Studienabschlussarbeiten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Felge aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) für einen Formula Student Rennwagen. Ausgehend von der Betrachtung des Standes der Technik und zur Berechnung von CFK-Strukturen wurden verschiedene Lösungskonzepte entwickelt. Die theoretische Untersuchung dieser Konzepte auf Basis der Finite-Elemente-Methode bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Die Simulationen wurden mit Ansys Workbench ® und Ansys Composite PrepPost ® durchgeführt. Nach dem Vergleich und der Bewertung der Konzepte wurde mit weiterführenden Theorieuntersuchungen in mehreren iterativen Entwicklungsschritten eine Carbonfelge entworfen, welche die gestellten Anforderungen erfüllt. Im abschließenden Teil der Arbeit erfolgte die Konstruktion der zur Herstellung dieser Felge notwendigen Laminierwerkzeuge.

Die Entwicklung biologisch inspirierter, kriechender Rettungsroboter orientiert sich meist an Würmern und Schlangen als Vorbildern aus der Biologie. Seit Jahren finden am Fachgebiet Technische Mechanik der TU Ilmenau Untersuchungen zu wurmartigen Bewegungssystemen statt. Der Fokus lag dabei auf der mathematischen Modellbildung (Reibung, unidirektionale Bewegung, Aktuatoren), auf Regelungsaspekten zur optimalen Fortbewegung und auf dem Protoypendesign zur Verifikation der theoretischen Ergebnisse. Aktuelle Arbeiten versuchen die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse aus der 1d-Bewegung des künstlichen Wurms in die 2d-Bewebung einer Schlange zu übertragen. An dieser Stelle knüpft die vorliegende Arbeit an. Anders als die meisten Veröffentlichungen in der Literatur zur Thematik schlangenartige Bewegung, die meist nur den Entwurf von Prototypen beschreiben, wird in dieser Arbeit ein mechanisches Modell vorgestellt, die analytischen Bewegungsgleichungen abgeleitet und anschliessend das Berechnungsmodell numerisch für Simulationen integriert. Dabei ist es nicht das Ziel, eine Schlange eins zu eins nachzuahmen, sondern die Haupteigenschaften wurm- und schlangenartiger Bewegung zu identifizieren und in einem Modell umzusetzen (Bionik). Im Gegensatz zur Literatur fokussiert die Modellbildung passive Gelenke und die Peristaltik von Würmern, welche in dieser Arbeit zur schlangenähnlichen Fortbewegung genutzt werden sollen und neu sind in der Literatur. Es werden mehrere, zunehmend komplexe Modelle aufgestellt und simuliert, beginnend mit einer Kette von Massenpunkten. Jeder Massenpunkt repräsentiert ein Segment des Bewegungssystems, welches mit einer drehbaren Kufe versehen ist, die die no side slip-Bedingung umsetzen soll. An der Unterseite eines jeden Massenpunktes befinden sich ideale Spikes, die den Kontakt zum Untergrund definieren und die Bewegung entlang der Kufe in eine Richtung verhindern. Somit entsteht eine Vorzugsrichtung eines jeden Segmentes. Die Kufen werden gemäß\ einem vorgegebenen Mechanismus gesteuert, mit welchen sich diverse Fahrmanöver fahren lassen. Die Segmentabstände sind zeitabhängig vorgegeben. Die Gesamtheit der zeitlich vorgegebenen Segmentabstände wird Gait genannt. Unterschiedliche Gaits werden in Simulationen verglichen und die Möglichkeit des Umschaltens zwischen diversen, optimalen Gaits im Betrieb für eine optimale Fortbewegung des Systems berücksichtigt. Bei der dynamischen Beschreibung werden die Segmentabstände mithilfe von Aktoren eingestellt. Im Voraus die notwendigen Aktorkräfte zu berechnen ist nahezu unmöglich, weshalb ein adaptiver Regler genutzt wird, um die Aktorkräfte entsprechend der Gait-Vorgabe und der jeweiligen Gesamtsituation des Systems anzupassen und einzustellen. Die interne Generierung einer Veränderung der Struktur des Systems in Zusammenhang mit den Spikes als Bodenkontakt führt zu einer globalen, autonomen Fortbewegung des Systems, welche dem Vorbild der kriechenden Schlange ähnelt: undulatorische Lokomotion. Weiterhin werden Ansätze zur Formulierung eines Mehrkörper-Modells (Segment-Gelenk und Drehpunkt der Kufe sind getrennt) mittels Starrkörper-Kinematik bzw. Dynamik und zur technischen Umsetzung des speziellen Untergrundkontaktes über Spikes-besetzte Kufen vorgestellt und kritisch hinterfragt.

