06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Bemannte Missionen zum Mars mit kontinuierlichen Antrieben(2005) Schmidt, Tanja D.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing habil.)Im Rahmen dieser Arbeit werden bemannte Missionen zum Mars für unterschiedliche Antriebskonzepte im Hinblick auf Flexibilität, kurze Gesamtmissionsdauern, kurze Transferzeiten und moderate Startmassen untersucht und verglichen. Die untersuchten Antriebskonzepte sind kontinuierliche elektrische Antriebe sowie chemische und nuklear-thermische Antriebe, die zur Kategorie der impulsiven Antriebe gehören. Die im Rahmen dieser Arbeit hierzu erstellten Programme bzw. Routinen zur Bahnsimulation und -optimierung werden vorgestellt. Es werden die Ergebnisse einer detaillierten, systematischen Bahnanalyse für helio- und planetozentrische Bahnen und für Rundreise-Missionen aufgezeigt. Speziell für die kontinuierlichen elektrischen Antriebe werden Variationen der Antriebsparameter (Schub, spezifischer Impuls und Triebwerkswirkungsgrad) durchgeführt und deren Einfluß auf Flugzeit und Startmasse bzw. Treibstoffmasse untersucht. Es werden die hierfür notwendigen minimalen Antriebsparameter für bemannte Marsmissionen ausgearbeitet und verschiedene elektrische Antriebskonzepte hinsichtlich Anwendbarkeit untersucht. Die atmosphärischen Flugsegmente einer solchen Mission werden im Rahmen dieser Arbeit mittels Literaturstudien untersucht. Die in der Literatur diskutierten Konzepte für Schwerlaststartraketen an der Erde, Marsaufstiegsfahrzeuge sowie Aermanöver-Vehikel für Mars und Erde werden hinsichtlich Anwendbarkeit für bemannte Marsmissionen evaluiert und Konzeptvorschläge ausgearbeitet. Neben dem Antriebssystem werden im Rahmen dieser Arbeit die Lebenserhaltung, Habitate und die Energieversorgung untersucht. Es werden Modelle für diese Subsysteme erstellt und verschiedene Konzepte miteinander verglichen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein Konzeptvorschlag einer bemannten Marsmission mit kurzer Gesamtmissionsdauer unter Verwendung kontinuierlicher elektrischer Antriebe vorgestellt.Item Open Access Ein Beitrag zur Identifikation von dynamischen Strukturmodellen mit Methoden der adaptiven Kalman-Filterung(2005) Eichhorn, Andreas; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit entstand am "Institut für Anwendungen der Geodäsie im Bauwesen" (IAGB) der Universität Stuttgart im Rahmen des Forschungsschwerpunkts "Identifikation dynamischer Systeme". Es werden zwei Aufgabenstellungen behandelt. Die erste Aufgabenstellung kommt aus dem Bereich der Deformationsanalyse und beinhaltet die Entwicklung eines Temperaturdeformationsmodells zur realitätsnahen Prädiktion bzw. Simulation der Auswirkung von einseitigen dynamischen Temperaturbelastungen auf balkenförmige Körper. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist im Maschinenbau durch die indirekten Kompensationsverfahren zur Minimierung von thermischen Effekten auf hochpräzise Werkzeugmaschinen gegeben. Im Bauwesen ist die Analyse der thermischen Biegung von schlanken Baukonstruktionen unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung von Interesse. Den Kern des Modells bildet eine Finite Elemente Topologie auf der Grundlage von partiellen Differenzialgleichungen zur Quantifizierung der instationären Temperaturverteilung. Die parametrische Identifikation des dynamischen Strukturmodells ("White box"-Modell) erfolgt mittels adaptiver KALMAN-Filterung. In Labortests mit einer Aluminiumsäule gelingt die Schätzung der Temperaturleitfähigkeit des Materials mit einer Abweichung von nur 0,2% des Sollwertes. Durch unabhängige Temperaturmessungen wird gezeigt, dass eine Prognose der instationären Temperaturgradienten entlang des Mantels der Säule mit Restabweichungen erfolgen kann, die innerhalb des Bereichs der dreifachen Standardabweichung der verwendeten Temperaturmesssensoren (sigmaT = 0,4 K) liegen. Das Modell ist damit zur realitätsnahen Berechnung der Temperaturverteilung unter einem variablen Spektrum von dynamischen Belastungen geeignet. Die Verknüpfung mit einem Deformationsmodul (thermische Biegung) ermöglicht dann die Prognose von Säulenbiegungen mit einer mittleren Abweichung von ca. 3% der experimentell erzeugten maximalen Amplitude, was den Anforderungen für indirekte Kompensationsverfahren genügt. Die zweite Aufgabenstellung beinhaltet die parametrische Identifikation einer Fahrzeugbewegung. Im Auftrag