Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt
Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden
gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen
ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische)
Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen
neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen
und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische
Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger
Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und
die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend.
Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im
Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung
dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen
Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen
abhängig.
Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von
Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller
relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung
der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen
sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene
Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende
Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die
verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen
aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und
anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische
und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und
analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter
Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei
sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden
mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen
Ansätzen.
Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss der textilen Parameter von Multifilamentgeweben
auf die Permeabilität zu bestimmen. Einer sehr umfangreichen Permeabilitätsstudie
wurden grundsätzliche Untersuchungen vorangestellt, die beantworten, mit
welchen Einschränkungen textile Modelle und Kapillarmodelle zur Berechnung der
Permeabilität eingesetzt werden können, worin sich Permeabilitätsmessergebnisse
ermittelt über Punkt- und Linienanguss sowie gesättigte und ungesättigte Permeabilitätsmessungen
unterscheiden und ob die Lagenanzahl einen Einfluss auf die Permeabilität
eines Laminataufbaus hat. In der Hauptstudie wurden die Ebenenpermeabilitäten
K1 und K2 von 19 Geweben auf einer Messzelle bestehend aus einem 160
mm dicken Ober- und Unterwerkzeug aus Aluminium mit integrierten Sensoren ermittelt.
Festgestellt wurde, dass Leinwandgewebe eine höhere K2-Permeabilität als Köpergewebe
und ein isotroperes Fließverhalten haben. Es wurde ermittelt, dass je höher
das Produkt aus Fadendichte und Titer, desto größer ist der negative Gradient
der Permeabilitäts-Faservolumengehaltskurve. Vier sehr dichte Gewebe dieser Studie
zeigen zudem die Besonderheit, dass die Richtung der K1-Permeabilität nicht mit
der Kettrichtung des Gewebes übereinstimmt. Der abweichende Orientierungswinkel
ist faservolumengehaltsabhängig und nähert sich stets 0° bei Faservolumengehalten
von über 55 %. Es wird des Weiteren erklärt, warum Gewebe, die in Kett- und
Schussrichtung gleich aufgebaut sind, ein anisotropes Fließverhalten zeigen. Dieser
Effekt kann mit der Kettfadenspannung bei der Gewebeherstellung erklärt werden
und über die Messung des Crimps ermittelt werden. Wurde eine große Differenz im
Crimp zwischen dem Kett- und Schussgarn gemessen, war auch die Anisotropie höher.
Neben der Kettfadenspannung bei der Herstellung wurden über ein D-optimal
Screening der Titer und die Fadendichte als signifikante Einflussfaktoren auf den
Crimp ermittelt.
Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen die Auswahl und das spezifische Design
von Verstärkungstextilien mit bestimmten Imprägnier- und Permeabilitätseigenschaften.
Mischungen aus Aldehyden und Alkoholen sind für zahlreiche technische Prozesse von Bedeutung. Bei der Auslegung solcher Prozesse muss berücksichtigt werden, dass Aldehyde mit Alkoholen in einer Additions-Eliminierungsreaktion zu Halbacetalen reagieren. Zurzeit erhält man genaue Angaben zum Reaktionsgleichgewicht, die für technische Anwendungen ausreichend sind, fast ausschließlich aus experimentellen Untersuchungen.
Eine Vorhersage solcher Gleichgewichtskonstanten (für Reaktionen in der Gasphase) ist prinzipiell auch mit Hilfe quantenchemischer Methoden möglich. Für die interessierenden Reaktionen der untersuchten Aldehyde und Alkohole fehlen sowohl experimentelle Ergebnisse als auch mit Hilfe der Quantenchemie berechnete Zahlenwerte.
Ziel der Arbeit war es, die Reaktionsgleichgewichte einiger wichtiger Reaktionen eines Aldehyds mit einem Alkohol zu Halbacetalen experimentell zu bestimmen und mit Ergebnissen quantenchemischer Vorhersagen zu vergleichen.
