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Item Open Access Process migration in a parallel environment(Stuttgart : Höchstleistungsrechenzentrum, Universität Stuttgart, 2016) Reber, Adrian; Resch, Michael (Prof. Dr.- Ing. Dr. h.c. Dr. h.c. Prof. E.h.)To satisfy the ever increasing demand for computational resources, high performance computing systems are becoming larger and larger. Unfortunately, the tools supporting system management tasks are only slowly adapting to the increase in components in computational clusters. Virtualization provides concepts which make system management tasks easier to implement by providing more flexibility for system administrators. With the help of virtual machine migration, the point in time for certain system management tasks like hardware or software upgrades no longer depends on the usage of the physical hardware. The flexibility to migrate a running virtual machine without significant interruption to the provided service makes it possible to perform system management tasks at the optimal point in time. In most high performance computing systems, however, virtualization is still not implemented. The reason for avoiding virtualization in high performance computing is that there is still an overhead accessing the CPU and I/O devices. This overhead continually decreases and there are different kind of virtualization techniques like para-virtualization and container-based virtualization which minimize this overhead further. With the CPU being one of the primary resources in high performance computing, this work proposes to migrate processes instead of virtual machines thus avoiding any overhead. Process migration can either be seen as an extension to pre-emptive multitasking over system boundaries or as a special form of checkpointing and restarting. In the scope of this work process migration is based on checkpointing and restarting as it is already an established technique in the field of fault tolerance. From the existing checkpointing and restarting implementations, the best suited implementation for process migration purposes was selected. One of the important requirements of the checkpointing and restarting implementation is transparency. Providing transparent process migration is important enable the migration of any process without prerequisites like re-compilation or running in a specially prepared environment. With process migration based on checkpointing and restarting, the next step towards providing process migration in a high performance computing environment is to support the migration of parallel processes. Using MPI is a common method of parallelizing applications and therefore process migration has to be integrated with an MPI implementation. The previously selected checkpointing and restarting implementation was integrated in an MPI implementation, and thus enabling the migration of parallel processes. With the help of different test cases the implemented process migration was analyzed, especially in regards to the time required to migrated a process and the advantages of optimizations to reduce the process’ downtime during migration.Item Open Access 3D visualization of multivariate data(2012) Sanftmann, Harald; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)Nowadays large amounts of data are organized in tables, especially in relational databases where the rows store the data items to which multiple attributes are stored in the columns. Information stored this way, having multiple (more than two or three) attributes, can be treated as multivariate data. Therefore, visualization methods for multivariate data have a large application area and high potential utility. This thesis focuses on the application of 3D scatter plots for the visualization of multivariate data. When dealing with 3D, spatial perception needs to be exploited, by effectively using depth cues to convey spatial information to the user. To improve the presentation of individual 3D scatter plots, a technique is presented that applies illumination to them, thus using the shape-from-shading depth cue. To enable the analysis not only of 3D but of multivariate data, a novel technique is introduced that allows the navigation between 3D scatter plots. Inspecting the large number of 3D scatter plots that can be projected from a multivariate data set is very time consuming. The analysis of multivariate data can benefit from automatic machine learning approaches. A presented method uses decision trees to increase the speed a user can gain an understanding of the multivariate data at no extra cost. Stereopsis can also support the display of 3D scatter plots. Here an improved anaglyph rendering technique is presented, significantly reducing ghosting artifacts. The technique is not only applicable for information visualization, but for general rendering or to present stereoscopic image data. Some information visualization algorithms require high computation time. Many of these