Der Energiebedarf von Mobilbaggern während des Betriebs hängt neben dem kundenspezifischen Einsatz unter anderem stark vom verwendeten hydraulischen Systemkonzept ab. Durch die sukzessive Weiterentwicklung der Komponenten und hydraulischen Systeme existiert dazu mittlerweile eine Vielzahl an verschiedenen Konzepten und Teillösungen, mit denen die Energieeffizienz der Maschine gesteigert werden kann. Jedoch handelt es sich oftmals um eine komplexe Aufgabe, aus den vorhandenen Einzellösungen ein für den Kunden verbrauchsoptimales Gesamtsystemkonzept zu erstellen. Um dies zu erleichtern, ist eine Unterstützung des Konzeptauswahlprozesses mittels hydraulischer Systemsimulationen möglich, sodass der Energieverbrauch verschiedener Konzepte und Konzeptkombinationen im Gesamtsystemzusammenhang schon frühzeitig im Produktentwicklungsprozess abgeschätzt werden kann.
Um dies effizient durchzuführen, wird in dieser Arbeit ein methodischer Ansatz entwickelt, mit dem ein Vergleich verschiedener hydraulischer Konzepte modellgestützt durchgeführt werden kann. Im Fokus stehen dabei die Entwicklung eines modular aufgebauten Simulationsmodells für eine vereinfachte Implementierung von Konzepten in ein Gesamtsystemmodell sowie die Einbindung eines variablen, kundenspezifischen Nutzungsprofils in den Bewertungsprozess.
Dazu wird zunächst auf die Modellerstellung und Modularisierung eingegangen und die Validierung und Verifikation des Modells beschrieben. Im Anschluss werden exemplarische Konzepte vorgestellt, die durch eine Bewertung unter Berücksichtigung des realen Einsatzes beim Kunden hinsichtlich ihres Energieverbrauchs miteinander verglichen werden.
Durch das Entstehen von neuen Infektionskrankheiten und das Auftreten von Resistenzen können bisher verwendete Medikamente ihren pharmazeutischen Nutzen verlieren. Daher ist eine konstante Weiterentwicklung von bioaktiven Pharmazeutika lebensrettend. Viele pflanzli-che und mikrobielle Sekundärmetabolite besitzen gesundheitsfördernde Wirkungen und kön-nen als Ressourcen für die Entwicklung neuer Arzneimittel herangezogen werden. Da Pflan-zen und Mikroorganismen ein sehr umfangreiches Repertoire an pharmazeutisch-interessanten Intermediaten besitzen, soll im Rahmen dieser Arbeit die Produktbildung von pflanzlichen und mikrobiellen Sekundärmetaboliten vorgestellt werden, die für weiterführende medizinische Studien von Interesse sind.
Die in dieser Arbeit präsentierten mikrobiellen Sekundärmetabolite sind β-Lactam Antibiotika der Gruppe der OA-6129 und besitzen antibakterielle Eigenschaften gegen grampositive als auch gramnegative Mikroorganismen. Durch die Kultivierung des filamentösen Actinobakteri-ums Streptomyces fulvoviridis A933 17M9 1501 können diese sehr wirksamen Antibiotika gebildet werden. Für eine erfolgreiche Produktbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit ein zweistufiger Prozess im Bioreaktor etabliert, der sich über einen Zeitraum von neun Tagen erstreckt. Durch Optimierung und Variation des Mediums, sowie durch die Veränderung der Rührergeometrie, kann die maximale Antibiotikakonzentration um 385 % gesteigert werden.
Neben der zu optimierenden Produktbildung ist auch die Stabilität der Antibiotika im wässrigen Milieu von Interesse. Die Untersuchungen erfolgten am Produktanalogon Imipenem. Es zeig-te sich, dass durch Interaktionen der Imipenemmoleküle der Zerfall mit steigender Antibiotik-akonzentration beschleunigt wird. Ein dazugehöriger Zerfallsweg des Imipenems in deionisie-rem Wasser bei pH 7 konnte durch die Auswertung der HPLC und Massenspektrometrie-Analytik beschrieben werden. Bioaktive Zerfallsprodukte, wie das sehr aktive β-Lactam Thienamycin, können aus dieser Zerfallsreaktion resultieren. Auch im Fermenta¬tionsmedium kann ein konzentrationsabhängiger Zerfall nachgewiesen werden, was für eine wirtschaftli-che, fermentative Herstellung problematisch wäre. Durch die Verwendung von Morpholino-sulfonsäurepuffern ist eine Stabilisierung des Antibiotikums im Wasser und im Fermentati-onsmedium realisierbar. Eine Steigerung der Halbwertszeit von über dem 10fachen gegen-über einer reinen Imipenemlösung im Wasser kann durch die Verwendung dieser Puffersub-stanzen erzielt werden.
