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Congress Report 2005.10
(2005)
Congress Report 2005.11-12
(2005)
Jahresbericht 2004
(2005)
Carbon-fibre reinforced plastics have been widely used in the aerospace industry as
materials for structural components. During recent years, the focus has been on
preform/RTM materials with the aim of improving material properties and reducing
costs. Harnessing the full potential of these materials requires a model for assessing
the properties and in particular long-term behaviour. Such a model needs to take into
account the special conditions of these materials. Basic failure mechanisms have to
be analysed in order to develop this kind of model.
Consequently, the aim of the work was to investigate the fatigue phenomenon in
preform-CFRP materials with thermoset matrices on a microstructural level. The
influence of the dynamic loading and the temperature on the emerging fracture
phenomena should be identified. Based on the results, a common fracture mechanism
should be found. The failure should be described on a mesoscopic level so that
it is not restricted on the fatigue failure at a single crack front.
To achieve this aim, different preform materials with EP matrix (some of which had
been subjected to impact) were loaded with dynamic compression load and high
frequent alternate bending. The fatigue behaviour of the matrix systems was investigated
by CT tests.
By means of microfractography, the only method for detecting fatigue failure as such,
the failure mechanisms were analysed at submicroscopic level. The results showed
correlations between microstructure and failure.
It became apparent that what in the technical literature has been given as an explanation
for the appearance of the fatigue striations in the scanning electron microscope
had to be corrected. As undercuts are not reflected in the SEM as dark striations,
the appearance of the striations must be based on different inclinations of the
local fractured surface to the primary electron beam.
On the basis of this result the shape and the formation of the fatigue striations could
be shown in resin pockets and fibre imprints. Fatigue striations have a shape which
sticks out from the fracture plane, preferably in the form of steps.
There was no proof for an influence of the high frequent load on the formation of
fatigue striations. However, it was possible to find lamellar fracture phenomena which
have not been described in the technical literature yet. Due to their shape and their occurrence these can be understood rather as a sign of a dynamic load then as a
fracture phenomenon of a high frequent cyclic loading.
The examinations of the high frequent loaded samples, where temperatures up to
120°C occurred, as well as in the CT tests with elevated temperatures (60% Tg)
yielded no proof that the temperature has an influence on the mechanical failure
behaviour. However, the formation of the fatigue striations in high frequent loaded
specimens leads to the deduction that adiabatic heating exists at the crack tip which
leads to large plastic deformations because the glass transition temperature is exceeded
locally.
The microfractographic investigations showed that the fatigue striations appear as
separate static fractures. On account of their shape and in relation to the matching
fracture surfaces plastic processes can be held responsible for the formation of the
striations. Altogether this leads to a modification of the models for the origin of fatigue
striations prevalent in the technical literature. The suggested model associates the
real fracture growth under fatigue loading only with a small part of the loading cycle.
Crack propagation only occurs when the maximum stress intensity is reached in the
area of the upper loading of the cycle. Microplastic processes by molecular rearrangement
in the stress field ahead of the crack tip lead to the blunting of the crack
tip, which is reflected as fatigue striations on the fracture surface. Simultaneously, the
cyclic loading causes damages in the molecular network of the thermoset. This leads
to the possibility of fracture formation below the static stress at break.
On the basis of the model and of fatigue crack growth diagrams it is possible to
establish thresholds for the stress intensity necessary for crack propagation under
cyclic load. The upper threshold of the stress intensity corresponds to KC, because it
marks the transition to unstable crack growth. The lower threshold is determined by
the value of the cyclic stress intensity factor where crack growth has just ceased to
be ascertainable.
With the existing model of local crack growth under fatigue loading and the results of
the chronological course of failure from the microfractographic investigations of the
different materials it was possible to detect a general failure mechanism for the
preform-CFRP materials.
