06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Widerstandsschweißen endlosfaser- und kurzfaserverstärkter thermoplastischer Hochleistungsstrukturen(2013) Freist, Carsten; Voggenreiter, Heinz (Prof. Dr.-Ing.)Der Anteil von faserverstärkten Leichtbau-Kunststoffen hat über die letzten Jahre in nahezu allen industriellen Bereichen zugenommen. Die vergleichsweise junge Werkstoffklasse der faserverstärkten Kunststoffe zeichnet sich unter anderem durch ein großes Leichtbaupotenzial, hohe Steifigkeiten, gute Schlagzähigkeit, gute Medienbeständigkeit und ein hohes Potential an integrativer Gestaltung aus [6, 9]. Zu dem aktuellen Forschungsstand sind die Automatisierbarkeit, die NDT-Qualifizierung sowie die Fügeproblematik offene Themenfelder, die den industriellen Einsatz von FVKs einschränken. Das Motivation dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines Fügeverfahrens für CFK-Strukturen mit dem Schwerpunkt einer ingenieursmäßig Applizierung. Die Erkenntnisse und Einflüsse werden auf vereinfachte Modelle reduziert, um gesamtheitlich berücksichtigen werden zu können. Wesentliche, aus dieser Motivation resultierende Aspekte sind die Fertigungsparameter, Vertrauensbereiche und die Kontrolle der auftretenden Fügephänomenen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag im Bereich der Grundlagenforschung des Widerstandsschweißens für thermoplastische, faserverstärkte Hochleistungskunststoffe. Dies umfasst die phänomenologische Analyse des Verfahrens sowie den Aufbau eines makroskopischen Modells für eine numerische Applikation in ANSYS. Die Problemformulierungen resultieren aus den experimentell identifizierten Verhalten und Phänomenen sowie deren numerischen Beschreibung. Die Basis dieser Arbeit sind eine umfassende experimentelle Analyse des Widerstandsschweißprozesses über mehreren Skalen sowie eine systematische Prozessoptimierung. Die identifizierten Phänomene wurden numerisch abgebildet, bewertet und verifiziert. Die empirischen und numerischen Analysen zeigen, dass der Fügeprozess wesentlich durch zwei Effekte, den „Randeffekt“ sowie den „Stromkurzschlusseffekt“ beeinflusst wird. Diese Effekte sind auf die Interaktion zwischen Beschränkungen aus dem Prozessaufbau mit dem anisotropen Materialverhalten der faserverstärkten Kunststoffe zurückzuführen. Analysen zeigen, dass die Gestaltung des Schweißelementes und der Prozessaufbau einen wesentlichen Einfluss auf die Prozesssicherheit haben. Basierend auf den Erkenntnissen wurde ein mit Glasfaserisolierungsgewebe vorkonsolidiertes Edelstahlgitter basiertes Element entwickelt. Die Präparation der Schweißelemente in einem Konsolidierungsprozess verbessert die Fasermatrixanbindung und verhindert Lufteinschlüsse in dem Schweißelement, die zu lokalen „Hot Spots“ führen können. Weitere Vorteile dieser Konfiguration sind das Handling, die gute Prozessierbarkeit sowie die Homogenisierung der Temperaturverteilung über die Fügefläche. Über eine vollfaktorielle Prozessanalyse wurde für APC2-APC2 und APC2-450CA30 Werkstoffpaarungen ein Prozessoptimum, sowie der Vertrauensbereich ermittelt. In dem numerischen Modell sind die Phasen des Fügeprozesses sowie alle identifizierten prozessualen Einflüsse wie die Wärmeentwicklung, die Oberflächenrauheiten, die Mirkokontaktierung in der Schmelphasenausbildung oder die Konsolidierung und Rekristallisation berücksichtigt. Dies umfasst die Bewertung unterschiedlicher Wärmeübergangsmodelle, Konvektionseinflüsse und Materialmodelle. Die Modelle wurden sukzessive über mehrere Skalen aufgebaut und evaluiert. Die verifizierten Modelle wurden final auf ein makroskopisches Modell abstrahiert. Am Beispiel eines generischen Vorflügels wurde die Verschweißung numerisch simuliert. Die Erkenntnisse flossen in den Prozessaufbau, sowie die Gestaltung des Schweißprozesses für einen Prototypen ein. Dadurch konnte der experimentelle Aufwand reduziert werden. Die experimentelle Umsetzung zeigte eine gute Konkordanz zu den numerischen Ergebnissen.Item Open Access Mathematical methods for camera self-calibration in photogrammetry and computer vision(2013) Tang, Rongfu; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing. habil.)Camera calibration is a central subject in photogrammetry and geometric computer vision. Self-calibration is a most flexible and highly useful technique, and it plays a significant role in camera automatic interior/exterior orientation and image-based reconstruction. This thesis study is to provide a mathematical, intensive and synthetic study on the camera