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Die vorliegende Arbeit betrachtet die Eigenschaften eines tribologischen Kontaktes bei elektrischem Stromdurchgang. Diese unerwünschten Stromdurchgänge entstehen etwa durch die Kombination von unvermeidbaren parasitären Kapazitäten in einem Elektromotor unter dem Einsatz von schnellschaltenden Frequenzumrichtern mit steilen Spannungsflanken. Folge dieser Stromdurchgänge sind Schäden an den Kontaktpartnern als auch an dem dazwischen befindlichen Schmiermittel. Zur Vorhersage der Gefährdung eines Antriebsstrangs hinsichtlich parasitärem Stromdurchgang werden elektro-mechanische Simulationen eingesetzt. Diese erlauben eine Beurteilung des tribologisch-elektrischen Kontaktes hin auf seine Gefährdung gegen Stromdurchgang. Basierend hierauf können dann geeignete Abhilfemaßnahmen getroffen werden.
Zur weiteren Verbesserung solcher elektro-mechanischen Simulationen werden im ersten Teil der Arbeit experimentell die Durchschlagspannung als auch der Widerstand des Entladekanals ermittelt. Hierbei zeigt sich ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten des Entladewiderstands, welches in dieser Form nicht vollumfänglich mit den Kenntnissen aus der Hochspannungstechnik erklärt werden kann. Hierauf aufbauend werden die langzeitlichen Auswirkungen des parasitären Stromdurchgangs im definierten tribologischen Zustand der Mischreibung betrachtet. Zur Ermittlung von Wechselwirkungen werden umfangreiche Messgrößen aufgezeichnet und analysiert. Im abschließenden Teil der Arbeit werden die Auswirkungen des elektrischen Stromdurchgangs auf die Oberflächenrauheiten simulativ ermittelt.
Durch das Vernähen trockener Faservorformlinge vor der Harzinjektion werden vielfältige
Möglichkeiten eröffnet, um Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen gewichtsoptimiert
und gleichzeitig kostengünstig herzustellen. Durch die im Vergleich zur
Prepreg-Technik innovativere Prozesskette sind auch komplexe Geometrien, wie sie
beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen vorliegen, automatisiert fertigbar. Die Einbringung
von strukturellen Vernähungen in Laminatdickenrichtung kann insbesondere
in Strukturbereichen mit dreidimensionalen Spannungszuständen die Delaminationsgefahr
durch eine Steigerung der interlaminaren Eigenschaften abmindern
und die Schadenstoleranz steigern. Allerdings erfordert eine vermehrte Anwendung
der Nähtechnik in der industriellen Praxis auch die Bereitstellung dreidimensionaler
mechanischer Werkstoffkennwerte, die im Konstruktions- und Auslegungsprozess
benötigt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-Laminate,
die im Flugzeugbau angewandt werden, strukturell vernäht und die durch den
Nähprozess entstehenden Reinharzgebiete sowie die Veränderung des relativen Faservolumengehaltes
erfasst. Bei der Bestimmung von intralaminaren Zug- und
Druckkennwerten wurden die Auswirkungen der Vernähung auch auf die Kerbdruckeigenschaften
untersucht. Zur Bestimmung von Elastizitäts- und Festigkeitskenngrößen
bei einer Zugbelastung senkrecht zur Laminatebene wurde ein Versuchskonzept
erarbeitet und die Potentiale der eingebrachten strukturellen Vernähung
ermittelt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der strukturellen Vernähung auf
die interlaminaren Schubfestigkeiten charakterisiert. Auch der Einfluss des Nähprozesses
auf die mechanischen Eigenschaften der verwendeten E-Glas-Garne
wurde experimentell erfasst.
Die Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen der intralaminaren Kennwerte um bis
zu 12 %, bei den Kerbdruckversuchen wurden teilweise Steigerungen des Kerbfaktors
festgestellt, die bis zu 9 % betrugen. Der Zug-Elastizitätsmodul senkrecht zur
Laminatebene wurde generell gesteigert, im Maximum um 8 %. Für die Zugfestigkeit
wurden leichte Steigerungen um 4 %, aber auch Abnahmen um bis zu 12 % beobachtet.
Bei der interlaminaren Schubfestigkeit waren durchgehend Steigerungen
festzustellen, die maximal 11 % betrugen. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit
des Nähgarns wurden infolge des Nähprozess um bis 22 % bzw. 42 % verringert.