When an external alternating load is applied, an inhomogeneous stress field forms in
the composite material. In areas stressed within the growth stress, fatigue growth occurs in the form of secondary fractures within the matrix. The primary crack front
runs along these damaged points in the material until global failure occurs. This leads
to a discontinuous, stepwise failure expiration under fatigue loading. This general
mechanism permits assessment of the damage behaviour and the progression of
failure in various types of fibre reinforcement.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten
Polytetraßuorethylen-basierender Verbundwerkstoffe (PTFE) bezogen auf eine Anwendung
als tribologisch beanspruchte Maschinenelemente im Temperaturbereich
zwischen Raumtemperatur und Temperaturen in kryogenen Medien. Dieser Temperaturbereich
ist relevant für eine Reihe neuer, innovativer Technologien, allen voran die
Wasserstofftechnologie als Alternative zu fossilen Energieträgern.
Der Ausgangspunkt dieser Arbeit ist eine auf bekannten Erfahrungen und entsprechenden
Publikationen aufbauende Werkstoffauswahl. Daher wurde PTFE als Matrixwerkstoff
ausgewählt, da es sich bereits in Tieftemperaturanwendungen bewährt hat.
Zur Verstärkung der PTFE-Matrix wurden ein polymerer Füllstoff, Polyetheretherketon
(PEEK) beziehungsweise ein aromatisches Polyester, und kurze Kohlenstofffasern
ausgewählt. Diese Werkstoffkomponenten wurden zu einer Reihe von Verbundwerkstoffen
mit systematisch variierendem Faser- und Füllstoffgehalt zusammengesetzt.
Der experimentelle Teil beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit tribologischen Untersuchungen
bei Raumtemperatur mit Hilfe einer Eigenbau-Stift-Scheibe-Prüfapparatur.
Als Gegenkörper kommen geschliffene Laufringe aus 100 Cr6 Stahl zum Einsatz.
Alle Verbundwerkstoffe wurden bei Standard-Testbedingungen von 1 m/s, 1 MPa sowie
Raumtemperatur getestet. Einer der verschleißbeständigsten Verbundwerkstoffe
wurde auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Belastungen geprüft. Das Reibungsverhalten
dieser Werkstoffe zeigte sich anders als erwartet, weshalb zusätzliche
Versuche erforderlich waren, um den TransferÞlmbildungsprozess beobachten zu können.
Zur Einordnung der tribologischen Ergebnisse werden auch reines PTFE und
einige lediglich partikelgefüllte PTFE-Compounds hinsichtlich Reibung und Verschleiß
getestet. Weiterhin werden die für tribologische Anwendungen wichtigen mechanischen
und thermischen Werkstoffeigenschaften untersucht.
Im Diskussionsteil werden die Einßüsse der Füllstoffe und Fasern auf die resultierenden
mechanischen, thermischen und tribologischen Werkstoffeigenschaften bewertet.
Die im Rahmen dieser Arbeit beschafften bzw. hergestellten Werkstoffe wurden parallel
an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, BAM, Berlin, tribologischen
Beanspruchungen in verschiedenen kryogenen Medien, insbesondere auch in ßüssigem
Wasserstoff, unterworfen. Auf die dort erarbeiteten Ergebnisse wird ebenfalls kurz
eingegangen.
Erfassung und Bewertung von Grenzschichteffekten in neuartigen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren
(2005)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf
Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und
Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im
Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum
Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu
untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der
Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil
der Verbunde.
Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit
Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine
Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach
Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten
Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im
Nasswickelverfahren gefertigt.
Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur
Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser
Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht
ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen.
Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige
Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu
erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst
sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der
Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um
makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin
mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden
wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode
analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der
thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden
Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten
Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten
thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten
Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände
in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben.
Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation
verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls
Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde
insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen
deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix-
Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner
verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in
FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das
sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.
Das Handlungsreisendenproblem ist eines der bekanntesten NP-vollständigen kombinatorischen Optimierungsprobleme. Algorithmen mit unterschiedlichen Konzepten und Strategien wurden entwickelt, die sich in Lösungsqualität und Laufzeit unterscheiden. Ein vergleichsweise neuer Ansatz stellt jedoch das Kombinieren vorhandener Lösungen dar. Hier werden die Kantenmengen gegebener Handlungsreisendertouren als Ausgangsbasis für weitere Optimierungen verwendet. Erste Veröffentlichungen zu diesem Gebiet stellen bereits vielversprechende Ergebnisse vor, die nachfolgend vertieft evaluiert werden.
