The Influence of the Microstructure on the Mechanical Strength of Metal Foams

Eine Voraussetzung für die Konstruktion und Dimensionierung von mechanisch stark belasteten Bauteilen aus Metallschäumen ist die Existenz geeigneter Werkstoffgesetze. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Mikrostruktur auf die Festigkeitseigenschaften von Metallschäumen mit Hilfe von FE-Simulationen. Dabei kommt ein kristallplastisches Werkstoffmodell zum Einsatz, das am Institut für Allgemeine Mechanik und Festigkeitslehre entwickelt wurde. Die für Metallschäume charakteristischen Merkmale der Mikrostruktur werden in den verwendeten FE-Netzen berücksichtigt. Um auch Rißentstehung und -fortschritt simulieren zu können, wird das Werkstoffmodell außerdem um ein Schädigungsmodell erweitert. Es zeigt sich, daß feinkörnige Gefüge mit mehreren Körnern in Dickenrichtung der Zellwand, die außerdem keine Fehlerstellen wie Mikroporen oder Anrisse enthalten, bedeutend bessere mechanische Eigenschaften aufweisen als die bei realen Metallschäumen beobachteten grobkörnigen Gefüge mit Fehlerstellen.Suited material laws are necessary for the construction of heavily stressed structural parts made of metal foams. The objective of this work is to investigate the influence of the microstructure on the mechanical strength of metal foams using FE simulations and a crystal plastic material law. Characteristic details of the microstructure of metal foams are taken into account. A damage law is implemented into the material model to simulate fracture initiation and propagation. It is shown that the mechanical strength of fine-grained cell walls, that have no imperfections like mikrovoids etc., is much better than that of real cell walls having a coarse-grained microstructure with lots of imperfections

Aerodynamic Admittance Models for Buffeting Excitation of High and Slender Structures

Die dynamische Reaktion hoher, schlanker Bauwerke infolge Böenerregung wird maßgeblich durch die aerodynamische Admittanz bestimmt, welche die räumlich-zeitliche Übertragung der Windturbulenz auf die Druckverteilung an der Oberfläche eines Körpers beschreibt. Zur Ermittlung böeninduzierter Windlasten wird gewöhnlich von einem quasi-stationären Modell der aerodynamischen Admittanz ausgegangen. Die aerodynamische Übertragung wird dabei als unabhängig sowohl von der Zeit als auch von der Frequenz unterstellt. Der tatsächlich stark nichtlineare Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeits- und Richtungsfluktuationen der Turbulenz sowie den resultierenden Windlasten wird mittels diskutabler Methoden linearisiert. Solche Vereinfachungen können insbesondere bei hochturbulenter Strömung zu einer beträchtlichen Unterschätzung der fluktuierenden Windkräfte führen. Um beurteilen zu können, inwieweit konventionelle Admittanzansätze die Realität beschreiben, wurden neben theoretischen Untersuchungen Naturmessungen durchgeführt. Der Fachwerkschaft eines 344 m hohen Mastes wurde über eine Fläche von 360 m² mit auf Kraftmesszellen lagernden Fassadenelementen verkleidet. Durch die simultane Messung der auf die Fassaden wirkenden Windkräfte sowie des ungestörten Strömungsfeldes werden aerodynamische Admittanzmodelle vor dem Hintergrund einer sicheren Bemessung hoher, schlanker Bauwerke überprüft.The dynamic response of high and slender structures induced by turbulence buffeting is decisively determined by the aerodynamic admittance, which describes the spatial and temporal transfer function between the wind turbulence and the wind loads acting on a body´s surface. For the determination of turbulence-induced wind loads a quasi-steady admittance model is usually chosen. Such a model starts from the assumption that the aerodynamic transfer function is constant with respect to both time and frequency. The actually highly nonlinear relationship between the fluctuations of wind speed and wind direction on the one hand, and the resulting wind forces on the other, is linearised by methods which have to be discussed. Particularly in high-turbulent flow, the conventional linearised descriptions of the originally nonlinear wind-speed-to-wind-force relationship will produce a highly incorrect estimation of the dynamic part of the wind load. Besides theoretical investigations the effect of different quasi-steady approaches of the aerodynamic admittance function on the fluctuations of the wind loads are studied by full-scale measurements. The lattice shaft structure of a 344 m high guyed mast was equipped with cladding elements, which covered an area of 360 m² and are supported by load cells. When simultaneously measuring the wind forces acting on these elements and of the undisturbed turbulent flow, aerodynamic admittance models are checked for a safe design of high and slender structures such as masts and towers