self-calibration techniques in aerial photogrammetry, close range photogrammetry and computer vision. In aerial photogrammetry, many self-calibration additional parameters (APs) are used increasingly without evident mathematical or physical foundations, and moreover they may be highly correlated with other correction parameters. In close range photogrammetry, high correlations exist between different terms in the ‘standard’ Brown self-calibration model. The negative effects of those high correlations on self-calibration are not fully clear. While distortion compensation is essential in the photogrammetric self-calibration, geometric computer vision concerns auto-calibration (known as self-calibration as well) in calibrating the internal parameters, regardless of distortion and initial values of internal parameters. Although camera auto-calibration from N≥3 views has been studied extensively in the last decades, it remains quite a difficult problem so far. The mathematical principle of self-calibration models in photogrammetry is studied synthetically. It is pointed out that photogrammetric self-calibration (or building photogrammetric self-calibration models) can – to a large extent – be considered as a function approximation problem in mathematics. The unknown function of distortion can be approximated by a linear combination of specific mathematical basis functions. With algebraic polynomials being adopted, a whole family of Legendre self-calibration model is developed on the base of the orthogonal univariate Legendre polynomials. It is guaranteed by the Weierstrass theorem, that the distortion of any frame-format camera can be effectively calibrated by the Legendre model of proper degree. The Legendre model can be considered as a superior generalization of the historical polynomial models proposed by Ebner and Grün, to which the Legendre models of second and fourth orders should be preferred, respectively. However, from a mathemtical viewpoint, the algebraic polynomials are undesirable for self-calibration purpose due to high correlations between polynomial terms. These high correlations are exactly those occurring in the Brown model in close range photogrammetry. They are factually inherent in all self-calibration models using polynomial representation, independent of block geometry. According to the correlation analyses, a refined model of the in-plane distortion is proposed for close range camera calibration. After examining a number of mathematical basis functions, the Fourier series are suggested to be the theoretically optimal basis functions to build the self-calibration model in photogrammetry. Another family of Fourier self-calibration model is developed, whose mathematical foundations are the Laplace’s equation and the Fourier theorem. By considering the advantages and disvantages of the physical and the mathematical self-calibration models, it is recommended that the Legendre or the Fourier model should be combined with the radial distortion parameters in many calibration applications. A number of simulated and empirical tests are performed to evaluate the new self-calibration models. The airborne camera tests demonstrate that, both the Legendre and the Fourier self-calibration models are rigorous, flexible, generic and effective to calibrate the distortion of digital frame airborne cameras of large-, medium- and small-formats, mounted in single- and multi-head systems (including the DMC, DMC II, UltraCamX, UltraCamXp, DigiCAM cameras and so on). The advantages of the Fourier model result from the fact that it usually needs fewer APs and obtains more reliable distortion calibration. The tests in close range photogrammetry show that, although it is highly correlated with the decentering distortion parameters, the principal point can be reliably and precisely located in a self-calibration process under appropriate image configurations. The refined in-plane distortion model is advantageous in reducing correlations with the focal length and improving the calibration of it. The good performance of the combined “Radial + Legendre” and “Radial + Fourier” models is illustrated. In geometric computer vision, a new auto-calibration solution which needs image correspondences and zero (or known) skew parameter only is presented. This method is essentially based on the fundamental matrix and the three (dependent) constraints derived from the rank-2 essential matrix. The main virtues of this method are threefold. First, a recursive strategy is employed subsequently