Der praxisgerechte Einsatz der strukturellen Nähtechnik erfordert neben fundierten
Werkstoffkennwerten auch Simulationswerkzeuge, die die Auswirkungen der 3DVerstärkung
abschätzen können. Somit könnte durch eine Vorauswahl geeigneter
Nähmuster der Aufwand für eine kosten- und zeitintensive Materialcharakterisierung
reduziert werden. Hierzu wurde auf ein parametrisch gesteuertes Finite-Elemente-
Einheitszellenmodell zur Vorhersage von intralaminaren Elastizitäts- und –Festigkeitskenngrößen
zurückgegriffen und dieses um die Vorhersage von Elastizitäts- und
Zugfestigkeitskenngrößen senkrecht zur Laminatebene erweitert. Im Rahmen der
Modellvalidierung und -kalibrierung wurden intensive Untersuchungen hinsichtlich
geeigneter Randbedingungen und mikromechanischer Ansätze zur Beschreibung der
unidirektionalen Einzelschicht des Laminats durchgeführt. Die mit dem weiterentwickelten
Einheitszellenmodell abgeschätzten mechanischen Kennwerte zeigten gute
Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen.
On the Extended Finite Element Method for the Elasto-Plastic Deformation of Heterogeneous Materials
(2015)
This thesis is concerned with the extended finite element method (XFEM) for deformation analysis of three-dimensional heterogeneous materials. Using the "enhanced abs enrichment" the XFEM is able to reproduce kinks in the displacements and therewith jumps in the strains within elements of the underlying tetrahedral finite element mesh. A complex model for the micro structure reconstruction of aluminum matrix composite AMC225xe and the modeling of its macroscopic thermo-mechanical plastic deformation behavior is presented, using the XFEM. Additionally, a novel stabilization algorithm is introduced for the XFEM. This algorithm requires preprocessing only.
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.
Dry Sliding and Rolling Tribotests of Carbon Black Filled EPDM Elastomers and Their FE Simulations
(2008)
Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.
The present thesis is concerned with the simulation of the loading behaviour of both hybrid lightweight structures and piezoelectric mesostructures, with a special focus on solid interfaces on the meso scale. Furthermore, an analytical review on bifurcation modes of continuum-interface problems is included. The inelastic interface behaviour is characterised by elastoplastic, viscous, damaging and fatigue-motivated models. For related numerical computations, the Finite Element Method is applied. In this context, so-called interface elements play an important role. The simulation results are reflected by numerous examples which are partially correlated to experimental data.
In the present contribution, a general framework for the completely consistent integration of nonlinear dissipative dynamics is proposed, that essentially relies on Finite Element methods in space and time. In this context, fully flexible structures as well as hybrid systems which consist of rigid bodies and inelastic flexible parts are considered. Thereby, special emphasis is placed on the resulting algorithmic fulfilment of fundamental balance equations, and the excellent performance of the presented concepts is demonstrated by means of several representative numerical examples, involving in particular finite elasto-plastic deformations.
Thermoelasticity represents the fusion of the fields of heat conduction and elasticity in solids and is usually characterized by a twofold coupling. Thermally induced stresses can be determined as well as temperature changes caused by deformations. Studying the mutual influence is subject of thermoelasticity. Usually, heat conduction in solids is based on Fourier’s law which describes a diffusive process. It predicts unnatural infinite transmission speed for parts of local heat pulses. At room temperature, for example, these parts are strongly damped. Thus, in these cases most engineering applications are described satisfactorily by the classical theory. However, in some situations the predictions according to Fourier’s law fail miserable. One of these situations occurs at temperatures near absolute zero, where the phenomenon of second sound1 was discovered in the 20th century. Consequently, non-classical theories experienced great research interest during the recent decades. Throughout this thesis, the expression “non-classical” refers to the fact that the constitutive equation of the heat flux is not based on Fourier’s law. Fourier’s classical theory hypothesizes that the heat flux is proportional to the temperature gradient. A new thermoelastic theory, on the one hand, needs to be consistent with classical thermoelastodynamics and, on the other hand, needs to describe second sound accurately. Hence, during the second half of the last century the traditional parabolic heat equation was replaced by a hyperbolic one. Its coupling with elasticity leads to non-classical thermomechanics which allows the modeling of second sound, provides a passage to the classical theory and additionally overcomes the paradox of infinite wave speed. Although much effort is put into non-classical theories, the thermoelastodynamic community has not yet agreed on one approach and a systematic research is going on worldwide.Computational methods play an important role for solving thermoelastic problems in engineering sciences. Usually this is due to the complex structure of the equations at hand. This thesis aims at establishing a basic theory and numerical treatment of non-classical thermoelasticity (rather than dealing with special cases). The finite element method is already widely accepted in the field of structural solid mechanics and enjoys a growing significance in thermal analyses. This approach resorts to a finite element method in space as well as in time.
