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Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Zimmermann

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Erstellt: Tue, 16 Jul 2019 23:03:44 +0200 in 0.0486 sec


Credo, Tanj;
Untersuchung des dynamischen Verhaltens biologisch-inspirierter Reizaufnehmer unter Randdämpfung in der taktilen Sensorik - 128 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Tasthaare treten unter anderem in der Schnauzenregion von Nagern auf. Sie bestehen aus einem Follikel-Sinus-Komplex mit intrinsischer Muskulatur und der Vibrisse. Die Vibrisse ist der sichtbare Teil des Tasthaares. Als Nahsinnorgan dienen sie zur Orientierung im Raum und zur Erkennung von Objekten. Ziel ist es, die Objektabstandsdetektion mit biologisch nahen Modellen zu realisieren, um die Ergebnisse in die Entwicklung von taktilen Sensoren einfließen zu lassen. Die vorliegende Arbeit handelt von der Entwicklung und der detaillierten Analyse neuer Vibrissenlagerungen. Vibrissen werden als Biegebalken modelliert. Zu Beginn wird ein Einblick in die Biegeschwingungstheorie von Euler-Bernoulli-Balken mit kleinen Auslenkungen gegeben. Der mathematische Formalismus zur Bestimmung der Eigenwerte und zugehörigen Eigenkreisfrequenzen wird an drei einführenden Beispielen erläutert. Im Folgenden wird der Stand der Technik analysiert. Hierbei stehen die Biologie eines Tasthaares und seine aktuellen bionischen Modelle im Fokus. Die entwickelten Modelle beziehen sich auf die linksseitige Lagerung eines Biegebalkens. Es wird zunächst von einem fest und rotationsviskoelastisch gelagerten Balken ausgegangen. Durch diese Lagerung wird die Bewegung des Follikel-Sinus-Komplex modelliert. Als Erweiterung dieses Modells wird dann das Festlager durch eine Translationsviskoelastizität ersetzt. Die Translationsviskoelastizität modelliert die Elastizität der Haut und der intrinsischen Muskulatur. Die Analyse der entwickelten Modelle erfolgt zunächst analytisch, wobei von einem konstanten Querschnitt ausgegangen wird. Um die Ergebnisse und das aufgetretene atypische Verhalten der analytischen Berechnung des Eigenkreisfrequenzspektrums zu verifizieren bzw. zu falsifizieren, werden die Modelle im Anschluss mit Hilfe der Mehrkörperapproximationsmethode untersucht. Bis zu diesem Zeitpunkt wird von einer zylindrischen Vibrisse ausgegangen. Biologische Vibrisse besitzen einen konischen Längsschnitt. Dieser wird mit Hilfe einer linearen bzw. einer exponentiellen Funktion für die technische Vibrisse nachgebildet. Die Analyse der Eigenkreisfrequenzspektren erfolgt mit Hilfe der Mehrkörperapproximationsmethode. In den bisherigen Analysen besitzen alle Modelle ein freies rechtes Ende. Daher wird zum Schluss die Objektabstandsmessung betrachtet. Hierbei wird die jeweils rechte Seite der Modelle auf einem, entlang der Balkenachse verschiebbaren Festlager für starre Objekte bzw. einer, entlang der Balkenachse verschiebbaren Translationsviskoelastizität für elastische Objekte gelagert. Die Abhängigkeit des Frequenzspektrums von den Kontaktparametern wird analysiert und diskutiert.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/837156424credo.txt
Ackermann, Lisa;
Parameteranalysen beim statischen und dynamischen Biegeverhalten von vorgekrümmten, konischen Reizaufnehmern in der taktilen Sensorik - 243 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Viele bekannte Tierarten besitzen einen erweiterten Tastsinn über sogenannte Vibrissen. Diese modifizierten Körperhaare sitzen vorwiegend im Schnauzenbereich des Tieres und liefern ihm durch eine Verformung an Objekten und Hindernissen zusätzliche Informationen über die Umgebung. Forschungen im Bereich der Sensor- und Aktorbionik haben sich das Ziel gesetzt, Vorteile und relevante Eigenschaften der natürlichen Vibrisse für technische Innovationen zu nutzen. Hierfür ist unter anderem eine genaue Kenntnis über das Biegeverhalten der Vibrisse notwendig. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Analyse des statischen und dynamischen Biegeverhaltens von technischen Vibrissen, insbesondere im Hinblick auf deren natürliche konische Form. Ausgehend von den allgemeinen Grundlagen der entsprechenden Biegetheorien wird das Modell einer einseitig eingespannten, zylindrischen Vibrisse auf verschiedene konische Vibrissen erweitert. Hierbei findet sowohl eine lineare als auch exponentielle Durchmesseränderung Berücksichtigung. Des Weiteren werden entsprechend des natürlichen Vorbilds neben vollen auch hohle Profile betrachtet. Letztere werden dabei durch eine innere und äußere Durchmesseränderung beschrieben und ermöglichen damit zusätzliche Geometrievariationen. Anhand der gefundenen Geometrien erfolgt die Herleitung der entsprechenden Verformungsdifferentialgleichungssysteme. Das