07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke(2023) Heidingsfeld, Julia L.; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.)Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen, da diese einen Großteil ihrer Lebenszeit in Gebäuden verbringen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf dieses Jahrhunderts, um die Bedürfnisse der Menschen nach Wohnraum, Infrastruktur und Gewerbeflächen ressourcenschonend zu stillen, werden dringend neue Ansätze des Bauens gebraucht. Im Bauwesen ist die Notwendigkeit, aber auch das Potential gegeben, nachhaltiger zu agieren. Adaptive Gebäude bieten dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit im Tragwerk. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. So kann trotz des verringerten Materialeinsatzes die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit uneingeschränkt gewährleistet werden. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Um adaptive Tragwerke in der baupraktischen Realität zu verwirklichen, sind systemdynamische und regelungstechnische Ansätze unabdingbar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den in diesem Kontext auftretenden Fragestellungen und erprobt die Methoden an verschiedenen adaptiven Tragwerken und Komponenten - dem Demonstrator-Hochhaus, ein 37m hohes adaptives Hochhaus, dem Maßstabsmodell, eine 2m hohe maßstäbliche Version dieses Hochhauses und dem Balken mit integrierten Fluidaktoren, eine Tragwerkskomponente mit Adaptionsfähigkeit. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke, wobei Modelle mit dem für die Regelungstechnik relevanten Detaillierungsgrad hergeleitet werden. Aufbauend auf gängigen Methoden aus dem Bauingenieurwesen werden die notwendigen Modellgleichungen in geschlossener Form für die Reglersynthese erarbeitet. Darin integriert sind ebenfalls die Systemeingänge und -ausgänge. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die durch ihre Nichtlinearität unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen in expliziter Form formuliert. Somit ist eine Abkehr von iterativen Lösungsmethoden möglich, wodurch die Modelle als Analyseund Synthesemodelle in der Regelungstechnik einsetzbar sind. Die Schwingungsanalyse von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen gelingt durch die datenbasierte Methode der Hauptkomponentenanalyse, wobei sich starke Ähnlichkeiten zu den Eigenmoden des linearen Modells zeigen. Diese Ergebnisse werden zudem zur Modellordnungsreduktion genutzt. Hinsichtlich der statischen Analyse wird die disziplinübergreifende Verbindung der Methode der Redundanz aus dem Bauingenieurwesen mit der statischen Übertragungsfunktion aus der Systemdynamik herausgestellt. Die Aktorplatzierung ist bei adaptiven Tragwerken eine zentrale Frage in der Auslegung und Planung. Das Ziel hierbei ist die Auswahl von wenigen Aktorpositionen aus einer Vielzahl an möglichen Positionen, um die Systemkomplexität gering zu halten und gleichzeitig alle relevanten Verformungszustände beeinflussen zu können. Es werden Kriterien für die statische und dynamische Aktorplatzierung erarbeitet und diese hinsichtlich verschiedener Aktuierungsprinzipien untersucht. Anschließend steht ein Konzept zum Erhalt einer Aktormenge, die statische und dynamische Ansprüche vereint. Die statische Gramsche Kompensierbarkeitsmatrix wird für örtlich verteilte Systeme formuliert und eine Aktorplatzierung am Beispiel eines Balkens durchgeführt. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation setzt auf ein optimierungsbasiertes Verfahren zur Reduktion der Verformung von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen unter Stellgrößenbeschränkungen. Eine Reduktion der mittleren Verformung von 87% wird experimentell am Maßstabsmodell bestätigt. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt. Der nichtlinearen Systemdynamik wird dabei durch eine Eingangstransformation eine lineare Zieldynamik aufgeprägt. Anschließend wird die am linearen Zielmodell entworfene und dadurch effizient zu berechnende Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige Arbeiten in der Regelungstechnik mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.Item Open Access Comprehensive study of failure mechanisms of field-aged automotive lead batteries(2023) Conradt, Rafael; Schröer, Philipp; Dazer, Martin; Wirth, Jonathan; Jöris, Florian; Schulte, Dominik; Birke, Kai PeterModern vehicles have increasing safety requirements and a need for reliable low-voltage power supply in their on-board power supply systems. Understanding the causes and probabilities of failures in a 12 V power supply is crucial. Field analyses of aged and failed 12 V lead batteries can provide valuable insights regarding this topic. In a previous study, non-invasive electrical testing was used to objectively determine the reasons for failure and the lifetime of individual batteries. By identifying all of the