

Getriebe von Beginn an optimiert konstruieren

Egal wo ein Getriebe eingesetzt wird, das Ziel ist es immer, dass es schwingungsfrei, zuverlässig und leise läuft. Schon kleine Störungen machen sich häufig lautstark bemerkbar und können erhebliche Ertragsverluste und hohen Verschleiß nach sich ziehen.

Prototypenversuche auf einem Prüfstand liefern häufig nur Erkenntnisse zur Performance unter Idealbedingungen. Zudem ist es zeitaufwendig und kostenintensiv, verschiedene Varianten zu testen und miteinander zu vergleichen. Durch den frühzeitigen Einsatz von Simulation im Entwicklungsprozess kann die Leistung unter verschiedensten Betriebsbedingungen untersucht und von Beginn an optimiert werden. Außerdem können kritische Betriebsbereiche erkannt und gezielt vermieden werden.

In der Regel ist es nicht ausreichend, alle Komponenten einzeln zu betrachten und auszulegen. Um ein optimal funktionierendes System zu entwickeln und somit das Potenzial vollständig ausschöpfen zu können, muss vielmehr das Zusammenspiel der Bauteile betrachtet werden. Daher eignet sich insbesondere für die Getriebeentwicklung und -optimierung die Mehrkörpersimulation. Soll auch die Elastizität der Komponenten berücksichtigt werden, können zusätzlich FEM-Berechnungen mit einbezogen werden.

Unser Leistungsportfolio im Bereich Getriebe:

  • Berechnung und Optimierung der Kraftverteilung im Getriebe
  • Optimierung und Modifikation der Getriebeverzahnung
  • Identifikation schwingungsgefährdeter Bauteile
  • Berechnung von Kräfte- und Momentenverlauf
  • Analyse der Getriebe-Betriebsschwingungen und Simulation von Abhilfemaßnahmen
  • Visualisierung der Trajektorie
  • Stabilitätsuntersuchungen (Eigenwertanalyse)
  • Hochlauf- und Resonanzanalyse (Campbell-Diagramm)

Für Mehrkörpersimulationen von Getrieben setzen wir mit SIMULIA Simpack eine hochprofessionelle und leistungsstarke Software mit spezialisierten Modulen wie Gear Pair ein.

Bessere Züge durch virtuelle Testfahrten mit MKS-Modellen

Die Idealvorstellung vom Bahnfahren? Schnell, leise, komfortabel, zuverlässig. Damit der Fahrgast so wenig wie möglich vom rauen Fahrtwind außerhalb des Wagons mitbekommt oder aber beispielsweise Güter über viele Nutzungsjahre hinweg sicher ihr Ziel erreichen, muss lange bevor der Zug auf die Schienen kommt, viel Entwicklungsarbeit geleistet werden. Neben Komfort spielen dabei auch Sicherheit, Verschleiß- und Lärmreduktion eine zentrale Rolle.

Mit Hilfe von Mehrkörpersimulation können neue Wagenkonzepte für den modernen und effizienten Schienenverkehr optimal entwickelt werden. Durch virtuelle Testfahrten können aufwendige Versuche mit physischen Prototypen eingespart werden. Anhand von einem exakten MKS-Modell von Lokomotive, Wagon und Drehgestell können zahlreiche Einsatzszenarien wie zum Beispiel eine Weichenüberfahrt unter verschiedensten Fahrbedingungen sehr effizient simuliert werden. Parallel zur Analyse der Fahrdynamik können so auch die Fahrwerksparameter optimiert und der Schienenverschleiß untersucht werden. Selbst fahrtechnische Nachweise können anhand des Simulationsmodells erbracht werden.

Unser Leistungsportfolio im Bereich Rail

Fahrtechnische Simulation

Simulation für die Bestimmung der fahrtechnischen Eigenschaften von Eisenbahnfahrzeugen nach DIN EN 14363:

  • Simulation von Streckenfahrversuchen
  • Beurteilung des dynamischen Fahrverhaltens
  • Sicherheit gegen Entgleisen
  • Bewertung der Fahrzeugstabilität durch Kraft- und Schwingungsanalyse
Fahrkomfort

Bewertung und Optimierung des Fahrkomforts im Innenraum (Fahrgäste, Lokführer, Personal) nach DIN EN 12299

Lichtraum-Profil & FahrzeugbegrenzungSimulation des Lichtraum-Profils zur Planung und Festlegung der Fahrzeugbegrenzung nach DIN EN 15273 (EBO, BOStrab, betriebsinterne Richtlinien)

