Entwicklung eines Prüfstandes zur realitätsabbildenenden Erzeugung von niederfrequenten extrinsischen Schwingungen zum Zwecke der Charakterisierung des Schwingungsverhaltens von Operationsmikroskopen. - 128 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Eine Vielzahl von operativen Eingriffen wird inzwischen mittels Unterstützung von Operationsmikroskopen durchgeführt. Dabei sind die Anforderungen an die mechanischen Komponenten der Stativsysteme bezüglich Positioniergenauigkeit und Positionstreue gegenüber extrinsischen Schwingungseinflüssen erwartungsgemäß hoch. Gängige Störgrößen sind extrinsische Schwingungen im Frequenzbereich von 4-14 Hz, hervorgerufen beispielsweise durch Klimaanlagen, Aufzüge, Schritte oder Straßenverkehr. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Schwingungsprüfstands für die Stativsysteme der Operationsmikroskope zur Charakterisierung des Schwingungsverhaltens und Identifikation schwingungsrelevanter Größen. Dazu werden zunächst auf der Grundlage eines entwickelten Mehrkörpermodells die Eigenfrequenzen des Stativsystems mit Hilfe einer Modalanalyse ermittelt. Daraufhin werden die Anforderungen bezüglich der Anregung des schwingungsfähigen Systems analysiert, mit denen die schwingungsrelevanten Größen, u.a. die Eigenfrequenzen, mit Hilfe des zu entwickelnden Prüfstands abgebildet werden können. Kernaufgabe ist hierbei eine Identifikation dieser Größen im Frequenzbereich zu ermöglich. Dies setzt eine klare Trennung der Anregungsfunktion von der schwingungsrelevanten Größen umfassenden Übertragungsfunktion voraus. Die analysierten Anforderungen beziehen sich in erster Linie auf die Anregungsrichtung des Systems und die Anregungssignale, welche die Eingangssignale der Prüfung darstellen. Als Ergebnis der Arbeit folgte ein Gesamtkonzept, welches die definierte periodische Schwingungsanregung, Schwingungsmessung und Auswertung des transienten Messsignals mittels diskreter Fouriertransformation umfasst.
Entwurf und Untersuchung des dynamischen Verhaltens einer aktiven Schwingungsdämpfung mittels elektrodynamischer Antriebe. - 29 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Untersuchung und Optimierung des dynamischen Verhaltens einer Zentrifuge, welches mittels aktiver Schwingungsisolation verbessert werden soll. Im ersten Teil der Arbeit wird das dynamische Verhalten mit Hilfe eines Mehrkörpersimulationsprogrammes untersucht. Dazu werden mehrere Mehrkörpermodelle erstellt. Durch eine Simulation des dynamischen Verhaltens werden die Eigenfrequenzen des technischen Systems ermittelt. Im zweiten Teil werden die Simulationsergebnisse validiert, dazu wird ein Testaufbau realisiert. Die Untersuchung des Prüfobjektes wird auf die Bereiche der simulativ ermittelten Eigenfrequenzen eingegrenzt. Die Erfassung der Bewegung erfolgt mittels zweier Beschleunigungssensoren. Die Ergebnisse werden in Diagrammen und Lissajous-Figuren dargestellt und unter Zuhilfenahme der theoretischen Grundlagen der mechanischen Schwingungen bewertet. Im Betriebsfall wird die Zentrifuge durch eine Unwucht angeregt. Die Reduzierung der Auswirkung der Unwuchterregung in einer medizinisch genutzten Zentrifuge wird durch den Einsatz von Aktoren erreicht. Diese werden neben den passiven Elementen parallel angeordnet. Das Ergebnis der Arbeit bildet die Grundlage für die weitere Optimierung des dynamischen Verhaltens der Zentrifuge. Darauf aufbauend können in den nachfolgenden Simulationen gezielt Lösungsmöglichkeiten untersucht werden um die auftretenden Schwingungserscheinungen zu mindern.
