Leseprobe zu "Maschinendynamik (eBook)" von Uwe Hollburg
1 Einführung (S. 1)
Der Begriff Maschinendynamik erklärt sich fast von allein. Weist doch das zweite Substantiv, Dynamik [von grch. dynamos], auf die Kraft und ihreWirkung hin. Als Teilgebiet der Mechanik setzt sich die Dynamik aus den Fächern Statik und Kinetik zusammen. Also wird in der Maschinendynamik die Wechselwirkung zwischen den Bewegungen und den dafür verantwortlichen Kräften untersucht.
Obwohl die Mechanik [von grch. mechanike techne] eine der ältesten Wissenschaften ist, das Wort stammt wahrscheinlich von Aristoteles, findet eine ernsthafte Anwendung auf Maschinen erst ab dem Ende des 18. Jhs. statt. Zu diesem Zeitpunkt war das Gebäude der klassischen Mechanik durch Newton, Leibniz, Euler, DAlembert, Lagrange, den Bernoullis, Hamilton und vielen anderen, errichtet. Außerdem begann sich langsam eine Messtechnik zu entwickeln. Beides, die Theorie und das Experiment, waren und sind Voraussetzungen für das Betreiben einer Wissenschaft.
Mit Beginn der Industrialisierung seit Mitte des 19. Jhs. und den Erfindungen von Dampfmaschine, mechanischem Webstuhl, Eisenbahn, Elektromotor, . . . , gewann auch eine Maschinendynamik an Bedeutung. Nachdem die ersten Dampfkessel mit verheerenden Folgen barsten, wurden systematische Berechnungen durchgeführt und Richtlinien erarbeitet. Der Respekt vor den gewaltigen kinetischen Energien in rotierenden Maschinen unterstützte dieses Bemühen nachhaltig.
Die Erfindung des Hubkolbenmotors führte zur klassischenMaschinendynamikmit denKernthemen: Schwungräder, Massenausgleich, Schwingungen und Regler. Obwohl die theoretischen Grundlagen schon geschaffen waren, fehlte es an Möglichkeiten, diese praktisch umzusetzen.Man war darauf angewiesen, die realen komplizierten Sachverhalte so weit zu vereinfachen, dass sie mit griffigen Formeln beschreibbar wurden. Dabei mussten oft schwerwiegende Vernachlässigungen in Kauf genommen werden. Eine Bewertung dynamischer Vorgänge erfolgte meist bei Betrachtung des stationären Sonderfalls.
Die stürmische Entwicklung elektronischer Rechner trieb die gesamte Wissenschaft voran. Ab etwa 1960 entstanden leistungsfähige computerorientierte Berechnungsverfahren, wie die Methode der finiten Elemente (FEM) und numerische Programmbibliotheken. Allerdings war die Handhabung noch umständlich und zeitraubend. Der Durchbruch erfolgte mit der Entwicklung des Personal Computers.
Heute stehen dem Ingenieur alle Hilfsmittel, wie Compiler, Programmbibliotheken, FE-Programme, CAD-Systeme, Graphik- und Textverarbeitungsprogramme . . . , in anwenderfreundlicher Art zurVerfügung. Neu hinzu gekommen sind ab etwa 1985 Mehrkörperprogrammsysteme. Mit diesem Werkzeug können die im Allgemeinen nichtlinearen Bewegungsdifferentialgleichungen räumlicher Gebilde, Fahrzeuge beispielsweise, aufgestellt und gelöst werden. Man bezeichnet dies als Simulation.
Diese Möglichkeiten befähigen den Ingenieur zur Lösung hoch komplexer Aufgaben. Damit dies auch erfolgreich abgewickelt werden kann, sind stets zwei Anforderungen zu erfüllen. Das erste Problem, das zu bewältigen ist, besteht in der formal richtigen Anwendung des ausgewählten Programmsystems. Die zweite, wichtigere Aufgabe, ist die Bewertung der erzeugten Ergebnisse. Und dies erfordert ein hohesMaß an Grundlagenwissen. Die richtige Reproduktion von Übungsbeispielen aus dem Bedienungshandbuch reicht dazu nicht aus.
In diesem Zusammenhang gewinnt die Modellierung an Bedeutung. Ein Modell ist ein ideales Abbild des realen Gegenstandes. Es entsteht durch Beschränkung auf dasWesentliche. Dadurch wird ein konkretes technisches Problem erstmathematisch beschreibbar. So wird beispielsweise eine Maschine, ein Fahrzeug, ein Bauwerk und dergleichen durch Idealisierung in ein physikalisches Ersatzsystem verwandelt. Die Anwendung von Lehrsätzen derMechanik führt zu einem mathematischem Modell und daraus entsteht letztlich ein numerisches Rechenmodell.
