Entwicklung und Konstruktion von Sensoren basierend auf magneto-sensitiven Elastomeren. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Grundlagen für die Entwicklung von adaptiven Sensorsystemen auf der Basis von magneto-sensitiven Elastomeren zu erarbeiten. Diese Klasse von funktionellen Materialien zeichnet sich dadurch aus, dass ihre mechanischen Eigenschaften durch magnetische Felder wesentlich beeinflusst werden können. Zunächst wurde der Stand der Technik zu magneto-sensitiven Elastomeren, Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren recherchiert und analysiert. Die Beeinflussbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren mit weich- und hartmagnetischen Partikeln wurde anhand von Ausschwingversuchen im homogenen Magnetfeld untersucht. Aus den Messergebnissen wurden die erste Eigenfrequenz, der effektive Elastizitätsmodul und der Dämpfungsgrad für magnetische Flussdichten zwischen 0 und 60 mT ermittelt. Des Weiteren wurde ein Beschleunigungssensor mit einer Adaptivität von Messbereich und Sensitivität unter Ausnutzung der Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften von magneto-sensitiven Elastomeren durch ein äußeres Magnetfeld entwickelt und konstruiert. Zur Messung der Auslenkung der seismischen Masse wird die durch diese hervorgerufene Magnetfeldänderung, welche durch einen entsprechenden Magnetfeldsensor detektiert wird, genutzt. Es wurden zunächst eine Anforderungsliste und die Hauptfunktion des Sensors erstellt. Aufbauend auf einer Funktionsstruktur wurden für die Funktionselemente "Magnetfelderzeugung", "Federung und seismische Masse", "Dämpfung" und "Magnetfeldsensor" verschiedene Lösungsprinzipe anhand einer morphologischen Matrix aufgezeigt. Diese wurden mithilfe geeigneter Bewertungskriterien gegenübergestellt sowie Vor- und Nachteile für deren Verwendung herausgearbeitet. Auf dieser Grundlage wurden drei Sensorkonzepte in Form von technischen Prinzipen erstellt. Anhand eines Bewertungssystems mit gewichteten Bewertungskriterien wurde ein technisches Prinzip zur weiteren Betrachtung ausgewählt. Das Schwingungssystem und das ausgewählte Prinzip zur Magnetfelderzeugung wurden auf Basis analytischer Betrachtungen dimensioniert. Weiterhin wurde ein Magnetfeldsensor ausgewählt und der Beschleunigungssensor konstruktiv umgesetzt. Die Anordnung des Magnetfeldsensors relativ zur seismischen Masse aus magneto-sensitivem Elastomer geht aus experimentellen Untersuchungen hervor. Der entworfene Beschleunigungssensor besteht aus einem Schwingungssystem aus magneto-sensitivem Elastomer mit weichmagnetischen Partikeln, dessen Steifigkeit durch das Magnetfeld einer Helmholtzspulenanordnung angepasst werden kann. Die Auslenkung der seismischen Masse wird mittels Hall-Sensor anhand proportionaler Magnetfeldänderungen detektiert. Das Sensorsystem liegt als technischer Entwurf mit 3D-CAD-Dateien, Zusammenbauzeichnung und Stückliste vor.
