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Physikalische Modellierung

42 Beiträge, Schlüsselwörter: Technik, System, Modell

Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:02
@Rho-ny-theta

Puh, das ist gar nicht so einfach zu beschreiben.
Letztendlich untersuche ich funktionale Modelle von Systemen auf bestimmte Eigenschaften (meist hinsichtlich ihrer Risikopotenziales bezüglich bestimmter Fehlfunktionen). Das Problem ist nur, dass diese Modelle meist gar nicht existieren. Das zwingt uns Analysten in die Rolle des Modellierers damit wir überhaupt arbeiten können. Und das läuft leider derzeit sehr unkoordiniert ab. Oder anders gesagt, jeder Analyst versucht da seinen eigenen Weg zu finden. Ich würde es gerne schaffen einen Weg zu finden, auf den man sich vielleicht einigen könnte, da er auf klaren physikalischen Aussagen und Begriffen basiert.


@JPhys2
Einfaches Beispiel.
Ich habe ein System, dass aus Eiswürfeln flüssiges Wasser erzeugen soll. Dazu muss ich den Eiswürfel schmelzen. Wie erreiche ich das? Indem ich die Zustandsgröße "Temperatur" des Eiswürfels so ändere, dass ich in Kombination mit den nicht veränderbaren Eigenschaften des Eiswürfels (Schmelzpunkt von Wasser) eben dieses Schmelzen erreiche.
Somit ist die Funktion dieses Systems <"Temperatur" des Eiswürfels um x°C erhöhen>.

Und für das Beispiel Motor und Welle muss es eine ähnliche Beschreibung geben. Im Sinne von <"Innere Spannung X" in Welle um x N/m² erhöhen>. Das ist das, was der Motor tut und wenn die Beschaffenheit der Welle nun ebenfalls bestimmte Werte hat, dann ist das Ergebnis eine Drehung der Welle. Hätte die Welle andere Beschaffenheiten wäre das Ergebnis evtl. ein anderes. Wäre die Welle z.B. weicher als nötig, würden wir sie nicht drehen sondern tordieren.


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Rho-ny-theta
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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:05
@slider

Wende dich der Statistik zu, sie ist die alleinseeligmachende Disziplin :D


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:08
@Rho-ny-theta

Am Ende läufts drauf raus. Die Aussagen die rauskommen sind rein statistischer Natur. Also im Grunde, sage ich am Ende wie wahrscheinlich es ist, dass ein System ein bestimmtes Verhalten zeigt. Um darauf zu kommen, muss man aber erst mal verstanden haben, was das System eigentlich wie tut.


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Rho-ny-theta
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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:09
@slider

Wenn du statistisch komplex genug wirst, musst du das System nicht verstehen.


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:14
@slider

<"Temperatur" des Eiswürfels um x°C erhöhen>.
Entspricht
<"Drehimpuls der Welle um x kg m^2/s erhöhen>


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:20
@JPhys2
Tatsache ... Drehimpuls ist eine Zustandsgröße. Ich hatte Impuls immer als etwas angesehen, was von Außen auf Etwas einwirkt (eben wie eine Kraft). So kann man sich irren.
Danke, das hat mich schon mal enorm weiter gebracht. Meine physikalische Ausbildung beschränkt sich leider auf 2 Semester Grundlagen in den Ingenieurwissenschaften.


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:36
@slider
Ich helfe immer gerne wenn ich kann
slider schrieb:Tatsache ... Drehimpuls ist eine Zustandsgröße. Ich hatte Impuls immer als etwas angesehen, was von Außen auf Etwas einwirkt (eben wie eine Kraft).
Das liegt am Trägheits gesetz. Ohne Reibung kommt bewegung nicht zum "stillstand"
sondern geht immer weiter
Dadurch wird Bewegung zu einem Zustand
Und der Impuls ist die entsprechende Zustandsgrösse

Um eine Zustandsgrösse dann zu ändern brauch es einen Einfluss von Aussen das ist dann die Kraft

Gleiches gilt entsprechend für Drehimpuls an stelle von Impuls
Und drehmoment anstelle von Kraft


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 22:41
@JPhys2

Mal schauen ob ich das richtig verstanden habe.

Die Welle hat zu Beginn einen Drehimpuls von 0. Ziel ist es ihr einen Drehimpuls x>0 zu verschaffen. Der Drehimpuls wird dann vom Motor über das Drehmoment an die Welle übertragen. Und von den Parametern des Motors sowie der Welle (z.B. deren Festigkeit) hängt ab wie groß das Drehmoment sein muss.
Ist das so richtig ?


