Studienabschlussarbeiten

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.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird das rechte Metacoxa-Metatrochanter-Gelenk des Rüsselkäfers Trigonopterus oblongus untersucht. Dieses Gelenk zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Schraubengelenk ist, bei dem beide Gelenkpartner ein deutlich ausgeprägtes Gewinde besitzen. Um die Funktion dieses Gelenks zu verstehen, wird das Gelenk vermessen und anhand dieser Daten wird ein vereinfachtes Modell des Gelenks erstellt. Mit diesem Modell wird danach das Verhalten des Gelenks untersucht, Parallelen und Unterschiede zu technischen Gewinden werden aufgezeigt. Zum Schluss wird das Zusammenspiel zwischen Gelenk und Muskulatur betrachtet.

Fahrzeugsitze stellen eine bedeutende Schnittstelle zwischen Fahrer und Fahrzeug dar. Sie müssen nicht nur ergonomischen Randbedingungen genügen, sondern auch hohe Anforderungen an den Insassenschutz erfüllen. Unter diesen Gesichtspunkten soll die Kinematik von Höhenverstellungen in Fahrzeugsitzen untersucht werden. Zentrales Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung einer Auslegungsrichtlinie für eine solche Kinematik. Dazu werden zunächst die speziellen Anforderungen und Randbedingungen an diese Verstellung aufgezeigt. Basis für die anschließenden Untersuchungen soll der Vergleich von bestehenden Höhenverstellungs-Kinematiken bilden. Aus den aktuell zum Einsatz kommenden Mechanismen wird ein parametrisches Modell abgeleitet, um im nächsten Schritt die kennzeichnenden Bewegungsgrößen und -bahnen sowie die auftretenden Gelenkreaktionen zu berechnen. Deren funktionaler Zusammenhang mit den Hebellängen und Winkellagen der Getriebeglieder wird analytisch bestimmt. Ferner sollen Möglichkeiten zur Bestimmung der kinematischen Abmessungen untersucht werden. Unter Beachtung der Anforderungen und Randbedingungen werden geeignete Verfahren zur Getriebeanalyse und -synthese recherchiert, ausgewählt und angewandt. Mit den Erkenntnissen aus den angewendeten Analyse- und Syntheseverfahren sollen Grenzbereiche und Richtwerte für die Parameter festgelegt und eine Auslegungsrichtlinie formuliert werden. Abschließend wird die erarbeitete Auslegungsrichtlinie an konkreten Auslegungsbeispielen angewendet.

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines nachgiebigen verschiebungsgesteuerten Rotationsmechanismus für den Einsatz in einer EEG-Haube. Nach Ermittlung und Auswahl einer geeigneten Variante wurde diese hinsichtlich des Bewegungsverhaltens mittels FEM analysiert. Um später eine experimentelle Überprüfung durchführen zu können, wurde ein Formwerkzeug für die Herstellung des Mechanismus konstruiert und gefertigt.