Universität Stuttgart
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Item Open Access Konzept für eine sichere und benutzerfreundliche Authentifizierung für industrielle Produktionsanlagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Borisov, Alexander; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Anzahl und die Schwere der Angriffe auf industrielle Komponenten nehmen von Jahr zu Jahr stark zu. Gleichzeitig steigt der Grad der Vernetzung der Anlagen weiter an und vergrößert dadurch nochmals die mögliche Angriffsfläche. Die aktuelle Situation bezüglich IT-Sicherheit in der fertigenden Industrie erfordert eine dringende Verbesserung der vorhandenen IT-Sicherheitsmaßnahmen. Insbesondere weisen die existierenden Authentifizierungsmöglichkeiten in der Industrie mehrere Defizite auf. Die Sicherheit der zurzeit eingesetzten Methoden, ihre Benutzerfreundlichkeit und auch der monetäre Aufwand für den Betrieb sind bei zahlreichen Anwendungen nicht zufriedenstellend. Seitens der Industrie und auch der Forschungsgemeinschaft besteht daher der Bedarf, bessere Authentifizierungsverfahren zu entwickeln. Die Erforschung einer neuen Authentifizierungsmöglichkeit für eine industrielle Anwendung bildet den Hauptteil der vorliegenden Arbeit. Die in dieser Arbeit erarbeitete Authentifizierungsmethode basiert auf der Verwendung von zeitbasierten Einmalschlüsseln, die über eine speziell entwickelte App im Smartphone des Benutzers generiert werden. Dabei findet eine beidseitige und eine Zwei-Faktor-Authentifizierung statt. Die Authentifizierungsinformationen werden zudem über die Verbindung des Smartphones an den Server übertragen. Die Lösung weist somit eine hohe Benutzerfreundlichkeit, starke Sicherheit und geringe Betriebskosten auf. Diese Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestätigt und in einer Benutzerstudie nachgewiesen. Darüber hinaus wurde in der Arbeit gezeigt, wie die entwickelte Authentifizierungslösung in eine IT-Sicherheitsarchitektur eines Werkes integriert werden kann. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung der IT-Sicherheit in der produzierenden Industrie und kann für die Institute der angewandten Forschung sowie auch für die Entwicklungsabteilungen der Industrieunternehmen von Bedeutung sein.Item Open Access Optimierung der Grundwasserbewirtschaftung unter Berücksichtigung der Belange der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes(2006) Schneck, Alexander; Kobus, Helmut (Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Ph.D.)Grundwasserentnahmen zum Zwecke der öffentlichen Trinkwasserversorgung führen in den Wassergewinnungsgebieten zur Absenkung der natürlichen Grundwasserstände und können sich daher negativ auf andere Grundwassernutzer auswirken. Sie bewirken beispielsweise Änderungen in den Standortbedingungen für die grundwasserabhängige Tier- und Pflanzenwelt und die landwirtschaftliche Nutzung. Bei der Existenz mehrerer Gewinnungsanlagen lässt sich die Gesamtentnahme auf die verschiedenen Brunnen verteilen, so dass hier eine Möglichkeit zur aktiven Steuerung der Förderraten gegeben ist. Dadurch ist es möglich, die Eingriffsintensität der Entnahme auf die anderen Nutzer zu minimieren. Doch durch die Entnahme aus verschiedenen Brunnen ergeben sich auch für die Wasserversorgung Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Qualität des Mischwassers. Vor diesem Hintergrund gilt es, ein Werkzeug zu entwickeln, mit dessen Hilfe die optimalen Förderraten schnell errechnet werden können, wobei die verschiedenartigen Anforderungen der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes berücksichtigt werden. Gleichzeitig muss aber auch der Frage nachgegangen werden, welche Gesamtförderrate optimal im Sinn einer nachhaltigen Entwicklung des Wassergewinnungsgebietes ist. Dazu wird in der vorliegenden Arbeit ein Bewertungs- und Optimierungssystem für die Grundwasserbewirtschaftung entwickelt und anhand des Langenauer Donaurieds seine Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt. Das System nutzt die Rechenergebnisse von numerischen Grundwassermodellen und wertet diese zusammen mit anderen ökologischen und sozioökonomischen Bewertungskriterien aus. Der errechnete Gesamtnutzwert einer Bewirtschaftungsalternative erlaubt nun eine Aussage darüber, wie nah man der angestrebten nachhaltigen Lösung ist und macht verschiedene Alternativenbewertungen direkt miteinander vergleichbar. Mit Hilfe eines gekoppelten Optimierungsalgorithmus‘ lässt sich so schnell die bestmögliche Bewirtschaftungsstrategie unter vorgegebenen Randbedingungen ermitteln. Eine solch umfassende Betrachtung der Auswirkungen von Grundwasserentnahmen erfordert den Einsatz eines multikriteriellen Bewertungssystems. Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich das Bewertungsverfahren Composite Programming als am besten geeignet für die vorliegende Fragestellung dargestellt. Die Arbeit stellt Schritt für Schritt dar, wie die einzelnen Bewertungskriterien und Zielvorgaben zu ermitteln sind, wie die einzelnen Teilbewertungen zu einer nachvollziehbaren Gesamtbewertung gebündelt werden und wie die gewonnenen Informationen genutzt werden können, um die Grundwasserbewirtschaftung zu optimieren. Umfassend wird in der Arbeit die Sensitivität der Bewertungs- und Optimierungsergebnisse auf die einwirkenden Randbedingungen untersucht und dargestellt. Aus den Untersuchungsergebnissen werden weiterhin Hinweise zum Umgang mit den nicht objektivierbaren Parametern abgeleitet, um die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit auf andere Gebiete zu erleichtern. Als Ergebnis der Arbeit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dessen Hilfe Grundwasserentnahmen zukünftig für die Nutzergruppen Wasserversorgung, Landwirtschaft und Natur verträglicher gestaltet werden können. Ein solches Werkzeug ist insbesondere vor dem Hintergrund der in den kommenden Jahren umzusetzenden EU-Wasserrahmenrichtlinie (Vermeidung signifikanter Schädigungen grundwasserabhängiger Landökosysteme) dringend notwendig.Item Open Access Zwei-Fermionen-Systeme in der relativistischen Schrödinger-Theorie(2007) Pruß-Hunzinger, Stefanie; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)Für lokale Wechselwirkungen zwischen asymptotisch freien Teilchen bietet die QED eine äußerst exakte Beschreibung. Anders sieht es jedoch für gebundene Teilchen aus, wo die Teilchen "kontinuierlich" wechselwirken. Für zwei Teilchen existiert zwar die Bethe-Salpeter-Gleichung, die jedoch diverse Interpretationsprobleme aufwirft; für mehr als zwei gebundene Teilchen gibt es noch keine ausgereiften Ansätze. Für gebundene Mehrteilchenprobleme werden deshalb Energiewerte gewöhnlich zuerst semiklassisch berechnet und dann die entsprechenden QED-Korrekturen hinzu addiert. In der vorliegenden Dissertation werden gebundene Mehrteilchenprobleme auf der Grundlage der Relativistischen Schrödinger Theorie (RST) untersucht. Hierbei handelt es sich um einen alternativen fluiddynamischen Ansatz, der auf einer grundlegend anderen Struktur als die konventionelle Quantenmechanik basiert, indem nämlich zur Beschreibung von Mehrteilchenzuständen keine Produktstruktur sondern eine Summenstruktur (Whitney-Summe) verwendet wird. Zudem wird im Rahmen der RST von einer erweiterten Strukturgruppe Gebrauch gemacht, die es ermöglicht, die Austauschwechselwirkungen zwischen identischen Teilchen und die elektromagnetischen Wechselwirkungen auf dieselbe Weise zu behandeln. Dieser Ansatz ermöglicht es auch, QED-analoge Korrekturen, wie z.B. der Selbstwechselwirkung, auf nicht-störungstheoretische Weise in die Theorie zu integrieren. In der hier vorliegenden Arbeit wird nun der allgemeine RST-Ansatz auf den Fall heliumähnlicher Ionen spezialisiert. Es zeigt sich dabei, dass für den semiklassischen Fall ohne Selbstwechselwirkungskorrekturen die mithilfe der RST gewonnenen Wechselwirkungs- und Ionisierungsenergien in derselben Größenordnung liegen wie konventionelle Rechnungen. Die Einbeziehung von Selbstwechselwirkungskorrekturen erfolgt im konventionellen Fall durch Addition dieser Korrekturen zu den semiklassischen Berechnungen, wohingegen bei der RST die Theorie selbst eine Möglichkeit bietet, die Selbstwechselwirkungen exakt zu behandeln, indem man den RST-Selbstwechselwirkungsparameter ungleich Null wählt. Vergleicht man nun die konventionellen