Bei den zweiten, in dieser Arbeit behandelten Sekundärmetaboliten, handelt es sich um die pflanzlichen Triterpene Oleanol- und Ursolsäure, von denen antibakterielle, antivirale, entzün-dungshemmende und Krebs vorbeugende Aktivitäten bekannt sind. Neben anderen Pflanzen bilden Spezies von Salbei und Basilikum diese interessanten Sekundärmetabolite. Da bei ei-ner Freilandkultivierung die Produktkonzentrationen jährlichen Schwankungen durch abioti-schen und biotischen Faktoren unterliegen, kann durch eine in situ Kultivierung eine reprodu-zierbare Produktbildung erzielt werden. Im Zuge der Arbeit wurden Kalluskulturen von Salvia officinalis und Ocimum basilicum in verschiedenen Reaktortypen und mit verschiedenen Pro-zessstrategien eingesetzt und betreffend ihrer Produktbildung untersucht. Eine Oleanol- und Ursolsäurebildung durch eine Kalluskultur von Ocimum basilicum konnte durch diese Arbeit zum ersten Mal präsentiert werden.
Im Vergleich zu Kultivierungen in Erlenmeyerkolben fördert eine Kultivierung im Wavebag-Reaktor das Wachstum und die Produktbildung, sodass die maximale Triterpenkonzentration um 210 % gesteigert werden kann. Durch Variation der batch-Prozessstrategie in ein repea-ted-batch-Verfahren kann eine signifikante Steigerung der Oleanolsäurebildung um das 16fache und der Ursolsäurebildung um das 35fache erzielt werden. Es wird angenommen, dass auftretende Substratlimitierung zu einer Steigerung der Produktbildung führt.
Durch eine nachfolgende Biotransformation ist es möglich, die beiden Triterpene zu modifizie-ren. Eine Derivatisierung kann neben einer Verbesserung der Wasserlöslichkeit der Triterpene auch in einer Erhöhung der pharmazeutisch-interessanten Aktivitäten resultieren. Aus diesem Grunde wurden neun Organismen betreffend ihrer biokatalytischen Aktivität untersucht. Mit-tels des Actinobakteriums Nocardia iowensis werden die Oleanol- und Ursolsäure zunächst in ihre korrespondierenden Methylester transformiert. Des Weiteren entstehen bei der Biotrans-formation von Oleanolsäure zwei weitere, bisher unbekannter Derivate, welche durch HPLC, HPLC-ESI-MS und HPLC-1H-NMR charakterisiert werden konnten. Anhand dieser Resultate kann ein neuer Biosyntheseweg für eine Oleanolsäuretransformation mittels Nocardia iowen-sis beschrieben werden.
Um die Abtrennung der Biotransformationskultur von Medium zu vereinfachen und die Wirt-schaftlichkeit zu fördern, kann N. iowensis in Natriumalginat immobilisiert werden. Während kein signifikanter Unterschied zwischen immobilisierten und freien Bakterienzellen betreffend der Substrataufnahme detektiert wird, wird durch die Immobilisierung die Produktbildung re-primiert. Dabei besitzt die Matrixdichte, die aus der Behandlung der Natriumalginatpartikel mit der Calciumchloridlösung resultiert, einen entscheidenden Einfluss auf die Biotransformati-onseffizienz.
Auch eine Zusammenführung von Pflanzenzellkultivierung und Biotransformation in einem Gesamtprozess wurde im Rahmen dieser Arbeit etabliert. Durch den direkten Einsatz der immobilisierten Biotransformationskultur im verdünnten Zelllysat umgeht man eine Aufarbei-tung der Produkttriterpene aus dem Pflanzenzelllysat, was die Wirtschaftlichkeit des Prozes-ses erheblich verbessert. Bis zu einem Mischverhältnis von 50 % Referenzmedium und Zell-lysat kann keine Inhibierung oder Reprimierung der Biotransformation durch vorhandene Pflanzenzellbestandteile, wie z. B. Phenolen, detektiert werden.
An efficient multiscale approach is established in order to compute the macroscopic response of nonlinear composites. The micro problem is rewritten in an integral form of the Lippmann-Schwinger type and solved efficiently by Fast Fourier Transforms. Using realistic microstructure models complex nonlinear effects are reproduced and validated with measured data of fiber reinforced plastics. The micro problem is integrated in a Finite Element framework which is used to solve the macroscale. The scale coupling technique and a consistent numerical algorithm is established. The method provides an efficient way to determine the macroscopic response considering arbitrary microstructures, constitutive behaviors and loading conditions.
