07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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    A family of total Lagrangian Petrov-Galerkin Cosserat rod finite element formulations
    (2023) Eugster, Simon R.; Harsch, Jonas
    The standard in rod finite element formulations is the Bubnov-Galerkin projection method, where the test functions arise from a consistent variation of the ansatz functions. This approach becomes increasingly complex when highly nonlinear ansatz functions are chosen to approximate the rod's centerline and cross-section orientations. Using a Petrov-Galerkin projection method, we propose a whole family of rod finite element formulations where the nodal generalized virtual displacements and generalized velocities are interpolated instead of using the consistent variations and time derivatives of the ansatz functions. This approach leads to a significant simplification of the expressions in the discrete virtual work functionals. In addition, independent strategies can be chosen for interpolating the nodal centerline points and cross-section orientations. We discuss three objective interpolation strategies and give an in-depth analysis concerning locking and convergence behavior for the whole family of rod finite element formulations.
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    Determination of the thermally induced focal shift of processing optics for ultrafast lasers with average powers of up to 525 W
    (2018) Faas, Sebastian; Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
    The continuous increase of the average laser power of ultrafast lasers is a challenge with respect to the thermal load of the processing optics. The power which is absorbed in an optical element leads to a temperature increase, temperature gradients, changing refractive index and shape, and finally causes distortions of the transmitted beam. In a first-order approximation this results in a change of the focal position, which may lead to an uncontrolled change of the laser machining process. The present study reports on investigations on the focal shift induced in thin plano-convex lenses by a high-power ultra-short pulsed laser with an average laser power of up to 525 W. The focal shift was determined for lenses made of different materials (N-BK7, fused silica) and with different coatings (un-coated, broadband coating, specific wavelength coating).
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    Estimation of the depth limit for percussion drilling with picosecond laser pulses
    (2018) Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Holder, Daniel; Graf, Thomas
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    General mathematical model for the period chirp in interference lithography
    (2023) Bienert, Florian; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, Marwan
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    Optische Phänomene in Natur und Alltag
    (2018) Haist, Tobias
    Dieses eBook soll Ihnen helfen, optische Phänomene in Natur und Alltag zu sehen und diese zu verstehen. Es ist als Begleitung (Skript) zur Vorlesung "Optische Phänomene" am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart entstanden. Hauptzielgruppe sind daher Studenten der Physik, des Maschinenbaus und des Studium Generale.
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    Depth from axial differential perspective
    (2022) Faulhaber, Andreas; Krächan, Clara; Haist, Tobias
    We introduce an imaging-based passive on-axis technique for measuring the distance of individual objects in complex scenes. Two axially separated pupil positions acquire images (can be realized simultaneously or sequentially). Based on the difference in magnification for objects within the images, the distance to the objects can be inferred. The method avoids some of the disadvantages of passive triangulation sensors (e.g., correspondence, shadowing), is easy to implement and offers high lateral resolution. Due to the principle of operation it is especially suited for applications requiring only low to medium axial resolution. Theoretical findings, as well as follow-up experimental measurements, show obtainable resolutions in the range of few centimeters for distances of up to several meters.
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    Präzise Fahrzeugpositionierung durch Entzerrung der gepulsten magnetischen Flussdichteverteilung einer Ladespule
    (2017) Martinovic, Dean; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.-Ing.)
    Elektrofahrzeuge werden in Zukunft nicht mehr per Kabel, sondern mittels induktiver Ladesysteme mit Strom versorgt. Um eine hohe Ladeleistung sicher übertragen zu können, müssen die Spulen hinreichend genau übereinander positioniert werden, was für den Fahrer eine kaum lösbare Aufgabe darstellt. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, eine neue Methode zu untersuchen, die ein gepulstes Magnetfeld der Ladespule zu dessen Ortung nutzt. Hierbei wird das magnetische Pulssignal durch den ferromagnetischen Unterboden des Elektrofahrzeugs verzerrt. Dieser verändert die Pulsamplitude entsprechend einer unbekannten Abbildung, ohne deren Kenntnis eine präzise und eindeutige Positionierung nicht möglich ist. Die Herausforderung der vorliegenden Arbeit ist daher die Bestimmung dieser Abbildung samt ihrer Eigenschaften und Abhängigkeiten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Abbildung allgemein vom nicht-deterministischen magnetischen Zustand des Unterbodenmaterials abhängt und dessen messtechnische Erfassung kaum möglich ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird jedoch hergeleitet, dass die Ladespule, das Elektrofahrzeug und die umgebende Atmosphäre zusammen einen magnetischen Kreis bilden, der aufgrund der sehr hohen Reluktanz der Atmosphäre linear ist. Änderungen des magnetischen Zustands haben folglich keinen Einfluss auf die Abbildung. Diese ist somit reproduzierbar und kann messtechnisch einfach erfasst werden. Die These wird für unterschiedliche magnetische Zustände experimentell nachgewiesen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wird ein vollständiger Prototyp entwickelt und in ein Versuchsfahrzeug integriert. Das Gesamtsystem wird anschließend erfolgreich getestet. Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass mittels gepulster magnetischer Felder eine universelle, kostengünstige, sichere und präzise Positionierung von Elektrofahrzeugen möglich ist. Dies unterstreicht das Potential des neuen, komfortablen Positionierungsverfahrens eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität zu werden.
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    Editorial - optical microscopic and spectroscopic techniques targeting biological applications
    (2021) Micó, Vicente; Pedrini, Giancarlo; Lei, Ming; Zuo, Chao; Gao, Peng
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    Physics-informed regression of implicitly-constrained robot dynamics
    (2022) Geist, Andreas René; Allgöwer, Frank (Prof. Dr.-Ing.)
    The ability to predict a robot’s motion through a dynamics model is critical for the development of fast, safe, and efficient control algorithms. Yet, obtaining an accurate robot dynamics model is challenging as robot dynamics are typically nonlinear and subject to environment-dependent physical phenomena such as friction and material elasticities. The respective functions often cause analytical dynamics models to have large prediction errors. An alternative approach to analytical modeling forms the identification of a robot’s dynamics through data-driven modeling techniques such as Gaussian processes or neural networks. However, solely data-driven algorithms require considerable amounts of data, which on a robotic system must be collected in real-time. Moreover, the information stored in the data as well as the coverage of the system’s state space by the data is limited by the controller that is used to obtain the data. To tackle the shortcomings of analytical dynamics and data-driven modeling, this dissertation investigates and develops models in which analytical dynamics is being combined with data-driven regression techniques. By combining prior structural knowledge from analytical dynamics with data-driven regression, physics-informed models show improved data-efficiency and prediction accuracy compared to using the aforementioned modeling techniques in an isolated manner.