Für 21 Systeme (aus sieben Aldehyden und drei Alkoholen) wurden Pseudogleichgewichtskonstanten in der flüssigen Phase im Temperaturbereich zwischen ca. 255 K und 295 K experimentell mittels \( ^{13}\)C-NMR-Spektroskopie ermittelt. Dazu wurden binäre Mischungen aus jeweils einem Aldehyd und einem Alkohol gravimetrisch hergestellt und nach Einstellung des Gleichgewichts experimentell untersucht. Die im Experiment erhaltenen Pseudogleichgewichtskonstanten wurden mit Hilfe einer Gruppenbeitragsmethode für die Gibbsche Exzessenergie der flüssigen Mischungen zu Gleichgewichtskonstanten umgerechnet.
Parallel dazu wurden für die experimentell untersuchten Reaktionen die Gleichgewichtskonstanten in der Gasphase mit quantenchemischen Methoden berechnet. Als quantenchemische Methode wurde der Dichtefunktionaltheorieansatz B3LYP gewählt, der für die Berechnungen sowohl mit dem (kleinen) Pople-Basissatz 6-31G(d) scale als auch mit dem (größeren) Dunning-Basissatz cc-pVTZ scale kombiniert wurde.
Im theoretischen Teil wurde nur die Hauptreaktion - die Bildung der Halbacetale I aus Aldehyd und Alkohol - berücksichtigt und die Folgereaktionen nicht untersucht.
Aus zeitlichen Gründen konnten für den größeren (rechenzeitintensiven) Basissatz nicht alle experimentell untersuchten Reaktionen betrachtet werden. Unter Verwendung von Dampfdrücken der beteiligten Komponenten wurden die Rechenwerte auf die flüssige Phase umgerechnet. Die dazu erforderlichen Dampfdrücke der Halbacetale wurden mit Hilfe von Korrelationsgleichungen abgeschätzt.
Der Vergleich von Messwerten mit Rechenwerten für die Gleichgewichtskonstanten der untersuchten chemischen Reaktionen zeigte, dass die verwendeten quantenchemischen Methoden i.d.R. nicht in der Lage sind, das Gleichgewicht zuverlässig vorherzusagen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Systeme mit Edukten und Produkten von
Veresterungsreaktionen in ionischen Flüssigkeiten (IF)zu untersuchen. Es wurden die
Reaktionen von Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol mit Essigsäure zu den entsprechenden
Estern: Ethylacetat, Propylacetat und Butylacetat betrachtet. Die drei sauren ionischen
Flüssigkeiten,1-Methylimidazoliumhydrogensulfat [HMIM][HSO4], 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[EMIM][HSO4] und 1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[BMIM][HSO4], dienten hier als Katalysator und Extraktionsmittel zur
Aufarbeitung des Reaktionsgemisches. Ziel war es auch, durch Extraktion mit diesen
ionischen Flüssigkeiten Reaktionsprodukt(e) aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen und
ähnlich wie bei der Reaktivdestillation das Reaktionsgleichgewicht zu stören.
Daten über das flüssig-flüssig Phasengleichgewicht wurden gesammelt. Die Experimente
umfassten einerseits ternäre nichtreaktive Systeme bestehend aus Alkohol + Ester + IF und
Essigsäure + Ester + IF, andererseits wurden reaktive Fünfkomponentensysteme, die alle
Komponenten, beteiligt an der Reaktion, plus IF enthalten, bestimmt. Um die experimentellen
Daten auf ähnliche, nicht untersuchte, Systeme übertragen zu können wurde systematisch der
Einfluss mehrerer Parameter auf das Phasengleichgewicht untersucht, wie z.B. die Länge der
Alkylkette am Kation oder am Alkohol und die Temperatur. Aus den Messungen wurde klar,
dass mit steigender Alkylkette am Kation die Mischungslücken kleiner werden und
gleichzeitig die Löslichkeit der Edukte in der ionischen Phase verbessert wird. Eine längere
Alkylkette des Alkohols (und des entsprechenden Esters) bewirkt größere Zweiphasengebiete
und verbessert die Löslichkeit der Edukte in der organischen Phase. Da generell eine gewisse
Abhängigkeit zwischen Phasengleichgewicht und erreichten Reaktionsumsatz beobachtet
wurde, lassen sich die erzielbaren Ergebnisse bei bekanntem Phasengleichgewicht abschätzen.