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.
Elastische Klebverbindungen werden heute in der Praxis immer häufiger lastabtragend eingesetzt. Daher steigt auch die Nachfrage nach zuverlässigen Berechnungsmethoden und Beurteilungskriterien für diese Klebstoffe. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von geeigneten Prüfmethoden, Werkstoffkennwerte für Werkstoffgesetze, die für FE-Berechnungen geeignet sind, zu bestimmen und diese zu überprüfen. Außerdem soll der Grenzzustand der Beanspruchbarkeit untersucht werden um einerseits bewerten zu können, bis zu welchem Beanspruchungszustand die verwendeten Werkstoffgesetze einsetzbar sind und andererseits um die Grenzbelastungen für diese Klebstoffe beurteilen zu können. In dieser Arbeit wurden zwei elastische Klebstoffe untersucht, einer auf Silikon und einer auf Polyurethanbasis. Die Ermittlung der Werkstoffkennwerte erfolgt an Normproben, die den Vorteil einer weiten Verbreitung und Reproduzierbarkeit bieten. Das Werkstoffverhalten wurde unter Zug-, Schub- und Druckbelastung untersucht. Dabei wurde die Belastungsgeschwindigkeit in allen Belastungsarten so gewählt, dass der Energieeintrag pro Volumen und Zeiteinheit für alle Belastungsarten gleich ist. Dies bietet den Vorteil, dass für alle Belastungsarten der gleiche energetische Zustand des Klebstoffes untersucht wird. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Bestimmung der Werkstoffkonstanten für Green’sche Werkstoffgesetzte. Diese haben sich für die Berechnung von elastomeren Werkstoffen bewährt. Die Kennwerte für diese Werkstoffgesetze wurden durch Methoden der Ausgleichsrechnung (Methode der kleinsten Quadrate) iterativ so bestimmt. Die Überprüfung der Kennwerte erfolgt anhand von Kopfzugproben. Diese geklebten Proben mit mehrachsigen Spannungszuständen zeigen eine Vielzahl von in der Praxis relevanten Spannungszuständen und damit besonders für die Überprüfung der Werkstoffgesetze geeignet. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Anhand dieser Probengeometrie werden auch der Grenzzustand der Beanspruchung und die hierfür maßgeblichen mechanischen Größen untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Formänderungsenergiedichte als Bewertungsgröße für den Grenzzustand und das Eintreten von Schädigungen im Werkstoff geeignet ist.
The study addresses the effect of multiple jet passes and other parameters namely feedrate, water pressure and standoff distance in waterjet peening of metallic
surfaces. An analysis of surface integrity was used to evaluate the performance of
different parameters in the process. An increase in the number of jet passes and
pressure leads to a higher roughness and more erosion and also a higher hardness.
In contrast, the feedrate shows a reverse effect on those surface characteristics.
There exists a specific value of standoff distance that results in the maximum surface
roughness, erosion as well as hardness. Analysis of the surface microstructure gave
a good insight into the mechanism material removal process involving initial and
evolved damage. Also, the waterjet peening process was optimized based on the
design of experiment approach. The developed empirical models had shown
reasonable correlations between the measured and predicted responses. A proper selection of waterjet peening parameters can be formulated to be used in practical
works.
Tandembeschaufelungen werden in Axialverdichtern dort eingesetzt, wo große Strömungsumlenkungen
realisiert werden müssen. Beschaufelungen, bei denen die gesamte Umlenkung
mit nur einem Schaufelprofil realisiert wird, stoßen dabei schnell an ihre aerodynamischen
Grenzen, da es bei hohen Umlenkungen zu Grenzschichtablösung kommen kann.
In Tandembeschaufelungen wird die Umlenkaufgabe auf zwei Schaufelprole aufgeteilt.
An der Vorderkante des in Strömungsrichtung liegenden hinteren Schaufelprofils existiert
eine frische, dünne und ungestörte Grenzschicht für die restliche Umlenkung.
Die Auslegung einer Verdichterbeschaufelung erfolgt gewöhnlich in mehreren koaxialen
Schnitten. Wickelt man einen solchen koaxialen Schnitt in eine Ebene ab, so erhält man ein
sogenanntes Schaufelgitter. Die Überlegenheit von Tandemgittern bezüglich Einzelgittern
bei großen Umlenkungen wurde für zweidimensionale Strömungen bereits häufig in der
Literatur gezeigt. Ebenso sind für zweidimensionale Strömungen durch Tandemgitter die
idealen Parameter für die relative Position der einzelnen Schaufelreihen zueinander und
die Aufteilung der aerodynamischen Last auf die einzelnen Schaufelreihen bekannt. Da
hohe Umlenkungen meist in den letzten Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern gefordert
sind, wo die Schaufelhöhenverhältnisse klein sind, wird der Einfluss der Seitenwände
(Nabe und Gehäuse) groß und kann deshalb nicht mehr vernachlässigt werden. Bisher
gibt es allerdings wenig Informationen über die Strömungsstruktur in Tandemgittern an
der Seitenwand und das dreidimensionale Strömungsverhalten. Es ist daher nicht klar, ob
Tandemgitterkonfigurationen, die für zweidimensionale Strömungen die geringsten Verluste
erzeugen, auch in dreidimensionalen Strömungen minimale Verluste verursachen.
