Das elektromechanische Verhalten zweier neu entwickelten, auf Natrium-Bismut-Titanat basierenden bleifreier Ferroelektrika sowie daraus bestehenden Zweilagenkompositen wird durch Experimente und numerische Simulationen untersucht. Für die Finite-Elemente-Methode wird hierzu ein dreidimensionales, vollständig elektromechanisch gekoppeltes Materialmodell entwickelt. An Hand einer Parameterstudie werden die elektromechanischen Kopplungseigenschaften der Zweilagenkomposite optimiert. The electromechanical behavior of two new sodium bismuth titanate based lead-free ferroelectric materials as well as bilayer composites are investigated in experiments and numerical simulations. For the Finite-Element-Method, a fully coupled, three dimensional ferroelectric constitutive model is developed. In a parameter study, the electromechanical coupling of bilayer composite is optimized.
Aktualisiert: 2023-03-30
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Die mikromechanische Gleichspannungswandlung basierend auf verschiebungsabhängigen Kapazitäten stellt eine Alternative zu etablierten rein elektronischen Wandlern für den Spezialfall der kapazitiven oder piezoelektrischen Verbraucher dar. Durch ihre kleine Bauform und den Verzicht auf Induktivitäten bietet sie den Vorteil der On-Chip-MEMS- und CMOS-Integration und ermöglicht die Bereitstellung hoher elektrischer Gleichspannungen aus den verfügbaren Grundspannungen der Elektronik (z. B. 3, 5 bzw. 12 V). Von hohen Polarisationsspannungen profitieren nicht nur kapazitive Sensoren und Aktoren, sondern auch piezoelektrische Messverfahren. Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Übersicht und Bewertung der möglichen Bauformen mikromechanischer Gleichspannungswandler sowie die konkrete Umsetzung, Charakterisierung und Modellbildung eines resonant arbeitenden Wandlers vor. Es wird auf Besonderheiten und Probleme im Entwurf eingegangen und ausgehend von den Ergebnissen ein Konzeptentwurf für einen optimierten resonanten Gleichspannungswandler erarbeitet.
Aktualisiert: 2021-09-13
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Die Verbindung primärer Faserverbundstrukturen im Flugzeugbau durch Kleben ist zentraler Bestandteil einer Integralbauweise und bietet damit ein hohes Leichtbaupotenzial. Äußerlich nicht sichtbare Schwachstellen innerhalb der Klebeschicht können sich jedoch unter Betriebslast ausbreiten und zum Versagen der Verbindung führen. Klebeverbindungen können deshalb heutzutage nur in Kombination mit mechanischen Fügeelementen eingesetzt werden, welche die Rissausbreitung innerhalb der Klebschicht vollständig verhindern und damit die primäre Lastübertragungskomponente darstellen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Riss-Stopper-Konzepts für Klebeverbindungen. Mithilfe von Riss-Stopper-Elementen soll das Ermüdungsrisswachstum ausgehend von initialen Schäden derart begrenzt werden, dass die geforderte strukturelle Restfestigkeit gewährleistet wird. Es wird weiterhin ein Simulationsansatz entwickelt, welcher die Auslegung solcher schadenstoleranter Klebeverbindungen ermöglicht. Im Vergleich zu konventionellen Verbindungskonzepten stellen die Riss-Stopper-Elemente ausschließlich ein Sicherungssystem dar und die primäre Lastübertragung wird weiterhin von der Klebeverbindung übernommen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Ermüdungsrisswachstum durch mechanische Riss-Stopper-Elemente signifikant reduziert werden kann und sie sich somit für den Einsatz in schadenstoleranten Klebeverbindungen eignen. Das Simulationsmodell bildet dabei den Einfluss der Riss-Stopper-Elemente mit hoher Genauigkeit ab und bietet sich damit zum Einsatz im Auslegungsprozess an.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Abbildung von textilen Preform-Verfahren an den Beispielen des Umflecht- und des Drapierprozesses. Das Ziel ist es, fadenbasierte Modellierungen aufzubauen und auf ihre Tauglichkeit zu überprüfen. Fadenbasierte Modelle stellen die einzelnen Faserbündel dar und bieten den Vorteil, dass mesoskopische Effekte direkt durch die Modellierung abgebildet werden können. Eine Erhöhung des Detaillierungsgrades und der Vorhersagegüte ist dabei das Ziel. Unterschiedliche Modellierungsarten sind Teil dieser Arbeit und ein Vergleich zeigt die unterschiedlichen Möglichkeiten auf. Mögliche Modellierungen unterscheiden sich dabei entweder in den verwendeten Elementtypen in der Finiten Elemente Simulation oder in der geometrischen Abbildung des Faserbündels. Für den Vergleich werden sowohl die Repräsentationen der physikalischen Größen als auch die notwendigen Rechenzeiten herangezogen, da jedes Fadenmodell auch für die Verwendung in der Prozesssimulation der Preform-Herstellung tauglich sein soll.
