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Evaluation of whole-body vibrations and improvement of the driver’s seat performance on a compact wheel loader
(2016)
- Whole-body vibrations (WBV) have adverse effects on ride comfort and human health. Suspension seats have an important influence on the WBV severity. In this study, WBV were measured on a medium-sized compact wheel loader (CWL) in its typical operations. The effect of short-term exposure to the WBV on the ride comfort was evaluated according to ISO 2631-1:1985 and ISO 2631-1:1997. ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were adopted to evaluate the effect of long-term exposure to the WBV on the human health. Reasons for the different evaluation results obtained according to ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were explained in this study. The WBV measurements were carried out in cases where the driver wore a lap belt or a four-point seat harness and in the case where the driver did not wear any safety belt. The seat effective amplitude transmissibility (SEAT) and the seat transmissibility in the frequency domain in these three cases were analyzed to investigate the effect of a safety belt on the seat transmissibility. Seat tests were performed on a multi-axis shaking table in laboratory to study the dynamic behavior of a suspension seat under the vibration excitations measured on the CWL. The WBV intensity was reduced by optimizing the vertical and the longitudinal seat suspension systems with the help of computational simulations. For the optimization multi-body models of the seat-dummy system in the laboratory seat tests and the seat-driver system in the field vibration measurements were built and validated.
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Continuum Mechanical Modeling of Dry Granular Systems: From Dilute Flow to Solid-Like Behavior
(2014)
- 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.
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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.
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Modellierung des Phasengleichgewichts bei der Quellung von ionischen und nichtionischen Hydrogelen in wässrigen Lösungen
(2007)
- Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, Methoden zur Beschreibung der Quellung von (nichtionischen und ionischen) Hydrogelen in wässrigen Lösungen zu entwickeln und zu erproben. Die Modelle setzen sich aus einem Beitrag, der die Gibbssche Energie von Flüssigkeiten beschreibt und aus einem Beitrag für die Helmholtz-Energie des Netzwerks zusammen. Die Beschreibung der elastischen Eigenschaften des Netzwerks beruht auf der Phantom-Netzwerk-Theorie. Die Gibbssche Exzessenergie der Flüssigkeiten wurde mit verschiedenen Modellen, abhängig vom Typ der untersuchten Systeme (wässrig/salzhaltige Lösung oder wässrig/organische Lösung), beschrieben. Bei der Modellierung wurden der Einfluss der Zusammensetzung des Netzwerks (z.B. Konzentration von Vernetzer und/bzw. von ionischem Komonomeren) und der Einfluss der Zugabe von weiteren Komponenten in der das Gel umgebenden wässrigen Lösung auf den Quellungsgrad behandelt. Als weitere Komponenten wurden einerseits anorganische Salze (Natriumchlorid,Dinatriumhydrogenphosphat) und andererseits organische Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, 1-Butanol,Methylisobutylketon) behandelt. Zur Modellierung des Quellverhaltens von nichtionischen IPAAm-Gelen in NaCl bzw. Na2HPO4-haltigen Lösungen wurde das VERS-Modell in Kombination mit der Phanom-Netzwerk-Theorie verwendet. Bei der Erweiterung dieser Modelle auf ionische Gele wurde eine gute Beschreibung nur dann erzielt, wenn sowohl das Dissoziationsgleichgewicht des ionischen Komonomeren Natriummethacrylat als auch eine