Universität Stuttgart
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Item Open Access Multiscale modeling of fracture and deformation in interface controlled materials(2007) Brödling, Nils Christian; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Many nanostructured metals are characterized by scale dependent mechanical properties and by size effects due to geometrical confinement. Dislocation activities, interface mediated plasticity, and macroscopic yielding are quite different from those in unconstrained metals. The role of interfaces for the material properties and for the governing deformation mechanisms remains unclear despite the large efforts made in experimental and theoretical investigations. Here we approach the effect of geometrical confinement on the atomic and on the mesoscopic scale. We elucidate size effects on failure mechanisms and on scale dependent plasticity of nanostructured dual phase composite materials with the aid of computer simulations. Cleavage failure of dual phase layered materials is simulated with a mesoscopic model to clarify the scaling behavior of the materials fracture toughness. The model accounts for the confinement effect that a layer geometry imposes on the collective dislocation behaviour near a moving crack tip. The critical layer thickness at which the bulk fracture toughness of the elastic-plastic material is reached as well as the bulk fracture toughness itself increase with the cohesive strength of the interface, but become smaller for higher yield strengths. The main conclusion drawn in this work is that fracture toughness as a function of layer thickness saturates gradually if dislocation activity is dispersed, dilute and not compact around the crack tip. It increases abruptly with the thickness when dislocation activity right at the crack tip is possible and a compact, shielding dislocation array forms near the crack tip. Furthermore this work provides preliminary understanding of the governing mechanisms that control the limiting length scale for the strengthening of bioinspired metallic nanocomposits. Large-scale molecular dynamics simulations are performed to investigate the plastic deformation behavior of a bioinspired metallic nanocomposite which consists of hard nanosized Ni platelets embedded in a soft Al matrix. The simulation results are analyzed with respect to the prevailing deformation mechanisms quantifying the contribution of dislocation-based plasticity and interface-mediated interfacial slip as a function of the nanostructural scaling. The results of the simulations show that interfacial sliding contributes significantly to the plastic deformation despite a strong bonding across the interface. Critical for the strength of the nanocomposite is the geometric confinement of dislocation processes in the plastic phase. The confinement effect strongly depends on the length scale and the morphology of the metallic nanostructure. The main conclusion drawn for this material is that below a critical length scale, the softening caused by interfacial sliding prevails, giving rise to a maximum strength at the optimum size.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 Two-phase flow processes with dynamic effects in porous media - parameter estimation and simulation(2006) Manthey, Sabine; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)This study contributes to the understanding of dynamic effects in the capillary pressure-saturation relationship on the local scale and macroscale as well as giving an assessment as to when these effects might need to be taken into account for the evaluation of two-phase flow processes. In a general form, the rate-dependent Pc-Sw relationship as analysed here postulates that the difference between the non-wetting and wetting phase pressure minus the equilibrium capillary pressure is a linear function of the rate of change of saturation, introducing the factor of proportionality tau. This extended Pc-Sw relationship is examined in this study under three aspects. In order to identify flow regimes where dynamic effects might be of importance, a dimensional analysis of the two-phase balance equations