Es wird eine Bewertung der Modelle durch einen Vergleich mit realen Ergebnissen durchgeführt und eine geeignete Modellierung für die Herstellprozesssimulation gewählt. Der Mehrwert dieser Modellierungsart kann durch die Integration in die so genannte virtuelle Prozesskette aufgezeigt werden.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Standardwerkzeug FEM
Im Entwicklungsprozess technischer Kunststoff- und Elastomerbauteile hat die Finite Elemente Methode eine immer höhere Bedeutung. Neben Versuchsdaten und Erfahrungen von Anwendern sind Simulationsergebnisse oft eine wertvolle Hilfe zur Beurteilung der technischen Leistungsfähigkeit des geplanten Produkts.
Umfassender Praxisleitfaden
Der Leser soll in die Lage versetzt werden, Problemstellungen aus der Praxis eigenständig, methodisch nachvollziehbar und werkstoffgerecht lösen sowie die Aussagekraft einer Simulation bewerten zu können.
Jetzt in 2. Auflage: deutlich erweitert und komplett überarbeitet
- Die Thematik der Materialmodellierung, insbesondere von spritzgegossenen kurzfaserverstärkten Bauteilen, wurde erweitert und aktualisiert (Kapitel 2).
- In Kapitel 3 wird der Themenbereich der Festigkeitsbewertung von thermoplastischen Kunststoffbauteilen in deutlich erweitertem Umfang besprochen.
- Im neuen Kapitel 4 werden aktuelle Entwicklungen im Bereich der Betriebsfestigkeit von Elastomeren beschrieben.
- Der Bereich der integrativen Simulation im Sinne einer Kopplung der Spritzgießsimulation und der Struktursimulation wird in vergrößertem Umfang in Kapitel 5 dargestellt.
- Im ebenfalls neuen Kapitel 6 wird in leitfadenähnlichem Charakter ein Vorschlag zu einer strukturierten Vorgehensweise für den Festigkeitsnachweis von thermoplastischen Bauteilen angeboten.
Neu: E-Book Inside
Komplett in Farbe
Aktualisiert: 2022-10-11
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Die sichere Abfuhr der Nachzerfallswärme ist eines der zentralen Schutzziele von Transport- und Lagerbehältern (T/L-Behälter) für Brennelemente. Um die Festigkeit der Werkstoffe eines T/L-Behälters nicht zu schwächen, muss sichergestellt werden, dass vorgeschriebene Maximaltemperaturen an bestimmten Positionen im und am Behälter nicht überschritten werden. Eine besondere Herausforderung bei der numerischen Simulation dieser Behälter ist die Berücksichtigung kleiner, gasgefüllter Spalte, die den Wärmetransport an die Umgebung behindern und die - neben Wärmeleitung - mit Konvektion und Wärmestrahlung zwei weitere Wärmetransportmechanismen aufweisen, die unter Umständen im Rahmen einer thermischen Bewertung berücksichtigt werden müssen. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Helium-gefüllter Spalt, der den Behälter in einen inneren und einen äußeren Teil trennt und dessen Form davon abhängt, ob der Behälter stehend (Zwischenlagerkonfiguration) oder liegend (Transportkonfiguration) positioniert ist.
Auf Basis des Finite-Elemente-Systems Z88 wurde daher ein Simulationsprogramm entwickelt, welches die thermischen Effekte des Helium-gefüllten Spaltes über analytische Gleichungen berücksichtigt, ohne diesen Bereich mit finiten Elementen zu vernetzen. Dazu wurde das gestörte Lagrange-Verfahren genutzt, wodurch beliebige lineare Funktionen als sogenannte thermische Spaltbedingungen in die Finite-Elemente-Analyse eingebracht werden können.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Schnittgeometrie für die FIB-DIC basierte Eigenspannungsmessung evaluiert. Bei der FIB-DIC Methode werden durch gezielten Materialabtrag mittels Focused Ion Beam (FIB) Eigenspannungen in Materialien abgebaut, ähnlich wie bei der etablierten makroskopischen Bohrlochmethode. Mithilfe der digitalen Bildkorrelation (DIC) werden die resultierenden Dehnungen erfasst und daraus die Spannungen berechnet.