Der Einfluss der Temperatur auf das flüssig-flüssig Gleichgewicht wurde nur für die ternären
Systeme untersucht.
Kinetische Versuche mit IF als Katalysator ergaben relativ enttäuschende Ergebnisse. Die
Hydrogensulfate erwiesen sich als schwache Katalysatoren für diese Reaktionen. In einem
großtechnischen Prozess werden deshalb zusätzliche Katalysatoren, wie Schwefelsäure o.ä.,
notwendig sein.
Aus den experimentellen Phasengleichgewichtsdaten und den Kinetikmessungen wurden
UNIQUAC- bzw. Kinetikansatz-Parameter durch Anpassung gewonnen. Um die reaktiven
Systeme zu simulieren, wurde ein mathematisches Modell, das Phasengleichgewicht und
Reaktionsgleichgewicht in einer Gegenstromextraktionskaskade berücksichtigt, in Matlab
implementiert.
Mehrere vielversprechende Anwendungen der untersuchten ionischen Flüssigkeiten wurden
simuliert und diskutiert. Während alle untersuchten Hydrogensulfate in der Lage sind, Wasser
aus dem Ester/Reaktionsgemisch zu extrahieren, kann man nur [EMIM][HSO4] und
[BMIM][HSO4] zur Entfernung von (kürzerkettigen) Alkoholen und Säuren verwenden. Es
wurden Reaktivextraktionsverfahren für die Herstellung von Ethylacetat konzipiert, die die
Eigenschaften der jeweiligen IF ausnutzen, um im Wesentlichen Wasser aus dem
Reaktionsgleichgewicht zu entfernen und z.B. reinere Produktströme oder höhere
Reaktionsumsätze zu erreichen. Beste Aussichten auf Erfolg von allen drei Salzen hat dabei
die IF [EMIM][HSO4], da im hier vorgeschlagenen Verfahren die wenigsten zusätzlichen
destillativen Trennschritte zu erwarten sind. Die Simulationen ergeben signifikante
Einsparung an Energiekosten gegenüber Reaktivdestillationsverfahren, da hier Energie
hauptsächlich nur zum Verdampfen von Wasser notwendig ist.
This thesis is concerned with the modeling of the domain structure evolution in ferroelectric materials. Both a sharp interface model, in which the driving force on a domain wall is used to postulate an evolution law, and a continuum phase field model are treated in a thermodynamically consistent framework. Within the phase field model, a Ginzburg-Landau type evolution law for the spontaneous polarization is derived. Numerical simulations (FEM) show the influence of various kinds of defects on the domain wall mobility in comparison with experimental findings. A macroscopic material law derived from the phase field model is used to calculate polarization yield surfaces for multiaxial loading conditions.
Bei einem Stent handelt es sich um ein medizinisches Implantat, das zur Behandlung von Gefäßverengungen (Stenosen) eingesetzt wird. Ein implantierter Stent verbleibt in der Regel lebenslang im Gefäß und muss alle auftretenden Belastungen dauerhaft ertragen ohne zu brechen. Für die Auslegung eines Stents und zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens können durch die Finite Element Methode (FEM) schon im Vorfeld die auftretenden Spannungen und Dehnungen berechnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein (Referenz-) Stent anhand unterschiedlicher Simulationen und Experimente analysiert und untersucht. Dabei wird sowohl der Herstellungsprozess des Stents betrachtet, als auch dessen Verhalten in unterschiedlich komplexen Gefäßen. In experimentellen Untersuchungen wird die Radialkraft bestimmt und das Ermüdungsverhalten des Stents bei einer simulierten Kniebeuge von 90° ermittelt. Mit der gewonnenen Erfahrung wird eine Vergleichsrechnung zweier neuer Stent-Designs durchgeführt. Auf Basis der Simulationen wird ein Prototyp hergestellt. Mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation wird der Einfluss des Referenz-Stents auf die Blutströmung durch die Berechnung der Strömungsverhältnisse in unterschiedlich komplexen Gefäßen näher betrachtet. Die Interaktion zwischen Stent, dem umgebenden Gefäß und der Blutströmung wird durch die gekoppelte FEM-CFD-Simulation untersucht.