Analyse und Simulation von Unsicherheiten in der flächendifferenzierten Niederschlags-Abfluss-Modellierung

Die deterministische Modellierung des Niederschlags-Abfluss(N-A)-Prozesses mit flächendifferenzierten, prozessbasierten Modellen ist von zahlreichen Unsicherheiten beeinflusst. Diese Unsicherheiten resultieren hauptsächlich aus den genutzten Daten, die Messfehlern unterliegen sowie für eine flächendifferenzierte Modellierung entsprechend aufbereitet werden müssen, und der Abstraktion der natürlichen Prozesse im Modell selbst. Da N-A-Modelle in der hydrologischen Praxis vielfältig eingesetzt werden, sind Zuverlässigkeitsaussagen im Hinblick auf eine spezielle Anwendung nötig, um das Vertrauen in die Modellergebnisse zu festigen. Die neu entwickelte Strategie zur Analyse und Simulation der Unsicherheiten eines flächendifferenzierten, prozessbasierten N-A-Modells ermöglicht eine umfassende, globale und komponentenbasierte Unsicherheitsbestimmung. Am Beispiel des mesoskaligen Einzugsgebiets der Schwarzen Pockau/Pegel Zöblitz im mittleren Erzgebirge wird der Einfluss maßgebender Unsicherheiten im N-A-Prozess sowie deren Kombination zu einer Gesamt-Unsicherheit auf den Gebietsabfluss aufgezeigt. Zunächst werden die maßgebenden Unsicherheiten separat quantifiziert, wobei die folgenden Methoden eingesetzt werden: (i) Monte-Carlo Simulationen mit flächendifferenzierten stochastischen Bodenparametern zur Analyse des Einflusses unsicherer Bodeninformationen, (ii) Bayes’sche Inferenz und Markov-Ketten-Monte-Carlo Simulationen, die eine Unsicherheitsbestimmung der konzeptionellen Modellparameter der Abflussbildung und -konzentration ermöglichen und (iii) Monte-Carlo Simulationen mit stochastisch generierten Niederschlagsfeldern, die die raum-zeitliche Variabilität interpolierter Niederschlagsdaten beschreiben. Die Kombination der Unsicherheiten zu einer hydrologischen Unsicherheit und einer Gesamt-Unsicherheit erfolgt ebenfalls mit Monte-Carlo Methoden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Korrelationen der Zufallsvariablen zu erfassen und die mehrdimensionale Abhängigkeitsstruktur innerhalb der Zufallsvariablen empirisch zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen für das Untersuchungsgebiet eine Dominanz der Unsicherheit aus der raum-zeitlichen Niederschlagsverteilung im Gebietsabfluss gefolgt von den Unsicherheiten aus den Bodeninformationen und den konzeptionellen Modellparametern. Diese Dominanz schlägt sich auch in der Gesamt-Unsicherheit nieder. Die aus Messdaten abgeleiteten Unsicherheiten weisen eine Heteroskedastizität auf, die durch den Prozessablauf geprägt ist. Weiterhin sind Indizien für eine Abhängigkeit der Unsicherheit von der Niederschlagsintensität sowie strukturelle Defizite des N-A-Modells sichtbar. Die neu entwickelte Strategie ist prinzipiell auf andere Gebiete und Modelle übertragbar.Modelling rainfall-runoff (R-R) processes using deterministic, spatial distributed, process-based models is affected by numerous uncertainties. One major source of these uncertainties origins from measurement errors together with the errors occurring in the process of data processing. Inadequate representation of the governing processes in the model with respect to a given application is another source of uncertainty. Considering that R-R models are commonly used in the hydrologic practise a quantification of the uncertainties is essential for a realistic interpretation of the model results. The presented new framework allows for a comprehensive, total as well as component-based estimation of the uncertainties of model results from spatial distributed, process-based R-R modelling. The capabilities of the new framework to estimate the influence of the main sources of uncertainties as well as their combination to a total uncertainty is shown and analysed at the mesoscale catchment of the Schwarze Pockau of the Ore Mountains. The approach employs the following methods to quantify the uncertainties: (i) Monte Carlo simulations using spatial distributed stochastic soil parameters allow for the analysis of the impact of uncertain soil data (ii) Bayesian inference und Markov Chain Monte Carlo simulations, yield an estimate of the uncertainty of the conceptual model parameters governing the runoff formation and - concentration processes. (iii) Monte Carlo simulations using stochastically generated rainfall patterns describing the spatiotemporal variability of interpolated rainfall data. Monte Carlo methods are also employed to combine the single sources of uncertainties to a hydrologic uncertainty and a total uncertainty. This approach accounts for the correlations between the random variables as well as an empirical description of their multidimensional dependence structure. The example application shows a dominance of the uncertainty resulting from the spatio-temporal rainfall distribution followed by the uncertainties from the soil data and the conceptual model parameters with respect to runoff. This dominance is also reflected in the total uncertainty. The uncertainties derived from the data show a heteroscedasticity which is dominated by the process. Furthermore, the degree of uncertainty seems to depend on the rainfall intensity. The analysis of the uncertainties also indicates structural deficits of the R-R model. The developed framework can principally be transferred to other catchments as well as to other R-R models