being closed with the extended Pc-Sw relationship is carried out. In the dimensionless equations the well-known capillary and gravitational number, Ca and Gr, evolve. Moreover, the new dimensionless number Dy appears as a factor. Dy quantifies the ratio of the 'dynamic capillary force' to the viscous force. Relating Dy to Ca or Gr yields DyC, the ratio of the dynamic to the capillary equilibrium force, and DyG, the ratio of the dynamic capillary to the gravitational force. The influence of the dynamic capillary force decreases with increasing characteristic length scale in relation to the equilibrium capillary, viscous or gravitational force. Moreover, with increasing transient flow velocity, the dynamic capillary force gains in importance. A second part of this study deals with the determination of the coefficient tau on the basis of primary drainage laboratory experiments performed by GeoDelft, The Netherlands and numerical experiments. Using the laboratory experiments tau was calculated to vary between 11.0 kPas and 154.7 kPas depending on the water saturation. The coefficient increases with decreasing water saturation. For the determination of tau using numerical experiments first homogeneous domains were considered in order to test the averaging approach. The coefficient tau was found to scale proportionally to the porosity, the (saturation-weighted average) viscosity, and the squared averaging length, as well as inversely proportional to the intrinsic permeability. Parameters that describe the equilibrium Pc-Sw relationship have a minor influence on the coefficient tau. The dependence of tau on the averaging length poses a problem as its magnitude is thus not clearly bounded, making it impossible to define an REV. As a consequence, either the averaging length should relate to a bounded property or the averaging of the phase pressures as applied in this study has to be reconsidered. Moreover, two heterogeneous domains were studied, one being a simple pattern of two fine sand lenses in a coarse sand and the other a spatially-correlated random field. An influence resulting from the simple heterogeneity pattern on the coefficient is only noticeable in case the fine sand lenses are drained. The heterogeneity stemming from the spatially-correlated random field does not affect the magnitude of the coefficient. Finally, the impact on the numerical solution of the balance equations being closed with an extended Pc-Sw relationship is assessed with simulations of imbibition processes. The dimensionless numbers Dy and DyC can be consulted to assess the impact on the solution. The front width should be applied as the characteristic length scale. It is observed that for a dominance of the dynamic capillary over the viscous force, the rate of change of saturation is dampened and thus a retardation effect with respect to the cumulative mass occurs. Locally, accelerating and slowing down of the displacement can flatten a front in comparison to a reference case. Moreover, for a high influx of wetting phase a process reversal from imbibition to drainage and back occurred. If additionally the equilibrium capillary forces are diminished, oscillations in the solution might occur for a large viscosity ratio.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 Zur aktiven Schallabstrahlungsminderung an Strukturen(2006) Hermann, Klaus; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer speziellen aktiven Schallminderungstechnik, der aktiven Schallabstrahlungsminderung (Active Structural Acoustic Control, ASAC). Mit ASAC wird die Schwingung einer Struktur derart beeinflusst, dass sie weniger Schallleistung abstrahlt. Dies erreicht man, indem gezielt zusätzliche Kräfte und/oder Momente auf der Strukturoberfläche eingeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein adaptives digitales ASAC-System modelliert, rechnerisch optimiert und das Modell im Experiment weiter untersucht. Als Struktur wird eine rechteckige Stahlplatte mit den Maßen 800 x 500 x 1 mm³ gewählt, die an den Rändern fest eingespannt ist. Die Anzahl der verwendeten Aktoren und Sensoren wird auf jeweils zwei begrenzt, um im Hinblick auf