Institut für Mechatronik Chemnitz

Produkte

alaska

alaska/ACAR
alaska/DC
alaska/Dynamicus
alaska/Flexible
alaska/Gear
alaska/MATLAB
alaska/SimulationEngine
alaska/Wind
alaska/XMLView

alaska/SimulationEngine

alaska/SimulationEngine ist eine Bibliothek zur Beschreibung von Simulationsmodellen für mechanische Systeme und zur Simulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle in einer C++ Programmierumgebung. Die Bibliothek bietet Modellelemente und Verfahren der Mehrkörperdynamik und der Finite-Elemente-Methode, so dass die Möglichkeiten beider Methoden in einer Modellbeschreibung entsprechend der Fragestellung des Anwenders genutzt werden können. Zur Modellierung stehen Komponenten wie starre Körper, flexible Körper, Knoten, Gelenke, nichtlineare Kraftelemente der Mehrkörperdynamik, finite Elemente und Randbedingungen zur Verfügung. Die Beschreibung des Modells wird durch Deklaration der Modellelemente in C++ erzeugt. Eine zuschaltbare 3D-Grafikbibliothek ermöglicht die Visualisierung des Modells und die Animation seiner Bewegung. Als Analyseverfahren beinhaltet die Bibliothek die Simulation der nichtlinearen Dynamik sowie die Ermittlung quasi-statischer Gleichgewichtslagen. Beide Analysemethoden können in einem Modell je nach Bedarf komponenten- und zustandsabhängig eingesetzt werden.

Typische Anwendungsgebiete der alaska/SimulationEngine sind Simulationsmodelle hoher Rechenperformance z.B. für aktive Fahrwerke, Roboter und biomechanische Anwendungen sowie Simulatoren, die in andere Anwendungen integriert werden.

Hauptmerkmale

Entwicklungsumgebung für Simulationsmodelle mechanischer Systeme
Simulation der Dynamik, Ermittlung quasi-statischer Gleichgewichtslagen
robustes implizites Lösungsverfahren mit effizienter Berechnung der Jacobimatrix
beispielabhängig konfigurierbarer Sparse-Matrix-Solver
Standardinterface für Parameterdateien
optionale Visualisierung des Modells
Plattformunabhängigkeit

Modellierung mechanischer Systeme

Im Gegensatz zu herkömmlichen Simulationsumgebungen für mechanische Systeme, wie z.B. auch dem alaska/ModellerStudio, ermöglicht die alaska/SimulationEngine durch die C++-basierte Modellierung einen wesentlich flexibleren Umgang mit Modelldefinitionen. Große, parametrisierte Modelle, die eine Vielzahl von zum Teil auch ähnlichen Modellelementen enthalten, können in C++ effizient beschrieben werden. Ebenso können Änderungen des Modells in Abhängigkeit vom Zustand während der Laufzeit mit den Mitteln von C++ einfach realisiert werden. Die komplette Programmierbarkeit der Modelle ermöglicht darüber hinaus wesentliche Verbesserungen bei der Verwendung und Erweiterung von Schnittstellen zu anderen Entwurfs- und Analysewerkzeugen bis hin zur Einbindung der Modelle direkt in andere Werkzeuge über Programmierschnittstellen
Die bereit gestellten Komponenten zur Modellbeschreibung basieren auf einem Baukastensystem, das durch den objektorientierten Ansatz beliebig erweitert werden kann. Damit können Modellelemente entwickelt werden, die hinsichtlich der Parametrisierung und der mechanischen Eigenschaften gezielt auf einen bestimmten Anwendungsfall zugeschnitten sind. Beispiele dafür sind MKS-Kraftelemente mit speziellen nichtlinearen Charakteristiken.

Simulation und Bewertung mechanischer Bewegungen

Bei der Simulation eines mit der alaska/SimulationEngine definierten Modells können Kräfte und Momente eingeprägt sowie wählbare Bewegungen kinematisch vorgeben werden. Der Solver berechnet die daraus resultierenden Bewegungen sowie die damit verbundenen inneren und äußeren Kräfte.

Grundsätzlich werden unterschiedliche Modi zur Bewegungssimulation unterstützt:

Vorwärtsdynamik: Berechnet die Bewegung des Gesamtsystems auf Grund der Wirkung eingeprägter Kräfte und Momente
Inverse Dynamik: Berechnet die Kräfte und Momente, die von Aktoren ausgeübt werden müssen, um geforderte Bewegungen zu erzeugen
Kinematische Analyse: Ermittelt die Bewegung des Gesamtsystems bei Vorgabe der Bewegung einzelner Komponenten
Quasi-Statik: Ermittelt Gleichgewichtslagen

Zur Bewertung der Simulation erzeugt die alaska/SimulationEngine auf Anforderung automatisch eine dreidimensionale Visualisierung, die synchron zur Berechnung das Bewegungsverhalten des Modells darstellt. Die zur Visualisierung verwendeten Geometrien können unter Verwendung einer vorhandenen Bibliothek bzw. von eigenen Dateien im vrml-Format frei konfiguriert werden. Dazu existiert ein Beschreibungssystem, mit dem ohne zu programmieren - also auch nachträglich für ein bereits fertig gestelltes Modell - grafische Primitive oder eigene vrml-Dateien mit Koordinatensystemen oder Variablen des Modells verknüpft werden können.

Wozu 'programmierte' Modelle?

Die mit der alaska/SimulationEngine in C++ programmierten Modelle können unabhängig von einem Modelliersystem in beliebigen Umgebungen oder als Stand-Alone-Simulatoren genutzt werden. Stand-Alone-Simulatoren sind von Vorteil, wenn das Modell mit veränderten Parametern über einen langen Zeitraum hinweg ohne prinzipielle Änderungen genutzt wird. Sie enthalten wie ein virtueller Prüfstand neben einem parametrisierbaren Modell alle Funktionalitäten, die zur Simulation der Dynamik des enthaltenen Simulationsmodells erforderlich sind. Hinzu kommt eine spezielle Benutzeroberfläche, so dass für die Benutzung keine Kenntnisse eines Modelliersystems benötigt werden. Stand-Alone-Anwendungen können ausführbare Programme oder auch statische bzw. dynamische Bibliotheken sein. In den programmierten Modellen können Kräfte, Momente und Bewegungen relativ leicht mit Hardwarekomponenten gekoppelt werden. Ist das Modell echtzeitfähig, entsteht ein interaktiv bedienbarer Simulator. Modelle, die in C++ vorliegen, können leicht in andere Anwendungen eingebettet werden. Da für das compilierte Modell keine Zeit für das "Hochfahren" des Modells benötigt wird, liefern sie bei interaktiver Benutzung ein schnelles Feed-Back. Programmierte Modelle lassen sich einfach mit Software-Werkzeugen koppeln, die eine offene Programmierschnittstelle (API) anbieten oder über die Fähigkeit verfügen, Anwender-spezifische Erweiterungen als dynamische Bibliothek (DLL) zu laden. Dazu zählen neben verschiedensten Entwurfs- und Entwicklungswerkzeugen auch moderne Office-Anwendungen.