Starrkörper
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: rigid body Kategorie: 
Level 2 Theorie Mechanik
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Starrkörper
Inhaltsverzeichnis |
Simulation
Der Begriff des Starrkörpers wird in der Simulation für Bauteile oder Teile von Bauteilen verwendet, deren Steifigkeit sehr groß ist und die in der Simulation als völlig starr angesehen werden.
Der Begriff entstammt dem Umfeld der Strukturmechanik, sinngemäß ist dieser Begriff aber auch auf andere Simulationen (Temperaturfeld, Magnetfeld,..) anwendbar. Generell ist es ein Verhalten des Bauteils, in dem sich die Werte der aktuellen Freiheitsgrade der Simulation nicht ändern:
- in der Strukturmechanik verschiebt sich das Bauteil ohne Verformungen (starr),
- im Temperaturfeld wird das gesamte Bauteil gleichmäßig warm oder kalt,
usw.
Bei Anwendungen der Mehrkörpersimulation (MKS) werden oftmals die Bauteile als Starrkörper modelliert und das Hauptziel der Berechnung auf die Kinematik - also den gemeinsamen Bewegungsablauf - gerichtet.
Bei Anwendungen der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden meistens nur Bauteile mit untergeordneter Bedeutung (Auflager, Stoßkörper) als Starrkörper modelliert.
Starrkörper und Randbedingungen
In der Strukturmechanik erlebt man oft ungewollt Starrkörper-Bewegungen. Dies passiert immer dann, wenn die Randbedingungen nicht ausreichend für eine statisch bestimmte Lagerung des Bauteils gewählt wurden. Im allgemeinen werden einige Freiheitsgrade des Bauteils festgehalten und so dafür gesorgt, dass eine ausreichende Lagerung vorliegt. Bei der Lösung der FEM-Simulation wird dies durch die Zahlenwerte der Matrizen festgestellt. Im allgemeinen werden trotzdem Ergebnisse produziert. Sie enthalten aber für ein statisch unterbestimmtes oder ein statisch unbestimmtes Bauteil "künstliche" Festhaltungen. In mechanischer Hinsicht kann sich ein solches Bauteil frei und ohne Widerstand in eine oder mehrere Richtungen verschieben, ohne dass es dabei verformt wird (also als Starrkörper). Dies ist meistens nicht gewollt. Verwenden Sie die "Daumenregel"
- für 2-dimensionale Bauteile der Strukturmechanik: mindestens 3 Freiheitsgrade müssen fixiert sein und
- für 3-dimensionale Bauteile der Strukturmechanik: mindestens 6 Freiheitsgrade müssen fixiert sein,
- für Temperaturfeld: mindestens 1 Freiheitsgrad muss fixiert sein.
Strukturdynamik
Bei dynamischen Simulationen der Strukturmechanik (Strukturdynamik) sind oftmals Modelle ohne Festhaltungen zu berechnen. Wenn auch in einer statischen Simulation eine Starrkörperbewegung meistens ungewollt auftritt, ist in einer dynamischen Simulation der Strukturmechanik oft mit dem Verhalten des Bauteils als Starrkörper umzugehen. Besonders in Modalanalysen treten solche Fälle auf. In diesen Fällen wird oft von Starrkörper-Moden gesprochen. Dort werden in Beispielen einige praktische Hinweise gegeben.
Tips und Tricks
Bei der Erstellung von Simulationsmodellen - insbesondere wenn CAD-Daten zugrunde liegen - müssen alle separaten Teile des Bauteils miteinander in Verbindung gebracht werden (zum Beispiel über Kontakt-Bedingungen) oder statisch ausreichende Lagerungen. Um dies zu prüfen, kann eine Modalanalyse durchgeführt werden. Teile des Modells, die nicht ausreichend gehalten sind, liefern dabei Starrkörper-Moden (also Null-Eigenwerte/-Eigenfrequenzen).
Wenn statisch ausreichende Lagerungen nicht vorliegen, kann theoretisch eine statische Simulation nicht durchgeführt werden. Moderne Software stellt diese Bedingung fest, meldet dies zum Beispiel wie hier gezeigt
und sieht selbsttätig eine angemessene Lösung vor. Dazu kann eine Anzahl von sehr weichen Federn eingesetzt werden, die das Modell zwar statisch im Raum halten (und damit die theoretische Bedingung der Lagerung erfüllen), die aber keine nennenswerten Reaktionskräfte ergeben (und damit in technischer Hinsicht nicht das Ergebnis beeinträchtigen).
Insbesondere bei Verwendung von Kontakt kann es eine solche Starrkörper-Meldung geben. Denn der Kontakt stellt eine Randbedingung dar, wenn die Kontaktpartner anliegen. Wenn aber der Kontakt öffnet (sich also die Kontaktseiten voneinander lösen), besteht keine Verbindung mehr. Dadurch kann eine bisher wirksame Festhaltung wegfallen und ein Kontaktpartner statisch unbestimmt gelagert sein. Auf der Seite zu Grundlagen von Kontakt finden Sie eine ausführliche Beschreibung eines solchen Falles.
