Forschungsprojekte

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Hier finden Sie unsere neuesten Forschungsprojekte und veröffentlichte Beiträge (fleXstructures und Partner).

Aktuellste Forschungsprojekte

Ein digitales Werkzeug zur Lebensdauerbewertung flexibler Bauteile

Ein digitales Werkzeug zur Lebensdauerbewertung flexibler Bauteile

Ingenieure benötigen effiziente Simulationswerkzeuge, um die Anordnung flexibler Strukturen wie Kabel und Schläuche in der virtuellen Produktentwicklung von Fahrzeugen, Flugzeugen oder medizinischen Geräten darzustellen. Während die interaktive Simulation verformter Teile von flexiblen Objekten Stand der Technik ist, ist eine vergleichbare praxisnahe Simulation mechanischer Belastungen, kombiniert mit einer Vorhersage des Einflusses der Maschinendynamik auf die Lebensdauer flexibler Teile, trotz hoher Nachfrage aus der Industrie noch nicht verfügbar. Digitale Werkzeuge, die in frühen Stadien der Produktentwicklung eingesetzt werden, sollten nicht nur optimierte Darstellungen der Geometrie liefern, sondern auch die Belastungen vorhersagen, die während des Gebrauchs auf das Produkt wirken, da diese die Haltbarkeit und die Garantieleistung stark beeinflussen. ... Mehr

Der Hauptumfang dieses Projekts ist die Simulation dynamischer Effekte von Kabeln und Schläuchen, die Bewegungen mit hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind, und Haltbarkeitsanalysen durch Abschätzung von Schadenswerten an Kabeln und Schläuchen unter Bewegungseinfluss. Solche Simulationen sind besonders im Motorraum oder in den Aufhängungsbereichen eines Autos von Interesse oder während der Bewegungen eines Industrieroboters, wo das Schlauchpaket sowohl dynamischen- als auch Trägheitseffekten unterliegt.

Die Projektergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die dynamischen Effekte von Kabeln und Schläuchen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegen, genau zu simulieren und Schadenswerte abzuschätzen. Damit ist es auch möglich, Lebensdauerabschätzungen im Vergleich zu einer bestimmten Grundkonfiguration eines Kabels oder Schlauches vorzunehmen. Um jedoch absolute Lebensdauervorhersagen von Kabeln und Schläuchen treffen zu können, benötigt man sogenannte Wöhlerkurven. Wöhlerkurven für solch komplexe Materialien sind im Allgemeinen nicht leicht verfügbar, und es erscheint unrealistisch, dass dies in naher Zukunft der Fall sein wird. Daher ist die vergleichende Lastdatenanalyse das bevorzugte Konzept.

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DYMARA – Ein dynamisches Manikin mit faserbasierter Modellierung der Skelettmuskulatur

DYMARA – Ein dynamisches Manikin mit faserbasierter Modellierung der Skelettmuskulatur

Um Arbeitsprozesse systematisch analysieren und unter anderem hinsichtlich der körperlichen Belastung optimieren zu können, benötigt man realitätsnahe Menschmodelle. Ein Schwerpunkt von DYMARA ist die Kombination der optimalen Bewegungssteuerung des Menschmodells mit einem faserbasierten Muskelmodell. Ziel dieses BMBF-Verbundprojekts ist die Entwicklung eines innovativen digitalen Menschmodells (Manikins) mit einer detaillierten Modellierung der Skelettmuskulatur in Kombination mit effizienten Algorithmen. Die gemeinsame Entwicklung soll es ermöglichen, den Menschen simulationsgestützt auf optimale, ergonomische Weise in sein Arbeitsumfeld zu integrieren und somit letztendlich Ermüdungen, Erkrankungen sowie Unfälle vorzubeugen. Neben diesen ergonomischen Aspekten kann das entwickelte Modell auch zur Gestaltung und Optimierung von Prothesen bzw. Orthesen angewendet werden. ... Mehr

Um die Dynamik des muskuloskelettalen Systems hinreichend genau zu erfassen, wird im Verbundprojekt ein Modellierungsansatz verfolgt, der auf der Methode der mechanischen Mehrkörpersysteme basiert. Solche Modelle sind durch die Robotik inspiriert und werden bereits in vielen biomechanischen Anwendungsfeldern eingesetzt. Die Modellierung der Muskulatur stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung dar, insbesondere die Rechenzeit und die Berücksichtigung der anatomischen und physiologischen Gegebenheiten stellt vor Herausforderungen. In diesem Projekt wurde dazu ein eindimensionales Kontinuumsmodell entwickelt, welches einzelne Muskelfaserbündel realitätsnah beschreibt und mit entsprechenden Algorithmen zur Berechnung von Bewegungssequenzen und zur Steuerung des Manikins kombiniert wurde.

