Mehrkörperdynamik

🚀 Nominiert

Praxisnahe Ingenieurausbildung neu gedacht

In der Lehrveranstaltung Mehrkörperdynamik arbeiten Studierendenteams (je 3 Personen) an der Vermessung und Simulation mechanischer Systeme. Mit 3D-gedruckten Modellen abstrahieren sie reale Bewegungen, leiten Bewegungsgleichungen mittels Newton-Euler, Lagrange 2. Art und Jourdain ab und simulieren diese mit Python. Die Ergebnisse werden numerisch integriert und mit optischen Messdaten – aufgezeichnet mit Smartphones und ausgewertet via Tracker-Software – verglichen.
Highlight: Die hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität zeigt, wie präzise Parameter die Praxis widerspiegeln können. Ein innovatives Konzept, das Theorie, Praxis und moderne Technologien verbindet – und Studierende optimal auf technische Herausforderungen vorbereitet.

Angabe

Jedes Team erhält zusätzlich zur Angabe ein physisches Modell aus 3D-gedruckten Bauteilen ihrer Problemstellung. Als erster Schritt wird das Modell abstrahiert und es werden entscheidenende Modellannahmene getroffen. Als Masterlehrfach bietet der Kurs den Studierenden große Freiheit: Sie schätzen selbst ein, welche Elemente wesentlich sind und welche Effekte vernachlässigt werden können. Die Parameter des Modells werden von den Studierenden gemessen, gewogen oder geschätzt.

Berechnung

Die Bewegungsgleichungen werden mit drei Methoden abgeleitet: Newton-Euler, Lagrange 2. Art und dem Jourdainschen Prinzip. Jedes Gruppenmitglied übernimmt eine Methode, mit dem Ziel, dass alle drei Ansätze zum gleichen Ergebnis führen.
Die analytische Berechnung der Bewegungsgleichung erfolgt hierbei mit Python. Diese Programmiersprache wurde gewählt, da sie einfach verständlich und frei verfügbar ist. So können die Studierenden Erfahrung mit einer Programmiersprache gewinnen, die sie auch zu Hause problemlos einsetzen können und in der Industrie zunehmend gefragt ist.

Simulation

Im nächsten Schritt werden die Bewegungsgleichungen in Python numerisch integriert und simuliert. Stimmen die Ergebnisse der drei Methoden überein, deutet das auf korrekte Berechnungen hin. Die Ausgabe erfolgt nicht nur als Zahlenkolonnen und Graphen, sondern auch als Video der simulierten Bewegung. Das erlaubt eine intuitive Überprüfung: Ein Vorzeichenfehler bei der Dämpfung führt beispielsweise zu instabilem Verhalten, das sofort ins Auge fällt.

Messung

Parallel dazu wird das physische Modell optisch vermessen. Die Studierenden entwickeln selbst einen geeigneten Messaufbau und minimieren Fehlerquellen, indem sie ungewollte Bewegungen verhindern und optische Verzerrung verhindern, in dem sie sicherstellen, dass die Bewegung in einer Ebene erfolgt. Die Messung der Bewegung erfolgt anschließend mit einem handelsüblichen Smartphone. Das Modell wird in Bewegung versetzt und diese mit einem Smartphone gefilmt. Zur erleichterten Auswertung sind Farbpunkte auf dem Modell angebracht. Für eine gute Messung ist vor allem eine hohe Framerate entscheidend, sodass Slow-Motion aufnahmen empfohlen werden. Eine hohe Auflösung und Bildqualität des Smartphones sind natürlich nützlich, aber nicht zwingend notwendig.

Auswertung

Die Auswertung der Bewegung erfolgt mittels der frei zugänglichen Software Tracker, welche es erlaubt, optische Markierungen in einer Videodatei zu verfolgen. So können Studierende die Technik auch zu Hause anwenden und weiter experimentieren.

Vergleich

Als finaler Schritt findet ein Vergleich zwischen den Daten der Simulation und den Messdaten statt. Bei gut gewählten Parametern zeigt sich eine verblüffende Übereinstimmung, die im direkten Videovergleich sichtbar wird. Dieser Moment, in dem Theorie und Praxis verschmelzen, ist für viele das Highlight des Kurses.