Universität Stuttgart
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Item Open Access Alumina and zirconia-reinforced polyamide PA-12 composites for biomedical additive manufacturing(2021) Nakonieczny, Damian S.; Kern, Frank; Dufner, Lukas; Antonowicz, Magdalena; Matus, KrzysztofThis work aimed to prepare a composite with a polyamide (PA) matrix and surface-modified ZrO2 or Al2O3 to be used as ceramic fillers (CFs). Those composites contained 30 wt.% ceramic powder to 70 wt.% polymer. Possible applications for this type of composite include bioengineering applications especially in the fields of dental prosthetics and orthopaedics. The ceramic fillers were subjected to chemical surface modification with Piranha Solution and suspension in 10 M sodium hydroxide and Si3N4 to achieve the highest possible surface development and to introduce additional functional groups. This was to improve the bonding between the CFs and the polymer matrix. Both CFs were examined for particle size distribution (PSD), functional groups (FTIR), chemical composition (XPS), phase composition (XRD), and morphology and chemical composition (SEM/EDS). Filaments were created from the powders prepared in this way and were then used for 3D FDM printing. Samples were subjected to mechanical tests (tensility, hardness) and soaking tests in a high-pressure autoclave in artificial saliva for 14, 21, and 29 days.Item Open Access Messung und Modellierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffschüttungen für vakuumwärmegedämmte Warmwasserspeicher(2022) Lang, Stephan; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, hinsichtlich Dämmwirkung und Kosten geeignete schüttfähige Wärmedämmstoffe für doppelwandige Warmwasserspeicher mit Vakuumwärmedämmung zu identifizieren und eine Vorhersage über die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur treffen zu können. Zu diesem Zweck werden expandierte Perlite unterschiedlicher mittlerer Korngrößen und Mischungen aus expandierten Perliten und pyrogener Kieselsäure untersucht. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Luftdrücken und Temperaturen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird in einer eigens entwickelten Versuchsanlage, nach einem stationären Messprinzip, bei Luftdrücken zwischen 0,001 mbar und Atmosphärendruck von (960 ± 20) mbar sowie bei Probenmitteltemperaturen zwischen -5 °C und 90 °C bestimmt. Die maximale relative Messunsicherheit der Versuchsanlage beträgt < 8 % bei den geringsten und < 3 % bei den höchsten gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Reine feinkörnige expandierte Perlite mit Dichten der Schüttungen ≥ 182 kg/m³ erreichen bei Luftdrücken ≤ 0,1 mbar und allen gemessenen Probenmitteltemperaturen die geringsten effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C liegen diese bei ≤ 4,84 mW/(m·K). Mischungen aus einem vergleichsweise grobkörnigen expandierten Perlit mit einer sehr feinkörnigen und feinporigen pyrogenen Kieselsäure können hingegen, bei technisch einfacher zu handhabenden Luftdrücken von > 1 mbar, z. T. geringere effektive Wärmeleitfähigkeiten erreichen als reine expandierte Perlite. Mischungen dieser Komponenten werden in dieser Arbeit erstmals in Form einer losen Schüttung bzgl. ihrer effektiven Wärmeleitfähigkeit untersucht. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C werden in diesem Luftdruckbereich effektive Wärmeleitfähigkeiten dieser Mischungen von > 12,17 mW/(m·K) gemessen. Anhand der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten sowie weiterer Stoffeigenschaften, werden vollständig prädiktive analytische Modelle der effektiven Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Das Modell für Mischungen gilt für ein ausgewähltes Stoffpaar, während das Modell für expandierte Perlite für beliebige ungemahlene expandierte Perlite verwendbar ist. Es handelt sich nach Kenntnis des Autors um das erste vollständig prädiktive analytische Modell der effektiven Wärmeleitfähigkeit für expandierte Perlite, welches auch die Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung berücksichtigt und für welches lediglich drei einfach und kostengünstig zu messende Größen bestimmt werden müssen. Diese Größen sind der volumengewichtet gemittelte Korndurchmesser, die mittlere Korndichte sowie die Dichte der Schüttung des expandierten Perlits. Aus den Messwerten der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird ein Zusammenhang von volumengewichtet gemitteltem Korndurchmesser zur Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung deutlich, der für das Modell für expandierte Perlite verwendet wird. Mit den Modellen ist es nun möglich, ohne entsprechende Messungen, die effektive Wärmeleitfähigkeit von Mischungen aus einem expandierten Perlit und einer pyrogenen Kieselsäure sowie für beliebige ungemahlene expandierte Perlite, mit zufriedenstellender bis hoher Genauigkeit vorherzusagen.Item Open Access Untersuchungen zur Manipulation des Lastabtrages biegebeanspruchter Betonbauteile durch integrierte fluidische Aktoren(2022) Kelleter, Christian; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Item Open Access Experimental investigation of low-frequency sound and infrasound induced by onshore wind turbines(2024) Blumendeller, Esther; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)Climate change has a global impact and is increasingly affecting our