Als Praxis- bzw. Industriepartner dieses BMBF-Projektes legen wir unser Augenmerk neben der Aussagevalidität natürlich auch auf besonderen Wert auf die Einsatzfähig- und Benutzbarkeit der Ergebnisse unter industriellen Gesichtspunkten. Die Leistungsfähigkeit und die Nutzung soll dabei nicht auf einen Expertenkreis beschränkt sein, sondern eine möglichst große Akzeptanz und industrielle Integrationsfähigkeit aufweisen.

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Veröffentlichung

Virtual design and dynamical simulation of flexible cables, hoses, and wires

Autor: Annibale, E.S.; Dreßler, K.; Hermanns, O.; Linn, J.; Zemerli, C.

Quelle: Warrendale, Pa.: SAE, 2014, 11 S. SAE Technical Paper, 2014-36-0416

Computer simulation can provide significant help to solve practical problems concerning the optimal design and the dynamical behavior of flexible cables, hoses, and wires in vehicles and on production equipment like robots. Typical questions are the ideal cable’s length, its minimal bending radius, possible collision to surrounding parts, and designed space. To solve these problems, we developed a non-linear beam model, which accounts for large global deformations of the cable. It is based on Cosserat’s geometrically exact theory of rods and is able to represent extension, shearing, bending and torsion of the cable. With our innovative approach, one can optimize the cables design and their assembly positions in real time and with high accuracy. One can also consider a variety of material types and cross-sections profiles. Our implementation allows one to import CAD files and rigid body motions as well as the analysis of the local stress distribution within the cable volume. Important questions like finding the optimal length or the ideal assembly positions can be efficiently answered. Material and the necessary physical space can be already reduced during the design process, without the need of costly tests with hardware prototypes. We present relevant industrial examples of applicability our approach. Finally, we introduce a dynamical viscoelastic version our model, which is suitable for fast and accurate dynamical simulation of multi-body systems (MBS).

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Simulation der Nutzungsvariabilität für Betriebsfestigkeit und Energieeffizienz unter Verwendung geo-referenzierter Daten

Autor: Dreßler, K; Speckert, M.

Quelle: 17. Kongress SIMVEC Simulation und Erprobung in der Fahrzeugentwicklung 2014

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Kabel und Schläuche simulationsgestützt optimieren und absichern

Autor: Dreßler, K.; Stephan, T.

Quelle: Elektronik automotive (2017), Sonderausgabe Bordnetz 2017, S.14-17 ISSN: 1614-0125

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Geometrically exact Cosserat rods with Kelvin-Voigt type viscous damping

Autor: Linn, J.; Lang, H.; Tuganov, A.

Quelle: Mechanical sciences : MS 4 (2013), No.1, pp.79-96 ISSN: 2191-9151

We present the derivation of a simple viscous damping model of Kelvin-Voigt type for geometrically exact Cosserat rods from three-dimensional continuum theory. Assuming moderate curvature of the rod in its reference configuration, strains remaining small in its deformed configurations, strain rates that vary slowly compared to internal relaxation processes, and a homogeneous and isotropic material, we obtain explicit formulas for the damping parameters of the model in terms of the well known stiffness parameters of the rod and the retardation time constants defined as the ratios of bulk and shear viscosities to the respective elastic moduli. We briefly discuss the range of validity of the Kelvin-Voigt model and illustrate its behaviour for large bending deformations with a numerical example.

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Generalized maxwell type viscoelasticity for geometrically exact Cosserat rod and shell models

Autor: Linn, J.

Quelle: Terze, Zdravko ; European Community on Computational Methods in Applied Science -ECCOMAS-; Univ. of Zagreb

 

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Derivation of a viscoelastic constitutive model of Kelvin-Voigt type for Cosserat rods

Autor: Linn, J.; Lang, H.; Tuganov, A.

