Kontinuumsbasierter Entwurf selektiv nachgiebiger Mechanismen unter Berücksichtigung großer Deformationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es gibt intensive Forschungsbemühungen zur Entwicklung von topologieoptimierungsbasierten Syntheseverfahren für nachgiebige Mechanismen (NM), die – analog zu konventionellen Mechanismen – gezielt darauf ausgelegt sind, eine gewünschte Kinematik bzw. gewünschte Verformungen zu realisieren. Dabei werden häufig vereinfachend lineare Annahmen (kleine Verzerrungen und linear-elastisches Materialverhalten) getroffen. Bereits in diesem Fall ist der Entwurf von NM herausfordernd, da deren Verformung abhängig von angreifenden Lasten (nachfolgend als Querlasten bezeichnet) ist. Wenn in der Praxis andere Lastfälle angreifen, als die bei der Synthese berücksichtigten, können die gewünschten Verformungen unter Umständen nicht mehr sichergestellt werden. Dieses Problem wurde unter Mitwirkung des Antragstellers durch die Entwicklung der modalen Ansätze, welche eine querlastunabhängige Synthese ermöglichen, erfolgreich behoben. NM, die eine nahezu querlastunabhängige Verformung generieren, werden als NM mit selektiver Nachgiebigkeit bezeichnet. Im Zuge der ersten Förderperiode wurde ein neuer robusterer modaler Ansatz erarbeitet. Der neue modale Ansatz kann NM entwerfen, deren Kinematik näherungsweise die konventioneller Mechanismen mit Laufgrad 1 und höher abbildet (nachfolgend als Pseudolaufgrad bezeichnet). Allerdings basiert der Ansatz auf linearen Annahmen. In der Praxis unterliegen NM großen Verformungen, weshalb die linearen Annahmen nicht ausreichend sind und Nichtlinearitäten (insbesondere große Verzerrungen, die auch als geometrische Nichtlinearität bezeichnet werden) grundsätzlich zu betrachten sind. Deshalb wurde der modale Ansatz im Rahmen der zweiten Förderperiode auf nichtlineare Annahmen erweitert. Bei den entworfenen nichtlinearen NM soll es sich um pfadgenerierende NM handeln. Für diese wird ein gewünschter Verformungspfad zwischen Anfangs- und Endzustand optimiert, der präzise steuerbar ist. Mit diesen Erweiterungen steht ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, das die Synthese komplexer NM ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Synthesis of shape-adaptive plain bearings. Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications, 1039-1043. CRC Press.
Kirmse, S.; Prase, B. & Hasse, A.
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Accuracy and precision: A new view on kinematic assessment of solid-state hinges and compliant mechanisms. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 33(13), 1743-1748.
Campanile, Lucio Flavio; Kirmse, Stephanie & Hasse, Alexander
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Synthesis of compliant mechanisms with selective compliance – An advanced procedure. Mechanism and Machine Theory, 157, 104184.
Kirmse, Stephanie; Campanile, Lucio Flavio & Hasse, Alexander
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Topology-optimization based design of multi-degree-of-freedom compliant mechanisms (mechanisms with multiple pseudo-mobility). Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 34(5), 609-628.
Seltmann, Stephanie; Campanile, Lucio Flavio & Hasse, Alexander
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Topology optimization of compliant mechanisms with distributed compliance (hinge-free compliant mechanisms) by using stiffness and adaptive volume constraints instead of stress constraints. Mechanism and Machine Theory, 180, 105133.
Seltmann, Stephanie & Hasse, Alexander
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Topologieoptimierung von pfadgenerierenden nachgiebigen Mechanismen mit selektiver Nachgiebigkeit und mehrfachem Pseudolaufgrad, Dissertation, Technische Universität, Chemnitz
S. Seltmann
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„Nonlinear synthesis of shape-adaptive compliant structures with selective compliance”, Konferenzbeitrag, in ECCOMAS CONGRESS 2024, 9th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, 3-7 June 2024, Lisboa, Portugal, 2024
S. Seltmann & A. Hasse
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Nonlinear Synthesis of Compliant Mechanisms With Selective Compliance. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 126(14).
Seltmann, Stephanie & Hasse, Alexander