Rad-Schiene-Kontakt

Simulation und Optimierung des Rad-Schiene-Kontakt zur

  • Bewertung des Verschleißes an Bahn und Schiene
  • Optimierung des Fahrwerks zur Reduktion des Verschleißes
FestigkeitsnachweisFestigkeitsnachweis für Komponenten und Bauteilanalyse für optimales und sicheres Design
Seitenwind/Windkennkurven

Berechnung von Windkennkurven nach RIL807.04, EN 14067-6 und TSI HS RST

Beratung für den Seitenwindnachweis von Personenfahrzeugen

Erstellung von Gutachten für den Seitenwindnachweis von Personenfahrzeugen
z. B. nach RIL 807.04, EN 14067-6 oder TSI HS RST

Unfallursachenanalyse

Unfallanalyse durch Simulation und Erstellung von Gutachten
InfrastrukturSimulation von Weichen und Oberbau in Verbindung mit Fahrzeugdynamik

Bei unseren Dienstleistungen in der Schienenfahrzeugtechnik kooperieren wir mit der Firma Simtes. Insbesondere für zulassungsrelevante Simulationen, die Berechnung von Windkennkurven, Seitenwindnachweisen und der Erstellung von Gutachten greifen wir auf die Expertise von Prof. Rolf Naumann und Firma Simtes zurück.

Noise, Vibration, Harshness (NVH) – Unerwünschte Schwingungen und Lärm effektiv mindern

Maschinen verursachen Schwingungen und Lärm – in der Regel unerwünscht, aber oftmals unvermeidlich. Diese Emissionen werden häufig unter der Bezeichnung NVH – Noise, Vibration Harshness – zusammengefasst und können nicht nur im Hinblick auf die gesetzlichen Schutzvorschriften für Arbeitnehmer, sondern auch in Bezug auf Produktqualität und Lebensdauer der Maschine zum Problem werden. Durch das stetige Streben nach mehr Effizienz und die damit einhergehende höhere Auslastung wird die Thematik NVH immer relevanter.

Mit Hilfe von numerischer Simulation kann anhand des Körperschalls, also anhand der Strukturschwingungen, das vibroakustische Verhalten präzise analysiert und verbessert werden. Im Vergleich zu Tests mit physischen Prototypen können so nicht nur Zeit und Kosten eingespart, sondern auch genauere Ergebnisse erzielt und mehr Varianten getestet werden. Auf Basis der Ergebnisse können im Anschluss effektive Schwingungs- und Schallminimierungsmaßnahmen entwickelt werden.

Der Einsatz von (vibro-)akustischer Berechnung ermöglicht

  • die Identifikation der schallabstrahlenden Bauteile,
  • die Bewertung von Modellvarianten zur Designoptimierung,
  • die Prüfung und Auslegung von Minderungsmaßnahmen sowie
  • die Optimierung des Betriebsverhaltens.

Grundsätzlich ist die Thematik NVH in nahezu allen Branchen relevant. Typische Einsatzfelder für Simulationen in diesem Bereich sind Antriebstechnik und Maschinenbau. Als anschauliches Beispiel sind in der Windenergie insbesondere Tonalitäten, also einzelne Frequenzen, die innerhalb eines Geräuschs als Töne zu hören sind, problematisch. Diese werden mit einem Zuschlag auf den Gesamt-Schallleistungspegel bestraft und führen somit häufig zu Ertragseinbußen.

Unser Leistungsportfolio im Bereich Akustik am Beispiel einer Windenergieanlage:

  • Elastische Modellierung der beteiligten Bauteile
  • Simulation des Körperschalls und des Abstrahlverhaltens
  • Anschließende Simulation des Luftschalls durch Modellierung und Berechnung der Luftelemente
  • Extrapolation auf Referenzpunkt und Bewertung der Einflüsse auf den Gesamtschallpegel

Kontaktieren Sie mich gerne persönlich

________

Ich unterstütze Sie gerne bei numerischen und Mehrkörpersimulationen und berate Sie beim Erarbeiten, Optimieren und Automatisieren Ihrer Simulationsprozesse.

Dr.-Ing. Manuel Eckstein – Wölfel-Gruppe

Dr.-Ing. Manuel Eckstein
CAE Dienstleistung

+49 931 49708290
eckstein@woelfel.de
Formular