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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.
Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.
Anthocyane, eine Untergruppe der Flavonoide, sind als natürliche Farbpigmente weit verbreitet in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft. Ihnen werden eine Reihe von gesundheitlich positiven Wirkungen zugeschrieben, was dazu geführt hat, dass auf dem Markt für Nahrungsergänzungsmittel immer mehr Produkte auf Anthocyanbasis auftauchen. Als ein möglicher nachteiliger Faktor für eine potentielle genotoxische Wirkung von Flavonoiden wird die Interaktion mit humanen Topoisomerasen diskutiert. Bezüglich einer möglichen Risiko/Nutzen-Evaluierung ist es nicht nur von Bedeutung, ob Flavonoide/Anthocyane mit diesen Enzymen interagieren, sondern auch die Art dieser Interaktion und sich möglicherweise daraus ergebende Konsequenzen, besonders im Hinblick auf die Integrität der DNA. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Anthocyanidine Delphinidin (Del), Cyanidin (Cy), Pelargonidin (Pg), Paeonidin (Pn) und Malvidin (Mv) hinsichtlich ihrer Beeinflussung humaner Topoisomerase I und II zu untersuchen. Ein Schwerpunkt lag bei der Aufklärung des Wirkmechanismus dieser Verbindungen bezüglich einer Stabilisierung des Cleavable Complex, möglichen Interaktionen mit der DNA und die Relevanz dieser Effekte für die Integrität zellulärer DNA. Es konnte gezeigt werden, dass nur die Verbindungen mit vicinalen Hydroxygruppen im B-Ring des Anthocyangrundgerüstes, Del und Cy, effektiv die katalytische Aktivität isolierter humaner Topoisomerase I und Topoisomerase IIalpha + IIbeta hemmen. Sie wirken jedoch nicht wie die klassischen Topoisomerasegifte Camptothecin oder Etoposid über die Stabilisierung des kovalenten Topoisomerase-DNA-Komplexes, sondern stellen rein katalytische Inhibitoren dar. Del und Cy könnten sogar die DNA vor Topoisomerase I-Giften schützen, da sie zumindest am isolierten Enzym die Stabilisierung des Cleavable Complex der Topoisomerase I durch Camptothecin effektiv verhindern. Für alle getesteten Anthocyanidine konnte gezeigt werden, dass sie im niedrigen mikromolaren Bereich, zwischen 15 µM und 50 µM, sowohl an die kleine Furche der DNA binden, als auch in die DNA interkalieren können und das diese DNA-interagierenden Eigenschaften keinen wesentlichen Beitrag zur Hemmung der Topoisomerasen liefern. Auch wenn im Falle der Anthocyanidine die direkte DNA-Interaktion im Hinblick auf die Topoisomerasehemmung nur von geringer Bedeutung ist, so scheint sie jedoch relevant bezüglich der Integrität zellulärer DNA zu sein. Die einstündige Inkubation von HT29 Kolonkarzinomzellen zeigte, dass bei Inkubation mit den Anthocyanidinen in Konzentrationen >50 µM, signifikant DNA-Schäden induziert werden. Im Hinblick auf die Integrität der DNA lebender Zellen scheint der jeweilige Konzentrationsbereich von entscheidender Bedeutung zu sein. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss der Überexpression der Tyrosyl-DNA-Phosphodiesterase 1 (TDP1) nach Inkubation mit Topoisomerasegiften zu untersuchen. Im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Boege, Universitätsklinikum Düsseldorf, wurden uns verschiedene Zellklone zur Verfügung gestellt, die ein Fusionsprotein aus TDP1 und GFP überexprimierten, sowie eine katalytisch inaktive Variante des Enzymes (TDP1-H263A). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen an diesen Zelllinien zur Zytotoxizität von Topoisomerasegiften durchgeführt, sowie Untersuchungen zum Einfluss der TDP1 auf die Induktion von DNA-Schäden durch Topoisomerasegifte. Untersuchungen zum Zellwachstum der verschiedenen Zelllinien mittels MTT-Zytotoxiziätsassay zeigten nach 72 stündiger Inkubation mit den Topoisomerasegiften Camptothecin (Topo I) und Etoposid (Topo II) keinen signifikanten Wachstumsvorteil bei Überexpression der TDP1. Betrachtet man jedoch die Induktion von DNA-Schäden bei Kurzzeitinkubationen (1h) von Camptothecin im Comet-Assay, so erkennt man eine signifikante Reduktion der DNA-Schäden bei Überexpression der TDP1. Ist bei der TDP1 das katalytische Histidin 263 gegen Alanin ausgetauscht, steigen die DNA-Schäden auf das gleiche Niveau wie bei nicht TDP1-überexprimierenden Zellen, d.h. es findet keine Reparatur statt. Erstaunlicherweise zeigte sich auch bei der Inkubation mit dem Topoisomerase II-Gift Etoposid, welches ursprünglich als Negativkontrolle gedacht war, der gleiche Reparatureffekt. Eine Hochregulation DNA-reparierender Enzyme ist unwahrscheinlich, da bei Inkubation mit dem DNA-methylierenden Agens N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) alle Zelllinien eine vergleichbare Menge an DNA-Schäden aufwiesen. Die nunmehr erzielten Ergebnisse eröffnen erstmals die Möglichkeit den Comet-Assay, unter Verwendung der unterschiedlichen TDP1-Klone, zum Auffinden von TDP1-Hemmstoffen einzusetzen.