algorithms can be parallelized to run interactively. A framework that supports the parallelization on shared and distributed memory systems is presented.Item Open Access Auslegung und Optimierung von Flanschverbindungen mit SMC-Losflanschen und PTFE-Dichtungen(2014) Kurz, Hariolf; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Die Anforderungen an Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Hinblick auf die Dichtheit, die Medienbeständigkeit und die Betriebssicherheit in den letzten Jahren gestiegen. Dennoch müssen die Betreiber chemischer Anlagen mit Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Losflanschen aus sheet-molding-compound (SMC) diese nachweislich sicher betreiben. Die Motivation zu dieser Arbeit liegt darin, dieses Bestreben mit der Auswahl von geeigneten PTFE-Dichtungen und mit der Untersuchung und Optimierung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche sowie ihrer analytischen Berechnung zu unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst. • Optimierung der Dichtungen In diesem Themenbereich wurden neun verschiedene Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und zwei Gummidichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in GFK-Flanschverbindungen untersucht. Die Basis der Untersuchungen bildeten die Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555, welche unter reduzierten Anfangspressungen im Leckage- und Stauchversuch und bei niedrigerer Steifigkeit und verlängerter Versuchsdauer im Kriechrelaxationsversuch ermittelt wurden. Vier PTFE-Dichtungen stellten sich im Leckageversuch als besonders geeignet heraus. An diesen wurden zusätzlich Untersuchungen zum Rückfeder- und Kriechrelaxationsverhalten durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Dichtungsprüfung sind zum einen, dass das Leckageratenkriterium der TA Luft mit 0,01 mbar•l/(s•m) bei 40 bar Helium von einigen PTFE-Dichtungen auch bei den in GFK-Flanschverbindungen typischen Flächenpressungen unterhalb 10 MPa eingehalten werden kann. Zum anderen entspricht das Rückfederverhalten der PTFE-Dichtungen dem der Gummidichtungen und die Kriechrelaxation der PTFE-Dichtungen unter den Bedingungen in GFK-Flanschverbindungen ist mit etwa 80% verbleibender Flächenpressung im Betrieb akzeptabel. Der Verlust der Vorspannkraft der Flanschverbindung im Betrieb resultiert maßgeblich aus der Kriechrelaxation der GFK-Flansche. Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen werden von den Dichtungsherstellern verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Variation der Dichtungsgeometrie, welche das Abdichtverhalten verbessern. Um die Auswirkungen dieser Modifikationen rechnerisch erfassen zu können, wurde ein zweistufiges numerisches Konzept entwickelt, welches die Durchlässigkeit der Dichtung mit einem Transportansatz beschreibt. Dafür wird im ersten Schritt in einer Finite-Elemente-Simulation die Flächenpressungsverteilung der Dichtung bestimmt. Die lokale Dichtheit kann mit dem Leckageversuch nach DIN EN 13555 bestimmt und in einem zweiten Schritt der in Finite Elemente diskretisierten Dichtung örtlich zugewiesen werden. Die Lösung des Transportproblems führt zur Druckverteilung innerhalb der Dichtung und zur globalen Leckagerate der optimierten Dichtung. Diese Vorgehensweise liefert im Vergleich zu den gemessenen Druckprofilen innerhalb unter-schiedlich verpresster Dichtungen und für die globale Leckagerate einer vorverpressten PTFE-Dichtung konsistente Werte. Dem entsprechend konnte die Reduktion der Leckagerate einer durch Vorverpressen optimierten PTFE-Flachdichtung um den Faktor 3000 korrekt vorhergesagt werden. Die Methodik ermöglicht ebenfalls eine realistische Bewertung der Dichtheit von Flansch-verbindungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit dem Ergebnis, dass in der Regel die zur Einhaltung der Dichtheit benötigten Mindestwerte der Schraubenkräfte im Vergleich zur herkömmlichen Bewertung der Dichtheit mit der mittleren Flächenpressung der Dichtung geringer werden. • Optimierung der Flansche Zunächst wurde der fertigungsbedingte Lagenaufbau und die damit verbundenen Werkstoffeigen-schaften der SMC-Losflansche bestimmt. Es handelt sich um eine unregelmäßige Verteilung eines transversal isotropen Lagenaufbaus. Dies wurde durch die Untersuchung der Mikrostruktur verdeutlicht, wobei festgestellt wurde, dass innerhalb der Flansche neben den eingeschlossenen Luftblasen auch die Matrix zwischen den Fasern von mikroskopischen Lufteinschlüssen durchsetzt ist. Aus diesem Grund weichen die Elastizitätskonstanten aus der theoretischen Herleitung deutlich von den gemessenen Werten an Bauteilausschnitten ab. Die Untersuchung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche wurde in einem Stauchversuch durchgeführt. Der Unterschied zur genormten Vorgehensweise nach DIN EN 16966 Teil 7 besteht darin, dass die Last kontinuierlich bis zum Bauteilversagen aufgebracht und dabei die axiale Verformung des Losflansches aufgezeichnet wird. Die