Berechnungen und die analogen RST-Ergebnisse mit den experimentellen Daten, so zeigt es sich, dass die RST-Voraussagen für die Ionisierungs-, bzw. Wechselwirkungsenergien näher an den experimentellen Daten liegen als die konventionellen Berechnungen. Die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten wird bei wachsender Kernladungszahl (Z>30) immer besser, wenn man den Selbstwechselwirkungsparameter der RST bei einer möglichst hohen Kernladungszahl festlegt (z.B. Wismuth, Z=83).Item Open Access Efficient simulation of challenging PDE problems on CPU and GPU clusters(2021) Schirwon, Malte; Göddeke, Dominik (Prof. Dr.)The main contribution of this dissertation is to show how efficient parallelization techniques for numerical simulations of partial differential equations (PDEs) can be developed and which aspects have to be considered in order to obtain the best possible performance. For this purpose, the target platforms range from high-performance workstations to small clusters and up to supercomputers. In particular, we focus on platforms accelerated by graphics cards. We emphasize that the efficient numerical simulation of PDE problems comprises and combines, in novel ways, aspects from numerical analysis, numerical methods (algorithmics, data structures and other areas more related to computer science) and hardware details. Many models in science, engineering and economics are based on systems of PDEs. The choice of modeling techniques, the implementation of numerical solution techniques, as well as the chosen target platform limit the accuracy and the duration of the simulation. Increasing the accuracy and/or reducing the duration of the simulation is usually not possible without efficient software. Based on three application scenarios, we adapt already existing methodologies and algorithms to the target platforms or change the way they are implemented in order to achieve optimal efficiency. As a guiding scheme, we consider the challenging case of unstructured data and schemes. The first application is the wave propagation in optical fibers. We present an MPI-parallel implementation that is particularly suitable for small clusters. %Here, we change the numerical method and the implementation technique to increase efficiency and decrease runtime. The second application scenario is the flow in porous media. Based on both applications, we develop implementation techniques that increase their efficiency. Furthermore, we present an adapted version of a neighborhood algorithm that further increases the efficiency for current graphics cards. The increased efficiency and reduced runtime allows to perform more complex simulations. %For example, higher resolutions can be simulated or more physical parameters can be included. One of theses applications is considered to be the third application, which is seismic wave propagation and waveform inversion. The feasibility of developing efficient implementations for computationally powerful target platforms permits us to consider the inversion of seismic waves in viscoelastic materials. In particular, we present an inversion scheme that also allows us to determine the damping parameters of the viscoelastic material. In addition, regularization methods and a modified solver method are presented, which can be used for a more efficient solution of such problems.Item Open Access Measurement of soot precursor particles under atmospheric and low pressure conditions by means of time-of-flight mass spectrometry(2009) González Baquet, Tania; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)During the last decades a great progress has been achieved in the understanding of the combustion of hydrocarbons. The gas phase reactions governing the first steps in the combustion process are well understood. The existing models describing the growth of soot particles and the formation of soot aggregates are widely accepted, as well. However, the so-called inception, i.e. the mechanism leading to the formation of the first solid particles from gas phase molecules, is still a controversial issue. This is mainly due to the lack of adequate experimental techniques capable of detecting