Die vorliegende Arbeit wurde angeregt durch die in A.N. Borodin(2000) [Version of the Feynman-Kac Formula. Journal of Mathematical Sciences, 99(2):1044-1052, 2000] und in B. Simon(2000) [A Feynman-Kac Formula for Unbounded Semigroups. Canadian Math. Soc. Conf. Proc., 28:317-321, 2000] dargestellten Feynman-Kac-Formeln. Sie beschäftigt sich mit dem Problem, den Geltungsbereich der Feynman-Kac-Formel im Hinblick auf die Bedingungen der Potentiale und der Anfangsbedingung der zugehörigen partiellen Differentialgleichung zu erweitern. Es ist bekannt, dass die Feynman-Kac-Formel für beschränkte Potentiale gilt. Ausserdem gilt sie auch für Anfangsbedingungen, die im Raum \(C_{0}(\mathbb{R}^{n})\) oder im Raum \(C_{c}^{2}(\mathbb{R}^{n})\) liegen. Die Darstellung der Feynman-Kac-Formel für die Anfangsbedingung, die im Raum \(C_{c}^{2}(\mathbb{R}^{n})\) liegt, liefert die Lösung der partiellen Differentialgleichung. Wir können sie auch als stark stetige Halbgruppe auf dem Raum \(C_{0}(\mathbb{R}^{n})\) auffassen. Diese zwei verschiedenen Darstellungen sind äquivalent. In dieser Arbeit zeigen wir zunächst, dass die Feynman-Kac-Formel auch für unbeschränkte Potentiale \(V\) gilt, wobei \(|V(x)| \leq \varepsilon ||x||^{2} + C_{\varepsilon} \) für alle \(\varepsilon > 0; C_{\varepsilon} > 0\) und \(x \in \mathbb{R}^{n}\) ist. Ausserdem zeigen wir, dass sie für alle Anfangsbedingungen \(f\) gilt mit \(x \mapsto e^{-\varepsilon |x|^{2}} f(x) \in H^{2,2}(\mathbb{R}^{n})\). Der Beweis ist wahrscheinlichkeitstheoretisch und benutzt keine Spektraltheorie. Der spektraltheoretische Zugang, in dem eine Darstellung des Operators \(e^{-tH}\), wobei \(H = -\frac{1}{2} \Delta + V\) gegeben wird, wurde von B. Simon(2000) auch auf die obige Klasse von Potentialen ausgeweitet. Wir lassen zusätzlich auch Potentiale der Form \(V = V_{1} + V_{2}\) zu, wobei \(V_{1} \in L^{2}(\mathbb{R}^{3})\) ist und für alle \(\varepsilon > 0\) gibt es \(C_{\varepsilon} > 0\), so dass \(|V_{2}(x)| \leq\varepsilon ||x||^{2} + C_{\varepsilon}\) für alle \(x \in \mathbb{R}^{3}\) ist. Im Gegensatz zur klassischen Situation ist \(e^{-tH}\) jetzt ein unbeschränkter Operator. Schließlich wird in dieser Arbeit auch der Zusammenhang zwischen der Feynman-Kac-It\(\hat{o}\)-Formel, der Feynman-Kac-Formel und der Kolmogorov-Rückwärtsgleichung untersucht.
