Universität Stuttgart
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Item Open Access Systematische und nutzerzentrierte Generierung des Pkw-Maßkonzepts als Grundlage des Interior- und Exteriordesign(2010) Müller, Alexander; Maier, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wurde eine Pkw-Maßkonzeption entwickelt, die als Grundlage für das Interior- und Exteriordesign dienen soll. Diese Methodik rückt die Fahrzeugnutzer in den Mittelpunkt der Fahrzeugentwicklung, da mit deren Anwendung Fahrzeuge zentrifugal um die Fahrzeugnutzer konzipiert werden. Um die primäre Transportaufgabe, d.h. den Transport von Fahrzeugnutzern mit ihren Transportgütern, bestmöglich zu lösen, sollte die moderne Pkw-Maßkonzeption unter Berücksichtigung der zuvor definierten Hauptanforderungen systematisch und nutzerzentriert erfolgen. Dazu werden zuerst die Fahrzeugführer ideal positioniert. Grundlage der Pkw-Maßkonzeption ist die Identifikation eines geeigneten Hauptreferenzpunktes. In Abhängigkeit vom gewählten Hauptreferenzpunkt kann ein geeigneter Positionierungsansatz bestimmt und in Bezug auf vorher definierte Anforderungen modifiziert werden. Durch eine Verknüpfung von normierten Fahrzeugabmessungen mit einem digitalen Menschmodell ist zunächst eine systematisch generierte, statische Sitzhaltung zu erarbeiten. Auf dieser statischen Sitzhaltung basierend, werden anschließend kritische Sichtszenarien unter Berücksichtigung kritischer Sichtkegel dargestellt. Der auf der statischen Sitzhaltung der Fahrzeugführer basierende dynamische Raumbedarf wird bestimmt, indem typische und kritische Bewegungsszenarien modelliert werden. Nach der Positionierung der Fahrzeugführer wird auf gleiche Weise der statische und der dynamische Raumbedarf für die Fondpassagiere abgebildet. Es entstehen Hüllvolumina, auf deren Basis zuerst der Volumenbedarf und unter Berücksichtigung weiterer maßkonzeptrelevanter Anforderungen anschließend die Fahrzeuginnenraumabmessungen des Fahrerarbeitsplatzes abgeleitet werden können. Unter Berücksichtigung der primären technischen Funktionsbaugruppen (u. a. alternative Antriebskonzepte) können die Abmessungen des Pkw-Exterior bestimmt werden. Diese Abmessungen betreffen die Karosseriegesamtform des Pkw, die Dimensionierung der Fensterflächen, aber auch die Bemessung von Karosserieöffnungen. Grundlage für die Dimensionierung der Fensterflächen sind Sichtkegel, die mit dem Pkw-Exterior verschnitten werden. Die Basis für die Bestimmung der Abmessungen der Karosserieöffnungen bildet der dynamische Raumbedarf der Fahrzeuginsassen beim Ein- und Ausstieg sowie beim Be- und Entladen. Abschließend wird das Konstruktionsgitter und damit das Fahrzeughauptkoordinatensystems abgebildet. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist in der Generierung eines Gestaltungsrahmens zu sehen, der den Anwender der systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption bei der Maßdefinition unterstützt. Die Definition des Gestaltungsrahmens und damit die Definition von Abmessungen und Abmessungsbereichen gelingt einerseits durch die individuelle Definition von Referenzfahrzeugen oder Referenzfahrzeugkollektiven, andererseits basiert die Definition von Abmessungen und Abmessungsbereichen auf der Anwendung ergonomischer und andersartiger Vorgaben. Dieser Gestaltungsrahmen und die Resultate der digitalen Menschmodellierung dienen als Grundlage für die Maßdefinition einer systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption. Als Grundlage des Interior- und Exteriordesign wird die auf Hauptanforderungen basierende, systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption angesehen, aus der unter Anwendung von Fahrzeugabmessungen sowie ergonomischer und andersartiger Vorgaben das Pkw-Maßkonzept entsteht. Die in dieser Abhandlung erstmals beschriebene, systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption wurde