statische und dynamische Biegeverhalten wird in Abhängigkeit von verschiedenen geometrischen Parametern untersucht und verglichen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die Konizität der Vibrisse hierbei im Vergleich zu einer zylindrischen Vibrisse einen großen Einfluss auf das Biegeverhalten besitzt. Gemäß der biologischen Struktur einer Vibrisse, welche aus drei Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht, wird das Modell im Anschluss auf ein Mehrschichtsystem erweitert und der Einfluss verschiedener Elastizitätsmodule der Schichten analysiert. Ein bestehendes Modell zur Simulation der Objektabtastung durch eine Vibrisse wird bezüglich der konischen Vibrissenform erweitert. Dabei werden die entsprechenden Observablen, das heißt, die Lagerreaktionen, die während der Objektabtastung an der Einspannung der Vibrisse entstehen und in einem Experiment gemessen werden können, sowie der Fehler innerhalb der Profilrekonstruktion berechnet. Diesbezüglich erfolgt eine Analyse des Einflusses der Konzität auf die Lagerreaktionen und das Fehlerverhalten. Während die konische Form der Vibrisse in den Simulationen einen großen Einfluss auf die generierten Observablen besitzt, so wird der Rekonstruktionsfehler durch eine veränderte Geometrie kaum beeinflusst. Ausgehend von den gefundenen Zusammenhängen zum Biegeverhalten konischer Vibrissen werden die Vor- und Nachteile der vorgestellten Geometrieformen diskutiert. Eine erste Beispielrechnung bringt zusätzlich die natürliche Vorkrümmung einer Vibrisse mit der konischen Geometrie in Verbindung.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/837151309acker.txt
Krone, Karl-Heinz Herbert;
Modellbildung und Schwingungsanalysen von mechanischen Bewegungssystemen inspiriert durch ein Vibrissenfeld - 143 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Vibrissen sind die taktilen Sensoren für Ratten und andere Säugetiere zur Erkennung von Objekten und Erkundung der Umgebung. Sie sind unter der Haut in einem Follikel-Sinus-Komplex gelagert, der einer viskoelastischen Lagerung gleicht. Bei Ratten gibt es im Bereich der Schnauzenregion eine Ansammlung von Vibrissen, die durch die dort vorkommende Muskulatur über ihre Follikel-Sinus-Komplexe miteinander gekoppelt sind. In bisherigen Arbeiten wurden häufig Modelle einzelner Vibrissen betrachtet und analysiert, jedoch gibt es nur wenige Arbeiten über die Kopplung von Vibrissen bzw. den Vibrissenfeldern. Die bisherigen biologischen Modelle von Vibrissenfeldern sind sehr detailliert und daher für Mechanik und Bionik ungeeignet. Deshalb werden in dieser Arbeit Vibrissenfelder in geeigneten Abstraktionsstufen entwickelt, mathematisch beschrieben und analysiert. Dazu werden neue Modelle für Einzelvibrissen mit Follikel-Sinus-Komplex benötigt. Ein erstes Modell besteht aus einem, über eine Feder indirekt erregtem Loslager und einer Vibrisse, die auf diesem Loslager drehbar gelagert ist. Ein weiteres Modell ist eine Vibrisse, die in einer Vibrissendose gelagert ist. Die Vibrissendose ist dabei ebenfalls drehbar gelagert und wird indirekt über eine Feder erregt. Danach werden durch Kombination der Modelle der Einzelvibrissen Modelle zu Vibrissenfeldern entwickelt und analysiert. Dazu werden zunächst zwei Loslager miteinander über Translationselastizität gekoppelt und die darauf gelagerten Vibrissen mittels einer Torsionselastizität ebenfalls direkt miteinander gekoppelt. Ein weiteres Modell besteht aus einem Vibrissenfeld aus zwei in Vibrissendosen gelagerten Vibrissen. Die Vibrissendosen sind ebenfalls mit einer Translationselastizität gekoppelt und die Vibrissen mit einer Torsionselastizität. Damit lässt sich die Bewegung des Vibrissenfelds dem natürlichen Vorbild annähern. Die Analyse der entwickelten Modelle besteht aus der Untersuchung der Systemverhalten bei indirekter Erregung über eine Feder. Durch Einführung eines Regelmoments werden die Vibrissen in eine vorgegebene Bewegung versetzt und dann das Verhalten in verschiedenen Bewegungsmodi und beim Einwirken von Kräften untersucht. Das Regelmoment simuliert dabei, wie die Follikel-Sinus-Komplexe die Vibrissenbewegungen beeinflussen können, während sie durch die Muskulatur erregt werden. Durch die Analyse der Modelle konnte festgestellt werden, dass sich das Vibrissenfeldmodell mit indirekter und direkter Kopplung der Vibrissen zur Nachbildung des biologischen Vorbilds eignet.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/837148820krone.txt
Behn, Carsten; Loepelmann, Peter; Steigenberger, Joachim
Analysis and simulation of adaptive control strategies for uncertain bio-inspired sensor systems. - In: Mathematics in engineering, science and aerospace - Cambridge : Cambridge Scientific Publ, ISSN 20413165, Bd. 6 (2015), 3, S. 567-588