Neuronale Netze mit externen Laguerre-Filtern zur automatischen numerischen Vereinfachung von Getriebemodellen

Zur Simulation der Schaltdynamik von Stufenautomaten werden detaillierte physikalische Modelle mit komplexen numerischen Eigenschaften benötigt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der automatischen numerischen Vereinfachung dieser Getriebemodelle, um diese dann in weiteren Simulationsfragestellungen in der PKW-Entwicklung zu verwenden. Dazu wird eine Methode vorgestellt, bei der neuronale Netze mit externen Laguerre-FIltern verwendet werden

Erzeugungssicherheit und Wohlfahrt in gekoppelten Elektrizitätsmärkten

In dieser Dissertation wird ein agentenbasiertes Simulationsmodell für Stromgroßhandelsmärkte entwickelt. Dieses wird angewendet, um die Entwicklung von Strommärkten in Bezug auf Erzeugungssicherheit und Wohlfahrt sowie unter verschiedenen Ausgestaltungsoptionen zu analysieren. Die Anwendung erfolgt im Rahmen einer Fallstudie für die Region Zentralwesteuropa (Deutschland, Frankreich, Belgien, Niederlande) und den Zeitraum 2012-2030

Neuronale Netze mit externen Laguerre-Filtern zur automatischen numerischen Vereinfachung von Getriebemodellen

Detailed physical models properties of automatic transmissionswith complex numerical are need to simulate the shift dynamics. This work considers the automatic numerical simplification of those models to use them in other simulation task of vehicle development. Therefore a method is presented which uses neural networks in combination with laguerre-filters

Modellierung der Zuverlässigkeit bei Entwurf und Verifikation von Mixed-Signal-Schaltungen