in einem zweistufigen Prozess evaluiert. Eine allgemeine Evaluation wurde auf Basis einer Expertenbefragung mit 18 relevanten Experten durchgeführt. Im Anschluss an die allgemeine Evaluation konnte eine spezifische Evaluation durchgeführt werden. Dafür wurden auf Basis von Hauptanforderungen systematisch nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzepte von erfolgreichen Fahrzeugkonzepten dreier unterschiedlicher Fahrzeughersteller abgebildet. Die systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption wurde auf dieser Grundlage den Fahrzeugherstellern präsentiert und anschließend mit ihren Vertretern diskutiert. Es konnte beobachtet werden, dass systematisch generierte und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzepte im Vergleich zu aktuellen Fahrzeugkonzepten nicht zwangsläufig über größere Exterior-Hauptabmessungen verfügen. Insbesondere auf die Exterior-Abmessungen von Mittel- und Oberklassewagen hat die systematische und nutzerzentrierte Pkw-Maßkonzeption praktisch keinen negativen Einfluss. Durch die Anwendung der systematischen und nutzerzentrierten Pkw-Maßkonzeption können Maßkonzeptvarianten schnell und rational generiert werden. Dies trifft nachweislich insbesondere zu, wenn die Methodik in eine interaktive Software-Anwendung integriert wird. Schnell und rational erzeugte Pkw-Maßkonzeptvarianten können dem Ergonomen in der interdisziplinären Diskussion als Argumentationshilfe dienen.Item Open Access Differential geometry and the geometrically non-linear Reissner-Mindlin shell model(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2024) Müller, Alexander; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Dedicated to simulating thin-walled structures using the finite element method, this thesis focuses on a consistent Reissner-Mindlin shell formulation through theoretical and numerical investigations. Emphasizing a robust mathematical foundation, particularly in differential geometry, the work explores aspects such as the derivation of stress resultants, consistent linearization, and properties of director interpolation. A pivotal outcome is a finite element formulation that outperforms existing ones, exhibiting key features like objectivity, adherence to unit length constraints, avoidance of path dependence, singularity prevention, and optimal convergence orders. Notably, the study of the consistent linearization process yields the correct tangent operator, identified as the symmetric Riemannian Hessian, serving as the stiffness matrix. This, combined with the study of the correct update of the nodal directors, contributes to the superior convergence behavior of a Newton-Raphson scheme compared to existing formulations. Addressing the assumption of zero transverse normal stress, the thesis proposes a novel numerical treatment, using optimization on manifolds, applicable to arbitrary material models. This method shows potential applicability to other models with stress constraints. The claim of a physically and algorithmically sound Reissner-Mindlin shell formulation is supported by results from numerical investigations. Beyond contributing to the algorithmic treatment of the Reissner-Mindlin shell model, the proposed procedures may have implications for improving the accuracy, efficiency, and reliability of numerical treatments of other structural models.Item Open Access Herstellung und Charakterisierung von Calciumphosphat Keramikfasern für den Einsatz in der Knochenrekonstruktion(2013) Müller, Alexander; Buchmeiser, Michael R. (Prof. Dr.)Die Produktvielfalt biokeramischer Implantatmaterialien zur Knochenrekonstruktion hat während der letzten Jahrzehnte rasant zugenommen, das in allen Eigenschaften optimale Gerüstmaterial bleibt bis dato jedoch noch unerreicht. Einer der Ansätze, diese Lücke zu schließen, ist das Generieren von dreidimensionalen Gerüstmaterialien mit knochenähnlichen