Universität Stuttgart
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Item Open Access The KdV and Whitham limit for a spatially periodic Boussinesq model(2016) Bauer, Roman; Schneider, Guido (Prof. Dr.)Wir betrachten die KdV-Approximation und die Whitham-Approximation für ein räumlich periodisches Boussinesq-Modell. Wir zeigen Abschätzungen der Differenz zwischen der KdV- beziehungsweise der Whitham-Approximation und echten Lösungen des ursprünglichen Modells, welche garantieren, dass diese Amplituden-Gleichungen korrekte Vorhersagen über die Dynamik des räumlich periodischen Boussinesq-Modells über die natürlichen Zeitskalen machen. Der Beweis basiert auf Blochwellenanalysis und Energieabschätzungen.Item Open Access Spectroscopic investigation of metallic nanostructures towards percolation(2016) De Zuani, Stefano; Dressel, Martin (Prof. Dr.)In this work, we focus on the investigation of the geometrical parameters leading to the tuning of the electrodynamic properties of ultra-thin metallic films at and around the percolation threshold and of metal-dielectric nanostructures with effective optical properties.Item Open Access Entwicklung einer direkt solarthermisch angetriebenen Diffusions-Absorptionskältemaschine(2016) Schmid, Fabian; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird die technische Machbarkeit eines direkt durch die Sonne angetriebenen Diffusions-Absorptionskälteprozesses nachgewiesen. Der Austreiber, der direkt in einen doppelt verglasten Flachkollektor integriert ist, stellt das zentrale Bauteil dieser Kältemaschine dar. Er ist gleichzeitig die Thermosiphonpumpe des Kälteprozesses. Üblicherweise wird diese im unteren Bereich des Rohres von Heizbändern mit einer hohen Wärmestromdichte beheizt. In einem kombinierten Kollektoraustreiber limitieren die Solarstrahlung und der Kollektorwirkungsgrad die maximale Wärmestromdichte. Zusätzlich muss die Thermosiphonpumpe aufgrund der Kollektorneigung entlang einer geneigten Ebene fördern. Diese Randbedingungen erfordern umfangreiche Untersuchungen zum Förderverhalten der Thermosiphonpumpe. Neben der Thermosiphonpumpe ist der Hilfsgaskreislauf, sowohl für die Kälteleistung als auch für den Wirkungsgrad des Diffusions-Absorptionskälteprozesses, von besonderer Bedeutung. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die detaillierte Untersuchung des Hilfsgaskreislaufs. Mittels Clamp-On-Ultraschallsensoren gelingt es erstmalig den Ammoniakmolanteil sowie den Gasvolumenstrom kontinuierlich und ohne Eingriffe in den Prozess zu erfassen. Ein magnetgekoppelter Edelstahlpropeller ermöglicht, statt der üblichen Naturzirkulation, eine Zwangsumwälzung des Hilfsgaskreislaufs. Somit kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stoffübertragung im Absorber und Verdunster nachgewiesen und bewertet werden. Mit den Messergebnissen wird ein neu erstelltes Simulationsmodell, welches die Stoffübertragung im Hilfsgaskreislauf abbildet, validiert. Aufbauend auf den Messergebnissen einer elektrisch beheizten Diffusions-Absorptionskältemaschine, den Förderversuchen der Thermosiphonpumpe und der Vermessung des Kollektoraustreibers im Sonnensimulator wird schlussendlich eine solarthermisch angetriebene Diffusions-Absorptionskältemaschine ausgelegt und aufgebaut. Durch einen anschließenden, erfolgreichen Test in einem Freiluftprüfstand wird die Funktionsfähigkeit des Anlagenkonzepts nachgewiesen.Item Open Access Excitonic Fano resonances in Ta2NiSe5 and Ta2NiS5(2016) Larkin, Timofei I.; Keimer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Cognition-aware systems to support information intake and learning(2016) Dingler, Tilman; Schmidt, Albrecht (Prof. Dr.)Knowledge is created at an ever-increasing pace putting us under constant pressure to consume and acquire new information. Information gain and learning, however, require time and mental resources. While the proliferation of ubiquitous computing devices, such as smartphones, enables us to consume information anytime and anywhere, technologies are often disruptive rather than sensitive to the current user context. While people exhibit different levels of concentration and cognitive capacity throughout the day, applications rarely take these performance variations into account and often overburden their users with information or fail to stimulate. This work investigates how technology can be used to help people effectively deal with information intake and learning tasks through cognitive context-awareness. By harvesting sensor and usage data from mobile devices, we obtain people's levels of attentiveness, receptiveness, and cognitive performance. We subsequently use this cognition-awareness in applications to help users process information more effectively. Through a series of lab studies, online surveys, and field experiments we follow six research questions to investigate how to build cognition-aware systems. Awareness of user's variations in levels of attention, receptiveness, and cognitive performance allows systems to trigger appropriate content suggestions, manage user interruptions, and adapt User Interfaces in real-time to match tasks to the user's cognitive capacities. The tools, insights, and concepts described in this book allow researchers and application designers to build systems with an awareness of momentary user states and general circadian rhythms of alertness and cognitive performance.Item Open Access Finite nichtlinear viskoelastische Modellierung offenzelliger Polymerschäume(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2016) Effinger, Veronika Maria; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die moderne Fahrzeugentwicklung nutzt digitale Prototypen und