Auswertung des Stauchverhaltens liefert als Ergebnis die maximale Traglast und die Steifigkeit der Losflansche. Beide Werte sind zur Bestimmung der Qualität einer Flanschverbindung von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich werden mögliche Schwächen im Bauteil, welche zu vorzeitigem Versagen führen, erkannt. Dies ermöglicht dem Hersteller, beispielsweise durch die Variation des Lagenaufbaus oder des Matrixwerkstoffes, die Eigenschaften der Losflansche zu optimieren. Mit der messtechnischen Erfassung des Kriechrelaxationsverhaltens unter Temperatur in einem speziell dafür entwickelten Prüfstand wurde bestätigt, dass der Vorspannkraftverlust der Flanschverbindung im Betrieb maßgeblich durch die viskose Verformung der Flansche bedingt ist. Mit dem Ziel, den Lagenaufbau der SMC-Losflansche zu verbessern und die analytische Beschreibung der Losflansche zu verifizieren, wurde ein Finite-Elemente-Modell der Flanschverbindung erstellt. Darin wurden die an Bauteilausschnitten senkrecht und längs der SMC-Matten ermittelten anisotropen Elastizitätskonstanten, Festigkeits- und Kriecheigenschaften mittels geeigneter Werkstoffmodelle eingebunden. Der unregelmäßige Lagenaufbau wurde durch die Anpassung der Elementkoordinatensysteme an die an Schnitten visuell ermittelte Orientierung der SMC-Matten abgebildet. Die Bewertung der Ergebnisse der FE-Simulation mit der Festigkeits-hypothese nach Tsai-Wu bestätigt das verbesserte Tragverhalten eines Losflansches mit dem durch eine Fertigungsumstellung erzielten ebenen Lagenaufbau. Damit konnte die maximale Traglast des SMC-Losflansches um 50 % erhöht werden. Die Kriechrelaxation des SMC-Losflansches wird durch die Abbildung der an den Bauteilausschnitten ermittelten, richtungsabhängigen Kriechkurven mit dem von Hill modifizierten Kriechgesetz nach Graham-Walles beschrieben. Damit werden die gemessenen zeitlichen Verläufe der Schraubenkraft im Betrieb realistisch abgebildet. Die Vorhersage der im Vergleich zum bestehenden Losflansch geringfügig erhöhten Kriechrelaxation des Prototyps mit ebenem Lagenaufbau wird durch die Messung bestätigt. Insgesamt bedeutet die Erhöhung der zulässigen Schraubenkräfte bei Montage von 40 kN auf 60 kN eine deutliche Zunahme der Schraubenkraft im Betrieb, was die Betriebssicherheit erhöht und die Verwendung von PTFE-Dichtungen begünstigt. • Optimierung der Berechnungsmethode Mit den Erkenntnissen zur Beanspruchung von Losflanschen aus der messtechnischen Untersuchung der Flanschverbindung und aus der numerischen Simulation wurde ein analytisches Berechnungskonzept für den Losflansch entwickelt. Dieses berechnet die Beanspruchung in Umfangsrichtung aus dem Stülpmoment. Die Umfangsspannungen und die Verformung des Losflansches werden damit realistischer beschrieben als durch die bestehenden Regelwerke. Da das Berechnungskonzept ausschließlich die Spannung an der Losflanschoberseite zwischen den Schrauben abbildet, kann ein Bauteilversagen an anderer Stelle nicht erfasst werden. So muss bei der Auslegung differenziert nach der Lokalisierung des Versagens im Stauchversuch vorgegangen werden: - Losflansch versagt im Stauchversuch an der Flanschoberseite zwischen den Schrauben Das Berechnungskonzept ist anwendbar. Zur Berechnung der Flanschverbindung kann die analytische Beschreibung des Verhaltens von Losflanschen die bestehenden Regelwerken ersetzen. Mit dem zur Diskussion stehenden Wegfall der Werkstoffabminderungsfaktoren gemäß den Definitionen im AD 2000-Merkblatt führt die beschriebene Vorgehensweise zu höheren Schraubenkräften bei Montage und im Betrieb der Flanschverbindung. Dies bewirkt eine höhere Dichtheit und Betriebssicherheit von Anlagen mit GFK-Rohrleitungen. - Losflansch versagt an anderer Stelle Das Berechnungskonzept kann nicht angewendet werden. Alternativ können die maximale zulässige Schraubenkraft für Montage und im Betrieb sowie die Steifigkeiten im Stauchversuch ermittelt werden. Der Hersteller kann die sich im Stauchversuch offenbarenden Schwachstellen im Bauteil identifizieren und den Fertigungsprozess hinsichtlich des Tragverhaltens der Losflansche optimieren.Item Open Access Simulation and modeling of mono- and bidisperse suspensions(2000) Höfler, Kai; Herrmann, H. J. (Prof. Dr.)We present a numerical simulation technique which allows us to study three-dimensional, non-Brownian particle suspensions at low Reynolds numbers. We use this simulation technique to study mono- and bidisperse suspensions. And extend the Kynch theory of sedimentation to a advection-diffusion model, which is able to describe the evolution of the concentrations of polydisperse suspensions. The simulation technique couples the particles and the fluid by means of constraint forces and is verified on various test cases like fluid flow through a bed of fixed spheres and the calculation of the volume fraction dependency of the mean sedimentation velocity. We study the velocity fluctuations of monodisperse suspensions and find that