Kapitel 4 behandelt die Modellierung der Bewegung von Mehrkörpersystemen mit Zwangsbedingungen, wie sie in der Fahrzeugdynamik häufig auftreten. Ausgangspunkt ist die allgemeine Beschreibung starrer Körper in kartesischen Koordinaten, wobei jedes Körpersegment durch Translations- und Rotationsfreiheitsgrade charakterisiert wird. Zwangsbedingungen – etwa Gelenke, Lager oder Kontaktbedingungen – reduzieren die Zahl der unabhängigen Freiheitsgrade. Diese werden mathematisch über Zwangsgleichungen formuliert, die geometrische oder kinematische Abhängigkeiten zwischen den Körpern beschreiben. Es werden holonome (wegabhängige) und nichtholonome (geschwindigkeitsabhängige) Zwangsbedingungen unterschieden. Zur Formulierung der Bewegungsgleichungen werden Newton-Euler-Formulierungen vorgestellt, die direkt mit Kräften und Momenten arbeiten. Alternativ werden kurz die Lagrange-Gleichungen 2. Art besprochen, die es erlauben, die Dynamik unter impliziter Berücksichtigung der Zwangskräfte effizient zu berechnen. Das Kapitel erläutert die Einführung von verallgemeinerten Koordinaten, mit deren Hilfe sich komplexe Mehrkörpersysteme übersichtlich beschreiben lassen. Ein besonderer Fokus liegt auf der numerischen Lösung der entstehenden Bewegungsgleichungen, einschließlich der Behandlung von Zwangsgleichungen und Stabilitätsaspekten. Zudem werden Beispiele aus der Fahrzeugtechnik wie Radaufhängungen oder Lenkkinematiken gegeben, um die theoretischen Grundlagen praxisnah zu illustrieren. Damit schafft das Kapitel die Grundlage für den Aufbau realistischer Mehrkörpersimulationsmodelle von Fahrzeugen.

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Bewegungsgleichungen komplexer Mehrkörpersysteme

  • Dieter Schramm,
  • Frédéric Etienne Kracht,
  • Philipp Maximilian Sieberg

摘要

Kapitel 4 behandelt die Modellierung der Bewegung von Mehrkörpersystemen mit Zwangsbedingungen, wie sie in der Fahrzeugdynamik häufig auftreten. Ausgangspunkt ist die allgemeine Beschreibung starrer Körper in kartesischen Koordinaten, wobei jedes Körpersegment durch Translations- und Rotationsfreiheitsgrade charakterisiert wird. Zwangsbedingungen – etwa Gelenke, Lager oder Kontaktbedingungen – reduzieren die Zahl der unabhängigen Freiheitsgrade. Diese werden mathematisch über Zwangsgleichungen formuliert, die geometrische oder kinematische Abhängigkeiten zwischen den Körpern beschreiben. Es werden holonome (wegabhängige) und nichtholonome (geschwindigkeitsabhängige) Zwangsbedingungen unterschieden. Zur Formulierung der Bewegungsgleichungen werden Newton-Euler-Formulierungen vorgestellt, die direkt mit Kräften und Momenten arbeiten. Alternativ werden kurz die Lagrange-Gleichungen 2. Art besprochen, die es erlauben, die Dynamik unter impliziter Berücksichtigung der Zwangskräfte effizient zu berechnen. Das Kapitel erläutert die Einführung von verallgemeinerten Koordinaten, mit deren Hilfe sich komplexe Mehrkörpersysteme übersichtlich beschreiben lassen. Ein besonderer Fokus liegt auf der numerischen Lösung der entstehenden Bewegungsgleichungen, einschließlich der Behandlung von Zwangsgleichungen und Stabilitätsaspekten. Zudem werden Beispiele aus der Fahrzeugtechnik wie Radaufhängungen oder Lenkkinematiken gegeben, um die theoretischen Grundlagen praxisnah zu illustrieren. Damit schafft das Kapitel die Grundlage für den Aufbau realistischer Mehrkörpersimulationsmodelle von Fahrzeugen.