Starrkörper-Mode
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: rigid body mode Kategorie: 
Level 3 Theorie Mechanik
Ein Starrkörper-Mode ist eine Bewegungsmöglichkeit des Modells bei einer dynamischen Simulation der Strukturmechanik (Strukturdynamik). Ein Starrkörper-Mode stellt eine Bewegung ohne Verformungen, Dehnungen und Spannungen dar. Das Bauteil bleibt in sich unverformt und verschiebt sich als Starrkörper.
Wenn die Lagerungen so festgelegt sind, dass keine statisch bestimmte Lagerung vorliegt, dann treten in den unbestimmten Richtungen Starrkörper-Moden auf.
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. Dann ergibt sich für einen Starrkörper-Mode eine Eigenfrequenz von Null (oftmals wird wegen des Näherungsverhaltens des Lösungsverfahrens eine Eigenfrequenz nahe Null ausgegeben).
Hierzu werden in den folgenden Beispielen einige praktische Hinweise gegeben.
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Beispiele
Fahrzeug PKW
Bei einem Fahrzeug wird im Alltag oft das gesamte System des Fahrzeugs zusammen mit den Reifen und der Verbindung zur Fahrbahn berechnet. Dieses gesamte System ist durch das Gewicht und mit der Reibung der Reifen auf der Fahrbahn statisch bestimmt, es sind bei der Modalanalyse keine Starrkörper-Moden zu erwarten.
Bei einer Modalanalyse des Fahrzeugs allein ohne die Verbindung zur Fahrbahn - also das virtuell frei schwebende Fahrzeug - kann der Einfluss der Reifen ausgeblendet werden. Man erhält damit theoretische Grenzwerte der Eigenfrequenzen. Dabei sind Starrkörper-Moden zu erwarten. Was sich hierbei als Starrkörper-Moden ergibt - also als Bewegungen ohne Verformungen, Dehnungen und Spannungen der Karosserie - , wird durch die Unebenheiten der Straße bestimmt, man bemerkt dies als Insasse des Fahrzeugs als Schwanken oder Schaukeln des Fahrzeugs (Frequenz ca. 2..5 s-1, Periode ca. 0,2..0,5 s). Diese Bewegungen werden im wesentlichen durch die Stoßdämpfer des Fahrwerks begrenzt.
Im Gegensatz dazu sind die Bewegungen, die mit Verformungen, Dehnungen und Spannungen der Karosserie einhergehen, als Vibration (also höherfrequent) zu spüren (Frequenz ca. 10..20 s-1, Periode ca. 0,05..0,1 s). Zum Beispiel kann man besonders in offenem Autos (Cabrios) auf unebener Straße den Torsions-Mode der Karosserie erkennen bzw. er-"fühlen". Diese Bewegung wird im wesentlichen durch Materialdämpfung in der Karosserie und Verschiebungen zwischen den Teilen der Karosserie gedämpft.
Flugzeug
Ein Flugzeug während des Fluges wird im wesentlichen über die umströmende Luft beeinflusst. Die Simulation berücksichtigt im allgemeinen die Interaktion zwischen der strömenden Luft (Fluid) und dem Flugzeug (Struktur) über Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Dies betrifft die Statik (also die Tragwirkung der Luft) und mögliche Flatter-Schwingungen.
Bei der Modalanalyse des Flugzeuges im Flugzustand ist der Einfluss der Luft gering wegen der geringen Masse. Das Modell umfasst daher das Flugzeug allein. Dieses Modell darf keine Festhaltungen (Randbedingungen) erhalten (frei-frei-Schwingung). Hierbei enthalten die numerischen Ergebnisse der Simulation als unterste Eigenfrequenzen (und zugehörige Eigenformen) Werte, die Starrkörper-Moden repräsentieren und keine Verformung des Flugzeuges in sich enthalten. Bewegungen, die diesen Moden entsprechen, sind durch Einflüsse der Luftströmung bestimmt, man bemerkt sie als Passagier als relativ langsame Bewegungen, vor denen oft vom Piloten vorgewarnt wird und durch die ein Kaffeebecher umkippen kann.
Im Gegensatz dazu sind die Bewegungen, die mit Verformungen, Dehnungen und Spannungen des Flugzeugrumpfes einhergehen, als Vibration (also höherfrequent) zu spüren. Als Passagier fühlt man sie als Zittern des Flugzeugs, im Kaffeebecher zeigen sich dabei meistens nur Wellen an der Oberfläche.
Schiff
Ein Schiff wird bei der Fahrt im wesentlichen durch das umgebende Wasser beeinflusst. Die Simulation berücksichtigt im allgemeinen die Interaktion zwischen dem Wasser (Fluid) und dem Schiffsrumpf (Struktur) über Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Dies betrifft bei einer statischen Simulation den Druck, den das Wasser auf die Bordwand ausübt (hierbei wirkt das Wasser auf die Struktur, während die umgekehrte Einwirkung der Struktur auf das Wasser unbedeutend ist). Bei einer dynamischen Simulation muss zusätzlich der Massenanteil des mitbewegten umgebenden Wassers berücksichtigt werden.
Starrkörper-Moden bei einem Schiff (die keine wesentlichen Verformung des Rumpfes enthalten) sind diejenigen Bewegungen, die mit den Fachausdrücken Wogen (Translation in Längsrichtung), Schwoien (Translation in Querrichtung) oder Tauchen (Translation in Vertikalrichtung) und Rollen (Rotation um die Längsachse), Stampfen (Rotation um die Querachse) oder Gieren (Rotation um die Vertikalachse) beschrieben werden. Wenn diese Bewegungen periodisch auftreten, dann sind dies keine Schwingungen des Schiffsrumpfes, sondern Bewegungen des Schiffsrumpfes als Starrkörper zusammen mit den mitbewegten umgebenden Wassermassen. Diese Bewegungen sind von den Wellen des Wassers abhängig und bei einem großen Schiff typischerweise niederfrequent (Frequenz ca. 0,1..0,5 s-1, Periode ca. 2..10 s).
Von einer Schwingung des Schiffsrumpfes (also eine Bewegung NICHT als Starrkörper, sondern eine periodische Verformung des Rumpfes in sich) wird gesprochen, wenn der Rumpf mit seinen Steifigkeiten und Massen gebogen oder verdreht wird. Dies sind Bewegungen, die bei einem großen Schiff höherfrequent (Frequenz ca. 2..5 s-1, Periode ca. 0,2..0,5 s) zu spüren sind.
