Studentenprojekte (WS 2017/18)

Als Leistungsnachweis wird in diesem Modul ein kleines Projekt bearbeitet und bewertet (alternative Prüfungsform).

  • Die Projekte werden in der zweiten Hälfte des Semesters bearbeitet.
  • Das Thema kann eines aus der nachfolgenden Liste oder auch ein eigenes (zur Vorlesung passendes) Thema sein.
  • Ein Projekt kann allein oder in einem Team mit zwei (in Ausnahmen drei) Studenten bearbeitet werden.
  • Jedes Team wählt/sucht sich ein Thema und teilt uns dieses zu Beginn seiner Bearbeitungszeit mit.
  • Ein und das selbe Thema kann auch von mehreren Teams unabhängig voneinander bearbeitet werden.
  • Jedes Projekt sollte aus den folgenden drei Teilen bestehen:
    • (i) kleines Experiment und dazu passend:
    • (ii) numerische Analyse sowie 
    • (iii) analytische Abschätzungen.
  • Jedes Team gibt uns ein Formblatt (.docx, .pdf) zum durchgeführten Projekt ab.
  • Jeder Student hält über sein Projekt (oder seinen Projektanteil, falls Gruppe) einen Vortrag von 10 Minuten Dauer.
  • Die Vorträge werden voraussichtlich in der letzten Semesterwoche gehalten.
  • Bei der Beurteilung achten wir auf die inhaltliche Qualität der Projektteile (Numerisches Modell, Experiment, Analytische Abschätzung), auf eine kritische Diskussion der eigenen Methoden und Ergebnisse, eine knappe aber sinnvolle Einleitung sowie auf die Form der Präsentation (dazu gehört auch das Einhalten der Vortragszeit!).
  • Nach der Präsentation folgt eine Diskussion, bei der auch Fragen über das vorgestellte Projekt hinaus zum gesamten Inhalt der Vorlesung möglich (und sehr wahrscheinlich!) sind.

Beispiele möglicher Fragen

  • Wie ist die mech. Spannung definiert?  Einheit? Komponenten/Invarianten? Englische Begriffe?
  • Welche Werkstoffgesetzte kennst Du?  Wie viele und welche Parameter braucht man jeweils?
  • Warum sind Spannungs- und Dehnungstensor symmetrisch?
  • Was sind die Arbeitsschritte bei der Durchführung einer FE-Analyse?
  • Durch welche Effekte kann ein FE-Modell nichtlinear werden?
  • Welche Gleichung wird bei der FE-Analyse erst vom Programm aufgebaut und dann gelöst?
  • Warum sollte ein strukturmechanisches FE-Modell statisch bestimmt gelagert werden?  Wie macht man das?
  • Warum sollte man bei der Darstellung einer statischen Verformung auch einmal auf "true scaling" schalten?
  • Skizziere die statische Biegelinie eines Balkens für verschiedene Lastfälle.
  • Skizziere die Eigenschwingungsformen eines Balkens für verschiedene Lagerungsarten.
  • Wie heißt die Antwort zur Frage in Aufgabe 7 (Modalanalyse, Klangplatte) / Arbeitsschritt 5 ?
  • Warum werden bei der Modalanalyse im Normalfall keine Kräfte angegeben?
  • Wie setzt sich eine tatsächliche Gesamt-Schwingung aus den möglichen Eigenschwingungen eines Systems zusammen?
  • Warum sollte man bei der Darstellung einer Eigenschwingungsform auf "auto scaling" schalten?
  • Wie viele Eigenfrequenzen hat ein Kontinuumsschwinger?
  • Für welche Art mathematisches Problem nehme ich ein MKS-, für welche ein FEM-Programm?
  • Wieviele Zustandsgrößen hat ein Zwei-Massen-Schwinger?
  • Wieviele Anfangswerte braucht man für einen Zwei-Massen-Schwinger?
  • Welche Arten des Wärmetransports kennst Du?  Englische Begriffe?
  • Was ist der Unterschied zwischen Verifikation und Validierung?
  • Was ist eine Konvergenzanalyse?  Gehört sie zur Verifikation oder zur Validierung?
  • Für welche Fragestellungen würde man die „transient implizite“, für welche die „transient explizite“ FEA verwenden?  Warum?
  • Was ist der systematische Unterschied zwischen „Streamlines“ (bzw. Vector-Plots) und „Isolines“ (bzw. Contour-Plots oder Höhenlinien)?
  • Was sagt uns die Courant-Zahl?
  • Wozu braucht man Turbulenzmodelle?  Wie kann man die Wirbel und Turbolenzen, die dabei berücksichtigt werden, sichtbar machen?
  • Werden bei einer stationären Strömungssimulation die Trägheitskräfte des Fluids berücksichtigt oder nicht?
  • Was sind bei einer Strömungs-Simulation geeignete „Last-“ und Randbedingungen?