This work is dedicated to the wavelet modelling of regional and temporal variations of the Earth's gravitational potential observed by GRACE. In the first part, all required mathematical tools and methods involving spherical wavelets are introduced. Then we apply our method to monthly GRACE gravity fields. A strong seasonal signal can be identified, which is restricted to areas, where large-scale redistributions of continental water mass are expected. This assumption is analyzed and verified by comparing the time series of regionally obtained wavelet coefficients of the gravitational signal originated from hydrology models and the gravitational potential observed by GRACE. The results are in good agreement to previous studies and illustrate that wavelets are an appropriate tool to investigate regional time-variable effects in the gravitational field.
Seit Beginn der 90er Jahre werden vermehrt Kreisverkehre gebaut. Insbesondere beim Umbau vorhandener LSA-Kreuzungen zu Kreisverkehren werden Vorteile für den Individualverkehr gesehen. Diese Vorteile werden allerdings mit Nachteilen für den öffentlichen Personennahverkehr erkauft. Die erstmals untersuchten Auswirkungen dieser Knotenpunktform auf Fahrzeuge des öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) sind teilweise erheblich: - Wartezeiten für ÖV-Fahrzeuge an Kreisverkehren schwanken und sind schlecht in den Fahrplan zu integrieren, - Fahrtrichtungswechsel bei der Befahrung der Kreisfahrbahn reduzieren den Fahrkomfort, - ÖPNV-Beschleunigungen werden an Kreisver-kehren selten angewandt, - ÖPNV-Priorisierungmöglichkeiten durch Eingriffe in Lichtsignalanlagensteuerungen entfallen. Dass Beschleunigungen auf dem Linienweg in vielen Fällen möglich sind, wurde sowohl durch empirische Auswertungen bestehender Kreisverkehre als auch durch Simulationen gezeigt. Bei geringen Verkehrsstärken sind Beschleunigungen im Allgemeinen nicht notwendig. Zudem steht die Wirkung häufig in ungünstiger Relation zum erforderlichen Aufwand. Bei hohen Verkehrsstärken in den Zufahrten ermöglicht dagegen z.B. die ÖV-Spur hervorragende Beschleunigungen für den ÖV. Allerdings wurden bei zweistreifiger, pa-ralleler Führung von MIV- und ÖV-Strömen zu einstreifigen Kreisverkehren häufig Irritationen zwischen MIV- und ÖV-Fahrzeugen beobachtet. Kei-ne Irritationen wurden beobachtet, wenn MIV- und ÖV- Spur in der Zufahrt zum Kreisverkehr zweistreifig parallel geführt werden und die MIV-Fahrspur unmittelbar vor dem Kreisverkehr in einer Fahrstreifenreduktion endet und die ebenfalls endende ÖV-Spur als normaler Fahrstreifen fortgeführt wird. Bei dieser als „KREIFAS“ (KReisverkehr mit EIngezogenem FAhrstreifen) bezeichneten Verkehrsführung wechseln die MIV-Fahrzeuge den Fahrstreifen, während der ÖV geradeaus weiterfahren kann. Eine Beschleunigungsmöglichkeit bei der Einfahrt in die Kreisfahrbahn bietet die „schlafende LSA“. Der Vorrang der Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn wird durch eine schlafende Lichtsignalanlage (Dunkelampel) aufgehoben, wenn ÖV-Fahrzeuge in der Zufahrt auf den Kreisverkehr zufahren. Fahrzeuge aus dieser Zufahrt erhalten solange Vorrang, bis dass das ÖV-Fahrzeug die Kreisfahrbahn erreicht hat. Durch diese und andere Maßnahmen wird eine Reduzierung von Wartezeiten für Busse bei der Einfahrt in die Kreisfahrbahn erreicht, ebenso wie eine Verstetigung des Fahrtverlaufes in der Zufahrt und somit eine Steigerung von Fahrplantreue und Fahrkomfort erreicht. Insgesamt ist eine ausgewogene Berücksichtigung aller Verkehrsteilnehmer auch bei Planungen an Kreisverkehren erforderlich. Wenn ÖV-Linien beschleunigt über Kreisverkehre geführt werden sollen, sind deren Anforderungen besonders sorgfältig zu berücksichtigen. Somit ergeben sich auch für das Element Kreisverkehr Beschleunigungsmöglichkeiten, um den Wegfall von LSA-Beschleunigungsmaßnahmen in weiten Teilen zu kompensieren.
