In enger Kooperation zum Hochschuldidaktikzentrum Ulm (HDZ) werden begleitend zu den laufenden Planungen und Entwicklungen zum neuen Bachelor-Studiengang CSE fakultätsübergreifend

• neue Prüfungsformen und
• neue Evaluationsformen

von Bachelor-Studiengängen entwickelt werden, um so die Qualität der Lehre bezüglich der Studierbarkeit und der Berufsqualifizierung gewährleisten, überprüfen und ggf. gezielt verbessern zu können.

Die Mittel zu diesem Projekt stammen aus Studiengebühren und wurden auf Empfehlung des Arbeitskreises Studiengebühren vom Präsidium bewilligt (26.07.2010). Für die Förderung danken wir sehr herzlich.  Die Studierenden sollen von den Ergebnissen dieses Projektes fakultätsübergreifend direkt profitieren.

Alternative Prüfungsformen wurden bereits entwickelt ("teamorientierte, anwendungsnahe Projektarbeiten) und erfolgreich in zwei unserer Vorlesungen verwirklicht (MMSM1 und MMSM2).

Kontakt: Dipl.-Ing. (FH) Beate Mayer

In einem Schülerprojekt untersucht Tim Wagner (Willhelm-Brake-Gesamtschule Braunschweig) die Eigenschwingungen seines Snowboards mit numerischen und experimentellen Methoden.

Download der Facharbeit (PDF, 1 MB)

In diesem Projekt werden polymere Solarzellen untersucht, deren photoaktive Schichten aus Polymeren bestehen. In einer Kooperation der Universität Ulm und der TU Eindhoven konnte gezeigt werden, dass die Effizienz polymerer Solarzellen stark von der geometrischen Struktur des Kompositmaterials abhängt. Zur Analyse der Korrelation von Morphologie und Leistungsfähigkeit und zur Detektion verbesserter Strukturen wird ein stochastisches Simulationsmodell der Morphologie polymerer Solarzellen entwickelt.

Mehr Information: 3D Modellierung der photoaktiven Schicht in polymeren Solarzellen

Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt

Die Firma Reichmann & Sohn stellt u.a. Skiservice-Maschinen her, mit denen die Unterseite von Skiern und Snowboards geschliffen werden kann. Durch spezielle Einstellungen der Schleifparameter können charakteristische Schleifmuster auf der Skiunterseite erzeugt werden, die die Laufeigenschaften der Skier positiv beeinflussen sollen. Ziel des Projekts war es, ein Rechnerprogramm zu entwickeln und der Fa. Reichmann & Sohn zur Verfügung zu stellen, das die Schleifmuster in Abhängigkeit der Parameter simulieren und grafisch darstellen kann. Abricht- und Schleifvorgang konnten durch geometrische Abbildungen mathematisch beschrieben und in ein benutzerfreundliches Programm implementiert werden. Das Programm wurde auf der ISPO-Winter 2009 in München als Neuheit von Reichmann&Sohn vorgestellt. Das Programm wurde dann in die Internetseiten der Firma integriert PatRich-Online und ist nun für jedermann im Internet verfügbar. In einem laufenden Projekt wird derzeit die Invertierbarkeit des Problems untersucht (Welche Parameterwerte müssen für ein gewünschtes Muster gewählt werden?).

Kooperation: Reichmann & Sohn GmbH, Weißenhorn

Dr.-Ing. Ulrich SimonBeitrag darüber in Radio SWR4-BW (Aktuelles vom 18.02.2010)

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Die Firma Franz Kessler stellt u.a. direkt angetriebene Systemkomponenten für Werkzeugmaschinen her. Um eine angefahrene Drehposition auch bei größeren Momenten sehr genau halten zu können, sind die Antriebseinheiten mit hydraulisch betätigten Klemmungen ausgerüstet. Im geklemmten Zustand werden die Bremsscheiben durch die axial wirkende Kraft der Hydraulik verbogen. Dieser Beanspruchung muss das Bauteil mehrere Millionen mal widerstehen. Um die Betriebsfestigkeit auch für Konstruktionsvarianten zu gewährleisten und deren Gestalt schnell optimieren zu können, sollten Spannungsanalysen und eine Topologieoptimierung durchgeführt werden. Darüberhinaus wurde die Kippsteifigkeit einer Rundachse berechnet. Die Spannungs- und Steifigkeitsanalysen geben wertvolle Hinweise auf mögliche konstruktive Verbesserungen.

Kooperation: Franz Kessler, Bad Buchau

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Projekt 46:  In diesem Dauerprojekt stellt das UZWR jährlich neu unter Beweis, dass bei uns nicht nur theoretisiert wird.  Im Feldversuch zeigen Studenten, Mitarbeiter, Professoren und "andere Helfer", dass sie mit allen (Donau-)Wassern gewaschen sind. 

