AIProVE – Entwicklung eines einstallbaren Impedanzelementes zur Validierung von Produkten in nachgiebigen Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im DFG geförderten Projekt AIProVE – Adjustable Impedance Elements for Product Validation in Compliant Environments wurden im Verbund von drei Universitäten (TUHH, KIT, ETHZ) anpassbare Impedanzelemente erforscht, um nachgiebige Randbedingungen beim Testen und Validieren von Produkten abzubilden. Hierbei handelt es sich um Mechanismen mit separat einstellbaren Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften. Im Rahmen des Projekts wurden unterschiedliche Wirkprinzipien zur Realisierung einstellbarer Steifigkeits- und Dämpfungsmechanismen untersucht, nämlich der Einsatz antagonistisch vorgespannter Federn, Verkürzung der Federlänge, Bistabile Federn, Fluiddämpfung und Wälzreibung. Hieraus sind mehrere translatorische und rotatorische Steifigkeits- und Dämpfungselemente entstanden. Durch Kombination der jeweils modular gestalteten Steifigkeits- und Dämpfungselemente können so verschiedenste anpassbare Impedanzelemente konfiguriert werden. Des Weiteren wurden in dem Projekt Messmethoden zur Charakterisierung von Impedanzelementen und zugehörige Kalibriermethoden untersucht und weiterentwickelt. Mit diesen Methoden lassen sich die unterschiedlichen Übertragungsfunktionen der Elemente zuverlässig bestimmen. Als konkrete Beispiele zum Einsatz von AIEs wurden im Rahmen des Projektes zwei mögliche Anwendungsfelder adressiert. Neben einer Untersuchung von AIEs zur schwingungstechnischen Modellierung des menschlichen Hand-Arm-Systems für Power-Tool Tests fanden die AIEs Anwendung in der Schwingungsreduzierung von Flugzeugkabinenelemente am Beispiel von Sandwich-Trennwänden. Im Umfeld des Power-Tool Testings ist es nun möglich, die heterogenen Schwingungseigenschaften des menschlichen Hand-Arm-Systems reproduzierbar abzubilden. Dies ermöglicht es, in der Entwicklung von Power-Tools genauere Aussagen über die Systemdynamik zu treffen, da der menschliche Einfluss nun konstant gehalten werden kann. Bisher konnten in Anwendungsexperimenten nur unter großem Aufwand und mit großer Unsicherheit Aussagen über die Systemdynamik in der Anwendung getroffen werden. Bisherig etablierte Hand-Arm-Modelle sind in ihren Eigenschaften nicht einstellbar und so nur für schmale Betriebsbereiche geeignet. Hier wurde im Stand der Technik meist ein Kompromiss zwischen statischen Anforderungen (hohe Kräfte) und dynamischen Anforderungen (weiche Federn, geringe Massen) getroffen. Mit Hilfe der entwickelten Mechanismen ist es nun möglich beide Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Die Verwendung von anpassbaren Impedanzelementen als Schnittstellenelemente ermöglicht es, das Schwingverhalten von Flugzeugkabinenelementen gezielt zu beeinflussen. Durch eine gezielte Variation der anpassbaren Impedanzelemente als Schnittstellen lässt sich damit eine Schwingungsreduzierung erreichen. Im Flugzeug kann es aufgrund von Turbulenzen und Turbinenschaden zu einem sicherheitsrelevanten Aufschwingen der Kabinenelemente kommen. Durch die Schwingungsreduzierung kann somit die Sicherheit in der Luftfahrt erhöht und eine schwingungssichere Auslegung leichterer Strukturen unterstützt werden. Durch die entwickelten anpassbaren Impedanzelemente wurden die beiden DFG-geförderten Prüfumgebungen Anwender-Interaktion-Prüfstand und Prüfanlage für Lastkombinationen, hinsichtlich der Möglichkeit stationäre einstellbare Randbedingungen abzubilden, erweitert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Adjustable Impedance Elements for Testing and Validation of System Components, Symposium Lightweight Design in Product Development, Zurich, Switzerland, 2018, pp. 45-47
Heyden, E.; Lindenmann, A.; Oltmann, J.; Bruchmüller, T.; Krause, D.; Matthiesen, S.
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Adjustable Impedance Elements for Testing and Validation of Aircraft Components and Hand-Held Power Tools, Beiträge zum Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung (SSP 2019), Stuttgart Germany, 2019
Lindenmann, A.; Heyden, E.; Matthiesen, S.; Krause, D.
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Transferability of Boundary Conditions in Testing and Validation of Lightweight Structures, Proceedings of the 30th Symposium Design for X (DFX 2019), Jesteburg, Germany, 2019, pp. 85-96
Heyden, E; Hartwich, T. S.; Schwenke, J., Krause, D.
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Aktuelle Ansätze in der Entwicklung und Auslegung von Leichtbaustrukturen, in: Krause, D. et al. (Hrsg.): Produktentwicklung und Konstruktionstechnik - Forschungsergebnisse und -projekte der Jahre 2016 bis 2020, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany, 2020, pp. 135-157
Heyden, E.; Schwenke, J.; Hartwich, T. S.; Hanna, M.; Krause, D.
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An adjustable bearing seat stiffness element for targeted vibration influencing. INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, InterNoise21: Washington, D.C., USA. Ed.: T. Dare. Ed.: T. Dare, 757–766, Institute of Noise Control Engineering of the USA (INCE-USA). 2021
Sturm, C.; Lindenmann, A.; Gwosch, T.; Matthiesen, S.
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Approach for Calibrated Measurement of the Frequency Response for Characterization of Compliant Interface Elements on Vibration Test Benches. Applied Science, 2021
Heyden, E; Lindenmann, A; Matthiesen, S; Krause, D.
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Influence of friction bearings on the frequency response of a variable stiffness mechanism. Mechanism and Machine Theory, Vol. 168, 2022
Lindenmann, A.; Heyden, E.; Mas, V.; Krause, D.; Matthiesen, S.
