Entwicklung und Erprobung eines kaskadierten wurmartigen Lokomotionssystems. - 96 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
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.
Untersuchung des dynamischen Verhaltens und die konstruktive Verbesserung einer Zentrifuge. - 66 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegenden Bachelorarbeit befasst sich mit der Untersuchung des dynamischen Verhaltens und der konstruktiven Optimierung einer Zentrifuge. Zur systematischen Umsetzung des Themas werden Schwingungsmessungen mit verschiedenen Rotoren durchgeführt, die entstehenden Ergebnisse mit Hilfe der Theorie über mechanische Schwingung bewertet und auf dieser Grundlage neue Lösungsmöglichkeiten zur Entkopplung von Rotor und Gehäuse entwickelt. Beim Durchlaufen der laut Herstellerangaben maximalen Drehzahlbereiche kommt es in bestimmten Bereichen zu starken Geräuschbelastungen. Dies lässt auf eine fremderregte Schwingung des Gehäuses durch den Rotor schließen. Mit Hilfe eines Beschleunigungssensors werden Messreihen aufgenommen und ausgewertet. Die entstehenden Kurven werden anhand der Schwingungstechnik erklärt und darauf basierend spezielle Lösungsansätze zum Trennen von Gehäuse und Rotor entwickelt. Ein bereits bestehender Lösungsvorschlag wird im praktischen Teil der Arbeit konstruktiv umgesetzt und Messungen unter identischen Bedingungen durchgeführt. Beim Vergleich der jeweiligen Kurven, welche durch die Auswertung der Messreihen entstehen, zeigt sich eine Veränderung im Spektrum. Allerdings weisen die Kurven trotz konstruktiver Verbesserungen Schwingungsmaxima auf. Diese Schwingungsmaxima sind Ursache für die Geräuschbelastung in einem höheren Frequenzbereich. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden zwei weitere konstruktive Optimierungen erstellt. Im Folgenden müssen diese konstruktiven Vorschläge praktisch umgesetzt werden. Durch die Aufnahme von weiteren Messungen (unter identischen Bedingungen) und deren Auswertung kann gezeigt werden, ob einer der Vorschläge die optimale Lösung beinhaltet.
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische Balken zur Objektabtastung am Beispiel passiver Vibrissen unterschiedlicher Gestalt. - 97 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
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.
Modellbildung und Simulation von piezoelektrischen Kleinstrobotern. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit einem piezoelektrisch und in Resonanz betriebenem Lokomotionssystem. Als Antrieb dient ein zentrales, kreisförmiges Piezo-Unimorph-Element welches über drei beinartige Drahtgeometrien Kontakt zum Untergrund herstellt und durch harmonische Schwingungserregung die Fortbewegung gewährleistet. Hauptaufgabe ist es, das Bewegungsverhalten in Abhängigkeit von den Eigenfrequenzen zu klassifizieren und auf Bewegungsmuster zu untersuchen. Im Fokus steht dabei die Analyse des Einflusses der Antriebsbeine auf die Bewegungscharakteristik. Durch analytische Modellbildung, numerische Berechnungen und Vergleiche mit experimentellen Daten, soll festgestellt werden, inwiefern mit einer Variation verschiedener Parameter der Beingeometrien und deren Anbindung an das Antriebselement die Bewegung gezielt beeinflusst bzw. gesteuert werden kann.
Gelenkbildung in doppelschaligen Sandwichstrukturen unter crachrelevanter Druck-Biege-Belastung. - 179 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2013
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.