Wer Ulm ein wenig kennt, weiß, dass man jedes Jahr an einem speziellen Montag um den 20. Juli herum (-> Schwörmontag) gute Gelegenheit hat, selbstkonstruierte Boote und Auftriebskörper mit vielen anderen Mitbewerbern in der Donau praktisch zu erproben.  Dieses Ulmer Highlight bezeichnen die Schwaben als "NABADA", was soviel wie "Herunterbaden" bedeutet.

Der UZWR-Auftriebskörper wird natürlich - das ist so unsere Art - stets weiterentwickelt und optimiert (notfalls auch mal mit Hilfe einer numerische Simulation).

Details, weitere Bilder und Updates

Die Frakturheilung wird von biologischen und biomechanischen Faktoren beeinflusst. Die Kenntnis und Kontrolle der biomechanischen Bedingungen im Heilungsgebiet ist deshalb essen-tiell für alle tierexperimentellen Untersuchungen zur Frakturheilung. Am Rattenhinterbein werden zunehmend Studien zur Frakturheilung durchgeführt, ohne die biomechanischen Bedingungen zu kennen. Ziel des geplanten Forschungsprojekts ist es daher, die interfragmentäre Bewe-gung als die wichtige Kenngröße für die biomechanische Stabilität zu bestimmen. Um die unbekannte muskuloskelettale Belastung am Rattenbein zu berechnen, soll für ein vorhandenes invers-dynamisches Programm ein Modell des Rattenhinterbeins entwickelt werden. Dazu können bereits ermittelte digitale Daten der Rattenanatomie verwendet werden. Der dreidimensionale Gang der Ratte soll röntgen-kinematographisch zusammen mit den Bodenkontaktreaktionen vermessen werden. Ein verbesserter Optimierungsalgorithmus soll die Muskelkräfte auch bei antagonistischer Muskelaktivität berechnen können. Die ermittelten Lasten sollen dann verschiedenen Finite-Elemente-Modellen zum Knochen-Implantat-Verbund am Rattenbein aufgeprägt werden, um so die initialen interfragmentären Bewegungen und Gewebedehnungen zu berechnen. Mit der geplanten Methode wird es möglich sein, die biomechanischen Bedingungen der Frakturheilung für verschiedene Frakturen und Osteosyntheseverfahren am Rattenbein genau zu charakterisieren und dadurch gezielter durchführen und in ihrem Umfang vermindern zu können.

Kooperation: Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik und Institut für Numerische Mathematik

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Die Firma Liebherr-Mischtechnik GmbH stellt u.a. Schüttgutsilos für Betonrohstoffe her. An den Auslauftrichtern dieser Silos werden in der Regel Unwucht-Schwingungserreger angebracht, deren Vibrationen einen stetigen Schüttgut-Ausfluss gewährleisten. Vereinzelt treten Betriebsfestigkeitsprobleme auf. Es bilden sich Risse im Blech des Trichters in der Nähe des aufgeschweißten Anschlussflansches des Schwingungserregers. Als Ursache wird eine zu lang anhaltende Schwingungserregung bei bereits leergelaufenem Silo vermutet. Ziel des Projekts war es, die Ursache der Rissbildung zu untersuchen. Dazu wurden mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells vom betroffenen Auslauftrichter-Blech Schwingungs- und Spannungsanalysen durchgeführt. Das Modell führt zu dynamischen Spannungskonzentrationen, die sehr gut mit den Schadensfällen übereinstimmen.

Kooperation: Liebherr-Mischtechnik, Bad Schussenried

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Die Firma Wiedenmann produziert Rasenpflegemaschinen, die u.a. auf den Golfplätzen dieser Welt eingesetzt werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit dieser Maschinen soll stetig gesteigert werden. Dabei entstehen an einigen Bauteilen relativ hohe Beschleunigungen und in der Folge können störende Schwingungen und Fehlfunktionen auftreten. Abhilfe soll Reduktion der Bauteilmasse bei immer noch ausreichender Festigkeit erfolgen. An einem der am stärksten beschleunigten Bauteile der Maschine, dem Zinkenträger, wurde daher eine Topologieoptimierung durchgeführt.

