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2026-02-16T09:25:50Z

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Ein '''Mehrkörpersystem (MKS)''' ist ein mechanisches System von Einzelkörpern, die untereinander durch Gelenke oder Kraftelemente (z. B. Federn, Dämpfer) gekoppelt sind und unter dem Einfluss von Kräften stehen. Obwohl ein Mehrkörpersystem auch unbeweglich sein kann, beschreibt man mit dem Begriff üblicherweise ein System, dessen Teile sich gegeneinander bewegen können. In der [[Mehrkörperdynamik]] wird die [[Dynamik (Physik)|Dynamik]] eines Mehrkörpersystems mit Hilfe der [[Kinematik]], eines Teilgebiets der [[Mechanik]], mathematisch formuliert. In vielen Fällen sind die sich ergebenden Gleichungen nicht geschlossen lösbar, so dass die Dynamik nur über eine [[Mehrkörpersimulation]] zugänglich ist.

In diesem Artikel wird ein Überblick über einige wichtige Aspekte von Mehrkörpersystemen gegeben. Allerdings haben sich Ende der 1990er Jahre viele neuere Teilgebiete entwickelt (Optimierung, [[Sensitivitätsanalyse]], Robotik, Regelung, Automobile und Schienenfahrzeuge u. a.), die nicht in diesem Artikel Platz gefunden haben.

== Anwendungsgebiete ==
Mehrkörpersysteme werden zur Modellierung der Bewegung von (Teil-)Körpern in technischen Anwendungen eingesetzt:

* [[Robotik]]
* Fahrzeugsimulation ([[Fahrdynamik]], [[Reifenmodell|Reifen]], Komfortverbesserung, Gewichtsreduktion u. a.)
* Simulation von [[Motor]]en, [[Getriebe]], [[Kettentrieb]]e, [[Riementrieb]]e, u. a.
* Simulation von Fördermaschinen, speziell [[Papiermaschine]]n
* [[Partikelsimulation]] (z. B. Sand)
* [[Biomechanik]] (Bewegungsoptimierung, Prothesen, Gehhilfen u. a.)
* [[Luftfahrtindustrie]] (z. B. Start/Landemanöver von Flugzeugen, Rotor eines Hubschraubers)
* Simulation von [[Schiff]]en und anderen, schwimmenden Körpern ([[Hydrodynamik|hydrodynamische]] Kopplung durch Wellen)
* [[Weltraumforschung]] (z. B. [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]])
* Militärische Anwendungen

== Beispiel ==
Die nachfolgende Abbildung zeigt ein typisches Beispiel eines Mehrkörpersystems. Dieses System wird auch Kurbeltrieb ({{EnS|slider-crank}}) genannt. In diesem Beispiel wird ein Starrkörper für die angetriebene Kurbel verwendet, der ein drehbar gelagertes Pleuel antreibt und schließlich die Endmasse (konzentrierte Masse) bewegt. Die Endmasse kann sich nur innerhalb der Führung bewegen. Es sind 3 Drehgelenke eingebaut, eines zwischen Kurbel und [[Inertialsystem]], eines zwischen Kurbel und Pleuel und eines zwischen Pleuel und Endmasse.

[[Datei:Beispiel MKS.jpg|216px|Kurbeltrieb]]
[[Datei:Kurbeltrieb-animation.gif|216px|Kurbeltrieb]]

== Begriffe ==

Unter einem Körper versteht man einen festen oder flexiblen Körper im mechanischen Sinne (also nicht mit dem mathematischen Körper oder menschlichen Körper zu verwechseln). Ein Körper ist hier beispielsweise ein Arm eines Roboters, das Lenkrad eines Autos, aber auch der Unterarm eines Menschen. Gelenke bilden bewegliche Verbindungen zwischen Körpern. Man kann sich z. B. anhand eines Gelenks im menschlichen Körper oder am Beispiel eines Gelenkes in einer Maschine oder auch in einem Auto vorstellen.

In der Mehrkörperdynamik sind zwei weitere Begriffe von zentraler Bedeutung: Freiheitsgrad und Zwangsbedingung.

=== Freiheitsgrad ===

Im Sinne eines mechanischen Körpers stellt die Anzahl der [[Freiheitsgrad]]e die Zahl der voneinander unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten dar. Ein [[starrer Körper]] besitzt 6 Freiheitsgrade bei allgemeiner räumlicher Bewegung, davon 3 Translationsfreiheitsgrade und 3 Rotationsfreiheitsgrade. Betrachtet man nur die Bewegung eines Körpers (und aller seiner Punkte) in einer Ebene, so hat dieser Körper nur noch 3 Freiheitsgrade: 2 Translationsfreiheitsgrade und einen Rotationsfreiheitsgrad.