der DaimlerChrysler AG wird ein Modul zur kartenunabhängigen Fahrzeugortung entwickelt. Kern des Moduls ist ein KALMAN-Filter mit einem kausal modifizierten kinematischen Bewegungsmodell des Fahrzeugs. Das Modell berücksichtigt explizit die gemessenen Orientierungsänderungen. Hierdurch wird die übliche Trägheit von kinematischen Bewegungsgleichungen entscheidend reduziert. Bei Stadt- und Landstrassenfahrten werden mit dem Ortungsmodul Positionsschätzungen mit mittleren Genauigkeiten von sigmaP = 2...3 m erzielt.Item Open Access Ein operationelles Kalibrierverfahren für das flugzeuggetragene Laserscannersystem ScaLARS(2005) Schiele, Oliver Jens; Kleusberg, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Weiterverarbeitung von Laserdaten aus flugzeuggestützten Fernerkundungsmissionen zu Standard- oder kundenspezifischen Produkten setzt je nach Anwendungsspektrum eine möglichst hohe und konstante Datenqualität voraus. Durch direkte Georeferenzierung der Laserdaten kann für diese Endprodukte ein enorm hoher Grad an Automation und Aktualität erzielt werden. Die Qualität der georeferenzierten Laserdaten wird nicht nur durch die spezifische Leistungscharakteristik der verwendeten Einzelsensoren limitiert, sondern auch durch das widerspruchsfreie Zusammenspiel (Kalibrierung) der verschiedenen Systemkomponenten. In der Vergangenheit hat sich bei der Auswertung verschiedener Fernerkundungsprojekte gezeigt, dass das Leistungsvermögen der seitherigen Kalibrierung und Datenanalyse nach manuellen Verfahren in Verbindung mit unvollständiger Kenntnis über das Zusammenspiel der Systemparameter stark eingeschränkt ist. Auch im Hinblick auf künftige Weiterentwicklungen am Multi-Sensorsystem zur Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung erschien die Entwicklung einer standardisierten und automatischen Prozedur zur Kalibrierung und Datenanalyse auf der Grundlage statistischer Berechnungsverfahren von größter Wichtigkeit. In dieser Arbeit wird ein vollständiges und praxiserprobtes Verfahren zur Systemkalibrierung von flugzeuggetragenen Laserscannersystemen am Beispiel von ScaLARS vorgestellt. Die Methode basiert auf einem robusten Schätzverfahren und verwendet Referenzflächen bzw. deren Flächenschwerpunkt zur Schätzung der entsprechenden Kalibrierparameter. Hebt sich eine Referenzfläche radiometrisch deutlich von ihrem Umfeld ab, so können die Lasermessungen innerhalb der Referenzfläche mit Hilfe der gemessenen Rückstreuintensität von ihrem Umfeld unterschieden werden. Es werden hierfür exemplarisch die Markierungen einer Start- und Landebahn genutzt. Zur Ableitung einer Systemkalibrierung eignen sich sowohl örtlich eingemessene Referenzflächen als auch Referenzflächen ohne jegliche externe Information. Die Berechnung des Flächenschwerpunkts aus der Punktwolke einer Referenzfläche erfolgt auf der Grundlage einer Delaunay-Triangulation. Die Verwendung des Flächenschwerpunkts als Referenzpunkt hat den Vorteil, dass dieser sowohl aus Laserdaten als auch aus örtlichen Einmessungen identisch beschrieben werden kann. Gleichzeitig wird bei der Kalibrierung durch Verwendung abgeleiteter Beobachtungen zum Flächenschwerpunkt der Einfluss der horizontalen Diskretisierung sowie der Einfluss von Messrauschen in der Entfernungsmessung auf die Systemgenauigkeit und auf die Schätzwerte der Kalibrierparameter reduziert. Im Vorfeld wurden zunächst umfangreiche Simulationsrechnungen zur Parameterschätzung durchgeführt, um basierend auf den zur Verfügung stehenden Ausgangsdaten über optimal formulierte Beobachtungs- und Parameterkombinationen eine bestmögliche Schätzung der Kalibrierung zu erzielen. Anhand der synthetischen Datensätze konnte unter Voraussetzung einer stabilen Messeinheit das hohe Potential des entwickelten Modells zur Kalibrierung aber auch die Leistungsfähigkeit des hier verwendeten Ablenkprinzips Palmerscan selbst nachgewiesen werden. Die spezifizierten Genauigkeiten der Schätzwerte wurden stets erreicht. In die Untersuchungen wurden ebenso genauigkeitslimitierende Faktoren wie etwa die atmosphärische Refraktion, die Deformation des Ablenksystems etc. mit einbezogen. Auf der Grundlage mehrerer Flugplatzüberflüge aus den Jahren 2002 und 2003 konnte das Modell zur Systemkalibrierung und Datenanalyse zusätzlich mit realen Datensätzen getestet werden. Es konnte für jeden zur Kalibrierung genutzten Überflug eine ausreichend hohe Individualgenauigkeit nachgewiesen werden, wobei ein Vergleich der verschiedenen Schätzwerte untereinander teilweise nicht tolerierbare Streuungen zeigte. Diese Streuungen sind ein Hinweis auf eine nicht ausreichende Stabilität im Messsystem. Es deutet vieles darauf hin, dass diese nicht ausreichende Langzeitstabilität durch das Ablenksystem verursacht wird. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, welch hohes Genauigkeitspotential mit dem entwickelten Modell zur Systemkalibrierung sowohl in Verbindung mit synthetischen als auch mit realen Datensätzen erzielt werden kann. Darüber hinaus konnte ebenso auf offensichtliche Fehler und Unsicherheiten im verwendeten Messsystem hingewiesen werden. Die Nutzung der entwickelten Systemkalibrierung und der Simulationssoftware für flugzeuggetragene Laserscanner erlaubt ein Vordringen in bisher nie erreichte Genauigkeitsbereiche. Es konnten dadurch Effekte nachgewiesen werden, welche vorher nur vermutet werden konnten. Dies eröffnet neue Ansätze und Lösungswege im Bereich der Hardware- und Softwareentwicklung sowie im Bereich der Qualitätssicherung bei flugzeuggetragenen Laserscannern.Item Open Access Simulation von kavitierenden Strömungen in Hochdrucksystemen(2005) Wrona, Frank; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Für die Entwicklung neuer hydraulischer Systeme im Hochdruckbereich, von denen ein Vertreter Einspritzanlagen von Dieselmotoren sind, ist es wichtig, das Auftreten von Kavitation vorhersagen zu können. Dies ist wichtig, um bereits in der Entwicklungsphase dieser Anlagen Kavitationsschäden und Funktionsstörungen zu vermeiden. In solchen Systemen treten zwei verschiedenen Kavitationsformen auf: die hydrodynamische und die akustische Kavitation. Die akustische Kavitation entsteht dort aufgrund sich ständig ändernder Randbedingungen. Die hydrodynamische hingegen aufgrund lokaler Strömungsgegebenheiten. Mit dem heutigem Stand der Forschung können kavitierende Strömungen unter den hier definierten Randbedingungen nur unzureichend simuliert werden. Besonders wichtig in Bezug auf die Schädigungsmechanismen der Bauteile ist das transiente Verhalten von Kavitation. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, welches in der Lage ist beide Kavitationsformen zu simulieren. Um akustische Kavitation simulieren zu können ist es deshalb notwendig, die Ausbreitung von Druckwellen vorhersagen zu können. Dazu wird das Fluid im flüssigen sowie im dampfförmigen Zustand kompressibel behandelt. Der Verdampfungsprozeß wird über thermodynamische Beziehungen unter der Annahme modelliert, daß sich das Fluid jederzeit im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Massen-, Impuls- und Energiebilanzen werden zusammen mit einem Zwei-Gleichungs-Turbulenzmodell in einem konservativen Schema berechnet. Um die Erhaltungsgleichungen zu lösen wird ein numerisches Schema vom Godunov-Typ verwandt. Numerische Probleme dieses Schemas, die zwar im ersten Schritt vernachlässigt werden können aber in weiterführenden Arbeiten gelöst werden sollten, werden auch noch dargestellt. Im numerischen Lösungsschema können einige Stoffdaten nur iterativ bestimmt werden, was sich als zeitraubend erweist. Deshalb wird das Schema vollkommen parallelisiert und das somit eingeführte Lastbalancierungsproblem gelöst. Das numerische Schema wird anhand bekannter Testfälle aus der Literatur für einphasige Strömungen validiert und es zeigen sich sehr gute Übereinstimmungen. Die numerischen Ergebnisse von kavitierenden Strömungen werden anhand eines Grundlagenbeispiels und eines Anwendungsbeispiels aufgezeigt. Für das Grundlagenbeispiel wurden zusätzlich Experimente durchgeführt. Verglichen mit diesen, kann man ersehen, daß das Phänomen qualitativ richtig wiedergegeben wird. Man erkennt, daß Kavitation einen starken Einfluß auf das gesamte Strömungsbild hat. In kavitierenden Gebieten wird das Fluid stark beschleunigt. Die Hinzunahme des Turbulenzmodells erweist sich sogar als erforderlich im Hinblick auf das Strömungsgesamtbild. Anhand der Experimente kann man auch ersehen, daß die Modellgleichungen allein das physikalische Phänomene in einem Hochdrucksystem nicht hinreichend gut wiedergeben. In gewissen Strömungsregimen scheine Effekte wie Luftausgasnung dominant zu werden. Deshalb sollte das Schema um solche Modelle erweitert werden. Das Anwendungsbeispiel bildet eine transient betriebene Einspritzdüse ab. Man erkennt, daß beide hydrodynamische, sowie akustische Kavitation während des Einspritzvorgang in der Düse auftreten. Die Düse zeichnet sich bis zur Hälfte ihrer Öffnungsdauer durch ein instationäres Strömungfeld aus. Die Gitterabhängigkeit der Lösung wird überprüft. Es stellen sich keine wesentlichen Unterschiede heraus.Item Open Access Untersuchung des Wärmeübergangs in einem Strömungskanal einer Gasturbinenschaufel(2005) Amro, Mahmoud; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.