Quelle: Kaiserslautern: Fraunhofer ITWM, 2013, 54 pp. ITWM-Berichte, 225

 

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Discrete kinematics of Cosserat rods based on the difference geometry of framed curves

Autor: Linn, J.

Quelle: McGill University, Montreal: IMSD 2016, 4th Joint International Conference on Multibody System Dynamics. Proceedings

The theory of Cosserat rods provides versatile models for the simulation of large spatial deformations of slender flexible structures. As the strain measures of the mechanical theory are given in terms of the differential invariants of Cosserat curves, the kinematics of Cosserat rods are closely related to the differential geometry of framed curves. We utilize ideas from the difference geometry of framed curves in Euclidean space to construct the discrete kinematics of Cosserat rod models on a staggered grid, preserving the essential geometric properties independent of the coarseness of the discretization. On this basis, we also derive a vertex based model variant and discuss its relation to the discrete Cosserat rod kinematics obtained by a geodesic interpolation of the nodal variables in the Lie groups E 3 × SO(3) and SE(3).

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Kinetic aspects of discrete cosserat rods based on the difference geometry of framed curves

Autor: Linn, J.; Hermansson, T.; Andersson, F.; Schneider, Fabio

Quelle: Valasek, M. ; Czech Technical University, Prag; European Community on Computational Methods in Applied Science -ECCOMAS-

The theory of Cosserat rods provides a self consistent framework for modeling large spatial deformations of slender flexible structures at small local strains. Discrete Cosserat rod models [1, 2] based on geometric finite differences preserve essential properties of the continuum theory. The present work investigates kinetic aspects of discrete quaternionic Cosserat rods defined on a staggered grid within the framework of Lagrangian mechanics. Assuming hyperelastic constitutive behaviour, the Euler–Lagrange equations of the model are shown to be equivalent to the (semi)discrete balance equations of forces, moments and inertial terms obtained from a direct discretization of the continuous balance equations via spatial finite differences along the centerline curve. Therefore, equilibrium configurations obtained by energy minimization correspond to solutions of the quasi-static balance equations. We illustrate this approach by two academic examples (Euler’s Elastica and Kirchhoff’s helix) and highlight its utility for practical applications with a use case from automotive industry (analysis of the layout of cooling hoses in the engine compartment of a passenger car).

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Discrete cosserat rod models based on the difference geometry of framed curves for interactive simulation of flexible cables

Autor: Linn, J.; Dreßler, K.

Quelle: Ghezzi, L. ; European Consortium for Mathematics in Industry -ECMI-: Math for the Digital Factory

For software tools currently used in industry for computer aided design (CAD), digital mock-up and virtual assembly there is an increasing demand to handle not only rigid geometries, but to provide also capabilities for realistic simulations of large deformations of slender flexible structures in real time (i.e.: at interactive rates). The theory of Cosserat rods provides a framework to perform physically correct simulations of arbitrarily large spatial deformations of such structures by stretching, bending and twisting. The kinematics of Cosserat rods is described by the differential geometry of framed curves, with the differential invariants of rod configurations corresponding to the strain measures of the mechanical theory. We utilize ideas from the discrete differential geometry of framed curves in combination with the variational framework of Lagrangian mechanics to construct discrete Cosserat rod models that behave qualitatively correct for rather coarse discretizations, provide a fast computational performance at moderate accuracy, and thus are suitable for interactive simulations. This geometry based discretization approach for flexible 1D structures has industrial applications in design and digital validation. We illustrate this with some application examples from automotive industry.

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Discrete Cosserat Rod Kinematics Constructed on the Basis of the Difference Geometry of Framed Curves - Pt.I: Discrete Cosserat Curves on a Staggered Grid

Autor: Linn, J.

Quelle: Journal of elasticity 139 (2020), No.2, pp.177-236

The theory of Cosserat rods provides versatile models to simulate large spatial deformations of slender flexible structures. As the strain measures of the mechanical theory are given in terms of the differential invariants of Cosserat curves, the kinematics of Cosserat rods is closely related to the differential geometry of framed curves. We utilize ideas from the difference geometry of framed curves in Euclidean space to construct the discrete kinematics of Cosserat rod models on a staggered grid, preserving the essential geometric properties independent of the coarseness of the discretization.
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