Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer Wechselfelder

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst

PDE-restringierte Optimierung in Anwendungen der spanenden Trockenbearbeitung

Nowadays industrial manufacturing is highly widespread while the demand of high-precision manufacturing is increasing constantly. In such processes, it is common to apply coolants to reduce the thermal stress of workpieces and tools as well as to guarantee the functional performance of the final parts. Nonetheless, there are several reasons like cost reduction and ecological benefits for omitting coolants or to use minimum quantity lubrication (MQL). In order to satisfy the quality standards in dry machining, compensation strategies of shape deviations are necessary. Due to the increasing digitalization of process chains (Industry 4.0), modern sensors and the usage of high-performance computing, nonlinear optimization is more convenient than ever before. In this context, a prediction model is required by which the machining can be optimized. In this work a hybrid approach is used to model thermo-elastic effects as well as geometrical deviations caused by a change of the residual stress state. Physical correlations of the modeling which are not investigated yet can be synthesized by empirical regression with a wide variety of data. The first part of this elaboration is the determination of heat fluxes in milling and drilling which cana t be measured directly. One goal is to utilize nonlinear optimization to solve parameter identification problems. The second part is the minimization of shape deviations in dry milling processes by means of the hybrid model. To achieve this, different milling strategies are compared and machining parameters are optimized with nonlinear optimization techniques, while an efficient machining process is sought at the same time. The mathematical majority of this work covers the PDE-constrained optimization. Still a challenging topic in this field is the treatment of complex problems involving high computational costs. It is still advisable to increase the efficiency of the optimization methods whereby the accuracy of the underlying model can be improved. One promising approach is the Simultaneous Analysis and Design (SAND) where a discretized PDE act as constraints of the optimization. This approach gives importance to exploiting the system structure of the optimization problem. Another common method is the Nested Analysis and Design (NAND). Theoretical considerations suggest that the SAND approach favored in this work has computational benefits for treating nonlinear PDEs. Beside the successful application of the SAND approach in dry machining one goal is to provide evidence of its computational efficiency

Mechanisches Verhalten von GFK-PUR-Sandwichstrukturen unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung

In dieser Arbeit werden die Beziehungen zwischen Herstellungsprozess und Werkstoffeigenschaften von Sandwichstrukturen aus dem Polyurethan-Sprühverfahren dargestellt. Dabei wird die Faserarchitektur, Matrixmorphologie, Kerngeometrie sowie das Interface untersucht. Eine umfassende Charakterisierung der Werkstoffstruktur erfolgt mittels computertomographischen Methoden. Die Verknüpfung zu den mechanischen Eigenschaften aus der Materialprüfung konnte durch analytische Modelle hergestellt werden