Studienabschlussarbeiten

Diese Arbeit befasst sich mit der Schwingungsanalyse von balkenähnlichen Strukturen. Anhand von mechanischen Modellen, die auf Vibrissen von Ratten und Mäusen basieren, soll ein Beitrag zur Abstandsdetektion mithilfe mechanischer Sensoren geleistet werden. Die bereits in der Literatur bestehenden Modelle werden verbessert und realistischer gestaltet: Die Elastizität des Follikel-Sinus-Komplexes (Lagerung der Vibrisse) und der Hautaustrittsstelle, sowie und der konische Verlauf werden berücksichtigt und deren Einfluss auf die dynamische Analyse wird bestimmt. Der Follikel-Sinus-Komplex ist durch eine Feder- und Dämpferbettung, die Hautaustrittsstelle durch eine diskrete Feder-Dämpfer-Paarung, der konische Verlauf durch drei Durchmesser und der Objektkontaktpunkt durch ein Festlager dargestellt. Außerdem werden zusätzlich unterschiedliche Arten der Lagerung (Einspannung, Festlager, Frei) betrachtet. Aufgrund der Komplexität des Modells erfolgt eine erste Einteilung in konservative und nicht konservative Systeme. Bei den konservativen Systemen werden drei Modelle untersucht. Hierbei wird der Einfluss von verschiedenen Parametern auf den Verlauf der Eigenwerte bestimmt. Außerdem werden drei Algorithmen entwickelt. Diese sollen mithilfe der Eigenwerte die Objektdistanz eindeutig bestimmen. Als erstes wird für die Analyse der Zusammenhang an den Übergangsstellen zwischen den Eigenkreisfrequenzen hergeleitet. Als zweites erfolgt die Aufstellung der Funktionen der Verschiebung mithilfe der Beziehung zwischen den Eigenwerten und Eigenkreisfrequenzen. Als letztes werden die Rand- und Übergangsbedingungen aufgestellt. Im Anschluss an die konservativen Systeme werden die nicht konservativen Systeme betrachtet. Hierbei werden als erstes drei Modelle mit einem diskreten Dämpfer und als zweites drei Modelle, mit einer Dämpferbettung betrachtet. Außerdem kann durch eine Veränderung der Dämpferkonstante (Veränderung der Lagerbedingungen) der Einfluss auf den Verlauf der Eigenkreisfrequenz bestimmt werden. Dazu wird als erstes der Zusammenhang an der Übergangsstelle zwischen den Separationsvariablen hergeleitet. Anschließend erfolgt die Aufstellung der Funktionen der Verschiebung mithilfe der Beziehung zwischen den Eigenwerten und Eigenkreisfrequenzen. Als letztes werden die Rand- und Übergangsbedingungen aufgestellt. Den Abschluss der Ergebnisse dieser Arbeit bildet ein experimenteller Aufbau, so dass Messungen die Anwendbarkeit der entwickelten Algorithmen gewährleisten und validieren.

In der folgenden Bachelorarbeit wird das Thema "Entwicklung eines Lagerungssegments für Schulteroperationen" untersucht. Es wird eine Neukonstruktion, Optimierung und rechnerische Auslegung eines medizinischen Produkts dargestellt. Dabei ist das Ziel, vorhandene Nachteile zu reduzieren und wenn möglich zu beseitigen. Zu Beginn erfolgt eine Vorstellung des aktuellen Modells. Dazu gehören eine Analyse von Nachteilen im Praxiseinsatz und der Vergleich mit Modellen von Mitbewerbern. Anschließend erfolgt die systematische Entwicklung eines neuen Schulterlagerungssegments bis hin zu einem ersten Funktionsmuster. Der Entwicklungsprozess beginnt mit dem Schreiben eines Lastenhefts. Darauf aufbauend folgt eine Prinzipfindung mit anschließendem Variantenvergleich und sicherheitsgerechter Dimensionierung. Das Ergebnis dieser Arbeit bildet eine CAD erstellte Lösung eines ersten Funktionsmusters. In einem Ausblick werden Probleme sowie Verbesserungspotential erläutert.