In dieser Arbeit werden die experimentellen und numerischen Ergebnisse von vier Tandemgitterkonfigurationen und einem Referenz-Einzelgitter vorgestellt. Die Gitter bestehen
aus NACA 65 Profilen mit kleinem Schaufelhöhenverhältnis. Die Auslegung der Gitter
erfolgte unter Berücksichtigung empirischer Korrelationen von Lieblein und Lei. Die Tandemgitter
unterscheiden sich im Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und im
Percent Pitch (PP). Alle Gitter bewirken eine Strömungsumlenkung von annähernd 50 Grad
bei einer Reynoldszahl von 8x10^5.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Strömung in Tandemgittern strukturiert ist und
insbesondere wie die Sekundärströmung in Tandemgittern entsteht. Anhand der Strömungsstruktur, die mit Hilfe von numerischen und experimentellen Ölanstrichbildern der
Seitenwand und der Profiloberflächen sichtbar gemacht wurde, wird die Verlustentstehung
identifiziert und diskutiert. Corner Stall wird als zentrales Strömungsphänomen in
Tandemgittern ausführlich auf dessen Entstehung und Ausprägung hin untersucht. Strömungsmechanische Kenngrößen, die numerisch und anhand von Messungen ermittelt wurden,
werden miteinander verglichen und der Einfluss der Tandemkonfigurationen auf das
Strömungsfeld im Nachlauf der Gitter wird aufgezeigt. Schließlich werden Empfehlungen gegeben, wie das Teilungsverhältnis der einzelnen Schaufelreihen und der Percent Pitch
(PP) in einem Tandemgitter zu wählen ist, um minimale Strömungsverluste zu realisieren.
In the present work, the phase transitions in different Fe/FeC systems were studied by using the molecular dynamics simulation and the Meyer-Entel interaction potential (also the Johnson potential for Fe-C interaction). Fe-bicrystal, thin film, Fe-C bulk and Fe-C nanowire systems were investigated to study the behaviour of the phase transition, where the energetics, dynamics and transformations pathways were analysed.
In this thesis, we develop a granular hydrodynamic model which covers the three principal regimes observed in granular systems, i.e. the dilute flow, the dense flow and the solid-like regime. We start from a kinetic model valid at low density and extend its validity to the granular solid-like behavior. Analytical and numerical results show that this model reproduces a lot of complex phenomena like for instance slow viscoplastic motion, critical states and the pressure dip in sand piles. Finally we formulate a 1D version of the full model and develop a numerical method to solve it. We present two numerical examples, a filling simulation and the flow on an inclined plane where the three regimes are included.
The noise issue in manufacturing system is widely discussed from legal and health aspects. Regarding the existing laws and guidelines, various investigation methods are implemented in industry. The sound pressure level can be measured and reduced by using established approaches in reality. However, a straightforward and low cost approach to study noise issue using existing digital factory models is not found.
This thesis attempts to develop a novel concept for sound pressure level investigation in a virtual environment. With this, the factory planners are able to investigate the noise issue during factory design and layout planning phase.
Two computer aided tools are used in this approach: acoustic simulation and virtual reality (VR). The former enables the planner to simulate the sound pressure level by given factory layout and facility sound features. And the latter provides a visualization environment to view and explore the simulation results. The combination of these two powerful tools provides the planners a new possibility to analyze the noise in a factory.
To validate the simulations, the acoustic measurements are implemented in a real factory. Sound pressure level and sound intensity are determined respectively. Furthermore, a software tool is implemented using the introduced concept and approach. With this software, the simulation results are represented in a Cave Automatic Virtual Environment (CAVE).
This thesis describes the development of the approach, the measurement of sound features, the design of visualization framework, and the implementation of VR software. Based on this know-how, the industry users are able to design their own method and software for noise investigation and analysis.
Modellgestützter Vergleich hydraulischer Konzepte zur Reduzierung des Energiebedarfs mobiler Arbeitsmaschinen unter Berücksichtigung variabler, kundenspezifischer Nutzungsprofile am Beispiel eines Baggers
(2015)
