07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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    3D CFD Simulation von Turboladern innerhalb einer Motorumgebung
    (2014) Boose, Benjamin; Bargende, Michael (Prof. Dr.)
    Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird das Verhalten mehrflutiger Abgasturbolader innerhalb einer Motorumgebung mit pulsierenden Randbedingungen in verschiedenen Motorbetriebspunkten mittels eines CFD Ansatzes untersucht. Dazu wird ein vollständiges dreidimensionales Strömungsmodell eines asymmetrischen Zwillingsstromturboladers aufgebaut, beginnend bei den Abgaskrümmern über die Turbinen- und Verdichtergehäuse inklusive der kompletten Laufräder bis hin zum Vorkatalysator. Die Eintrittsrandbedingungen für die Abgaskrümmer bestehend aus zeitabhängigem Massenfluss und Temperatur für zwei Motorbetriebspunkte bei hoher und niedriger Drehzahl werden von einem eindimensionalen Strömungsmodell des gesamten Motors generiert. Die Turbinen- und Verdichterseite des Modells sind durch ein Momentengleichgewicht gekoppelt und die aktuelle Turboladerdrehzahl wird für jeden Zeitschritt berechnet. Aus diesem Grund werden für die Analyse des Turboladers weder Turbinen- noch Verdichterkennfelder benötigt. Um die Rotation der Laufräder zu modellieren, wird ein Ansatz mit explizit bewegten Gittern verwendet und die Laufradgitter werden vor jedem Zeitschritt mittels eines Gitterinterfaces an die stationären Gehäuse gekoppelt. Als Ergebnisse des Modells werden verschiedene zeitaufgelöste physikalische Größen sowie Wellenleistung und Laderdrehzahl ausgewiesen. Auf Grund der pulsierenden Druckrandbedingung ist es ebenfalls möglich, die instationären Effekte wie Befüllen und Entleeren der Turbine zu untersuchen. Darüberhinaus ist das Modell dieser Forschungsarbeit in der Lage sowohl den instationären Wirkungsgrad unter Druckpulsationen als auch die Überströmverluste, welche durch die unterschiedlichen Druckniveaus der Fluten bei pulsierender Beaufschlagung entstehen, zu analysieren. Um diese Verluste zu quantifizieren, werden neue Kennzahlen eingeführt. Auf Basis der asymmetrischen Zwillingsstromturbine wird eine Doppelstromturbine und eine symmetrische Zwillingsstromturbine mit dem selben Volumen konstruiert. Es werden identische Randbedingungen und die gleichen Laufräder für die Analyse der beiden neuen Varianten verwendet. Diese Turbinenlayouts werden mit dem Ausgangsmodell bezüglich Laderdrehzahl, Wellenleistung und instationärem Wirkungsgrad verglichen. Mit Hilfe neu eingeführter Kennzahlen ist ein Vergleich der Überströmverluste innerhalb der Turbine und des daraus folgenden Rückströmens in den Abgaskrümmer möglich. Das Rückströmen führt zu einem erhöhten Abgasgegendruck und beeinflusst den Ladungswechsel des Zylinders.
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    The physics behind systems biology
    (2016) Radde, Nicole; Hütt, Marc-Thorsten
    Systems Biology is a young and rapidly evolving research field, which combines experimental techniques and mathematical modeling in order to achieve a mechanistic understanding of processes underlying the regulation and evolution of living systems. Systems Biology is often associated with an Engineering approach: The purpose is to formulate a data-rich, detailed simulation model that allows to perform numerical (‘in silico’) experiments and then draw conclusions about the biological system. While methods from Engineering may be an appropriate approach to extending the scope of biological investigations to experimentally inaccessible realms and to supporting data-rich experimental work, it may not be the best strategy in a search for design principles of biological systems and the fundamental laws underlying Biology. Physics has a long tradition of characterizing and understanding emergent collective behaviors in systems of interacting units and searching for universal laws. Therefore, it is natural that many concepts used in Systems Biology have their roots in Physics. With an emphasis on Theoretical Physics, we will here review the ‘Physics core’ of Systems Biology, show how some success stories in Systems Biology can be traced back to concepts developed in Physics, and discuss how Systems Biology can further benefit from ist Theoretical Physics foundation.
