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Created on: Tue, 04 Oct 2022 23:06:11 +0200 in 0.0903 sec


Henning, Stefan;
Modellbasierte Entwicklung von Methoden, Algorithmen und Werkzeugen zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2022. - 1 Online-Ressource (XXI, 184 Seiten, Seite XXIII-LV). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 7)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Nachgiebige Mechanismen sind in technischen Anwendungen weit verbreitet, insbesondere in der Robotik, Präzisions-, Mess- und Medizintechnik. Ihr Verformungsverhalten wird maßgeblich durch die Gestaltung ausgewählter nachgiebiger Strukturabschnitte, beispielsweise durch die gezielte Reduktion der Querschnittsabmessungen, beeinflusst. Die Bewegung des Mechanismus erfolgt vorwiegend durch Biegung dieser Abschnitte. Die Berechnung des Verformungsverhaltens unter dem Einfluss äußerer Belastungen stellt aufgrund von geometrischer Nichtlinearität eine anspruchsvolle Aufgabe bei der Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen dar. Daher wird in dieser Arbeit ein Beitrag zur analytischen Modellbildung und damit zum Analyse- und Syntheseprozess geleistet. Die Modellgleichungen werden für ebene und räumliche Anwendungsfälle gegeben. Mit Hilfe dieser können nachgiebige Mechanismen mit variierenden Querschnitten, Krümmungen, Werkstoffen und Verzweigungen charakterisiert werden. Für die Betrachtung beliebiger Mechanismen werden die Gleichungen in einer rekursiven Form gegeben. Aufgrund von Strukturabschnitten unterschiedlicher Querschnitte werden, über reine Biegung hinaus, auch Querkraftschub und Querkontraktion im Modell berücksichtigt. Es werden Untersuchungen durchgeführt um zu definieren, wann diese Effekte, in Abhängigkeit der Geometrie, zu berücksichtigen sind. Auf Basis dieser Untersuchungen werden Empfehlungen für die zu verwendende Theorie gegeben. Durch die Formulierung der Gleichungen in einer einheitlichen Form wird ermöglicht, die Theorie für einzelne Abschnitte eines nachgiebigen Mechanismus individuell anzupassen. Weiterhin wird das Modell durch Beispielmechanismen für zwei- und dreidimensionale Anwendungsfälle mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode und experimentellen Untersuchungen validiert. Dabei werden die Empfehlungen der einzusetzenden Theorie angewendet. Daraufhin werden Algorithmen zur Dimensionierung einzelner Festkörpergelenke und nachgiebiger Mechanismen gegeben. Dadurch kann deren Bewegungsverhalten im Hinblick auf konkrete Zielkriterien verbessert werden. Abschließend werden die Methoden in drei eigenständig ausführbare Softwarewerkzeuge implementiert, die frei zur Verfügung gestellt sind. Durch deren Entwicklung wird ein Beitrag zum Entwurf sowie zur Analyse und Synthese von Festkörpergelenken und nachgiebigen Mechanismen geleistet.



https://dx.doi.org/10.22032/dbt.53126
Zentner, Lena; Henning, Stefan; Fröhlich, Thomas;
Design of compliant mechanisms based on rigid-body mechanisms. - In: Romanian journal of technical sciences, ISSN 2601-5811, Bd. 67 (2022), 1, S. 61-78

The design of compliant mechanisms is a much more complicated task than their analysis. Consequently, there are many more methods available for the analysis of compliant mechanisms than for their synthesis. In this article, a contribution to the synthesis of compliant mechanisms is made by presenting a comparison of two different methods for their design. In both methods rigid-body systems are used as a basis for compliant mechanisms. Depending on the task of the compliant mechanism, one of these methods can be selected and applied. The deviations between the results of the used theory and measurement results as well as FEM results are less than 5.5 % for displacements and acting forces. Selected mechanisms for the realization of a straight-line motion of a point and for given relative motions are presented as examples.



