Aktualisiert: 2023-07-02
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Ermüdungsfestigkeit
Schlüsselwort: Lebensdauerprognose
Ermüdungsfestigkeit
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Ermüdungsfestigkeit
Statistische Datenanalyse und numerische Methoden zur Genauigkeitssteigerung von Lebensdauerprognosen für Lötverbindungen der Elektronik
Die Analyse von Lötstellenmerkmalen vor und nach thermomech. Belastung wird mit der Beanspruchungssimulation des Lötkontakts kombiniert, um eine aussagekräftige Lebensdauermodellgleichung zu erzeugen.
Aktualisiert: 2022-09-08
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Ermüdungsverhalten von blechmassivumgeformten Bauteilen
Mit Verfahren der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit anspruchsvoller Geometrie durch eine Massivumformung von Feinblechen hergestellt werden. Diese Bauteile sind in ihrem Betrieb häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt. Durch die Kaltumformung kommt es sowohl zur Kaltverfestigung als auch zur Bildung und zum Wachstum von duktiler Schädigung in Form von Poren im Gefüge. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung der duktilen Schädigung und deren Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer untersucht. Mit dem Ziel eine Lebensdauerprognose für blechmassivumgeformte Bauteile zu erstellen, wurde ein Lebensdauermodell nach einem bruchmechanischen Ansatz verwendet. Anhand von gezielt nachgebildeten Materialzuständen konnte die Entwicklung der duktilen Schädigung analysiert sowie eine Datenbasis mittels Ermüdungs- und Rissfortschrittsexperimenten erarbeitet werden. Das Ermüdungsmodell ermöglicht durch inverse Berechnung die Bestimmung einer virtuellen Anrisslänge. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Anfangsrisslängen gut mit den ermittelten Defektgrößen der duktilen Schädigungen korrelieren. Mit dem in dieser Arbeit parametrisierten Ermüdungsmodell können Lebensdauerprognosen für Bauteile berechnet werden, die durch verschiedene Prozessfolgen hergestellt und unterschiedlichen Betriebslasten ausgesetzt werden. Damit ermöglicht dieses Modell eine lebensdauergerechte Prozessauslegung.
Aktualisiert: 2021-12-23
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Ermüdungsverhalten von blechmassivumgeformten Bauteilen
Mit Verfahren der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit anspruchsvoller Geometrie durch eine Massivumformung von Feinblechen hergestellt werden. Diese Bauteile sind in ihrem Betrieb häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt. Durch die Kaltumformung kommt es sowohl zur Kaltverfestigung als auch zur Bildung und zum Wachstum von duktiler Schädigung in Form von Poren im Gefüge. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung der duktilen Schädigung und deren Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer untersucht. Mit dem Ziel eine Lebensdauerprognose für blechmassivumgeformte Bauteile zu erstellen, wurde ein Lebensdauermodell nach einem bruchmechanischen Ansatz verwendet. Anhand von gezielt nachgebildeten Materialzuständen konnte die Entwicklung der duktilen Schädigung analysiert sowie eine Datenbasis mittels Ermüdungs- und Rissfortschrittsexperimenten erarbeitet werden. Das Ermüdungsmodell ermöglicht durch inverse Berechnung die Bestimmung einer virtuellen Anrisslänge. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Anfangsrisslängen gut mit den ermittelten Defektgrößen der duktilen Schädigungen korrelieren. Mit dem in dieser Arbeit parametrisierten Ermüdungsmodell können Lebensdauerprognosen für Bauteile berechnet werden, die durch verschiedene Prozessfolgen hergestellt und unterschiedlichen Betriebslasten ausgesetzt werden. Damit ermöglicht dieses Modell eine lebensdauergerechte Prozessauslegung.
