Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellbildung und Simulation des Schwingungsverhaltens mobiler Arbeitsmaschinen unter Berücksichtigung der Tragwerkselastizitäten

Das dynamische Systemverhalten stellt ein wichtiges Kriterium bei der Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen dar. Hierbei kann zwischen hochfrequenten Vibrationen, die maßgeblich für die Schwingungsexposition auf den Bediener und damit für dessen Komfortempfinden verantwortlich sind, und niederfrequenten Schwingungen mit großen Amplituden, die zu Positionierungenauigkeiten der Arbeitsausrüstung bzw. des Werkzeugs führen, unterschieden werden. Für die realitätsnahe Abbildung der Maschinendynamik durch die Mehrkörpersimulation, im Speziellen durch flexible Mehrkörpersysteme, sind geeignete Modellierungsansätze zwingend notwendig. Bei deren Erarbeitung und Umsetzung sehen sich vor allem KMU oft mit dem Problem konfrontiert, dass für die Beantwortung einzelner technischer Fragestellungen keine allgemeingültige Modellierungs- und Auswertestrategie existiert, was häufig problemangepasste Vorgehensweisen notwendig macht. Mit ihrer Vielzahl unterschiedlicher Maschinentypen erfordern insbesondere mobile Arbeitsmaschinen problemangepasste Methoden.

Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorgängervorhabens VIBROSIM (IGF-Nr. 17027 BR) wird weiterführend die Simulation von schwingungsfähigen Baumaschinen unter Berücksichtigung der Tragwerkselastizitäten vertieft, um einen ganzheitlichen Ansatz zur Beschreibung des dynamischen Übertragungsverhaltens zu entwickeln. Aus ingenieurtechnischer Sicht bedarf es dazu eines methodischen Lösungsansatzes für die Implementierung flexibler Körper in der Mehrkörpersimulation.

Der Einsatz des entwickelten methodischen Ansatzes in der Ingenieurspraxis kann ferner nur dann gewährleistet werden, wenn eine anwenderfreundliche Aufbereitung der Methode erfolgt. Aus diesem Grund steht im Ergebnis des Vorhabens ein umfassender Leitfaden für die entwicklungs- und konstruktionsbegleitende praktische Anwendung der geschaffenen Methodik zur Verfügung, der insbesondere den in diesem Bereich tätigen KMU von Nutzen sein wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde eine Methodik entwickelt und validiert, welche neue Möglichkeiten eröffnet, das Schwingungsverhalten mobiler Arbeitsmaschinen unter Berücksichtigung der Tragwerkselastizitäten abzubilden. Für die Modellierung hochfrequenter Schwingungen wird eine Tandemvibrationswalze untersucht, bei welcher der Vorder- und Hinterwagen als flexible Körper modelliert wurden. Die niederfrequenten Anregungsfrequenzen wurden an einem Hubsteiger untersucht. Für die Vibrationswalze konnte eine gute Übereinstimmung der auftretenden Frequenzen und des Beschleunigungsverhaltens erreicht werden. Mit dem entwickelten elastischen MKS-Modell konnte gezielt die Beanspruchung des Bedieners und der Maschine untersucht werden. Die Validierungsphase des Hubsteigermodells hat die Tauglichkeit dieser Methodik für lange schlanke Auslegerstrukturen aufgezeigt. Mit dem entwickelten Schubgelenkmodell in Kombination mit flexiblen Körpern ist auch für diese Anwendung ein Werkzeug entstanden, welches in einem frühen Entwicklungsstadium das Schwingungsübertragungsverhalten von Baumaschinen abbildet und so den Entwicklungsprozess nachhaltig unterstützt.

Die Methodik wurde in einem Leitfaden zusammengefasst und steht dem projektbegleitenden Ausschuss zur Verfügung. Die MKS-Modelle wurden in Dymola umgesetzt. Diese Modelle sind ebenso in der nichtproprietären MKS-Software OpenModelica nutzbar, womit der Anwenderkreis erweitert werden kann. Die entwickelten Bibliotheken zum Schubgelenk und zu den flexiblen Körpern sind ebenso frei verfügbar. Für die Übergabe der Modelle und/oder die Umsetzung des Leitfadens bzw. der Methodik werden Workshops angeboten bzw. wurden Workshops bereits durchgeführt.

Zusammenfassung erzielte Ergebnisse:

1. Methodik zum Import flexibler Körper in ein MKS-Programm

2. Entwicklung von Programmbibliotheken für flexible Körper und Schubgelenke (Open Source)

3. Validierte Modelle (MKS) von Tandemvibrationswalze und Hubsteiger

4. Anwenderleitfaden