In der Arbeit geht es um die Untersuchung von Mechanismen zur Energiegewinnung in Ambient Intelligence Systemen. Zunächst wird ein Überblick über die existierenden Möglichkeiten und deren zu grunde liegenden physikalischen Effekte gegeben. Dann wird die Energiegewinnung mittels Thermogeneratoren näher untersucht.
The symplectic group of homogeneous canonical transformations is represented in the bosonic Fock space by the action of the group on the ultracoherent vectors, which are generalizations of the coherent states. The intertwining relations between this representation and the algebra of Weyl operators are derived. They confirm the identification of this representation with Bogoliubov transformations.
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.
In conventional radio communication systems, the system design generally starts from the transmitter (Tx), i.e. the signal processing algorithm in the transmitter is a priori selected, and then the signal processing algorithm in the receiver is a posteriori determined to obtain the corresponding data estimate. Therefore, in these conventional communication systems, the transmitter can be considered the master and the receiver can be considered the slave. Consequently, such systems can be termed transmitter (Tx) oriented. In the case of Tx orientation, the a priori selected transmitter algorithm can be chosen with a view to arrive at particularly simple transmitter implementations. This advantage has to be countervailed by a higher implementation complexity of the a posteriori determined receiver algorithm. Opposed to the conventional scheme of Tx orientation, the design of communication systems can alternatively start from the receiver (Rx). Then, the signal processing algorithm in the receiver is a priori determined, and the transmitter algorithm results a posteriori. Such an unconventional approach to system design can be termed receiver (Rx) oriented. In the case of Rx orientation, the receiver algorithm can be a priori selected in such a way that the receiver complexity is minimum, and the a posteriori determined transmitter has to tolerate more implementation complexity. In practical communication systems the implementation complexity corresponds to the weight, volume, cost etc of the equipment. Therefore, the complexity is an important aspect which should be taken into account, when building practical communication systems. In mobile radio communication systems, the complexity of the mobile terminals (MTs) should be as low as possible, whereas more complicated implementations can be tolerated in the base station (BS). Having in mind the above mentioned complexity features of the rationales Tx orientation and Rx orientation, this means that in the uplink (UL), i.e. in the radio link from the MT to the BS, the quasi natural choice would be Tx orientation, which leads to low cost transmitters at the MTs, whereas in the downlink (DL), i.e. in the radio link from the BS to the MTs, the rationale Rx orientation would be the favorite alternative, because this results in simple receivers at the MTs. Mobile radio downlinks with the rationale Rx orientation are considered in the thesis. Modern mobile radio communication systems are cellular systems, in which both the intracell and intercell interferences exist. These interferences are the limiting factors for the performance of mobile radio systems. The intracell interference can be eliminated or at least reduced by joint signal processing with consideration of all the signals in the considered cell. However such joint signal processing is not feasible for the elimination of intercell interference in practical systems. Knowing that the detrimental effect of intercell interference grows with its average energy, the transmit energy radiated from the transmitter should be as low as possible to keep the intercell interference low. Low transmit energy is required also with respect to the growing electro-phobia of the public. The transmit energy reduction for multi-user mobile radio downlinks by the rationale Rx orientation is dealt with in the thesis. Among the questions still open in this research area, two questions of major importance are considered here. MIMO is an important feature with respect to the transmit power reduction of mobile radio systems. Therefore, first questionconcerns the linear Rx oriented transmission schemes combined with MIMO antenna structures. The investigations of the MIMO benefit on the linear Rx oriented transmission schemes are studied in the thesis. Utilization of unconventional multiply connected quantization schemes at the receiver has also great potential to reduce the transmit energy. Therefore, the second question considers the designing of non-linear Rx oriented transmission schemes combined with multiply connected quantization schemes.