Wir werden diese oder ähnliche Fragen zum Wissen und Verständnis aller Themen und Inhalte des Praktikums stellen.  Bitte darauf vorbereiten und Mitschrift nochmal anschauen!

Liste möglicher Projektthemen (WS 2017/18)

1  Gestaltoptimierung einer Spoileranbindung (Einstein)

Bei der Einstein Motorsportgruppe an der HS Ulm werden Rennsportwagen entwickelt und in der Formula Student gefahren.  Alle zu entwickelnden Bauteile sollen möglichst leicht, aber in jedem Fall steif und fest genug sein, um ihre Funktion sicher erfüllen zu können.  Der Heckspoiler wird mit zwei wangenartigen Bauteilen (vertikale Platten) rechts und links am Fahrzeug befestigt.  Für dieses Bauteil sollen mit dem hier in SiSo selbst entwickelten Gestaltoptimierungstool neue Designvorschläge gemacht werden.  Dazu werden der maximale Designraum, die Last- und Lagerungspunkte, die Größe der angreifenden Last sowie die Materialkennwerte vorgegeben. Zunächst könnte die Geometrie auf 2D beschränkt bleiben.

  • Simulation:  Gestaltoptimierung mit selbstentwickeltem Tool.  Evtl. Vergleich zu Ergebnissen alternativer Tools (Hyperworks o.ä.).
  • Experiment:  Ggf. 3D-Druck der Leichtbaustrukturen mit anschließender, einfacher Steifigkeitsmessung.
  • Analytische Abschätzungen:  ggf. sinnvoll ergänzen.

2  Modalanalyse eines Monocoques (Einstein)

Bei der Einstein Motorsportgruppe an der HS Ulm werden Rennsportwagen entwickelt und in der Formula Student gefahren.  Die Fahrgastzelle der Fahrzeuge, ein sogenanntes Monocoque, ist eine leichte aber sehr steife und feste Schale, die auch für die Sicherheit des Fahrers sorgt.  Dabei können die Motorgeräusche bei ungünstiger Lage der Befestigungspunkte und bestimmten Motordrehzahlen sehr stark auf das Monocoque übertragen und von diesem abgestrahlt werden.  In diesem Projekt sollen daher die Eigenschwingungsformen und -frequenzen dieser Struktur numerisch berechnet werden.

  • Simulation:  Modalanalyse eines Monocoques.  CAD-Daten, Werkstoffeigenschaften werden vom Einstein-Team zur Verfügung gestellt.
  • Experiment:  Kritische Motordrehzahlen ermitteln oder ggf. Erfahrungswerte vom Team übernehmen.
  • Analytische Abschätzungen:  ggf. sinnvoll ergänzen.

3  Heißrichten einer Feuerwehrleiter

Bei der Fa. Magirus in Ulm werden Drehleitern hergestellt.  Diese Schweißkonstruktionen müssen am Ende des Herstellungsprozesses durch ein Heißrichtverfahren gerichtet werden.  Dabei werden ausgewählte Stellen bis zu 800°C erhitzt.  Versuche mit Hilfe von Experimenten, analytischen und numerischen Rechnungen zu untersuchen, wie das funktioniert und welche Materialeigenschaften dafür erforderlich sind und daher auch im Finite-Elemente-Modell berücksichtigt werden müssen.

  • Experiment: Z.B. Blechstreifen oder Metallprofilstäbe mit Lötflamme o.ä. einseitig erhitzen.
  • Simulation:  Nichtlineare Festigkeitsanalysen mit temperaturabhängiger Plastizität und Temperaturlasten in z.B. Ansys Mechanical
  • Analytische Abschätzungen:  Z.B. Wärmespannungen und -dehnungen und daraus resultierende globale Verformungen.

