Versuch und Berechnung von Steifigkeitsänderungen punktgeschweißter Bauteile und Strukturen im Betrieb. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In der Fahrzeugentwicklung spielt Leichtbau eine immer größere Rolle. Punktförmigen Verbindungselementen kommt dabei aufgrund ihrer hohen Anzahl in Fahrzeugkarosserien eine besondere Bedeutung zu. In der virtuellen Lebensdaueranalyse bleibt das Steifigkeitsverhalten von Punktschweißverbindungen bislang jedoch unberücksichtigt. Es liegt eine prototypische Methode zur Simulation der Steifigkeitsdegradation vor, die jedoch unvollständig und lediglich an Einelementproben und einfachen bauteilähnlichen Proben verifiziert ist. Um die Funktionalität der betrachteten Methode zu komplettieren, ist die Berücksichtigung verschiedener Beanspruchungszustände erforderlich. Es werden Versuche und Simulationen ausgewertet, um den Einfluss des Beanspruchungszustandes auf das Steifigkeitsverhalten von Schweißpunkten zu ermitteln. Anschließend werden durch eine Parameterstudie Varianten zur Umsetzung der gewonnenen Zusammenhänge ermittelt und beurteilt, um schließlich die erweiterte Funktionalität zu implementieren. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu überprüfen, erfolgt die Durchführung eines Lebensdauerversuchs an einem Karosserie-Ausschnitt und ein Abgleich der Ergebnisse. Hierzu wird zunächst eine Fahrzeugkarosserie untersucht, um Ausschnitte zu finden, die als Probengeometrie geeignet sind. Verschiedene potentielle Bereiche werden anhand von Simulationen bewertet. Ausgehend von den Ergebnissen erfolgt die Auswahl eines Karosserie-Ausschnitts, die Festlegung der Prüfbedingungen und Auswertemethoden sowie die Durchführung des Versuchs. Als Resultat liegt eine um die Berücksichtigung der relevanten Beanspruchungszustände erweiterte Methode zur Beschreibung des Steifigkeitsverhaltens von Punktschweißverbindungen vor. Ein Abgleich von im Lebensdauerversuch gemessenen und mit der Methode berechneten Resultaten zeigt die Funktionsfähigkeit der Methode. Hierbei werden lokale Dehnungsverläufe, Probensteifigkeiten sowie Rissentstehung und -fortschritt verglichen. Die Methode kann damit zukünftig auch für Simulationen von Gesamtfahrzeugen eingesetzt werden.
Finite-Elemente-Modelle für die Objektabtastung und -konturerkennung durch taktile Sensoren. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Etliche Säugetiere, wie zum Beispiel Katzen, und vor allem Nagetiere, wie Mäuse und Ratten, besitzen Tasthaare, sogenannte Vibrissen, mit denen sie die Umgebung wahrnehmen und erkunden können: Objektdistanzmessung, Objektkonturerkennung, Oberflächenrauhigkeitserfassung. Anhand dieses biologischen Vorbilds orientieren sich aktuelle Forschungen in der Bionik auf die Analyse dieser Vibrissen, um sie für technische Anwendungen in Form von taktilen Sensoren nutzbar zu machen. Diese werden oft für analytische Vorbetrachtungen durch einen einseitig eingespannten Biegebalken mit runden Querschnitt modelliert, mit welchem ein Objekt abgetastet wird oder Hindernisse detektiert werden. Dabei finden große Verformungen des Balkens statt, welche mit der Euler-Bernoulli-Theorie beschrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Observablen (Lagerreaktionen) am Fußpunkt der Vibrissen analysiert, um Rückschlüsse auf Ereignisse aus der Umgebung tätigen zu können (in dieser Arbeit: Konturerkennung und -rekonstruktion). Dazu wird mit der Finiten-Elemente-Methode ein Programm erstellt, mit dessen Hilfe in Ansys ein derartiges Vibrissenmodell berechnet wird, um die Ergebnisse mit analytischen Vorberechnungen zu vergleichen. Dies dient der Verifikation des Modells, um es anschließend auf komplexere Systeme zu erweitern, welche analytisch nur noch schwerst zu untersuchen sind. Bisher nicht oder in geringem Umfang untersuchte Eigenschaften, wie das Elastizitätsmodul oder die komplexe elastische Lagerung der Vibrissen, lassen sich mithilfe des Programms simulieren. Im Gegensatz zu bisherigen Untersuchungen werden für die Modellbildung programmtechnisch bedingt Timoshenko-Balken verwendet. Bei diesem Balkenmodell werden Schubverformungen berücksichtigt. Da diese bei Balken, deren Länge wesentlich größer als ihr Querschnitt ist (wie bei Vibrissen), vernachlässigbar sind, hat dies nur minimale Auswirkungen auf die Vergleichbarkeit: elastische Lagerung, Konizität und Vorkrümmung sowie Objektform und -abstand. Abschließend wird der Einfluss der Parameter auf die Observablen und somit deren Nutzen für technische Umsetzungen ermittelt.