Territory design may be viewed as the problem of grouping small geographic areas into larger geographic clusters called territories in such a way that the latter are acceptable according to relevant planning criteria. In this paper we review the existing literature for applications of territory design problems and solution approaches for solving these types of problems. After identifying features common to all applications we introduce a basic territory design model and present in detail two approaches for solving this model: a classical location–allocation approach combined with optimal split resolution techniques and a newly developed computational geometry based method. We present computational results indicating the efficiency and suitability of the latter method for solving large–scale practical problems in an interactive environment. Furthermore, we discuss extensions to the basic model and its integration into Geographic Information Systems.
Channel estimation is of great importance in many wireless communication systems, since it influences the overall performance of a system significantly. Especially in multi-user and/or multi-antenna systems, i.e. generally in multi-branch systems, the requirements on channel estimation are very high, since the training signals or so called pilots that are used for channel estimation suffer from multiple access interference. Recently, in the context with such systems more and more attention is paid to concepts for joint channel estimation (JCE) which have the capability to eliminate the multiple access interference and also the interference between the channel coefficients. The performance of JCE can be evaluated in noise limited systems by the SNR degradation and in interference limited systems by the variation coefficient. Theoretical analysis carried out in this thesis verifies that both performance criteria are closely related to the patterns of the pilots used for JCE, no matter the signals are represented in the time domain or in the frequency domain. Optimum pilots like disjoint pilots, Walsh code based pilots or CAZAC code based pilots, whose constructions are described in this thesis, do not show any SNR degradation when being applied to multi-branch systems. It is shown that optimum pilots constructed in the time domain become optimum pilots in the frequency domain after a discrete Fourier transformation. Correspondingly, optimum pilots in the frequency domain become optimum pilots in the time domain after an inverse discrete Fourier transformation. However, even for optimum pilots different variation coefficients are obtained in interference limited systems. Furthermore, especially for OFDM-based transmission schemes the peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmit signal is an important decision criteria for choosing the most suitable pilots. CAZAC code based pilots are the only pilots among the regarded pilot constructions that result in a PAPR of 0 dB for the transmit signal that origins in the transmitted pilots. When summarizing the analysis regarding the SNR degradation, the variation coefficient and the PAPR with respect to one single service area and considering the impact due to interference from other adjacent service areas that occur due to a certain choice of the pilots, one can conclude that CAZAC codes are the most suitable pilots for the application in JCE of multi-carrier multi-branch systems, especially in the case if CAZAC codes that origin in different mother codes are assigned to different adjacent service areas. The theoretical results of the thesis are verified by simulation results. The choice of the parameters for the frequency domain or time domain JCE is oriented towards the evaluated implementation complexity. According to the chosen parameterization of the regarded OFDM-based and FMT-based systems it is shown that a frequency domain JCE is the best choice for OFDM and a time domain JCE is the best choice for FMT applying CAZAC codes as pilots. The results of this thesis can be used as a basis for further theoretical research and also for future JCE implementation in wireless systems.
In this work we introduce a new bandlimited spherical wavelet: The Bernstein wavelet. It possesses a couple of interesting properties. To be specific, we are able to construct bandlimited wavelets free of oscillations. The scaling function of this wavelet is investigated with regard to the spherical uncertainty principle, i.e., its localization in the space domain as well as in the momentum domain is calculated and compared to the well-known Shannon scaling function. Surprisingly, they possess the same localization in space although one is highly oscillating whereas the other one shows no oscillatory behavior. Moreover, the Bernstein scaling function turns out to be the first bandlimited scaling function known to the literature whose uncertainty product tends to the minimal value 1.