We consider mechanical systems, that are not known precisely. In detail, we assume that the system parameters are unknown (uncertainty of system). Moreover, we allow for uncertainties with respect to perturbations from the environment (ground excitations). Such (non-linearly perturbed) systems need adaptive controllers which achieve a pre-defined control objective. Almost all known controllers offer the same drawback: (possibly unboundedly) monotonically increasing gain parameters. For application it is necessary to design improved adaptation laws. We present numerical simulations of several models primarily in application to a bio-inspired sensor model.



Wilke, Steven;
Simulation der Dynamik unwuchtiger mehrteiliger Rotoren im Antriebsstrang - 127 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit dem Auswuchtvorgang von mehrteiligen Gelenkwellen. Nach einem Überblick über den aktuellen Stand der Technik folgen Betrachtungen der theoretischen Grundlagen zum Verständnis des Themenkomplexes des Auswuchtens. Da eine unwuchtbehaftete Gelenkwelle negative Auswirkungen auf den Fahrkomfort und die Lebensdauer benachbarter Baugruppen haben kann, ist der Auswuchtvorgang von entscheidender Bedeutung. Hierbei ist die zu erreichende Wuchtgüte von den verwendeten Gelenken abhängig. Zur Beurteilung des Auswuchtvorganges wird ein Simulationsmodell der Gelenkwelle mit dem MKS - Programm alaska erstellt und der Einfluss konstruktiver Parameter auf das dynamische Verhalten untersucht. Durch das Auftreten von Axialspiel eines Kreuzgelenks bzw. Radialspiel im Längenausgleich wird eine Unwucht der Gelenkwelle simuliert und jene Auswirkungen auf die Wuchtgüte in den Ausgleichsebenen untersucht. Neben der Variation jener Parameter erfolgt die Betrachtung des Einflusses der Lagersteifigkeit des Zwischenlagers einer zweiteiligen Gelenkwelle auf den Auswuchtvorgang. Anhand der Auswertung der Simulationsergebnisse werden Schlussfolgerungen getroffen, die für die Auswahl der Gelenke und das Ausmaß von Axial- bzw. Radialspiel von Bedeutung sind.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/834609975wilke.txt
Kräml, Jonas;
Simulative Lenkungsauslegung in der frühen Phase der Fahrdynamikentwicklung - 79 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015