Korrektur von Deformationen auf der Oberfläche eines Spiegels durch die Änderung der Erdbeschleunigung. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die Bildqualität eines Spiegels hängt von der Verformung seiner Oberfläche (Passe) ab. Eine Herausforderung ist die Deformation durch das Eigengewicht des Spiegels, bei variierender Erdbeschleunigung. Die Verformung der Spiegeloberfläche wird in der Optik in Deformationsklassen aufgetrennt. Eine an drei Punkten gleichverteilte Fassung eines Spiegels bildet die spezielle Deformation Dreiwelligkeit aus. Die vorliegende Masterarbeit ist eine Konzeptstudie zur Korrektur der Dreiwelligkeit eines Spiegels, bei einer Variation der Erdbeschleunigung. Dazu werden Prinzipe zur Lagerung des Spiegels und gezielter Deformation seiner Oberfläche entwickelt. Es werden zwei Methoden, G und K, ausgearbeitet. Die Methode G eliminiert die Dreiwelligkeit, die Methode K korrigiert sie. Eine Topologieoptimierung der beiden Spiegel erfüllt die statischen und dynamischen Anforderungen. Es folgen Untersuchungen der Lastfälle mit Hilfe der Finite Elemente Methode. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Auswertung der verbleibenden Dreiwelligkeit. Dabei konnte festgestellt werden, dass beide Methoden das Ziel einer Minimierung dieser Deformation um 70 % übertreffen. Ein Ausblick auf weitere Untersuchungen zu getroffenen Vereinfachungen der Randbedingungen rundet die Arbeit ab.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung des Effektes der magnetfeldinduzierten Plastizität bei MSE für eine Anwendung in der Greifertechnik. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die mechanischen Eigenschaften der magneto-sensitive Elastomere (MSE) werden unter dem Einfluss von Magnetfeld verändert. Wegen der magnetfeldinduzierten Plastizität ist MSE besonders geeignet für die Anwendungen in der Greifertechnik. Die MSE können sich ohne Schädigung an das Greifobjekt anpassen und unter Wirkung des magnetischen Feldes die Objektform speichern. In dieser Arbeit werden die mechanischen Eigenschaften bei MSE wie die Steifigkeit und die magnetfeldinduzierte Plastizität in Ab- und Anwesenheit des Magnetfeldes experimentell untersucht. Besonders wird der Einfluss der Magnetfeldrichtung auf das Materialverhalten bei MSE erforscht. Die Experimentergebnisse werden mit Hilfe von Finite-Element-Method nachgebildet. Zum Schluss wird ein halbkugelförmiger Endeffektor des Greifsystems entwickelt. Der Endeffektor wird aus MSE-Schicht hergestellt, der mit verschiedenen Materialien wie Luft und Öl gefüllt wird. Der Endeffektor kann sich an die Greifobjekte mit verschiedenen Formen adaptieren.
Entwicklung und Untersuchung von Lokomotionssystemen mit rollender Fortbewegung auf Basis von Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die Untersuchung von mobilen Robotern auf Basis von mechanisch nachgiebigen Tensegrity-Strukturen ist ein aktuelles Forschungsthema im Fachgebiet Technische Mechanik der TU Ilmenau. In diesem Zusammenhang wurde in Vorarbeiten ein mobiler Roboter auf Basis einer Tensegrity-Struktur mit zwei gekrümmten Drucksegmenten entwickelt, der in der Ebene durch Ausführung von rollenden und kippenden Bewegungssequenzen sich fortbewegen kann. Im Rahmen der Masterarbeit wurden theoretische und experimentelle Grundlagenuntersuchungen an einer modifizierten Variante dieses Roboters durchgeführt. Dabei stand im Vordergrund, ob durch Anwendung einer Tensegrity-Struktur mit drei gekrümmten Drucksegmenten eine Fortbewegung in der Ebene mittels nur rollender Bewegungssequenzen möglich ist.