Ionische Flüssigkeiten werden als alternative zu klassischen Lösungsmitteln für chemische Umsetzungen diskutiert u. a. auch für Reaktionen an denen gelöste Gase beteiligt sind. Deshalb ist die Kenntnis der Gaslöslichkeit sowie der eventuell auftretenden Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewicht in Systemen mit ionischen Flüssigkeiten sowohl von wissenschaftlichem als auch von technischem Interesse.
Das Aufpressen von Kohlendioxid bei einer Temperatur nahe dessen kritischer Temperatur auf eine homogene, einphasige, binäre flüssige Mischung aus einem organischen Lösungsmittel und einer hydrophoben ionischen Flüssigkeit bzw. aus Wasser und einer hydrophilen ionischen Flüssigkeit, kann zur Entmischung der zuvor homogenen Flüssigkeit in zwei koexistierende Flüssigphasen L1 und L2 (die mit einer Dampfphase V im Gleichgewicht stehen) führen.
Das zweiphasige flüssige System kann z. B. bei chemischen Umsetzungen, aber auch bei der Aufarbeitung von Reaktionslösungen von Vorteil sein, wenn z. B. die Extraktion eines Produkts in die zweite flüssige Phase zu einer Erhöhung des Umsatzes einer chemischen Reaktion führt.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewicht ternärer Systeme bestehend aus (Kohlendioxid + Alkohol/Wasser + ionische Flüssigkeit bzw. Ethylencarbonat) experimentell untersucht.
Zunächst wurden die Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewichte von zwei organischen ternären Systemen (Kohlendioxid + Methanol + [bmim][PF6]) und (Kohlendioxid + 1-Butanol + [hmim][Tf2N]) bei Temperaturen zwischen 293 und 333 K und Drücken bis zu 12 MPa experimentell bestimmt. Die Untersuchungen bestanden aus dem Vermessen der Druck-Temperatur-Koordinaten der kritischen Endpunktlinien, sowie der Zusammensetzungen der im Dreiphasengleichgewicht koexistierenden flüssigen Phasen L1 und L2.
Danach wurden an vier Systemen aus (Kohlendioxid + Wasser + ionische Flüssigkeit) ähnliche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese beschränkten sich jedoch im wesentlichen auf die Bestimmung des Druckbereiches in dem solche Mehrphasen-Gleichgewichte auftreten.
Bei dem wässrigen System (Kohlendioxid + Wasser + Ethylencarbonat), das untersucht wurde, wurde ein deutlich komplizierteres Phasenverhalten beobachtet, in dem auch ein Vierphasengleichgewicht L1L2L3V sowie zwei Typen von Dreiphasengleichgewichten auftreten. Für dieses System wurden sowohl die Druck-Temperatur-Koordinaten des unteren kritischen Endpunkts des Dreiphasen-Gleichgewichts als auch die des Vierphasengleichgewichts bestimmt. Außerdem wurde die Zusammensetzung der im Gleichgewicht koexistierenden flüssigen Phasen L1 und L2 bei 313 und 333 K im Druckbereich von 6,05 bis 20,3 MPa bestimmt.
Darüber hinaus wurde die Löslichkeit von Kohlendioxid in drei homogenen, einphasigen Lösungsmittelgemischen aus (Methanol + [bmim][PF6]) mit unterschiedlicher Zusammensetzung experimentell bestimmt. Diese Untersuchungen erfolgten mit einer nach der synthetischen Methode arbeitenden Versuchsapparatur.
Abschließend wurde die Löslichkeit von Kohlendioxid in den untersuchten binären Lösungsmittelgemischen (Methanol + [bmim][PF6]) mit Hilfe von Modellen der molekularen Thermodynamik abgeschätzt.
This thesis treats the extension of the classical computational homogenization scheme towards the multi-scale computation of material quantities like the Eshelby stresses and material forces. To this end, microscopic body forces are considered in the scale-transition, which may emerge due to inhomogeneities in the material. Regarding the determination of material quantities based on the underlying microscopic structure different approaches are compared by means of their virtual work consistency. In analogy to the homogenization of spatial quantities, this consistency is discussed within Hill-Mandel type conditions.