The topic of this thesis is the coupling of an atomistic and a coarse scale region in molecular dynamics simulations with the focus on the reflection of waves at the interface between the two scales and the velocity of waves in the coarse scale region for a non-equilibrium process. First, two models from the literature for such a coupling, the concurrent coupling of length scales and the bridging scales method are investigated for a one dimensional system with harmonic interaction. It turns out that the concurrent coupling of length scales method leads to the reflection of fine scale waves at the interface, while the bridging scales method gives an approximated system that is not energy conserving. The velocity of waves in the coarse scale region is in both models not correct. To circumvent this problems, we present a coupling based on the displacement splitting of the bridging scales method together with choosing appropriate variables in orthogonal subspaces. This coupling allows the derivation of evolution equations of fine and coarse scale degrees of freedom together with a reflectionless boundary condition at the interface directly from the Lagrangian of the system. This leads to an energy conserving approximated system with a clear separation between modeling errors an errors due to the numerical solution. Possible approximations in the Lagrangian and the numerical computation of the memory integral and other numerical errors are discussed. We further present a method to choose the interpolation from coarse to atomistic scale in such a way, that the fine scale degrees of freedom in the coarse scale region can be neglected. The interpolation weights are computed by comparing the dispersion relations of the coarse scale equations and the fully atomistic system. With this new interpolation weights, the number of degrees of freedom can be drastically reduced without creating an error in the velocity of the waves in the coarse scale region. We give an alternative derivation of the new coupling with the Mori-Zwanzig projection operator formalism, and explain how the method can be extended to non-zero temperature simulations. For the comparison of the results of the approximated with the fully atomistic system, we use a local stress tensor and the energy in the atomistic region. Examples for the numerical solution of the approximated system for harmonic potentials are given in one and two dimensions.
Im Hinblick auf die Gewichtsreduktion am Gesamtfahrzeug zur Verbesserung der Fahrdy-namik und zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs wurde ein Vierzylinder-Kurbelgehäuse auf Basis des leichten Konstruktionswerkstoffs Magnesium konzipiert und konstruiert. Unter der Zielvorgabe einer spezifischen Leistung von mindestens 65 kW/l lag der Fokus auf einer zum Serienmotor mindestens gleichwertigen Belastbarkeit und Akustik und auf der Behebung der Kriech- und Korrosionsproblematik von Magnesium. Durch die Kombination verschiedener Leichtbauprinzipien wie Konzept-, Gestalt- und Ver-bundleichtbau, ist es mittels lokalem Werkstoffengineering gelungen, die Nachteile des Mag-nesiums zu kompensieren und seine Vorteile bestmöglich zu nutzen. Das Ergebnis ist ein zur Aluminiumbasis um ca. 6,5kg und zur Graugussbasis um ca. 23kg leichteres Magnesi-um-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse. Die short-skirt Bauweise in Verbindung mit einem zur Ölwanne nahezu komplett geschlossenen Bedplate ergibt ein hochsteifes Kurbelgehäuse mit einer im Vergleich zum Serien-Aluminium-ZKG höheren Belastbarkeit. Das flexible Kurbel-gehäusekonzept ermöglicht es ausserdem, auf Basis des für Magnesium sehr wirtschaftli-chen Druckgussverfahrens, Zylinderkurbelgehäuse sowohl in open-deck als auch in closed-deck-Bauweise herzustellen. Kernstück des neuen Motorblocks ist ein multifunktionaler, 3,8kg leichter Zylindereinsatz aus Aluminium, der die Funktion der Zylinderlaufbahn, der Zylinderkopf- und Hauptlagerver-schraubung sowie der Kühlwasserführung übernimmt. Zur Verbesserung der Verbundeigen-schaften zwischen dem Zylindereinsatz und dem