Universität Stuttgart

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Potentiale des Finite-Elemente-Programms Ansys bei der Simulation von flexiblen Mehrkörpersystemen
(2008) Fischer, Christian
Es werden die Möglichkeiten zur Simulation von Mehrkörpersystemen in Ansys untersucht und mit Simpack verglichen. Es zeigt sich dass Ansys nur bedingt dafür geeignet ist und vor allem sehr hohe Rechenzeiten erfordert.
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Miniaturisiertes Schaltventil mit Medientrennung : Abschlussbericht ; FV-Nr.: 341 ZN
(2012) Fritz, Karl-Peter; Eiber, Albrecht; Fischer, Christian; Steffens, Tobias; Bülau, André
Im IGF-Vorhaben 341 ZN "Miniaturisiertes Schaltventil mit Medientrennung" wurde von HSG-IMAT und dem ITM der Universität Stuttgart ein neuartiges Konzept für ein Schaltventil eingehend untersucht, bei dem die zum Umschalten der Ventilkugel benötigte Energie mit einem Stoßantrieb aufgebracht wird. Durch die Abbildung des Stoßantriebs des Ventils mittels Simulation einerseits und durch die Durchführung zahlreicher Experimente an Testaufbauten und Demonstratoren andererseits wurde ein sehr gutes Verständnis für den Ventilaufbau und die Einflussgrößen auf das Schaltverhalten des Ventils gewonnen.
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Investigation and design of an impact actuated micro shift valve
(2013) Fischer, Christian; Fritz, Karl-Peter; Eberhard, Peter; Kück, Heinz
New concepts for an impact actuated micro shift valve are presented which are useful e.g. as im plant for the hydrocephalus disease. Such an implant must fulfil requirements, such as using biocompatible materials, a separation of the actuator from the fluid, MRT safety and low energy consumption in order to allow a battery powered system. The concepts are based on impacts that transmit an impulse into the interior of the valve through the casing, switching the valve. In order to predict the energy transmitted into the valve, an elastic multibody model is created, verified with full finite element simulations and experiments on scaled-up models. Using this model, the most important effects and parameters are discussed. Also, fluid effects are included into the elastic multibody model for a qualitative assessment of its influence on the efficiency. The simulations are compared to experiments performed with a scaled model for two different cases. Two designs of a shift valve based on impact actuation are built as prototypes and tested.
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Simulation of a micro shift valve with impact actuation
(2011) Eberhard, Peter; Fischer, Christian
A new concept of an impact actuated micro shift valve is presented. The impacts are transmitted to the interior of the valve through the casing. In order to predict the energy transmitted into the valve, the most important effects are discussed and two elastic multibody models using the Hertzian contact law are introduced and compared to a full finite element simulation. A simpler model with one degree of freedom for an elastic plate as transmission element proves to be too crude. But a more sophisticated model with axisymmetric finite elements for the plate shows good agreement. The simulations are compared to experiments performed with a scaled model for two different cases. The experiments show that so far neglected effects like plastic deformation occur and must be considered in the simulation if accurate predictions are required.
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Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung miniaturisierter Schaltventile mit Stoßantrieb
(2015) Fischer, Christian; Eberhard, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wird eine systematische Methodik zur grundlegenden Untersuchung von Stößen mit und ohne Fluid und zur Simulation stoßbetriebener Schaltventile vorgestellt. Der Kerngedanke eines stoßbetriebenen Schaltventils besteht darin, mit einem Aktor eine hohe Kraft in kurzer Zeit zu erzeugen, die eine dünne Gehäusewand bzw. eine fest eingespannte Platte verformt und eine Kugel im Ventil bzw. auf der anderen Plattenseite durch einen Stoß beschleunigt. Diese Kugel wechselt dann im Ventil ihre Position. Dabei ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung, welcher die kinetische Energie der inneren Kugel nach dem Stoß bestimmt, besonders wichtig, um robustes Umschalten zu ermöglichen. Es wird in einem mehrstufigen Prozess die Simulation des Stoßvorgangs ermöglicht. Zunächst wird anhand eines vereinfachten, vergrößerten Modells durch Experimente der Wirkungsgrad der Stoßübertragung unterschiedlicher Materialkombinationen und Geometrien bestimmt. Mit diesen Ergebnissen werden nichtlineare Finite-Elemente-Modelle desselben Modells unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle verglichen und validiert. In einem dritten Schritt wird ein elastisches Mehrkörpermodell erstellt und mit Hilfe der Simulationsergebnisse der Finite-Elemente-Simulation validiert. Dieses Modell dient dann der Simulation der Stoßvorgänge und auf Grund der extrem geringen Rechenzeiten der Durchführung von Parameterstudien und der Optimierung des Wirkungsgrades. Dadurch können viele Erkenntnisse gewonnen werden, die der Entwicklung neuer Ventilvarianten dienen. Beispielsweise wird sich herausstellen, dass die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Platte mindestens halb so groß wie die Stoßdauer sein sollte, dass die Elastizitätsmodule der Kugeln möglichst hoch sein sollten und der E-Modul der Platte möglichst gering. Außerdem sollte die Platte möglichst dünn und die Oberfläche der Stoßkörper möglichst wenig gekrümmt sein. Für die Untersuchung des Fluideinflusses auf den Stoß wurde das Finite-Elemente-Modell der Platte im elastischen Mehrkörpermodell durch ein Modell ersetzt, welches die Wechselwirkung der Platte mit einem umgebenden Fluid beschreibt. Damit können dann die Experimente, die mit Fluid durchgeführt wurden, verglichen werden. Dabei ist die Auswertung der Ergebnisse mit Fluid nicht direkt möglich, denn es müssen einige Effekte kompensiert werden, die der Brechungsindex des Fluids direkt auf die Messung hat. Es zeigt sich dann aber, dass die Ergebnisse gut überein stimmen. Des Weiteren zeigt sich, dass der Stoß nicht von der Viskosität des Fluids, sondern lediglich von dessen Dichte abhängt. Der Einfluss der Viskosität spielt jedoch eine Rolle, wenn zu Beginn des Stoßes ein kleiner Spalt zwischen der Platte und der Kugel ist und unmittelbar nach dem Stoß, wenn sich die Kugel von der Platte entfernt und Fluid nachströmen muss. Dazu wurde ein Simulationsmodell zur Berechnung des Squeeze-Film-Effekts entwickelt und in das elastische Mehrkörpermodell integriert. Für die Bewegung der Kugel während des Umschaltvorgangs im Ventil wurden CFD-Simulationen mit der ALE-Erweiterung zur Beschreibung der Netzverformungen unter mehreren Methoden als beste befunden und verwendet. Damit stellt man fest, dass der Einfluss von Wasser auf die Kugelbewegung recht gering ist und das Umschalten kaum behindert. Öl hingegen bremst die Kugel stark ab, so dass robustes Umschalten nicht mehr sichergestellt werden kann. Durch Messungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kann außerdem das Verhalten eines Prototypen beobachtet und es können Vermutungen aus der Simulation bestätigt werden. Darauf aufbauend wurde ein verbessertes Konzept dieses Prototyps vorgeschlagen.
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Experimental investigations on impact transmission through a plate
(2013) Fischer, Christian; Eberhard, Peter
The concept of an impact actuated shift valve is presented. This valve concept can be actuated by different kinds of actuators, such as piezo stack actuators. A simplified model for the investigation of the impact process is created. The model consists of a plate, two spheres and a fluid-filled tank. Experiments are presented with and without fluids and different plates. The results are compared to simulations.

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