the velocity fluctuations in systems with periodic boundary conditions diverge with the system size L. The increase of the velocity fluctuations is in agreement with theoretical arguments. In the case of monodisperse suspensions where the container is bounded by walls in the directions perpendicular to gravity no such scaling is found. Based on Kynch's one-dimensional theory for the evolution of concentrations in monodisperse suspension, we formulate an extension for polydisperse suspensions. The choice of the flux function is based on Batchelor's sedimentation coefficients, which reproduces the basic features of the results of three-dimensional simulations of batch sedimentation. We extended the Kynch model to an advection-diffusion model, where the volume fraction dependency of the diffusion coefficient is described by a phenomenological expression, which shows a good agreement with experimental data. The system of coupled partial differential equations resembles the results of simulations to a high degree and allows to describe the experimental concentration profiles of monodisperse particle suspensions of a given size distribution.Item Open Access Visualization and mesoscopic simulation in systems biology(2013) Falk, Martin Samuel; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)A better understanding of the internal mechanisms and interplays within a single cell is key to the understanding of life. The focus of this thesis lies on the mechanism of cellular signal transduction, i.e. relaying a signal from outside the cell by different means of transport toward its target inside the cell. Besides experiments, understanding can also be achieved by numerical simulations of cellular behavior which require theoretical models to be designed and evaluated. This is where systems biology closely relates and depends on recent research results in computer science in order to deal with the modeling, the simulation, and the analysis of the computational results. Since a single cell can consist of billions of atoms, the simulation of intracellular processes requires a simplified, mesoscopic model. The simulation domain has to be three dimensional to consider the spatial, possibly asymmetric, intracellular architecture filled with individual particles representing signaling molecules. In contrast to continuous models defined by systems of partial differential equations, a particle-based model allows tracking individual molecules moving through the cell. The overall process of signal propagation usually requires between minutes and hours to complete, but the movement of molecules and the interactions between them have to be determined in the microsecond range. Hence, the computation of thousands of consecutive time steps is necessary, requiring several hours or even days of computational time for a non-parallel simulation. To speed up the simulation, the parallel hardware of current central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs) can be employed. Finally, the resulting data has to be analyzed by domain experts and, therefore, has to be represented in meaningful ways. Typical prevalent analysis methods include the aggregation of the data in tables or simple 2D graph plots, sometimes 3D plots for continuous data. Despite the fact that techniques for interactive visualization of data in 3D are well-known, so far none of the methods have been applied to the biological context of single cell models and specialized visualizations fitted to the experts’ need are missing. Another issue is the hardware available to the domain experts that can be used for the task of visualizing the increasing amount of time-dependent data resulting from simulations. It is important that the visualization keeps up with the simulations to ensure that domain experts can still analyze their data sets. To deal with the massive amount of data to come, compute clusters will be necessary with specialized hardware dedicated to data visualization. It is, thus, important, to develop visualization algorithms for this dedicated hardware, which is currently available as GPU. In this thesis, the computational power of recent many-core architectures (CPUs and GPUs) is harnessed for both the simulation and the visualizations. Novel parallel algorithms are introduced to parallelize the spatio-temporal, mesoscopic particle simulation to fit the architectures of CPU and GPU in a similar way. Besides molecular diffusion, the simulation considers extracellular effects on the signal propagation as well as the import of molecules into the nucleus and a dynamic cytoskeleton. An extensive comparison between different configurations is performed leading to the conclusion that the usage of GPUs is not always beneficial. For the visual data analysis, novel interactive visualization techniques were developed to visualize the 3D simulation results. Existing glyph-based approaches are combined in a new way facilitating the visualization of the