Analyse autonomer und heteronomer, nichtlinearer Differentialgleichungssysteme bei der Objektabtastung durch taktile Sensoren. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Modell eines taktilen, stiftführenden Sensors, mit dem Objekte mit streng konvexer, stetig differenzierbarer Umrissfunktion durch rotatorisches Scannen rekonstruiert werden können. Der Sensor ist durch Tasthaare, wie sie viele Säugetiere besitzen, inspiriert. Als Modell dient ein langer, schlanker Biegebalken mit kreisrundem Durchmesser, konstantem Flächenträgheitsmoment und konstantem Elastizitätsmodul, der durch ein Festlager gelagert ist. Das rotatorische Scannen wird durch ein Moment in der Lagerung gesteuert und läuft quasi-statisch ab. Zuerst wird das autonome Differentialgleichungssystem, welches die Verformung des Balkens beschreibt, hergeleitet und alle Größen dimensionalisiert. Danach werden Aussagen über Existenz und Eindeutigkeit von Anfangswert- und Randwertproblemen vorgestellt. Zur Lösung des autonomen Differentialgleichungssystems sind zwei Methoden denkbar: Methode 1 nutzt das Schießverfahren, um drei Unbekannte zu erhalten, bei Methode 2 wird durch analytische Betrachtungen vorab die Anzahl der Unbekannten verringert, sodass nur eine Unbekannte mit Hilfe des Schießverfahrens ermittelt werden muss. Beim rotatorischen Scannen wird zwischen Spitzenkontakt (Phase A) und Tangentialkontakt (Phase B) des Balkens mit dem Objekt unterschieden. Bei Spitzenkontakt werden Formeln für $x(\varphi)$, $y(\varphi)$ und Kraft $F$, bei Tangentialkontakt Formeln für $x(s)$, $y(s)$, $F$ und das Bogenmaß $s_1$, an dem der Kontakt stattfindet, hergeleitet. Dabei entstehen Elliptische Integrale, die in Kombinationen aus Elliptischen Integralen 1. Art und 2. Art überführt werden. Damit kann für beide Phasen der Kontaktpunkt zwischen Balken und Objekt bestimmt werden. Für die Rekonstruktion des Objekts mit Hilfe der Randbedingungen an die Lagerung und die Lagerreaktionen selbst, das bedeutet mit den Größen, die einem Tier mit Vibrissen beim Objektabtasten zur Verfügung stehen würden, wird eine Formel hergeleitet, mit der entschieden werden kann, ob sich der Balken in Phase A oder Phase B befindet. Bei quasi-statischer Rotation des Balkens kann so eine Folge von Kontaktpunkten bestimmt werden, welche die Umrissfunktion des Objekts approximiert. Zum Schluss werden Simulationen mit einem Matlab-Programm zur Rekonstruktion verschiedener Umrisse durchgeführt.
Aufbau eines Prüfstandes zur Ermittlung der mechanischen Parameter von Elastomerelementen mit Erarbeitung von Vorschlägen für die Messdurchführung und -auswertung. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das Trennergebnis in Zentrifugen wird durch Vibrationen beeinträchtigt. Diese können beim Anfahr- und Bremsvorgang, und dem damit verbundenen Durchlaufen von Resonanzfrequenzen, auftreten. Ziel ist es, die Schwingamplituden mit texturierten Elastomerflächen, die aufeinander reiben, zu dämpfen. Dafür wird ein Kontaktmodell benötigt, mit dem es möglich ist, das Schwingungsverhalten von Zentrifugen in einer Mehrkörpersimulationsumgebung abzubilden. Flächenhafte Kontakte von zwei texturierten Elastomerkörpern sind nach Stand der Technik nicht berechenbar. Aus diesem Grund wird ein Prüfstand benötigt, der es ermöglicht die mechanischen Kontakteigenschaften messtechnisch zu bestimmen, bevor sich diese Eigenschaften in die Parameter für ein Kontaktmodell überführen lassen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Schwingprüfstands mit dem die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung von aufeinander reibenden, texturierten Elastomerflächen erfasst werden können. Mit dem Prüfstand ist es möglich, das Kontaktverhalten messtechnisch nicht nur mit verschiedenen Dämpfungsfaktoren, sondern auch in den drei Schwingzuständen, unterkritisch, überkritisch sowie in Resonanz aufzuzeichnen. Weiterhin ist es möglich den Einfluss der Normalkraft, der Kontaktgeschwindigkeit und des Kontaktwegs zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Kontaktmodellbildung für ein 3 - Parameter - Modell beschrieben und Vorschläge für die Messdurchführung und Auswertung, in Anlehnung an Normen für Prüfverfahren von Elastomeren bei erzwungener Schwingung, sowohl außerhalb als auch im Resonanzbereich dargelegt.
Entwurf und Aufbau eines Differentialantriebsmoduls. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Differentialantriebsmoduls für einen kleinen mobilen Roboter. Das Modul soll über einen Motor verfügen der zwei Räder antreibt und drehbar in ein Roboterchassis integrierbar sein. Zur Ausrichtung des Moduls soll eine variable Drehzahldifferenz zwischen den Rädern hergestellt werden. Dazu werden drei mögliche Antriebsprinzipe in Form von technischen Prinzipen entworfen und vorgestellt. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird ein Prinzip ausgewählt und zu einem konkretisierten Entwurf weiterentwickelt. Auf Basis dieses Entwurfs wird ein Mehrkörpersimulationsmodell entwickelt. Anschließend werden Fahrversuche mit dem einzelnen Modul und abschließen mit drei drehbar in einem Chassis gelagerten Modulen unternommen.
