Spezialisierte Simulationssoftware für komplexe Baggerkinematiken und mechanische Gelenksysteme
Leistungsfähige Engineering-Software auf Basis der Mehrkörpersimulation
DIGertis ist eine von simertis entwickelte Spezialsoftware zur Modellierung, Simulation und systematischen Analyse der Arbeitsausrüstung von Hydraulikbaggern sowie vergleichbarer komplexer Gelenksysteme.
DIGertis wurde als anwendungsspezifisches Plug-in für MSC Adams entwickelt. Ähnlich wie spezialisierte Adams-Erweiterungen, beispielsweise Adams/Car, nutzt DIGertis die leistungsfähige Modellierungs-, Simulations- und Solver-Technologie des bestehenden Mehrkörpersimulationssystems und ergänzt diese um branchenspezifische Funktionen.
Hierzu gehören eine auf die Anforderungen der Baggerentwicklung abgestimmte Benutzeroberfläche, die automatisierte Generierung parametrischer Simulationsmodelle, spezielle Berechnungsverfahren sowie eine weitgehend automatisierte Auswertung der Ergebnisse.
Ein wesentliches Entwicklungsziel bestand darin, anspruchsvolle Simulationsmethoden für Ingenieure und Konstrukteure nutzbar zu machen, ohne dass diese selbst über spezielle Kenntnisse der Mehrkörpersimulation verfügen müssen.
DIGertis ermöglicht die Untersuchung von Arbeitsräumen, Grabkräften, Hubkapazitäten und der Standsicherheit unterschiedlicher Baggerkonfigurationen. Die weitgehend automatisierte Modellierung, Berechnung und Auswertung reduziert den Aufwand für wiederkehrende Entwicklungsaufgaben und schafft eine fundierte Grundlage für die konstruktive Optimierung.
Analyse unterschiedlicher Baggerkinematiken
Die Leistungsfähigkeit eines Hydraulikbaggers wird wesentlich durch die Kinematik seiner Arbeitsausrüstung bestimmt.
Unterschiedliche Gelenk- und Hebelsysteme beeinflussen den verfügbaren Arbeitsraum, die Grabkräfte, die Hubkapazität und das Betriebsverhalten der Maschine.
DIGertis wurde für die Untersuchung unterschiedlicher Kinematikkonzepte entwickelt, darunter:
- Konventionelle Tieflöffel- und Hochlöffelkinematiken
- Parallelkinematiken
- TriPower-Kinematiken
- Weitere komplexe mechanische Gelenksysteme
Durch den allgemeinen numerischen Ansatz auf Basis der Mehrkörpersimulation können unterschiedliche Kinematiken innerhalb einer einheitlichen Berechnungsumgebung untersucht werden.
Anstatt für jedes Kinematikkonzept eigenständige analytische Berechnungsverfahren entwickeln zu müssen, werden die Möglichkeiten eines leistungsfähigen Mehrkörpersimulationssystems konsequent genutzt.
Dies ermöglicht systematische Variantenvergleiche und die gezielte Optimierung von Geometrie, Kraftübertragung und Arbeitsbereich.
Parametrische Modellierung und automatische Modellerstellung
Eine wesentliche Besonderheit von DIGertis ist die weitgehend automatisierte Modellerstellung.
Über speziell entwickelte Eingabemasken werden Geometrieparameter, Massen, Trägheiten, Hydraulikdaten und weitere Randbedingungen definiert.
Auf Grundlage dieser Angaben erzeugt DIGertis automatisch das entsprechende Mehrkörpermodell in MSC Adams.
Vordefinierte Modellvorlagen unterstützen unterschiedliche Baggerkonfigurationen. Auch komplexe, geometrisch gekoppelte Kinematiken können mithilfe geeigneter numerischer Verfahren aufgebaut werden.
Damit wird die Modellierung anspruchsvoller Mechanismen erheblich vereinfacht.
Die Anwender können sich auf ihre eigentlichen Entwicklungsaufgaben konzentrieren, während die komplexe Modellbildung und numerische Berechnung im Hintergrund erfolgen.
Berechnung von Grabkräften, Hubkapazitäten und Standsicherheit
DIGertis ermöglicht die systematische Berechnung wichtiger Leistungskenngrößen über den gesamten Arbeitsraum.
Hierzu gehören insbesondere:
- Losbrechkräfte, Reißkräfte und Vorschubkräfte
- Hydraulische und mechanische Hubkapazitäten
- Standsicherheit und Kippgrenzen
- Gelenk- und Lagerkräfte
- Hydraulische und geometrische Betriebsgrenzen
- Einfluss konstruktiver Änderungen auf die Leistungsfähigkeit
Die Berechnung berücksichtigt die relevanten hydraulischen, geometrischen und mechanischen Randbedingungen des jeweiligen Systems.
Dadurch können nicht nur die verfügbaren Kräfte ermittelt werden. Die Auswertung zeigt auch, welche Randbedingungen die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Arbeitsposition begrenzen.
Diese Informationen ermöglichen eine gezielte Optimierung der Kinematik und der hydraulischen Auslegung.
Erweiterte Möglichkeiten durch dynamische Simulation
Im Unterschied zu rein statischen Berechnungsverfahren basiert DIGertis auf einem Mehrkörpermodell.