particles in the low nanometer range like those created in the nucleation process in flames. At present most of the combustion models stress the importance of PAH formation and growth in the soot formation process. Other models, however, propose a soot formation mechanism based on the formation of large three dimensional structures without crystallinity. In the present work, the detection and characterization of soot precursor particles, as transition species between gas phase molecules and solid soot particles in the combustion process, is attempted by means of mass spectrometry. To this end a ”custom-built” reflectron time-of-flight mass spectrometer of high sensitivity and with a large mass range is used. Measurements are carried out in different premixed ethylene laboratory flames at different pressures and in a wide range of stoichiometries. Additionally, the exhaust of a gasoline and a diesel engine is investigated. These measurements require the development of a sampling technique capable of transporting the sample from atmospheric conditions to the high vacuum of the mass spectrometer. The resulting fast pulsed sampling system minimizes undesirable sampling line effects while it enables the generation of an optimized molecular beam. Photo ionization of the sample is provided by an excimer laser. The main findings of this work can be summarized as follows: 1. Different types of soot precursor particles can coexist in the flame. For the first time two different types of soot precursor particles with diameters ranging from approximately 1 to 5 nm have been simultaneously detected. The different soot precursor particle modes, in the following referred to as mode A and mode B, show different features. Thus, the existence of at least two different types of soot precursor particles is postulated. Mode A particles are found in a wide range of flame stoichiometries. They are characterized by an ionization order close to two and show a fragmentation threshold of around 0.12 MW/cm2. These particles are considered amorphous, more characteristic of low temperature flames and associated to the soot precursor particles described by D’Alessio et al.. Mode B particles are only observed in a limited stoichiometric range associated with rather high flame temperatures. Mode B particles show an ionization order close to one and a relatively high fragmentation threshold close to 2.24 MW/cm2. These particles are considered to be similar to the ones described by Dobbins et al., i.e. stacks of planar PAHs. 2. Soot precursor particles, although considered to be very reactive, can survive the flame and be emitted. 3. Soot precursor particles are found in significant amounts only at flame stoichiometries above the soot threshold. The lower stoichiometric limit for particle generation is still an issue discussed in the combustion community. All results of this study indicate that the onset of particle formation takes place at flame stoichiometries close to the soot threshold. Consequently, the emission of soot precursor particles seems not to be an outstanding problem in the case of gasoline combustion engines, since the latter work under fairly stoichiometric burning conditions and are characterized by a homogeneous fuel-mixture. This is confirmed by the measurements carried out in the exhaust gas of a gasoline generator. Conventional diesel engines work under globally lean burning conditions but are characterized by a heterogeneous fuel-mixture. Consequently, high particle emissions are expected. The measurements carried out in the exhaust gas of a diesel generator, however, show negligible soot precursor particle emissions. In this case soot precursor particles are oxidized due to the excess of oxygen in the exhaust gas. Soot precursor particle losses due to coagulation with soot particles are also expected. This work demonstrates the utility of time-of-flight mass spectrometry for the detection and study of soot precursor particles. The experimental data presented in this thesis provide new information about the transition region between gas phase molecules and soot particles in the combustion process. This improves