;Beispiel

Beim Betrachten eines Körpers im Raum, z. B. der Computermaus, kann man die drei Translationsfreiheitsgrade einfach durch die Bewegungen links-rechts, vor-zurück, auf-ab darstellen. Die drei Freiheitsgrade der Rotation des Körpers (der Computermaus) werden durch Rotation um die Achsen, entlang derer die Translation verläuft (z. B. um die Längsachse der Maus bei der Translation Vor-Zurück), beschrieben.

=== Zwangsbedingung ===

[[Zwangsbedingung]]en stellen eine Einschränkung der Bewegungsmöglichkeiten von Körpern dar. Zwänge können sowohl zwischen zwei Körpern als auch zwischen einem Körper und einem Fixpunkt im Raum aufgebracht werden. Entgegen der Annahme im Link "Zwangsbedingungen" können nicht nur Massenpunkte einem Zwang unterliegen. Eine Zwangsbedingung kann in einem Mehrkörpersystem auch auf Verdrehungen, Geschwindigkeiten (auch Winkelgeschwindigkeiten) und Beschleunigungen angewandt werden.

== Bewegungsgleichungen ==

Die Bewegung des Mehrkörpersystems wird mit den Bewegungsgleichungen beschrieben, welche aus dem 2. [[Newtonsche Axiome|Newtonschen Axiom]] und den zusätzlichen Zwangsbedingungen resultieren.

Die Bewegung eines Starrkörpersystemes lässt sich folgendermaßen ausdrücken:

:<math>{M(q)} \ddot {q} - {Q}_v + {C_\mathrm{q}}^T {\lambda} = {F},</math>

:<math>{C}({q},\dot {q}) = 0.</math>

Diese Formulierung wird auch mit dem Begriff ''redundante Koordinaten'' bezeichnet. Hierbei stellen die [[Generalisierte Koordinate|generalisierten Koordinaten]] <math>\mathbf{q}</math> die Freiheitsgrade der nicht unter Zwang stehenden Körper dar, <math>\mathbf{M}(\mathbf{q})</math> ist die Massenmatrix, welche von den generalisierten Koordinaten abhängen kann, <math>\mathbf{C}</math> beschreibt die Zwangsbedingungen und <math>\mathbf{C_\mathrm{q}}</math> ist die Ableitung der Zwangsbedingungen nach den generalisierten Koordinaten. Das Symbol <math>\mathbf{\lambda}</math> bezeichnet in dieser Formulierung der Bewegungsgleichungen die Lagrange’schen Multiplikatoren. Geht man von einem einzigen Körper aus, so kann man die generalisierten Koordinaten aufteilen in

:<math>\mathbf{q} = \left[ \mathbf{u} \quad \mathbf{\Psi} \right]^T </math>

wobei <math>\mathbf{u}</math> die Translationen beschreibt, und <math>\mathbf{\Psi}</math> die Rotationen beschreibt.

=== Quadratischer Geschwindigkeitsvektor ===

Der Ausdruck <math>\mathbf{Q}_\mathrm{v}</math> stellt den ''quadratischen Geschwindigkeitsvektor'' dar, welcher sich zufolge der Ableitung der Gleichungen von der kinetischen Energie ergibt. Dieser Term hängt von den gewählten Rotationsparametern ab.

=== Lagrange’sche Multiplikatoren ===

Die Lagrange’schen Multiplikatoren <math>\lambda_\mathrm{i}</math> sind je einer Zwangsbedingung <math>C_\mathrm{i}=0</math> zugeordnet und stellen zumeist Kräfte oder Momente dar, welche in Richtung des gesperrten Freiheitsgrades wirken, allerdings keine Arbeit leisten.

=== Zwangsbedingungen und Gelenke ===

Gelenke werden in der allgemeinsten Beschreibungssprache für Mehrkörpersysteme mittels Zwangsbedingungen ausgedrückt.
Wie bereits erwähnt, können [[Zwangsbedingung]]en sowohl für Verschiebungen und Verdrehungen als auch für die zeitlichen Ableitungen dieser Größen verwendet werden.