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung verschiedener Module für einen Versuchsaufbau zur Kraft- und Momentenmessung im Zuge der näheren Erforschung einer technischen Vibrisse. Säugetiere sind in der Lage, mit Hilfe dieser Vibrissen (sogenannten Tasthaare), Objekte und deren Strukturen zu erkennen. Die technische Umsetzung und Nutzung der Vibrisse, als taktiler Sensor, ist seit einigen Jahren Forschungsthema verschiedener Arbeiten. Der Versuchsstand setzt sich aus mehreren, unterschiedlichen Modulen zusammen. Dazu gehören unter anderem ein Gestell, eine Antriebseinheit sowie ein verfahrbarer Schlitten, an den verschiedene geometrische Messobjekte geklemmt werden können. Neben der Konstruktion und Auslegung dieser Module, erfolgt die Inbetriebnahme des Messaufbaus, wie auch eine Überprüfung hinsichtlich der Positioniergenauigkeit und Reproduzierbarkeit des Schlittens.

Die vorliegende Arbeit gibt einen kurzen Überblick über das biologische Vorbild und den derzeitigen Stand der Forschung in Bezug auf wurmartige Lokomotionssysteme. Verschiedene Sensorarten zur Bestimmung der Neigung von Testobjekten werden vorgestellt. Der Stand des Forschungsobjektes \grqq Chainbot\grqq{} an der TU Ilmenau wird erläutert, sowie welche Veränderungen an diesem im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen werden. Des Weiteren wird die Neukonzipierung der Testumgebung zur Erprobung des \grqq Chainbot\grqq{} in den einzelnen Bereichen erklärt. Auf Grundlage der Änderungen an der Wurmrobotik und der Testumgebung wird erläutert, inwieweit die Benutzeroberfläche und die Kommunikation überarbeitet wird. Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst und zukünftige Aufgabenfelder aufgezeigt.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird die Drehachsenverlagerung des Festkörpergelenks durch mathematische Verfahren analysiert. Zunächst wird das untersuchte Festkörpergelenk definiert und der Stand der Technik eingeleitet. Danach wird die mathematische Analyse der Drehachsenverlagerung nach linearer und nichtlinearer Theorie mit Berücksichtigung von Einflussgrößen (Gelenkkontur, minimale Stegdicke und Einspannungsteil) untersucht. Dabei wird die Drehachsenverlagerung mithilfe geeigneter Programme (Matlab oder "Mathematica") berechnet. Alle Ergebnisse werden in grafischer Form gezeigt und vergleichen. Schließlich werden allgemeine Gleichungen abhängig von der Kontur und den Gelenkabmessung abgeleitet.

Durch strenger werdende gesetzliche Anforderungen und den Kundenwunsch nach immer mehr Sicherheits- und Komfortsystemen, sind die Automobile in den letzten Jahren beständig schwerer geworden. Die Fahrzeugmasse hat direkten Einfluss auf den für die Fortbewegung notwendigen Energiebedarf und den daraus resultierende Schadstoffausstoß. Um diesem Trend entgegen zu wirken und die Fahrzeugmasse zu reduzieren, wird fortwährend an neuen Leichtbauwerkstoffen und Materialkonzepten. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Verbindungsstelle zwischen einer faserverstärkten Leichtbaustruktur und einem konventionellen Stahlteil. Im Detail handelt es sich dabei um die Anbindung eines Sitzgestells an einen Unterboden in CFK-Sandwichbauweise. Dazu werden verschiedene Lösungsansätze für Krafteinleitungselemente entworfen und diese mit experimentellen Entwicklungsmethoden auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Abschließend finden ein Vergleich und die Bewertung der Teile hinsichtlich der zuvor ermittelten Anforderungen statt.