Platl, Vivien; Zentner, Lena;
An analytical method for calculating the natural frequencies of spatial compliant mechanisms. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 175 (2022), 104939, S. 1-17

Compliant mechanisms are becoming increasingly important in both research and industry. The design and the static analysis of such mechanisms has made much progress in recent years, yet comparatively little research has been done on their dynamic behaviour. The aim of this paper is to advance the dynamic analysis of spatial compliant mechanisms by pursuing the calculation of their natural frequencies. So far, their determination is only possible with time-consuming 3D-FEM simulations or via pseudo-rigid-body models and Lagrangian equations. An analytical method is developed to simplify and accelerate the calculation of the natural frequencies of compliant mechanisms. The method is integrated into an algorithm on which a graphical user interface is developed to allow the design and calculation of the system in the most time efficient and intuitive way. The results are verified by 3D-FEM simulations and validated through an experiment. The evaluation shows good agreement with the reference models. The results of this paper allow a reliable and efficient calculation of natural frequencies and serve to facilitate further work regarding the dynamic analysis of compliant mechanisms.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2022.104939
Harfensteller, Felix; Henning, Stefan; Zentner, Lena; Husung, Stephan;
Modeling of corner-filleted flexure hinges under various loads. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 175 (2022), 104937, S. 1-11

Compliant mechanisms are widely applied in precision engineering, measurement technology and microtechnology, due to their potential for the reduction of mass and assembly effort through the integration of functions into fewer parts and an increasing motion repeatability through less backlash and wear, if designed appropriately. However, a challenge during the design process is the handling of the multitude of geometric parameters and the complex relations between loads, deformations and strains. Furthermore, some tasks such as the dimensioning by means of optimization or the modeling for a controller design require a high number of analysis calculations. From this arises the need for sufficient computational analysis models with low calculation time. Existing studies of analysis models are mostly based on selected load cases, which may limits their general validity. The scope of this article is the comparison of models for the analysis of corner-filleted flexure hinges under various loads, to determine their advantages, disadvantages and application fields. The underlying methods of the study can further be used to evaluate future models based on a broad selection of possible load cases.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2022.104937
Platl, Vivien; Lechner, Leo; Mattheis, Thomas; Zentner, Lena;
Development of a calculation tool for the natural frequencies of planar compliant mechanisms :
Entwicklung eines Berechnungstools für die Eigenfrequenzen von planaren nachgiebigen Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75420
Henning, Stefan; Zentner, Lena;
Analytical calculation of the deformation behavior of spatial compliant mechanisms :
Analytische Berechnung des Verformungsverhaltens räumlicher nachgiebiger Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75435
Jahn, Hannes; Henning, Stefan; Zentner, Lena;
CoMSys - a GUI-based calculation tool for the analysis and optimisation of compliant mechanisms :
CoMSys - ein GUI-basiertes Berechnungstool zur Analyse und Optimierung nachgiebiger Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75432
Torres Melgarejo, Mario André; Henning, Stefan; Zentner, Lena; Theska, René;
On the influence of geometrical deviations of flexure hinges on the trajectory behaviour of straight-line compliant mechanisms for ultra-precision applications :
Zum Einfluss von geometrischen Abweichungen von Festkörpergelenken auf das Bahnverhalten von nachgiebigen Geradführungsmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75447
Luo, Yinnan; Zirkel, Marten; Römer, Ulrich J.; Zentner, Lena; Fidlin, Alexander;
Improving energy efficiency of bipedal walking using nonlinear compliant mechanisms. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100197, S. 1-3

A method to improve the energy efficiency of a bipedal robot by coupling its thighs with compliant smart mechanisms is introduced. The walking gaits are driven by electric motors in its revolute joints, whose reference trajectories are generated via numerical optimization. The optimized nonlinear characteristic of the compliant mechanism modifies the free oscillation frequency of the system that matches the current double step frequency even under different conditions, which results in a very high energy efficiency.



https://doi.org/10.1002/pamm.202100197
Zirkel, Marten; Luo, Yinnan; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena;
Synthesis of a compliant system from a given curve :
Synthese eines Nachgiebigen Systems mit gegebener Kennlinie. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 87-88

https://doi.org/10.17185/duepublico/74063