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Physikalische Modellierung

07.08.2014 um 23:14
@slider
slider schrieb:Die Welle hat zu Beginn einen Drehimpuls von 0. Ziel ist es ihr einen Drehimpuls x>0 zu verschaffen. Der Drehimpuls wird dann vom Motor über das Drehmoment an die Welle übertragen.
Ja.
slider schrieb:Und von den Parametern des Motors sowie der Welle (z.B. deren Festigkeit) hängt ab wie groß das Drehmoment sein muss.
Jain.
Das drehmoment gibt an wie schnell sich der Drehimpuls ändert.

Wenn wir zu drehimpuls x kg m^2 /s wollen dann brauchen wir dafür ein drehmomoent
x kg m^2/s^2 eine Sekunde lang
oder eines x/2 kg m^2/s^2 für 2 sekunden.

Die genauen Eigenschaften der Welle kommen an einer anderen Stelle mehr zum tragen.
1)Der Motor hat ja nicht die magische Eigenschaft erzeuge dremoment.
Das ist nur das was wir von ihm wollen.
Was er in wirklichkeit tut is ZB ein Magnetfeld erzeugen dass dann auf die Welle wirkt.
Das erzeugt dann eine Kraftverteilunge...die viele Eigenschaften hat...eine Eigenschaft der Kraftverteilung isd das drehmoment

Und Eigenschaften wie die Festligkeit bestimmen dann wie die Welle auf die andere eigenschatten der Kraftverteilung reagiert... Sagen wir mal versuchst das mit einer welle wie gummi...
Die würde sich schon drehen wenn du ein Drehoment machst
Gleichzeitig verbiegt sie sich aber auch ganz schrecklich.

2) Die Welle hat einen Trägheits moment
Dieses Trägheitsmoment verbindet die winkelgeschwindigkeit mit dem drehmonent...
Wie schnell sich die Welle also wirklich dreht wenn man ein Drehmoment eine gewisse Zeit darauf losgelassen hat hängt auch von dem Trägheitsmoment ab.


Für fortgeschirttende:(Ich weiss nicht wie gut du in Mathe bist)
Eigentlich ist es ein Trägheits tensor
Es gilt
Dreimpuls(Vektor)=Trägheitstensor(Matrix) mal Winkelgeschwindigkeit(Vektor)

Die Erhaltungsgrösse der drehbewegung ist eigentlich der drehimpuls
Aber bei einer Achse um die sich etwas dreht hält man die winkelgeschwindigkeit fest
Du möchtest also wirklich gerne dass Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit in die gleiche richtung zeigen damit die Welle nicht ganz schrecklich eiert und wahrscheinlich das Getriebe zerstört

Aus diesem Grund sollte die Achse in die gleiche richtung zeigen wie ein eigenvektor des Trägheitstensors. Wenn man das tut(und das macht jeder) dann kann man auch so rechne als wäre der Trägheitstensor eine einfache Zahl.


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 00:01
@slider

was du gerade versuchst neu zu erfinden gibt es schon. Man nennt es SysML. Das ist ein sehr mächtiges Tool welches ganz viele Anwendungen hat, so zb auch Systemmodelierung.

Man kann dort auch Alles in Teil-Module aufteilen (Motor, Welle, Getriebe, Gehäuse etc...)
Jedes Modul hat Ein- Ausgänge, sowie Zustandsgrößen und Eigenschaften.

Es klingt tatsächlich exakt nach dem was ihr braucht.


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iwok
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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 00:13
@slider
slider schrieb:Ich möchte technische System modellieren bzw. sozusagen ein Modellierungssprache entwickeln.
willst du so etwas wie UML entwickeln. gut, ich bin kein anwendungsentwickler, aber es soll ganz locker von der hand gehen "graphisch" software zu erstellen und die dann in entsprechenden code umwandeln .... je nach gewünschter programmiersprache ...

oder willst du so etwas wie CAN bus ( kommt z.b. in autos vor ) entwickeln... also ein kommunikationsprotokoll ? muss das ISO/OSI "kompatibel sein?
Wikipedia: CAN_Bus
Wikipedia: CANopen

rein theoretisch lässt sich das bestimmt auch als PAP darstellen ....
hmm evtl versteh ich dich aber auch nur falsch :)


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 08:46
@trololol
@iwok

Ja, im Grunde gehts genau darum. Ich kenne SysML und UML. Da diese beiden Tools aber leider nicht mit unseren Analyse-Tools kompatibel (im Sinne von Datenaustausch) sind, geschweige denn (Modellierung überhaupt) flächendeckend eingesetzt werden, muss ich mir eine eigene "Krücke" bauen.