Die Nachhaltige Entwicklung gilt spätestens seit der Weltkonferenz 1992 in Rio de Janeiro als globales Leitbild. Zehn Jahre später wurde es durch die Konferenz in Johannesburg weiter konkretisiert und ausdifferenziert. In diesem Kontext entwickelten zahlreiche Regierungen Nachhaltigkeitsstrategien, um das Leitbild der Nachhaltigen Entwicklung zu implementieren. Dennoch sind die Diskussionen hierzu oft noch unspezifisch und konzeptionell ungenügend abgesichert. Insbesondere wurden Indikatoren und Handlungsfelder sowie deren Wechselbeziehungen stark isoliert diskutiert. Der vorliegende Diskussionsbeitrag präsentiert daher eine Methode zur Systematisierung von Handlungsfeldern und Indikatoren. Ausgangspunkt sind die drei Säulen der Nachhaltigen Entwicklung (Ökologie, Ökonomie und Soziales), die in einem Dreieck zusammengeführt werden. Das Dreieck ist in Felder aufgeteilt, um die verschiedenen Zusammenhänge zwischen den drei Säulen abzubilden. Das „Integrierende Nachhaltigkeits-Dreieck“ soll Handlungsfelder und Indikatoren systematisch im Rahmen der Nachhaltigen Entwicklung einordnen. Dieser methodische Ansatz wird gegenwärtig in der Entwicklung der „Nachhaltigkeitsstrategie für Rheinland-Pfalz“ umgesetzt.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, die Verwendung der Entlastungspartie als mediumgeschmiertes Radiallager zu untersuchen. Die damit entfallende Abdichtung zur Umgebung und eine insgesamt kürzere Pumpenwelle würde das rotordynamische Verhalten von mehrstufigen Gliederpumpen erheblich verbessern. Deshalb wird das Schwingungsverhalten einer mehrstufigen Gliederpumpe untersucht, indem verschiedene Standard-Profilierungen des zentralen Entlastungskolbens miteinander verglichen werden. Davon ausgehend wird eine Entlastung mit Injektion realisiert, die die Funktion eines Hybridlagers übernimmt, damit die Lagereigenschaften optimiert und der Einfluss des langen Drosselspaltes auf die Rotordynamik dargestellt werden kann. Als Hybridlager wird der Einfachkolben als zentrale Entlastung ausgewählt. Analog zu Gleitlagern wird eine glatte Spaltoberfläche realisiert, wenn in diesen Spalt mit dem Pumpenenddruck injiziert wird. In Verbindung mit der Exzentrizität des Rotors wird somit eine maximale Tragfähigkeit angestrebt. Die axiale Restkraft wird mit einem Kardanischen Ring gemessen. Bevor nun der Kolben der Entlastung ausgelegt werden kann, muss der hydraulische Axialschub bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Lehrstuhl ein Auslegungsprogramm für Kreiselpumpen entwickelt, mit dem der Druckverlauf im Radseitenraum, die Druckabsenkung, die Winkelgeschwindigkeit des Fluids und der hydraulische Axialschub berechnet wird. Um die Berechnungsmodelle zu verifizieren wird im experimentellen Teil dieser Arbeit, der Radseitenraum der letzten Stufe mit Miniatur-Drucksensoren und einem Wegsensor appliziert. Die Lagerbelastung und der Betriebspunkt wird mit einem Kardanischen Ring gemessen, der mit Dehnungs-Mess-Streifen appliziert ist und den axialen Restschub erfasst. Außerdem werden die dynamischen Signale der Drucksensoren und des Kardanischen Rings genutzt, um die Veränderungen des Schwingungszustandes oder die Übertragungsfunktion des Radseitenraumes bzw. des langen Spaltes der Entlastungseinrichtung zu beschreiben. Abschließend werden die Auswirkungen der Injektion auf die Entlastungspartie untersucht. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass die Injektion den Durchflusswiderstand zwischen der Injektionsstelle und dem Radseitenraum erhöht. Zudem "bremst" die Injektion die Umfangskomponente der Absolutströmung, so dass der Rotationsfaktor Richtung Teillast kleiner wird. Dadurch kann mit Hilfe der Injektion die Entlastungskraft gesteuert werden. In den Frequenzspektren der glatten Spalt-Konfigurationen (MR3+MR4) tritt am deutlichsten die Frequenz der Laufradschaufeln in Erscheinung, deren Amplitude mit abnehmendem Radius im Radseitenraum deutlich gedämpft wird. Richtung Teillast übersteigt diese sogar die Unwuchtfrequenz und dominiert damit das Frequenzspektrum. Der Radseitenraum wird also von den hydraulischen Laufrad-Leitrad-Interaktionen dominiert. Ab Förderstromverhältnissen von q<0,5 ist ein breitbandiger Anstieg von subsynchronen Frequenzanteilen auszumachen. Diese sind durch Rezirkulationserscheinungen am Laufradaustritt (Austauschwirbel) begründet. Für