Finite-elemente-analyse des schwingungsverhaltens eines Spinnennetz-analogen polymernetzes

Abstract

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Ausarbeitung eines Schwingungsmodells von Spinnen-netzen und deren Umsetzung in der kommerziellen Software ANSYS Workbench 15. Der bis-herige Wissensstand des Systems Spinnennetz ist dazu ebenso eingeflossen wie Kenntnisse der Materialeigenschaften. Einem Überblick über den bisherigen Forschungsstand bezüglich den besonderen Eigenschaften der Spinnenseide und des Netzes folgen die mathematischen Grundlagen der Modellbildung. Im weiteren Verlauf beschäftigt sich die Arbeit mit dem Aufbau und der Erläuterung des Material- und Schwingungsmodells sowie der zu untersu-chenden Geometrie des Netzes. Es folgt die Implementierung in ANSYS. Zur Umsetzung und Analyse werden Randbedingungen aus der Literatur zusammengetragen und sinnvolle Annahmen getroffen. Es folgt eine Validierung des Finite-Elemente-Modells (FE-Modells) mit bisherigen Messungen. Mit Hilfe der Software LTSPICE und unter Nutzung elektrischer Analogien können fehlende Parameter bestimmt und in Ansys implementiert werden. Der Vergleich mit den Messergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des FE-Modells. Mittels Parameterstudien kann der Einfluss verschiedener Größen auf die Schwingungs-frequenz einer symmetrischen Netzgeometrie nachgewiesen und quantifiziert werden. Im Anschluss erfolgen die Untersuchungen eines asymmetrischen Netzes sowie der Auswirkung unterschiedlicher Anregungspunkte auf den Schwingungsverlauf. Ergebnis dieser Arbeit ist ein belastbares und für weitere Untersuchungen nutzbares FE-Modell. Anregungen diesbe-züglich liefert die Arbeit im Ausblick. Des Weiteren werden weitere interessante Fragestel-lungen für zukünftige Forschungsaufgaben genannt.

This work includes the development of a vibration model of spider webs and its implemen-tation in the commercial Finit element software ANSYS Workbench 15. The current state of the art of the system spider web will contribute to the model as well as the knowledge of material properties. An overview of the recent level of education concerning the particular characteristics of spider silk and the web will be followed by the mathematical foundati-ons of the modeling. During the further course the work deals with the establishment and explanation of the material and vibration model as well as the investigated geometry of the web. This will be followed by the implementation in ANSYS. For implementation and analysis, boundary conditions by literature are compiled and assumptions are taken. This will be followed by a validation of the Finit element model with previous measurements. Using the software LTSPICE and utilizing electrical analogies, missing parameters were de-termined and implemented in ANSYS. The comparison with the measurement results shows a very good agreement of the Finit element model. By means of parametric studies, the influences of various quantities on the oscillation frequency of a symmetrical web geometry are detected and quantified. Subsequently, an asymmetric web and the effect of different excitation points on the waveform are investigated. Result of this work is a robust and for further investigations applicable Finit element model. Related suggestions are provided in the outlook. Furthermore, other interesting questions for future research are mentioned.