Mehrkörpersimulation

Dise Seite gibt einen Überblick über die aktuellen Forschungsprojekte im Bereich Mehrkörpersimulation.



Charakterisierung des Einflusses mechanischer Fügeverbindungen auf das Dämpfungsverhalten zusammengesetzter Tragwerkstrukturen

Fachwerk-Turm eines Windturbines

Fachwerk-Tragstrukturen von maschinen- oder stahlbaulichen Baugruppen müssen aus funktionaler Sicht einerseits statisch und ermüdungsgerecht ausgelegt werden. Andererseits müssen sie vermehrt auch definierte dynamische Eigenschaften aufweisen, welche durch modale Größen (Eigenfrequenzen, Dämpfung) charakterisiert sind.

Das grundsätzliche Ziel ist es, die im Betriebsbereich auftretenden Anregungsfrequenzen bei der Konstruktion der Tragstruktur zu berücksichtigen. Dies erfolgt konstruktiv durch eine Vermeidung oder Dämpfung von Resonanzeffekten. Die Dämpfung der Schwingform führt unmittelbar zu einer reduzierten Spannungsschwingbreite in den Baugruppen, sodass das in der Konstruktion anzusetzende Belastungskollektiv günstiger ausfällt.

Bei Fachwerk-Tragstrukturen erfolgt die Beeinflussung der Dämpfung zum einen durch die Anzahl der eingebrachten Fügestellen. Zum anderen ist die Ausführung der Fügestelle, unter Berücksichtigung der Flächenpressung, der Benetzung der Oberfläche mit viskosen Medien sowie der Oberflächengüte (geschliffen, gefräst, etc.) von entscheidender Bedeutung.

Ziel der Untersuchung ist es einen Zusammenhang zwischen globalem dynamischem Verhalten und lokalen Eigenschaften einer Fügestelle herzustellen.

Dementsprechend werden zwei Forschungsziele verfolgt:

  1. Experimentelle und numerische Charakterisierung der lokalen Eigenschaften von scherbeanspruchten mechanischen Fügeverbindungen unter der Berücksichtigung maßgeblicher stahlbaulicher Verbindungsparameter.
  2. Bewertung der Auswirkungen der lokalen Fügestelleneigenschaften auf das gesamtdynamische Verhalten von gefügten stahlbaulicher Fachwerktragstrukturen.

Forschungspartner ist die Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock.

Projektlaufzeit gemäß Zuwendungsbescheid: 01/17 - 12/18

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Evelyn Winter

In Kooperation mit

Fraunhofer IGP

 

 

Gefördert durch

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Verbundvorhaben "Handhabungssystem für die automatisierte kaltplastische Umformung"

Teilprojekt "HakU - Inv: Inverse Vorsteuerung"

Das Verbundvorhaben „HakU - Handhabungssystem für die automatisierte kaltplastische Umformung“ zwischen der Ostseestaal GmbH & Co. KG, dem Fraunhofer IGP und dem Lehrstuhl für Technische Mechanik/Dynamik behandelt die Entwicklung eines automatisierten Handhabungssystems für einen derzeit rein manuell gesteuerten Umformprozess. Die kaltplastische Umformung als Biegeumformung wird bei der Fa. Ostseestaal durch eine Schiffbaupresse mit Schwert und Matrize realisiert. Aus der manuellen Steuerung dieser kaltplastischen Umformung ergibt sich eine Vielzahl an Problemen hinsichtlich der Genauigkeit und der wirtschaftlichen Effizienz.

Das Teilprojekt "HakU - Inv" beschäftigt sich mit einem mathematischen Modell zur inversen Vorsteuerung des Handhabungssystems. Aus den Erfahrungen des Lehrstuhls mit CABLEV und aus der Analyse der bestehenden Umformanlage ergeben sich zwei relevante Problemstellungen:

  1. Die an vier Kettenzügen gelagerte Platte ist in ihrer Lage nicht vollständig geometrisch definiert (kinematisch unbestimmte Lastführung), wodurch aufgrund der Massenträgheit der Platte unerwünschte Pendelschwingungen auftreten.
  2. Infolge der eigenen Gewichtskräfte kommt es zu einer elastischen Durchbiegung der an den vier Kettenzügen gelagerten Platte. Die automatisierte Antriebssteuerung muss daher die elastische Durchbiegung bei der Positionierung durch Anpassen der Kettenlängen berücksichtigen.

Ansprechpartner

In Kooperation mit

Fraunhofer IGP
Ostseestaal

 

Gefördert durch

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DynAwind²

Windenergieanlagen werden in der Regel auf eine Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren ausgelegt. Die Auslegung der mechanischen Struktur auf diese Referenzlebensdauer erfolgt standortspezifisch. Die Standorte werden durch die Zertifizierungsrichtlinien allerdings nur grob hinsichtlich der dort zu erwartenden Belastungen klassifiziert. In der Folge können die tatsächlichen Beanspruchungen der Anlagen geringer sein als bei der Planung angenommen. Aus diesem Grund sind in vielen Windenergieanlagen auch nach Ende der Referenzlebensdauer strukturelle Reserven vorhanden. Das bedeutet, dass ein Rückbau der Anlagen nach Ende der Referenzlebensdauer weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll ist. Zum jetzigen Zeitpunkt werden Windenergieanlagen zurückgebaut, die unter bestimmten Umständen noch einige Jahre hätten stehen bleiben und elektrische Energie erzeugen können.