to a coordinate transformation. With an appropriate approximation, the recursion estimates the focal length and aspect ratio in advance and then calculates the principal point location. Second, the optimal geometric constraints are selected using error propagation analyses. Third, the final nonlinear optimization is performed on the four internal parameters via the Levenberg–Marquardt algorithm. This auto-calibration method is fast and efficient to obtain a unique calibration. Besides auto-calibration, a new idea is proposed to calibrate the focal length from two views without the knowledge of the principal point coordinates. Compared to the conventional two-view calibration techniques which have to know principal point shift a priori, this new analytical method is more flexible and more useful. Although the auto-calibration and the two-view calibration methods have not been fully mature yet, their good performance is demonstrated in both simulated and practical experiments. Discussions are made on future refinements. It is hoped that this thesis not only introduces the relevant mathematical principles into the practice of camera self-calibration, but is also helpful for the inter-communications between photogrammetry and geometric computer vision, which have many tasks and goals in common but simply using different mathematical tools.Item Open Access Experimentelle Untersuchung magerer laminarer Niederdruckflammen mit periodisch variierender Gemischzusammensetzung(2013) Ax, Holger; Aigner, Manfred (Prof. Dr.)In technischen Anwendungen findet die Verbrennung oft mit inhomogenen Brennstoff/Luft-Gemischen statt. Insbesondere sind thermo-akustische Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern mit periodischen Änderungen der Gemischzusammensetzung gekoppelt. Das Verständnis des Einflusses dieser Änderungen auf die Verbrennung ist von großem wirtschaftlichem Interesse, um Verbrennungsinstabilitäten vermeiden und so die Effizienz von Verbrennungssystemen steigern zu können. Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Flammenverhaltens laminarer vorgemischter Methan/Luft-Flammen unter dem Einfluss eines periodisch variierenden Brennstoffanteils. Die periodische Variation des Äquivalenzverhältnisses wurde durch die Zufuhr von zusätzlichem Methan in das Frischgasgemisch einer vorgemischten Bunsenflamme realisiert. Um die Struktur der Flammenfront und ihre Reaktion auf die Änderung des Brennstoffanteils experimentell untersuchen zu können, wurden die Flammen mit einer speziellen Brennerkonfiguration bei reduziertem Druck betrieben. Dadurch verbreitert sich die Flammenfront und kann messtechnisch räumlich aufgelöst werden. Ein weiterer Effekt des reduzierten Drucks ist die Möglichkeit, die Zeit- und Längenskalen der Flamme und der Modulation anzunähern und somit die Abhängigkeit der Flammenreaktion von der Frequenz untersuchen zu können. Die eingesetzten Messmethoden waren die phasenaufgelöste Detektion der Chemilumineszenz des OH*-Radikals und der eindimensionalen Laser-Raman-Streuung. Das Signal der OH*-Chemilumineszenz gab Aufschluss über die Form der gesamten Flamme sowie die Position der Reaktionszone. Mit der Laser-Raman-Streuung wurden die Konzentrationen der Hauptspezies und die Temperatur simultan gemessen und quantitativ bestimmt. Durch Abbildung einer Strecke von 7 mm entlang des Laserstrahls sowie durch Höhenverschiebung des Brenners wurden die Profile der Spezieskonzentrationen und der Temperatur entlang der Mittelachse vom Brenneraustritt bis über die Flammenfront hinweg gemessen. Als Referenz wurde zunächst eine stationäre Flamme mit einem Äquivalenzverhältnis von Phi=0,66 bei einem Druck von 70 mbar detailliert untersucht. In einer parametrischen Studie wurde dann das Äquivalenzverhältnis dieser Flamme durch Methanpulse in unterschiedlichen Frequenzen und Mengen periodisch variiert. Mit dem Äquivalenzverhältnis ändern sich zum einen die Wärmefreisetzung und damit die laminare Flammengeschwindigkeit. Zum anderen ändern sich auch der thermo-chemische Zustand und damit die Struktur der Flammenfront. Für ein besseres Verständnis des Reaktionsverhaltens wurden die Zeitskalen der Flammengeschwindigkeit sowie der konvektiven und diffusiven Transportprozesse einzeln untersucht und in Bezug zueinander gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigen Frequenzen der Brennstoffanteil im Verlauf einer Periode jeweils für eine gewisse Dauer einen Minimal- und einen Maximalwert annimmt. Der Minimalwert entspricht dabei dem Äquivalenzverhältnis