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Studentenprojekte (WS 2016/17)

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

  • Die Projekte werden zum Ende des Semesters im neuen Jahr bearbeitet.
  • Das Thema kann eines aus der nachfolgenden Liste oder auch ein eigenes (zur Vorlesung passendes) Thema sein.
  • Jeder Student wählt/sucht sich ein Thema und teilt uns dieses zu Beginn seiner Bearbeitungszeit mit.
  • Ein Thema kann unabhängig voneinander auch von mehreren Studenten oder Teams bearbeitet werden.
  • Ein Projekt kann allein oder in einer Gruppe mit zwei (in Ausnahmen drei) Studenten 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?
  • Waum 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?
  • Skizziere die Eigenschwingungsformen eines Balkens für verschiedene Lagerungsarten.
  • Wie heißt die Antwort zur Frage in Aufgabe 7 (Klangplatte) / Arbeitsschritt 5 ?
  • Für welche Art mathematisches Problem nehme ich ein MKS-, für welche ein FEM-Programm?
  • 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 „implizite“, für welche die „explizite“ FEM 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?
  • 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 2016/17)

f1  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.

2  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

3  Tennisschläger-Spannung

Mit der App RacquetTune (https://www.youtube.com/watch?v=IzeYokFgGLc) soll es möglich sein, die Spannkraft der Bespannung akustisch zu messen.  Kann das funktionieren.  Überprüfe mit Hilfe von Experimenten, analytischen und numerischen Rechnungen, ob und wie gut die App funktionieren kann.

  • Experimente: Mit dieser und ggf. anderer Apps am eigenen Tennisschläger und ggf. an einfachen Ersatzsystemen (Gitarrensaite) Kräfte und Eigenfrequenzen messen.
  • Simulation:  Modalanalyse des Tennisschlägers.  Schwingungen einer oder mehrerer Bespannungssaiten mit z.B. Ansys Modal.
  • Analytische Abschätzungen zu Eigenfrequenzen.

4  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.

5  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.

6  Prellen des Kickerballs

Experiment und Simulation des freien Falls und des Prellens (wiederholtes Aufprallen) eines Kickerballs auf einer ebenen Platte (Kicker-Spielfeld und/oder Fussboden).  Betrachtung der Energiebilanz über der Zeit.  Kalibrierung der Dämpfungs- und Reibungsparameter, so dass die Simulation gut zum Experiment passt.  Erweiterung durch zusätzliche Simulation mit transient-impliziter Analyse und/oder MKS

  • Experimente: Kickerbälle und -tisch sind vorhandenen
  • Software: Ansys Explicit Dynamics oder Abaqus Explicit (evtl. Ansys Transient, MSC.ADAMS oder notfalls auch Simulink); Mathematisch: Anfangswertproblem.
  • Analytische Abschätzung:  Aufstellen und Lösen der Bewegungsdifferentialgleichung für den freien Fall und Kontakt des Balls.  Energiebetrachtungen.

7  Dynamik des Looping Louie (MKS)

 

Dynamik des Kinder-, besser Studenten-Spiels "Looping Louie" mit Mehr-Körper-Simulation (MKS) modellieren und simulieren.

Ziel:  Vergleich zwischen simulierten und sichtbaren Bewegungsmustern.

  • Experiment: ... ist klar (notfalls auch ohne Schnaps)!
  • Software: Mehrkörper-Simulation (MKS) mit MSC.ADAMS
  • Analytische Abschätzungen der Energien, Impulse und Geschwindigkeiten.

8  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 und Ulli