Korrektur im Phantom-Netzwerk-Modell berücksichtigt wurden. Wenn beide Korrekturen allein aus wenigen experimentellen Daten für die Quellung ionischer Gele in wässrigen Lösungen von NaCl bestimmt wurden, gelingen nicht nur eine gute Korrelation für den Quellungsgrad, sondern auch zuverlässige Vorhersagen (sowohl Erweiterung auf andere (IPAAm/NaMA)Gele als auch bei Verwendung von Na2HPO4 anstelle von NaCl). Die Modellierung der Einflüsse der untersuchten Salze (NaCl bzw. Na2HPO4) auf das Quellverhalten sowohl nichtionischer VP-Gele als auch ionischer (VP/NaMA)Gele erfolgt auch in Kombination des VERS-Modells mit der Phanom-Netzwerk-Theorie. Die vorgeschlagene Methode liefert sowohl für nichtionische VP-Gele als auch für ionische (VP/NaMA)Gele in wässrigen salzhaltigen Lösungen eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Rechnung. Die Quellungsgleichgewichte nichtionischer IPAAm-Gele in Mischungen aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, Butanol, Methylisobutylketon) lassen sich mit Hilfe der Kombination aus dem UNIQUAC-Modell und einem Free-Volume-Beitrag mit der Phantom-Netwerk-Theorie beschreiben. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (IPAAm/NaMA)Gele wurde der Einfluss der Konzentration des organischen Lösungsmittels auf die Dissoziationskonstante von Natriummethacrylat berücksichtigt. Ähnlich zur Modellierung der Quellung im System (IPAAm/NaMA)Gel-Wasser-Salz wurden die Abweichungen von der Phantom-Netzwerk-Theorie mit Hilfe eines empirischen Faktors betrachtet. Mit diesen Modellvorstellungen gelingt sowohl eine gute Korrelation als auch zuverlässige Vorhersage des Quellungsgrades von ionischen Gelen in wässrig/organischen Lösungen. Bei den theoretischen Studien zur Quellung von Gelen auf Basis von Vinylpyrrolidon in wässrig/organischen Lösungsmittelgemischen erwies sich, dass eine Kombination aus dem UNIQUAC-Modell (jedoch ohne kombinatorischen Beitrag) und der Phantom-Netzwerk-Theorie die besten Ergebnisse bei der Beschreibung des Quellverhaltens der nichtionischen VP-Gele liefert. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (VP/NaMA)Gele wurde eine Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von Natriummethacrylat von der Ethanol-, bzw. der Acetonkonzentration berücksichtigt.
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Polymerwerkstoff-Direktverschraubung: Einsatz von Experiment und Simulation zur Analyse des Vorspannkraftverlaufs
(2012)
- Für die lösbare Verbindung von Bauteilen aus Polymerwerkstoffen sind Direktver-schraubungen das kostengünstigen Fügeverfahren. Nachteilig sind allerdings die durch das viskoelastische Verhalten der Polymerwerkstoffe bedingte zeit- und tem-peraturabhängige Abnahme der Vorspannkraft und deren weitere Beeinflussung durch den Wärmeausdehnungsunterschied von Polymerwerkstoff und Metall. Ziel der Arbeit ist es, durch den gekoppelten Einsatz von Experiment und FE-Simulation den Einfluss von Zeit und Temperatur auf die Vorspannkraft bei Direktverschraubungen in Polymerwerkstoffen zu beschreiben. Der Tubus aus Polymerwerkstoff, der auf-grund der Faserorientierung inhomogen und anisotrop ist, wird ortsaufgelöst unter-sucht, und hierauf aufbauend werden die lokalen Werkstoffparameter für die FE-Analyse ermittelt. Die FE-Analyse der Direktverschraubung selbst wird experimentell anhand des Vorspannkraftverlaufs sowie der Oberflächendeformation überprüft. Beim betrachteten Verbindungssystem ist deutlich zu beobachten, dass der Vor-spannkraftabbau hauptsächlich im Bereich der Entlastungsbohrung bis zu einer be-stimmten Einschraubtiefe stattfindet.
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Sound Simulation and Visualization in virtual Manufacturing Systems
(2013)
- 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.