der stationären Flamme. Die Flamme kann der Variation des Brennstoffanteils im Verlauf einer Periode folgen und erreicht jeweils beim Minimum und Maximum der Methankonzentration einen quasistationären Zustand. Mit steigender Frequenz nimmt der Einfluss der Massendiffusion auf die Form der Methanpulse zu. Zum einen nähert sich dadurch die Pulsform einer Sinuskurve an und zum anderen nimmt die effektive Pulsstärke ab, die die Flamme erreicht. Mit zunehmender Frequenz nähert sich auch die Wellenlänge der Anregung der Flammenfrontdicke an. Daraus resultieren Gradienten des Mischungsbruchs innerhalb der Flammenfront während der gesamten Periodendauer. Die innere Struktur der Flammenfront zeigt dabei ein phasenabhängiges Reaktionsverhalten, das zu keinem Zeitpunkt einer Periode durch einen stationären Zustand beschrieben werden kann. Dies wird am Beispiel einer Flamme bei einer Anregungsfrequenz von 40 Hz verdeutlicht. Durch das komplexe Zusammenwirken der verschiedenen Effekte von Strömungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit variiert die Höhe der Kegelflamme unabhängig von der Pulsstärke ab einer Frequenz von 40 Hz nicht mehr. Abschließend wurde eine Flamme mit besonders starker Modulation des Äquivalenzverhältnisses untersucht. Durch kurzzeitiges Ausschalten des Methanmassenstroms sank der Brennstoffanteil in der Flamme unter die magere Zündgrenze, sodass die Flamme verlosch. Durch den kontinuierlichen Wärmeeintrag aus einer ringförmigen Halteflamme zündete die Flamme wieder, sobald das Äquivalenzverhältnis wieder über die Zündgrenze gestiegen war. Die beiden Phänomene des Verlöschens und Zündens ließen sich so fortlaufend phasenaufgelöst untersuchen. Mit den gewonnenen Ergebnissen liegt ein einzigartiger experimenteller Datensatz vor, der zum einen detaillierte Einsicht in das Flammenverhalten bei Änderung des Äquivalenzverhältnisses gewährt, und zum anderen die Validierung numerischer Modelle zur Beschreibung von Verbrennungsprozessen ermöglicht.Item Open Access Automatic model reconstruction of indoor Manhattan-world scenes from dense laser range data(2013) Budroni, Angela; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing.)Three-dimensional modeling has always received a great deal of attention from computer graphics designers and with emphasis on existing urban scenarios it became an important topic for the photogrammetric community and architects as well. The generation of three-dimensional models of real objects requires both efficient techniques to acquire visual information about the object characteristics and robust methods to compute the mathematical models in which this information can be stored. Photogrammetric techniques for measuring object features recover three-dimensional object profiles from conventional intensity images. Active sensors based on laser measurements are able to directly deliver three-dimensional point coordinates of an object providing a fast and reliable description of its geometric characteristics. In order to transform laser range data into consistent object models, existing CAD software products establish a valid support to manual based approaches. However, the growing use of three-dimensional models in different field of applications brings into focus the need for automated methods for the generation of models. The goal of this thesis is the development of a new concept for the automatic computation of three-dimensional building models from laser data. The automatic modeling method aims at a reconstruction targeted on building interiors with an orthogonal layout. For this purpose, two aspects are considered: the extraction of all surfaces that enclose the interior volume and the computation of the floor plan. As a final result, the three-dimensional model integrates geometry and topology of the interior in terms of its boundary representation. The main idea underlying the automatic modeling is based on plane sweeping, a technique referable to the concept of sweep representation used in computer graphics to generate solid models. A data segmentation driven by the sweep and controlled by a hypothesis-and-test approach allows to assign each laser point to a surface of the building interior. At the next step of the algorithm, the floor plan is recovered by cell decomposition based on split and merge. For a successful generation of the model every activity of the reconstruction workflow should be taken into consideration. This includes the acquisition of the laser data, the registration of the point clouds, the computation of the model and the visualization of the results. The dissertation provides a full implementation of all activities of the automatic modeling pipeline. Besides, due to the high degree of automation, it aims at contributing to the dissemination of three-dimensional models in different areas and in particular in BIM processes for architecture applications.Item Open Access Nonlinear finite element modelling of degradation and failure in folded core composite sandwich structures(2013) Kilchert, Sebastian; Voggenreiter, Heinz (Prof. Dr.