06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Lebensdauerabschätzung von metallischen Strukturen mittels der Diskrete-Elemente-Methode im gekoppelten thermo-mechanischen Feld(2012) Hahn, Manfred; Kröplin, Bernd (Prof. Dr.-Ing. habil.)Aufgrund der hohen Streubreite der physikalischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen kann man deren Verhalten nicht zuverlässig voraussagen. Dies stellt insbesondere bei der Lebensdauervorhersage von industriell gefertigten Konstruktionen ein Problem dar. Der atomare Aufbau eines metallischen Werkstoffs besteht in der Regel aus einem Hauptelement und einem oder mehreren Nebenkomponenten was dazu führt, dass beim Erstarren einer Metallschmelze auf der Atomskala die Anreihung der Atome nicht strukturiert erfolgt, sondern mit zufällig verteilten Fehlern. Betrachtet man den Werkstoff auf einer göberen Skala so fällt auf, dass metallische Schmelzen an vielen Stellen zu erstarren beginnen und dass die Erstarrungskeime und die Grenzen der Erstarrungsfronten stochastisch verteilt sind. Die metallischen Werkstoffe sind also bei genauerer Betrachtung kein Kontinuum sondern ein Diskontinuum in dem die physikalischen Eigenschaften global betrachtet zu den in den Laborexperimenten beobachteten Werten verschmieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Werkstoff als ein Diskontinuum darzustellen, um die stochastisch verteilten physikalischen Eigenschaften auf einer kleinen Skala zu erfassen. Im Weiteren sollen auf einer größeren Skala die physikalischen Eigenschaften zu den global beobachteten Werten verschmieren. Dabei soll die in dieser Arbeit vorgestellte numerische Methode der diskreten Elemente im mechanischen Feld ausgebaut und im Folgenden auf andere physikalische Felder übertragen werden. In metallischen Werkstoffen gehen bei zyklischen Belastungen im Inneren des Werkstoffs mikroplastische Verformungen vonstatten, welche mit zunehmender Zyklenzahl den Werkstoff an diskreten Stellen mit Mikroschäden sättigen. Dabei schreitet die diskrete Sättigung solange voran, bis der diskrete Ort übersättigt bzw.~geschwächt ist und im Folgenden versagt. Die mikroplastischen Verformungen sind, wie auch die anderen physikalischen Parameter, mit einer statistischen Größe behaftet. Die diskrete Akkumulation der statistisch verteilten mikroplastischen Schädigung soll in das numerische Modell der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) mit aufgenommen werden, so dass sich auf numerischem Weg Lebensdauersimulationen durchführen lassen. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den mathematischen Beweisen für die Gültigkeit der DEM als numerische Methode, sowohl für das mechanische als auch für das thermische Feld. Die Beweisführung erfolgt über eine vergleichende Betrachtung mit der Finite-Volumen-Methode (FVM), der Finite-Differenzen-Methode (FDM) und der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wird aus der FVM die Idee übernommen, dass physikalische Flüsse übertragen werden. Im Weiteren ergibt die Assemblierung von sechs Stäben, welche die physikalische Feldgröße übertragen, zusammen mit dem lokalen physikalischen Gleichgewicht den Finite-Differenzen-Stern der FDM. Zuletzt wird das globale Gleichgewicht mittels der FEM gewonnen. Im Nachlauf der Finite-Elemente-Rechnung lassen sich die Flussgrößen zurückbestimmen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie die Kopplung des mechanischen und thermischen Feldes mittels der DEM vorgenommen werden kann. Dazu wird ausgeführt, wie die beiden Felder zusammen wirken und wie stark deren Kopplung ist. Abschließend wird eine Lebensdauersimulation an einer thermo-mechanisch belasteten virtuellen Probe vorgeführt. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die DEM eine Methode ist, um partielle Differentialgleichungen zu lösen, sowohl für Einzelfelder, als auch für gekoppelte Felder. Außerdem kann der Werkstoff durch die Methode als ein Diskontinuum betrachtet werden, so dass sich Lebensdauersimulationen mittels eines erweiterten Werkstoffmodells vornehmen lassen.Item Open Access Application-specific UML profiles for multidisciplinary product data integration(2011) Reichwein, Axel; Rudolph, Stephan (Priv.Doz. Dr.