Beiträge zu strukturdynamischen Untersuchungen von biegeschwingenden Kontinua mittels linearer und nichtlinearer Modelle. - 49 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Diese Arbeit gibt einen kurzen Überblick über die kontinuierliche lineare und nichtlineare dynamische und statische Theorie von Biegeproblemen. Dabei liegt ein Fokus auf Verständlichkeit und Anwendbarkeit. Deshalb sind die genutzten Maple-Skripte auf Anfrage erhältlich. Nach kurzer Erläuterung der Definition und Begriffe wird auf die wissenschaftliche Methode eingegangen. Der Hauptteil der Arbeit ist untergliedert in statische und dynamische Modelle, die nacheinander vorgestellt, voneinander abgegrenzt und schließlich ineinander überführt werden. In einem die Arbeit begleitenden Beispiel werden die Auswirkungen von Steigkeitsänderungen diskutiert und die Validität der genutzten Modelle hinterfragt. Mehrfach wird in der Arbeit auf die richtige Anwendung der Modelle eingegangen. Wichtig ist hierbei, dass die Grundlagen richtig vermittelt werden und das Verständnis der Modelle entsteht. Die Mathematik steht dann als Hilfsmittel zu Verfügung. Um den Überblick zu behalten, wird für jedes Modell gezeigt, wie es andere Modelle erweitert und wie es auf diese zurückgeführt werden kann. Ein Ausblick liefert zu guter Letzt weitere Informationen über Forschungsfelder innerhalb der mechanischen Biegetheorie und interessante Anwendungsgebiete.
Entwicklung und Erprobung eines kaskadierten wurmartigen Lokomotionssystems. - 96 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Inbetriebnahme eines kaskadierten wurmartigen Lokomotionssystems. Im ersten Teil wird das biologische Vorbild dieses Roboters dargestellt und dessen Fortbewegungsart erläutert. Weiterhin werden die Stärken und Schwächen des Roboters und ähnlicher wurmartiger Bewegungssysteme beschrieben. Danach werden die theoretischen Grundlagen der Wurmrobotik dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Berechnungsalgorithmus zur Generierung verschiedener Bewegungsmuster hergeleitet. Als Experimentierumgebung ist ein Aufbau notwendig, auf dem sich der Roboter fortbewegen kann. Dazu werden im dritten Teil Kriterien ausgearbeitet, nach welchen drei entworfene technische Prinzipe verglichen werden. Die konstruktive Realisierung des gewählten Prinzips wird ausführlich dargestellt. Weiterhin wird eine Software präsentiert, welche entwickelt wurde, um den Roboter mit verschiedenen Bewegungsmustern komfortabel ansteuern zu können. Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst und zukünftige Aufgabenfelder aufgezeigt.
Untersuchung des dynamischen Verhaltens und die konstruktive Verbesserung einer Zentrifuge. - 66 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegenden Bachelorarbeit befasst sich mit der Untersuchung des dynamischen Verhaltens und der konstruktiven Optimierung einer Zentrifuge. Zur systematischen Umsetzung des Themas werden Schwingungsmessungen mit verschiedenen Rotoren durchgeführt, die entstehenden Ergebnisse mit Hilfe der Theorie über mechanische Schwingung bewertet und auf dieser Grundlage neue Lösungsmöglichkeiten zur Entkopplung von Rotor und Gehäuse entwickelt. Beim Durchlaufen der laut Herstellerangaben maximalen Drehzahlbereiche kommt es in bestimmten Bereichen zu starken Geräuschbelastungen. Dies lässt auf eine fremderregte Schwingung des Gehäuses durch den Rotor schließen. Mit Hilfe eines Beschleunigungssensors werden Messreihen aufgenommen und ausgewertet. Die entstehenden Kurven werden anhand der Schwingungstechnik erklärt und darauf basierend spezielle Lösungsansätze zum Trennen von Gehäuse und Rotor entwickelt. Ein bereits bestehender Lösungsvorschlag wird im praktischen Teil der Arbeit konstruktiv umgesetzt und Messungen unter identischen Bedingungen durchgeführt. Beim Vergleich der jeweiligen Kurven, welche durch die Auswertung der Messreihen entstehen, zeigt sich eine Veränderung im Spektrum. Allerdings weisen die Kurven trotz konstruktiver Verbesserungen Schwingungsmaxima auf. Diese Schwingungsmaxima sind Ursache für die Geräuschbelastung in einem höheren Frequenzbereich. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden zwei weitere konstruktive Optimierungen erstellt. Im Folgenden müssen diese konstruktiven Vorschläge praktisch umgesetzt werden. Durch die Aufnahme von weiteren Messungen (unter identischen Bedingungen) und deren Auswertung kann gezeigt werden, ob einer der Vorschläge die optimale Lösung beinhaltet.