-Ing.)The presented research investigates the numerical modelling of sandwich structures with aramid paper foldcore and fibre composite face sheets in quasi-static and dynamic load cases. For that purpose, existing approaches reproducing cellular sandwich structures on the basis of shell-based meso-models are adapted to aramid paper foldcores and further developed. In order to consider the aramid papers inhomogeneous nature in the thickness direction a new modelling approach with layered shell elements is proposed. A methodology to derive the material properties of the individual layers from global paper properties measured experimentally is presented. In combination with continuum damage mechanics and a cohesive interface for the modelling of the carbon composite surface skin the proposed modelling approach is used to reproduce drop tower and gas gun impact test. By comparison of the experimental and numerical results the strengths and weaknesses of the presented modelling approach are discussed and evaluated.Item Open Access Hardware- und Software- Kompatibilitätstests für den Bordrechner eines Kleinsatelliten(2013) Fritz, Michael; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)Die Universität Stuttgart hat in Kooperation mit industriellen Partnern im Jahr 2010 das Konzept eines neuartigen Bordrechners für Satelliten vorgestellt. Dieser Bordrechner nutzt modernste Prozessor- und Datenbustechnik. Er wird beim sich am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart in Entwicklung befindenden Kleinsatelliten Flying Laptop erstmals eingesetzt. Ein solcher Bordrechner muss im Betrieb fehlerfrei funktionieren. Auch die auf dem Bordrechner laufende Bordsoftware darf keine systematischen Fehler haben. Fehler in Hardware oder Software können zu einem Komplettausfall des Satelliten führen. Um dieses Risiko zu minimieren, sind während der Entwicklung des Satelliten eine Vielzahl an Bordrechnertests nötig. Für den Bordrechner des Flying Laptops wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Prüfstand entwickelt, mit dem ein Großteil der geforderten Tests möglich ist. Durch diesen Prüfstand wurde die Entwicklung der Bordsoftware beschleunigt und deren funktionale Verifikation ermöglicht. Außerdem konnte verifiziert werden, dass die von verschiedenen Herstellern entwickelten Baukomponenten des Bordrechners zueinander kompatibel sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Schnittstellen zwischen Bordrechner und Bordkomponenten sowie zwischen Bordrechner und Missionskontrollsystem ordnungsgemäß funktionieren. Schließlich wurde die gesamte Kommandierungskette vom Missionskontrollsystem über den Bordrechner hin zu exemplarisch gewählten Bordkomponenten erfolgreich getestet. Die vorliegende Dissertation beschreibt außerdem, welche Planungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig waren, um einen solchen Prüfstand aufzubauen. Die dabei aufgetretenen Probleme werden erläutert und dazu erarbeitete Lösungen dargestellt. Für die durchgeführten Bordrechnertests wurden unterschiedliche Konfigurationen des Prüfstands entwickelt und genutzt. Die Konfigurationen und deren jeweiliger Zweck werden beschrieben. Für jede Konfiguration wird anhand eines Anwendungsbeispiels veranschaulicht, wie sich die damit durchgeführten Tests gestalteten. Die erhaltenen Ergebnisse werden dargestellt und bewertet. Geplante Konfigurationen für die nächsten Schritte der Entwicklung werden erläutert. Abschließend wird die weitere Verwendbarkeit des Prüfstands bei der Entwicklung des Kleinsatelliten Flying Laptop diskutiert.Item Open Access Anwendung von Unsicherheitsmodellen am Beispiel der Verkehrserfassung unter Nutzung von Mobilfunkdaten(2013) Borchers, Ralf; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)Das hohe und stetig anwachsende Verkehrsaufkommen ist häufig Ursache für Überlastungen der Verkehrswege und deren Folgeerscheinungen, wie z. B. Verkehrsstaus und Unfälle. Mit Einführung von Verkehrsmanagement-systemen