-Ing.)This thesis examines the suitability of the UnifiedModeling Language (UML) to establish a central product model for multidisciplinary product data integration. Computer-aided product design involves the use of specialized discipline-specific software applications in order to model and simulate various product aspects. Dependencies between models are thereby frequent as the same product information often appears redundantly in various engineering models. In addition, dependencies exist due to relationships between distinct features of various models. As a result, model modifications frequently require the update of dependent models. Data consistency between models is achieved automatically through model-to-model data exchange software. The use of a central product model enables to reduce the required number of data exchange connections. Central product models store product information which is spread across several models and achieve data consistency through data exchange connections between themselves and specific models as in a hub-and-spoke network. Central product models are especially useful for automatic data consistency in design scenarios which include a high number of inter-model dependencies and model modifications. The integration of geometry and therefrom derived models such as structural analysis or computational fluid dynamics models has already been successfully addressed in numerous central product models. However, the multidisciplinary integration of more diverse models, such as geometric, software, controller and multibody system models, currently presents a challenge. Although several central product models have been developed for multidisciplinary design, none has yet gained, in contrast to geometry-focused central product models, wide acceptance nor reached the status of an international standard. The unmanageable high number of diverse discipline- and application-specific modeling concepts hinders the development of a standardized holistic central product representation. This thesis investigates the possibility of establishing an interdisciplinary central product model based on the common modular structure of models from various disciplines. Most models which are edited with current state-of-the-art software applications are composed of modular components in order to support the exchange and reuse of model information. Models from different disciplines therefore share common modeling concepts for the specification of modular model components. However, there is yet no overarching modeling standard to describe the common characteristics of modular model components from various disciplines. Object-oriented modeling concepts currently mainly describe software modules called objects. Object-oriented modeling concepts are generic and can be used to represent modular components in general. The Unified Modeling Language (UML) has been since its emergence in 1997 the de facto standard for object-oriented modeling. This thesis examines the use of the object-oriented modeling concepts of the UML to uniformly describe widely used application-specific geometric, dynamic and multibody system models in a central product model. Application-specific model information was represented in UML through generic UML modeling concepts in combination with lightweight UML extensions in the form of stereotypes. UML profiles regrouped stereotypes which corresponded to a specific modeling application. The automatic translation of UML model information into the specific models and vice versa was implemented in order to test and validate the application-specific UML profiles. The UML-based central product model was used in several test cases to automatically generate consistent models for the simulation and evaluation of various product configurations. The test cases included models for the simulation of slider-crank mechanisms, the evaluation of cabin pressure control systems, the design of conveyor system configurations, the evaluation of satellite configurations and the generation of customized aircraft geometry. The workflows within the test cases included the automatic creation and modification of UML models as well as the invocation of data exchange connections. The workflows were described in executable UML activity diagrams or Java programs. The thesis demonstrates that the UML can be used beyond conventional software modeling to establish a central holistic product representation. The modeling concepts of geometric, dynamic and multibody system models were translated mostly according to one-to-one mappings into corresponding UML modeling concepts with their respective stereotype. As a result, the specific model information is easily recognizable in the UML-based central product model. Furthermore, the use of a UML-based central product model is facilitated for the many modelers who are already familiar with the widespread and standardized UML modeling language.Item Open Access Multiscale and multiphase modeling and numerical simulation of function-perfusion processes in the liver(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2023) Lambers, Lena; Ricken, Tim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Einsatz, Bewertung