Man unterscheidet vorerst holonome und nicht-holonome Zwangsbedingungen, eine genauere Beschreibung wird im Abschnitt Zwangsbedingung gegeben. Für Mehrkörpersysteme ist es wichtig, dass übliche Gelenke wie zylindrisches Gelenk, Kugelgelenk, prismatisches Gelenk etc. unter holonome Zwangsbedingungen fallen.

=== Minimalkoordinaten ===

Die Bewegungsgleichungen werden mit redundanten Koordinaten beschrieben, welche aufgrund der Zwänge nicht voneinander unabhängig sind. Es ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich, dass man diese Formulierung in ein System mit nicht-redundanten, also voneinander unabhängigen Koordinaten und ohne Zwangsbedingungen, überschreibt. Diese Transformation ist grundsätzlich nicht möglich wenn die verbundenen Körper einen geschlossenen Ring (Schleife) aufweisen oder wenn es sich nicht um einfache holonome Gelenke handelt. Dennoch kann man auf ein System mit der kleinstmöglichen Anzahl von Koordinaten übergehen, indem man Zwänge nur an bestimmten unvermeidbaren Stellen einfügt und an den übrigen Stellen nicht-redundante Koordinaten verwendet. Eine mögliche Art der Formulierung mit Minimalen Koordinaten ist die sogenannte rekursive Formulierung.

== Kommerzielle Software ==
Es gibt verschiedene Arten von kommerzieller Software für die Mehrkörpersystemsimulation wie z. B. ''Simcenter Motion'' von Siemens PLM, ''RecurDyn'' von FunctionBay, ''ThreeParticle/CAE'' von BECKER 3D, ''ADAMS'' von MSC Software bzw. durch den Unternehmenskauf jetzt ein Bestandteil von Hexagon, ''DS Simulia'' von Simpack bzw. durch den Unternehmenskauf jetzt ein Bestandteil von Dassault Systems, das ''Multibody Dynamics Module'' von COMSOL Multiphysics.

== Siehe auch ==
* [[flexibles Mehrkörpersystem]]

== Literatur ==
*J. Wittenburg: ''Dynamics of Systems of Rigid Bodies.'' Teubner, Stuttgart 1977.
*K. Magnus: ''Dynamics of multibody systems.'' Springer Verlag, Berlin 1978.
*P. E. Nikravesh: ''Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems.'' Prentice-Hall, 1988.
*E. J. Haug: ''Computer-Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems.'' Allyn and Bacon, Boston 1989.
*H. Bremer, F. Pfeiffer: ''Elastische Mehrkörpersysteme.'' B. G. Teubner, Stuttgart 1992.
*Ahmed A. Shabana: ''Dynamics of multibody systems.'' Cambridge University Press, 3. Auflage, 2010, ISBN 978-0521154222
*M. Géradin, A. Cardona: ''Flexible multibody dynamics – A finite element approach.'' Wiley, New York 2001.
*J. Gerstmayr: ''The absolute coordinate formulation with elasto-plastic deformations.'' In: ''Journal of Multibody System Dynamics.'' Vol. 12, 2004, S. 363–383, {{DOI|10.1007/s11044-004-2522-3}}.
* Georg Rill, Thomas Schaeffer: ''Grundlagen und Methodik der Mehrkörpersimulation: mit Anwendungsbeispielen'' Vieweg+Teubner Verlag, 2010, ISBN 978-3834808882
* Christoph Woernle: ''Mehrkörpersysteme: Eine Einführung in die Kinematik und Dynamik von Systemen starrer Körper'' Springer Berlin, 2011, ISBN 978-3642159817
* T. J. Jung: ''Methoden der Mehrkörperdynamiksimulation als Grundlage realitätsnaher virtueller Welten'' Online, 2011, [http://thomas-jung.de/static/juDissFinalOnline.pdf Online verfügbar]

== Weblinks ==

* [http://real.uwaterloo.ca/~mbody/ http://real.uwaterloo.ca/~mbody/] (Linksammlung von John McPhee).
* [http://tmech.mechatronik.uni-linz.ac.at/staff/gerstmayr/gerstmayr.html http://tmech.mechatronik.uni-linz.ac.at/staff] (Flexible Mehrkörpersysteme von Johannes Gerstmayr mit vielen Animationen).

{{SORTIERUNG:Mehrkorpersystem}}
[[Kategorie:Klassische Mechanik]]
[[Kategorie:Technische Dynamik]]

Mehrkörpersystem - Versionsgeschichte

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