Die Lehrveranstaltung vermittelt den aktuelle Wissensstand auf dem Gebiet der numerischen Simulation gekoppelter Feldprobleme mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode, wie sie typischerweise bei der Analyse und Optimierung von modernen mechatronischen Systemen auftreten (z.B.: elektromagnetische Aktoren, piezoelektrische Positionierantriebe, Akustik von Maschinen und Fahrzeugen, etc.).
Bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen setzen Berechnungsingenieure zunehmend numerische Verfahren ein, welche die präzise Computersimulation dieser Komponenten und Systeme ermöglicht. Dies begründet sich einerseits in der Komplexität der Systeme, deren Wirkungsprinzipien auf der Kopplung verschiedener physikalischer Felder (mechanisches, elektromagnetisches, akustisches, etc.) beruhen, und andererseits in dem Bestreben nach immer kürzeren Entwicklungszeiten. Unter diesen Umständen ist der Entwicklungsingenieur vielfach nicht mehr in der Lage, mit Experimenten, welche im Allgemeinen sehr zeit- und kostenintensiv sind, bzw. mit analytischen Abschätzungen die Einflüsse der relevanten Parameter, wie z.B. Geometrie oder Material, zu selektieren und eine Optimierung durchzuführen. Darüber hinaus besteht das Problem, dass viele interessante physikalische Größen messtechnisch nicht zugänglich sind, wie etwa mechanische Spannungen oder magnetische Felder im Inneren von Strukturen.
Generell sind die Größen, welche die physikalischen Effekte in mechatronischen Systemen beschreiben, eine Funktion von Ort und Zeit und die Beschreibung führt zu einem System von partiellen Differentialgleichungen (z.B. Elektromagnetik-Mechanik-Akustik). Diese können im Allgemeinen nicht analytisch gelöst werden und erfordern die Anwendung von numerischen Verfahren, wie der Finite-Elemente (FE) Methode. Der wesentliche Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass das mechatronische System sowohl von den physikalischen Effekten als auch der Geometrie sehr präzise beschrieben wird und die Computersimulationen orts- und zeitaufgelöst durchgeführt werden.
Die Vorlesung beginnt mit einer detaillierten Beschreibung der Finiten-Elemente (FE) Methode,wobei auch besonders auf die Computerimplementierung eingegangen wird. Hierzu steht ein fertiges Python Programm zu Verfügung, welches alle relevanten Routinen zur Berechnung mechanischer Problemstellungen beinhaltet. In einem nächsten Schritt wird der Stand der Technik im Bereich der numerischen Simulation von gekoppelten Feldproblemen, wie diese typischerweise bei mechatronischen Systemen auftreten, besprochen. In Kombination mit der Theorie mechanischer, elektromagnetischer und akustischer Felder sowie deren Kopplungen wird die praktische Umsetzung von numerischen Simulationen von mechatronischen Systemen, welche im Designprozess erforderlich sind, diskutiert ( elektromagnetische Aktoren, piezoelektrische Positionierantriebe, Akustik von Maschinen und Fahrzeugen, etc.).
Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators, Manfred Kaltenbacher, 3rd ed. Springer, 2015.
Grundlagen der Finiten-Elemente-Methode
Grundlagen der Mechanik, Elektromagnetik und Akustik
