Die Tragflächen der Surfbrettfinnen besitzen in der Regel symmetrische Profile. In Fahrt bilden diese symmetrisch profilierten Tragflächen dann Querkraft generierende Systeme, wenn die Anströmung nichtaxial erfolgt. Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Tragfläche resultierende Querkraft wird vom Surfer/Surferin beim Manövrieren genutzt. Der Mensch und das Material, Surferin und Board bilden wie in jeder professionell ausgeübten Sportart eine unmittelbare Einheit.
Forschung an Surfboardfinnen ist insofern einzigartig, weil hier nicht mit Modellen im Strömungskanal und mit skalierten Funktions- und Technologiedemonstratoren gearbeitet werden muss, sondern Originale Gegenstand der Untersuchungen sind.
Der kontrolliert struktur-flexiblen Verformung von Strömungsbauteilen räumen wir eine hohe Zukunfts- und Innovationsfähigkeit und damit einem hohen Stellenwert in unseren rezenten Forschungsbemühungen ein. Intelligente Mechanik (i-mech) in Surfboardfinnen bedarf aber noch eines weiteren innovativen Schrittes hin zu einer nicht-orthodoxen „intelligenten Fluid-Struktur-Wechselwirkung, i-FSI“. Dies ist Gegenstand des Aufsatzes.
Es bleibt festzustellen, dass das aus dem physiologischen Aufbau des Mittelhandknochensystems der Wirbeltiere extrahierten Gestaltungsprinzip funktionsartbedingt unter Belastung eine Tragfläche ausbildet, deren Profilkontur eine konkave Wölbung aufweist. Die Tragfläche besitzt also ein nicht-orthodoxes Beaufschlagungs-Verformungs-Verhalten. Ursache ist die bauliche und funktionale Ausbildung eines „Gelenkplattengetriebes“. Das Gestaltungsprinzip ist die Grundlage für passive, belastungsadaptive, autonom arbeitende, mechanische Anordnungen, die sich selbstständig, also ohne Steuerungs- und Regeleingriffe, unter Last zu einem konkaven System verformen.
Inhaltsverzeichnis
Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge
Die elastische Surfboardfinne
Simulationsgrundlagen
Mechanisch orthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Mechanisch nichtorthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Die Von der Delfinhand zu kinematischen Grundfiguren
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht das Verformungsverhalten von Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge unter Last, mit dem Ziel, durch biomimetische Ansätze – insbesondere inspiriert durch das Mittelhandknochensystem von Meeressäugern – eine effizientere, nichtorthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung zu erzielen, um die Performance der Finnen zu steigern.
- Analyse des Last-Verformungsverhaltens bei Tragflächenprofilen
- Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur numerischen Simulation
- Biomimetische Übertragung des Handwurzel-Gelenk-Prinzips auf technische Finnen
- Vergleich von orthodoxem (konvexem) und nichtorthodoxem (konkavem) Verformungsverhalten
- Optimierung der Strömungsanpassung durch material- und formbedingte Resilienz
Auszug aus dem Buch
Die elastische Surfboardfinne
Forschung an Surfboardfinnen ist insofern einzigartig, weil hier nicht mit Modellen im Strömungskanal und skalierten Funktions- und Technologiedemonstratoren gearbeitet werden muss, sondern Originale Gegenstand der Untersuchungen sind. Surfboardfinnen nehmen in der Familie der Kraft- und Arbeitstragflächen deshalb eine Sonderstellung ein, weil als etablierte Werkstoffe, bis auf einige exotische Ausnahmen, Kunststoffe infrage kommen, die eine gewisse Elastizität aufweisen. Nachfolgend interessieren wir uns vornehm für die von dieser strukturellen Elastizität der Finnentragfläche herrührenden Gestaltungseigenschaften im Betrieb. Die (ebenfalls strukturelle) Verformungsantwort einer durch ein strömendes Fluid beaufschlagten Tragfläche erscheint auf den ersten Blick offensichtlich. Zwar verformt sich ein Strömungskörper dessen Kontur von einem regulären Rechteckflügel abweicht nicht mehr den ersten Erwartungen einer (zu einer Fläche extrudierten) elastischen Linie, aber von der Tendenz her wird der reale Verformungsverlauf mit unserer Erfahrungsaffirmation übereinstimmen.