Im Gegensatz zur Eigenspannungsmessung mittels Röntgenbeugung können bei diesen Messverfahren nicht nur die Eigenspannungen von kristallinen, sondern auch von amorphen Werkstoffen bestimmt werden. Aufgrund der kleinen Längenskala im Vergleich zur makroskopischen Bohrlochmethode können auch die Spannungen einiger Mikrometer dünner Schichten gut ermittelt werden.
Mit dem einfach zu implementierenden Lamellenschnittverfahren können mithilfe des Hookeschen Gesetzes sowohl für isotrope als auch anisotrope Materialien die Eigenspannungen ermittelt werden. Mit einer Erweiterung des Lamellenschnitts zum Rechtecksäulenschnitt durch zwei zusätzliche Schnitte wird gezeigt, dass sich mit einer FIB-Geometrie der vollständige ebene Spannungszustand auch bei sehr hoher elastischer Anisotropie bestimmen lässt.
Die Lamellengeometrie und das Rechtecksäulenschnittverfahren wurden an einem thermisch zyklierten NiAl basierten Oxidationsschutzschichtsystem angewandt. Mit dem Lamellenschnittverfahren konnten mittlere Druckspannungen von 3,35 GPa im thermisch gewachsenen Oxid bestimmt werden. Mithilfe des Rechtecksäulenschnittverfahrens konnten nicht nur die Spannungen der Oxidationsschutzschicht in einzelnen Körnern gemessen, sondern auch die Abhängigkeit der Hauptspannungsrichtung von den Nachbarkörnern untersucht werden. Bei beiden Komponenten des Schichtsystems können die Wechselwirkungen zwischen dem Superlegierungssubstrat und der jeweiligen Schicht als Ursachen für die Spannungen identifiziert werden. Die Genauigkeit der Spannungsmessung dieser neuen Methode wurde mit Vergleichsmessungen an einem Biegebalken mit bekanntem Spannungszustand bestimmt. Mögliche Einflüsse der Lamellengeometrie wurden mittels FE-Simulationen untersucht.
Aktualisiert: 2020-01-08
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Dissertation zur Erlangung eines Doktorgrades der Ingenieurwissenschaften
Aktualisiert: 2019-01-23
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Im Rahmen dieser Dissertation wird die Delaminations-Initiierung an gekrümmten CFK-Bauteilen untersucht. Ziel ist es, eine Methodik auf Basis einer FEM-Simulation zur Vorhersage der maximalen Beanspruchbarkeit zu entwickeln. Diese Methode soll auf experimentellen Ergebnissen begründet und validiert sein. Die dazu notwendigen Versuche zur Erzeugung von Delaminationen beinhalten verschiedene Lastfälle, die eine interlaminare Beanspruchung in Form von Zug- und Schubspannung hervorrufen.
Die experimentellen Untersuchungen dienen der Ermittlung der interlaminaren Beanspruchungsgrenzen bzgl. Delamination. Dabei werden die Einflussfaktoren auf die Beanspruchbarkeit gekrümmter Bauteile bis zur Delaminations-Initiierung untersucht. Die ermittelten Versuchsergebnisse zeigen deutliche Einflüsse durch die geometrischen Randbedingungen, also Dicke und Krümmungsradius der Probe, aber auch durch den Lagenaufbau. Weiterhin wird anhand von ARCAN-Proben und verkleinerter Zugproben in Dickenrichtung des Laminates ein Vergleich zwischen gekrümmten und ebenen Strukturen unter Zugbeanspruchung in Dickenrichtung hergestellt. Zur Prognose der Delaminations-Initiierung werden die experimentellen Ergebnisse mit diversen klassischen Versagenskriterien, wie z.B. dem Wirkebenen-Kriterium nach Puck, verglichen. Da keines der untersuchten Kriterien eine ausreichende Prognosegüte erzielt, wird ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Delaminations-Initiierung auf Basis der experimentellen Ergebnisse bestimmt. Die zuvor genannten Einflussfaktoren, wie z.B. der Krümmungsradius, werden dabei berücksichtigt.