Aktualisiert: 2022-05-19
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Entwicklung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells und Validierung der linearen Schadensakkumulationshypothese für NMC/Graphit Lithium-Ionen Zellen
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells für Lithiumionenzellen mittels linearer Schadensakkumulation am Beispiel von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zellen mit Graphitanode. Es wird der Unterschied zwischen Alterungsuntersuchungen und Lebensdauerprognose thematisiert. Als Kriterium für das Lebensdauerende der Zellen wird eine Kapazitätsabnahme um 30 % bzw. Innenwiderstandszunahme um 200 % verwendet. Versuche mit unterschiedlichen Entladeströmen und Zyklentiefen haben gezeigt, dass das Lebensdauerende unter der Annahme der Additivität des Lebensdauerverlusts pro Ereignis bzw. Zyklus bestimmt werden kann. Das Lebensdauerprognosemodell kann genutzt werden, um mit Hilfe synthetischer Lastprofile einen beschleunigten Lebensdauertest zu definieren und die Restlebensdauer bei Second-Life-Konzepten abzuschätzen.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Verschleißprognose zur zuverlässigkeitsorientierten Regelung für trockene Reibkupplungen
Bei der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge werden zunehmend höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt. Während es bisher akzeptabel war, bei einem Schaden eine Werkstatt aufzusuchen, so wird zukünftig erwartet, dass Schäden frühzeitig erkannt und behoben werden. Zur Verringerung der mit einem unerwarteten Ausfall verbundenen Risiken und finanziellen Einbußen werden vorausschauende Instandhaltungsstrategien benötigt.In dieser Arbeit wird eine vorausschauende Instandhaltungsstrategie in Form einer zuverlässigkeitsorientierten Regelung erarbeitet, welche auf einer Verschleißschätzung und -prognose basiert. Die Entwicklung der benötigten Methoden erfolgt am Beispiel einer trockenen Reibkupplung, welche eine wesentliche Komponente im klassischen Antriebsstrang darstellt. Zur Umsetzung der definierten Zielstellung wird zuerst ein physikalisches thermisches Modell der Reibkupplung hergeleitet. Anschließend wird ein Verschleißmodell auf Basis des theoretisch erwarteten Verschleißverhaltens entwickelt. Das thermische Modell und das Verschleißmodell werden anhand von experimentellen Untersuchungen an einem Getriebeprüfstand identifiziert. Aufbauend auf dem Verschleißmodell wird eine Lebensdauerprognose entwickelt. Diese ermittelt den zukünftigen Verschleiß mit Hilfe des Verschleißmodells aus der zukünftigen Beanspruchung, welche aus vergangenen Messdaten extrapoliert wird. Abschließend wird die prognostizierte Lebensdauer der zuverlässigkeitsorientierten Regelung als Eingangsgröße übergeben. Die zuverlässigkeitsorientierte Regelung besteht aus einer modellprädiktiven Anfahrregelung und einer überlagerten Fuzzy-Regelung. Durch die zuverlässigkeitsorientierte Regelung wird das Betriebsverhalten der Kupplungsregelung kontinuierlich angepasst, um eine geforderte Lebensdauer zu garantieren.
Aktualisiert: 2022-09-30
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Ermüdungsfestigkeit
Ermüdungsfestigkeit
Lebensdauerprognose in Abhängigkeit der Fertigungsabweichungen bei Mikroverzahnungen
Mikrogetriebe kommen heute in Kombination mit Mikromotoren in vielfältigen industriellen Anwendungen, z.B. in der Medizintechnik, zum Einsatz. Mikrozahnräder stellen dabei deren wesentliche Komponenten dar. Diese weisen aufgrund der technologischen Grenzen bestehender Fertigungsverfahren im Verhältnis zu deren Bauteilgröße besonders große Fertigungsabweichungen auf.
Diese wissenschaftliche Arbeit stellt eine Methode vor, mit der die Lebensdauer von Mikrozahnrädern in Anhängigkeit von deren gemessenen Fertigungsabweichungen prognostiziert werden kann. Die Methode fokussiert sich dabei auf die Betrachtung des Zahnfußbruchs an gehärteten Zahnrädern aus Stahl. Ergänzend wird in dieser Arbeit zudem eine Methode entwickelt, um die Unsicherheit der prognostizierten Lebensdauern zu bewerten.
Im Rahmen der Entwicklung der Methode zur Lebensdauerprognose wird ein mathematisches Modell ausgearbeitet, mit dem der Zusammenhang zwischen gemessenen Fertigungsabweichungen und der Lebensdauer von Mikrozahnrädern quantitativ beschrieben wird. Dabei werden sowohl bestehendes Vorwissen als auch hochpräzise experimentelle Daten aus Lebensdauerversuchen und geometrischen Messungen als Eingangsgrößen berücksichtigt. Das Modell integriert diese mittels Methoden der Bayesschen Statistik.
Die ergänzende Methode zur Quantifizierung der Unsicherheit der prognostizierten Lebensdauer basiert auf dem grundlegenden Prinzip der Fehlerfortpflanzung, das im internationalen Leitfaden Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) definiert wurde. Dieses wird auf das entwickelte mathematische Modell zur Lebensdauerprognose angewendet.