Zusammenfassung der Kapitel
Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge: Dieses Kapitel führt in die physikalischen Grundlagen der Manövrierbarkeit von Surfboards durch hydrodynamische Kräfte an der Finne ein.
Die elastische Surfboardfinne: Hier wird die Bedeutung von Surfboardfinnen als einzigartige, elastische Original-Untersuchungsobjekte in der Strömungsmechanik hervorgehoben.
Simulationsgrundlagen: Dieses Kapitel erläutert die mathematischen und numerischen Ansätze, insbesondere die Anwendung der FEM und der Biegedifferentialgleichungen, zur Berechnung der Strukturverformung.
Mechanisch orthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung: Es beschreibt das konventionelle Verformungsverhalten technischer Tragflächen, die unter Last eine konvexe, der Kraftrichtung folgende Form annehmen.
Mechanisch nichtorthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung: Dieses Kapitel stellt das biomimetisch motivierte, nichtorthodoxe Verhalten vor, bei dem Tragflächen unter Last konkave Formen für eine verbesserte Strömungsanpassung bilden.
Die Von der Delfinhand zu kinematischen Grundfiguren: Es wird die biologische Inspiration aus der Skelettstruktur der Delfinhand analysiert, um neue Prinzipien für technisch adaptive Gelenksysteme abzuleiten.
Schlüsselwörter
Fluid-Struktur-Wechselwirkung, Surfboardfinne, Biomimetik, Finite-Elemente-Methode, Tragflächenprofil, nichtorthodoxe Verformung, Last-Verformungsverhalten, hydrodynamische Performance, Delfinhand, adaptive Strömungskörper, Elastizität, Strömungsmechanik, Gelenkprinzipien, Strukturmechanik, Resilienz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung von Surfboardfinnen als Leit- und Steuertragflächen durch die Untersuchung ihres mechanischen Verformungsverhaltens unter strömungsdynamischer Last.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Schwerpunkte liegen auf der Strömungsmechanik, der Finite-Elemente-Analyse (FEM) und der Übertragung biologischer Konstruktionsprinzipien (Biomimetik) aus der Anatomie von Meeressäugern auf technische Bauteile.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, durch eine "nichtorthodoxe" (konkave) Verformung der Tragflächen unter Last eine höhere hydrodynamische Effizienz und bessere Manövrierbarkeit zu erreichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden numerische Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, ergänzt durch die mathematische Herleitung über Biegedifferentialgleichungen für elastische Balken.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil analysiert den Unterschied zwischen orthodoxen und nichtorthodoxen Verformungsmodi, die mathematische Modellierung dieser Zustände sowie die biologische Analogie zur Delfinhand als Vorbild für intelligente Gelenkstrukturen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen gehören Fluid-Struktur-Wechselwirkung, biomimetische Anpassung, nichtorthodoxe Verformung, FEM-Simulation und die kinematische Struktur der Handwurzel von Meeressäugern.
Was unterscheidet eine "nichtorthodoxe" von einer "orthodoxen" Finne?
Eine orthodoxe Finne verformt sich unter Last konvex (mit der Strömung), während eine nichtorthodoxe Finne durch ein spezielles Design konkav verformt wird, was zu einer vorteilhafteren Strömungsumströmung führt.
Warum dient die Handstruktur von Delfinen als Vorbild?
Die Hand von Meeressäugern weist eine komplexe, in sich verzahnte Gelenkmechanik auf, die es dem Tier ermöglicht, unter Wasser mit hoher struktureller Elastizität und Effizienz zu manövrieren.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2016, Orthodoxe und nichtorthodoxe Fluid-Struktur-Wechselwirkung an Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/336754