Die so entwickelte experimentell abgesicherte Simulations-Methode kann sowohl auf Basis von 3D-Solid-Elementen als auch von Schalen-Elementen eine Prognose der Delaminations-Initiierung ermöglichen. Damit soll schon in einer frühen Konstruktionsphase die Aufmerksamkeit auf mögliche delaminations-kritische Bereiche in Faserverbund-Bauteilen gelenkt werden. Zudem kann der Leichtbaugrad in weniger kritischen Bereichen durch eine Reduktion der Materialstärke und damit durch eine erhöhte Ausnutzung des Werkstoffs maximiert werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Superlegierungen gehören zu den am schwersten zu bearbeitenden Werkstückwerkstoffen überhaupt. Folglich ist die konventionelle Bearbeitung mit Hartmetall- oder HSS-Werkzeugen, insbesondere im unterbrochenen Schnitt, zeit- und kostenintensiv. Die Entwicklung von besonders bruchzähen Schneidkeramiken ermöglicht jedoch neuerdings drastische Steigerungen der anwendbaren Schnittgeschwindigkeiten. Beim Hochleistungsfräsen von geschmiedeten, konventionell vergossenen und einkristallinen Ni-Basissuperlegierungen lassen sich die Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung um den Faktor 40 erhöhen. Die Zerspanergebnisse finden in FEM-Simulationen Bestätigung, da die Einflüsse der Bearbeitungsparameter auf die simulierten Zerspankraftkomponenten gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Mit Hilfe einer neu entwickelten Methode zur Bestimmung der Prozesstemperaturen bei der Fräsbearbeitung mit hohen Spindeldrehzahlen können weiterhin die thermischen Zusammenhänge der Zerspanprozesse geklärt werden. Die Methode basiert dabei auf einer Analyse der Oxidbildung an den erzeugten Spänen. Schließlich zeigen Vergleiche der Fertigungskosten auch das große wirtschaftliche Potenzial des Hochleistungsfräsens dieser speziellen Werkstoffgruppe.
Aktualisiert: 2019-01-24
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Die Produktivität aktueller Zerspanprozesse wird oftmals durch das Auftreten unerwünschter Schwingungseffekte an der Hauptspindel, sogenannten Ratterschwingungen, begrenzt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Dämpfung bzw. Unterdrückung von Ratterschwingungen an Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen und damit zur Erhöhung der Prozessproduktivität entwickelt und untersucht. Grundlage der Methode ist eine elektromagnetische Schwingungsdämpfung durch einen Aktor, der in das Aktivteil einer Motorspindel integriert wird und damit Dämpfungskräfte direkt auf die Spindelwelle appliziert. Auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen wird die Dämpfungsmethode eingehend theoretisch untersucht. Mit dem Entwurf und Aufbau eines aktiv gedämpften Frässpindelprototyps wird ferner eine experimentelle Untersuchung der Methode durchgeführt. Je nach verwendetem Fräswerkzeug wird durch die aktive Dämpfung eine Erhöhung der stabilen Schnitttiefe und damit der Produktivität des Fräsprozesses um bis zu 300% erreicht.
Aktualisiert: 2019-11-07
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Windenergieanlagen werden zu immer größeren Rotordurchmessern und Nabenhöhen entwickelt; Ausgangsleistungen von 10 MW und mehr werden angestrebt, um damit insbesondere ertragreiche Standorte auf dem offenen Meer zu erschließen. Dabei stoßen für diesen Offshore-Einsatz geeignete getriebelose Windenergieanlagen nach dem aktuellen Stand der Technik hinsichtlich der Entwicklung der Turmkopfmassen an ihre Grenzen.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen zu einem Konzept vorgestellt, das durch die Kombination verschiedener Merkmale eine deutliche Massenreduzierung bei gleichzeitig hoher Leistungsabgabe aufweist. Basierend auf einer Erregung durch Permanentmagnete, einer Vergrößerung des Durchmessers zur Geschwindigkeitssteigerung, der Kombination mit einem Magnetlager sowie einer speziellen Einzelzahnwicklung soll der außerhalb der Gondel liegende Ringgenerator gegenüber konventionellen Konzepten eine deutlich erhöhte Kraftdichte erzielen.
Die durchgeführten Untersuchungen der entwickelten Kraftdichte und weiterer relevanter Aspekte erfolgen anhand von analytischen Berechnungen, statischen Versuchsmodellen, die einen Ausschnitt der Maschine enthalten, sowie von Finite-Elemente-Simulationen.
Aktualisiert: 2019-10-01
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English Summary
This thesis is intended to make a contribution towards further development of FE simulation of metal-cutting processes from the industrial user´s point of view. The commercial software ABAQUS/Explicit was used. A first step was to construct a three-dimensional FE model of a longitudinal surface turning process. A soft machining process of DaimlerChrysler AG was selected as an exemplary process: contour roughing of a C45E+N rear-axle shaft.
Aktualisiert: 2019-03-15
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