wird angestrebt, Effizienzverbesserungen des Verkehrsflusses auf den bestehenden Verkehrswegen zu erzielen. Als wesentliche Datengrundlage setzen Verkehrsmanagementsysteme Verkehrsdaten voraus, wie sie mittels Induktionsschleifen oder sogenannter Floating Car Data gewonnen werden können. Vor dem Hintergrund, dass Mobilfunkgeräte geortet werden können, eignen sich die als Floating Phone Data bezeichneten und aus Mobilfunkdaten hergeleiteten Verkehrsdaten ebenfalls zur Verkehrserfassung. Dieser auch wirtschaftlich attraktiven Verkehrserfassungsart stehen hohe Ortungsunsicherheiten von mehreren einhundert Metern sowie die fehlende Information, ob und in welchem Verkehrsmittel das Mobilfunkgerät mitgeführt wurde, gegenüber. In der vorliegenden Arbeit wird eine Mobilfunkortung basierend auf dem Signalpegel-Matching eingesetzt, die die gemessenen Signalpegel der Mobilfunkgeräte des GSM-Mobilfunknetzes mit Referenzsignalpegelkarten vergleicht. Die zufälligen, systematischen aber auch unbekannt wirkenden Unsicherheiten werden mit Hilfe der zufälligen Variabilität, der Fuzzy-Theorie und der Fuzzy-Randomness Methodik modelliert. Im Anschluss werden Identifikationsverfahren vorgestellt, mit denen in Verkehrsmitteln des Motorisierten Individualverkehrs (z. B. in PKW oder LKW) generierte Mobilfunkdaten aus anonymisierten Mobilfunkdaten identifiziert werden können. Zu Beginn wird geprüft, ob sich das Mobilfunkgerät in Bewegung befindet. Bewegt es sich, wird nachfolgend dessen Geschwindigkeit als Entscheidung bezüglich eines Verkehrsmittels herangezogen. Hintergrund ist, dass bauartbedingte oder administrative Gründe die Höchstgeschwindigkeit von Verkehrsmitteln begrenzen. Ist die Geschwindigkeit des Mobilfunkgerätes signifikant höher als die Höchstgeschwindigkeit des untersuchten Verkehrsmittels, kann dieses Verkehrsmittel ausgeschlossen werden. Da in öffentlichen Verkehrsmitteln generierte Mobilfunkdaten für die Erfassung des Motorisierten Individualverkehrs ungeeignet sind, werden sie im nächsten Schritt eliminiert. Aus Fahrplänen werden hierfür die Positionen der Fahrzeuge des Öffentlichen Verkehrs (z. B. Linienbusse, Straßenbahnen) prognostiziert und mit den Positionen des Mobilfunkgerätes sowohl zeitlich als auch räumlich verglichen. Abschließend wird geprüft, ob für die Positionsfolge des Mobilfunkgerätes eine Trajektorie auf dem Verkehrsnetzgraph des motorisierten Individualverkehrs (Straßennetz) generiert werden kann. Kann die Positionsfolge in den Verkehrsnetzgraph räumlich, topologisch und zeitlich eingepasst werden, ist sie grundsätzlich für die Verkehrslageerfassung des motorisierten Individualverkehrs geeignet. Für stehende Mobilfunkgeräte ist in der Regel keine eindeutige Identifikation des Verkehrsmittels möglich, da jedes Verkehrsmittel stehen kann. Eine Unterscheidung zwischen Mobilfunkgeräten in Verkehrsstaus und beispielsweise nicht am Verkehr beteiligten Mobilfunkgeräten (z. B. stehende Fußgänger) ist infolgedessen zunächst nicht möglich. Diese Problemstellung wurde durch die Verknüpfung aktueller und vorgehender Identifizierungsergebnisse gelöst. Um ihre Eignung und ihr Potential zu vergleichen, wurden die Identifikationsverfahren mit konsequenter Anwendung der mathematischen Unsicherheitsmodelle der zufälligen Variabilität, der Fuzzy-Theorie und des Fuzzy-Randomness entwickelt und softwaretechnisch umgesetzt. Die entwickelten Identifikationsverfahren wurden unter Verwendung realer Mobilfunkdaten validiert und evaluiert. Das auf der Fuzzy-Randomness Methodik basierende Identifikationsverfahren, ergab sowohl qualitativ als auch quantitativ die besten Identifikationsergebnisse.Item Open Access On physical aspects of cabin architectures using tolerancing methods(2013) Landes-Dallat, Benjamin; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)In the conceptual design phase for the development of aircraft cabins the question about product architectures, spatial, mechanical and functional interfaces as well as the integration into the fuselage play a central role. While functional aspects are in the foreground for the conceptual design of cabin systems like the air distribution system or data systems, the architectures of the cabin modules like the stowage bins and the entire lining panels of the passenger compartment are mainly characterized by interdependencies between physical aspects, in particular between the geometrical shape, mechanical, functional and operational behavior as well as manufacturing aspects. The physical interfaces between the