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische Balken zur Objektabtastung am Beispiel passiver Vibrissen unterschiedlicher Gestalt. - 97 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Eine Vielzahl von Tieren verfügt über Schnurrhaare (sogenannte Vibrissen). Robben verfügen dank dieser sich in der Schnauzenregion befindlichen Tasthaare über die Fähigkeit, auch im trüben Wasser zu jagen. Ratten und Mäuse orientieren sich mittels mechanischer Sinnesorgane, und Spinnen können sogar geringste Luftverwirbelungen mittels dieser Trichobothrien detektieren. In dieser Arbeit sollen derartige taktile Sinnesorgane aus der Biologie mit mechanischen Modellen entwickelt. Dabei spielt der elastische Balken der Kontinuumsmechanik eine wichtige Rolle. Diverse mechanische Modelle werden in dieser Arbeit vorgestellt, wobei ein Fokus auf das Biegeverhalten der Balken in Abhängigkeit von der Geometrie der technischen Vibrisse geworfen wird. Dazu werden zunächst unterschiedliche Biegetheorien nach Bernoulli (lineare und nichtlineare Biegetheorie) auf ihre Eignung zur Abbildung der Verformung von Vibrissen untersucht. Anschließend wird ein nichtlineares Biegemodell in Parameterdarstellung aufgestellt und für unterschiedliche Kraftangriffsvarianten Verformungen grafisch visualisiert, indem das System aus (nicht-) linearen Verformungsdifferentialgleichungen mit den zugehörigen Randbedingungen gelöst wird. Im Anschluss daran wird ein quasi-statischer Vorbeizug einer vorerst zylindrischen Vibrisse an unterschiedlichen Konturen (Kreisen und Parabeln) berechnet und die Observablen des Systems (die Lagerreaktionen der Einspannung) ausgewertet. Dieser Vorbeizug beschreibt das Vorbeistreichen einer Vibrisse an Objekten in Form der beobachteten Objektabtastung der realen Tiere. Für selbige Konturen schließt sich dann die Auswertung eines Vorbeizugs für konische Vibrissen an, um durch die Geometrieveränderung der Vibrisse Aufschlüsse auf den Effekt dieser in Bezug auf die Observablen zu erhalten. Die berechneten Observablen hängen essentiell von der Form und der Lage des Objektes (bzw. der Kontur) ab, was sich in zahlreichen Simulationen zeigt.
Modellbildung und Simulation von piezoelektrischen Kleinstrobotern. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit einem piezoelektrisch und in Resonanz betriebenem Lokomotionssystem. Als Antrieb dient ein zentrales, kreisförmiges Piezo-Unimorph-Element welches über drei beinartige Drahtgeometrien Kontakt zum Untergrund herstellt und durch harmonische Schwingungserregung die Fortbewegung gewährleistet. Hauptaufgabe ist es, das Bewegungsverhalten in Abhängigkeit von den Eigenfrequenzen zu klassifizieren und auf Bewegungsmuster zu untersuchen. Im Fokus steht dabei die Analyse des Einflusses der Antriebsbeine auf die Bewegungscharakteristik. Durch analytische Modellbildung, numerische Berechnungen und Vergleiche mit experimentellen Daten, soll festgestellt werden, inwiefern mit einer Variation verschiedener Parameter der Beingeometrien und deren Anbindung an das Antriebselement die Bewegung gezielt beeinflusst bzw. gesteuert werden kann.