Der Einsatz von Abgasturboladern ermöglicht die Effizienzsteigerung und das Downsizing von Verbrennungsmotoren. Um die Entwicklungskosten für diese Komponenten gering zu halten, wird in der heutigen Forschung und Entwicklung verstärkt auf numerische Simulationsprogramme zurückgegriffen. Mit Hilfe dieser Programme können, bereits ohne kostenintensive Versuche mit Prototypen, erste aufschlussreiche Untersuchungen an einer Neuentwicklung durchgeführt werden. Die Einsatzbedingungen von Abgasturboladern sind, bedingt durch den motornahen Einbau in den Abgasstrang, dominiert von einer hohen thermisch-zyklischen Beanspruchung sowie von Motorschwingungen. Eine realitätsnahe theoretische Abbildung des Systemverhaltens erfordert eine Nachbildung des sich durch den Betriebszustand einstellenden Belastungszustandes mit niedrigem Abstraktionsgrad. Die Entwicklung derartiger theoretischer Modelle ist Stand aktueller Forschungsarbeiten. In dieser Arbeit erfolgen numerische Untersuchungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode zum dynamischen Verhalten des Abgassystems mit Fokus auf den Abgasturbolader unter dem Einfluss von thermischen Belastungen. Hierbei steht der Einfluss der Lage und Anzahl der Befestigungselemente auf das Schwingungsverhalten und den Beanspru-chungszustand des Abgassystems im Vordergrund. Zudem werden Maßnahmen zur Optimierung der Rechenzeit vorgestellt und bewertet.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation eines zweistufigen Bördelvorgangs von Hydrolagerhülsen mit Hilfe der nichtlinearen Finiten Elemente Methode. Die Simulation wird dabei mit einem empirischen Versuch des Umformvorgangs verglichen. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Konstruktion des bei dem Bördelvorgang eingesetzten Versuchswerkzeuges erläutert. Die anschließende theoretische Beschreibung des Umformprozesses erfolgt unter Einbeziehung verschiedener Abstraktionsstufen. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Simulation mit denen des Experimentes verglichen. Abschließend sollen zukünftige Aufgaben und Vorschläge zur Modellerweiterung bzw. -verbesserung diskutiert werden.

Bei der Verstellung der Sitzhöhe in Kraftfahrzeugen kommen manuell oder elektrisch angetriebene Viergelenkketten zum Einsatz. Gegenstand der vorliegenden Master-Arbeit sind Konzepte und Auslegungen für verschiedene Bestandteile dieses Mechanismus. Im Hinblick auf die steigenden Anforderungen in den Bereichen Komfort, Leichtbau und Fahrzeugsicherheit sowie des sinkenden verfügbaren Bauraums im Fahrzeuginneren steht die Sitzentwicklung vor neuen Herausforderungen. Für die Anbindung der Sitzhöhenverstellung an die Sitzschienenverstellung, welche die Gestelldrehpunkte des Mechanismus darstellen, werden Konzepte gefunden und bewertet, die eine möglichst kompakte Ausführung des Sitzunterbaus ermöglichen. Die Auslegung der Antriebskinematik wird für jeweils einen manuellen und einen elektrischen Ritzelantrieb durchgeführt. Dabei werden Längen und Winkellagen variiert und deren Einfluss auf die Antriebskennlinien geprüft. Ein Abgleich mit den Grenzwerten der vorhandenen Standardantriebe erfolgt genauso wie die Prüfung des Einsatzes einer Unterstützungsfeder. Das Knickverhalten der Übertragungshebel wird für verschiedene Profile und Werkstoffe untersucht. Ziel ist eine möglichst hohe Knickstabilität. Um die künftige Auslegung zu ermöglichen, werden für den Bereich der plastischen Knickung Materialversuche durchgeführt und bisher unbekannte werkstoffspezifische Kennwerte ermittelt. Ein zusammenfassender Überblick zeigt die Möglichkeiten einer optimierten Auslegung des Gesamtsystems auf.

Die vorliegende Masterarbeit behandelt die Formfindung vorgespannter, nachgiebiger Strukturen mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Verwendung der geometrisch nichtlinearen Theorie. Dafür werden die notwendigen Grundlagen zur numerischen Mathematik zusammengefasst und die Gleichungssysteme für geometrisch nichtlineare Fachwerke hergeleitet. Anschließend werden verschiedene Lösungsverfahren an nicht vorgespannten Strukturen erprobt und an ausgewählten Tensegritätsstrukturen angewendet. Zu diesem Zweck werden verschiedene Programme mit dem numerischen Berechnungsprogramm MATLAB entwickelt und erläutert. Die Ergebnisse werden mit der FEM-Software ANSYS verifiziert.

Eine angestrebte verbesserte Energieeffizienz zukünftiger Kraftfahrzeuge erfordert die Nutzung neuer Antriebsstrategien. Die Entwicklung von Elektrohybridkonzepten ist ein aktuelles Forschungsthema. Im Rahmen der Masterarbeit wurde das Kraftstoffsparpotential eines kompakten Elektromotors im Antriebsstrang eines Personenkraftwagens in Matlab/Simulink untersucht. Es erfolgte die Modellierung der dazu benötigten Elektromotoren und deren Integration in ein vorgegebenes Gesamtfahrzeugmodell. In verschiedenen Simulationsreihen wurde eine optimierte Steuerung für die einzelnen Hybridfunktionen entwickelt. Ein Vergleich der Hybrid-Verbrauchswerte mit dem Verbrauch des Referenzfahrzeugmodells ohne Hybridantrieb wurde erbracht. Anschließend wurden konstruktive Entwurfsideen zur abkoppelbaren mechanischen Anbindung des Verbrennungsmotors aufgezeigt.