cabin modules, the fuselage structures and the attachment brackets are of high relevancy. Tolerance management, which defines the repercussions of tolerances already in the early conceptual phase of product development, here accomplishes important tasks. It can provide the required interconnection between geometrical shape, manufacturing-related deviation from nominal size, mechanical-functional behavior and the wide field of repercussions on manufacturing – in particular on the final assembly line. The analysis of physical aspects of cabin architectures consequently becomes a problem exceeding pure geometrical considerations. For this reason, methods based on a geometry paradigm for the generation and analysis of product data considering only geometrical aspects reach their limits concerning their validity for physical architecture aspects. On the other hand, the consideration of additional product data models in parallel is time-consuming. In particular, if several technical scenarios need to be compared, analysis methods like tolerance calculations are often omitted, since the relation between the modeling time and the validity of the calculation results based on values coming from heuristic or synthetic estimation procedures seems to be too unfavorable. In contrast, modern model-based methods, such as for instance, graph-based design languages enable interdisciplinary product models which are customized exactly to the needs of the respective problem. In addition to this, approaches with design languages comprising design rules offer the possibility for a fast and reproducible generation and modification of product data models. In the context of this dissertation so-called cabin design languages are developed that can describe and model physical aspects of cabin architectures including tolerancing. Key aspects of these design languages are the concepts of ‘physical components’ and ‘physical interfaces’ along with the associated aspects for physical integration like tolerances and installation processes. The implementation of these design languages consists of an extensive cabin-specific class diagram and a set of graph-based rules which together allow generating and calculating multiple variants of a technical scenario. The classes and rules also comprise synthetic estimations for component tolerances or masses, for example. The software-based implementation additionally provides routines which transform the compiled cabin models into analysis and visualization models. Amongst other, this comprises automatized means for the preparation of tolerance analyses, the calculation of analysis parameters in terms of ‘metrics’, the conceptual representation of manufacturing processes or the exchange of product data models. A use case demonstrates the practical benefit of executable design languages for the named problem. A cabin segment including the corresponding design rules is modeled. By means of parametrical and topological changes, several technical scenarios including the corresponding analysis and visualization models can be generated and evaluated. The following discussion examines the applicability of the presented method for industrial praxis. It shows, that conceptual tolerance management in conjunction with further analysis methods and supported by design languages can play a primary role for the industrial evaluation of physical aspects of cabin architectures in the conceptual design phase.Item Unknown Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schädigung und Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken(2013) Müller, Matthias H.; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)Langfristige Instandhaltungsverträge und der anhaltende Kostendruck haben die Notwendigkeit einer zuverlässigen Vorhersage und einer Reduzierung der Kosten für die Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken zur Folge. Die Instandhaltungsbedürftigkeit und Zuverlässigkeit von Turboluftstrahltriebwerken wird wesentlich durch die betreibertypischen Betriebsbedingungen und die auftretenden Schädigungsmechanismen beeinflusst. Der Verlauf der Bauteilschädigung wird neben den Betriebsbedingungen durch die mit den Bauteilveränderungen verbundene Leistungsverschlechterung beeinträchtigt. Der Grad der Leistungsverschlechterung ist wiederum von den durchgeführten Instandhaltungsmaßnahmen abhängig. Sowohl die betreibertypischen Betriebsbedingungen als auch die durch den Triebwerkshersteller festgelegte Belastbarkeit der Bauteile sind mit Streuung