Zudem ist man sich in meinem Berufsfeld nicht ganz einig, was eigentlich eine Funktion ist. Wie schon gesagt, wir sind eigentlich keine ausgebildeten Modellierer.
Beispiel Elektromotor:
- Phasenspannung verarbeiten
- Spannung in Drehmoment wandeln
- Drehmoment ausgeben
- Welle drehen

Alles nicht falsch ... aber halt nicht einheitlich.
Daher kam mir die Idee eine Funktion so zu definieren, dass sie eben die AUSWIRKUNG beschreibt, die ein Element in einem System auf ein anderes Element hat. Also nicht, was im inneren des Elementes passiert (Spannung zu Drehmoment) und auch nicht was der Ausgang ist (Drehmoment). Sondern eben welche Zustandsänderungen ein Element in anderen Elementen des Systems erzielen will. Denn das ist mMn genau das, was eine Funktion ausdrücken soll.


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 09:58
@slider
slider schrieb:Die Welle hat zu Beginn einen Drehimpuls von 0. Ziel ist es ihr einen Drehimpuls x>0 zu verschaffen. Der Drehimpuls wird dann vom Motor über das Drehmoment an die Welle übertragen. Und von den Parametern des Motors sowie der Welle (z.B. deren Festigkeit) hängt ab wie groß das Drehmoment sein muss.
Jetzt kommt es noch darauf an, wie du das modellieren willst. Soll die Welle eine idealisierte Welle sein, die keine Masse besitzt? Dann wäre der Drehimpuls des Motors immer 0, da der Drehimpuls von der Masse abhängt, die sich da dreht (und wie die Masse verteilt ist).

An diese ideale Welle kann man ja dann massebehaftete Objekte ankoppeln, sodaß sich daraus dann wieder ein Drehimpuls ergibt, der aber eben von dem angekoppelten Objekt abhängt und kein reiner Parameter vom Motor ist.

Wenn die Welle eine Masse haben soll, dann ergibt sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein Drehimpuls der Welle, mit dem man allerdings wenig anfangen kann.

Also was ich sagen will: Man kann einem Motor keinen Parameter mitgeben, der sagt "So und soviel Drehimpuls kommt aus dem Motor heraus". Als Motoreigenschaft würde ich erstmal nur die Umdrehungsgeschwindigkeit sehen. Und natürlich das Drehmoment, das kommt tatsächlich aus dem Motor heraus.

War das nun hilfreich? Hm.

Z.


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iwok
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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 17:16
slider schrieb:muss ich mir eine eigene "Krücke" bauen.
das klingt nach einer komplexeren sache / aufgabe.
slider schrieb:Zudem ist man sich in meinem Berufsfeld nicht ganz einig, was eigentlich eine Funktion ist.
vollkommen egal, wenn man das objekt orientiert angeht. also in der objekt orientierten programmierung gibt es nur noch methoden... dann muss man sich auch nicht mehr weiter damit rumschlagen ob es jetzt eine prozedur sein soll oder eine funktion... das ergibt sich dann einfach durch die lösung des problems :D :)


so wie ich es jetzt verstehe willst du so etwas entwickeln, dass es dem anwender ermöglicht verschiedene bauteile auf ein diagramm / blatt / seite zu "klatschen" (also einzufügen), welche dann untereinander "funktional" verknüpfbar sind.
damit meine ich, man kann zu den verschiedenen objekten / bauteilen, je nach art werte bzw. eigenschaften definieren um dann zu sehen wie sich das im gesamten auswirkt.

hmm, also ich kenne jetzt speziell kein CAD programm, dass das so macht; aber ich tippe mal drauf, dass das mit AutoCAD so möglich sein könnte.
aber eventuell ist das ja dann schon zu komplex und du willst etwas einfacheres im stil diverser cisco-netzwerk-simulations software (habe den namen dazu vergessen, aufjedenfall lassen sich da halt netzwerke grafisch "bauen" und dann kann man da halt checken was wie wo konfiguriert wird und welches routing protokoll verwendet wird, etc )
oder halt noch einfacher ---> quasi wie in Visio, nur dass die bauteile (shapes) die man dann aufs diagramm klatscht untereinander einflüsse haben.
in meiner ausbildungszeit hatten wir mal so ein programm verwendet, da konnte man ganz ähnlich elektronische schaltpläne "planen" und auch die zustandsgrößen der bauteile ändern (leider habe ich auch hierzu den namen des programms vergessen ^^* ) und dann hat sich das ganze halt relativ simpel dimensionieren lassen. also man konnte schnell zustandsgrößen ändern und die auswirkungen auf die einzelnen komponenten wurden ersichtlich (simuliert).