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    Inverse fuzzy arithmetic for the quality assessment of substructured models
    (2015) Iroz, Igor; Carvajal, Sergio; Hanss, Michael; Eberhard, Peter
    The dynamical analysis of complex structures often suffers from large computational efforts, so that the application of substructuring methods has gained increasing importance in the last years. Substructuring enables dividing large finite element models and reducing the resulting multiple bodies, yielding a reduction of, in this case, complex eigenvalue calculation time. This method is used to predict the appearance of friction-induced vibrations such as squeal in brake systems. Since the method is very sensitive to changes in parameter values, uncertainties influencing the results are included and identified. As uncertain parameters, standard coupling elements are considered and modeled by so-called fuzzy numbers, which are particularly well suited to represent epis- temic uncertainties of modeled physical phenomena. The influence of these uncertainties is transferred to undamped and damped eigenfrequencies of a substructured model by means of direct fuzzy analyses. An inverse fuzzy arithmetical approach is applied to identify the uncertain parameters that optimally cover the undamped reference eigenfrequencies of a non-substructured, full model. If a validity criteria is defined, a positive decision in favor of the most adequate model can be performed.
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    Entwicklung eines Modells zur Ermittlung psychischer Beanspruchung am Beispiel von Reisenden bei geschäftlich bedingten Hotelaufenthalten
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Borkmann, Vanessa; Spath, Dieter (Univ. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
    Die wissenschaftliche Arbeit untersucht belastende und erholungsförderliche Einflussfaktoren und deren Wirkungen während des Hotelaufenthalts auf die psychische Beanspruchung des geschäftlich Reisenden. Die arbeitswissenschaftliche Untersuchung stützt sich dabei auf einen multidisziplinären Forschungsansatz, der komplexe Zusammenhänge und selektierte Erkenntnisse über die klassischen Grenzen hinweg inhaltlich verknüpft.
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    EVIAN - Electric Vehicle Intelligent Charging Technology R&D combined with Electricity Network Adaptation and Battery Lifetime Factors : technical report
    (Stuttgart : University of Stuttgart, Institute of Automotive Engineering, 2021) Auer, Chris; Brosi, Frank; Abu Mohareb, Omar; Reuss, Hans-Christian
    This technical report is an outcome of the EVIAN-Project funded by the German Federal Ministry of Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung - BMBF). The aim of project EVIAN (Electric Vehicle Intelligent Charging Technology R&D Combined with Electricity Network Adaptation and Battery Lifetime Factors) is to intelligently integrate charging systems or electric vehicles with energy recovery into the power line. In order to be able to feed energy back into the grid, information must be exchanged and communicated between the vehicle, the charging station and the grid operator. This project identifies the parameters necessary to communicate such information between the participating systems. Therefore, a communication strategy is developed which takes into consideration the existing standards and protocols.
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    Adaptive method for quantitative estimation of glucose and fructose concentrations in aqueous solutions based on infrared nanoantenna optics
    (2019) Schuler, Benjamin; Kühner, Lucca; Hentschel, Mario; Giessen, Harald; Tarín, Cristina
    In life science and health research one observes a continuous need for new concepts and methods to detect and quantify the presence and concentration of certain biomolecules-preferably even in vivo or aqueous solutions. One prominent example, among many others, is the blood glucose level, which is highly important in the treatment of, e.g., diabetes mellitus. Detecting and, in particular, quantifying the amount of such molecular species in a complex sensing environment, such as human body fluids, constitutes a significant challenge. Surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy has proven to be uniquely able to differentiate even very similar molecular species in very small concentrations. We are thus employing SEIRA to gather the vibrational response of aqueous glucose and fructose solutions in the mid-infrared spectral range with varying concentration levels down to 10 g/l. In contrast to previous work, we further demonstrate that it is possible to not only extract the presence of the analyte molecules but to determine the quantitative concentrations in a reliable and automated way. For this, a baseline correction method is applied to pre-process the measurement data in order to extract the characteristic vibrational information. Afterwards, a set of basis functions is fitted to capture the characteristic features of the two examined monosaccharides and a potential contribution of the solvent itself. The reconstruction of the actual concentration levels is then performed by superposition of the different basis functions to approximate the measured data. This software-based enhancement of the employed optical sensors leads to an accurate quantitative estimate of glucose and fructose concentrations in aqueous solutions.