Entwicklung von nachgiebigen Greiferstrukturen auf Basis magnetosensitiver Elastomere. - 128 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung eines mechanisch nachgiebigen Greifers auf Basis magnetosensitiver Elastomere. Die mechanischen Eigenschaften und die Gestalt von Strukturen, bestehend aus diesen Werkstoffen, können durch Magnetfelder verändert werden. In einem ersten Schritt der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zum statisch-mechanischen Materialverhalten eines ausgewählten magnetosensitiven Elastomers, bestehend aus einem Silikon-Elastomer und Carbonyl-Eisen-Pulver, durchgeführt. Der Fokus hierbei liegt auf der Betrachtung des, für diese gefüllten Elastomere charakteristischen, Mullins-Effektes in Abhängigkeit des permeablen Pulveranteils. Anschließend werden verschiedene Greiferprinzipien diskutiert und in Hinblick auf das zu verwendende Material und elektromagnetisches Antriebsprinzip bewertet. Zum Manipulieren von empfindlichen Gegenständen werden bevorzugt Greifer auf Basis von Formschluss verwendet. Hierbei stellen sogenannte Fin-Ray-Strukturen eine vielversprechende Alternative dar. Den wesentlichen Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von Greiferfingern auf Grundlage des Fin-Ray-Effektes unter Verwendung des magnetosensitiven Werkstoffes. Die Festlegung der Gestalt der Strukturen erfolgt hierbei mit Hilfe von numerischen Untersuchungen. Zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse wird abschließend ein Greifer, mit den entworfenen Fingern, experimentell erprobt, sowie seine Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische Balken zur Objektabtastung am Beispiel passiver Vibrissen mit unterschiedlicher Lagerung. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Ratten und Mäuse sind in der Lage mit nur wenigen Berührungen ihrer mystazialen Vibrissen (Sinneshaare) Objekte zuverlässig zu erkennen. In dieser Arbeit wird das biologische Vorbild Vibrisse durch lange schlanke Balken modelliert, welche große Auslenkungen aufweisen dürfen. Der Fokus liegt dabei auf der Lagerung dieser Balken im Hinblick auf die Hypothese, dass die Tiere die Lagersteifigkeit gezielt steuern können, um unterschiedliche Aufgaben besser lösen zu können. Zuerst wird der Vorbeizug einer Vibrisse an einem streng konvexen Profil unter Verwendung einer Einspannung als Lagerung berechnet. Diese Problemstellung führt auf ein nichtlineares Randwertproblem mit singulärer Jakobimatrix. Von Beginn an wird dieses Problem weitestgehend analytisch betrachtet, was zu einer Formel für den Kontaktpunkt führt. Es wird anschließend gezeigt, dass es möglich ist, den Kontaktpunkt der Vibrisse mit dem Profil einzig aus den Observablen (Lagerreaktionen und der Position der Lagerung) zu bestimmen. Anschließend wird die starre Lagerung durch eine elastische Lagerung ersetzt. Auch dieses Problem wird analytisch behandelt und es werden Profile mit verschiedenen Federsteifigkeiten aus den Observablen rekonstruiert. Zusätzlich dazu werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich eine Änderung der Lagersteifigkeit auf die Observablen auswirkt. Auch bei sich ändernder Lagersteifigkeit ist eine genaue Bestimmung des Kontaktpunktes möglich.
Konzeption und Konstruktion eines kombiniert translatorisch-rotatorischen Aktuators für hochdynamische Anwendungen. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Lineare und rotative Motoren mit je einem Freiheitsgrad sind schon seit Jahrzehnten Stand der Technik. Antriebe, die eine überlagerte Bewegung mit zwei Freiheitsgraden anbieten (Freiheitsgrad = 2), sind jedoch großteils nur konzeptionell vorhanden und Nutzen für die Linearbewegung oftmals eine Kombination aus Motor und Gewindespindel. Die rotierende Bewegung wird von einem zusätzlichen Motor bereitgestellt. Komplizierte Getriebe überlagern beide Bewegungen, weswegen infolge hoher Trägheiten und Limitierungen des Spindelsystems hochdynamische Zustellbewegungen nicht möglich sind. Der Einsatz eines Solenoidmotors als Linearantrieb eröffnet neue Möglichkeiten einen Dreh-Linear-Aktuator umzusetzen. Durch die direkte Bereitstellung der Linearbewegung, können hochdynamische Zustellbewegungen realisiert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines solchen Aktuators. Zu Beginn der Arbeit werden verschiedene Anwendungsgebiete vorgestellt, in denen ein hochdynamischer Dreh-Linear-Aktuator Einsatz finden könnte. Anschließend zeigt ein Vergleich, dass die Dynamik des Solenoidmotors deutlich oberhalb derer liegt, die mit einem vergleichbaren Antrieb mit Spindelsystem erreicht werden kann. Die Konzeption des Dreh-Linear-Aktuators erfolgt nach dem "Konstruktiven Entwicklungsprozess (KEP)". Zunächst wird eine Funktionsstruktur erstellt und den darin gefundenen Teilfunktionen, in einer morphologischen Matrix, Teillösungen zugeordnet. Besonders die Führung der mechanischen Komponenten und die Wegerfassung stellen sich als kritische Teilfunktionen dar, sodass diese detaillierter betrachtet werden. Die Ergebnisse münden in fünf verschiedenen Lösungskonzepten, die am Ende der Konzeption miteinander verglichen werden. Das präferierte Konzept wird anschließend konstruktiv umgesetzt und hinsichtlich Schwingungsverhalten, Verformung, Toleranzen, Thermik, Montage und Kosten betrachtet.