Ein exemplarischer Einsatz der Methoden ist demonstriert am industriellen Anwendungsfall der Mikrozahnräder eines etablierten Herstellers von Mikrogetrieben.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Lebensdauerprognose von elektrochemischen Systemen unter besonderer Berücksichtigung von Brennstoffzellen
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Lebensdauerprognose von Brennstoffzellen und Batterien. An Brennstoffzellensystemen werden Strominhomogenitätsmessungen durchgeführt und deren Abhängigkeit von verschiedenen Parametern untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass hauptsächlich die Feuchte die Stromverteilung in der Zelle beeinflusst. Durch Realisierung einer von Zelle zu Zelle wechselnden Gasversorgung verlaufen die Ströme im Brennstoffzellensystem homogener, da sich die Feuchte im System besser verteilt, dadurch die Membran leitfähiger wird und Strominhomogenitäten reduziert werden. Auf Basis des Brennstoffzellenmodells von Larminie und Dicks wird ein zeitabhängiges Lebensdauerprognosemodell entwickelt. Die Modellparameter werden Alterungsprozessen zugeordnet, sodass sich anhand der bei verschiedenen Betriebsarten auftretenden Änderungen der Parameter die Alterungsprozesse und damit die geschädigten Komponenten innerhalb der Brennstoffzelle ausfindig machen lassen. Ergebnis ist eine geschlossene Formel, mit welcher sich die Lebensdauer von Brennstoffzellen voraussagen lässt. Die Methode wird anschließend auf Batterien übertragen und für diese ebenfalls eine Formel zur Abschätzung der Lebensdauer entwickelt.
This thesis examines the life-time prediction of fuel cells and batteries. Measurements for current inhomogeneities were carried out with different parameters on fuel cell systems. The current distribution in the cell is mainly influenced by the humidity. Through implementation of a gas supply, alternating from one cell to the next, the current profile becomes more uniform with a better distribution of the humidity in the fuel cell system, causing higher conductivity of the membrane and the current inhomogeneities to be reduced. Based on the fuel cell model from Larminie and Dicks a time-dependent lifetime model is developed. The model parameters are correlated with aging mechanisms, so that through changes of the parameters, that are induced by different modes of operation, the aging processes and thereby the damaged components in the fuel cell can be located. The result is a closed formula for the life-time prediction of fuel cells. This method is then translated to batteries and a formula for the life-time estimation of batteries is developed.
Aktualisiert: 2019-06-18
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Lebensdauerprognose hochfester metallischer Werkstoffe im Bereich hoher Temperaturen
Die Vorhersage des Versagens eines Werkstoffes aufgrund der Kenntnis der ihm aufgezwungenen Beanspruchungen (Lebensdauerprognose) ist für die Zuverlässigkeit von Bauwerken, Werkzeugen und Maschinen und auch für die sparsame Nutzung der verwendeten Werkstoffe von ausschlaggebender Bedeutung. Für verschiedene wichtige Beanspruchungsfälle und für verschiedene Werkstoffkategorien wurden Konstruktionsmethoden entwickelt, mit deren Hilfe die Lebensdauer von Teilen vorherbestimmt werden kann. In diesem Buch werden vor allem jene Methoden besprochen, die bei der Ermüdungsbeanspruchung metallischer Werkstoffe Verwendung finden können. Nach einem kritischen Überblick über die bei niederen Temperaturen (kleiner als 1/3 der Schmelztemperatur) üblichen Methoden wird auf die für hohe Temperaturen entwickelten Methoden eingegangen. Einen Schwerpunkt des Buches bildet die Beschreibung der Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung, für diesen Beanspruchungsbereich wird auch eine neue Methode zur Prognose der Lebensdauer vorgeschlagen. Die in diesem Zusammenhang besprochenen Experimente werden an hochfesten metallischen Werkstoffen (Superlegierungen) durchgeführt. Ein ausführliches Kapitel behandelt die physikalischen Vorgänge bei der Werkstoffschädigung durch Kriechen und durch Ermüdung. Dies liefert die Basis für die kritische Betrachtung der dargestellten Prognosemethoden. Auch probabllistische Modelle der Lebensdauerprognose, wie sie z.B. bei keramischen Werkstoffen von Bedeutung sind, werden ausführlich dargestellt. Die im Buch behandelten Probleme sind im Überschneidungsbereich zwischen den Werkstoffwissenschaften, der Physik und dem Maschinenbau angesiedelt.
Aktualisiert: 2015-10-07
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Ermüdungsfestigkeit
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