–Ing. habil. )Die Kühlung der ersten Stufen von Hochdruckturbinen stellt die anspruchsvollsten Teilgebiete bei der Kühlung von Gasturbinen dar. Die Anforderung nach hohen Turbineneintrittstemperaturen setzt insbesondere die erste Stufe der Turbinenschaufeln enormen thermischen Belastungen aus. Eine Senkung der Oberflächentemperaturen der Schaufel von ca. 10K kann die Lebensdauer der Schaufeln nahezu verdoppeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der konvektive Wärmeübergang einer internen Strömung experimentell untersucht. Aufgabe war es durch die richtige Wahl von Rippenkonfigurationen im Strömungskanal Sekundärströmungen und Verwirbelungen zu erzeugen, mit der Ziel, eine Geometrieoptimierung derart durchzuführen, dass Wärmeübergang und Druckverlust in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Zur Auswertung des Wärmeübergangs wurde eine transiente Messmethode mit thermochromatischen Flüssigkristallen TLC benutzt. Die Versuche wurden bei Reynolds-Zahlen von 30000 bis 200000 durchgeführt. Bei den untersuchten Geometrien handelt es sich um verschiedene Rippenanordnungen, Anstellwinkel g [g={45°; 60°, 135°}], Rippenabstand P zu Rippenhöhe e [P/e = {10; 15; 20}], Rippenhöhe e zu Kanalhöhe H [e/H ={0,10; 0,15; 0,167}]. Unter Berücksichtigung der experimentellen Daten wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und die Reibungsverhältnisse aufgestellt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit Literaturangaben und numerischen Berechnungen verglichen. Mit den Ergebnissen aus der untersuchten Rippenvariationen kann numerische Modelle erstellt werden, mit denen ohne größeren Aufwand verschieden Konfigurationen und Variationen der Rippen untersucht werden können. Als Ergebnis konnten optimale Geometrien hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Reibungsverhältnissen ermittelt werden und Korrelationsgleichungen aufgestellt werden. Die experimentellen Untersuchungen haben insgesamt die bedeutende Rolle der Rippen zur Intensivierung von Wärmeübergang im Vergleich zu der glatten Kanal gezeigt.Item Open Access Sequence stratigraphy, sedimentology and provenance of the Upper Cretaceous siliciclastic sediments of South Jordan(2005) Baaske, Uwe Peter; Krawinkel, Hannelore (PD Dr.)The aim of this study was to establish a sequence stratigraphic framework for the Upper Cretaceous (Albian to Santonian) sedimentary rocks of South Jordan. This was accomplished by detailed sedimentological studies and facies analysis. Furthermore the provenance and weathering history of the siliciclastic rocks was determined by using sedimentary petrography and bulk rock geochemistry. The study area is situated in the southern part of Jordan, about 60 km south of the city Ma'an, between the city Ras en Naqb in the West to Naqb Ataik in the East. Here a succession of Palaeozoic to Cretaceous sedimentary rocks is exposed along a NW-SE to E trending, about 90 km long escarpment. Along this escarpment fifteen vertical sections were logged in detail and samples where taken in the Cretaceous deposits. On the basis of these logs the facies analysis and sequence stratigraphic interpretation was carried out. Selected samples were used for petrographical and geochemical studies. Facies analysis showed that the Upper Cretaceous sediments were deposited in a terrestrial to marine setting. The examined sedimentary succession comprises ten environmental depositional facies, which can be grouped into four major facies associations. These four facies associations are (i) the shelf facies association, (ii) the shoreface facies association, (iii) the marginal marine facies association and (iv) the coastal plain facies association. The repeated interfingering of terrestrial and marine environments shows, that the examined sediments were deposited in a shallow marine siliciclastic to mixed siliciclastic-carbonate coastal system. The facies correlation of the logged sections reveals that the sedimentary succession can laterally be sub-divided into three major depositional systems: (i) a