the understanding of the soot formation process and stimulates the revision of current combustion models.Item Open Access Parameterfreies hierarchisches Graph-Clustering-Verfahren zur Interpretation raumbezogener Daten(2004) Anders, Karl-Heinrich; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing.)Die Notwendigkeit der automatischen Interpretation und Analyse von räumlichen Daten wird heutzutage immer wichtiger, da eine stetige Zunahme der digitalen räumlichen Daten zu verzeichnen ist. Dies betrifft auf der einen Seite Rasterdaten wie auch auf der anderen Seite Vektordaten, welche überwiegend auf unterschiedlichen Landschaftsmodellen basieren. Differenzen zwischen diesen Landschaftsmodellen bestehen u.a. in den Objektarten, dem Grad der Generalisierung oder der geometrischen Genauigkeit der gespeicherten Landschaftsobjekte. Die interaktive Prozessierung und Analyse von großen Datenbeständen ist sehr zeitaufwendig und teuer. Speziell die manuelle Analyse räumlicher Daten zum Zwecke der Datenrevision wird in Zukunft das Limit der technischen Umsetzbarkeit erreichen, da moderne Anforderungen an die Laufendhaltung der Daten zu immer kürzeren Aktualisierungszyklen führen. Die automatische Interpretation digitaler Landschaftsmodelle setzt die Integration von Methoden des räumlichen Data Mining bzw. Knowledge Discovery in raumbezogenen Daten innerhalb von Geographischen Informationssystemen (GIS) voraus. Zunächst beschreiben wir einen Ansatz zur Generierung von 3D-Gebäuden, welche als Hypothese aus Katasterkarten abgleitet werden. Diese Vorgehensweise stellt ein Beispiel für die DLM-Interpretation auf der Grundlage eines spezifischen Modells dar und kann zur schnellen Generierung von groben 3D-Stadtmodellen oder als Vorabinformation zur bildgestützten 3D-Gebäuderekonstruktion verwendet werden. Des weiteren stellen wir detailliert einen Ansatz zur Ableitung von ATKIS-Daten aus ALK-Daten vor, welcher ein Beispiel für die DLM-Interpretation basierend auf einem generischen Modell der DLM-Basiselemente darstellt und zur automatischen Laufendhaltung der Daten dient. Beide Ansätze führen direkt zum grundsätzlichen Problem der Gruppierung von räumlichen Objekten, welches generell unter dem Begriff des Clusterns zusammengefasst wird. Man unterscheidet zwei Arten von Clusterverfahren: überwachte und unüberwachte Methoden. Unüberwachte Cluster- oder Lernverfahren können für den dritten genannten Fall der DLM-Interpretation verwendet werden und sind gut geeignet für die Modellgeneralisierung und die kartographische Generalisierung von DLM-Daten, falls die Methoden in der Lage sind, Cluster mit beliebiger Form zu erkennen. Die bisher existierenden Verfahren benötigen jedoch zumeist verschiedenste Kenntnisse als Voraussetzung, wie z.B. die Verteilungsfunktion der Daten oder Schrankenwerte für Ähnlichkeitsmessungen bzw. Abbruchkriterien. Zudem finden viele Clusterverfahren nur Gruppierungen mit konvexer Form und erkennen keine Löcher (z.B. Maximum-Likelihood-Methoden). Der Hauptteil dieser Arbeit widmet sich einem neu entwickelten, unüberwachten Clusterverfahren zur automatischen Interpretation von raumbezogenen Daten. Das Verfahren heißt Hierarchisches Parameterfreies Graph-CLustering (HPGCL) und dient zur Erkennung von Clustern beliebiger Form. Es benötigt weder Parameter wie z.B. Schrankenwerte noch Annahmen über die Verteilung der Daten oder die Anzahl der Cluster. Die Neuartigkeit des HPGCL-Algorithmus besteht auf der einen Seite in der Anwendung der Hierarchie von Nachbarschaftsgraphen zur Definition der Nachbarschaft eines Einzelobjekts oder eines Objektclusters in allgemeiner Art und Weise, sowie auf der anderen Seite in der Definition eines Entscheidungskriteriums zur Ähnlichkeitsbestimmung von Clustern, welches medianbasiert ist und ohne Angabe von Schwellwerten auskommt. Der Nächste-Nachbar-Graph, der Minimal Spannende Baum, der Relative Nachbarschaftsgraph, der Gabriel-Graph und die Delaunay-Triangulation kommen im HPGCL-Algorithmus zum Einsatz. Es wird aufgezeigt, dass die hierarchische Beziehung dieser Nachbarschaftsgraphen in einem natürlichen Generalisierungsprozess im Sinne einer grob-zu-fein-Segmentierung