individual molecules in the interior of the cell as well as their trajectories. A novel implementation of the depth of field effect combined with additional depth cues and coloring aid the visual perception and reduce visual clutter. To obtain a continuous signal distribution from the discrete particles, techniques known from volume rendering are employed. The visualization of the underlying atomic structures provides new detailed insights and can be used for educational purposes besides showing the original data. A microscope-like visualization allows for the first time to generate images of synthetic data similar to images obtained in wet lab experiments. The simulation and the visualizations are merged into a prototypical framework, thereby supporting the domain expert during the different stages of model development, i.e. design, parallel simulation, and analysis. Although the proposed methods for both simulation and visualization were developed with the study of single-cell signal transduction processes in mind, they are also applicable to models consisting of several cells and other particle-based scenarios. Examples in this thesis include the diffusion of drugs into a tumor, the detection of protein cavities, and molecular dynamics data from laser ablation simulations, among others.Item Open Access Increased flexibility and dynamics in distributed applications and processes through resource decoupling(2014) Kipp, Alexander; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Continuously increasing complexity of products and services requires more and more specialised expertise as well as relevant support by specialised IT tools and services. However, these services require expert knowledge as well, particularly in order to apply and use these services and tools in an efficient and optimal way. To this end, this thesis introduces a new virtualisation approach, allowing for both, the transparent integration of services in abstract process description languages, as well as the role based integration of human experts in this processes. The developed concept of this thesis has been realised by: - Enhancing the concept of web services with a service virtualisation layer, allowing for the transparent usage, adaptation and orchestration of services - Enhancing the developed concept towards a “Dynamic Session Management” environment, enabling the transparent and role-based integration of human experts following the SOA paradigm - Developing a collaboration schema, allowing for setting up and steering synchronous collaboration sessions between human experts. This enhancement also considers the respective user context and provides the best suitable IT based tooling support. The developed concept has been applied to scientific and economic application fields with a respective reference realisation.Item Open Access Beschreibung des Verformungs-, Festigkeits- und Versagensverhaltens von Komponenten im Kriechbereich unter instationärer Beanspruchung mit einem elastisch-viskoplastischen Werkstoffmodell(2003) Schemmel, Jürgen; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Beanspruchungsverlauf in Turbinenwellen kann charakterisiert werden durch einen stationären Betrieb im Kriechbereich und eine begrenzte Anzahl von An- und Abfahrten, die dem LCF-Bereich zuzuordnen sind. Der Werkstoff unterliegt dabei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Im stationären Betrieb ändert sich der mehrachsige Spannungszustand infolge zeitabhängiger Verformungsvorgänge, wodurch die Spannungsspitzen deutlich reduziert werden. Durch An- und Abfahrten wird der Spannungszustand des stationären Betriebs gestört, wobei eine zusätzliche Plastifizierung des Werkstoffs auftreten kann. Daneben tritt eine Ermüdungsschädigung auf, die das nachfolgende Kriechen negativ beeinflusst. Für den weiteren Betrieb hat dieses gegenüber einer Fahrweise ohne Laständerungen einen veränderten Spannungszustand und abweichendes Kriechverhalten zur Folge. Zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Turbinenwellen sind auf Kriechgleichungen basierende konventionelle Berechnungsansätze ungeeignet, da diese die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüden sowie deren Gesamtwirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten nicht erfassen. Einen Ausweg bieten viskoplastische Werkstoffmodelle. Im Gegensatz zu den Ansätzen der klassischen Plastizitäts- und Kriechtheorie, die beide Vorgänge als unabhängig voneinander betrachten, beschreiben derartige Werkstoffmodelle alle auftretenden Effekte im Materialverhalten durch übergeordnete Formulierungen. Durch diese Vereinheitlichung der zeitunabhängigen und zeitabhängigen bleibenden Dehnungen können die Wechselwirkungen zwischen Kriechen und Ermüden erfasst werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein derartiges viskoplastisches Werkstoffmodell zu ertüchtigen und zu verifizieren, welches das Verformungs- und Versagensverhalten von typischen Dampfturbinenwerkstoffen