umgebenden Magnesium wurden umfang-reiche Gießversuche und metallographische Untersuchungen durchgeführt. Eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte AlSi12-Beschichtung erzielte schließlich die besten Ergebnisse in Bezug auf ertragbare Zug- und Schubbelastungen in der Verbundzone. Zur Absicherung des Herstellungsprozesses wurden mit der Finite Elemente Methode ver-schiedene Abstützvarianten des closed-deck-Zylindereinsatzes für das prozesssichere Ein-gießen im Druckguss untersucht. Die Befüllung des Einsatzes mit Sand erwies sich dabei als die robusteste Lösung und wurde später in den Gießversuchen umgesetzt. Der Festigkeitsnachweis für das Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse wurde mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Einbeziehung der Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sowie unter Berücksichtigung nichtlinearer Werkstoffkennwerte und der Kriechproblematik von Magnesium erbracht. Ausgangspunkt für den Festigkeitsnachweis waren Eigenspannungsberechnungen, die das Abkühlen der Gussteile aus der Gießhitze, eine Warmauslagerung und die Bearbeitung der wichtigsten Funktionsflächen beinhaltete. Der Nachweis für die Dauerhaltbarkeit der Lagerstühle des Kurbelgehäuses wurde erbracht. Parameterstudien zeigten dabei einen positiven Einfluss der Eigenspannungen und eine geringe Sensitivität der Konstruktion in Bezug auf Reibungsvariationen zwischen Umguss und Eingussteilen. Kriechdehnungen im Bereich der Hauptlagerverschraubungen führten allerdings bei Verwendung der Standard Magnesiumlegierung AZ91 nach 500 Stunden bei 150°C zu einem Abfall der Schraubenvorspannkräfte um bis zu 75%. Es konnte gezeigt wer-den, dass dieses Problem bei Verwendung von kriechfesteren Legierungen (z.B. MRI 153M) mit ca. 10-20fach besserer Kriechfestigkeit bzw. Relaxationsbeständigkeit behoben werden kann. Der rechnerisch erbrachte Nachweis für die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkurbelgehäuses konnte kurz vor Fertigstellung dieser Arbeit in einem Motorversuch (Polyzyklischer Dauer-lauf, 100h) bestätigt werden. Der Motor zeigte nach Ende der Laufzeit keine Auffälligkeiten und konnte weiter betrieben werden.
A general framework for the thermodynamics of open systems is developed in the spatial and the material setting. Special emphasis is placed on the balance of mass which is enhanced by additional source and flux terms. Different solution strategies within the finite element technique are derived and compared. A number of numerical examples illustrates the features of the proposed approach.
Stahlbeton-Kühlturmschalen unterliegen während ihrer Nutzungsdauer einer Vielzahl von Beanspruchungen, die im Tragwerk ein mit der Zeit zunehmendes Rissbild verursachen können. Hiermit verbundenen ist eine Veränderung der Steifigkeitsverteilung, die bei diesen hochgradig statisch unbestimmten Schalentragwerken das Tragverhalten bestimmt. Mit der vorgestellten nichtlinearen Vorgehensweise, die mögliche Ent- und Wiederbelastungen in Kombination mit Zwangbeanspruchungen und ungleichmäßiger Befeuchtung der Schalenoberfläche erfasst, gelingt es, die beobachteten Alterungserscheinungen bei Kühlturmschalen numerisch zu simulieren. Hieraus lassen sich Modelle ableiten, die es erlauben, das Tragverhalten in den Nachweisen für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit und der Tragfähigkeit auch während der Nutzungsdauer des Bauwerkes zu berücksichtigen. Die vorgestellte Vorgehensweise ist auch auf andere Tragwerke aus Stahlbeton anwendbar.
The goal of this thesis is a physically motivated and thermodynamically consistent formulation of higher gradient inelastic material behavior. Thereby, the influence of the material microstructure is incorporated. Next to theoretical aspects, the thesis is complemented with the algorithmic treatment and numerical implementation of the derived model. Hereby, two major inelastic effects will be addressed: on the one hand elasto-plastic processes and on the other hand damage mechanisms, which will both be modeled within a continuum mechanics framework.