Kinematikanalysen / Mehrkörpersimulationen (MKS)

In der Produktentwicklung von bewegten Systemen kann die Lastbestimmung zur Auslegung von Einzelkomponenten teilweise sehr komplex sein. Dies kann an der Vielzahl der zu berechnenden Lastfällen oder komplizierten kinematischen Zusammenhängen liegen.

Mit Hilfe einer Kinematikanalyse können bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium am PC die sich im Betrieb einstellenden Lasten bestimmt werden. Die Kinematiken können hinsichtlich Kollisionen und der auftretenden Kräfte und Momente untersucht und optimiert werden. Bei der Verwendung von flexiblen Bauteilen in der Simulation können die sich einstellenden Spannungen und Verformungen direkt bestimmt und ausgewertet werden.

Nachfolgend sind die wichtigsten Simulationsmöglichkeiten aufgeführt:

Starre Kinematiken

Die Berechnung eines System mit starren Kinematiken stellt die einfachste Form der Kinematikanalyse dac. HIerbei werden die einzelnen Komponenten als Starrkörper berücksichtigt. Den Körpern werden die Schwerpunktslage sowie die Masse- und Trägheitseigenschaften zugewiesen. An den Kinematikpunkten werden Gelenke definiert, die die Komponenten mit definierten Freiheitsgraden verbinden. Als Lasten können in der Berechnung z.B. Bewegungen, Kräfte oder Beschleunigungen aufgegeben werden. Als Ergebnis erhält man verschiedene Antwortgrößen über der Zeit, z.B. Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Kraft.

Diese Ergebnisse können dann als Lasten in einer Festigkeitsberechnung verwendet werden.

Flexible Kinematiken

Die Steifigkeiten von einzelnen Komponenten eines Kinematiksystems können großen Einfluss auf die Ergebnisse haben, zum Teil sogar entscheidend für die Funktionsweise des Systems sein. Um die Steifigkeiten in der Simulation zu berücksichtigen, werden die relevanten Komponenten als flexible Bauteile definiert. Die Verwendung von flexiblen Bauteilen in der Kinematiksimulation ist bei statisch überbestimmt gelagerten Systemen notwendig.

Als Ergebnis erhält man neben den in den starren Kinematiken genannten Ergebnissen noch zusätzlich die Spannungen und Dehnungen über die Zeit. Diese können dann direkt hinsichtlich der statischen und dynamischen Festigkeit ausgewertet werden.

Cosimulation

Mit Hilfe einer sogenannten Cosimulation kann die Interaktion zwischen einer Steuerung (z.B. SPS) und der Mechanik simuliert werden. In einem Systemsimulator, z.B. Matlab/Simulink, wird die Steuerung abgebildet. Die Eingangs- und Ausgangskanäle der Steuerung werden mit dem Simulationsmodell direkt gekoppelt. Die Steuerung liefert dann die Regelsignale an das Mehrkörpersimulationsmodell und bewegt so die Komponenten. Die resultierenden Bewegungen (Wege, Geschwindigkeitun und Beschleunigungen) werden an die virtuelle Steuerung zurückgegeben. Ziel einer solchen Analyse ist neben dem Abbliden der Kinematik eine Optimierung der Steuerungsparameter, ohne dass es schon einen realen Prototyp gibt. Dadurch kann die reale Inbetriebnahme drastisch beschleungigt werden.

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