und Entwicklung von Stabgittermodellen mit einer Erweiterung auf die Wärmeleitung(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2017) Jarzabek, Rafael Dominik; Doltsinis, Ioannis (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Item Open Access Aufbau und Einsatz von Entwurfssprachen zur Auslegung von Satelliten(2014) Groß, Johannes; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit zeigt den Aufbau graphenbasierter Entwurfssprachen auf Basis der Unified Modeling Language (UML) im Einsatz für die Auslegung von Satelliten. Bei der Auslegung moderner Satelliten wird in einem von den Anforderungen implizit festgelegten Entwurfsraum ein Optimum gesucht. Um in Zukunft bei gleich bleibender Entwurfsqualität mehr Entwürfe in kürzerer Zeit zu geringeren Kosten untersuchen zu können, wird in dieser Arbeit der automatische Entwurf von Satelliten am Beispiel des FireSat [69] vorgestellt. Für den automatischen Entwurf wird das Entwurfswissen über die Auslegung und die Integration der einzelnen Systemkomponenten in einer Hierarchie verschiedener Entwurfssprachen modular abgebildet. Die Kopplungen zwischen den Systemkomponenten werden für die Auslegung aufgelöst und als generische Schnittstellen formuliert. Die Integration der einzelnen Komponenten zu einem Gesamtsystem erfolgt nach vordefinierten Regeln. Die gesamte Abfolge der Entwurfsregeln, vom funktionalen Vorentwurf bis hin zur Gesamtintegration mit den funktionalen Nachweisen durch die entsprechenden numerischen Simulationsmodelle, stellt eine über verschiedene, variierende Anforderungen robuste Entwurfssequenz dar. In der Vorentwurfsphase werden die Gleichungen bottom-up von Komponenten-Ebene über die Subsystem-Ebene zum Gesamtsystem regelbasiert zusammengesetzt und gelöst. Für die genauere Untersuchung bestimmter Auslegungspunkte wird automatisch eine Sensitivitätsanalyse über die wesentlichen Entwurfsgrößen des Gesamtentwurfs erstellt. Für den Vergleich verschiedener Satellitentopologien werden in dieser Arbeit über 3300 topologisch (d.h. welche der Komponenten) wie auch parametrisch (d.h. wie speziell dimensioniert) unterschiedliche Satelliten vollautomatisch ausgelegt. Daraus werden Pareto-Flächen gebildet anhand derer der topologische und der parametrische Entwurfsraum analysiert wird. Der im Laufe der Regelausführung entstehende Entwurfsgraph repräsentiert ein durchgängiges, ganzheitliches und konsistentes Datenmodell, das die Integration von funktionaler, geometrischer und physikalischer Modellierung im Format der Unified Modeling Language (UML) vereinigt. Die Umsetzung der vordefinierten Entwurfshandlungen (z.B. von Konstruktionsvorgängen wie dem Generieren von Halterungslaschen oder Taschen) für den FireSat erfolgt unter Berücksichtigung aller gültigen Kopplungen zwischen den erzeugten multi-disziplinären Entwurfsinformationen. Die Multi-Disziplinarität des FireSat-Beispiels deckt die funktionale Auslegung, die Generierung von Geometrie in CATIA V5 und OpenCascade, die Thermalsimulation mit ESATAN-TMS und die regelungstechnische Lage-Simulation mit Simulink ab. Das Auslegungsbeispiel FireSat wird durch eine Machbarkeitsstudie zur automatisierten Anordnung (Packaging) und durch die Integration der automatischen Verkabelung (Routing) im Satellit ergänzt. Mit diesem Einsatz der Entwurfssprachen ist die Machbarkeit eines automatisierten Satellitenentwurfs durch Existenz bewiesen. Im Rahmen der Arbeit ist dabei keine prinzipielle theoretische Grenze für einen vollständig automatischen Entwurf sichtbar geworden. Durch die rigorose formale Abbildung und die daraus folgende algorithmische Verarbeitung des Entwurfswissens, ist die für einen Entwurf erforderliche Zeit auf die Programmlaufzeiten der Algorithmen reduziert. Damit ist hinsichtlich der gewählten Modellvorstellungen und Algorithmen die theoretische Untergrenze für die Dauer des Entwurfsprozesses erreicht.Item Open Access Improved simulation techniques for modelling impact and crash behaviour of composite structures(2010) Aktay, Levent; Kröplin, Bernd (Prof. Dr.