stellt dadurch hohe Anforderungen an die Simulationsmethoden, die zur virtuellen Bewertung und Optimierung der Fahrzeugeigenschaften eingesetzt werden. Um den Fußgängerschutz als Teil der Fahrzeugfunktion Crashsicherheit zu gewährleisten, ist eine adäquate Beschreibung des mechanischen Verhaltens offenzelliger Polymerschäume als Bestandteile des Hüftimpaktors erforderlich. Im Rahmen der klassischen Kontinuumsmechanik wird in dieser Arbeit eine verbesserte Modellierung offenzelliger Polymerschäume vorgeschlagen, bei der nicht nur die Zug-Druck-Asymmetrie und die ausgeprägte Dehnratenabhängigkeit dieser Werkstoffe sondern auch deren Relaxations-, Erholungs- und Hystereseverhalten erfasst werden. Ausgehend von der Annahme, dass sich die Gesamtspannung additiv aus Gleichgewichts- und Überspannung zusammensetzt, liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung der Überspannung im Rahmen der Theorie der finiten nichtlinearen Viskoelastizität in Integraldarstellung. Nach der Einführung in die Theorie der linearen und nichtlinearen Viskoelastizität werden verschiedene Faltungsalgorithmen, Spannungs- und Dehnratenmaße sowie nichtlinear viskoelastische Erweiterungen des Faltungsintegrals vorgestellt und zu einer modularen Materialroutine kombiniert. Um die Versuche des Polyurethanschaumes Confor CF-45 abzubilden, hat sich eine Formulierung in der Biot-Spannung und der Rate des rechten Strecktensors mit einer nichtlinear viskoelastischen Erweiterung im Hauptachsensystem des Dehnratentensors als geeignet erwiesen. Mit den für diesen Werkstoff ermittelten Parametersätzen werden die viskoelastischen Effekte anhand numerischer Beispiele veranschaulicht und die Simulationsergebnisse mit dem Stand der Technik verglichen.Item Open Access Zur Synthese und Reaktivität von N-heterocyclischen Phospheniumkomplexen mit Carbonylferraten(2016) Stadelmann, Birgit; Gudat, Dietrich (Prof. Dr.)Im Gegensatz zu ihren neutralen und kationischen Analoga wurde die chemische Reaktivität anionischer Phosphenium-Übergangsmetallkomplexe bislang kaum untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte die Synthese des ersten anionischen Phospheniumkomplexes durchgeführt sowie experimentelle und theoretische Erkenntnisse zur Reaktivität und Struktur gewonnen werden. Weiterhin konnte eine alternative Syntheseroute - ausgehend von der Direktsynthese eines Phosphenium-Eisenhydridkomplexes - unter Erhalt des anionischen Komplexes etabliert werden. Weitere Studien an diesem Komplex offenbarten ein deutliches Säure-Base-Verhalten. In einem weiteren Teil wurde einer der ersten Vertreter der Bisphospheniumkomplexe dargestellt und die Elektrophilie sowie die Nukleophilie untersucht. Zudem wurden erste Ergebnisse zu analogen Umsetzungen mit gesättigten N-heterocyclischen Phospheniumliganden erhalten.Item Open Access Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.Item Open Access Techno-ökonomische Prozessbewertung der Herstellung synthetischen Flugturbinentreibstoffes aus CO2 und H2(2016) König, Daniel H.; Thess, Andre (Prof. Dr. rer. nat.)Technologieverbesserung, Optimierung der Betriebsabläufe und effiziente Infrastrukturgestaltung tragen zur Reduzierung der Umweltwirkung des stetig wachsenden Flugverkehrs bei. Um jedoch die Ziele zur Emissionsminderung und Dekarbonisierung des Flugverkehrs zu erreichen sind alternative Treibstoffe notwendig. Die Konvertierung von H2 und CO2 in flüssigen Flugturbinentreibstoff mit dem Power-to-Liquid-Verfahren (PTL) stellt dabei einen möglichen Herstellungspfad dar, welcher in dieser Arbeit unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten analysiert und bewertet wird.Item Open Access Modellbasierte Softwareentwicklung für mobile Manipulatoren im industriellen Einsatz(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Bubeck, Alexander; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Roboter, die Mobilität und Manipulation verbinden, stehen in immer größerer Anzahl für den Einsatz in Wissenschaft, aber auch in industriellen Anwendungen zur Verfügung. Jedoch ist die Softwareentwicklung durch die hohe Anzahl an Aktoren und Sensoren für solche Robotersysteme aufwändig und komplex. Eine Nutzung ist im industriellen Kontext daher oft nicht wirtschaftlich. Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung der Softwareentwicklung durch modellgetriebene Entwicklungsmethodik herbeizuführen, um durch geringeren Aufwand, durch verstärkte Wiederverwendung bestehender Software und durch das bessere Separieren von Expertenwissen die Entwicklungskosten zu senken. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit eine direkte formale Beschreibung des ROS Komponentenframeworks als Meta-Modell entwickelt, auf dessen Basis eine Entwicklungstoolchain umgesetzt wird. Die konzeptionelle Nähe zu den bestehenden Mechanismen innerhalb des Komponentenframeworks ermöglicht eine schnellere Akzeptanz bei ROS Entwicklern sowie die Wiederverwendung bestehender ROS Komponenten. In der Umsetzung des Meta-Modells wird dabei die Auftrennung von Entwicklerrollen und -belangen umgesetzt. Zudem wird durch Modelltransformationen eine Unterstützung von anderen Roboterframeworks und Meta-Modellen implementiert. Die entwickelte Toolchain wird in dieser Arbeit im Rahmen von drei Case Studies auf Roboterentwicklungsprozesse angewandt und bzgl. Wiederverwendbarkeit, der Auftrennung von Nutzerrollen und des Entwicklungsaufwands analysiert. Dabei kann eine Effizienzsteigerung und eine Verbesserung von Wiederverwendungsmetriken gezeigt werden. Mit Hilfe einer Entwicklerbefragung wird zudem eine qualitative Verbesserung von Entwicklungsprozessen für mobile Manipulatoren durch die modellbasierte Toolchain nachgewiesen.