*ich denke mal das hieß croco-clips, oder so... naja, alles in allem hat das mittlerweile einen anderen namen (das nennt sich mittlerweile Yenka) und ist viel größer bzw umfangreicher geworden, mit 3D ansicht und allem möglichem schnick schnack den es damals noch nicht gab ...
damals war das noch ziemlich simpel und einfach, man hat halt seine schaltung auf ein weißes feld gebracht und konnte dann halt schauen was wie wo sich verändert wenn man bestimmte kenngrößen geändert hat. also auch wann ein bauteil überlastet wird...

allerdings gab es zu dem croco-clips nicht unbedingt eine script-sprache, das war alles rein grafisch (jedenfalls haben wir das so verwendet)...

naja und wahrscheinlich willst du, dass man sich eigene bauteile selbst definiern kann.
letzteres würde ich als getrenntes problem angehen...
also dafür einen extra editor erstellen.

alles in allem würde ich sowas in einer objektorientierten programmiersprache realisieren wollen..

„Pertaining to a technique or a programming language that supports objects, classes, and inheritance.“

„Bezieht sich auf eine Technik oder Programmiersprache, welche Objekte, Klassen und Vererbung unterstützt.“

– ISO/IEC 2382-15[4]
quelle: Wikipedia: Objektorientierte_Programmierung#Definition

also c++ oder soetwas in die richtung (da gibt es diverse günstige, auch kostenfreie compiler / entwicklungsumgebungen)

eventuell verstehe ich dich da aber auch leicht falsch, weil das doch wieder was anderes ist wie UML...


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 22:35
@slider
Guck dir vielleicht mal Modelica an (Wikipedia: Modelica). Du kannst dein System objektorientiert modellieren, indem du die Zusammenhänge als relativ einfache Gleichungen eingibst.

Wenn du z.B. einen Widerstand modellieren willst brauchst du nur die Omsche Gleichung:

model widerstand
extend singlePort;
param Real R;
equation
R*i = v;
end model;

Das funktioniert z.B. auch für Getriebe, da würdest du dann die Drehmomentgleichungen aufstellen. Dein Simulationstool sorgt dann bei der Lösung der DGL immer dafür, dass die Bedingungen erfüllt sind. Die Spannung in deinem Elektromotor löst dann sozusagen die Drehung der Achse aus, mit allen Trägheiten usw.

Zusammenarbeit mit Matlab/Simulink ist durch FMI möglich.

Gruß,
didi2002


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iwok
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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 22:57
ja, ich glaube Wikipedia: Modelica ist das was slider sucht ...
jedenfalls habe ich mir mal kurz Wikipedia: SimulationX angeschaut (wird im modelica wiki-artikel verlinkt ) und es scheint genau in die passende richtung zu gehen ...


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 23:05
Ja SimulationX und Dymola sind aber leider extrem teuer. Eine kostenlose Alternative ist OpenModelica. Alle greifen auf die selbe Standard-Library zurück.


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iwok
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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 23:07
didi2002 schrieb:Ja SimulationX und Dymola sind aber leider extrem teuer.
irgendwie hab ich mir das schon gedacht als ich im wiki-artikel dazu etwas von "autodesk" schnittstelle gelesen hab ....


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Physikalische Modellierung

08.08.2014 um 23:43
Bei uns nutzen die Ingenieure für so etwas Matlab Simulink, ist aber ziemlich teuer.


http://www.mathworks.de/de/help/physmod/sdl/ug/driveline-example-model.html


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Physikalische Modellierung

11.12.2018 um 22:23
Wow! Einfach nur wow!

Ich habe nichts valides beizutragen in diesem Thread. Ich möchte nur mal meine Bewunderung dazu äußern.
Genau dafür mag ich Almystery. Ich bin quasi Laie (genauer, gelernter KFZ-Mechaniker (der letzte Jahrgang soweit ich mitbekommen habe) ), und ich interessiere mich insofern selbstverständlich auch für Physik bzw für die Naturgesetze.
Aber ich liebe es auf die vielen von Unwissenden betitelten "selbsternannten Experten" zu stoßen.

Ich traf random auf diesen Thread. Aber beim durchlesen verstand ich gleich worum es geht und konnte zeitgleich mit-schlussfolgern und bekam folgend meine Bestätigung, zumindest zu dem Teil den ich verstehe.

Naja, was ich aber nebenbei feststellen durfte dabei, war die Erkenntnis dass es so einfach sein kann die Naturgesetze so wie sie sind und allgemein anerkannt sind bestätigt zu bekommen. Da kann im grunde kein Schwurbler aus dem Eso-Bereich oder sonstwelche Schwurbler gegenanspinnen. Vonwegen "über den Tellerrand schauen" und so. Sollen die doch mal mit ihren alternativen Ansichten genau sowas bewerkstelligen.

Ich nutze diesen Thread im Grunde nur um darüber zu philosophieren, vielleicht auch im Neid es nicht so weit geschafft zu haben ;)

Bewundernd mit freundlichsten Grüßen
Skagerak :-)


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