Allgemeine Einführung: Freiheitsgrade
Es ist unerlässlich, die Bedeutung von Freiheitsgraden zu verstehen, um die Randbedingungen auszuwählen, die notwendig sind, um die Beweglichkeit eines Mechanismus zu gewährleisten. Die Anzahl der Freiheitsgrade (FG) steht für die Anzahl der unabhängigen Parameter, die für das Festlegen der Position oder der Bewegung der einzelnen Starrkörper im System erforderlich sind.
Ein vordefinierter Randbedingungssatz definiert eine Verbindung zwischen zwei Starrkörpern. Die Bedingungen des Satzes dienen als Einschränkungen der Bewegung von Starrkörpern relativ zueinander und somit zur Reduzierung der zulässigen gesamten Freiheitsgrade (FG) des Systems.
Ein in keiner Weise eingespannter Starrkörper besitzt sechs Freiheitsgrade, drei translatorische und drei rotatorische. Jede Randbedingung schränkt Bewegung in einer bestimmten Weise ein. Wenn Sie beispielsweise eine Drehgelenk-Verbindung (die ausschließlich Rotationsbewegungen um eine Achse zulässt) auf einen Starrkörper anwenden, werden die Freiheitsgrade dieses Starrkörpers von sechs auf eins reduziert.
Bevor Sie einen vordefinierten Randbedingungssatz zur Anwendung auf das Modell auswählen, sollte Ihnen klar sein, welche Bewegung des Starrkörpers Sie beschränken und welche Art der Bewegung Sie zulassen möchten.
Basis- und 6FG-Verbindungen
Verwenden Sie eine Basis-Verbindung, um eine Verbindung darzustellen, die dieselbe Anzahl an Freiheitsgraden hat, die Sie für eine spezifische Komponente definieren möchten. Es gibt Basis-Verbindungen, die die gleiche Anzahl von Freiheitsgrade wie andere Verbindungen haben (beispielsweise eine Kugel, ein Zylinder oder eine Drehgelenk-Verbindung). Nachdem Sie eine Basis-Verbindung erzeugen, wird sie im Modell als Koordinatensystem angezeigt. Der FG wird mithilfe von translatorischen und rotatorischen Pfeilen dargestellt.
Sie können eine 6-FG-Verbindung verwenden, um eine Verbindung anzuzeigen, die über drei Rotations- und drei Verschiebungsbewegungsachsen verfügt. Die Bewegung der Komponenten des Modells relativ zueinander ändert sich nicht, da keine tatsächlichen Randbedingungen angewendet werden. Die 6-DOF-Verbindung kann wiederverwendet werden, um Servomotoren anzuwenden oder eine bestimmte Art von Verbindung zu modellieren.
Die Anzahl der rotatorischen Freiheitsgrade in einer 6-FG-Verbindung oder in einer Gimbal-Sperrverbindung kann um eins reduziert werden, wenn die Verbindung sich in einem Gimbal-Status befindet. In diesem Fall würde die Summe der gesamten Freiheitsgrade ebenfalls um eins verringert.
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Freiheitsgrade insgesamt
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Drehachse
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Verschiebungsachse
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Verbindungstyp
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Randbedingungen, die einem spezifischen Freiheitsgrad zugeordnet sind
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0
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0
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0
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Schweißverbindung (Weld) – Verbindet zwei Starrkörper miteinander.
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0
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0
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0
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Starr (Rigid) – Verbindet zwei Teile miteinander, während die zugrunde liegende Starrkörperdefinition geändert wird. Teile, die durch eine starre Verbindung definiert sind, stellen einen einzelnen Starrkörper dar.
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1
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0
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1
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Schubgelenk (Slider) – Verschiebung entlang einer Achse.
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Ebene-Ebene zusammenfallend
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1
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1
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0
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Drehgelenk (Pin) – Rotation um eine Achse.
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2
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2
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0
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Allgemein (General)
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Punkt-Punkt ausrichten, wenn der Punkt auf einer Kante liegt.
Kante auf Ebene.
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2
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1
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1
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Zylinder (Cylinder) – Verschiebung entlang und Rotation um eine bestimmte Achse.
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Punkt auf Linie
Ebene-Ebene orientieren
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2
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0
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2
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Allgemein (General)
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Kante auf Ebene, vorausgesetzt, die Ebene befindet sich weder senkrecht noch parallel zur Kante
Ebene-Ebene orientieren
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3
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3
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0
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Kugel (Ball) – Rotation in beliebige Richtung.
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Punkt-Punkt ausrichten
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3
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2
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1
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Allgemein (General)
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Kante auf Ebene
Punkt auf Linie (Linie und Kante müssen ausgerichtet sein)
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3
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1
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2
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Planar (Planar) – Durch eine Ebenenrandbedingung verbundene Starrkörper bewegen sich in einer Ebene relativ zueinander. Die Rotation erfolgt um eine Achse, die senkrecht zur Ebene verläuft.
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Ebene-Ebene zusammenfallend/parallel
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3
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0
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3
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Allgemein (General)
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Ebene-Ebene orientieren
Ebene-Ebene orientieren (nicht parallel zum ersten Satz von Ebenen)
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4
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3
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1
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Lager (Bearing) – Kombiniert eine Kugel-Verbindung und eine Schubgelenk-Verbindung.
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Punkt auf Kante
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4
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2
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2
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Allgemein (General)
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Kante auf Ebene
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4
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1
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3
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Allgemein (General)
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Ebene-Ebene orientieren
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4
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3
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1
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Führung (Slot)
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Punkt auf einer ungeraden Leitkurve
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3
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3
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0
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Gimbal (Gimbal) – Richtet die Mittelpunkte von zwei KSYS aus (siehe unten).
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Punkt zu Punkt
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5
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3
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2
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Allgemein (General) (siehe unten).
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Punkt auf Ebene
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6
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3
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3
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6 FG (6DOF) – Rotation und Verschiebung in eine beliebige Richtung (siehe unten).
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Zusätzlich zu den Verbindungssatz-Randbedingungen müssen Sie die Randbedingungen berücksichtigen, die durch Servomotoren entstehen, die auf das Model angewendet werden. Servomotoren sind erzwungene Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, die Freiheitsgrade einschränken.
Wenden Sie nur so viele vordefinierte Randbedingungssätze wie nötig zum Einschränken der Bewegung des Mechanismus an. Wenn Sie den Mechanismus zu stark einschränken, entstehen Redundanzen, die in dynamischen Analysen zu ungenauen Reaktionsergebnissen führen können.
Weitere Informationen zur Komponentenplatzierung und zu Randbedingungssätzen finden Sie im Hilfe-Center im Baugruppen-Bereich.
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