Untersuchung der Wirkung von Metallkissen zur Schwingungsbeeinflussung in senkrecht stehenden elastisch gelagerten Rotorsystemen. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Wirkverhaltens von Ganzmetallkissen (GMK), die zur Optimierung des Schwingungsverhaltens in senkrecht stehenden, elastisch gelagerten Rotorsystemen verwendet werden. Die GMK werden durch ein Umformverfahren aus einem Chrom-Nickel-Stahldraht hergestellt. Für die Analyse des Schwingungsverhaltens der GMK werden zunächst die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeits- und Dämpfungscharakteristik untersucht. Hierfür werden statische und dynamische Messungen mittels ausgewählter Prüfvorrichtungen durchgeführt und diskutiert. Danach wird ein Mehrkörper-Modell der GMK erstellt und deren dynamisches Verhalten simuliert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen für den Einsatz der GMK in Rotorsystemen abgeleitet.
Erweiterung eines nichtlinearen FE-Berechnungsalgorithmus zur Formfindung von Tensegrity-Strukturen. - 180 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Formfindung von Tensegrity-Strukturen unter Nutzung der Finiten-Elemente-Methode nach der geometrisch nichtlinearen Theorie. Es werden die theoretischen Grundlagen für die Anwendung von massebehafteten Stab- und Balkenelementen, sowie von Mischstrukturen dieser Elementtypen dargestellt. Anschließend erfolgt die Implementierung der Finiten Elemente zur Verifizierung der zuvor getroffenen Erkenntnisse. Zuletzt wird ein bestehender Algorithmus zur Formfindung von Tensegrity-Strukturen um die betrachteten Elementtypen und -eigenschaften erweitert und anhand verschiedener praktischer Beispiele untersucht. Die Implementierungen erfolgen in MATLAB, zur Verifizierung der Ergebnisgrößen wird die kommerzielle Software Mechanical APDL von ANSYS genutzt.
Analyse und Optimierung eines Schwingungsprüfstandsaufbau für bewegliche Heckspoiler. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung eines Schwingungsprüfstands für bewegliche Heckspoilermodule. Der Prüfstand dient zur Absicherung der Betriebsfestigkeit und soll besonders in frühen Entwicklungsphasen die Erprobung der Komponente im Gesamtfahrzeug substituieren. In einer früheren Arbeit wurden die Schädigungen am Montageträger des Moduls auf dem Prüfstand und im Fahrversuch verglichen. Der Vergleich zeigte, dass die Schädigungshöhen und -verteilungen nicht übereinstimmen. Zur Identifizierung der Ursache werden in dieser Arbeit mögliche Optimierungspotentiale hinsichtlich des Versuchsaufbaus am Prüfstand, des dynamischen Verhaltens der Komponente und der Anregungsmethodik untersucht. Dies geschieht durch die modale Analyse des Prüfgestells und des Heckspoilers, die Spektrographie des Fahrsignals und die bandpassgefilterte Rainflow-Zählung der Dehnungen im Fahrversuch. Mithilfe der hieraus gewonnen Erkenntnisse werden Maßnahmen zur Optimierung abgeleitet und erprobt. Eine bessere Überdeckung des Schadensbildes am Montageträger wird durch die Erstellung eines neuen Anregungssignals und die Erweiterung des Prüfumfangs realisiert. Die hierbei erwartete Prüfdauer ist kürzer als die bisher vorgesehene Zeit. Eine abschließende Validierung der Ergebnisse muss über eine vollständige Betriebsfestigkeitsprüfung erfolgen.
Untersuchung eines Lokomotionssystems mit rollender Fortbewegung auf Basis einer nachgiebigen Tensegrity-Struktur. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die derzeit bekannten Fortbewegungssysteme weisen Defizite hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit und Effektivität auf. Neuartige Mobilitätssysteme eröffnen die Möglichkeit, effizienter Energie zu nutzen und zusätzliche Funktionen bereit zu stellen. Hierfür werden aktuell Systeme entwickelt, bei denen nachgiebige Tensegrity-Strukturen verwendet werden. Die Realisierung von Systemen mit rollender Fortbewegung auf Basis dieser Strukturen ist ein neues Forschungsfeld. Ein solches im Entwicklungsprozess stehendes Lokomotionssystem soll genauer untersucht werden. Das reale Systemverhalten dieses mobilen Roboters steht dabei im Zentrum der Betrachtungen. Dazu werden zunächst Steuerungsparameter für verschiedene Bewegungsarten implementiert, um die Fortbewegung anschließend mit einem Motion Capturing Verfahren aufzunehmen. Die so erhaltenen Bewegungsdaten von Punkten des Lokomotionssystems werden danach in Matlab® importiert und weiterverarbeitet. Das erstellte Matlab®-Programm rekonstruiert die Fortbewegung des Roboters und ermöglicht eine detaillierte Untersuchung des digitalisierten komplexen Systemverhaltens auch von verschiedenen Bewegungsarten. Die Erkenntnisse aus diesen Analysen ermöglichen eine gezielte Weiterentwicklung des Roboters.