behaftet. Durch die bestehenden Methoden werden die auftretenden Wechselwirkungen und Einflüsse nicht vollständig erfasst. Die Methoden sind vielmehr auf die Untersuchung einzelner Zusammenhänge beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird eine probabilistische Modellierungsmethodik vorgestellt, die durch ihren iterativen Berechnungsablauf die komplexen Interaktionen der verschiedenen Einflüsse berücksichtigt. Die Modellierung der Bauteilschädigung erfolgt durch eine Trennung der Streuungseinflüsse. Die Variation der Bauteilbelastbarkeit wird durch Verteilungsfunktionen modelliert. Diese geben für jedes Bauteil die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in Abhängigkeit der Zahl an Referenzzyklen an. Die Modellierung der betreibertypischen Belastungsstreuung erfolgt durch eine Zyklengewichtung anhand von physikalischen Größen. Dazu wird die Bauteilschädigung infolge eines individuellen Flugzyklus auf den Schädigungseffekt eines festgelegten Referenzflugzyklus bezogen. Die Verknüpfung der Betriebsbedingungen mit den zur Zyklengewichtung benötigten Triebwerksleistungsparametern erfolgt mit Hilfe eines in das Modell eingebundenen Leistungsrechnungsprogramms. Zur Festlegung der Zeitpunkte der Triebwerksüberholungen und der Instandhaltungsmaßnahmen ist die Instandhaltungsstrategie im Modell durch logische Abfragen hinterlegt. Durch die Methodik wird die gesamte Betriebsdauer einzelner Triebwerke mit den zugehörigen Bauteilschädigungsverläufen, der Leistungsverschlechterung und den Instandhaltungsmaßnahmen simuliert. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation werden ausgehend von betreibertypischen Verteilungsfunktionen für die Betriebsbedingungen die geforderten Ergebnisgrößen für eine Triebwerksflotte, wie beispielsweise die Instandhaltungskosten je Flugstunde und der Ersatzteilbedarf, ermittelt. Die Anwendung der Methodik erfolgt für ein Zweiwellen-Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk. Anhand von Parameterstudien und Szenarien wird der Einfluss einzelner Betriebsbedingungen untersucht. Hinsichtlich der Bedeutung der verschiedenen Überholungsursachen werden mit Hilfe der Methodik die grundlegenden Tendenzen in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ermittelt. Ebenso werden für die Instandhaltungskosten und die mittlere Dauer zwischen zwei Triebwerksüberholungen generelle Trends über den Betriebsbedingungen abgeleitet. Neben der Instandhaltungsvorhersage wird die Methodik zur Anpassung der Instandhaltungsstrategie an die herrschenden Betriebsbedingungen verwendet. Dazu werden einzelne frei wählbare Instandhaltungsparameter, wie beispielsweise das Triebwerkswaschintervall, variiert und dadurch ein für die vorliegenden Randbedingungen optimaler Wert ermittelt. Die Bewertung potenzieller Neukonstruktionen einzelner Bauteile stellt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Methodik dar. Anhand von Beispielszenarien werden mögliche Konstruktionsvariationen hinsichtlich ihres Nutzens bewertet. Die gezielte Verbesserung der Triebwerkszuverlässigkeit und die Reduzierung der Gesamtkosten ist nur aufgrund des entwickelten ganzheitlichen Modellierungsansatzes möglich.Item Unknown Virtuelle Optimierung von Geflecht-Preforms unter Berücksichtigung von Fertigungsaspekten(2013) Birkefeld, Karin; Middendorf, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff mit textiler Geflechtpreform werden seit einigen Jahren vermehrt in der Automobil-, Luftfahrt- und Sportgerätein-dustrie eingesetzt. Der Flechtprozess eignet sich für eine automatisierte Herstellung und ermöglicht einen wirtschaftlichen und schnellen Preforming-prozess für Profilstrukturen. Vor diesem Hintergrund mangelt es an einem effizienten Auslegungsprozess, der die spezifischen Eigenheiten des textilen Fertigungsverfahrens berücksichtigt. Werkstoff und Struktur entstehen beim Flechten simultan. Zudem besteht eine Wechselwirkung zwischen Bauteilgeometrie und Laminateigenschaften, weshalb es wichtig ist, die Prozessparameter in den Auslegungsprozess zu integrieren. Der bestehende Mangel wird in dieser Arbeit behoben, indem eine prozesswis-sensbasierte Auslegungstoolkette für Geflechtstrukturen aus Biaxial- und Triaxialgeflechten realisiert wird. Wesentliche Bestandteile dieser Toolkette sind die prädiktive, numerische Ermittlung der Geflechtlaminat-Steifigkeiten und die Einbringung von Fertigungsaspekten in den Auslegungsprozess. In dieser Arbeit werden zudem Schnittstellen zwischen den Tools entwickelt, die einen automatischen Ablauf ermöglichen.