Die im Arbeitsraum ermittelten Grabkräfte können anschließend als Grundlage für weiterführende dynamische Simulationen verwendet werden.
Damit lassen sich zusätzliche Fragestellungen untersuchen, beispielsweise dynamische Gelenkbelastungen, Kräfte in der Arbeitsausrüstung oder das Verhalten der Maschine bei kritischen Betriebszuständen.
Die Verbindung aus Kinematikanalyse, Kraftberechnung und dynamischer Simulation erweitert die Möglichkeiten gegenüber klassischen Berechnungsverfahren.
Automatisierte Auswertung und standardisierte Analysen
DIGertis enthält spezielle Auswertefunktionen, mit denen umfangreiche Simulationsergebnisse automatisiert aufbereitet werden.
Kennlinien, Leistungsdiagramme und strukturierte Berichte ermöglichen die Bewertung unterschiedlicher Konstruktionen und Betriebszustände.
Besonders wichtig ist die Darstellung der leistungsbegrenzenden Randbedingungen.
Der Konstrukteur erkennt damit nicht nur, welche Leistung eine Maschine erreicht, sondern auch, welche Parameter für eine Verbesserung verändert werden müssen.
Durch standardisierte Analyseabläufe lassen sich unterschiedliche Varianten nachvollziehbar und reproduzierbar miteinander vergleichen.
Entwicklung in enger Zusammenarbeit mit Konstrukteuren
DIGertis wurde von simertis in enger Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Konstrukteuren des damaligen Herstellers großer Mining-Hydraulikbagger am Standort Dortmund entwickelt.
Die Entwicklung erfolgte im industriellen Umfeld des damaligen Terex-Geschäfts, das später von Bucyrus und anschließend von Caterpillar übernommen wurde.
Die beteiligten Ingenieure und Konstrukteure definierten die fachlichen Anforderungen, die benötigten Berechnungsfunktionen und die gewünschten Auswertungen. Diese Anforderungen orientierten sich unmittelbar an den Aufgaben und Arbeitsabläufen der konstruktiven Entwicklung.
simertis übernahm die Konzeption und Umsetzung der Modellierungsverfahren, numerischen Methoden, Automatisierungsfunktionen und der Integration in MSC Adams.
Ein entscheidender Aspekt war dabei, dass die Anwender selbst nicht über spezielles Know-how in der Mehrkörpersimulation verfügten.
Die Software musste deshalb so gestaltet werden, dass auch anspruchsvolle Simulationen über anwendungsspezifische Benutzeroberflächen und weitgehend automatisierte Berechnungsabläufe durchgeführt werden konnten.
Auf diese Weise entstand ein Engineering-Werkzeug, das die Anforderungen der Konstrukteure mit der numerischen und methodischen Kompetenz von simertis verbindet.
Neben dem ursprünglichen Auftraggeber wurde DIGertis auch von einem weiteren Unternehmen eingesetzt, das Entwicklungsleistungen für große Miningbagger erbrachte.
Wissenschaftliche Validierung und industrieller Einsatz
Die zugrunde liegende numerische Methodik wurde anhand etablierter analytischer Berechnungsverfahren validiert.
Für die untersuchten Baggerkonfigurationen zeigten die berechneten Grabkräfte eine sehr hohe Übereinstimmung mit den analytischen Referenzergebnissen.
Die dokumentierten Abweichungen lagen bei den untersuchten Berechnungsfällen unter 0,012 %.
Die Entwicklung von DIGertis wurde auf internationalen wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt und dokumentiert.
Der industrielle Einsatz und die wissenschaftliche Validierung verdeutlichen, wie sich allgemeine Mehrkörpersimulationssysteme durch anwendungsspezifische Erweiterungen zu leistungsfähigen Engineering-Werkzeugen entwickeln lassen.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
Die Entwicklung und Methodik von DIGertis wurden in folgenden Veröffentlichungen vorgestellt:
2009 – Thematic Conference on Multibody Dynamics
A MBS Solution to Analyze Attachment Kinematics of Hydraulic Excavators and Other Linkages
H. Haut, M. Dietrich, K. Nienhaus
2011 – 35th APCOM Symposium, Wollongong, Australien
A Multibody Simulation Solution to Analyse Attachment Kinematics of Hydraulic Excavators and Other Linkages
H. Haut, M. Dietrich
Beide Veröffentlichungen beschreiben die Modellierungsverfahren, die Berechnungsmethodik, die automatisierte Auswertung und die Validierung der Software.
DIGertis heute – Perspektiven für zukünftige Anwendungen
DIGertis wurde ursprünglich für frühere Versionen von MSC Adams entwickelt und wird derzeit nicht als reguläres Softwareprodukt angeboten.
Die zugrunde liegenden Methoden und Softwarekonzepte können jedoch eine interessante Grundlage für zukünftige Anwendungen darstellen.
Bei konkretem Kundeninteresse prüft simertis die technische Machbarkeit einer Modernisierung für aktuelle Adams-Versionen oder die Entwicklung einer vergleichbaren, anwendungsspezifischen Lösung.
Die Erfahrungen aus DIGertis fließen auch in die heutige Kompetenz von simertis ein, komplexe Simulationssysteme durch spezialisierte Methoden und automatisierte Engineering-Workflows für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen.
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