environment. This is driving the continuous expansion of renewable energies, with wind energy playing a major role. As wind energy becomes more widespread, an increasing number of people will live near wind turbines in complex terrain. In such scenarios, wind turbines are often positioned at elevated locations, while residents live in valleys. In complex terrain, such as a steep escarpment, local turbulence, wind speed, and direction are strongly influenced by topography, contributing to the complexity of sound propagation or impacts the background noise situation in valleys, for example, due to shielding effects. The operation of wind turbines is associated with both visual and sound-related impact, with sound being generated at various frequencies. There is a growing interest in low-frequency sound and infrasound, characterized by long wavelengths that propagate over considerable distances without significant attenuation. This is in contrast to higher-frequency sound, and might increase the impact of wind turbine sound at residential areas located several hundred meters or a few kilometers away from the wind farm. In the context of complex terrain, this work investigates wind turbines in complex terrain as sources of low-frequency sound and infrasound. The investigations on characterization of sound generation and propagation are based on measurements in the vicinity of two wind farms. Measurements were conducted within four measurement campaigns at two wind farms located close to an escarpment at the Swabian Alb in Southern Germany over a period of about nine month. Acoustic data was obtained in the proximity of the wind turbines and at residential buildings in 1–1.7km distance to the wind farms in municipalities located within a valley. Besides acoustic measurements including the infrasonic frequency range, a comprehensive data set with ground motion data, wind turbine operating data, meteorological data and data from a noise reporting app supports the investigation. Two aspects require analysis: Firstly, the aspect of generation and propagation of wind turbine low-frequency sound and infrasound in complex terrain, and secondly, the relation with annoyance. Results show that sounds within the infrasonic range assigned to the blade passage at the tower are transmitted through the air over distances of 1 km. Low-frequency sounds were found to be amplitude-modulated and were investigated as amplitude modulation. Infrasound and amplitude modulation occurrences were more likely during morning, evening and night hours and during atmospheric conditions with positive lapse rate, vertical wind shear and low turbulence intensity. The occurrence of both infrasound and amplitude modulation was typically observed during rated rotational speed but below-rated power. To allow predictions, a standard prediction method was extended to include the lowfrequency sound and infrasound range and adapted to the measurement data in order to apply it to complex terrain. The sound level difference of the measured data aligns well with the predictions within the frequency range of 8 Hz and 250 Hz. Investigations regarding outdoor-to-indoor sound reductions showed influences from structural resonances and room modes, which depend on the characteristics of the building and the specific room under investigation. Combining acoustic measurements with annoyance reports showed that rated wind turbine operation appears to be a contributing factor in annoyance ratings obtained through a noise reporting app, ranging from “somewhat” to “very” levels. Furthermore, the analysis indicates that varying levels of annoyance at a distance of 1km from the wind farm, both outside and inside buildings, do not correspond to significant differences in the averaged and A-weighted sound pressure levels. Overall, this work contributes to a better understanding of the low-frequency sound and infrasound generated from wind turbines and provides insight into the sound characteristics of measured wind turbine sound at residential locations in complex terrains.Item Open Access Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke(2023) Heidingsfeld, Julia L.; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.)Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen, da diese einen Großteil ihrer Lebenszeit in Gebäuden verbringen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf dieses Jahrhunderts, um die Bedürfnisse der Menschen nach Wohnraum, Infrastruktur und Gewerbeflächen ressourcenschonend zu stillen, werden dringend neue Ansätze des Bauens gebraucht. Im Bauwesen ist die Notwendigkeit, aber auch das Potential gegeben, nachhaltiger zu agieren. Adaptive Gebäude bieten dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit im Tragwerk. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. So kann trotz des verringerten Materialeinsatzes die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit uneingeschränkt gewährleistet werden. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Um adaptive Tragwerke in der baupraktischen Realität zu verwirklichen, sind systemdynamische und regelungstechnische Ansätze unabdingbar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den in diesem Kontext auftretenden Fragestellungen und erprobt die Methoden an verschiedenen adaptiven Tragwerken und Komponenten - dem Demonstrator-Hochhaus, ein 37m hohes adaptives Hochhaus, dem Maßstabsmodell, eine 2m hohe maßstäbliche Version dieses Hochhauses und dem Balken mit integrierten Fluidaktoren, eine Tragwerkskomponente mit Adaptionsfähigkeit. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke, wobei Modelle mit dem für die Regelungstechnik relevanten Detaillierungsgrad hergeleitet werden. Aufbauend auf gängigen Methoden aus dem Bauingenieurwesen werden die notwendigen Modellgleichungen in geschlossener Form für die Reglersynthese erarbeitet. Darin integriert sind ebenfalls die Systemeingänge und -ausgänge. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die durch ihre Nichtlinearität unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen in expliziter Form formuliert. Somit ist eine Abkehr von iterativen Lösungsmethoden möglich, wodurch die Modelle als Analyseund Synthesemodelle in der Regelungstechnik einsetzbar sind. Die Schwingungsanalyse von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen gelingt durch die datenbasierte Methode der Hauptkomponentenanalyse, wobei sich starke Ähnlichkeiten zu den Eigenmoden des linearen Modells zeigen. Diese Ergebnisse werden zudem zur Modellordnungsreduktion genutzt. Hinsichtlich der statischen Analyse wird die disziplinübergreifende Verbindung der Methode der Redundanz aus dem Bauingenieurwesen mit der statischen Übertragungsfunktion aus der Systemdynamik herausgestellt. Die Aktorplatzierung ist bei adaptiven Tragwerken eine zentrale Frage in der Auslegung und Planung. Das Ziel hierbei ist die Auswahl von wenigen Aktorpositionen aus einer Vielzahl an möglichen Positionen, um die Systemkomplexität gering zu halten und gleichzeitig alle relevanten Verformungszustände beeinflussen zu können. Es werden Kriterien für die statische und dynamische Aktorplatzierung erarbeitet und diese hinsichtlich verschiedener Aktuierungsprinzipien untersucht. Anschließend steht ein Konzept zum Erhalt einer Aktormenge, die statische und dynamische Ansprüche vereint. Die statische Gramsche Kompensierbarkeitsmatrix wird für örtlich verteilte Systeme formuliert und eine Aktorplatzierung am Beispiel eines Balkens durchgeführt. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation setzt auf ein optimierungsbasiertes Verfahren zur Reduktion der Verformung von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen unter Stellgrößenbeschränkungen. Eine Reduktion der mittleren Verformung von 87% wird experimentell am Maßstabsmodell bestätigt. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt. Der nichtlinearen Systemdynamik wird dabei durch eine Eingangstransformation eine lineare Zieldynamik aufgeprägt. Anschließend wird die am linearen Zielmodell entworfene und dadurch effizient zu berechnende Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige Arbeiten in der Regelungstechnik mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.Item Open Access A nonsmooth generalized‐alpha method for mechanical systems with frictional contact(2021) Capobianco, Giuseppe; Harsch, Jonas; Eugster, Simon R.; Leine, Remco I.In this article, the existing nonsmooth generalized‐α method for the simulation of mechanical systems with frictionless contacts, modeled as unilateral constraints, is extended to systems with frictional contacts. On that account, we complement the unilateral constraints with set‐valued Coulomb‐type friction laws. Moreover, we devise a set of benchmark systems, which can be used to validate numerical schemes for mechanical systems with frictional contacts. Finally, this set of benchmarks is used to numerically assert the properties striven for during the derivation of the presented scheme. Specifically, we show that the presented scheme can reproduce the dynamics of the frictional contact adequately and no numerical penetration of the contacting bodies arises - a big issue for most popular time‐stepping schemes such as the one of Moreau. Moreover, we demonstrate that the presented scheme performs well for multibody systems containing flexible parts and that it allows general parametrizations such as the use of unit quaternions for the rotation of rigid bodies.Item Open Access Statistical power analysis in reliability demonstration testing : the probability of test success(2022) Grundler, Alexander; Dazer, Martin; Herzig, ThomasStatistical power analyses are used in the design of experiments to determine the required number of specimens, and thus the expenditure, of a test. Commonly, when analyzing and planning life tests of technical products, only the confidence level is taken into account for assessing uncertainty. However, due to the sampling error, the confidence interval estimation varies from test to test; therefore, the number of specimens needed to yield a successful reliability demonstration cannot be derived by this. In this paper, a procedure is presented that facilitates the integration of statistical power analysis into reliability demonstration test planning. The Probability of Test Success is introduced as a metric in order to place the statistical power in the context of life test planning of technical products. It contains the information concerning the probability that a life test is capable of demonstrating a required lifetime, reliability, and confidence. In turn, it enables the assessment and comparison of various life test types, such as success run, non-censored, and censored life tests. The