325.099 Finite Elemente für gekoppelte Feldprobleme II
Diese Lehrveranstaltung ist in allen zugeordneten Curricula Teil der STEOP.
Diese Lehrveranstaltung ist in mindestens einem zugeordneten Curriculum Teil der STEOP.

2020S, VO, 2.0h, 3.0EC

Merkmale

  • Semesterwochenstunden: 2.0
  • ECTS: 3.0
  • Typ: VO Vorlesung

Lernergebnisse

Nach positiver Absolvierung der Lehrveranstaltung sind Studierende in der Lage (1) die physikalischen Grundlagen mechanischer, elektromagnetischer, strömungsmechanischer, thermischer und akustischer Feldern sowie deren Kopplungen zu erklären; (2) die Methode der Finiten Elemente mathematisch zu formulieren und in einem Programm zu implementieren; (3) alle notwendigen Schritte für eine erfolgreiche Finite Elemente-Analyse von der Modellbildung über das Pre-Processing, der eigentlichen Finite Elemente-Simulation bis hin zum Post-Processing selbstständig durchzuführen; (4) die Finiten Elemente-Simulationsergebnisse physikalisch richtig zu interpretieren, um bei der Verbesserung bestehender und der Entwicklung neuer mechatronischer Systeme die richtigen Schritte zu setzen; (5) forschungsrelevante Themen identifizieren und erarbeiten.

Inhalt der Lehrveranstaltung

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.

Im Detail werden sowohl die mathematischen / physikalischen  Zusammenhänge als auch deren Finite-Elemente-Formulierung von folgenden Feldproblemen besprochen:

Strömungsakustik

  • Schallerzeugung durch turbulente Strömungen nach der Lighthill Analogie
  • Approximation der Lighthill Analogie für niedrige Machzahlen
  • Finite Elemente Formulierung für die Schallabstrahlung
  • Approximation der Freifeldabstrahlung mittels absorbierender Randbedingungen sowie der Perfectly-Matched-Layer (PML) Technik
  • Nichtkonforme Finite Elemente

Elektromagnetik-Mechanik

  • Maxwell - Gleichungen
  • Vektorpotenzialformulierung in der Magnteodynamik
  • Nichtlineare Finite Elemente Formulierung (Newton) mit Kantenelementen
  • Koppelterme (Elektromagnetische Kräfte, Bewegungungsinduktion)
  • Finite Elemente Formulierung für das gekoppelte Feldproblem mit sich bewegenden / deformierbaren elektrisch leitfähigen Körpern

Elektromagnetik-Thermik

  • Multi-harmonischer Ansatz zur Lösung der nichtlinearen elektromagnetischen partiellen Differentialgleichung im Frequenzbereich
  • Finite Elemente höherer Ordnung für die präzise Auflösung von Wirbelströmen in elektrisch leitfähigen Körpern
  • Koppelterme (Joulsche Verlustleistung aufgrund von Leitungströmen und Wirbelströmen, Temperaturabhängigkeit der Materialparameter)
  • Finite Elemente Formulierung für das gekoppelte Feldproblem 

Methoden

Die Vorlesung ist interaktiv gestaltet. Das in den Vorlesungen vermittelte Wissen wird durch multimediale Darstellungen und aus der Praxis kommende Problemstellungen sehr anschaulich gestaltet. Dabei wird sehr großer Wert auf das physikalische Verständnis gelegt.

Prüfungsmodus

Schriftlich und Mündlich

Vortragende

Institut

LVA Termine

TagZeitDatumOrtBeschreibung
Do.08:30 - 10:0005.03.2020 - 25.06.2020Seminarraum BA 05 Vorlesung
Finite Elemente für gekoppelte Feldprobleme II - Einzeltermine
TagDatumZeitOrtBeschreibung
Do.05.03.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.12.03.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.19.03.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.26.03.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.02.04.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.30.04.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.07.05.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.14.05.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.28.05.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.04.06.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.18.06.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung
Do.25.06.202008:30 - 10:00Seminarraum BA 05 Vorlesung

Leistungsnachweis

Ausarbeitung von Fragen / Aufgaben und mündliche Prüfung

LVA-Anmeldung

Nicht erforderlich

Curricula

StudienkennzahlSemesterAnm.Bed.Info
066 445 Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 445 Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 445 Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 482 Wirtschaftsingenieurwesen - Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 482 Wirtschaftsingenieurwesen - Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 482 Wirtschaftsingenieurwesen - Maschinenbau STEOP
Lehrveranstaltung erfordert die Erfüllung der Studieneingangs- und Orientierungsphase STEOP
066 646 Computational Science and Engineering
066 646 Computational Science and Engineering

Literatur

M. Kaltenbacher. Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators. Finite Elements for Computational Multiphysics. Springer-Verlag, Heidelberg, 2015, ISBN: 978-3-642-40169-5

Vorkenntnisse

Die Lehrveranstaltung Finite Elemente für gekoppelte Feldprobleme I (325.095, VU) wird empfolen.

Sprache

Englisch