siliciclastic ramp, (ii) a mixed carbonate-siliciclastic ramp and (iii) an alluvial system. Vertically these depositional systems are arranged in repeating cyclothems. An ideal cyclothem consists of a retrograding siliciclastic ramp system, a mixed siliciclastic-carbonate ramp system, a prograding siliciclastic ramp system and is ended by an alluvial plain system. The shelf system was generally wave/storm dominated, whilst the prograding siliciclastic ramp system was supply dominated. The retrograding siliciclastic ramp, as well as the mixed siliciclastic-carbonate ramp system was accommodation-dominated. The coastal system can be divided into a regressive and a transgressive system. Under regressive sea-level conditions sand dominated braid deltas formed. Transgressive sea-level conditions resulted in a coastal system controlled by wave dominated estuaries and barrier/lagoon complexes. On the coastal plain anastomosing to meandering sand dominated river systems with wide overbank areas developed during transgressive times. During regressive sea-level conditions the nearshore river system changed to a more braided one that was directly linked to the braid deltas forming during these intervals. The sequence stratigraphic interpretation of the correlated sections shows that the studied sedimentary succession includes eight third-order sequences. The basal four sequences comprise the Cenomanian to Coniacian Ajlun Group, while the top four sequences are situated within the Coniacian to Santonian Belqa Group. Moreover sequences 1, 2 and 4 can each be further subdivided into two sequences of higher order. Basically all sequences include forced regressive deposits formed during the relative sea-level fall. Characteristic features of forced regressions, like for example sharp based shoreface deposits, are frequently present within the logged sections. Due to the significance of the regressive part of the relative sea-level for the studied sediment succession the sequence stratigraphic model introduced by Plint and Nummedal (2000) was used. This sequence stratigraphic model combines the complete sea-level fall in a new falling stage systems tract (FSST), which opposes LST, TST and HST. Comparison of the sequence stratigraphic interpretation with the major depositional systems shows that the depositional systems correspond very well with the four systems tracts of the applied sequence stratigraphic model. The alluvial plain system developed during the LST, the retrograding siliciclastic ramp system during the TST. The mixed carbonate-siliciclastic ramp system corresponds to the HST and the prograding siliciclastic ramp system is associated with the FSST. Relative sea-level changes and sediment supply were the main controlling parameters for the sequence architecture of the examined deposits. Since subsidence was low and no synsedimentary tectonic influenced the examined sediments, the relative sea-level changes are basically eustacy driven. Therefore the reconstructed sea-level curve resembles strongly global curves. The siliciclastic sediment supply is related to sea-level changes and associated with back stepping fluvial incision during the FSST and LST. Light mineral analysis shows that the Cretaceous sands and sandstones of South Jordan are basically mineralogical mature and can be classified as quartz arenites. Only the fine to medium grained sands and sandstones of the study area exhibit a slightly higher content of feldspar, classifying them as subarkoses. Heavy mineral analysis reveals a dominance of the ultrastable heavy minerals zircon, tourmaline and rutile. Especially zircon is predominant in the examined samples. With a mean ZTR-index of 97.9, the heavy mineral content reflects the mineralogical maturity of the sediments shown by the light mineral analysis. The studied sands and sandstones experienced a rather restricted spectrum of diagenetic processes. The compaction of the sediments was low to moderate, which is for example reflected by high IGV values. This and the lack of destructive grain contacts and pressure solution indicate that the sediments did not encounter deep burial or thick overburden. Concerning the cementation of the examined sediments, the sandstones display three major cementing phases. Sandstones cemented by clay minerals are only weakly lithified and display the highest intergranular porosities of all samples. Sandstones cemented by carbonate minerals (calcite and dolomite) or iron-oxides are well lithified and usually display only low values of intergranular porosities. The cementation with carbonate minerals is facies dependant and only occurs in marine sediments. Both, petrographic and geochemical provenance analysis point to the deposition of the Cretaceous sandstones of South Jordan within a passive continental margin setting. As source rock for the studied samples a continental block and/or a craton interior is most likely. Furthermore, a clear trend towards a recycled sedimentary source is obvious in the petrographical as well as in the geochemical studies. Especially the presence of resedimented quartz grains and the enrichment of zircon in the sediments support this. The presented study shows that the Arabo-Nubian-Shield and its Palaeozoic sedimentary cover are the source area for the Cretaceous siliciclastic sediments of South Jordan. The examined sediments follow normal weathering trends in the weathering diagrams. The corresponding CIA values point to a moderate weathering for most samples. Only the sandstone and some claystone samples have high CIA values typical of recycled sediments.Item Open Access Robust design optimization of structures under uncertainties(2005) Kang, Zhan; Doltsinis, Ioannis (Priv.Doz. Dr. -Ing. )In this thesis, the formulation and the numerical method for the structural robust design are addressed. The theory and numerical techniques of structural optimization have seen a significant progress in the last two decades. Moreover, the rapidly increasing computational capabilities allows the structural optimal design to incorporate system uncertainty. The present study is intended to contribute to a better understanding of the structural optimization by putting emphasis on the design robustness in the presence of random noise under realistic conditions. Robust structural design offers reliable, quantifiable and efficient means to make products and processes insensitive to sources of variability. Robust design may be attained in various stages of structural design, such as concept design, parameter design and tolerance design. In this study, the robust parameter design is accomplished using structural optimization techniques. In the present study, the structural robust design problem is formulated as a multicriteria optimization problem, in which not only the mean structural performance function but also its standard deviation is to be minimized. The robustness of the constraints are accounted for by involving the standard deviation of the original constraint function. The multi-criteria optimization problem is then converted into a scalar optimization problem by a performance function containing the weighted sum of the two design criteria. The robust design optimization problem can be then solved with mathematical programming algorithms. The second-order perturbation based stochastic finite element analysis is used for evaluating the mean value and the variance of the structural response in the robust design problem. The perturbation based approach is also extended to the stochastic analysis of path-dependent structures, in accordance with the incremental integration scheme employed for the corresponding deterministic analysis. Furthermore, the moments sensitivity analysis for structural performance functions are developed based on the perturbation based stochastic finite element analysis. This sensitivity information is used in the gradient based optimization algorithms for solving the robust design optimization problem. The feasibility of the presented method is demonstrated by truss benchmarks. As shown by the obtained results, the Pareto optima of the robust design problem can be obtained using the this method. The results also reveal that the diminishing of the structural performance variability is often attained at the penalty of worsening its expected mean value. In the last part of the thesis, the robust design problems of inelastic deformation processes are addressed, with applications to the design of an extrusion die and of a metal preform. The perturbation technique is used for the stochastic analysis of the inelastic process, where an iterative algorithm is employed for solving the perturbation equations. The numerical examples show the potential applicability of the proposed method for the robust design of industrial forming process, too.Item Open Access Entwicklung eines