main results are four calculation methods for the Probability of Test Success for various test scenarios: a general method which is capable of dealing with all possible scenarios, a calculation method mimicking the actual test procedure, and two analytic approaches for failure-free and failure-based tests which make use of the central limit theorem and asymptotic properties of several statistics, and therefore simplify the effort involved in planning life tests. The calculation methods are compared and their respective advantages and disadvantages worked out; furthermore, the scenarios in which each method is to be preferred are illustrated. The applicability of the developed procedure for planning reliability demonstration tests using the Probability of Test Success is additionally illustrated by a case study.Item Open Access Multi-criteria comparison of energy and environmental assessment approaches for the example of cooling towers(2022) Wenzel, Paula M.; Radgen, PeterCooling towers remove economically or technically unusable heat using considerable amounts of electricity and, in many cases, water. Several approaches, which vary in methodology, scope, and level of detail, are used for environmental evaluations of these cooling systems. Although the chosen approach has a significant impact on decisions made at the plant level, no methodology has yet been standardized for selecting the approach that best serves the objectives of the evaluation. Thus, this paper provides comparison criteria for the systematic selection of suitable evaluation methods for cooling towers and classifies how the methods score in this respect. These criteria, such as ‘life cycle thinking’, ‘inventoried physical quantities’, ‘temporal resolution’, ‘formalization’, and ‘data availability’, are grouped by overall evaluation objectives such as ‘thoroughness’, ‘scientific soundness’, and ‘usability’. Subsequently, these criteria were used to compare material flow analysis, energy analysis, environmental network analysis, life cycle inventory, life cycle assessment, environmental footprint methods, emergy analysis, exergy analysis, and the physical optimum method. In conclusion, material flow analysis is best suited for the analysis of cooling towers when impact assessment is not required; otherwise, life cycle assessment meets most of the defined criteria. Moreover, only exergy-based methods allow for the inclusion of volatile ambient conditions.Item Open Access Comprehensive study of failure mechanisms of field-aged automotive lead batteries(2023) Conradt, Rafael; Schröer, Philipp; Dazer, Martin; Wirth, Jonathan; Jöris, Florian; Schulte, Dominik; Birke, Kai PeterModern vehicles have increasing safety requirements and a need for reliable low-voltage power supply in their on-board power supply systems. Understanding the causes and probabilities of failures in a 12 V power supply is crucial. Field analyses of aged and failed 12 V lead batteries can provide valuable insights regarding this topic. In a previous study, non-invasive electrical testing was used to objectively determine the reasons for failure and the lifetime of individual batteries. By identifying all of the potential failure mechanisms, the Latin hypercube sampling method was found to effectively reduce the required sample size. To ensure sufficient confidence in validating diagnostic algorithms and calculating time-dependent failure rates, all identified aging phenomena must be considered. This study presents a probability distribution of the failure mechanisms that occur in the field, as well as provides insights into potential opportunities, but it also challenges diagnostic approaches for current and future vehicles.Item Open Access Designing actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators using influence matrices(2022) Nitzlader, Markus; Steffen, Simon; Bosch, Matthias J.; Binz, Hansgeorg; Kreimeyer, Matthias; Blandini, LucioPrevious work has shown that floor slabs make up most of the material mass of building structures and are typically made of reinforced concrete. Considering the associated resource consumption and greenhouse gas emissions, new approaches are needed in order to reduce the built environment’s impact on the ongoing climate crisis. Various studies have demonstrated that adaptive building structures offer a potential solution for reducing material resource consumption and associated emissions. Adaptive structures have the ability to improve load-bearing performance by specifically reacting to external loads. This work applies the concept of adaptive structures to reinforced concrete slabs through the integration of fluidic actuators into the cross-section. The optimal integration of actuators in reinforced concrete slabs is a challenging interdisciplinary design problem that involves many parameters. In this work, actuation influence matrices are extended to slabs and used as an analysis and evaluation tool for deriving actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators. To define requirements for the actuator concept, a new procedure for the selection of actuation modes, actuator placement and the computation of actuation forces is developed. This method can also be employed to compute the required number of active elements for a given load case. The new method is highlighted in a case study of a 2 m × 2 m floor.