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Der vorliegende Arbeits- und Forschungsbericht bietet eine Handreichung für Studiengangsentwickler_innen, um sie bei der Erstellung von Kompetenzprofilen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden drei verschiedene Tools der Kompetenzprofilerstellung vorgestellt. Diese umfassen die Stellenanzeigenanalyse, den Curriculumabgleich und Lehrendeninterviews. Diese Tools haben sich als sehr nützlich für die Entwicklung von kompetenzorientierten Studiengängen erwiesen. Die drei Verfahren werden einander gegenübergestellt und Implikationen für die Praxis abgeleitet. Dieser Bericht soll dazu beitragen, bedarfsorientierte Weiterbildungsangebote für die Region zu gestalten.
Beim Bauen im Bestand werden häufig neue Stahlbetonbauteile kraftschlüssig an bestehende Tragstrukturen angeschlossen. Dies wird bei Ortbetonbauteilen günstig mit dem Übergreifungsstoß realisiert.
Bis Ende der 1950-er Jahre wurden im Stahlbetonbau überwiegend glatte Betonstähle verwendet, bevor sie mit einer Übergangszeit bis Ende der 1970-er Jahre von den heute eingesetzten gerippten Betonstählen abgelöst wurden. Im Gegensatz zu den seit 1925 genormten Übergreifungsstößen mit Betonstählen gleicher Art und Güte sind kombinierte Übergreifungsstöße von Glatt- und Rippenstählen jedoch bis heute nicht geregelt.
Zur Beseitigung dieses Defizits wurden im Rahmen dieser Arbeit differenzierte Bewehrungsregeln hergeleitet, die wissenschaftlich abgesicherte und gleichzeitig wirtschaftliche Lösungen für kombinierte Übergreifungsstöße ermöglichen, denn unter Einbeziehung des Rückbaus bestehender Altbetonsubstanz verlangt eine ökonomische Bauweise für Übergreifungsstöße von freigelegten historischen Glattstählen mit aktuell verwendeten Rippenstählen nach Vollstößen mit kleinstmöglichen Übergreifungslängen. Dabei sind die Anforderungen nach heute gültigem Regelwerk an die Zuverlässigkeit gegen Versagen im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) und die Sicherstellung der vorgegebenen Nutzung durch Begrenzung der Rissbreiten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) zu beachten.
Für verschiedene kombinierte Übergreifungsstöße von mit Endhaken versehenen glatten Betonstählen BStI und gerippten Betonstählen B500 mit geraden Stabenden oder Endhaken wurden die erforderlichen Übergreifungslängen anhand systematisch aufgebauter Versuchsreihen empirisch ermittelt. Dabei wurde ein grundlegendes Verständnis für die Tragwirkung kombinierter Übergreifungsstöße gewonnen und ein allgemeingültiges Lastübertragungsmodell erarbeitet.
Zur Bemessung kombinierter Übergreifungsstöße wurde weiter ein Ingenieurmodell abgeleitet, welches die Tragwirkung derartiger Stöße zuverlässig beschreibt und die experimentell ermittelten Übergreifungslängen bestätigt. Dabei wurde unter Berücksichtigung der für den Verbund maßgebenden Betonzugfestigkeit, der Stahlspannungen und den Stabdurchmessern auf Basis statistischer Methoden ein Bemessungsdiagramm für die erforderliche Übergreifungslänge bestimmter Stoßkombinationen erarbeitet und eine ergänzende FE-Modellierung durchgeführt.
Darauf aufbauend werden allgemeingültige Gleichungen zur Ermittlung der Bemessungswerte der Übergreifungslängen kombinierter Übergreifungsstöße mit Glattstahl BStI und Rippenstahl B500 angegeben und Konstruktionsregeln für in der Praxis regelmäßig vorkommende Kombinationen von Stabdurchmessern, Betongüten und Verbundbedingungen erarbeitet, die für Kombi-Stöße gleichwertig zu den Regeln des EC2 für den Neubaufall angewendet werden können.