-Ing. habil.)Composite elements such as glass- and carbon-fibre-reinforced tubes in axial crush exhibit high specific energy absorption (SEA) and a challenge for the engineer is to utilise these properties in structural applications. Numerical tools based on the Finite Element Method (FEM) are unable to simulate accurately the observed crush fronts in brittle composite composed of delaminations with fibre and matrix debris, which have a strong influence on energy absorption (EA). As alternative Meshless Methods replace finite element(FE)s by a set of nodes or particles and have the potential to simulate the fragmentation behaviour. However, they are computationally less efficient and costly and appropriate material models and failure criteria are not yet established. Therefore there is an increasing interest in combining the two different numerical methods. Such coupling could exploit the potential of each method while avoiding their deficiencies. In this work the meshless Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) Method was used for modelling of composite damage phenomena under crash and impact loads. The computational studies were conducted in the explicit numerical tool PAM-CRASH. Because SPH Method is computationally expensive depending on the dynamic neighbouring search algorithm, new numerical techniques were suggested to reduce the computational time. In these techniques the failure region was modelled using a discrete particle formulation (direct coupling) or the FE mesh was converted into discrete particles (semi-adaptive coupling) to model the debris in the propagating crush front. The coupling was applied through a sliding interface condition. The applicability of SPH Method was firstly tested via benchmark simulation examples, which helped understanding the numerical response of discrete modelling under different loading conditions. The results of the benchmark study were extended to high velocity impact (HVI) simulations of sandwich composite panels. These numerical simulations were conducted for different sandwich panel configurations, impactor shapes and impact velocities. The sandwich panels consisted of carbon fibre/epoxy facings and a core of polyetherimide (PEI) or aramid paper honeycomb (Nomex). The facings were modelled with standard layered shell elements whilst for the PEI core discrete particles were used. In the case of the Nomex core, the core material was modelled with standard solid elements in which the discrete particles were embedded. The numerical results, such as contact force, core deformation and maximum penetration, obtained by using FEM, SPH Method, direct- and semi-adaptive coupled FEM/SPH Method were compared with the experimental results of gas gun impact tests and good agreement was observed. The coupled techniques showed that they can describe more accurately the physical phenomena involved in the EA in the core, where element distortion occurs. Due to the increase of computational time with increasing number of particles, the coupled techniques showed to be adequate since SPH Method was only employed in the impact damage zone. The crashworthy response of aluminum (Al) and composite energy absorbers made of carbon fibre composites were also studied. For both crash absorbers, the tube walls were modelled with shell elements. In the case of metallic tubes, the discrete and the coupled FE/discrete element (DE)s were used to model the polystyrene (PS) foamfiller. For the composite energy absorbers, the crushing response of tube segments specially developed for crushing studies was investigated. These segments could be easily built in thermoset and thermoplastic composite materials with the advantage of giving an indication on the crushing behaviour of bigger structural component made of the same material. For their modelling, the layered shell model was used. The resin material, which showed elastic-plastic material response during crushing, was modelled with discrete particles while bonding and delamination with tied-contact algorithm. Numerical results were also compared with experimental data obtained by crush tests. They showed good agreement for the Al absorbers. Since these tubes are, from the point of view of particles, a closed domain, the experimentally observed deformation modes could be successfully numerically reproduced. This mainly relied on the reproducibility of the crushing behaviour of the metallic structures and their well-known standard material parameters. Composite specimens on the other hand presented different deformation patterns.Item Open Access On the limit of a two‐phase flow problem in thin porous media domains of Brinkman type(2021) Armiti‐Juber, AlaaWe study the process of two‐phase flow in thin porous media domains of Brinkman type. This is generally described by a model of coupled, mixed‐type differential equations of fluids' saturation and pressure. To reduce the model complexity, different approaches that utilize the thin geometry of the domain have been suggested. We focus on a reduced model that is formulated as a single nonlocal evolution equation of saturation. It is derived by applying standard asymptotic analysis to the dimensionless coupled model; however, a rigid mathematical derivation is still lacking. In this paper, we prove that the