Entwicklung und Untersuchung nachgiebiger Sensorelemente mit kapazitivem Wirkprinzip auf Silikonbasis zur Anwendung in nachgiebigen Systemen. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Herstellung eines Drucksensors auf Silikonbasis mit kapazitivem Wirkprinzip beschrieben. Dafür wurden verschiedene Elektrodenmaterialen untersucht. Als Dielektrikum wird Vario 15 Silikon verwendet. Durch das Vermischen von Zucker und Silikon kann ein mikroporöses Dielektrikum hergestellt werden. Durch den Einsatz des mikroporösen Dielektrikums wird eine Sensitivität bis S = 94 x 10-4 kPa-1 erreicht. Zur Herstellung des Dielektrikums und des Sensors ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung beschrieben. Zur Untersuchung und Erfassung der kapazitiven Veränderung des Sensors im Belastungsfall kommt eine kapazitive Vergleichsbrücke zur Anwendung. Ihr Aufbau sowie die Inbetriebnahme ist dokumentiert. Bei einer Messfrequenz von f = 1 MHz können mit der Schaltung Kapazitäten im Pikofarad-Bereich gemessen werden. Der Sensor wird nach einer vorgegebenen Prüfvorschrift mit einer Kraft bis zu F = 80 N belastet. Dabei werden die nötigen Spannungen an der Messbrücke gemessen und aus ihnen wird später die Kapazität des Sensors berechnet. Die Änderung der Kapazität normiert auf die Anfangskapazität des Sensors wird anschließend in Abhängigkeit der Kraft F bzw. des Drucks p ausgewertet und diskutiert.
Evaluation und Anpassung von Auswertungsmethoden innerhalb der FEM-Prozesskette für ermüdungsbeanspruchte Tragwerke im statischen Lastfall. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Auslegung und Berechnung von Bauteilen und Baugruppen mittels Finite-Elemente-Software birgt, je nach Größe und Komplexität der zu berechnenden Struktur, einen sehr hohen Zeitaufwand. Neben der Berechnung und der Modellerstellung hat daran auch die Auswertung der Ergebnisse einen beträchtlichen Anteil. Insbesondere die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit benötigt dazu mehrere Schritte. Um eine effiziente Prozesskette zu realisieren und deren Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten, ist in Bezug auf die Ergebnisqualität eine verlässliche wie auch zeiteffiziente Auswertemethode notwendig. In dieser Bachelorarbeit werden auf Basis der Analyseergebnisse eines Prozesses des Berechnungsdienstleisters EDAG Engineering GmbH mögliche Ansätze zur Prozess-optimierung ermittelt und diese bezüglich ihrer Umsetzung weiter ausgeführt. Im ersten Teil erfolgt mit der Auswertung durch zusätzliche kommerzielle Software neben speziellen Standardisierungsmaßnahmen und der Skriptprogrammierung eine Darstellung der Möglichkeiten zur Automatisierung des Prozesses. Als gewählter Ansatz zur Beschleunigung der Auswertung wird daraufhin im zweiten Teil die Skriptprogrammierung erarbeitet und in den Prozess implementiert. Anhand eines Tragwerkmodells, das die Anforderungen in Bezug auf die vorhandenen Verbindungselemente und die geometrische Struktur abbildet, erfolgt eine Validierung der erarbeiteten Lösung. Das in der Programmiersprache tcl/tk geschriebene Skript zur automatisierten Schrauben-auswertung mit dem Postprocessopr HyperView ® (Altair Engineering) erspart dem Berechnungsingenieur die manuelle Ermittlung der zur Berechnung der Schraubverbindung notwendigen Ergebnisgrößen. Darüber hinaus können nach den Empfehlungen der Richtlinie VDI 2230 die Sicherheitsfaktoren gegen Fließen, Flächenpressung und Dauerbruch aller Schrauben innerhalb von kurzer Zeit ermittelt werden.
