Untersuchungen von Einflussfaktoren unter Einsatz einer materialspezifischen Sensitivitätsanalyse bei der FE-basierten Prozesssimulation von gewebeverstärkten Thermoplasten. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Masterarbeit wird ein neu entwickeltes Materialmodell untersucht, welches speziell für die Simulation des Umformprozesses von endlosfaserverstärkten Thermoplasten konzipiert ist. Das Ziel besteht in der Analyse dieses Materialmodells unter Einsatz einer materialspezifischen Sensitivitätsanalyse. Für ein besseres Modellverständnis sind anfangs die Eingangsgrößen des Materialmodells identifiziert und anhand der Bestandteile eines gewebeverstärkten Thermoplasts klassifiziert. Diese Eingangsgrößen wurden parametrisiert und deren Einfluss auf die Hauptbelastungszustände mittels einer Sensitivitätsanalyse ermittelt. Anschließend erfolgte eine Anpassung der Materialparameter über eine Reverse-Engineering-Anwendung, so dass das Materialverhalten in der Simulation dem der Realität bestmöglich entspricht. Das dadurch kalibrierte Materialmodell diente als Grundlage für die anschließende Erstellung einer FE-basierten Verarbeitungsprozesssimulation für ein konkretes Bauteil. Anhand dieser wurden die Einflüsse numerischer, material- und prozessspezifischer Modifikationen auf das Simulationsergebnis untersucht. Abschließend wurden die Simulationsergebnisse anhand eines Referenzmodells validiert und künftige Entwicklungsrichtungen und -aufgaben aufgezeigt.
Modellbasierte Systementwicklung eines Torsionsdämpfers und 2-Gang Starters mit der Simulationssoftware DyfaSim und deren Wechselwirkung anhand des Motorstarts. - 134 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Thema der Bachelorarbeit ist die modellbasierte Systementwicklung eines Torsionsdämpfers und eines 2-Gang Starters um das Motorstartverhalten zu verbessern. Während des Motorstarts entstehen unter anderem ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine Schwingungen, welche sich in der Fahrerkabine als Vibrationen spürbar machen. Wieso hilft eine Verbesserung beider Komponenten beim Starten einer Verbrennungskraftmaschine? Die Auslegung des 2-Gang Starters realisiert eine höhere Start-Drehzahl des Verbrennungsmotors als der konventionelle Ritzelstarter. Dadurch verringert sich die Zündphase, bei der die Resonanz zu spüren ist. Zudem verringern sich die Ausschläge der Schwingungen. Das alles generiert ein vibrationsärmeren Motorstart. Außerdem wird in der Systementwicklung die Optimierung des Zweimassenschwungrads betrachtet. Das ZMS sitzt im Antriebsstrang zwischen Motor und Kupplung und reduziert durch sein Federdämpfungssystem die entstehenden Schwingungen in der Verbrennungskraftmaschine. Dadurch, dass durch den 2-Gang Starter höhere Start-Drehzahlen erreicht werden können, können die einzelnen Parameter wie Bogenfedersteifigkeit, Massenträgheitsmomente der Schwungräder und Schmierungen im Federkanal diesen neuen Bedingungen angepasst und optimiert werden. Durch beide Verbesserungen werden Vibrationen in der Fahrerkabine stark reduziert und der Fahrkomfort während des Motorstarts wesentlich gesteigert.
