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Der Ingenieur und sein Denkmodell: Tobias Vonstein forscht an „Elastischer Mehrkörpersimulation“.   Quelle: FH Südwestfalen, Christian Klett
Der Ingenieur und sein Denkmodell: Tobias Vonstein forscht an „Elastischer Mehrkörpersimulation“. Quelle: FH Südwestfalen, Christian Klett(Download )
Anwendungsbeispiel: Triebsatzwelle einer dieselhydraulischen Lokomotive im Mehrkörpersimulations-Verbund mit Rädern und Bremsscheiben Quelle: FH Südwestfalen, Tobias Vonstein
Anwendungsbeispiel: Triebsatzwelle einer dieselhydraulischen Lokomotive im Mehrkörpersimulations-Verbund mit Rädern und Bremsscheiben Quelle: FH Südwestfalen, Tobias Vonstein(Download )
12.04.2016

Bewegte Bauteile simultan berechnet

Tobias Vonstein promoviert zum Thema „Elastische Mehrkörpersimulation“

Meschede. Mehrkörpersysteme – so bezeichnet man im Maschinenbau zum Beispiel Fahrwerke oder Werkzeugmaschinen. Mehrere Körper oder auch Bauteile sind über Gelenke verbunden und in Bewegung. Will man die Verformungen und Belastungen in einem solchen System untersuchen, kann man einen gut ausgestatteten Computer schon mal eine Woche rechnen lassen. „Zu rechenintensiv“, meint Diplom-Ingenieur Tobias Vonstein von der Fachhochschule Südwestfalen. Ändern will er das mit einer Forschungsarbeit zur Methode der „Elastischen Mehrkörpersimulation“.

Bislang setzt man zwei Verfahren zur Berechnung der Bauteile in Mehrkörpersystemen ein. Mit der „Finite Elemente-Methode“ können einzelne Bauteile elastisch simuliert werden. Berechnet wird dann zum Beispiel die Druckbelastung in einem Fräskopf oder einer Fahrzeugachse. In Mehrkörpersimulationen simuliert man hingegen starre Körper ohne Verformung. Also zum Beispiel, wie sich die Bauteile einer Fünfachs-Fräse oder eines Fahrwerks zueinander in Bewegung verhalten. „Bauteile an sich werden heute aus Effizienzgründen aber immer leichter und schlanker konstruiert, die Verformungen einzelner Körper werden immer größer“, erklärt Vonstein. Er arbeitet deshalb an einer Methode, elastische Verformungen auch in Mehrkörpersimulationen zu berücksichtigen.

Elastische Mehrkörpersimulationen finden konkret in der Herstellung von Werkzeugmaschinen Anwendung, beispielsweise bei Präzisionsfräsmaschinen. „Bisher hat man die Ergebnisse der beiden sequentiellen Analysen immer im Nachhinein zusammengefügt“, meint der Ingenieur. „Die Herausforderung ist es, sie in einer ganzheitlichen Simulationsumgebung zusammenzubringen“. Die mathematische Schwierigkeit liegt dabei darin, die Mehrkörpersimulation mit der Finite Elemente-Methode zu kombinieren.

Vonstein promoviert mit dem Thema an der Technischen Universität Dresden, sein Doktorvater ist Prof. Dr. Michael Beitelschmidt. Die Doktorarbeit baut auf seiner Diplomarbeit auf, die er im Fernstudium ebenfalls in Dresden geschrieben hat und die mit dem Förderpreis des Vereins Deutscher Ingenieure im Bezirk Dresden prämiert wurde. In Meschede hat er vorher sein Bachelorstudium im Maschinenbau absolviert. Seit 2009 arbeitet er hier als wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Dr. Uwe Riedel im Labor für Technische Mechanik und Simulation. Numerische Simulationen hat er hier kennengelernt und setzt sie täglich in seiner Arbeit ein. „Mich reizt der konstruktive Maschinenbau“, sagt Vonstein. Auch oder vielleicht gerade dann, wenn er rechenintensiv ist.    

Hintergrund:

Die Forschungsarbeit ist Teil des kooperativen Projekts „Aufbau eines Schwerpunkts für Technologietransfer auf dem Gebiet der elastischen Mehrkörpersimulation“ mit dem Institut für Festkörpermechanik der Technischen Universität Dresden. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Simulationsumgebung für die elastische Mehrkörpersimulation. Die Forschungsergebnisse sollen über den Forschungstransfer aber auch der regionalen Industrie zu Gute kommen.

Zudem können Studierende der Fachhochschule Südwestfalen die Erkenntnisse aus dem Kooperationsprojekt nutzen. Aktuell bearbeiten Studierende Teilprojekte in ihren Projekt- und Abschlussarbeiten. Das Forschungsthema trifft auch auf internationales Interesse. Im Oktober 2015 konnten die Projektpartner auf der Konferenz der „National Agency for Finite Element Methods and Standards“ in Turin erste Ergebnisse präsentieren.