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    Sensitivity computation for uncertain dynamical systems using high-dimensional model representation and hierarchical grids
    (2015) Walz, Nico-Philipp; Burkhardt, Markus; Hanss, Michael; Eberhard, Peter
    Global sensitivity analysis is an important tool for uncertainty analysis of systems with uncertain model parameters. A general framework for the determination of sensitivity measures for fuzzy uncertainty analysis is presented. The derivation is founded on the high-dimensional model representation, which provides a common basis with Sobol indices, illustrating the similarities and differences of fuzzy and stochastic uncertainty analysis. For the numerical calculation, a sparse-grid approach is suggested, providing an efficient realization due to the direct relationship between hierarchical grids and the sensitivity measures.
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    Montage und Biegeverhalten von SMD-Bauelementen und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten
    (2024) Saleh, Rafat; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
    Flexible Elektronik gewinnt in der Industrie und Forschung zunehmend an Bedeutung. Ein wichtiger Bereich der flexiblen Elektronik ist das sogenannte System-in-Foil (SiF), bei dem Bauelemente und Strukturen auf oder in einer Polymerfolie integriert werden. Die Anwendungsbereiche von SiF umfassen Unterhaltungselektronik, Industrietechnik, Gesundheitswesen, Automobil-, Luft- und Raumfahrttechnik. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Montage und Biegecharakterisierung von SMDs und ultradünnen Chips auf Foliensubstraten. Dafür wurde ein dynamischer Biegeprüfstand zur Charakterisierung von Folienaufbauten konzipiert und umgesetzt. Anschließend wurden mithilfe einer Versuchsplanung leitfähiges Kleben und Löten zur Integration von SMDs auf Foliensubstraten vergleichend untersucht, wobei Prozess- und Materialvariationen angewendet wurden. Die erstellten Aufbauten wurden mithilfe von Scher- und Biegeprüfungen bewertet. Es wurde festgestellt, dass SMDs, die durch Löten auf Foliensubstrate aufgebracht wurden, im Vergleich zu geklebten SMDs höhere Scherkräfte aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigten die geklebten SMDs eine höhere Anzahl an Biegezyklen bis zum Ausfall. Das Oberflächenfinish erwies sich als ein sehr wichtiger Einflussfaktor auf das Biegeverhalten der Aufbauten. Außerdem wurde ein Konzept zur Integration von ultradünnen Chips auf Foliensubstraten mithilfe von adaptiver Belichtung und Dispenstechniken erarbeitet, das erfolgreich durchgeführt und unter dynamischer Biegeprüfung evaluiert wurde. Die entwickelte Prozesskette ermöglicht es, Chips unabhängig von ihrer Bestückungsgenauigkeit zuverlässig zu erkennen und zu kontaktieren. Mit diesem Konzept wurde ein Aufbau von weniger als 130 μm Dicke ohne große Versteifung an der Verbindungsstelle realisiert. Bei der Biegeprüfung unter 10 mm Biegeradius haben die Aufbauten Tests mit über 10.000 Biegezyklen bestanden. Diese Prozesskette bildet die Grundlage für die Herstellung von multichipfähigen Mikrosystemen.