Aufbau eines "Modell-Tools" zur Simulation der mechanischen Eigenschaften von Gummi-Metall-Elementen bei der Analyse von Mehrkörper-Systemen (MKS). - 116 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Das grundlegende Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Gummi-Metall-Elementen (GME) als Voraussetzung für MKS-Simulationen. Die Objekte dieser Simulationen sind in erster Linie Laborzentrifugen, in denen GME eingesetzt werden. Unter dem Begriff der mechanischen Eigenschaften sind jeweils für alle Beanspruchungsarten zum einen die Steifigkeitswerte und zum anderen die Dämpfungskonstanten zu verstehen. Um diese Kennwerte zu ermitteln, werden an der TU Ilmenau vorhandene Prüfstände genutzt. Dies ist allerdings nur für Zug-, Druck- und Schubbeanspruchung möglich. Für Torsions- und Biegebeanspruchung werden daher eigene Messaufbauten konzipiert, die sowohl zur Bestimmung der entsprechenden Steifigkeits- als auch der Dämpfungswerte genutzt werden können. Die Zug- und Drucksteifigkeit wird mithilfe einer Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine ermittelt. Auch die Schubsteifigkeit wird auf diese Weise gemessen, allerdings wird dafür eine spezielle Messanordnung der zu prüfenden GME verwendet. Da die zur Verfügung stehende Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine keine dynamischen Prüfungen zulässt, erfolgt die Bestimmung von Zug-, Druck- und Schubdämpfung mithilfe eines servohydraulischen Prüfstandes, dessen eigentlicher Zweck die Prüfung von Kraftfahrzeugstoßdämpfern ist. Für die Ermittlung der Dämpfungskonstanten werden zwei Verfahren genutzt: Erzwungene harmonische Schwingungen in Verbindung mit den Prüfstandsmessungen und Ausschwingversuche in Kombination mit den eigens konzipierten Aufbauten. Gewissermaßen als Nebenprodukt lässt sich aus den Ergebnissen des erstgenannten Verfahrens die Größe der dynamischen Zug-, Druck- und Schubsteifigkeit bestimmen. Schließlich bilden die auf den unterschiedlichenWegen ermittelten Steifigkeitswerte und Dämpfungskonstanten die Steifigkeitsmatrix C bzw. die Dämpfungsmatrix D, die elementarer Bestandteil der allgemeinen räumlichen Bewegungs-Differentialgleichung sind. Für MKS-Simulationen bilden diese Matrizen zugleich das Materialverhalten der GME zahlenmäßig ab.
Untersuchungen zum Einsatz elasto-plastischer Werkstoffmodelle in zyklischen thermisch-mechanischen FE-Analysen für Abgasturbolader. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Der Einsatz von Abgasturboladern gewinnt durch die Leistungs- und Effizienzsteigerung immer mehr an Bedeutung. Wegen der hohen Abgastemperaturen, innerhalb des Turboladers, liegt eine hohe zyklische thermo-mechanische Belastung vor, welche zu plastischen Verformungen des Turbinengehäuses führt. Aufgrund des verstärkten Einsatzes von numerischen Simulationen zur kosten- und zeitgünstigen Optimierung von Prototypen, ist eine Auseinandersetzung mit Werkstoffmodellen Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung der Simulationen. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit Grundlagenuntersuchungen zu den am häufigsten angewendeten elasto-plastischen Werkstoffmodellen für Metalle durchgeführt. Hierbei wurde ein Berechnungsalgorithmus bereitgestellt und anschließend mit Hilfe eines kommerziell verfügbaren FEM-Programmes verifiziert, mit welchem das elasto-plastische Werkstoffverhalten, für die Fälle isotroper und kinematischer Verfestigung, für einen beliebigen Beanspruchungszustand eines Grundelements untersucht werden kann und die Unterschiede zwischen beiden Verfestigungsarten einfach veranschaulicht werden können. Anschließend erfolgten FEM-Berechnungen an einem Referenz-Abgasturbolader, mit Hilfe von Ansys® v14, mit der Zielsetzung vergleichende Betrachtungen zum strukturmechanischen Verhalten, unter Verwendung verschiedener elasto-plastischer Werkstoffmodelle, durchführen zu können.