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Dry Rolling Friction and Wear of Elastomer Systems and Their Finite Element Modelling
(2009)
- Elastomers and their various composites, and blends are frequently used as engineering working parts subjected to rolling friction movements. This fact already substantiates the importance of a study addressing the rolling tribological properties of elastomers and their compounds. It is worth noting that until now the research and development works on the friction and wear of rubber materials were mostly focused on abrasion and to lesser extent on sliding type of loading. As the tribological knowledge acquired with various counterparts, excluding rubbers, can hardly be adopted for those with rubbers, there is a substantial need to study the latter. Therefore, the present work was aimed at investigating the rolling friction and wear properties of different kinds of elastomers against steel under unlubricated condition. In the research the rolling friction and wear properties of various rubber materials were studied in home-made rolling ball-on-plate test configurations under dry condition. The materials inspected were ethylene/propylene/diene rubber (EPDM) without and with carbon black (EPDM_CB), hydrogenated acrylonitrile/butadiene rubber (HNBR) without and with carbon black/silica/multiwall carbon nanotube (HNBR_CB/silica/MWCNT), rubber-rubber hybrid (HNBR and fluororubber (HNBR-FKM)) and rubber-thermoplastic blend (HNBR and cyclic butylene terephthalate oligomers (HNBR-CBT)). The dominant wear mechanisms were investigated by scanning electron microscopy (SEM), and analyzed as a function of composition and testing conditions. Differential scanning calorimetry (DSC), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), atomic force microscopy (AFM), and transmission electron microscopy (TEM) along with other auxiliary measurements, were adopted to determine the phase structure and network-related properties of the rubber systems. The changes of the friction and wear as a function of type and amount of the additives were explored. The friction process of selected rubbers was also modelled by making use of the finite element method (FEM). The results show that incorporation of filler enhanced generally the wear resistance, hardness, stiffness (storage modulus), and apparent crosslinking of the related rubbers (EPDM-, HNBR- and HNBR-FKM based ones), but did not affect their glass transition temperature. Filling of rubbers usually reduced the coefficient of friction (COF). However, the tribological parameters strongly depended also on the test set-up and test duration. High wear loss was noticed for systems showing the occurrence of Schallamach-type wavy pattern. The blends HNBR-FKM and HNBR-CBT were two-phase structured. In HNBR-FKM, the FKM was dispersed in form of large microscaled domains in the HNBR matrix. This phase structure did not change by incorporation of MWCNT. It was established that the MWCNT was preferentially embedded in the HNBR matrix. Blending HNBR with FKM reduced the stiffness and degree of apparent crosslinking of the blend, which was traced to the dilution of the cure recipe with FKM. The coefficient of friction increased with increasing FKM opposed to the expectation. On the other hand, the specific wear rate (Ws) changed marginally with increasing content of FKM. In HNBR-CBT hybrids the HNBR was the matrix, irrespective to the rather high CBT content. Both the partly and mostly polymerized CBT ((p)CBT and pCBT, respectively) in the hybrids worked as active filler and thus increased the stiffness and hardness. The COF and Ws decreased with increasing CBT content. The FEM results in respect to COF achieved on systems possessing very different structures and thus properties (EPDM_30CB, HNBR-FKM 100-100 and HNBR-(p)CBT 100-100, respectively) were in accordance with the experimental results. This verifies that FEM can be properly used to consider the complex viscoelastic behaviour of rubber materials under dry rolling condition.
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Numerische und experimentelle Analyse und Optimierung der technischen Eigenschaften eines selbstexpandierenden Stents
(2011)
- 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.
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Zum Stoffübergang bei der Flüssig-Flüssig Extraktion im elektrischen Hochspannungsfeld
(2005)
- 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.
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Centimeter-Level Accuracy Path Tracking Control of Tractors and Actively Steered Implements
(2015)
- Accurate path tracking control of tractors became a key technology for automation in agriculture. Increasingly sophisticated solutions, however, revealed that accurate path tracking control of implements is at least equally important. Therefore, this work focuses on accurate path tracking control of both tractors and implements. The latter, as a prerequisite for improved control, are equipped with steering actuators like steerable wheels or a steerable drawbar, i.e. the implements are actively steered. This work contributes both new plant models and new control approaches for those kinds of tractor-implement combinations. Plant models comprise dynamic vehicle models accounting for forces and moments causing the vehicle motion as well as simplified kinematic descriptions. All models have been derived in a systematic and automated manner to allow for variants of implements and actuator combinations. Path tracking controller design begins with a comprehensive overview and discussion of existing approaches in related domains. Two new approaches have been proposed combining the systematic setup and tuning of a Linear-Quadratic-Regulator with the simplicity of a static output feedback approximation. The first approach ensures accurate path tracking on slopes and curves by including integral control for a selection of controlled variables. The second approach, instead, ensures this by adding disturbance feedforward control based on side-slip estimation using a non-linear kinematic plant model and an Extended Kalman Filter. For both approaches a feedforward control approach for curved path tracking has been newly derived. In addition, a straightforward extension of control accounting for the implement orientation has been developed. All control approaches have been validated in simulations and experiments carried out with a mid-size tractor and a custom built demonstrator implement.