eines Datensatzes genutzt werden kann. Als weiterer Aspekt des HPGCL-Algorithmus kann die Tatsache genannt werden, dass im allgemeinen eine begrenzte Anzahl von Clustern größer eins gefunden wird. Im Gegensatz dazu benötigen andere hierarchische Clusterverfahren generell die Minimalanzahl der zu findenden Cluster als Parameter, da ohne Abbruchkriterium sonst alle Objekte des Datensatzes in einem einzigen großen Cluster vereinigt werden. Die Arbeit untersucht detailliert den Einfluss eines einzelnen Nachbarschaftsgraphen in der Hierarchie auf das Ergebnis des Clusterings, und es wird die Verwendbarkeit des HPGCL-Algorithmus auf der Grundlage von verschiedenen Datensatztypen evaluiert. Anhand zweier Datensätze werden die Ergebnisse des HPGCL-Verfahrens mit den Resultaten eines durch Testpersonen durchgeführten manuellen Clusterings verglichen.Item Open Access Einfluss der Reaktionskinetik und Mischung auf die Selektivität in reaktiven Blasenströmungen(2022) Gast, Sebastian; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird das bisher noch unzureichend erforschte Wechselspiel zwischen Fluiddynamik, Stoffübergang und chemischer Reaktion in Blasenströmungen untersucht. Um die gegenseitigen Abhängigkeiten dieser Prozesse zu verstehen, müssen diese zuerst getrennt voneinander ohne die Beeinflussung der anderen Prozesse betrachtet werden. Um die Reaktionskinetik ohne Einfluss des Stofftransportes zu bestimmen, wurde ein neuer Kinetikreaktor entwickelt. Hierbei wird der Stoffübergang von der Gas- in die Flüssigphase räumlich von der Reaktion getrennt. Diese räumliche Entkopplung erlaubt die Untersuchung der Reaktionskinetik in homogener flüssiger Phase ohne jegliche Stofftransportlimitierung. Als Modellsystem wurde die Kinetik der unkatalysierten Toluoloxidation ermittelt und parametriert. Das selektive Reaktionsnetzwerk der Toluoloxidation, bestehend aus konkurrierenden Folge- und Parallelreaktionen bietet die notwendigen Voraussetzungen für die Studie der zuvor genannten Abhängigkeiten der Fluiddynamik, Stoffübergang und chemischer Reaktion in Blasenströmungen. Die ermittelte Reaktionskinetik erwies sich in numerischen Simulationen als zu langsam für die Interaktion mit der Blasenumströmung. Dies konnte experimentell in einer transparenten Hochdruckblasensäule technischer Größe bei industriellen Bedingungen von 30 bar und 190°C bestätigt werden. In weiterführenden Simulationen wurde die um einen Faktor KF beschleunigte Reaktionskinetik verwendet, um den Einfluss der nicht idealen Vermischung im Nachlauf einer Blase auf die Reaktion und das erzeugte Produktspektrum zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass nur Reaktionen durch die Blasenströmung beeinflusst werden, welche in einem Zeitbereich von 0.1 < Da_1 < 1000, dem sogenannten mischungsmaskierten Bereich, ablaufen. Langsamere oder schnellere Reaktionen laufen in der Bulkphase beziehungsweise ausschließlich an der Blasenoberfläche ab und werden nicht durch die unvollständige Vermischung im Nachlauf der Blase beeinflusst. Der größte Einfluss auf den Verlauf der Reaktion wird dabei von einer durch den stationären Blasenwirbel erzeugte Transportbarriere verursacht. Diese verhindert den Abtransport der erzeugten Produkte. Bei einem gleichzeitig konstanten Zustrom an Edukt werden Folgereaktionen gefördert. Dies führt zu einer starken Veränderung des Produktspektrums gegenüber des Reaktionsablaufes bei ideal vermischten Bedingungen. Darüber hinaus wurde ein Compartment Modell aufgestellt, um den Einfluss der nicht ideal vermischten Bedingungen einer Blasenumströmung auf die ablaufende Reaktion zu beschreiben. Das Compartment Modell basiert auf einem modifizierten Oberflächenerneuerungsmodell zur Darstellung der Abläufe an der Blasenoberfläche und einem Verweilzeitmodell zur Abbildung der unvollständigen Vermischung im Nachlauf der Blase. Es ist in der Lage, die identifizierte Abhängigkeit der Reaktion von Fluiddynamik und Stoffübergangs und -transport bei deutlich reduziertem Rechenaufwand zu reproduzieren und ist damit für den Einsatz in großskaligen Simulationen wie Euler-Euler und Euler-Lagrange geeignet.Item Open Access Neuartige Versuchsmethodik