Die zunehmende Verbreitung von Elektronik im Alltag und die weitere Verringerung der Strukturgrößen stellen neue Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit integrierter Schaltungen. Die Arbeit zeigt ein systematisches Vorgehen zur Modellierung des funktionalen Schaltungsverhaltens und ergänzt es um neue Verfahren zur Berücksichtigung zuverlässigkeitsrelevanter Schaltungseigenschaften. Etablierte Verfahren aus der Mechanik zur Behandlung der Zuverlässigkeit werden auf die Degradationseffekte integrierter Halbleiterbauelemente angewandt. Entsprechende Lebensdauermodelle zu relevanten Degradationsmechanismen sind dargestellt. Ausgehend davon werden allgemeine Maße zur Zuverlässigkeitsbewertung von Bauelementen unter Anwendungsbedingungen abgeleitet. Die Diskussion von Methoden zur Analyse der Zuverlässigkeit ganzer Schaltungen im Entwurf rundet die Darstellung ab. Die entwickelten Verfahren dienen der Unterstützung eines schnellen und fehlerfreien Entwurfs sicherer und zuverlässiger Schaltungen. Die Optimierung einer Schaltung hinsichtlich ihres Alterungsverhaltens verdeutlicht diesen Nutzen.The widespread use of electronics in everyday life and its ongoing miniaturization poses new demands in terms of reliability and dependability of integrated circuits. Modeling as a means to support circuit and system design has been used for many years, mainly to represent the functional behavior. This thesis aims at the following objectives: • For known modeling techniques regarding the functional behavior a systematic methodology is developed and structured in an integrated modelling flow. • The developed methodology is extended by modeling non-functional characteristics particularly with regard to reliability. In this work reliability modeling covers primarily degradation effects that occur during normal operation and affect the electrical behavior of integrated devices. As an important precondition for the developed methods to consider electrical degradation, linear damage accumulation is assumed. That is, the sequence in time of the applied stress is not important, the damage accumulates linearly over time. As a result a systematic process to model the functional behavior of analog and mixed signal circuits is presented. It is amended by new methods to include reliability relevant characteristics of the circuit. Established methods from mechanical engineering to describe and analyze reliability are adopted and applied to the degradation effects of integrated semiconductor devices. Respective lifetime models for relevant degradation effects are presented. Starting from a generic model structure general measures are derived to assess reliability of devices exposed to application conditions. In addition methods to analyze reliability of large circuits in the design process are discussed. The developed methods support a fast and correct design of safe and reliable circuits. As an example the optimization of a circuit with respect to its degradation behavior is demonstrated.Die zunehmende Verbreitung von Elektronik im Alltag und die weitere Verringerung der Strukturgrößen stellt neue Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit integrierter Schaltungen. Modellierung zur Unterstützung des Schaltkreis- und Systementwurfs wird seit langer Zeit eingesetzt, bisher hauptsächlich zur Nachbildung des funktionalen Verhaltens einer Schaltung. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele: • Zu bekannten Modellierungsverfahren für das funktionale Verhalten wird eine Systematik entwickelt und in einen durchgängigen Modellierungsablauf abgebildet. • Die Methodik wird um die Modellierung nichtfunktionaler Eigenschaften erweitert, insbesondere werden Verfahren zur Berücksichtigung der Zuverlässigkeit entwickelt. Für die Zuverlässigkeitsmodellierung werden in erster Linie Degradationseffekte betrachtet, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs entstehen und sich auf das elektrische Verhalten integrierter Bauelemente auswirken. Als eine wesentliche Voraussetzung für die entwickelten Verfahren zur Berücksichtigung der elektrischen Degradation wird lineare Schadensakkumulation angenommen. Dies bedeutet, dass die zeitliche Abfolge des anliegenden Stresses keine Rolle spielt, sondern sich die entstehende Schädigung linear akkumuliert. Das Ergebnis der Arbeit ist eine systematische Vorgehensweise zur Modellierung des funktionalen Verhaltens von analogen und Mixed-Signal-Schaltungen. Diese wird ergänzt um neue Verfahren zur Berücksichtigung zuverlässigkeitsrelevanter Eigenschaften der Schaltung. Analogien zur Mechanik erlauben es, in diesem Bereich etablierte Vorgehensweisen zur Beschreibung und Analyse der Zuverlässigkeit zu übernehmen und auf die Degradationseffekte integrierter Halbleiterbauelemente anzuwenden. Entsprechende Lebensdauermodelle zu relevanten Degradationsmechanismen sind dargestellt. Ausgehend von der generellen Struktur solcher Modelle werden allgemeine Maße zur Zuverlässigkeitsbewertung von Bauelementen unter Anwendungsbedingungen abgeleitet. Die Diskussion von Methoden zur Analyse der Zuverlässigkeit ganzer Schaltungen im Entwurf rundet die Darstellung ab. Die entwickelten Verfahren dienen der Unterstützung eines schnellen und fehlerfreien Entwurfs sicherer und zuverlässiger Schaltungen. Anhand der Optimierung einer Schaltung auf der Grundlage ihres Alterungsverhaltens wird dieser Nutzen verdeutlicht

Randzonenbeeinflussung durch die Rekonturierung komplexer Investitionsgüter aus Ti-6Al-4V

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