die Konfiguration ohne Injektion "schlagen" die Frequenzen, die von Lauf- und Leitrad-Interaktionen generiert werden, bis hinter den Entlastungskolben durch. Dies wird durch die doppelten Spaltspiele begünstigt, die eine erhöhte Sensibilität des Rotors gegenüber Anregungen bewirken. Wird in die zentrale Entlastungseinrichtung injiziert, kann das Schwingungsverhalten der Pumpe deutlich verbessert werden. Bemerkenswert ist auch, dass die rotordynamisch vermeintlich beste Konfiguration (MR2) durch eine "ungünstigere" (MR3+MR4) in Kombination mit der Injektion unterboten wird. Die Injektion reduziert die Koppelsteifigkeit (vgl. Drallbremse), was den Rotor (FT) stabilisiert.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Framework und einen funktionsfähigen Prototypen für eine Middleware zu entwickeln, die es ermöglicht, Berechnungen verteilt in einem Peer-to-Peer-Netz auszuführen. Dabei sollen verschiedene Arten der Berechnung unterstützt werden. Eine Art der Berechnung sind Aufträge, die massiv parallel berechnet werden können, d.h. solche, die in unabhängige Teilaufträge zerlegt werden können und ohne gegenseitige Kommunikation auskommen. Diese Aufträge können entweder so parametrisiert sein, dass jeder Teilauftrag einen anderen Satz Parameter erhält (z.B. Fraktalberechnung), oder zufallsbasiert, so dass jeder Teilauftrag mit den gleichen Ausgangswerten berechnet wird und unterschiedliche Ergebnisse resultieren. Eine andere Art der Berechnung setzt voraus, dass Knoten, die am gleichen Auftrag arbeiten, auch miteinander kooperieren und durch Nachrichten beispielsweise Teillösungen austauschen (z.B. verteilte evolutionäre Algorithmen). Alle Knoten in diesem Netz sollen gleichberechtigt sein, d.h. jedem Knoten soll es möglich sein, eigene Anwendungen und Aufgaben im Netz zu verteilen. Den verteilten Anwendungen soll zudem die Möglichkeit gegeben werden, mit anderen Knoten, die an der gleichen Aufgabe arbeiten, kommunizieren zu können. Alle benötigten Informationen zur Berechnung eines Auftrags (d.h. Parameter, ausführbarer Code der Anwendung, Anzahl der zu berechnenden Fälle) sollen den rechnenden Knoten durch Middlewarefunktionen zur Verfügung gestellt werden, ebenso soll der Rücktransport der Ergebnisse zum Initiator durch die Middleware erfolgen. Der Nutzer soll also an seinem Arbeitsplatz seine verteilte Anwendung starten können und die Ergebnisse schließlich wieder auf seinem Rechner vorfinden. Die Implementierung soll möglichst modular angelegt sein und nicht auf ein konkretes P2P-Protokoll beschränkt sein, sondern einen leichten Austausch bzw. eine nutzergesteuerte Auswahl von verschiedenen Protokollen ermöglichen. Im Rahmen dieses Prototypen soll ein epidemisches P2P-Protokoll realisiert werden.
Die Verbreitung und damit auch die Abhängigkeit der Unternehmen von der Informationstechnologie [IT] sind in den vergangenen Jahrzehnten extrem angestiegen. Die negativen Folgen dieser Entwicklung zeigt beispielsweise der Zusammenbruch des Stromsystems in den USA im Jahr 2003, wo aufgrund von Computerstörungen in großen Teilen des Landes der Strom ausfiel. Auch höhere Gewalt oder terroristische Angriffe auf IT-Systeme (Cyber-Attacken) können schwerwiegende Schäden für die weltweite Wirtschaft zur Folge haben. Bedingt durch diesen Anstieg der Bedeutung der IT und die damit verbundene zentrale Rolle der Technologie im Unternehmensalltag, der allgemein stärkeren Betrachtung von Risiken durch externe Faktoren wie KonTrAG, Basel II und Sarbanes Oxley, ist die Relevanz einer IT-Risikoberücksichtigung in jüngster Vergangenheit stark angestiegen. Das Ziel dieser Studie ist es, die Bedeutung, welche die IT für einzelne Unternehmen hat, zu messen und diese der Ausgestaltung der IT- Risikoberücksichtigung gegenüberzustellen. Dazu wurde eine Befragung zum Bereich „Einsatz von IT“ und spezifisch zu den auf die IT ausgerichteten „Risikobewältigungsmaßnahmen“ unter den deutschen Aktiengesellschaften durchgeführt. Durch die Auswertung dieser Daten konnte ein Vergleich zwischen der subjektiven Selbsteinschätzung der Unternehmen im Bezug auf die Bedeutung der IT mit den durch diese Studie ermittelten Daten zur IT-Sicherheit durchgeführt werden. Dazu wurde ein IT-Bedeutungsindex entwickelt, welcher in einer weitergehenden Anwendung hilfreich beim zwischenbetrieblichen Vergleich sein kann.