WEA

Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel des Vorhabens, eine individuelle Lebensdauer der mechanischen Strukturen einer WEA zu ermitteln. Dazu ist zunächst die Erfassung der tatsächlichen Beanspruchungsgeschichte der WEA-Tragstruktur im laufenden Anlagenbetrieb notwendig. Eine direkte Messung der Beanspruchungen einer Windenergieanlage im Betrieb ist dabei nur an zugänglichen Stellen und durch äußerst hohen messtechnischen Aufwand möglich. In diesem Zusammenhang sinnvoller ist die indirekte Ableitung der zyklischen Beanspruchungen aus messtechnisch verhältnismäßig leicht zu erfassenden Bewegungsgrößen der WEA. Der funktionale Zusammenhang zwischen den Messgrößen und den Beanspruchungen muss dabei über geeignete numerische Strukturmodelle ermittelt werden. Aus den während der Betriebszeit der WEA ermittelten zyklischen Beanspruchungen können an die jeweilige Beanspruchungsgeschichte angepasste Lebensdauerprognosen abgeleitet werden. Aus der Differenz von individueller Lebensdauerprognose und Referenzlebensdauer ergibt sich dann die über die Referenzlebensdauer hinaus nutzbare Lebensdauerreserve.

In Kooperation mit

W2E Wind to Energy GmbH

WINDnovation Engineering Solutions GmbH

Technischer Überwachungs-Verein NORD EnSys Hannover GmbH & Co. KG

Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH

Universität Rostock:
MSF - Lehrstuhl für Strukturmechanik

 

 

Gefördert durch:

BMWi







Hybride Kontaktberechnung

Robuste und zuverlässige Algorithmen zur Berechnung mechanischer Kontakte in Mehrkörpersystemen (MKS) sind immer noch Gegenstand aktueller Forschung. Einsatzgebiete dieser Algorithmen sind neben den typischen Reifen-Fahrbahn- und Rad-Schiene-Kontakten, sowie den klassischen Zahnradkontakten aus der Getriebetechnik auch zunehmend Kontaktberechnungen in der Biomechanik. Hierzu zählen neben den Kontakten zwischen menschlichen Körpern und Fahrzeugen aus der Unfallsimulation, sowie Gang- und Laufzyklusanalysen, auch Kontakte in menschlichen Großgelenken, wie Knie- und Hüftgelenken.

Zur Berücksichtigung von elastischem Kontakt in Mehrkörpersystemen haben sich bislang zwei Methoden in speziellen Bereichen durchgesetzt. So können die Deformationen am Kontakt beteiligter Körper auf Grundlage modal reduzierter Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle) in der MKS-Umgebung berücksichtigt werden. Diese Methode gibt lokale Spannungsüberhöhungen – wie sie bei Hertz’schem Kontakt auftreten – allerdings nur in sehr grober Näherung wieder. Dagegen erlaubt die vollständige Co-Simulation von MKS- und FE-Routinen zwar eine sehr genaue Berechnung von Kontaktspannungen und -deformationen, allerdings zu dem Nachteil sehr großer Rechenzeiten für fein vernetzte Modelle.

Um die genannten Schwierigkeiten zu umgehen, wurde am als alternative Methode die Co-Simulation eines kommerziellen MKS-Programms mit einer selbstgeschriebenen Randelemente-Routine (BE-Routine) entwickelt. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der drastischen Reduktion der Freiheitsgrade, da – anders als bei der FE-Methode – nur die Oberfläche und nicht das gesamte Volumen der Körper vernetzt werden muss. Zudem basiert die BE-Methode auf einer gemischten Formulierung, bei der sowohl das Verschiebungs- als auch Spannungsfeld unabhängig voneinander für alle Elemente interpoliert wird. Dadurch können Spannungskonzentrationen mit hoher Güte reproduziert werden.

Größter Nachteil dieser Methode ist die dichtbesetzte Koeffizientenmatrix des resultierenden linearen Gleichungssystems. Zur Lösung müssen direkte Methoden wie das Gauß’sche Eliminationsverfahren bzw. die LU-Zerlegung herangezogen werden. Zudem muss die Koeffizientenmatrix voll abgespeichert werden. Beides begrenzt die praktische Anwendung der hybriden Kontaktberechnung momentan auf kleinere Systeme.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte betreffen daher in erster Linie die Implementierung effizienter Algorithmen zur Ausweitung auf größere Modelle. Dies umfasst die

  • Implementierung geeigneter Methoden zur Schrittweitensteuerung in dem kommerziellen MKS-Programmpaket MSC Adams auf Basis von Algorithmen zur Kollisionserkennung
  • Implementierung schneller Randelementemethoden (FastBEM) zur Minimierung des Berechnungs- und Speicheraufwandes, z.B. auf Basis der Adaptive Cross Approximation (ACA)
  • Erarbeitung geeigneter Parallelisierungsroutinen zur weiteren Beschleunigung der Kontaktberechnungen