Studienabschlussarbeiten

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.

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.

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.

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.

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.

This thesis is devoted to mechanical oscillating systems. We focus on the calculating of natural eigenfrequencies of such systems and try to approximate the ones of the beams in using the ones of multi point mass systems. All mechanical systems are motivated by examples of automotive engineering. The thesis is arranged into four main chapters. First, at the beginning, we start presenting the theory of oscillations of two main mechanical system classes: beams (with continuously mass distribution) and discrete multi mass point systems. We develop and present all relevant and necessary conditions and equations to calculate the natural eigenfrequencies of such systems. - Second, we investigate the natural eigenfrequencies of beams using multi mass point systems for approximations. The analytical computation of the exact values is very complex as presented in the introduction. Therefore we try to approximate the first natural eigenfrequencies from downside. We consider two free oscillating beams: a longitudinal and a tensional vibrating one. We reduce the number of DoF to 1,2 and 3 and derive the best discrete mass distribution to get a good approximation of the eigenfrequencies from below. Third, we try to transfer the obtained results to systems of higher DoF, specify the mass distribution and numerically calculate the eigenfrequencies. - Fourth, we focus now on the difference of the eigenfrequencies of nonlinear and linear zed systems. Prototypes include a pendulum, an oscillator with nonlinear spring forces and a double pendulum.

Diese Diplomarbeit stellt neue konstruktive Ansätze auf dem Gebiet der wurmartigen Bewegungssysteme vor. Inspiriert sind diese biomimetischen Systeme vom biologischen Vorbild Regenwurm. Die apedale, undulatorische, peristaltische Lokomotion des Regenwurms wird analysiert und ist Vorlage für die technische Realisierung. Eine umfangreiche Literaturrecherche zeigt ein breites Spektrum an Prototypen und Systemen sowie deren Eigenschaften und Leistungen. Zahlreiche terrestrische Lokomotionssysteme bewegen sich geradlinig in einer Bewegungsrichtung und basieren auf symmetrischer Coulomb'scher Reibung. Im Gegensatz dazu wird bei dem neuen System eine einstellbare anisotrope Reibung nach dem Coulomb'schen Reibgesetz verwirklicht. Diese anisotrope Reibung wird durch Borsten mit gegebenem Anstellwinkel realisiert. Durch Mechanismen kann die Ausrichtung der Borsten verändert werden, so dass die geforderte richtungsselektive anisotrope Reibung gewährleistet wird. Somit kann eine Vorzugsbewegungsrichtung durch diese Anstellung der Borsten vorgegeben bzw. gesteuert werden. In Verbindung mit einem periodischen Antrieb (interne Gestaltänderung des künstlichen Wurms) führt die richtungsselektive Reibung zu einer globalen Lageänderung des Systems: Undulation. Sowohl für den Antrieb als auch für die Ausrichtung der Borsten sind verschiedene technische Prinzipe entwickelt und eine ausgewählte Lösung konstruiert worden. Die Besonderheit an diesem neuen System ist die Verwirklichung sämtlicher Teilfunktionen, d.h., des periodischen Antriebs und der Ausrichtung der Borsten, mit nur einem zentralen Antrieb.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse, Einordnung und Bewertung ebenso wie die Synthese, Entwicklung, Konstruktion und Steuerung von apedalen, undulatorischen und peristaltischen Lokomotionssystemen. Auf der Grundlage einer erarbeiteten Funktionsstruktur eines Regenwurmsegments werden bestehende Lokomotionssysteme im Hinblick auf die Umsetzung funktionaler und struktureller Zusammenhänge des Regenwurms (biologisches Vorbild) analysiert. Zwei Lokomotionssysteme (Mikrosystem und Makrosystem) werden aufgrund ihres Weiterentwicklungspotenzials näher untersucht. Die Lokomotion der beiden Systeme erfolgt auf der Grundlage einer Relativlagenänderung von Wirkelementen mit Borstenstrukturen, die eine anisotrope Reibung realisieren und in Kontakt mit der Umgebung sind. Da die Ausrichtung der sich im Eingriff befindenden Borsten nicht beeinflusst werden kann, ist sowohl bei dem Mikrosystem, als auch bei dem Makrosystem nur eine unidirektionale Lokomotion möglich. Für ein neues Lokomotionssystem werden entsprechend des konstruktiven Entwicklungsprozesses Prinzipe von Wirkelementen erarbeitet. Zwei ausgewählte Prinzipe werden realisiert. Mit Hilfe von Formgedächtnisaktoren wird Einfluss auf die Ausrichtung der sich im Eingriff befindenden Reibstruktur genommen. Dadurch wird eine bidirektionale Lokomotion ermöglicht. Die Relativlagenänderung der Wirkelemente des neuen Lokomotionssystems wird in Analogie zum Mikrosystem durch einen verstärkten Piezostapelaktor realisiert. Es werden jedoch Übertragungselemente mit verteilter Nachgiebigkeit eingesetzt. Die Auslegung erfolgt mit Hilfe einer FE-Analyse in ANSYS. Selbsterwärmungsvorgänge im Piezostapelaktor können dadurch minimiert werden. Das neue Lokomotionssystem ist damit in der Lage, im Vergleich zu dem Mikrosystem, eine längere, gleichförmige Lokomotion auszuführen. Abschließend wird das Makrosystem in Betrieb genommen. Ansteueralgorithmen werden mit Hilfe des Programms LabVIEW implementiert.