potential failure mechanisms, the Latin hypercube sampling method was found to effectively reduce the required sample size. To ensure sufficient confidence in validating diagnostic algorithms and calculating time-dependent failure rates, all identified aging phenomena must be considered. This study presents a probability distribution of the failure mechanisms that occur in the field, as well as provides insights into potential opportunities, but it also challenges diagnostic approaches for current and future vehicles.Item Open Access Ein Modell zur Auslegung und multikriteriellen Bewertung von Energiesystemen zur nachhaltigen Integration der Elektromobilität(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Göhler, Georg; Spath, Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Die Vernetzung des Strom- und Mobilitätssektors stellt zukünftig vor allem für die Stromnetze eine große Herausforderung dar. Die Forschungslücke im Kontext dieser Arbeit liegt in der Einbindung der Elektromobilität als flexiblen Verbraucher in Energiesysteme bei gleichzeitiger Bewertung von Wirtschaftlichkeit und Ökologie. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein flexibles und modulares Simulationsmodell zur Planung von Energiesystemen in der frühen Phase entwickelt, das die Integration von Elektrofahrzeugen in besonderem Maße berücksichtigt. Die Validierung bestätigt, dass die Simulationsergebnisse bei einer 1-minütigen Zeitschrittweite ausreichend genau und für diesen Planungsprozess geeignet sind. Durch das hier entwickelte Modell können in kurzer Zeit viele verschiedene Energiesystemvarianten, Betriebsstrategien und innovative Energiekonzepte berechnet und miteinander verglichen werden. Besonderes Augenmerk wurde auf die Anpassungsfähigkeit und potenzielle Erweiterungen gelegt: Das Modell bietet die Schnittstellen und die Flexibilität für Weiterentwicklungen, um zukünftige Entwicklungen im Technologiebereich zu berücksichtigen.Item Open Access A note on the predictive control of non‐holonomic systems and underactuated vehicles in the presence of drift(2023) Ebel, Henrik; Rosenfelder, Mario; Eberhard, PeterMotion planning and control of non‐holonomic systems is challenging. Only very recently, it has become clear how model predictive controllers for such systems can be generally furnished in the driftless case, where the key is to design a cost function conforming to the geometry arising from the non‐holonomic constraints. However, in some applications, one cannot neglect drift since the time needed to accelerate is non‐negligible, for example, when operating vehicles with high inertia or at high velocities. Therefore, this contribution extends our previous work on the class of driftless non‐holonomic systems to systems with simple kinds of actuator dynamics that allow to represent the boundedness of acceleration in the model. Moreover, we show in a prototypical example of a simple boat‐like vehicle model that a similar procedure can also work for systems that are not non‐holonomic but still under‐actuated. While the contribution is rather technical in nature, to the knowledge of the authors, it is the first time that MPC controllers with theoretical guarantees are proposed for these kinds of models. Moreover, we expect that the resulting controllers are directly of practical value since even the simpler driftless models are employed successfully in various approaches to motion planning.Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.Item Open Access Methodik für numerische Lackiersimulationen : Bedeutung der Modell- und Eingangsparameter bei der Hochrotationszerstäubung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Güttler, Nico; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access 3D FEM simulation of titanium alloy (Ti6Al4V) machining with harmonic endmill tools(2023) Kalu-Uka, Abraham; Ozoegwu, Chigbogu; Eberhard, PeterUsually, end milling operations have been carried out using conventional uniform helix tools with fixed helix angles. Thus, many studies have been conducted to study the effects of these tools on the thermomechanical properties of a milling process. Recently, there have been works that point to the benefits of using harmonic endmills. Harmonic endmills consist of cutting edge profiles that have continuously harmonically varying helix angles. The variation is described using a harmonic function of axial position (elevation) of points on the cutting edge. In this work, a 3D finite element simulation using ABAQUS, is carried out for the complex milling process of Titanium alloy Ti6Al4V. The envelope of the harmonic tool is first generated using a set of MATLAB codes and stored in a Standard Triangle Language (.stl) format. The machine tool is introduced into an FEM program which has been designed to provide for dynamic effects, thermo‐mechanical coupling, material damage law and the