Belastungsanalyse eines Antriebs- und Getriebesystems für das Weltraumlabor Ekoplasma. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Konzeptionierung von neuen Experimenten für die Verwendung auf der Internationalen Raumstation erfordert spezielle Belastungsanalysen der verwendeten Komponenten. Neben der Auslegung in Bezug auf die Verwendung in Schwerelosigkeit und den besonderen Anforderungen des Experimentes selbst, sind diese äußert wichtig um die Experimente auf ihre Beständigkeit während des Transportes zur ISS zu überprüfen. Die Arbeitsgruppe Komplexe Plasmen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelt zum Zeitpunkt dieser Arbeit das Ekoplasma Labor, welches der Nachfolger von PK-4 wird. Das Kernstück des Labors ist die Zyflexkammer, in welcher es möglich ist, komplexes Plasma zu erzeugen und in Schwerelosigkeit zu untersuchen. Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Analyse des in der Zyflexkammer verbauten Antriebs- und Getriebesystems, im weiteren Verlauf als Motionsystem bezeichnet, hinsichtlich dessen Realisierbarkeit, Funktionalität und Belastbarkeit. Es werden Versuche definiert, die die dynamischen Belastungen während des Raketenstarts und Orbitalflugs zu simulieren und es ermöglichen zu überprüfen, ob das Motionsystem auch nach den Belastungen noch funktionstüchtig ist.
Aufbau und Untersuchungen eines nachgiebigen Sensorsystems zur Normal- und Scherkraftermittlung. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Zu den Hauptfaktoren, die den Dekubitus (Wundliegegeschwür) verursachen, gehört ein lang einwirkender Druck, dessen Wirkung durch Scherkräfte verstärkt wird. Um das Risiko eines Dekubitus zu minimieren, ist es notwendig diese Kräfte rechtzeitig zu detektieren und anschließend zu verringern. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Sensorsystem zur Ermittlung der Normal- und Scherkräfte basierend auf Luftdruckänderung in Kavitäten (Luftkissen) aufzubauen. Zur Übertragung der Kräfte an die Kavitäten dienen spezielle Verformungskörper. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein Fertigungsverfahren zur reproduzierbaren Herstellung der Kavitäten entwickelt. Anschließend wurden diese gefertigt und in die Verformungskörper integriert. Das Auslesen und die Darstellung der Sensorsignale erfolgte anhand eines LabVIEW-Programms. Zur Untersuchung der Sensormatte wurde ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Abschließend wurden Experimente an der Sensormatte für unterschiedliche Belastungszustände durchgeführt und die dabei auftretenden Sensorsignale ausgewertet.
FEM-Untersuchung und -Analyse der Steifigkeitsanforderungen an Lenkräder im Insassenschutz. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die Sicherheit in unserer Gesellschaft erhält einen immer größeren Stellenwert. Dies gilt gleichermaßen für die Fahrzeugsicherheit. Systeme, die die Folgen von Unfällen vermindern oder diese gar verhindern werden zunehmend verbessert und neu entwickelt. Im Rahmen der verletzungsreduzierenden Sicherheitseinrichtungen soll die Insassensicherheit des Fahrers eines PKW im Fokus dieser Arbeit stehen. Bedingt durch die Funktion befindet sich das Lenkrad grundsätzlich in unmittelbarer Nähe zum Insassen. Somit kommt diesem Bauteil eine wichtige Bedeutung bei der Betrachtung des Verletzungsrisikos zu. Daher werden in dieser Arbeit Untersuchungen auf Basis der Finiten Elemente durchgeführt, die die Analyse von Wechselwirkungen zwischen dem Lenkrad und dem Insassen während eines Unfallgeschehens ermöglichen. Außerdem werden die maßgeblichen Eigenschaften des Lenkrads identifiziert, die dessen mechanische Steifigkeit beeinflussen und sich auf die physikalische Belastung des Fahrers auswirken. Dafür werden vor allem Szenarien mit "Worst-Case"-Charakter betrachtet, um somit auch Unfallkonstellationen zu berücksichtigen, die sich besonders ungünstig auf den Gesundheitszustand des Insassen auswirken. Abschließend werden Anforderungen an die Lenkradsteifigkeit definiert, mit denen das Verletzungsrisiko gesenkt und eine Verbesserung der Insassensicherheit erzielt wird.