Nachhaltige Chemie beinhaltet die Nutzung stofflicher Ressourcen und deren Umwandlung ohne Schaden für zukünftige Generationen. Dabei hat sich insbesondere die Katalyse als nützliche Technologie etabliert, durch die Syntheserouten zu hochwertigen Produkten abgekürzt und dabei die CO2-Bilanz des Gesamtprozesses verbessert wird. Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige, homogen-katalytische Prozesse zur Einbindung nachwachsender Rohstoffe in die chemische Wertschöpfungskette und zur abfallminimierten Synthese von Amiden und Peptiden entwickelt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die isomerisierende Metathese als Methode zur Valorisierung nachwachsender Rohstoffe etabliert. Mit einem bimetallischen Katalysatorsystem, bestehend aus dem Isomerisierungskatalysator [Pd(µ-Br)(tBu3P)]2 und NHC-basierten Ruthenium-Metathesekatalysatoren, werden Doppelbindungen ungesättigter Verbindungen kontinuierlich entlang der Kohlenwasserstoffkette verschoben und können gleichzeitig, ungeachtet ihrer Position, eine Metathese durchlaufen. Dies erlaubt die Umwandlung von zwei unterschiedlichen Olefinen in ein Gemisch mit homogener Produktverteilung und einstellbarer mittlerer Kettenlänge. Das synthetische Potential dieser Transformation wurde anhand der Darstellung von Dieselersatzkraftstoffen demonstriert, die vollständig auf erneuerbaren Ressourcen basieren und aufgrund ihres Siedeverhaltens in modernen Motoren in unverdünnter Form eingesetzt werden können. Der neu entwickelte Tandemprozess ermöglicht weiterhin die gezielte Kürzung olefinischer Seitenketten in Gegenwart von Ethen. Die isomerisierende Ethenolyse der natürlich vorkommenden Allylbenzole Eugenol, Allylanisol, Safrol und Methyleugenol wurde zur Synthese wertvoller Styrole mit komplexen Substitutionsmustern eingesetzt. Die isomerisierende Ethenolyse stellt außerdem die Schlüsseltechnologie zur Valorisierung von Cashew-Nussschalenöl dar. Ausgehend von dem bisher ungenutzten Abfallstoff wurde die Synthese der Tsetsefliegen-Lockstoffe 3-Ethyl- und 3-Propylphenol sowie des Polymervorläufers 3,3’-Hydroxystilben demonstriert.
Der zweite Teil dieser Doktorarbeit umfasste die rationale Entwicklung einer abfallminimierten und umweltfreundlichen Methode zur Synthese von Amiden aus Carbonsäuren und Aminen. Dazu wurde ein hocheffektives, luft- und wasserstabiles Ru(IV)-Katalysatorsystem identifiziert, das die Addition von Carbonsäuren an Alkine unter Bildung von Enolestern sowie die weitere Umsetzung dieser Aktivester mit Aminen zu Amiden vermittelt. Ein einstufiges Eintopf-Verfahren zur Synthese von Amiden, bei dem alle Reagenzien zu Beginn der Reaktion zugegeben werden, wurde unter Verwendung von Ethoxyacetylen als Aktivierungsreagenz entwickelt. Hierbei werden die Carbonsäuren in Gegenwart eines Amins intermediär in hochreaktive Ketenacetale überführt, die nach Aminolyse die entsprechenden Amide in sehr guten Ausbeuten liefern. Die Anwendungsbreite dieses milden Reaktionsprotokolls umfasst aliphatische und aromatische Carbonsäuren sowie N- und C terminal geschützten Aminosäuren.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Konzepte zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, und SCF2H-Gruppen entwickelt und neue konzeptionelle Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger Fluoralkylierungsreaktionen und Reagenzien eröffnet werden.