Eigenschaften. Diese Mimikry der Knochenstruktur und –Zusammensetzung führt zu einem watteähnlichen, definiert offenporösen Material, das vollständig aus biokompatiblen Keramikfasern mit Durchmessern von 10 μm aufgebaut ist. Ein solches Material besitzt durch seine nahezu äquivalente chemische Zusammensetzung und sein flexibles Deformationsvermögen großes Potential für die Knochenrekonstruktion kleiner, schwer zugänglicher Fülldefekte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Untersuchungen zur Herstellung oxydischer, keramischer Fasern des Systems Ca(OH)2/H3PO4/H2O und Ca(OH)2/H3PO4/H2O/Al(OH)3 durchgeführt. Diese Systeme sind durch ihre chemische Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften besonders zur Knochenrekonstruktion geeignet. Es wurden im Verlauf dieser Forschungsarbeit Spinnsysteme entwickelt, die über manuelle sowie maschinelle Spinnverfahren zu so genannten Grünfasern versponnen werden konnten. Den entwickelten Spinnsystemen sowie den generierten Grünfasermaterialien war gemein, dass sie sich aus einem polymeren, faserformenden Additiv und anorganischen Verbindungen zusammensetzten. Der Einsatz von Poly(ethylenoxiden) und Calciumchlorid sowie Phosphorsäure lieferte Spinnsysteme auf wässrig-alkoholischer Basis. Die PEO-Systeme konnten sowohl über Spritzenextrusion, als auch über einen Rotationsspinnprozess zu Grünfaserwatten verarbeitet werden. Die so erhaltenen Grünfasern bzw. Grünfaserwatten wurden bezüglich ihrer Zusammensetzung und Morphologie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Grünfasern aus einer bindenden, faserformenden PEO-Polymermatrix und zwei kristallisierten, leichtlöslichen Calciumphosphaten zusammensetzen. Bei diesen plättchenförmigen, keramischen Präkursorverbindungen handelte es sich um Ca2(H2PO4)2Cl2 sowie Ca(H2PO4)Cl. Diese Ausgangsverbindungen konnten mit Ausbeuten bis zu 40 Gew.-% unter Pyrolyse des polymeren Spinnadditivs zur TCP bzw. (Cl/OH)Ap-Keramik unter Erhalt der Faserstruktur umgesetzt werden. Es konnten auf diesem Weg erstmals keramische CaP-Fasern aus molekulardispersen Spinnsystemen über einen Direktprozess hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Umsetzung des Gemenges von Ca2(H2PO4)2Cl2 und Ca(H2PO4)Cl über mehrere anorganische Festköperreaktionen erfolgt, eine der Hauptphasen stellt dabei Calciumpyrophosphat dar. Die (Cl/OH)Ap-Hauptphase bildete sich ab einer Temperatur von 650 °C aus, die vollständige Umsetzung der Präkursorverbindungen ist bei einer Temperatur von ca. 1150 °C abgeschlossen. Die Korngrößen der (Cl/OH)Ap-Keramikfasern lagen in bekannten Dimensionen eines drucklosen Sinterprozesses von CaP-Keramiken von 500 nm bis 1 μm. Die so generierten TCP bzw. (Cl/OH)Ap-Keramikfaserwatten zeigten jedoch ungenügende Festigkeiten für den Einsatz als Gerüstmaterial zur Knochenrekonstruktion. Zur Optimierung des Gefüges der CaP-Keramikfasern und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften, wurden die Spinnsysteme und damit die Zusammensetzung der Endkeramik variiert. Erfolgreich Anwendung fand dabei Al2(OH)5Cl, das thermisch bei Temperaturen äquivalent zur Bildungstemperatur von (Cl/OH)Ap, zu Al2O3 umgesetzt werden kann. Die entwickelten Keramikfasersysteme wurden zu Probekörpern verarbeitet und auf ihre biologischen Eigenschaften überprüft. Durch das so beschriebene Verfahren konnten erstmals keramische Fasern auf Basis von Calciumphosphaten aus kostengünstigen, molekulardispersen Spinnsystemen in großem Maßstab hergestellt werden. Die gesponnenen Grünfasermaterialien konnten durch Kontrolle der thermischen Umsetzung zu CaP-Keramikfasern umgesetzt werden. Erste biologische Tests bestätigten das große Potential dieser Keramikfaserwatten für den Einsatz in der Knochenrekonstruktion. Die mechanischen Festigkeiten dieser CaP-Keramikfaserwatten sowie deren Porengrößen gilt es für weiterführende Arbeiten zu optimieren.