Einfluss des Herstellungsprozesses auf die Unwucht von Kupplungslamellenträgern. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2015
Der Trend der Automobilindustrie führt derzeitig zum Downsizing der Antriebsaggregate und immer mehr Gewichtseinsparungen am Fahrzeug, um zukünftig geltenden Anforderungen gerecht zu werden. Durch die Reduzierung des Hubraumes, werden besonders im Sportwagenbereich immer höhere Drehzahlen benötigt, um den Leistungsanforderungen gerecht zu werden. Unter diesen Aspekten gewinnen Schwingungseffekte, insbesondere im Antriebsstrang, immer mehr an Bedeutung, da weniger Masse und geringere Trägheiten mit höherer Schwingungsanfälligkeit einhergehen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von fertigungsinduzierten Unwuchten bei der Herstellung von Kupplungslamellenträgern für Doppelkupplungen, wie sie in Klein- bis Oberklassewagen, aber auch im Bereich der Sport- und Supersportwagen vermehrt zu finden sind. Ziel war es, den Herstellprozess dieser rotationssymmetrischen Bauteile genau zu analysieren und Ansatzpunkte zur Minimierung von Unwuchten im Verlauf der Fertigung zu finden. Zu diesem Zweck wurden nach den einzelnen Prozessschritten Messungen hinsichtlich eingebrachter Unwuchten und möglicher Geometrieabweichungen durchgeführt. Anhand der sich ergebenden Menge an Messdaten wurde eine Korrelationsanalyse realisiert, um mögliche Interdependenzen zwischen einer Unwucht und geometrischen Abweichungen aufzudecken. Im Verlauf der Untersuchungen, konnte ein erheblicher Einfluss der beim Umformprozess zwangsläufig eingebrachten Eigenspannungen im Material des Lamellenträgers und sich daraus ergebenden ungewollten Verformungen bei nachfolgenden Fertigungsschritten konstatiert werden. Diese Erkenntnis wurde im Zuge der Konzeption von Optimierungsvorschlägen aufgegriffen. Mittels Versuchsreihen konnte ein deutliches Verbesserungspotential festgestellt werden. Am Ende der vorliegenden Abschlussarbeit werden relevante Ergebnisse reflektiert und Schlussfolgerungen gezogen sowie weitere Ansatzpunkte zum Umgang mit fertigungsbedingten Unwuchten in Blechumformteilen aufgeführt.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/846475316larbi.txt
Simulation des dynamischen Verhaltens von Laborzentrifugen mit Unwuchtkompensation. - 70 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des dynamischen Verhaltens einer Laborzentrifuge. Dazu werden auf der Grundlage einer ausführlichen Analyse der Zentrifuge mechanische Modelle entwickelt, welche das charakteristische Verhalten typischer Rotorsysteme wiederspiegeln. Es werden Abschätzungen bzgl. der mechanisch relevanten Systemparameter, wie z.B. der Wälzlagersteifigkeit gemacht, um die Modelle mithilfe quantitativ, realistischer Parameter zu vervollständigen. Anhand der Modelle wird das dynamische Zentrifugenverhalten mittels eines Mehrkörpersimulationsprogramms systematisch untersucht. Aus der mechanisch zweckmäßigen Forderung einer rotationssymmetrischen Masseverteilung des Zentrifugenrotors ergeben sich Einschränkungen für die Beladung der Zentrifuge. In der Praxis kann man einer gleichmäßigen Beladung nicht immer gerecht werden. Eine große Herausforderung besteht daher in der Verringerung der infolge einer Unwuchterregung auftretenden Schwingungen und dynamischen Kräfte. Die Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Zentrifuge ermöglicht eine Erhöhung der Lebensdauer mechanisch beanspruchter Bauteile (insbesondere der Wälzlager) sowie eine Minimierung der Vibrationen und Störgeräusche während des Zentrifugenbetriebes. Es werden verschiedene konstruktive Optimierungsmöglichkeiten entwickelt und miteinander verglichen, der Einfluss wichtiger mechanischer Einflussparameter untersucht und daraus konkrete Vorschläge zur Verbesserung der Zentrifugendynamik abgeleitet. Anschließend werden Möglichkeiten der Unwuchtkompensation aufgezeigt und deren Wirksamkeit in der Simulation bestätigt. Die gewonnen Erkenntnisse bzgl. einer geeigneten Wahl mechanisch relevanter Systemparameter können in einem nächsten Schritt anhand von Messungen auf deren Gültigkeit überprüft werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.