Gelenkbildung in doppelschaligen Sandwichstrukturen unter crachrelevanter Druck-Biege-Belastung. - 179 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2013
Um die Crashsicherheit von Flugzeugen in doppelschaliger Rumpfbauweise zu verbessern, wurde ein Triggerkonzept entwickelt, mit Hilfe dessen es möglich ist, definierte Versagensstellen und -lasten gezielt zu erzeugen, was durch experimentelle Untersuchungen bereits validiert werden konnte. In der vorliegenden Arbeit wurden weitere Untersuchungen angestellt, um ein tiefgreifendes Verständnis des Belastungszustandes zu erlangen. Die für die Analyse des Biegemomenten-Druckkraft-Verhältnisses benötigten Materialdaten der Deckschichten wurden durch Zug- und Drucktests bestimmt. Um zeit- und kostenaufwändige Experimente zu vermeiden, wurde ein implizites FE-Modell erzeugt und anhand der experimentellen Untersuchungen validiert. Mit Hilfe dieses Modells wurden die herrschenden Spannungsverteilungen und Biegemoment-Druckkraft-Verhältnisse ermittelt und darüber hinaus durch die Implementierung einer Kernversagenshypothese Aussagen zum Lastniveau und zur Stelle des Kernversagens getroffen, wobei der Nachweis geführt wurde, dass globales Beulen als Versagensursache ausscheidet. Weiterhin wurde das Triggerprinzip auf seine Wirksamkeit bei mit LCF-Spanten versteiften, doppelschaligen Sandwichpaneelen analysiert. Aussagen über das Nachbruchverhalten und die Rolle der an der Energieabsorption beteiligten Komponenten des getriggerten und ungetriggerten Rumpfpaneels mit und ohne LCF-Spant-Versteifung konnten mit Hilfe expliziter Simulationen getroffen werden.
Untersuchung, Konzeption und Aufbau eines Sauggreifers für das Greifen von zylindrischen Glasobjekten. - 137 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein pneumatisch betriebener Sauggreifer zum Greifen und Halten zylindrischer Objekten entwickelt, der einen statischen Unterdruck erzeugt und somit eine Trennung zwischen Wirk- und Betriebsluft gewährleistet. Somit eignet sich die entwickelte Lösung besonders für den Einsatz in einer sterilen Umgebung, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik verlangt wird. Eine Übersicht und Begriffserklärung dient der Einordnung des entwickelten Sauggreifers und stellt seine Unterschiede zu klassischen, als Starrkörpermechanismen umgesetzten, Lösungen heraus. Weiterhin wird eine Patentrecherche zum Stand der Technik durchgeführt. Eine allgemeine Einteilung von monolithischen, nachgiebigen Greifern anhand verschiedener Merkmale und deren Ausprägungen deutet das breite Lösungsspektrum an, anhand dessen verschiedene Prinziplösungen entwickelt werden. Durch die analytische Auswertung eines vereinfachten Berechnungsmodelles können bereits erste Dimensionierungsrichtlinien erarbeitet werden. Anhand fertigungstechnischer und funktionsbezogener Kriterien wird ein Prinzip ausgewählt mit Hilfe von Simulationen in ANSYS® Workbench® optimiert und ausgelegt. Aus der Variation verschiedener Parameter und der Beurteilung der Parametereinflüsse anhand ausgewählter qualitativer und quantitativer Kriterien werden Gestaltungsrichtlinien für die Struktur abgeleitet. Durch die Anwendung der Gestaltungsrichtlinien wird eine konkrete Geometrie bestimmt, die im Rahmen von weiteren Simulationen genauer betrachtet wird. Für die Fertigung und Nutzung eines Funktionsmusters werden ein mehrteiliges Formwerkzeug sowie ein Demonstrator konstruiert. Weiterhin wird ein mögliches Sensorisierungskonzept ausgearbeitet, mit dem der Greif- und Haltezustand des Sauggreifers kontrolliert werden kann.
Untersuchung und Entwicklung von Federbügelmechanismen. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
In der vorliegenden Bachelorarbeit wird eine Freiformfeder mit spezieller Lagerungsform untersucht. Das Prinzip des vorgespannten Federbügelmechanismus, auf dem die Freiformfeder basiert, wird dabei genauer betrachtet und vorhandene Abhängigkeiten des Systems ermittelt. Die gegebenen Untersuchungsaspekte des Federbügelmechanismus werden mithilfe einer Patent- und Literaturrecherche konkretisiert und im Rahmen der Modellbildung auf das vereinfachte Federmodell und das erweiterten Federmodell übertragen. Unter Zuhilfenahme von numerischen und analytischen Berechnungsmethoden werden die Abhängigkeiten zwischen den Ein- und Ausgabegrößen des Systems analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchung werden in Form von Richtlinien zur Beeinflussung des Federbügelmechanimuses abgebildet.