The Folgar-Tucker equation (FTE) is the model most frequently used for the prediction of fiber orientation (FO) in simulations of the injection molding process for short-fiber reinforced thermoplasts. In contrast to its widespread use in injection molding simulations, little is known about the mathematical properties of the FTE: an investigation of e.g. its phase spaceMFT has been presented only recently. The restriction of the dependent variable of the FTE to the setMFT turns the FTE into a differential algebraic system (DAS), a fact which is commonly neglected when devising numerical schemes for the integration of the FTE. In this article1 we present some recent results on the problem of trace stability as well as some introductory material which complements our recent paper.
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.
The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate
nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted
in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and
thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate
nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the
nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their
structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related
aspects were addressed.
For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and
non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile
butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the
nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains
within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures.
Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead
of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was
significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in
rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay
observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an
indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the
silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its
participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary
amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the
deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected
for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing
(as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism
differs from that of the sulfur curing.
The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the
properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different
nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the
rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates
with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites
were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations)
developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken
into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the
silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or
their orientation in the rubber matrix (order parameter).
Sterisch anspruchsvolle Cyclopentadienyl-Liganden wurden zur Stabilisierung neuer Mono(cyclopentadienyl) Verbindungen der schweren Erdalkalimetalle eingesetzt und deren Funktionalisierbarkeit dieser Spezies wurde exemplarisch durch die Synthese neutraler Tripeldecker-Sandwichkomplexe demonstriert. Die dabei ausgebildeten Molekülstrukturen lassen sich mittels DFT-Rechnungen zuverlässig vorhersagen. In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls der Cyclononatetraenyl-Ligand, dessen Komplexeigenschaften bisher nur unzureichend untersucht wurden, eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Synthese des Bis(cyclononatetraenyl)bariums, Ba(C9H9)2, und dessen spektroskopische Charakterisierung. DFT-Rechnungen sagen für diesen Komplex eine Metallocenstruktur mit nahezu parallelen Ringen und einem Ba-Ring Abstand von 2.37 Å voraus. Durch den Einsatz des Tetraisopropylcyclopentadienyl (4Cp) und Tri(tert.-butyl)cyclopentadienyl (Cp’)-Liganden gelang die Synthese von Bis- und Monocyclopentadienyl-Verbindungen der frühen und späten Lanthanoide. Besonders interessant in diesem Zusammenhang ist die erfolgreiche Darstellung des Azido-Clusters, [Na(dme)3]2[4Cp6Yb6(N3)14] (4Cp= (Me2CH)4C5H), der die unterschiedlichen Koordinationsmöglichkeiten des Azido-Liganden in einem einzigen Komplex vereint. Vergleichbare Komplexe waren in der Organolanthanoidchemie bisher unbekannt. Durch Substitution am Cyclopentadienyl-System lassen sich dessen elektronische und sterische Eigenschaften signifikant verändern. Die Auswirkungen dieser Effekte können sehr eindrucksvoll an Manganocen-Komplexen demonstriert werden, in denen sich der low- und high-spin Zustand energetisch nur sehr wenig unterscheiden. Der elektronische Grundzustand einer Reihe unterschiedlich substituierter Manganocen-Komplexe wurde mittels Festkörpermagnetismus, ESR, Röntgenstrukturanalyse, EXAFS und variabler Temperatur UV-Vis Spektroskopie bestimmt, und mit dem Substitutionsmuster am Cyclopentadienyl-System korreliert. Spin-Gleichgewichte ließen sich für [(Me3C)C5H4]2Mn, [(Me3C)2C5H3]2Mn und [(Me3C)(Me3Si)C5H3]2Mn nachweisen. Theoretische Rechnungen postulieren, dass Cerocen, Ce(C8H8)2, ein Beispiel für Moleküle mit gemischt-konfiguriertem Grundzustand sei, der durch 80 % [(Ce)f1e2u(cot)e2u3] und 20 % [(Ce)f0e2u(cot)e2u4] beschreiben werden könne. Obwohl dieses Molekül bereits seit 1976 bekannt ist, ist dessen elektronische Struktur bis heute sehr umstritten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Synthesekonzepte