Der Begriff Risiko ist heutzutage durch politische Bewegungen wie KonTraG und Basel II sowie spektakuläre Unternehmenszusammenbrüche in aller Munde. Dabei wird immer wieder darauf hingewiesen, dass die Unternehmen ganzheitliche integrierte Risikomanagement- und controllingsysteme installieren sollen, um den gesetzlichen Regelungen Genüge zu leisten, keinen dramatischen Anstieg der Refinanzierungskosten verzeichnen zu müssen und das Unternehmen rechtzeitig vor der Illiquidität bewahren zu können. Dazu sind mittlerweile unzählige Vorschläge zur funktionalen und institutionalen Ausgestaltung dieser Systeme vorgenommen worden. Risikosoftware wurde zunächst vermehrt in Banken eingesetzt, da dies schon früh eine Forderung des Bundesaufsichtsamtes für Kreditwesen zum Betreiben von Handelsgeschäften war. In den vergangenen Jahren hat sich, hervorgerufen durch die oben genannten Veränderungen, ein allgemeiner Markt (also auch für Nicht-Banken) für Softwareprogramme, welche die Behandlung des Risikos unterstützen, gebildet. Dieser ist zum einen durch eine Vielzahl von Anbietern geprägt und zum anderen sind die Ausgestaltungsformen der einzelnen Programme sehr unterschiedlich. Es existiert quasi für jedes Risiko (z.B. Liquidität) eine spezielle Software. Damit ergibt sich bei der Auswahl von Software ein komplexes Entscheidungsproblem, auf welches in den folgenden Ausführungen näher eingegangen werden soll. Die Ergebnisse, die in dieser Studie zusammengefasst sind wurden in dem auf Excel basierenden Tool Lynkeus programmiert, sodass eine unternehmensindividuelle Auswahl der Alternativen auf Basis der Nutzwertanalyse möglich ist.
Zur Eigenspannungsausbildung bei der wickeltechnischen Verarbeitung thermoplastischer Bandhalbzeuge
(2005)
Filament winding is today a well established production technique for fiber reinforced
pressure vessels. Most of the parts are still made using thermosets as matrix material,
but parts with thermoplastic matrices are today on the edge to mass production.
Usually these parts are made from fully consolidated unidirectional fiber reinforced
thermoplastic tapes. During processing the matrix material is molten and the tapes
are placed on the substrate where they re-solidify. A wide range of material combinations
are available on the market. The materials used in the present investigation are
semi-crystalline thermoplastics and glass or carbon fiber i.e. carbon fiber reinforced
Polyetheretherketone, glass fiber reinforced Polyetheretherketone and glass fiber
reinforced Polypropylene.
Applications can be found in the field of medium and high pressure vessels like they
are used for natural gas and hydrogen storage or for tubes and pipes for their transport.
During the design of such parts mostly idealized properties as for example tensile
strength are used. Residual stresses which are inherent for composite materials
are only considered as part of the safety factor.
The present work investigates the generation of residual stresses for in-situ consolidation
during filament winding. Within this process consolidation of the tape material
and the substrate takes place immediately after the tapes are placed. This is contrary
to the normal curing of thermoset materials and has a large influence on the generation
of the residual stress. The impact of these stresses on the behavior of the produced
parts during service is one of the topics of this investigation. Therefore the
background of thermal residual stresses in semi-crystalline thermoplastic parts is discussed
and a closer look on the crystallization behavior of the matrix materials was
taken. As the beginning of the crystal growth is a major point in the generation of thermal residual stress.
The aim of the present work is to find process parameter combinations that allow to
compensate the thermal residual stresses and to generate a residual stress profile
that – unlike the thermal residual stresses - brings about structural benefit. Ring
samples with a defined geometry were made to measure the generated stresses.
The geometry of the samples was chosen in a way that prevents influences of the
boundary conditions of the free edges on the measuring point.