kostengünstige praktische Anwendungen des ASAC-Systems den Aufwand klein zu halten. Unter der Annahme idealer Verhältnisse werden mathematische Modelle für ASAC-Systeme mit unterschiedlicher Anregung entwickelt. Dabei wird der für eine effiziente Simulation von ASAC-Systemen wichtige mathematische Beweis erbracht, dass bei einem einzelnen ASAC-Aktor die Phase zwischen dem Schallanregungs- und Aktorsignal im optimalen Fall ein ganzzahliges Vielfaches von 180 Grad betragen muss. Mit mehreren ASAC-Aktoren ist dies nicht mehr zwingend notwendig. Jedoch wird in dieser Arbeit gezeigt, dass man auch in diesem Fall die Simulationsprogramme effizienter machen kann, wenn man annimmt, dass die Phasen zwischen den Schallanregungs- und Aktorsignalen jeweils ein ganzzahliges Vielfaches von 180 Grad betragen. Um mit maximal zwei ASAC-Aktoren im betrachteten Frequenzbereich bis 1 kHz eine deutlich hörbare Schallminderung zu erreichen, müssen ihre Positionen optimiert werden. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit mehrere Optimierungsmethoden vorgestellt. Dabei wird gezeigt, wie Genetische Algorithmen zur effektiven Optimierung mehrerer ASAC-Aktorpositionen eingesetzt werden können. Die Leistungsfähigkeit des betrachteten ASAC-Systems wird mittels der abgestrahlten Schallleistung bewertet, die über die Schwingform der Struktur berechnet werden kann. Da das verwendete Hüllflächenschalldruckmessverfahren abhängig von der Modenverteilung zu unterschiedlichen systematischen Fehlern führt, die in der vorliegenden Arbeit noch näher erläutert werden, wird hier die Bewertung allein anhand des berechneten Schallleistungswerts vorgenommen und durch gemessene Werte der Schallleistung sowie durch im Experiment gewonnene subjektive Eindrücke ergänzt, weil hierdurch Erkenntnisse gewonnen wurden, die die Simulationen nicht liefern konnten. Als ASAC-Aktoren wurden Shaker und Piezoelemente verwendet. Der Einfluss der Kopplungsart zwischen der Platte und den Piezoelementen auf die Schwingform der Platte und damit auf das Schallminderungsergebnis bei ASAC wurde ebenfalls messtechnisch untersucht. Die Simulationen von ASAC mit einem einzigen punktförmig wirkenden und optimal platzierten Aktor ergaben im untersuchten Frequenzbereich 50 bis 500 Hz monofrequent Schallleistungsminderungen bis zu 17.2 dB, im Mittel 10.6 dB für die exemplarisch betrachteten Frequenzen 100 Hz, 150 Hz und 300 Hz, jeweils mit einem optimal platzierten Aktor. Wurde der Aktor intuitiv positioniert, wurden im Frequenzbereich 50 bis 500 Hz Schallleistungsminderungen von bis zu 12.3 dB erreicht. Die mittlere Schallleistungsminderung betrug für die Frequenzen 100 Hz, 150 Hz und 300 Hz lediglich 1.5 dB. In entsprechenden Simulationen mit zwei Piezoelementen als ASAC-Aktoren wurden im Frequenzbereich 300 bis 700 Hz Schallleistungsminderungen bis 15.0 dB berechnet, im Mittel 11.3 dB für die beispielhaft gewählten Frequenzen 300 Hz, 500 Hz und 700 Hz, jeweils mit optimalen Aktorpositionen. Mit intuitiv bestimmten Aktorpositionen betrug die Schallleistungsminderung exemplarisch für 300 Hz nur 2.4 dB. Es konnte beobachtet werden, dass das ASAC-System besonders bei höheren Frequenzen sehr empfindlich auf Veränderungen der Aktorpositionen bzw. der Frequenz reagierte. Im Experiment waren die berechneten Effekte, insbesondere die erzielten Schallpegelminderungen, subjektiv deutlich wahrnehmbar. Die gemessenen und berechneten Schallleistungswerte zeigten die gleichen Tendenzen. In der praktischen Realisierung spielt auch die Einspannung der Stahlplatte eine große Rolle. Hierzu konnte nachgewiesen werden, dass sich die vermeintlich fest eingespannte Platte für höhere Frequenzen zunehmend wie eine freie Platte verhält. Daraus ergibt sich, dass sich das betrachtete ASAC-System mit maximal zwei Aktoren bei höheren Frequenzen erst dann für praktische Anwendungen eignet, wenn die anregende Frequenz konstant ist und die Aktoren sehr genau platziert werden können. Für die Simulation ist ein sehr genaues Modell erforderlich. Dabei muss insbesondere die im Modell angenommene Einspannung der schwingenden Struktur annähernd der realen entsprechen.Item Open Access Nitriding of