Ein Beitrag zur Optimierung von Versuchs- und Simulationsparametern bei Karosseriedichtungen. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die vorliegende Abschlussarbeit befasst sich mit der Optimierung der Zielgenauigkeit von Messwerten aus Komponentenprüfungen im Vergleich zu Simulationsergebnissen. Diese wird am Beispiel eines Türdichtungssystems am Kraftfahrzeug durchgeführt. Der Abgleich zeigt sowohl bei den Prüfanforderungen und den Prüfmitteln im Versuchslabor sowie bei den Materialparametern und den Randbedingungen der Simulation Optimierungspotentiale. Diese spiegeln sich in Abweichungen der quantitativen Ergebnisse und der qualitativen Verformungsbilder wider. Unter Beachtung der Gegebenheiten am Fahrzeug wird durch eine gezielte Optimierung der vorgegebenen Prüfanforderungen und der eingesetzten Prüfmitteln eine Reproduzierbarkeit der Komponentenprüfungen unter fahrzeugnahen Prüfbedingungen geschaffen. Die aufgenommenen Prüfergebnisse dienen anschließend als Basis für eine Untersuchung der Simulationseingangsgrößen und deren Sensitivitäten. Diese zeigt Einflüsse durch die Skalierung der Materialsteifigkeit und durch die Variation der Reibungskoeffizienten auf. Mit den gewonnenen Erkenntnissen der Einflussidentifikation an den Komponentenprüfungen und in der Simulation wird eine Empfehlung ausgesprochen, um zukünftig die Zielgenauigkeit von Versuch und Simulation projektbegleitend zu verbessern. Mit diesem Empfehlungskatalog kann in der frühen Entwicklungsphase ein höherer Reifegrad des Produkts erzielt werden.
Ein Beitrag zur Anwendung mehrkörperdynamischer Modelle und Methoden bei der Ganganalyse des Menschen. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Untersuchung menschlicher Bewegungen mit Hilfe von mechanischen Modellen und Methoden wird als Biomechanik bezeichnet. Bedeutende biomechanische Modelle wurden von HANAVAN und ZATSIORSKY entwickelt und bilden die Grundlage für digitalisierte Menschmodelle zur computergestützten Bewegungsanalyse. Diese Mehrkörpersystemmodelle ermöglichen die Berücksichtigung individueller Körperproportionen und sind daher ein wichtiger Bestandteil der instrumentellen 3D-Ganganalyse. Weitere Bestandteile sind simultan verwendete kinematische und kinetische Messmethoden sowie die dynamische Elektromyographie. In dieser Arbeit werden unter Verwendung des Simulationswerkzeugs ALASKA/DYNAMICUS® Bewegungsanalysen auf Grundlage kinematischer und kinetischer Daten durchgeführt. Hierzu werden zunächst die Grundlagen beschrieben und ein umfassender Einblick in die Biomechanik des menschlichen Ganges gegeben. In einem Bewegungsanalyselabor werden die kinematischen und kinetischen Daten eines Probanden beim Gehen und Aufstehen aus dem Sitzen messtechnisch erfasst. Die Eignung des verwendeten MKS-Simulationstools zur Analyse menschlicher Bewegungsmuster wird bewertet. Eine Aussage über die dynamische Stabilität wird durch die Berechnung des sogenannten "Zero Moment Points" sowie der temporären Fußunterstützungsfläche mittels DYNAMICUS® getroffen. Ausgehend von den gemessenen Bodenreaktionskräften und berechneten Körperschwerpunktverläufen werden für die photometrische Bewegungserfassung Markerreduktionen vorgenommen. Dabei kann gezeigt werden, dass DYNAMICUS® die Möglichkeit bietet, aufgrund qualitativer und quantitativer Bewertungsgrundlagen, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit der Bewegungsrekonstruktion sowie -berechnung und dem Messaufwand, z.B. in Form von Markeranzahl, zu finden.