prädiktiven Lenkverfahrens für wiederverwendbare Raumtransportsysteme(2005) Telaar, Jürgen; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)In der vorliegenden Arbeit werden zum einen umfangreiche Missions- und Systemanalysen zu einem wiederverwendbaren Raumtransportsystem durchgeführt und zum anderen wird ein zweistufiges prädiktives Lenkkonzept für den Einsatz in beliebigen Raumfahrzeugen weiterentwickelt und numerisch erprobt. Die Arbeiten sind auf das zweistufige, teilweise wiederverwendbare Raumtransportsystem Hopper ausgerichtet. Die Ergebnisse der Flugleistungsanalysen zeigen, welche Missions- und Systemparameter den größten Einfluss auf die Nutzlast im Zielorbit haben und geben Aufschluss darüber, durch welche Maßnahmen die Nutzlastkapazität des betrachteten Raumtransportsystems gesteigert werden kann. Die suborbital fliegende Erststufe erfordert eine Lenkstrategie, die sowohl den Aufstiegsflug als auch den atmosphärischen Wiedereintritt umfasst. Dazu wird ein am IRS entwickeltes Lenkverfahren, das auf Methoden der nichtlinearen Programmierung (NLP) basiert, weiterentwickelt. Der bordautonome Lenkalgorithmus generiert vor dem Flug mit vereinfachten Modellen einen optimierten Steuerverlauf. Während des Fluges wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen eine Flugbahnvorhersage durchgeführt. Sind die vorhergesagten Zielabweichungen zu groß, führt der Bordrechner eine Aktualisierung der Steuerparameter durch. Dies geschieht durch den Restaurationszyklus des im Lenkkonzept verankerten Optimierungsalgorithmus. Zur Steigerung der Flexibilität des Verfahrens wurden Ungleichungsrestriktionen in den Restaurationszyklus implementiert. Somit werden die missions- und fahrzeugspezifischen Regler, die in vorangegangenen Arbeiten beispielsweise zur Einhaltung des zulässigen Wärmestroms eingesetzt wurden, nicht mehr benötigt. Durch die Definition verschiedener Flugphasen und die Implementierung verschiedener Steuermodelle, die die Möglichkeit bieten, den Steuerverlauf über beliebige Zustandsgrößen zu parametrisieren, wurde erreicht, dass das Verfahren nun auf alle Flugphasen eines wiederverwendbaren Raumtransportsystems anwendbar ist. Die Anwendbarkeit des Verfahrens auf die gesamte Hopper-Mission wird in umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen demonstriert. Dabei werden auch Missionsabbruch-Szenarien betrachtet. Die Übertragbarkeit auf andere Raumfahrzeuge und Missionen wird durch die Simulation einer aerodynamisch unterstützten Orbittransfermission nachgewiesen. Dazu sind nur vergleichsweise geringe Anpassungsarbeiten notwendig, die im Wesentlichen die Fahrzeugmodelle, sprich Aerodynamik, Antrieb, Massen und Abmaße sowie fahrzeug- und missionsspezifische Flugbeschränkungen betreffen. Damit steht nun erstmalig ein Lenkverfahren zur Verfügung, das sowohl den Aufstiegs- als auch den Rückkehrflug eines wiederverwendbaren Trägersystems abdeckt, und leicht auf beliebige Raumtransportsysteme und Missionen übertragen werden kann.Item Open Access Modellierung reaktiver Prozesse auf Siliziumkarbid-Oberflächen in verdünnten Nichtgleichgewichts-Luftströmungen(2005) Fertig, Markus; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)Drei Ansätze zur Berechnung der Wechselwirkungen zwischen Luft im thermischen und chemischen Nichtgleichgewicht und Siliziumkarbid bzw. Siliziumdioxidoberflächen werden vorgestellt und diskutiert. Siliziumdioxid ist ein Oxidationsprodukt der Oxidation von Siliziumkarbid durch Sauerstoff und kann auf der Oberfläche angelagert werden. Dort wirkt es als Diffusionsbarriere und verzögert damit das Fortschreiten der Oxidation. Abhängig vom Gasdruck bildet sich bei hohen Temperaturen verstärkt gasförmiges Siliziummonoxid. In Kombination mit Hochenthalpieströmungen im chemischen Nichtgleichgewicht hat der Abbau des Siliziumdioxid eine um Größenordnungen beschleunigte Oberflächenerosion in Verbindung mit einer Oberflächentemperaturerhöhung von mehreren 100 K zur Folge. Die Verbindung katalytischer Prozesse mit Reaktionen zu Bildung und Abbau von Siliziumdioxid bildet ein Reaktionsgleichungssystem aus 110 einzelnen Reaktionsschritten und ermöglicht es, den Gaszustand an der Oberfläche, die Erosion sowie die Temperatur zu berechnen. Durch Kopplung mit dem im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 259 "Hochtemperaturprobleme rückkehrfähiger Raumtransportsysteme" entwickelten Navier-Stokes Verfahren URANUS, das Luftströmungen im