iron-based alloys; the role of excess nitrogen(2006) Hosmani, Santosh; Mittemeijer, Eric (Prof. Dr. Ir.)Unter Nitrieren versteht man einen thermochemischen Oberflächenbehandlungsprozess, durch welchen der Oberflächenbereich von Eisenbasis Legierungen (im allgemeinen Stähle) aufgestickt wird. Die Prozesstemperaturen bewegen sich dabei in einem Bereich zwischen 400 und 600C. Durch die Nitrierung von Bauteilen können, je nach Prozessführung, Ermüdungseigenschaften, tribologische Eigenschaften sowie Antikorrosionseigenschaften in erheblichem maße verbessert werden, wodurch dieses Wärmebehandlungsverfahren von großer technologischer Bedeutung ist. Ein sehr gängiges Verfahren ist das so genannte Gasnitrieren, wobei das aufzustickende Bauteil in einer NH3 / H2 Atmosphäre im Ofen ausgelagert wird. Enthält das aufzustickende Bauteil Elemente mit einer relativ großen Affinität zu Stickstoff, können sich in der nitrierten Schicht so genannte innere Nitride ausscheiden. Die Ausscheidung von inneren Nitriden führt zu einer deutlichen Härtzunahme der nitrierten Zone, wobei das Ausmaß der Härtezunahme von der Zusammensetzung des Nitrids, der Morphologie, und der Grenzfläche inneres Nitrid / Matrix (Kohärent / Inkohärent) abhängt. In dieser Dissertation werden vor allem Phasenumwandlungsprozesse und kinetische Abläufe beim nitrieren von Fe-Cr und Fe-V Legierungen betrachtet. Beim Nitrieren von Fe-Cr und F-V Legierungen bilden sich Nitridausscheidungen, welche im Anfangsstadium eine Kohärente und / oder teilkohärente Grenzfläche zur umgebenden Matrix aufweisen. Bei Fortführung der Nitrierung tritt eine Vergröberung der ausgeschiedenen Nitride auf. Beim Nitrieren von Fe-V Legierungen konnte in dieser Arbeit zum ersten Mal das auftreten von zwei Ausscheidungsmorphologien gezeigt werden. Bei den Nitrierschichten der Fe-4Gew. %V Proben konnte im Oberflächennahen Bereich eine lamellenförmige Mikrostruktur, bestehend aus Ferrit und VN Lamellen, beobachtet werden, während die Bereiche darunter, fein verteilte, submikroskopische VN Ausscheidungen aufweisen. In beiden Legierungssystemen (Fe-Cr und Fe-V) konnte eine erhöhte Stickstoffaufnahme, auf Basis der Annahme der Stickstoffmenge gelöst im thermodynamischen Gleichgewicht in Eisen und Stickstoff gebunden an innere Nitride, festgestellt werden. Dieser zusätzlich aufgenommene Stickstoff wird als Überschussstickstoff bezeichnet. Im Gegensatz zum System Fe-Cr, hängt die Menge des Überschussstickstoffes in der Nitrierschicht des System Fe-V von der Ausscheidungsmorphologie ab. Im Vergleich zur lamellenförmigen Ausscheidungsmorphologie an der Probenoberfläche, weisen die Bereiche mit submikroskopischen Ausscheidungen einen erhöhten Überschusstickstoffanteil auf. Für das System Fe-7Gew.%Cr wurde die Bildung einer Verbindungsschicht, bestehend aus Eisennitriden untersucht. Durch quantitative Phasenanalyse konnte die Präsenz von CrN Ausscheidungen innerhalb einer γ’- Eisennitridschicht nachgewiesen werden, wobei die Löslichkeit von Cr in γ’ relativ gering ist. Stickstoffabsorptionsisotherme von Fe-2Gew. %V Legierungen wurden ermittelt um die Mengenanteile der unterschiedlichen Überschusstickstoffarten zu bestimmen. Dabei konnten 3 Arten von Überschussstickstoff bestimmt werden; (i) Stickstoff gebunden in VN (immobiler Überschussstickstoff), (ii) Stickstoff gebunden an der Grenzfläche VN Ausscheidung / -Eisen-Matrix (immobiler Überschussstickstoff), (iii) zusätzlich gelöster Stickstoff auf den Oktaederlücken der -Eisen-Matrix (mobiler Überschussstickstoff). Die Ermittlung von Stickstoffabsorptionsisothermen ermöglicht die quantitative Zuordnung von mobilem und immobilem Überschussstickstoff, und somit die Entwicklung von Diffusionsmodellen, bei welchen das Auftreten beider Überschussstickstoffarten berücksichtigt werden kann. Die Entwicklung von Diffusionsmodellen zur Berechnung der Stickstofftiefenprofile nitrierter Fe-2Gew. % V Schichten, kann nur durch die Berücksichtigung von mobilem und immobilem Überschussstickstoff erfolgreich durchgeführt werden. Das so erhaltene Model kann an experimentell bestimmte Stickstofftiefenprofile angepasst werden, wobei die folgenden Anpassungsparameter verwendet werden: Der Zusammensetzungsparameter X (Berücksichtigt die Anwesenheit von Stickstoff welcher an der Grenzfläche Nitrid / Matrix adsorbiert ist), der Fehlpassungsparameter f, und das Löslichkeitsprodukt K. Während X hauptsächlich Einfluss auf die Stickstoffaufnahme nimmt, wird die Eindringtiefe des Stickstoffes, bei f>0 deutlich erhöht. Das Löslichkeitsprodukt K hat vor allem Einfluss auf die Schärfe des Übergangs Nitrierte Schicht / nicht nitrierter Bereich, des Stickstofftiefenprofils.