unter mehrachsiger Kriechermüdungsbeanspruchung in Turbinenwellen beschreibt. Zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens von Turbinenwellen unter praxisnahen Bedingungen wurden für die Versuchswerkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 bei werkstoffcharakteristischen Anwendungstemperaturen von 550 bzw. 600 °C Kriechermüdungsversuche an Hohlzylinderproben durchgeführt. Dabei wurden die Proben einer über der Zeit veränderlichen kombinierten Beanspruchung unterworfen, die einem aus der Praxis abgeleiteten Beanspruchungszyklus entspricht. Bei den Versuchen trat Versagen deutlich früher ein, als durch eine lineare Überlagerung von Erschöpfungsanteilen für Kriechen und Ermüden abgeschätzt wurde. Zur Beschreibung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens unter Kriechermüdungsbeanspruchung wurde ein elastisch-viskoplastisches Werkstoffmodell ertüchtigt. Da das Kriechen für niedrige Beanspruchung vorwiegend diffusionsgesteuert, für hohe Lasten dagegen versetzungsgesteuert ist, wurden zur besseren Beschreibung des Kriechverhaltens zwei inelastische Dehnraten modelliert. Dabei ergibt die Summe der beiden inelastischen Dehnraten die Kriechgeschwindigkeit. Das Festigkeitsänderungsverhalten des Werkstoffs unter statischer und zyklischer Beanspruchung wurde in der Modellierung durch kinematische und isotrope Variablen erfasst. Zusätzlich enthält das Modell zwei Schädigungsparameter zur Beschreibung der Kriech- und Ermüdungsschädigung. Diese können zur Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Zeitstand- und Ermüdungsschädigung nichtlinear überlagert werden, wodurch die gesamte schädigende Wirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten besser beschrieben werden kann. Die Ermittlung der Modellparameter erfolgte durch Anpassung an eine umfangreiche Werkstoffdatenbasis, bestehend aus Warmzug-, Ermüdungs- und Zeitstandversuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit den ermittelten Parametern das einachsige Werkstoffverhalten hervorragend beschrieben werden kann. Mit dem für die Werkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 angepassten Werkstoffmodell wurden die mehrachsigen Kriechermüdungsversuche nachgerechnet. Dabei konnten die Verformungsverläufe der Kriechermüdungsversuche für die beiden Werkstoffe gut bis zum Erreichen des tertiären Kriechbereichs unter Verwendung der Vergleichsspannungshypothese nach von Mises beschrieben werden. Der Zeitpunkt des tertiären Kriechens und des Versagens wurde zunächst nur unbefriedigend wiedergegeben. Durch eine stärkere Berücksichtigung des Einflusses der Ermüdungsschädigung auf das nachfolgende Kriechverhalten konnte zusätzlich das tertiäre Kriechen der Kriechermüdungsversuche gut erfasst werden. Mit einer erweiterten Schädigungsbetrachtung konnte das Versagensverhalten mit einer Abweichung von nur 10 % zum Experiment berechnet werden. Ein wesentlicher Vorteil des ertüchtigten Werkstoffmodells ist, dass es eine geschlossene Beschreibung des Ablaufs der Verformung- und Schädigungsvorgänge bei zeitabhängiger Beanspruchung von Bauteilen ermöglicht.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zur fertigungsbedingten Entstehung von Fehlern in Mischschweißverbindungen(2011) Schütt, Thorsten; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an einer Mischschweißverbindung die Parameter die zur Entstehung und Ausbildung von Ablösungen (Disbonding) zwischen ferritischem Grundwerkstoff und Pufferung führen können zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Festlegung der Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen wurden strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozesses, einerseits der Pufferung und andererseits der Festigkeitsnaht, für unterschiedliche Nahtgeometrien und Schweißparameter wie Flankenwinkel, Pufferungsdicke, Schweißnahtbreite, Zwischenlagentemperatur und Schweißfolge durchgeführt. Hieraus wurden die Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen abgeleitet, damit möglichst hohe mechanische Spannungen, d. h. Eigenspannungen, am Übergang von Pufferung zum ferritischen Grundwerkstoff auftreten und so das Entstehen von Ablösungen begünstigen. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Mischnaht aus dem ferritischen Werkstoff 22NiMoCr3-7 und dem austenitischen, niobstabilisierten Werkstoff X6CrNiNb18-10 durchgeführt. Die Pufferung und die Verbindungsnaht wurde mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox SAS 2R hergestellt. Zum Vergleich wurde eine weitere Mischschweißverbindung mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox NiCr70Nb ausgeführt. Für die Schweißung der Pufferungen wurde basierend auf Erfahrungen bei der Herstellung von Pufferungen für Mischschweißverbindungen und den Ergebnissen der FE-Analysen, Parameter bestimmt, die eine hohe Neigung zu Ablösungen zwischen Ferrit und Pufferung, also Disbonding, aufweisen. Ausgewählt wurden primär die Parameter, die zu hohen mechanischen