thermochemischen Nichtgleichgewicht genau und effizient berechnen kann, ist es möglich, die Oberflächenbelastung eines Raumfahrzeugs, dessen Hitzeschutzsystem auf Siliziumkarbid oder Siliziumdioxid basiert, bei der Rückkehr zur Erde zu berechnen. Eine einheitliche Schnittstelle für die reaktiven Oberflächenmodelle bildet die kinetische Randflussbehandlung. Diese gestattet es, die Gültigkeit des Simulationsverfahrens in den Übergangsbereich zwischen Kontinuumsströmung und freier Molekularbewegung auszuweiten, so dass Belastungen der Luvseite eines Rückkehrfahrzeugs bis in etwa 100 km Höhe vorhergesagt werden können. Demonstriert wird dies am Beispiel des US-Shuttle Orbiters sowie des experimentellen Wiedereintrittsfahrzeugs MIRKA.Item Open Access Modellgestützte Kostenprognose für den Aufbau qualitätsgesicherter Geodatenbestände(2005) Stark, Martin; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof.Dr.-Ing.)Für moderne Verkehrs- und Telematikdienstleistungen spielen digitale, raumbezogene Daten eine entscheidende Rolle. Erst durch die Schaffung einer digitalen Straßenkarte erhielt z. B. die komplexe Aufgabe der Zielführung von Land-fahrzeugen unter Verwendung von Ortungs- und Navigationsverfahren den zur Markteinführung notwendigen Reife-grad. Diese Geodaten sind nicht nur unverzichtbare Grundlage solcher Anwendungen, sie verzehren bei ihrer Erfassung und Pflege auch die meisten Kosten. Mit der Datenalterung auf Grund mangelnden Aktualisierungen und fehlerhaften oder unvollständigen Inhalten geht ein hohes Maß an Akzeptanzverlust einher. Datenfehler können zudem zu erheblichen Mehraufwendungen und Folgekos-ten führen. Es liegt deshalb im unternehmenseigenen Interesse, die Investitions- und Folgekosten, welche durch den Einsatz von digitalen Geodaten entstehen, möglichst zuverlässig prognostizieren zu können. Diese Kostenprognose ist für die Un-ternehmensentwicklung in Form eines Geschäftsmodells von zentraler Bedeutung. In dieser Arbeit wird deshalb ein Konzept zur modellgestützten Kostenprognose für den Aufbau qualitätsgesicherter Geodatenbestände vorgestellt. Am Beispiel des im Rahmen des Forschungsprojekts MOBILIST in der Region Stuttgart geschaffenen Intermodalen Routenplaners wird gezeigt, mit welchen Arbeitsschritten und deren zeitlichen Umfängen es gelungen ist, von bereits vorhandenen digitalen raumbezogenen Daten zu einer digitalen Geodatengrundlage zu gelangen, die es gestattet, eine verkehrsnetzübergreifende Routenplanung durchzuführen. Hintergrund dieser Entwicklung ist das Bestreben nach ei-nem besseren Zusammenwirken der Verkehrsträger Straße und Schiene, um einen wichtigen Beitrag zu Sicherung der individuellen Mobilität bei stetig steigendem Verkehrsaufkommen zu leisten. Hierbei wird aufgezeigt, dass die Gesamtkosten zur Realisierung der Geodatengrundlage je nach Umfang der Qualitäts-sicherungsmaßnahmen stark variieren. Der Aufwand zur Qualitätssicherung durch Fehleridentifikation und –korrektur kann die Herstellkosten übersteigen. Hieraus motiviert sich die kostenmäßige Betrachtung von qualitätssichernden Maßnahmen sowie deren Einfluss auf die durchzuführende Strategie des Geodatenaufbaus. Mit der Integration dieser Betrachtung in das Kostenprognosemodell wird das Ziel verfolgt, nicht nur die reinen Aufbaukosten des Datenbestandes abschätzen zu können, sondern auch die richtige, kostengünstigere Fehleridentifikations- und -korrekturmaßnahme auszuwählen. Darüber hinaus werden Aussa-gen getroffen, von welchen Einflussfaktoren eine Auswahl unterschiedlicher Aufbaustrategien abhängig ist. Es wird anhand von Modellrechnungen nachgewiesen, dass es wirtschaftlich sinnvoll sein kann, statt der Nutzung des eigenen Datenbestandes einen kompletten fremden Datenbestand einzukaufen und nachträglich weitere Informationen hinzuzufügen. Ferner wird aufgezeigt, ab welchen Qualitätsforderungen eine vollständige Prüfung des gesamten Daten-bestandes einer Stichprobenprüfung vorzuziehen ist und welchen Einfluss dies auf die Gesamtkosten hat. Mit diesem praxistauglichen, anhand eines realen Geodatenaufbaus kalibrierten Kostenprognosemodells existiert eine Entscheidungsmethodik für den Aufbau von Geodatenbeständen. Zudem sind künftig die Qualitätssicherungsmaßnah-men systematisch planbar. Es ist weiterhin detailliert ausgearbeitet, welche Arbeitsschritte zur Projektion dieser mo-dellgestützten Kostenprognose auf andere Anforderungen zum Aufbau von Geodatenbeständen notwendig sind.