4  Aktive Dämpfung einer Feuerwehr-Drehleiter-Schwingung

Bei der Fa. Magirus in Ulm werden Feuerwehrfahrzeuge mit Drehleitern hergestellt.  Um Sicherheit und Funktion der ausgefahrenen Drehleitern zu erhöhen, sind diese mit einer aktiven Dämpfung gegen unerwünschte Schwingungen ausgerüstet.  Versuche mit Hilfe von Experimenten, analytischen und numerischen Rechnungen zu untersuchen wie das funktionieren könnte.  Video: youtu.be/9i2kZs4BYt8

  • Experiment:  Z.B. an einem kleinen selbstgebauten Ersatzmodell mit Balkenbiegeschwingung.  Zur Erfassung von Beschleunigungen und zum Aufbringen einer Stellkraft kann ein Lego-Mindstormskasten mit entsprechenden Aktoren, Sensoren, Regelung und Software zur Verfügung gestellt werden.
  • Simulation:  Schwingung der Leiter mit Ansys Mechanical oder Adams.  Regelung mit Matlab/Simulink.
  • Analytische Abschätzungen zu Eigenfrequenzen und Systemparametern

5  Heißer Kakao

Die Erhitzung einer Tasse mit Kakao z.B. in einem Mikrowellenofen soll experimentell, analytisch und numerisch untersucht werden. Dabei soll die Temperatur in Abhängigkeit von Ort und Zeit betrachtet werden.

  • Experimente:  Wenn möglich die Temperatur an verschiedenen Stellen im Kakao und an der Tasse über den Erwärmungsprozess in einer Mikrowelle und/oder bei anderen Methoden messen.
  • Simulation:  Transienter Wärmetransport mit Ansys Transient Termal simulieren.
  • Analytische Abschätzungen zu Energieflüssen und gemittelten Temperaturen.

6  Steifigkeit des Kickertisch-Unterbaus

Die Steifigkeit des Tischunterbaus des UZWR-Tischkickers (Fa. Lettner, Erbach) für Kräfte in  horizontaler Richtung, die in Griffhöhe angreifen soll analysiert werden.

  • Experimente am vorhandenen Kickertisch im UZWR möglich.
  • Simulationen: Ansys Workbench (Module: Design Modeler, Static Structural).
  • Analytische Abschätzungen:  evtl. mit einfacher Balkenbiegetheorie.

7  Kontinuums-Eigenschwingungen

Ein geeignetes schwingungsfähiges System (Musikinstrument, Balken-, Platten-, Saitenschwingung, ...) soll entweder in der Umwelt gefunden oder aber gebaut werden.  Wie wäre es mit einem Windspiel und den Eigenschwingungen (Klang) der daran aufgehängten Röhrchen?

  • Experiment:  System (auf ggf. verschiedene Arten) anstoßen und Schwingungen (Form u. Freq.) messen.  Hinweis: Langsame Schwingungen können evtl. mit einem einfachen Handy (Video oder Beschleunigungssensor, App "Phyphox") aufgezeichnet und ausgewertet werden.  Bei hochfrequenten Schwingungen kann man ggf. die hörbare Frequenz per Audiosignal (PC-Tool: z.B. "Audacity"  oder App: z.B. "Phyphox") aufnehmen und auswerten.  Ggf. könnten schnelle Eigenschwingungsformen auch mit einer Stroboskoplampe sichtbar gemacht werden (Lehrmittelsammlung Physik).
  • Simulation:  Ansys (Modalanalyse)
  • Analytische Abschätzung:  Eigenfrequenzen und evtl. -formen gemäß Kap. 8  im MSM-Script zur Dynamik ermitteln.

Natürlich sind auch eigene Themen möglich, wenn sie eine ausreichend hohe Verwandschaft zu den vorgestellten Themen bzw. zu den Themen von Vorlesung und Übung aufweisen.  Bitte fragt uns dann aber vorher.

Wir wünschen Euch viel Spaß und Erfolg

Martin, Matthias, Lucas und Ulli