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung der Simulationsmethoden zum Rüttel-Klima-Dauertest (RKD). In der Betriebsphase eines Fahrzeugs kommt es infolge von schwankenden Temperaturen und verschiedenen Schwingungsanregungen aus dem Fahrbetrieb zu einer Absenkung der Front- und Heckstoßfänger. Das Verformungsverhalten wird wesentlich durch die verwendeten Materialien und die konstruktive Gestaltung der Bauteile sowie deren Verbindungsstellen beeinflusst. Moderne Stoßfänger bestehen aus Kunststoffen, deren temperatur- und spannungsabhängige Materialeigenschaften sich auf die Stoßfängerabsenkung auswirken. Das Ziel dieser Arbeit ist es, auf der Grundlage von FE-Simulationen eine physikalisch plausible Simulationsmethode für die Stoßfängerabsenkung zu überprüfen und mit Hilfe von Versuchen zu validieren. Hierfür stehen Stoßfänger von zwei Fahrzeugmodellen sowie Schwingungsprüfstände und Klimakammern zur Verfügung. Letztlich soll der Reifegrad der Simulationsmodelle erhöht werden, um die Absenkung der Stoßfänger prognosesicher zu simulieren.

In dieser Arbeit wird das dynamische Verhalten abgesetzter, biegeschwingender Balken, welche der Euler-Bernoulli-Theorie genügen, und längsschwingender Stäbe unter dem Einfluss von diskreten, viskoelastischen Lagerungen untersucht. Um einen Zugang zu dieser Problematik zu finden, werden dabei zunächst Longitudinalschwingungen von Stäben betrachtet. Zuerst werden einfache Systeme bestehend aus einem Abschnitt betrachtet und diskrete Dämpfungspunkte am Rand zugelassen. Anschließend folgt der Übergang zu abgesetzten Stäben. Es wird bewiesen, dass jeder abgesetzte Stab eine Eigenkreisfrequenz und gegebenenfalls einen Abklingkoeffizienten für alle Abschnitte besitzt und, bei unterschiedlichen Materialparametern, unterschiedliche Eigenwerte zur Beschreibung der einzelnen Abschnitte notwendig sind. Die Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Balken erfolgt auf ähnliche Weise. Zunächst werden Balken betrachtet, welche aus nur einem Abschnitt bestehen. Anschließend werden abgesetzte Balken untersucht, bei welchen sich die Abschnitte sowohl geometrisch als auch in den Materialparametern unterscheiden dürfen. Es wird bewiesen, dass Balken mit Absätzen, genau wie Stäbe, eine Eigenkreisfrequenz besitzen. Abschließend werden einige ausgewählte Systeme bestehend aus mehreren Balkenabschnitten betrachtet und die Abhängigkeit der Eigenkreisfrequenzen von unterschiedlichen Parametern bestimmt.

