Simulation von Mehrkörpersystemen oder: Immer schneller, immer genauer, immer realistischer



Simulation: Ein falsches
Fahrmanöver bei überhöhter
Geschwindigkeit bringt einen LKW
zum Kippen. Hier spielen die
Kräfte zwischen Reifen und
Straße eine wichtige Rolle.
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Um ein System wie ein Auto, einen Waggon oder ein Flugzeug richtig auszulegen, wird heute sehr häufig die Mehrkörpersimulation eingesetzt: Das reale System wird am Computer durch einzelne Teile, nämlich Körper, Federn oder Dämpfer, die miteinander verbunden sind, nachgebaut. Auf die einzelnen Körper wirken Kräfte, durch die die Körper bewegt werden; umgekehrt hängen diese Kräfte von der Lage und der Geschwindigkeit der Körper zueinander ab. Aus diesem Wechselspiel ergibt sich das Bewegungsverhalten des Systems. Die Gleichungen, die dieses Bewegungsverhalten beschreiben, erzeugt der Computer automatisch aus dem Aufbau des Systems; durch die Lösung dieser Gleichungen kann er vorausberechnen, wie sich das System bewegen wird.

Simulation: Bei einem Unfall verringern günstig geformte Fahrzeugteile die Verletzungsgefahr für den Menschen erheblich. Für eine solche Berechnung wird eine Modellierung der Kontaktmechanik für den Aufprall benötigt.
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Das am DLR entwickelte Programm SIMPACK ist ein solches Mehrkörper-Simulationsprogramm: Man kann fast beliebige Konfigurationen von Systemen eingeben. Außerdem kann man fast beliebige Gesetzmäßigkeiten für Kräfte einstellen, von sehr einfachen Formeln wie Federn bis hin zu komplizierten Zusammenhängen, die zum Beispiel beim Kontakt zwischen Reifen und Straße oder zwischen Eisenbahnrad und Schiene auftreten. Da dieses Programm im Grunde nichts anderes tut, als aus den Bewegungen der einzelnen Körper Kräfte und aus diesen Kräften wiederum Bewegungen der Körper auszurechnen, kann man damit fast alles berechnen, was sich bewegt, wenn man nur die Zusammenhänge zwischen den Bewegungen und den Kräften kennt.

Grundsätzlich erfüllt eine brauchbare Simulation zwei Anforderungen:

  • Sie muss genau genug sein, d.h. das, was man ausrechnet, sollte der Realität möglichst genau entsprechen.
  • Sie muss möglichst schnell sein. (Die Forschung im Bereich der Fahrzeug-Systemdynamik befasst sich mit der Weiterentwicklung der Mehrkörpersimulation für diese Kriterien.)

Um die Simulation noch genauer zu machen, werden neue Beschreibungen für physikalische Effekte entwickelt, zum Beispiel aerodynamische Kräfte durch Luftströmungen, wie sie bei Flugzeugen, aber auch bei schnell fahrenden Zügen auftreten, oder Kräfte, die bei Rädern wirken, die nicht auf einer befestigten Straße, sondern auf weichem Boden wie etwa einer Wiese rollen, oder Körper, die sich in sich selbst verformen wie beispielsweise Eisenbahnräder unter Belastung.

Simulation: Hochgeschwindigkeitszüge sind gegenüber Luftkräften, die durch Seitenwind oder Zugbegegnung entstehen, sehr empfindlich. In ungünstigen Fällen kann es sogar zu Entgleisung kommen. Die Kopplung unterschiedlicher Simulationen, z.B. Mehrkörper- oder Strömungssimulationen, ermöglicht die Abschätzung solcher Risiken. Im Bild: rot: hoher Überdruck, gelb: geringer Überdruck, grün: neutral, blau: Unterdruck (Sog)

Um die Simulation schneller zu machen, werden neue Berechnungsmethoden entwickelt. Die Gleichungen, die im Simulationsprogramm gelöst werden müssen, sind häufig so kompliziert, dass man sie nur iterativ, also durch "Ausprobieren" und schrittweise Verbesserung des Ergebnisses lösen kann. Hierfür werden neue Methoden und Algorithmen entwickelt, die auch komplizierte mathematische Probleme schnell, aber trotzdem genau und zuverlässig lösen können.

Simulation: Die Elastizität von Radsätzen wirkt sich auf das Laufverhalten von Schienenfahrzeugen aus. Die Berücksichtigung der Strukturelastizität von Körpern ist ein aktueller Trend in der Mehrkörpersimulation, der durch leistungsfähigere Rechner möglich geworden ist.
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Die Weiterentwicklung der Simulation ermöglicht eine immer realistischere Voraussage, wie sich eine Maschine oder ein Fahrzeug verhalten wird. Damit wiederum gelingt es, Maschinen und Fahrzeuge, noch bevor man sie baut, auf Schwachstellen und Fehler hin zu überprüfen und sie so immer sicherer, zuverlässiger und leistungsfähiger zu machen.


Kontakt
Ingo Kaiser
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik
, Fahrzeug-Systemdynamik
Tel: +49 8153 28-2409

Fax: +49 8153 28-1441

E-Mail: Ingo.Kaiser@dlr.de
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