criterion for contact associated with the milling process. A Johnson‐Cook material constitutive equation which combines the effects of strain hardening, strain softening, and temperature softening is used. To account for the chip separation criterion, the Johnson Cook damage evolution equation is used. The milling process simulation for Ti6Al4V is then carried out. In the end, the stress distribution and the cutting forces are obtained.Item Open Access Konzeptuelles Referenzdatenmodell für das Compliance-Management des stoff- und produktbezogenen Umweltschutzes in Unternehmen der Elektrobranche(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Ralph; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der Elektrobranche sehen sich auf internationalen Märkten und in ihren Wert-schöpfungsketten einer steigenden Zahl von Anforderungen gegenüber, die die Zusammensetzung ihrer Produkte durch stoffliche Restriktionen beeinflussen. Diese Anforderungen stammen vorwiegend aus regulatorischen Vorgaben, die dem Umweltschutz im Rahmen der Um-welt- und Stoffpolitik zuzuordnen sind. Die regulatorischen Anforderungen werden zudem durch Kundenanforderungen aufgegriffen und teilweise über das regulatorische Maß hinaus ergänzt. Die stoff-/produktbezogenen Anforderungen müssen erfüllt werden, um den Markt- und Kundenzugang zu erhalten. Um dies bewerkstelligen zu können, müssen die jeweils adressierten Unternehmen über ein solides Datenmanagement verfügen, das es ermöglicht, Auskunft über die Art und den Status der Betroffenheit zu geben, zu erreichende Zielwerte und den zugehörigen Ist-Status auf Produktebene zu erfassen und Verantwortlichkeiten für die stoffliche Zusammensetzung der Produkte und deren Bestandteile auszuwerten. Hierzu existieren zwar punktuelle Lösungen, aber die gesamtheitliche Sicht auf die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Daten fehlt. Entsprechend dieser Problemstellung war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderliche Datenbasis zu identifizieren, die von Unternehmen der Elektrobranche idealtypisch benötigt wird, um den Anforderungen nachkommen zu können. Dies wurde erreicht, indem aus einem Satz fundiert ausgewählter Regulierungen, relevanter Standards und Werkzeuge sowie unter Berücksichtigung unternehmensinterner prozessualer Abläufe die einzelnen Informationsanforderungen systematisch abgeleitet und anschließend bis auf Datenebene operationalisiert wurden. Die notwendigen Daten wurden in einem konzeptuellen Referenzdatenmodell konsolidiert und in einem Entity-Relationship-Diagramm visualisiert. Das Referenzdatenmodell umfasst insgesamt 16 verschiedene Datenbereiche, die auf dem Grundgerüst eines unternehmensinternen Compliance -Prozesses beruhen und als Teilmodelle aufgefasst werden können. In den Datenbereichen wurden 79 Datenentitäten definiert, die in Summe 375 Attribute beinhalten. Die Erreichung der Zielsetzungen der Arbeit sowie der Nutzen des Referenzdatenmodells konnten schließlich in Expertenbefragungen und einzelnen Anwendungsbeispielen bewertet und bestätigt werden.Item Open Access Geometrieanalyse und menschzentrierte Untersuchung zur markenspezifischen Formgebung von Produkten mit unterschiedlicher Aufbaugestalt(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Fischer, Matthias Sebastian; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Methodik zur automatisierten Generierung einer best-practice-basierten Ablaufplanung manueller Montagesysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Kärcher, Susann; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In manuellen Montagesystemen ist die Variantenvielfalt oft hoch, die Stückzahlen sind gering und sie unterliegen häufigen Änderungen. Klassische Methoden der Montageplanung sind bei diesen Herausforderungen oft zu aufwändig. Dies führt dazu, dass Montagesysteme häufig eine unzureichende Planungstiefe und noch großes Optimierungspotential haben. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, die automatisiert eine Montageablaufplanung generiert. Sie überträgt den Grundgedanken des Benchmarkings - von anderen Best Practices zu lernen - auf die manuelle Montage. Auf Basis von Ist-Daten aus der Montage vergleicht die Methodik unterschiedliche Montageabläufe eines Produktes und generiert daraus den besten Montageablauf. Weiter werden unter Einbeziehung der Leistungsgrade und Arbeitsplatzfaktoren Vorgabezeiten generiert. Die Methodik ist an ein Benchmarking-Vorgehensmodell angelehnt und in vier Schritte gegliedert: die Planung, die Datenerhebung, die Datenanalyse und das Vornehmen von Verbesserungen. Die Vorteile der Methodik liegen in der automatisierten Montageablaufplanung in manuellen Montagesystemen. Sie erhöht so die Produktivität in manuellen Montagesystemen und reduziert den Planungsaufwand. Das generische Modell erlaubt eine Anwendung der Methodik in unterschiedlichen manuellen Montagesystemen.