zur verbesserten Modellierung der Reibung in der Blechumformung(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Singer, Markus Ruben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Die numerische Abbildung von Tiefziehprozessen benötigt eine Vielzahl von Eingangsparametern, deren Qualität sich direkt in der Abbildegenauigkeit des Prozesses widerspiegelt. Diverse Einflussfaktoren, wie etwa das Fließverhalten des Platinenwerkstoffes, wurden dabei bisher genau untersucht und sind heute in vielen Fällen gut verstanden. Die relativ exakte Beschreibung der im Prozess auftretenden Reibungsmechanismen zwischen Platine und Werkzeug bildet bei den Blechumformverfahren Tief- und Streckziehen hingegen eine Ausnahme. Das Reibungsverhalten bestimmt die Rückhaltung des Ziehflanscheinlaufes in die Zarge sowie welche Prozesskräfte, beeinflusst durch die örtlich unterschiedlichen Blechdickenreduktionen, übertragen werden können. Bei einer unzureichenden Kenntnis dieser Prozessgröße kann der Umformprozess nur unter Verwendung eines Sicherheitsfaktors numerisch ausgelegt werden. Hierbei kann allerdings nicht das gesamte Umformpotential des Prozesses in Kombination mit dem Platinenwerkstoff ausgenutzt werden. Durch die eingeschränkte Zugänglichkeit zur experimentellen Messwertaufnahme muss aktuell auf stark abstrahierte Modellversuche zur Bestimmung des Reibungsverhaltens zwischen Umformwerkzeug und Platine zurückgegriffen werden. Dabei können die komplexen Wechselwirkungen im tribologischen System zwischen Platinen- und Werkzeugoberfläche nicht abgebildet und eingehend untersucht werden. Auch hochentwickelte, numerische Abbildungsmodelle beziehen sich dabei auf Messwerte aus einfachen experimentellen Versuchsaufbauten. Die auftretenden Wechselwirkungen können dabei heute zwar relativ gut invers modelliert, jedoch nicht im realen experimentellen Aufbau gemessen werden. Diese Forschungslücke führt dazu, dass der Reibungszahl in Blechumformsimulationen, trotz ihrer deutlichen Auswirkung auf das Berechnungsergebnis, eine untergeordnete Gewichtung zukommt. Häufig werden lediglich globale, sich nicht verändernde Reibungszahlen im FE-Modell nach Coulomb verwendet. Diese unzureichende Beschreibung führt zu einer ungenauen numerischen Berechnung des Tiefziehprozesses. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Reibungszahlen vorgestellt und auf Basis der so ermittelten, kontinuierlich aufgenommenen Reibungszahlverläufe ein Reibungsmodell für ein erweitertes Verständnis des tribologischen Systems für das Tiefziehen entwickelt. Im Hauptteil der Arbeit werden zunächst die grundsätzlichen Einflussfaktoren auf das tribologische System mittels Streifenziehversuchen ermittelt und deren Auswirkung auf die Reibungszahl bewertet. Im weiteren Verlauf erfolgt die Integration von Miniatur-Längsmessdübeln in das Umformwerkzeug, welche die elastische Deformation der Werkzeugstruktur aufzeichnen. Darüber können die auf die Platine wirkenden Rückhaltekräfte gemessen werden. Die Messwertaufnahme ist hierbei kontinuierlich über den gesamten Tiefziehprozess sowie ohne Eingriff in die Kontaktfläche zwischen Umformwerkzeug und Platine möglich. Die Positionierung der Sensoren erfolgt nach einer Unterteilung der Werkzeugaktivflächen auf Basis des örtlich vorherrschenden Spannungszustandes in Anlehnung an die Gleitlinientheorie in acht unterschiedliche Sektoren. Aufbauend auf den im Prozess gemessenen Reibungszahlen können für die definierten geometrischen Werkzeugsektoren mathematische Funktionen der Reibungszahlverläufe über den jeweiligen Ziehweg bestimmt werden. Dazu werden die jeweiligen Funktionsbeschreibungen in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Einflussfaktoren wie Flächenpressung, Ziehgeschwindigkeit und Temperatur approximiert. Durch die Integration dieser Reibungszahlen in ein Simulationsmodell ist es anschließend möglich, die Güte der numerischen Abbildegenauigkeit des Prozesses zu bewerten und mit konventionellen numerischen Berechnungen mit konstanten Reibungszahlen zu vergleichen. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass der Übertrag der an der einfachen Ziehteilgeometrie „Rechtecknapf“ ermittelten Reibungszahlverläufe auf eine komplexere Ziehteilgeometrie möglich ist und sich dabei die Abbildegenauigkeit der Simulationsrechnungen verbessert. Die vorliegende Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten ab. Somit wird ein wissenschaftlicher Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge des Reibungsverhaltens im Blechumformprozess geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt. Es kann gezeigt werden, dass die numerische Abbildegenauigkeit von Blechumformprozessen steigt, wenn sich über den Stößelweg verändernde Reibungszahlen in den Modellaufbau integriert werden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bestimmung der real im Prozess auftretenden Reibungszahlen entwickelt. Die Wechselwirkungen der signifikanten Einflussfaktoren auf die Reibungszahlen im Blechumformprozess werden in einem, auf Basis der Gleitlinientheorie, in verschiedene Sektoren unterteilten Tiefziehwerkzeug bestimmt. Die Bestimmung von mathematischen Funktionen des ziehtiefenabhängigen Reibungsverhaltens ermöglicht den Übertrag der experimentell ermittelten und numerisch abgebildeten Reibungszahlen aus einer einfachen Versuchsgeometrie auf ein komplexes, realitätsnahes Tiefziehbauteil.Item Open Access Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau: methodischer Ansatz zur Analyse von Schäden(2012) Schmidt, Alexandra Priska; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.-Ing.)Schadensanalyse beinhaltet die Beurteilung geschädigter Bauteile von der Schadenserkennung bis zur Entscheidung über Tolerierbarkeit, Reparatur oder Austausch. Es gibt derzeit keine allgemeine Bewertungsgrundlage, um die zulässige Schadensgröße für Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Fahrzeugen im praktischen Einsatz zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit liefert einen methodischen Ansatz zur Entscheidungsfindung. Die Arbeit befasst sich mit Schäden, die nachträglich in die Fahrzeugstruktur eingebracht werden. Dies kann etwa durch Fehlgebrauch, Unfälle oder Steinschläge geschehen. Fertigungsfehler werden nicht berücksichtigt. In einem Versuchsprogramm wurde die Restfestigkeit von vorgeschädigten CFK Rohren mit unterschiedlichem Lagenaufbau unter Druckbelastung ermittelt. Realitätsgetreue Impacts werden zunächst durch einfache Bohrungen sowie Längs- und Quernuten auf akademische Weise angenähert und die Ergebnisse mit ungeschädigten Proben verglichen. Der Einfluss der Faserorientierung sowohl auf die Schadensausbreitung bei Impactschäden als auch auf die Restfestigkeit wird betrachtet. Deutliche Zusammenhänge zwischen Schadensgröße und Bruchlast konnten ermittelt und analytisch beschrieben werden. Dadurch ist eine Vorhersage der Restfestigkeit bei weiteren Schadensgrößen möglich. Zur potenziellen Reduktion der Versuchsumfänge wird die Möglichkeit der Computersimulation geprüft. Es wird deutlich, dass Simulationsmodelle die umfangreiche empirische Datenbasis derzeit nicht vollständig ersetzen können. Anhand des seitlichen Dachrahmens eines Automobils wird gezeigt, nach welchen Kriterien die Entscheidung über kritische oder unkritische Schäden erfolgt. Dazu wird der Standardlastfall des Dacheindrücktests verwendet. Die Ergebnisse der Versuche dienen als Bewertungsgrundlage. Ein 7-Punkte-Plan fasst die entwickelte Methodik zusammen und dient als Grundlage für die Analyse. Das exemplarisch durchgeführte Vorgehen kann auf beliebige Geometrien und weitere Lastfälle übertragen werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können bereits in der Entwicklungsphase eines Automobils als Entscheidungsgrundlage dienen. Unter Berücksichtigung eines geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahrens zur Detektion der Schädigungen eignet sich die vorgestellte Methodik auch zum Einsatz im automobilen Kundenservice. Es wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen. Neben Ultraschall und Computertomographie bietet sich die Optische Lock-In Thermographie für den praktischen Einsatz an.Item Open Access Aeroacoustic simulation of turbulent boundary layer induced automotive gap noise(2021) Erbig, Lars; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat.)