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 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 Ultralong range Rydberg molecules : investigation of a novel binding(2010) Bendkowsky, Vera; Pfau, Tilman (Prof. Dr.)In this work the existence of a novel type of molecule is shown whose binding is based solely on electron-atom scattering. These molecules are composed of a Rydberg atom and a ground state atom - here Rb(ns) and Rb(5s) - where the binding arises from scattering of the Rydberg electron from the ground state atom. The ground state atom is bound to the Rydberg wavefunction, which has radii on the order of 100nm, and thus these molecules are of long-range. Although the theoretical description of this interaction goes back to the famous work of Fermi in the year 1934 which was expanded in the following decades by Omont and Greene, the experimental proof of their existence was still missing. Up to now, experimental evidence for the ultralong-range Rydberg molecules was found only in spectral line broadenings. The present experiments have demonstrated the direct photoassociation of these ultralong-range Rydberg molecules for Rb(ns)-Rb(5s) triplet states from a cold and dense sample of rubidium 87 atoms for a range of principal quantum numbers, n, between 34 and 40. The high-resolution photoassociation spectra allowed for the observation of several vibrational states separated by only a few Megahertz. Based on the model by Greene the vibrational ground states v=0 are assigned and the dependence of their binding energy on the principal quantum number, n, is used to extract the triplet s-wave scattering length for electron-Rb(5s) collisions from the data. The remarkably good agreement between experiment and theory for the vibrational ground state v=0 over a range of principal quantum numbers attests to the accuracy of Fermi's original pseudopotential approach in describing interactions in excited multi-atom systems. Aside from this good agreement for the state v=0, the measurements also show that contributions from p-wave scattering cannot be neglected, as a number of excited vibrational states is observed in the experiment that are not predicted from the theory assuming only s-wave scattering. Calculations of Li, Pohl and coworkers have shown that a full solution of the electron-atom scattering is necessary for the assignment of all vibrational states. This work finds the molecular bound states to be very sensitive to both s-wave as well as p-wave electron-atom scattering and the Rydberg molecules turn out to be an accurate experimental platform to study electron-atom collisions in a previously inaccessible ultralow-energy regime. In general, the ultralong-range Rydberg molecules investigated here for rubidium are expected for all species with negative scattering length for electron-atom interaction, e. g. the other alkali atoms. Rydberg atom and ground state atom do not even have to be of the same chemical element, the only requirement is a negative scattering length of the ground state atom for electron scattering. Moreover, the binding force of the Rydberg electron is not restricted to a single ground state atom and molecules with more than one ground state atom can be created. The fact that these exotic molecules have huge bond lengths but nevertheless a vibrational spectrum with several states make a new type of ultracold Rydberg chemistry feasible. In the future, larger polymers or even heteronuclear molecules can be realized, where the number of atoms, the constituent atomic elements and the addressed Rydberg state allow to precisely select the properties of the long-range molecule.