Mechanische Grundmodelle eindimensionaler Kontinua wie Balken oder Wellen stellen probate Mittel zur Schwingungsuntersuchung praktischer Problemstellungen aus Technik und Natur dar. Sie dienen als Modelle zur Untersuchung von Wellen in Getrieben und Antriebssträngen, Stabilisatoren in Fahrwerken oder gebetteten Bahngleisen. Weiterhin ermöglicht ihr Einsatz auch die Analyse biologischer Strukturen wie der von vielen Säugetieren zur Erweiterung ihres Tastsinnes genutzten Vibrissenhaare. Im Fokus dynamischer Betrachtungen stehen dabei vor allem die Bestimmung der charakteristischen Größen jener Systeme: Eigenkreisfrequenzen und zugehörige Eigenformen. Da die Komplexität solcher Systeme, wie dem Vibrissenmodell, die Anwendung analytischer Lösungsmethoden ausschließt, wird häufig auf Näherungsverfahren zurückgegriffen, die in dieser Arbeit näher betrachtet werden. Zu diesem Zweck wird zunächst die Theorie längs-, dreh- und biegeschwingender, eindimensionaler Kontinua unter Voraussetzung linearer Materialmodelle hergeleitet und auf klassische Probleme angewendet. Es wird gezeigt, dass die Berechnung der charakteristischen Systemgrößen komplexer Modelle beliebiger querschnittsvariabler Träger des Einsatzes numerischer Methoden bedarf. Dabei wird die Spezifik der Abschätzungsrichtung der vorgestellten Verfahren genutzt. Während das auf dem energetischen Gleichgewicht beruhende Rayleigh-Ritz-Verfahren und die Finite-Elemente-Methode zur Bestimmung oberer Eigenkreisfrequenzschranken genutzt werden, finden die auf der Systemaufspaltung beruhenden Formeln von Southwell und Dunkerley sowie die Methode der Mehrkörpersysteme zur Approximation der Systemgrößen von unten Anwendung. Für jene vier Verfahren werden auf beliebige konservative Systeme adaptierbare Lösungsalgorithmen hergeleitet. Des Weiteren wird die Qualität der jeweils erzielten Näherung, anhand analytisch lösbarer Systeme, durch Vergleich mit der exakten Lösung bestimmt und diskutiert. Anschließend steht die Erweiterung des Untersuchungssprektrums auf nichtkonservative, reibungsbehaftete Systeme im Zentrum der Betrachtung, wobei sich die für derartige Probleme anwendbaren Approximationsverfaren auf die Finite-Elemente-Methode sowie die Methode der Mehrkörpersysteme beschränken. Neben der analytischen Betrachtung verschiedener Dämpfungsphänomene wie viskoser Bettung oder Werkstoffdämpfung werden Wege zur Erweiterung der Näherungsverfahren auf diese Dämpfungsarten aufgezeigt. Die mit den Approximationsverfahren bestimmten Schranken werden schließlich mithilfe der analytischen Lösungen verifiziert. Am Beispiel einer Rattenvibrisse wird gezeigt, dass die untersuchten Näherungsverfahren für Systeme mit kombinierten Dämpfungsarten, deren Lösung nicht analytisch berechenbar ist, eine Beschränkung der Systemgrößen erlauben bzw. für experimentell bestimmte Eigenkreisfrequenzen und Eigenformen solcher Systeme die Identifizierung oberer und unterer Schranken von Systemparametern wie Dämpfung und Steifigkeit ermöglichen. Dazu wird mittels heuristischem Ansatz unter Anwendung der Methode der Mehrkörpersysteme ein Wertepaar bestimmt, durch das die Eigenfrequenzen des Modells hinreichend nah an denen des biologischen Vorbilds liegen. Die anschließende Verifikation mittels Finite-Elemente-Methode beweist, dass die vorgestellten Näherungsmethoden zur Eingrenzung und Identifikation gesuchter Systemparameter dienen. Sie sind insbesondere dann nützlich, wenn aufgrund der Systemkomplexität keine analytische Lösung bestimmt werden kann.

Im Zuge der Entwicklung und Verbreitung von Windenergieanalgen nahm die Vielfalt als auch der Grad der Anforderungen an die benötigten Komponenten stetig zu. Daher ist für die Weiterentwicklung derartiger Windenergieanlagen die Anwendung auf dem Gebiet der Simulationstechnik von existenzieller Bedeutung. In der vorliegenden Diplomarbeit wird dabei auf verschiedene Simulations- und Optimierungsmethoden eines Windenergieanlagengetriebes eingegangen. Zudem werden zahlreiche Simulationsmethoden der jeweiligen Teilsysteme einer Windenergieanlage mit dafür ausgewählter Software und bereits bekannter Modelle vorgestellt. Des Weiteren erfolgt das Analysieren und Vergleichen bestehender Daten bekannter Hersteller und simulierter Winddaten. Ferner werden resultierende Störungen und Probleme untersucht, Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt und qualitativ ausgewertet. Zuletzt wird auf den Aspekt der Dynamik solcher Simulationsmodelle sowie auf die Lebensdauerbewertung eingegangen.