reduced model is the analytical limit of the coupled two‐phase flow model as the geometrical parameter of domain's width-length ratio tends to zero. Precisely, we prove the convergence of weak solutions for the coupled model to a weak solution for the reduced model as the geometrical parameter approaches zero.Item Open Access Theory and model implementation of gaseous transport and reaction processes in porous media applied to methane oxidation in landfill cover layers(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2022) Thom, Andrea; Ricken, Tim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Modeling freezing and BioGeoChemical processes in Antarctic sea ice(2024) Pathak, Raghav; Seyedpour, Seyed Morteza; Kutschan, Bernd; Thom, Andrea; Thoms, Silke; Ricken, TimThe Antarctic sea ice, which undergoes annual freezing and melting, plays a significant role in the global climate cycle. Since satellite observations in the Antarctic region began, 2023 saw a historically unprecedented decrease in the extent of sea ice. Further ocean warming and future environmental conditions in the Southern Ocean will influence the extent and amount of ice in the Marginal Ice Zones (MIZ), the BioGeoChemical (BGC) cycles, and their interconnected relationships. The so‐called pancake floes are a composition of a porous sea ice matrix with interstitial brine, nutrients, and biological communities inside the pores. The ice formation and salinity are both dependent on the ambient temperature. To realistically model these multiphasic and multicomponent coupled processes, the extended Theory of Porous Media (eTPM) is used to develop Partial Differential Equations (PDEs) based high‐fidelity models capable of simulating the different seasonal variations in the region. All critical variables like salinity, ice volume fraction, and temperature, among others, are considered and have their equations of state. The phase transition phenomenon is approached through a micro‐macro linking scheme. In this paper, a phase‐field solidification model [4] coupled with salinity is used to model the microscale freezing processes and up‐scaled to the macroscale eTPM model. The evolution equations for the phase field model are derived following Landau‐Ginzburg order parameter gradient dynamics and mass conservation of salt allowing to model the salt trapped inside the pores. A BGC flux model for sea ice is set up to simulate the algal species present in the sea ice matrix. Ordinary differential equations (ODE) are employed to represent the diverse environmental factors involved in the growth and loss of distinct BGC components. Processes like photosynthesis are dependent on temperature and salinity, which are derived through an ODE‐PDE coupling with the eTPM model. Academic simulations and results are presented as validation for the mathematical model. These high‐fidelity models eventually lead to their incorporation into large‐scale global climate models.Item Open Access Application of magnetic resonance imaging in liver biomechanics : a systematic review(2021) Seyedpour, Seyed M.; Nabati, Mehdi; Lambers, Lena; Nafisi, Sara; Tautenhahn, Hans-Michael; Sack, Ingolf; Reichenbach, Jürgen R.; Ricken, TimMRI-based biomechanical studies can provide a deep understanding of the mechanisms governing liver function, its mechanical performance but also liver diseases. In addition, comprehensive modeling of the liver can help improve liver disease treatment. Furthermore, such studies demonstrate the beginning of an engineering-level approach to how the liver disease affects material properties and liver function. Aimed at researchers in the field of MRI-based liver simulation, research articles pertinent to MRI-based liver modeling were identified, reviewed, and summarized systematically. Various MRI applications for liver biomechanics are highlighted, and the limitations of different viscoelastic models used in magnetic resonance elastography are addressed. The clinical application of the simulations and the diseases studied are also discussed. Based on the developed questionnaire, the papers' quality was assessed, and of the 46 reviewed papers, 32 papers were determined to be of high-quality. Due to the lack of the suitable material models for different liver diseases studied by magnetic resonance elastography, researchers may consider the effect of liver diseases on constitutive models. In the future, research groups may incorporate various aspects of machine learning (ML) into constitutive models and MRI data extraction to further refine the study methodology. Moreover, researchers should strive for further reproducibility and rigorous model validation and verification.