In dieser Arbeit soll das Simulationstool GAST1 Grundauslegungsstufe 1) der BMW Group, welches zur Grundauslegung in der Fahrdynamikentwicklung eingesetzt wird, um die Möglichkeit zur Bewertung der Lenkungseigenschaften eines Fahrzeugs erweitert werden. Hierzu wird zunächst ein Lenkungsmodell entwickelt, welches unter Nutzung der verfügbaren Datensätze und Ausgangsgrößen anderer Teilsysteme relevante Lenkungsgrößen bestimmt. Die Validierung des Lenkungsmodells auf Basis der Zahnstangenkraft als zentrale Größe der Lenkung wird im Vergleich mit dem etablierten Referenzfahrzeugmodell ISAR für quasi-statische und dynamische Fahrmanöver durchgeführt. Anschließend wird ein einfaches Reifenmodell entwickelt, welches das Bohrmoment des Reifens in Abhängigkeit von der Radlast abbilden kann. Dies ist erforderlich, um während des Parkiervorgangs die resultierende Zahnstangenkraft zu berechnen. Um die Berechnungskomplexität und die Anzahl der notwendigen Parameter gering zu halten, müssen Vereinfachungen getroffen werden (bspw. eine konstante Druckverteilung im Reifenlatsch). Zur Validierung des Reifenmodells wird der Verlauf der Zahnstangenkraft über dem Zahnstangenhub während des Parkierens zum einen mit Messdaten und zum anderen mit Mehrkörpersimulationsergebnissen (ADAMS) verglichen. Zur Auswertung der funktionalen Größen der Servoeinheit (Servoleistung und Servokraft) sollen das gebremste Parkieren und das Sinuslenken bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 80km/h betrachtet werden. Hierfür werden das entwickelte Lenkungsmodell und das entwickelte Reifenmodell verwendet. Abschließend werden zur Ableitung des Servokennfeldes zwei Parametrisierungsoptionen für den Verlauf des Lenkmoments über der Fahrzeugquerbeschleunigung erstellt. Dabei soll sowohl ein fahrzeuggeschwindigkeitsunabhängiges, als auch ein fahrzeuggeschwindigkeitsabhängiges Servokennfeld generiert werden.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/834515121kraem.txt
Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Popp, Jana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Material transport of a magnetizable fluid by surface perturbation. - In: Journal of magnetism and magnetic materials : MMM. - Amsterdam : North-Holland Publ. Co., ISSN 0304-8853, Bd. 395 (2015), S. 67-72

Faenger, Bernd; Becker, Felix; Brandl, Michael; Fränzel, Norbert; Fremerey, Maximilian-Otto; Köhring, Sebastian; Lawin, Meike; Lutherdt, Stefan; Michaelis, Anne; Weichert, Frank
Mobilitätssysteme für Best Ager (50plus): neue Präventionsansätze - Update 2014. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - Quedlinburg : Bussert & Stadeler, ISBN 978-3-942115-35-3, (2015), S. 355-375