Diese Arbeit befasst sich mit Anwendung und Klassifizierung piezoelektrischer Antriebe für miniaturisierte apedale Lokomotionssysteme (ALS). Als apedale Lokomotion wird die Fortbewegung ohne Hilfe der Beine oder Räder im klassischen Sinne bezeichnet. Ein Vergleich des piezoelektrischen Aktorprinzips mit anderen Aktorprinzipien wird aufgestellt und deren relevante Vor- und Nachteile aufgezählt. Es wird gezeigt, dass die Piezoaktoren, aufgrund ihrer Eigenschaften, für den Einsatz als Antrieb in miniaturisierten ALS besonders attraktiv sind. Der piezoelektrische Effekt in verschiedenen piezoelektrischen Materialien sowie Funktionsprinzipien, Bauformen und Eigenschaften von Piezoaktoren und Piezomotoren werden dargelegt und im Hinblick auf die Applikation in ALS analysiert und bewertet. Weiterhin werden die für ALS verwendbaren Antriebsprinzipien, wie zum Beispiel der Trägheitsantrieb oder inchworm-ähnliche Lokomotion, vorgestellt. Eine Methode zum Design von miniaturisierten ALS auf Basis von Analyse der Kombinationen von Lokomotionskonzepten und Antriebs-, Übertragungs- und Wirkelementen wird entwickelt. Die Entwicklungsmethode wird am Beispiel eines regenwurm-ähnlichen Lokomotionssystems hinsichtlich der Wahl und Gewichtung von Bewertungskriterien sowie einer endgültigen Bewertung des Systems detailliert diskutiert.

Die Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der 3D-Visualisierung räumlicher Stabwerksysteme als Basiselemente für neuartige Lokomotionssysteme. Im Fachgebiet Technische Mechnik der TU Ilmenau bilden nichtklassische, bein- und radlose, Fortbewegungssysteme einen zentralen Forschungsgegenstand. Basis hierfür bilden unter Anderen komplexe Stabwerkstrukturen mit Linearantrieben, die es ermöglichen, die Schwerpunktlagen der Strukturen zu ändern und mittels dieser Schwerpunktverlagerung eine Fortbewegung dieser Systeme zu generieren. Es werden interaktive 3D-Visualisierungen dieser Systeme für die studentische Ausbildung realisiert werden. Die Softwarelösungen, die in der vorliegenden Arbeit entwickelt werden, sollen den Studierenden helfen, diese komplexen Strukturen in ihrer Funktionsweise verstehen und neue Designvorschläge selber entwickeln zu können. Neben der Lösung der grafischen und medientechnischen Aufgaben im Zusammenhang mit der 3D Visualisierung erfolgt auch eine Auseinandersetzung mit didaktischen Fragen, einschliesslich der Durchführung von Usability-Tests.