Spannungen, d. h. Eigenspannungen, beim Erstarren des Schweißgutes führen. Mit den nach Abschluss der Schweißarbeiten durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen konnten allerdings keine Ablösungen detektiert werden. Die durchgeführten zerstörenden metallkundlichen und mechanisch-technologischen Prüfungen haben gezeigt, dass bei der austenitischen Nahtausführung Gefügebereiche mit inhomogenen Festigkeits- und Verformungseigenschaften aufgetreten sind. Diese unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften können die Bildung von Ablösungen begünstigen. Bei der mechanisch-technologischen Prüfung zeigten hierbei spezifisch entnommene Kerbschlagproben eine Bruchmorphologie, wie sie bereits bei disbondingbehafteten Mischschweißverbindungen festgestellt werden konnte. Im Anschluss an die experimentellen Untersuchungen wurden ergänzend zu den numerischen Vorausberechnungen zur Festlegung der Schweißparameter weiterführende, detailliertere strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozess (Schweißung der Pufferung und der Verbindungsnaht) der Mischschweißverbindung durchgeführt. Für die Nachrechnung wurden hierzu die Parameter des eingesetzten Materialmodells (Armstrong, Frederick und Chaboche (AFC) Modell) an die aktuellen Werkstoffeigenschaften angepasst. Hierzu wurden isotherme, zyklische Zugversuche sowie statische Zugversuche bei vier verschiedenen Temperaturen (RT, 500 °C, 800 °C, 1300 °C) durchgeführt. Darüber hinaus wurden anhand von Kurzzeitstandversuchen die Parameter für ein modifiziertes Graham-Walles Kriechgesetz bestimmt, das für die Simulation der Spannungsarmglühung der Pufferung verwendet wurde. Mit den so ermittelten Parametern haben sich nach der durchgeführten Schweißsimulation Eigenspannungen im Bereich des Interface ergeben, die für die Längsspannung Werte von bis zu 500 MPa erreichen. Die berechnete Längenänderung des Rohres aufgrund der Schweißung ergab einen Schrumpfbetrag des Rohres von ca. 7 mm. Der Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Befunden zeigte für den größten Teil der Parameter und der Schweißnähte eine gute Übereinstimmung. Mit der in dieser Arbeit weiterentwickelten Methodik zur Untersuchung und Bestimmung der werkstoffkundlichen und mechanischen Eigenschaften einer Mischschweißverbindung konnten somit die Einflussgrößen identifiziert werden, die zu Disbonding in Mischschweißverbindungen führen können. Unter Berücksichtigung der hierbei ermittelten Parameter kann ein mögliches Auftreten von Disbonding bei der Herstellung von Mischschweißverbindungen weitestgehend ausgeschlossen werden.Item Open Access Numerische Untersuchungen zur J-Integralerweiterung für elastisch-plastisches Material im Hinblick auf die Integrität des Reaktordruckbehälters(2002) Schimpfke, Thomas; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen dieser Arbeit wurden numerische Untersuchungen von Rissbeanspruchungsparametern durchgeführt, die im Gegensatz zum J-Integral auch bei Entlastung und Spannungsumlagerung nach einer Plastifizierung weg- und gebietsunabhängige Werte aufweisen. Betrachtet wurden die Parameter T* von Atluri und J* von Simo. Im Falle linear-elastischen Materialverhaltens sind beide Beanspruchungsgrößen identisch mit dem J-Integral. Für elastisch-plastisches Werkstoffverhalten stellen sie hinsichtlich der Weg- und Gebietsunabhängigkeit verallgemeinerte Parameter dar. Der Parameter T* entspricht gerade dem J-Integral für einen auf die Rissspitze schrumpfenden Integrationspfad. Der Parameter J* ist ebenfalls der Grenzwert für einen auf die Rissspitze schrumpfenden Integrationspfad, jedoch bleibt im Gegensatz zu T* der dissipative Anteil der Formänderungsarbeit im Integranden unberücksichtigt Mit der Methode der virtuellen Risserweiterung wurden die beide Parameter auf eine zur Programmierung geeignetere Form gebracht. Die Untersuchungen erstreckten sich über Nachrechnungen von WPS-Versuchen und Analysen von einem Reaktordruckbehälter bei Thermoschockbelastung. Insgesamt zeigten die durchgeführten Untersuchungen, dass die alleinige Überprüfung der Weg- und Gebietsunabhängigkeit noch keine einheitlichen Parameter gewährleistet. Erstreckt sich das Integrationsgebiet ”Integraler Parameter”, deren Integranden Ortsableitungen der Spannungs- oder Dehnungskomponenten enthalten, bis an die Rissspitze, so wirkt sich eine Änderung der Integrationsordnung oder der Vernetzung stark auf die berechneten Werte aus. Es war nicht möglich den theoretisch geforderten Grenzübergang an die Rissspitze durchzuführen. Um einheitliche Werte zu erhalten, musste eine 2x2 Integrationsordnung gewählt werden und der Korrekturtermbeitrag eines endlichen Gebietes unberücksichtigt bleiben. Die so ermittelten Parameterwerte waren dann nahezu netzunabhängig.Item Open Access Fortgeschrittene Methoden zur Bewertung des schmelzenspezifischen Zeitstandbruchverhaltens von Werkstoffen des Kraftwerkbaus(2012) Frolova, Olga; Maile, Karl (Prof. Dr.