Biomedizinische Informatik und Mechatronik

Smart dynamics

Rotordynamik

Entwicklung und Bau eines Gleitlagerprototyps mit variabler Spaltgeometrie, und damit Schmierfilmdicke, zur Verbesserung der Resonanzdurchfahrt eines Rotors. Das Konzept wurde theoretisch als auch experimentell bestätigt und wird für den industriellen Einsatz erprobt.

Referenz: Vibration quenching in a large scale rotor-bearing system using journal bearings with variable geometry (10.1016/j.jsv.2013.11.034)

Modellierung und Vorhersage des dynamischen Verhaltens des gleitgelagerten Rotorstrangs eines Gaskraftwerks unter Extrembelastungen bei Schaufelbruch oder Erdbeben (Biegeschwingung, Rotor-Struktur-Interaktion) und bei elektrischen Störfällen (Torsionsanregung, Rotor-Schaufel-Interaktion).

Referenz: Efficient modelling of rotor-blade interaction using substructuring (Springer: 2130646Best Paper Award

Empfohlene Rotordynamiksoftware: MADYN

Smart nonlinearity

Die bewusste Einführung stark nichtlinearer Subsysteme in ein dynamisches System ermöglicht eine Lokalisierung der Schwingungsenergie des Gesamtsystems. Dies führt zur Schwingungsreduktion des Hauptsystems und kann überdies zur effizienten elektrischen Energiegewinnung genutzt werden (elektromagnetisch oder piezoelektrisch).

Referenz: Kinetic energy harvesting

Die bewusste Einführung einer zeitlichen Periodizität in einem dynamischen System (linear oder nichtlinear) ermöglicht die Lokalisierung und Frequenzverschiebung der globalen Schwingungsenergie. Bei Korrekter Abstimmung wird eine Parameterantiresonanz erzeugt die etwa zur Vermeidung von Ratterschwingungen bei Frässpindeln, zur Schwingungsreduktion während der Resonanzdurchfahrt eines Motors und bei MEMS-Sensoren zur Verringerung der Ansprechzeit eingesetzt werden kann. Es ist besonders effektiv bei Problemen mit transienten Schwingungen, etwa die wiederkehrende Bewegung eines Roboterarm, und kann leicht parallel zu einem bereits bestehenden Regelungskonzept eingesetzt werden.

Referenz: Tuning transient dynamics by induced modal interaction in mechatronic systems (10.1016/j.mechatronics.2017.05.010)

Ein wesentlicher Punkt für das erfolgreiche Design eines dynamischen Systems ist die mathematisch abstrakte Modellreduktion eines komplexen Systems auf wenige, wesentliche Freiheitsgrade. Dieses reduzierte System ermöglicht einen effiziente Reglerauslegung und Systemoptimierung. In diesem Zusammenhang haben sich semi-analytische Lösungen (Maple/Mathematica) bewährt.

Biomechanik

In diesem Forschungsgebiet steht die kinematische Modellierung des Bewegungsapparats im Mittelpunkt. Von der Entwicklung (Kinematik und Animation) und Implementierung einer harmonischen Gehbewegung des open-source humanoiden Roboters Poppy über die Entwicklung von Trainingsprogrammen und Bewegungsmustern für den Heimgebrauch zur Rehabilitation der Armbewegung mit Hilfe einer PC-Maus bis hin zur Vorhersage elektrischer Felder im Oberschenkel bei der funktionellen Elektrostimulation.

Produktvariabilität

Eine lokale Produktvariabilität, etwa die örtliche Schwankung des E-Moduls einer Klebstoffschicht, wirkt sich auf die Frequenzübertragungsfunktionen der Gesamtstruktur aus. Mit Hilfe von Erweiterungen der kommerziell gängigen Component Mode Synthesis (CMS) in Kombination mit der Theorie der stochastischen Felder und stochastischer Projektionsmethoden werden effiziente Berechnungsverfahren für lineare Strukturen entwickelt. Diese ermöglichen robuste dynamische Vorhersage und eine Designoptimierung, deren Zielfunktion unempfindlich gegenüber einer Produktvariabilität ist.

Referenz: Component mode synthesis as a framework for uncertainty analysis (10.1016/j.jsv.2009.01.056)