Die vorliegende Master-Arbeit befasst sich mit der Auslegung eines CFK-Monocoques für einen elektrisch betriebenen Formula SAE Rennwagen. Der Wunsch nach Leichtbau bei gleichzeitig höherer Torsionssteifigkeit des Rahmens setzt hohe Anforderungen an das verwendete Material und Bauweisen. Hierzu wurden zunächst grundlegende Zusammenhänge in einer Literaturrecherche zusammengetragen und so ein Allgemeinverständnis zur Auswahl von geeigneten Materialen und Halbzeugen aufgebaut. Danach wurde mittels numerischer Simulationsmethoden eine Belastungsermittlung durchgeführt. Hierzu entstand ein Simulationsmodell in Ansys Workbench, welches das Fahrwerk, die Überrollbügel, den Heckrahmen und das Monocoque enthält. Anschließend erfolgte die Auslegung mit Schwerpunkt der Bestimmung der Faserorientierung in Ansys Composite PrepPost. Ein Prototyp des im Rahmen der Arbeit entworfenen Monocoques wurde durch das Team StarCraft e.V. gefertigt.

Neben der Mobilität von Robotersystemen spielt der Leichtbau zukünftiger Systeme eine immer größere Rolle. Ausgehend von dem biologischen Vorbild, dem menschlichen Arm, wurde im Rahmen der Masterarbeit ein Ultraleicht-Assistenzarm ausgelegt und konstruiert. Auf Grund des biologischen Vorbildes wurden spezielle Anforderungen an das System gestellt. Dazu gehören unter anderem die Forderung nach einer hohen Nachgiebigkeit und einem Freiheitsgrad von fünf. Es wurden weitere Systemeigenschaften realisiert, wie zum Beispiel eine mechanische Gewichtskraftkompensation. Nach der Konstruktion erfolgte eine Analyse des Arbeitsraums sowie des Bewegungsbereiches des Roboterarms.

Viele Säugetiere, insbesondere nachtaktive oder in dunkleren Umgebungen lebende Tiere, verfügen in Ergänzung ihres Seh-, Tast-, und Hörsinns über das komplexe Zusatzsinnesorgan der Vibrisse. Dieses, auch als erweiterter Tastsinn beschriebene Sinnesorgan, ermöglicht es den Tieren, Reize (z. B. Windstöße, Wirbelstraßen und Berührungen) passiv wahrzunehmen. Einzelne Tiere, wie etwa Ratten, sind darüberhinaus in der Lage, ihre Tasthaare aktiv einzusetzen, um genaue Informationen über Oberflächen und Objektformen ihrer direkten Umgebung zu gewinnen. - Neben der neuronalen Verarbeitung der Reize sind die mechanischen, insbesondere die dynamischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung für die Funktion der Vibrisse. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist sowohl für ein genaues Verständnis der Funktionsweise, als auch für eine erfolgreiche technische Umsetzung des biologischen Vorbilds im Sinne der Bionik Grundvoraussetzung. Dazu leistet diese Arbeit einen Beitrag, in dem sie die relevanten mechanischen Grundlagen zusammenstellt, analysiert und hinsichtlich der Bedeutung für das biologische Vorbild interpretiert. - Ausgehend von einem möglichst allgemeinen, aber nicht über das biologische Vorbild hinausgehenden Ausgangspunkt, werden die Schwingungsdifferenzialgleichungen für Biegeschwingungen von Balken großer Auslenkung bei klein bleibender Verformung unter Berücksichtigung von Schubverfomung, Rotationsträgheit sowie Längskraft hergeleitet. Aus diesen lassen sich die linearen Schwingungsdifferenzialgleichungen für kleine Auslenkungen des Euler-Bernoulli-Balkenmodells gewinnen, welche die Grundlage für die Betrachtungen dieser Arbeit bilden. Im Anschluss werden zunächst Biegeschwingungen von Balken unter Axiallast näher untersucht, da diese möglicherweise für eine technische Umsetzung von Bedeutung sein könnten. Daran anschließend wird der Fall eines einseitig eingespannten Balkens mit konisch verjüngendem Ringquerschnitt, ähnlich der Vibrisse, diskutiert. Zur Untersuchung der Bedeutung der viskoelastischen Lagerung des Haares, von der man annimmt, dass die Tiere diese aktiv beeinflussen, wird abschließend ein einfaches Vibrissenmodell betrachtet und ausführlich analysiert. Die Besonderheit der mathematischen Behandlung liegt dabei in der Berücksichtigung der Randdämpfung. - Die Übertragung der aufgezeigten theoretischen Zusammenhänge auf die Vibrisse bestätigen, dass die konische Form des Vibrissenhaares von entscheidender Bedeutung für das aktive Erkunden der Umgebung ist. Darüberhinaus kann ein Lagerarbeitspunkt festgestellt werden, welcher für eine mögliche technische Umsetzung von Vorteil ist.