-Ing. habil.)Bei Anlagen, die im Zeitstandbereich betrieben werden, wie z. B. Dampfkraftwerken stellt die Lebensdauerbewertung der hochbelasteten Hochtemperatur-Komponenten eine wichtige Aufgabenstellung dar. Sie steht im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit und damit der Wirtschaftlichkeit und dem Wirkungsgrad, es werden aber auch Aspekte der Betreiberverantwortung abgedeckt. Eine zentrale Problemstellung ist in diesem Kontext die zuverlässige Erfassung und Umsetzung der hierfür notwendigen spezifischen Materialeigenschaften. Im Vordergrund steht hierbei die Festigkeitseigenschaften, ganz besonders aber das zeitabhängige Verformungs- und Bruchverhalten der eingesetzten warmfesten Stähle. Die Festigkeitseigenschaften sind das Resultat wechselseitiger Beeinflussungen, d.h. mehrdimensionaler Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Elementen der chemischen Zusammensetzung, der Parameter der Wärmebehandlung und den Herstellbedingungen, d.h. der Erzeugnisform. Die herkömmlichen analytischen Methoden können die Auswirkung dieser Parameter auf den Kennwert, z. B. die Zeitstandbruchfestigkeit nicht ganzheitlich beschreiben. Die individuelle, d. h. schmelzenspezifische Zeitstandbruchfestigkeit kann nach dem Stand der Technik und Wissens daher zuverlässig nur über experimentelle Untersuchungen ermittelt werden. Aus der Literatur sind erfolgreiche Versuche bekannt, mit Hilfe von künstlichen Neuronalen Netzen (kNN) das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Eingangsgrößen wie chemische Zusammensetzung und Wärmebehandlung, zu simulieren. Die Modellierung mit kNN stellt damit eine Alternative zu den analytischen Methoden dar, da damit mehrdimensionale Zusammenhänge erfasst werden können. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel das Potenzial der Anwendung von kNN auf die Bestimmung von maßgebenden Eigenschaften ausgewählter warmfester Stähle zu ermitteln und zu bewerten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf die optimierte Vorhersage des Zeitstandbruchverhaltens und die Bestimmung der Position der spezifischen Schmelze in dem Streuband des jeweiligen Stahls unter Berücksichtigung aller technisch erfassbaren Parameter gesetzt. Ein wichtiger Ausgangspunkt einer Datenanalyse stellt die Datenbasis selbst dar. Mit der Wahl der Stähle P91, P92 und E911 wurden folgende Ziele erreicht: • die durchgeführten Zeitstandversuche, die die Datengrundlage bilden, entsprechen den Anforderungen der heute gültigen Qualitätsmaßstäben für die Versuchsdurchführung • es wurden Daten von modernen Stählen mit unterschiedlicher Zeitstandfestigkeit, aber vergleichbarer metallurgischen Grundstruktur verwendet • die vorhandenen Ergebnisse für den Stahl X20CrMoV12-1 können einbezogen werden. Vor Verwendung wurden die Daten auf ihre Konsistenz geprüft und in Ebenen mit unterschiedlichen Merkmalen aufgeteilt. Als Merkmale wurden die einzelnen Elemente der chemischen Zusammensetzung, die Parameter der Wärmebehandlung, mechanisch-technologische Kennwerte, die Zeitstandfestigkeit bzw. Zeitstandbruchzeit und der zugehörigen Versuchstemperatur, die Zeitstandbruchdehnung, Mikrostrukturparameter verwendet. Danach wurden mit einem Teil der Daten verschiedene Modelle des kNN trainiert, wobei folgende Zielgrößen verwendet wurden: Zeitstandfestigkeit, Zeitstandbruchzeit, Streckgrenze bei Raumtemperatur. Diese Modelle wurden mit den ermittelten unterschiedlichen Datenebenen trainiert. Das Vorhaben stellte erstmals die Modellierung mit dem kNN den Ergebnissen auf der Basis einer Multiplen Linearen Regressionsanalyse gegenüber. Dabei zeigte sich, dass das kNN ein besseres Korrelationsverhalten aufweist, weil es die mehrdimensionalen Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Elementen besser wiedergibt. Die Interpretationen des kNNs wurden dahingehend geprüft, ob die grundlegenden physikalischen und metallurgischen Hintergründe ausreichend reflektiert werden. Die Ergebnisse wurden mit den realen Materialverhalten verglichen und die Auswirkung bei der Lebensdaueranalyse quantifiziert. Hierzu wurde eine „künstliche“ Schmelze definiert, die den Mittelwert aller berücksichtigten Merkmale repräsentierte. Die Verifikation der Modelle mit der Zielgröße Zeitstandfestigkeit erfolgte auf der Basis von experimentellen Daten, die nicht im Datenpool für das Trainieren des kNN enthalten waren. Dabei ergab sich teilweise eine gute Übereinstimmung. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Anwendung von kNN zur Ermittlung des individuellen Zeitstandbruchverhaltens bei modernen warmfesten Stählen ein Anwendungspotenzial aufweist, das mit der Absicherung der Datenbasis besonders im Bereich langer Bruchzeiten > 50 000 h eine technische Relevanz zeigen wird. Im Hinblick auf die technische Anwendung im Rahmen einer Lebensdauerberechnung stellt sich das Problem, dass es methodenbedingt keine Abschätzung der Unsicherheit der ermittelten Kennwerte gibt, die der seitherigen Vorgehensweise direkt vergleichbar ist.