für diese Verbindung entwickelt und die elektronische Struktur mittels magnetischer Messungen im Festkörper, EXAFS und XANES Studien untersucht. Die dabei erhaltenen Daten sind in sehr guter Übereinstimmung mit den theoretischen Rechnungen und belegen die Bedeutung eines gemischt-konfigurierten Grundzustandes bei der Bindung in Organometallkomplexen der f-Block Metalle. Während in Cerocen nur ein temperaturunabhängiger Paramagnetismus (TIP) beobachtet werden kann, findet man eine starke Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität in Ytterbium Systemen des Typs Cp’2Yb(bipy’) [Cp´ und bipy´ sind substituierte Cyclopentadienyl- oder 4,4’-substituierter 2,2’-Bipyridyl-Liganden]. Temperaturabhängige XANES-Experimenten belegen, dass auch in diesen Systemen ein gemischt-konfigurierter Grundzustand vorliegt, der durch [(Yb)f14(bipy)b1()0] und [(Yb)f13(bipy)b1()1] beschreiben werden kann. Der relative Anteil beider Wellenfunktionen zum Grundzustand wird durch Substitution am 2,2’-Bipyridyl- oder Cyclopentadienyl-System signifikant beeinflusst. Modelle, mit denen sich dieses Verhalten qualitativ beschreiben lässt, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Ein kinetisch stabilisiertes, adduktfreies Titanocen wurde unter Verwendung des Di(tert.-butyl)cyclopentadienyl Liganden hergestellt und dessen Reaktivität gegenüber kleinen Molekülen, z.B. CO, N2 und H2 untersucht. Im Rahmen der Reaktivitätsstudien wurden ebenfalls 2,2’-Bipyridyl Addukte an das Cp’2Ti Fragment synthetisiert und deren magnetische Eigenschaften erforscht. Durch Variationen am 2,2’-Bipyridyl System lässt sich das Singlet-Triplet Splitting in diesem System gezielt steuern.
In the field of gravity determination a special kind of boundary value problem respectively ill-posed satellite problem occurs; the data and hence side condition of our PDE are oblique second order derivatives of the gravitational potential. In mathematical terms this means that our gravitational potential \(v\) fulfills \(\Delta v = 0\) in the exterior space of the Earth and \(\mathscr D v = f\) on the discrete data location which is on the Earth's surface for terrestrial measurements and on a satellite track in the exterior for spaceborne measurement campaigns. \(\mathscr D\) is a first order derivative for methods like geometric astronomic levelling and satellite-to-satellite tracking (e.g. CHAMP); it is a second order derivative for other methods like terrestrial gradiometry and satellite gravity gradiometry (e.g. GOCE). Classically one can handle first order side conditions which are not tangential to the surface and second derivatives pointing in the radial direction employing integral and pseudo differential equation methods. We will present a different approach: We classify all first and purely second order operators \(\mathscr D\) which fulfill \(\Delta \mathscr D v = 0\) if \(\Delta v = 0\). This allows us to solve the problem with oblique side conditions as if we had ordinary i.e. non-derived side conditions. The only additional work which has to be done is an inversion of \(\mathscr D\), i.e. integration.
This thesis investigates the constrained form of the spherical Minimax location problem and the spherical Weber location problem. Specifically, we consider the problem of locating a new facility on the surface of the unit sphere in the presence of convex spherical polygonal restricted regions and forbidden regions such that the maximum weighted distance from the new facility on the surface of the unit sphere to m existing facilities is minimized and the sum of the weighted distance from the new facility on the surface of the unit sphere to m existing facilities is minimized. It is assumed that a forbidden region is an area on the surface of the unit sphere where travel and facility location are not permitted and that distance is measured using the great circle arc distance. We represent a polynomial time algorithm for the spherical Minimax location problem for the special case where all the existing facilities are located on the surface of a hemisphere. Further, we have developed algorithms for spherical Weber location problem using barrier distance on a hemisphere as well as on the unit sphere.
In modern textile manufacturing industries, the function of human eyes to detect disturbances in the production processes which yield defective products is switched to cameras. The camera images are analyzed with various methods to detect these disturbances automatically. There are, however, still problems with in particular semi-regular textures which are typical for weaving patterns. We study three parts of that problem of automatic texture analysis: image smoothing, texture synthesis and defect detection. In image smoothing, we develop a two dimensional kernel smoothing method with locally and directionally adaptive bandwidths allowing correlation in the errors. Two approaches are used in synthesising texture. The first is based on constructing a generalized Ising energy function in the Markov Random Field setup, and for the second, we use two-dimensional periodic bootstrap methods for semi-regular texture synthesis. We treat defect detection as multihypothesis testing problem with the null hypothesis representing the absence of defects and the other hypotheses representing various types of defects. We develop a test based on a nonparametric regression setup, and we use the bootstrap for approximating the distribution of our test statistic.