Im ersten Teilprojekt gelang es, praktische Eintopfverfahren zu entwickeln, mit denen Trifluormethyl- und Trifluormethylthiolgruppen selektiv in organische Moleküle eingeführt werden. Der maßgebliche Vorteil dieser Methoden ist, dass breit verfügbare aromatische Amine in situ diazotiert und ohne weitere Aufarbeitung weiter umgesetzt werden. Die vorteilhaften Reaktionsbedingungen wie z.B. Katalysatorbeladung, Raumtemperatur, und die hohe Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen konnten beibehalten werden.
Im nächsten Teilprojekt wurde aufbauend auf dem Konzept der nukleophilen Difluormethylierung der Organothiocyanate Zugang zu wertvollen Difluormethylthioethern ermöglicht. Dabei werden die Organothiocyanate in situ in Reaktionslösung aus diversen Aryl- und Alkylhalogeniden und –pseudohalogeniden erzeugt, welche anschließend unter Einsatz von TMSCF2H difluormethyliert werden konnten. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist der Einsatz der nachhaltigen CF2H-Quelle, welche aus Fluoroform herstellbar ist.
In einem weiteren Teilpojekt erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Synthese von Trifluormethylthioethern. Dabei können Organothiocyanate unter Decarboxylierung von Trifluoracetaten in Anwesenheit von Eisenkatalysatoren leicht zu den korrespondierenden, wertvollen Trifluormethylthioethern umgesetzt werden. Die Anwendungsbreite konnte an zahlreichen aromatischen, heteroaromatischen und aliphatischen Organothiocyanaten demonstriert werden. In weiterführenden Arbeiten konnte dieses Reaktionskonzepts auf längerkettige perfluorierte Carboxylate erweitert werden.
In einem weiteren Teilprojekt wurde die Sandmeyer Pentafluorethylthiolierung mit Aryldiazoniumsalzen ermöglicht. Sie stellt einen weiteren alternativen Zugang zu den pentafluorethylierten Aromaten dar.
Im darauffolgenden Teilprojekt wurden alternative, nachhaltigere Synthesewege zu den gängigen elektrophilen SCF3-Reagenzien ausgehend von Me4NSCF3 mittels einfacher Salzmetatese realisiert. Besonders erwähnenswert hierbei ist, dass eine in situ Generierung dieser sensiblen Reagenzien die komplizierte Handhabung vereinfacht.
Im letzten Teilprojekt wurden sowohl elektrophile als auch nukleophile Reagenzien zur regioselektiven Einführung von Phosphorothioat-Gruppen entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten wurden anhand kupferkatalysierten Sandmeyer Reaktion von Aryldiazoniumsalzen, einer palladiumkatalysierten Umsetzung von Aryliodiden und einer kupferkatalysierten Umsetzung von Arylboronsäuren gezeigt.
Zusammengefassend wurden in dieser Arbeit nachhaltige Methoden zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, SCF2H und SP(O)(OMe)2-Gruppen entwickelt. Dabei wurde das Reaktionskonzept der Sandmeyer Reaktion angewandt. Die wesentlichen Vorteile dabei sind der Einsatz geringer Mengen der Kupferkatalysatoren, die milden Reaktionsbedingungen, sowie die hohe Toleranz gegenüber funktioneller Gruppen, wodurch sich diese Verfahren auch besonders in späten Synthesestufen anbietet.
α-, β- und γ-Asaron gehören zur Gruppe der Phenylpropanoide und kommen überwiegend in Pflanzen der Familien Aristolochiaceae, Acoraceae und Lauraceae vor. Asarone sind im etherischen Öl dieser Pflanzen enthalten, welches hauptsächlich als Aromastoff in
alkoholischen Getränken wie Bitterlikören oder in der traditionellen Pflanzenmedizin
eingesetzt wird. α- und β-Asaron besitzen pharmakologische Eigenschaften und könnten potentiell in der Therapie von verschiedenen Krankheiten eingesetzt werden, jedoch haben Studien gezeigt, dass diese Verbindungen sowie indisches Kalmusöl im Tierversuch im Nager
krebserregend sind (Dünndarm und Leber). Der Mechanismus dieser kanzerogenen Wirkung ist derzeit noch unklar, wobei ein gentoxischer Weg nicht ausgeschlossen werden kann. Studien zur Gentoxizität der propenylischen Verbindungen α- und β-Asaron sind bislang uneinheitlich. Daten zur Kanzerogenität und Gentoxizität des allylischen γ-Asarons fehlen
gänzlich. Basierend auf der aktuellen Datenlage ist eine Risikobewertung für Zubereitungen, die Asarone enthalten, nicht möglich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sollte daher
mithilfe von verschiedenen in vitro Testsystemen ein Beitrag zur Aufklärung des Wirkmechanismus der Kanzerogenität geleistet und die Frage nach der Gentoxizität der Asarone geklärt werden. Dazu wurde zunächst ein bakterieller Mutagenitätstest (Ames-Fluktuationstest) mit und ohne exogene metabolische Aktivierung (S9-Mix) in den Salmonella
typhimurium-Stämmen TA97a, TA98, TA100 und TA102 eingesetzt. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Zytotoxizität und Gentoxizität in Säugerzellen durchgeführt. Zur Überprüfung der Mutagenität diente der Hypoxanthinphosphoribosyltransferase (HPRT)-Test in V79-Zellen und gentechnisch veränderten V79-Zellen (V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1 und V79-
rCYP1A2-rSULT1C1) und zur Bestimmung des gentoxischen Potentials wurde der
Mikrokerntest in V79-Zellen und metabolisch kompetenten HepG2-Zellen herangezogen. α- und β-Asaron zeigten im Ames-Fluktuationstest nur nach metabolischer Aktivierung ein mutagenes Potential. Diese Ergebnisse deuten auf die wichtige Rolle des Metabolismus in der
Toxizität der propenylischen Asarone hin. Deshalb wurden neben den drei Asaron-Isomeren auch ausgewählte oxidative Metaboliten ((E/Z)-Asaron-1',2'-epoxid, γ-Asaron-2',3'-epoxid, erythro- und threo-1',2'-Dihydro-1',2'-dihydroxyasaron, (E/Z)-3'-Oxoasaron und 2,4,5-Trimethoxyphenyl-2-propanon) auf Mutagenität getestet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die mutagene Wirkung von α- und β-Asaron auf die Epoxidierung der Seitenkette
zurückzuführen ist, da die entsprechenden Epoxide im Ames-Fluktuationstest ebenfalls mutagen waren. Außerdem führte der HPRT-Test in den gentechnisch veränderten V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1-Zellen zu einer leichten Erhöhung der Mutationsfrequenz nach Inkubation mit den Asaronen, während der Test in den Standard-V79- und V79-rCYP1A2-rSULT1C1-Zellen für diese Verbindungen keine Veränderung im Vergleich zur Negativkontrolle zeigte. Im Mikrokerntest in HepG2-Zellen konnte ebenfalls ein gentoxisches Potential für die
propenylischen Asarone nachgewiesen werden. Welchen Einfluss dabei der Metabolismus der Substanzen hat, wurde mithilfe einer Vorinkubation mit TCDD überprüft, welches vor allem zur Induktion von CYP1A-Enzymen in HepG2-Zellen führt. Bei allen drei Asaron-Isomeren
wurde dadurch eine Erhöhung der relativen Mikrokernrate erreicht, insbesondere jedoch bei α-Asaron. Die Inkubation mit den oxidativen Metaboliten gab Hinweise darauf, dass die gentoxische Wirkung hier vermutlich auf die Bildung von (E/Z)-3'-Oxoasaron zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass nicht nur zwischen allylischen und propenylischen Asaronen Unterschiede in der Gentoxizität vorliegen, sondern auch zwischen dem trans(α)- und cis(β)-Isomer. Dieser Befund geht mit den neuesten Untersuchungen zum Metabolismus dieser Substanzen einher, der sich ebenfalls zwischen den propenylischen Asaronen unterscheidet. Dem allylischen γ-Asaron liegt wiederum ein anderer Wirkmechanismus zugrunde. Der postulierte Metabolismusweg für vergleichbare allylische Alkenylbenzene basiert auf einer CYP-Hydroxylierung der Seitenkette und einer weiteren Sulfonierung durch Sulfotransferasen. Durch eine spontane Abspaltung der Sulfat-Gruppe entsteht ein reaktives Carbokation, das mit nukleophilen Zentren (z.B. Proteinen oder DNA) reagieren und somit letztlich zu Mutationen und der Entstehung von Krebs beitragen
kann. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit geben jedoch keinen Hinweis darauf, dass es bei γ-Asaron analog zu anderen allylischen Propenylbenzenen zu einer Bildung eines ultimaten Kanzerogens kommt, da keine mutagene Wirkung in den hier verwendeten Testsystemen zu
beobachten war, die zum Großteil eine Aktivierung über Sulfotransferasen ermöglichten.
Bedingt durch den Zusammenstoß zweier Objekte im Crashlastfall existieren im Bereich
des Güter- und Personentransports eine Vielzahl an Konzepten und Mechanismen
für einen kontrollierten Abbau der kinetischen Impactenergie unter äußerer
Druckbelastung. Im Gegensatz dazu ist der Wissensstand für eine Energieabsorption
unter äußerer Zugbelastung vergleichsweise gering. Für den Anwendungsfall in einer
modernen Flugzeugrumpfstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK),
deren Crashkinematik eine Integration von zugbelasteten Energieabsorberelementen
ermöglicht, liefert diese Arbeit sowohl eine Entscheidungsgrundlage für eine Vorauswahl
durch einen methodischen Vergleich zugbelasteter Absorberkonzepte als
auch Methoden für eine Vorauslegung entsprechender Absorberelemente.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vielzahl möglicher, zugbelasteter Energieabsorberkonzepte
erarbeitet und detailliert untersucht. Die Bewertung der Absorberkonzepte
unter den Gesichtspunkten Leichtbaupotenzial (Gewicht, Integrationsmöglichkeiten),
Robustheit und Funktionsweise erfolgt anhand charakteristischer Absorberkennwerte,
wie gewichtsspezifische Energieabsorption, effektive Geometrie- und
Lastausnutzung, Lastschwankung sowie Einfluss von Temperatur und Lastrate auf das Energieabsorptionsvermögen. Dabei lassen sich die Absorberkonzepte in die
Kategorien Materialien und Strukturen unter globaler Zugbelastung unterteilen.
Auf Materialebene, welche die unterste Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung darstellt, wird das Energieabsorptionsvermögen typischer
Leichtbauwerkstoffe unter Zugbelastung bestimmt. Der zugrunde liegende Energieabsorptionsmechanismus
der plastischen Deformation von Materialien bietet aufgrund
der vergleichsweise einfachen konstruktiven Lösung ein hohes Leichtbaupotenzial.
Hauptnachteil ist jedoch die fehlende Einstellbarkeit sowie die direkte Abhängigkeit
der Absorbercharakteristik vom mechanischen Verhalten der betrachteten
Werkstoffklasse, was sich, bedingt durch die Bruchdehnung, bei gegebenem Bauraum
in der Beschränkung der maximalen Absorptionslänge widerspiegelt.
Die Strukturebene bildet eine weitere Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung. Hier werden Absorberelemente unter globaler Zugbelastung
sowie unter lokaler Druckbelastung, die über eine entsprechende Lastumleitung in
eine globale Zugbelastung überführt werden kann, untersucht. Letztere bieten jedoch
nur für den Fall einer Integration in vorhandene Strukturen ein ausreichend hohes Leichtbaupotenzial, um mit Materialien oder rein zugbelasteten Absorberelementen
zu konkurrieren. Im Vergleich zu einfachen Materialien unter Zugbelastung zeichnen
sich Absorberelemente auf Strukturebene durch eine generelle Einstellbarkeit der
Absorbercharakteristik sowie eine höhere Flexibilität in der Auslegung aus.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung eines Energieabsorberkonzepts
basierend auf dem progressiven Lochleibungsversagen von Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV), das sich nicht nur durch eine hohe gewichtsspezifische Energieabsorption,
sondern auch durch eine annähernd ideale Absorbercharakteristik sowie
eine potenzielle Integration in eine Nietverbindung der betrachteten Flugzeugrumpfstruktur
aus CFK auszeichnet. Vor dem Hintergrund der Vorauslegung dieses Absorberelements
werden der Einfluss des Faser- und Matrixmaterials, der Faserorientierung
und -architektur, der Lastrate (200 mm/min bis 3 m/s) und Temperatur
(-20 °C bis 60 °C) sowie geometrischer Parameter wi e Plattendicke und Bolzendurchmesser
in einer experimentellen Studie analysiert. Für spröde FKV stellt sich
ein kontrolliert ablaufendes progressives Versagen als Kombination aus Transversalschub
und Laminatbiegung ein. Die Bildung eines Fragmentkeils vor dem Bolzen begünstigt
zudem den Anteil der Reibung an der Gesamtenergieabsorption.
Auf Basis der experimentellen Daten wird ein analytischer Ansatz zur Vorhersage der
sich einstellenden mittleren Deformationskraft entwickelt. Dieser vereinfachte, energetische
Ansatz ermöglicht unter Verwendung materieller (Biegefestigkeit, Reibungseigenschaften,
intra- und interlaminare Bruchenergie) sowie geometrischer
(Fragmentkeil) Parameter den linearen Zusammenhang zwischen mittlerer Deformationskraft
und Bolzendurchmesser bzw. den nichtlinearen Zusammenhang zwischen
mittlerer Deformationskraft und Plattendicke abzubilden.
Die generelle Eignung numerischer Berechnungsmethoden für eine Vorhersage des
progressiven Lochleibungsversagens wird für eine industrielle Anwendung mittels
geeigneter Modellierungsansätze in der kommerziellen, expliziten Berechnungssoftware
Abaqus/Explicit untersucht. Dies geschieht auf Basis von konventionellen intraund
interlaminaren Materialmodellen für gewebeverstärkte FKV. Mit den gezeigten
Modellansätzen lässt sich das generelle Deformationsverhalten des FKV abbilden.
Aufgrund der starken Vereinfachung der in der Schädigungszone vor dem Bolzen
ablaufenden Mechanismen sowie der unrealistisch frühen interlaminaren Schädigung
lassen sich die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen mittlerer Deformationskraft
und Plattendicke jedoch nur bedingt abbilden.
Der unmögliche Freistoß
(2016)
Die Autoren befassen sich mit der Ableitung und Bearbeitung eines Modellierungsprojektes aus der populären Sportart Fußball: Ein Freistoß wird unter Beachtung der gegebenen physikalischen Effekte mathematisch modelliert und simuliert. Der Fokus liegt auf der möglichen Durchführung dieses Modellierungsprojekts mit Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe II.
Der Beitrag beschäftigt sich mit der Frage, ob Schildkröten alleine anhand der Musterung bzw. Struktur ihres Bauch- Rückenpanzers eindeutig identifiziert werden können. Dabei sollen sinnvolle Identifizierungsmerkmale entwickelt werden, die auf der Basis von Fotos ausgewertet werden. Das Besondere an diesem Problem ist, dass es mit Lernenden ganz unterschiedlicher Altersstufen bearbeitet werden kann und dass es eine unheimliche Vielfalt an mathematischen Methoden gibt, die auf dem Weg zu einer Lösung hilfreich sind: Dies reicht von einfachen geometrischen Überlegungen über Analysis (Integration, Kurvendiskussion) bis hin zu mathematischer Bildverarbeitung und Fragen der Robustheit. Genauso breit wie das Spektrum der einsetzbaren mathematischen Werkzeuge ist die Altergruppe, mit der ein derartiges Projekt durchführbar ist: Vom Grundschulalter bis hin zur Masterarbeit ist eine Bearbeitung möglich, und die benötigte Zeitspanne reicht von wenigen Stunden bis hin zu mehreren Monaten. Im Beitrag wird die angesprochene Vielfalt exemplarisch gezeigt, so dass die Leser im Idealfall das Projekt genau an die Bedürfnisse ihrer Lerngruppe anpassen können.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein glasfaserverstärkter Rotor für einen Elektromotor
entwickelt, welcher bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden
soll. Ziel ist eine kostengünstige Serienversion des Motors auf Basis eines bereits
bestehenden Baumusters. Im Wesentlichen waren dabei zwei Anforderungsfelder zu
erfüllen.
Als erstes mussten Verformungsrestriktionen unter Betriebslast eingehalten werden.
Es wurde ein Finite-Elemente-(FE-) Modell erstellt, wobei eine Schnittstelle zwischen
der Prozesssimulation der Fertigung und dem FE-Modell geschrieben wurde, um die
Informationen zum Lagenaufbau zu transferieren. Sowohl in der Analytik als auch in
der numerischen Simulation hat sich gezeigt, dass bei der im Betrieb auftretenden
Fliehkraft die gewünschte Verformung nur mit Hilfe der zu verwendenden Glasfaser
nicht eingehalten werden kann. Daraufhin wurde ein Konzept entwickelt, um die
Verformung mittels einer adaptiven Steuerung mit Formgedächtnislegierungen zu
begrenzen. Zunächst wurden Konzepte entwickelt, wie die Formgedächtnislegierung
in Drahtform an den Rotor angebunden werden kann. Die Konzepte wurden experimentell
überprüft, wobei gleichzeitig das Verhalten der Formgedächtnislegierung
ermittelt wurde, um daraus ein numerisches Simulationsmodell zu entwickeln,
welches mit dem Modell des Rotors verknüpft wurde. Dabei zeigte sich, dass dieses
Konzept das Verformungsverhalten positiv beeinflusst und in Abhängigkeit von der
verwendeten Menge die Verformungsrestriktion eingehalten werden kann.
Als zweites Anforderungsfeld wurde die Lasteinleitung zwischen dem Rotor und der
Abtriebswelle ausgelegt. Dafür wurde ein Konzept für eine Verschraubung als
Sonderform einer Bolzenverbindung erarbeitet, bei denen ein Gewinde in der
dickwandigen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK-) Struktur des Rotors mittels insitu-
Herstellung eingebracht wird. Um die Vor- und Nachteile eines solchen geformten
Gewindes gegenüber einer geschnittenen Variante zu ermitteln, wurden umfangreiche
quasistatische Versuche und zyklische Lebensdauerversuche an zwei verschiedenen
Laminaten und zwei verschiedenen Gewindetypen durchgeführt. Gemessen
wurde jeweils die (Ermüdungs-) Festigkeit bei axialer Kraft und bei Scherkraft.
Dabei zeigte sich, dass bei quasistatischer axialer Belastung die geformten
Gewinde im Mittel eine geringere Festigkeit aufweisen als die geschnittene Variante.Bei der für den Anwendungsfall relevanteren Scherbelastung konnten im Mittel
jedoch Festigkeitssteigerungen gemessen werden. Bei der Ermüdungsfestigkeit
waren die Vorteile abhängig von dem geprüften Lastniveau. Die Wöhlerlinien bei den
geformten Gewinden haben im Mittel einen deutlich flacheren Verlauf. Für die
meisten Vergleichspaare bedeutet dies, dass die geschnittene Variante bei sehr
hohen Lastniveaus beim Einstufenversuch eine größere Versagensschwingspielzahl
erreicht als die geformte Variante. Bei Verringerung der Last haben ab einem
individuellen Kreuzungspunkt jedoch die geformten Gewinde eine größere Schwingspielzahl
erreicht.
Abschließend wurde ein voll parametrisches numerisches Einheitszellen-Modell
erstellt, welches sowohl die geformten als auch die geschnittenen Gewinde abbilden
kann. Hierbei wurden auch Degradationsmodelle integriert, die ein verändertes
Werkstoffverhalten nach dem Auftreten insbesondere von Zwischenfaserbrüchen
und Delaminationen abbilden sollen. Validiert wurden die Modelle, indem die quasistatischen
Versuche nachgebildet wurden und die globale Verformung mit den
optischen Messungen aus den Versuchsreihen verglichen wurden. Dabei zeigte sich
eine gute Übereinstimmung bis relativ nah an die Schraube heran. In diesem Bereich
war die Simulation minimal zu steif, was auf eine noch nicht ausreichende Degradation
in der Simulation hindeutet.
In this study a GFRP rotor of an electric engine is developed. The engine shall be
used in electric drive trains in cars. Major aim of the study is to develop a low-cost
version of an existing prototype for serial production with a relatively high output of at
least 50.000 units per annum. Two main aims must be achieved.
First of all, the structural deformation must be limited under operating load. To predict
the deformation, a finite element model was set up. To import the lay-up information
from a filament winding process simulation software into the FE-model, a compilertool
was written. The numerical simulation and an analytical calculation have shown
that the GFRP-laminate alone is not able to limit the radial deformation caused by
centrifugal force under rotation. So a different approach was developed, using an
adaptive control with shape memory alloys. For this, a concept was investigated, how
the shape memory alloy wires can be attached on the GFRP structure. The strengths
of the different concepts were measured experimentally and simultaneously the
force-temperature behavior of the wire was investigated. Out of these empirical
studies, a material model of the shape memory alloys for the numerical simulation
was developed and combined with the existing simulation model of the rotor. The
simulation showed that the shape memory alloys can be used to decrease the radial
deformation below the given limits.
The second main requirement was to develop a proper load transfer from the metallic
output shaft into the GFRP rotor. For serial rotor production with a high output, the
direct forming of threads in the thick-walled GFRP was investigated. The direct
forming of threads reduces the manufacturing costs by avoiding wear of drilling and
cutting tools, although with a slight increase of tooling costs which are less relevant
due to the economies of scale of high output manufacturing processes as the
filament winding process. In this study the mechanical behavior of directly formed
threads was compared to conventionally tapped threads. Two different GFRP
laminate layups were investigated, a cross-ply-laminate and a quasi-isotropic
laminate, both with a thickness of approximately 12 mm, impregnated with epoxy
resin. A standard metrical thread and a more coarse thread were also compared,
both with an outer diameter of 8 mm. Two different tests were investigated: a pullout
test of the screw perpendicular to the laminate and a bearing-pull-through-test in the
laminate plane.
The quasi static test results show differences in fracture behavior, but in general very
good strength and stiffness behavior compared to conventionally cut threads in thickwalled
GFRP. The deformations of the surface of the GFRP laminates during the
tests were measured with a three dimensional digital image correlation system. The
measured deformations were used to validate the numerical simulations of the tests.
These simulations were parametrical built up in order to adapt them easily to other
application cases. They use a degradation mechanism to simulate the connection
behavior very close to the total fraction and show a very good correlation to the
experimental results.
As a second step, the fatigue behavior of the connection was also investigated. To
compare the cyclic performance of the formed and cut threads for both kinds of tests,
for both laminates and both threads - the metric and the coarse ones -, Woehler
diagrams with a load aspect ratio of R=0.1 were measured. Especially the high cycle
fatigue behavior with a relatively low maximum load, as commonly used in a real
structure, improves a lot when forming the threads.
At last a full parametrical numerical model of the laminate with both the formed and the cut thread was generated. Also algorithms for material degradation were integrated.
They can represent the behavior of the material after the appearance of inter
fiber failures or delamination. The validation of the numerical model was achieved by
remodeling the experimental tests and comparing the global deformation of the
model with the optical measurement of the quasi static tests. The deformation of the
simulation was very congruent to the tests, only very close to the screw the simulation
shows a slightly more stiff behavior. This indicates a not sufficient degradation of
the simulation due to damage effects in the material.