Ringler, Elmar;
Experimentelle und nummerische Untersuchung von frequenzabhängiger Materialdämpfung in Balken - 86 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit frequenzabhängiger Materialdämpfung in Balken. Hierzu werden frei und erzwungene Biegeschwingungen von Balken aus Stahl und Aluminium untersucht. Im Grundlagenteil werden Dämpfungsphänomene und Modelle vorgestellt. Der Schwerpunkt wird auf die in ANSYS verfügbaren Beschreibungsformen gelegt. Es folgt die analytische Betrachtung eines gedämpften Ein-Massen-Schwingers, um den Einfluss viskoser Reibung nachzuvollziehen und typische Effekte zu wiederholen. Anschließend werden die experimentellen Aufbauten, Messverfahren und gewonnenen Ergebnisse beschrieben. Dämpfungswerte werden aus Ausschwingvorgängen und aus Frequenz-Amplituden-Verläufen der zu erzwungenen Schwingungen angeregten Balken bestimmt. Dazu wurde ein elektromagnetischer Schwingungserreger benutzt. Die ermittelten Werte liegen deutlich über den Materialdämpfungswerten aus der Literatur. Grund hierfür ist die starke Fügestellendämpfung an der nicht idealen Einspannung. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Werten, die durch FE-Simulationen ermittelt wurden verglichen. Dabei kamen verschiedene Dämpfungsmodelle zum Einsatz.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/832364711ringl.txt
Zhao, Xin;
A contribution to the computer aided development of an electrical window regulator system : mechatronic models, parameter identification and numerical simulations - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2015 - Online-Ressource (PDF-Datei: XX, 192 S., 23,03 MB). Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2015

Die Arbeit orientiert sich daran, Modelle und Simulationen von elektrischen Fensterhebersystemen zu entwickeln. Das Ziel ist ein verbessertes Verständnis des Systemverhaltens und Einfluss von Parametern zu erlangen. Vor dem Hintergrund, dass Fensterhebersysteme komplizierte mechatronische Systeme darstellen, wird die Simulation als Werkzeug vermehrt eingesetzt. In dieser Arbeit werden verschiedene Simulationen von mechatronischen Systemen auf unterschiedlichen Ebenen verglichen. Applikationen von Fensterhebersimulationen werden zusummengefasst und bewertet. Basierend auf dieser Auswertung wurde die Systemsimulation mit der Modellierungssprache, VHDL-AMS, als Methode ausgewählt. Bevor sich tiefgründig mit der Modellierung von Fensterhebersystemen beschäftigt wird, soll zuvor ein stark abstrahiertes analytisches Modell für die Bewertung des dynamischen Verhaltens erstellt werden. Grundlegend besitzt das Modell 2 Freiheitsgrade und besteht aus 2 Massen, die über eine Feder und einen Dämpfer verbunden sind. Eine Masse stellt die Glasscheibe und die andere die Massenträgheit des Motorankers dar. Mit der Mittelwertmethode wird das analytische Modell hinsichtlich der Stabilitätsbedingungen untersucht. Die Modellbildung des Fensterhebersystems beginnt mit der Aufteilung des Systems in einzelne Komponenten, basierend auf deren Funktion. Die Komponenten, wie z.B. elektrische Motoren, Hebemechaniken, Türrahmen, Elektroniken, etc., werden untersucht und anschließend Modelle erstellt, um ihre elektrische oder mechanische Funktionsweise zu beschreiben. Abhängig von der Komplexität wird die Technik der Modellierung ausgesucht, zum Beispiel physikalische oder verhaltensmäßige Modellierung oder eine Kombination von beiden. Die Parameter der Modelle wurden anhand von gesammelten Informationen von Komponentenlieferanten, existierenden Datenbanken und Messungen ermittelt. Komponentenmodelle wurden anhand von Messdaten verifiziert, z.B. Motorkennlinie. Die Systemsimulation beschäftigt sich mit der Integration von allen Komponentenmodellen in eine Simulation und imitiert Ausführung der Fensterhebersysteme in verschiedenen Lastfällen. In einer konkreten Applikation wurden die Ergebnisse der Messung und der Simulation anhand der Werte von wichtigen Signalen, die den Status des Systems abbilden, wie zum Beispiel Drehzahl und Strom des Motors, verglichen. Außerdem wurde die Einklemmschutzfunktion quantitativ durch Messung der Einklemmkräfte bei verschiedenen Spannungen verglichen. Trotzdem sind die Simulationen nicht auf die demonstrierten Beispiele dieser Arbeit limitiert. Teilsystemsimulationen mit dem Schwerpunkt auf der Untersuchung von Komponenten können auch mit den Komponentenmodellen entwickelt werden.



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