In the investigations the residual stresses were measured in circumferential direction
using a method where the ring samples were cut in radial direction and the deformation
was measured using strain gages. From the strain the local stress can be determined.
It was tried to minimize the number of experiments. Therefore the influence of filament
winding process parameters on the residual stress were investigated using a
Design of Experiments approach where the main influences on the residual stress
generation can be found from a relatively small number of experiments such as 8
instead of 128. As a result of these experiments it was found that the winding angle,
the mandrel temperature, the annealing, the wall thickness and the tape tension have
a significant influence on residual stresses. With increasing winding angles the influence
on the measured circumferential stresses increase regardless to kind of residual
stresses. The mandrel temperature has a large influence on the temperature difference
that causes the stress between fiber and matrix. They are caused by different
thermal expansion coefficients of fiber and matrix. Structural benefit through annealing
is only theoretically possible because the required outside temperatures
along with internal cooling of the parts can not be realized within an industrial processes.
Increasing wall thickness leads to also increasing residual stress but it can not
be the aim to build oversized parts for the sake of residual stresses. The applied tape
tension was identified as a parameter that can be used to achieve the desired residual
stress state with reasonable efforts.
Different ways of varying the tape tension with increasing wall thickness were investigated.
The tape tension was increased with every layer to a chosen maximum value or, after half of the layers were placed, in one step to the maximum value. Furthermore
a continuously high tape tension and a variant without tape tension was investigated.
The experiments led to the conclusion that increasing tape tension with increasing
wall thickness is a viable way to have structural benefit from residual stress.
The increasing in one step gave the best results.
The impact of the thermal history during production is discussed as well. Temperatures
must not exceed the softening point of the matrix. Otherwise a part of the tape
tension gets lost by relaxation. In a particular case the relaxation reached an amount
where the compensation of the thermal stresses failed. Thermodynamic calculations
led to the conclusion that the energy transfer into the material by mandrel heating
and melt energy caused a temperature above the softening point.
The impact of tape tension on material quality is documented. Very low tape tension
can not guarantee a proper consolidation. On the other hand excessive tape tension
can lead to matrix squeeze out and in particular cases to cracks due to too high residual
stresses. Therefore the tape tension profile should be well adapted to work
load, the composite and its properties.
Investigations on the relaxation behavior of the residual stresses showed that relaxation
occurs and that a part of the residual stress relaxes when the samples were exposed
to higher temperatures. Test at room temperature showed no significant sign
of relaxation. When the temperature was raised – in this case to 80 °C - the samples
clearly relaxed. The amount of induced residual stress sank to half of its initial value.
Investigations on the structural benefit showed that material savings of up to 23 % of
weight are possible for high pressure applications and fiber reinforcements with relatively
low fiber volume content. Higher fiber volume contents which also mean higher
strengths reduce the benefit. As the strength of the material increases the benefit
reduces in relation to it.
Nevertheless there is a potential in material saving and one should keep in mind that
the costs to establish the equipment to control the tape tension is cheap in comparison
to the achievable result.
The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of
the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more
and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were
formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites
so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties
with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of
integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites
and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials.
Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of
thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a
diameter of 300nm).
In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a
series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite,
PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated.
The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were
examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact
pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition
of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact
temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning
electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the
worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs
was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular,
this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially
in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying
capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions
of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribologicalperformance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes
to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a
transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles
can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials.
The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found
in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found
that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6
composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and
graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious
enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature
resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme
sliding conditions.
A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the
wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a
better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible.
The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions.
Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the
study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction
and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased
models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental
data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications.Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen
entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von
Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe
immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen
Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe
so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften
durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel
dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter
Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand
aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens
zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung
des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer
Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm).
Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern
(SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen
und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren.
Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur
wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem
Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte
Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur
herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen
durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver
Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu
einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt
schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen,
speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde
die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung
des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden
kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die
Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln
kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen.
Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen
von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten
und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei
zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von
Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit
von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI)
insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt,
um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten
Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere
Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen.
Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen
erklärt.
Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu
einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungsund
Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische)
Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden
Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber
hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's
besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online-
Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.