Kooperation: Wiedenmann GmbH, Rammingen

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

An einem Bandsägetyp der Fa. MEBA traten beim Sägen regelmäßig unerwünschte Kreischgeräusche auf. Als Ursache wurden selbsterregte Bandsägeschwingungen vermutet. Durch „Schwingungsmessungen vor Ort“ konnten die typischen Frequenzen, Amplituden und Schwingungsformen ermittelt werden. Durch geschickte Kombination mit einer numerischen Modalanalyse des Sägebandtrums konnte die für das Kreischen wahrscheinlichste Schwingungsform ermittelt werden. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse gelang es MEBA einen Prototypen ohne Kreischgeräusche zu entwickeln.  

Kooperation: MEBA GmbH, Westerheim

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Entwicklung eines Programms zur schnellen, vollautomatischen (also robusten) Steifigkeitsanalyse von Frakturen aus klinischen Bilddaten (CT, MRT) mit Finiten (Voxel-)Elemente.

Update (April 2010):

Das Programm wurde mittlerweile von Markus Helmer (Physikstudent) als Diplomarbeit in Kooperation mit Prof.- Marti (Experimentelle Physik) weiterentwickelt und steht kurz vor der Veröffentlichung.  Es trägt nun den Namen FEA4DICOM (siehe Bild).

Eines der Ziele der Heilungssimulation ist es, Frakturen durch optimale Wahl der Designparameter der Fraktur-Fixation bestmöglich versorgen zu können und eine schnellstmögliche Heilung zu erreichen. Um eine solche Parameteroptimierung durchführen zu können, ist es notwendig, ein eindeutiges Abbruch-Kriterium für die Simulation zu finden, also zu definieren, wann eine Fraktur als geheilt gilt. Dieser Zeitpunkt muß automatisch erkannt und die ermittelte Heilungsdauer als skalarer Wert zurückgegeben werden, so dass man im Folgenden numerische Verfahren anwenden kann, um die Fixateur-Parameter zu optimieren. 

Volumenvisualisierung (XRaySimulator): 

Es ist uns mit diesem Projekt gelungen die Grundlagen für eine numerische Optimierung zur Frakturheilungssimulation zu erarbeiten. Wir konnten ein vorhandenes Frakturheilungsmodell so erweitern und beschleunigen, dass klinisch relevante Fälle simuliert werden können. So ist es nun möglich patientenspezifisch die Frakturgeometrie, die muskulo-skelettale Belastung sowie die Fixationssteifigkeit zu modellieren, dann die Heilung zu simulieren und in klinisch relevanter Weise zu visualisieren. Die Simulation konnte in ein numerisches Optimierungsverfahren integriert werden. Das Verfahren approximiert das komplexe, nicht-glatte Funktional „Heilungszeit-über-Designvariable“ durch Splines, um dann dessen Minimum zu bestimmen. Zur Überprüfung der Methode haben wir als Designvariable die Steifigkeit der Frakturfixation gewählt und für einen experimentellen Fall bestimmt, bei dem gerade diese variiert worden war und somit die Lage des Optimum validiert werden konnte. Für die Heilung von Frakturen an der Schafstibia wurde die optimale Steifigkeit des Fixateurs zu 2000 N/mm ermittelt. Dieser Wert konnte durch die Ergebnissen des Experiments sehr gut bestätigt werden.

Die Methode soll nun dazu Verwendet werden, optimale Steifigkeitseigenschaften auch für klinische Fälle zu berechnen. Darüberhinaus erlaubt die Methode aber auch, die Optimierung zeitlich veränderlicher auch nichtlinearer 3D Steifigkeitseigenschaften von Fixationen oder auch die Optimierung des klinischen Belastungsprotokolls des Patienten durchzuführen.

Landesforschungsschwerpunkt-Förderung Baden-Württemberg

Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Der Voith-Schneider-Propeller ist ein spezieller Schiffsantrieb, bei dem sich ein großer horizontaler Antriebsteller am Boden des Schiffsrumpfes dreht. Auf dem Umfang des Antriebstellers sind z.B. fünf Flügel angebracht, die vertikal nach unten zeigen und mit dem Teller umlaufen. Die Flügel können um ihre Längsachse gegenüber dem Teller verdreht werden. Eine Flügelwinkelsteuerung sorgt nun für eine periodische Verdrehung der Flügel derart, dass ein resultierender Schub von einstellbarer Größe in jede beliebige Richtung erzeugt werden kann. Der Antrieb wird meist paarweise, insbesondere bei Schiffen eingesetzt, die eine große Manövrierfähigkeit brauchen (Schlepper, Fähren, Minenräumer).

Durch numerische Simulation der komplexen Strömung um die Flügel herum und Optimierung der Flügelwinkelkurve konnte eine Steigerung des Wirkungsgrads um mehr als 4% erzielt werden.

Kooperation: Voith Turbo Marine, Heidenheim

Mehr Information: Optimierung des Voith-Schneider-Propellers

Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban