Universität Stuttgart
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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 Von Straßenlängsprofilen zum Reifen-Fahrbahn-Geräusch : ein Modell zur Analyse des Textureinflusses(Stuttgart : Institut für Straßen- und Verkehrswesen, Universität Stuttgart, 2019) Manuel Sánchez, Marcos; Ressel, Wolfram (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Maschinelles Lernen für intelligente Automatisierungssysteme mit dezentraler Datenhaltung am Anwendungsfall Predictive Maintenance(2019) Maschler, Benjamin; Jazdi, Nasser; Weyrich, MichaelFür eine hohe Ergebnisqualität sind Machine Learning Algorithmen auf eine breite Datenbasis angewiesen. Studien zeigen jedoch, dass viele Unternehmen nicht bereit sind, ihre Daten mit anderen Unternehmen, beispielsweise in Form einer gemeinsamen Daten-Cloud, zu teilen. Ziel sollte es daher sein, effizientes maschinelles Lernen mit einer dezentralen Datenhaltung, die den Verbleib vertraulicher Daten im jeweiligen Ursprungs-Unternehmen ermöglicht, zu ermöglichen. In diesem Artikel wird diesbezüglich ein neuartiges Konzept vorgestellt und hinsichtlich seiner Potentiale für intelligente Automatisierungssysteme am Beispiel des Anwendungsfalls Predictive Maintenance analysiert. Die Umsetzbarkeit des Konzepts unter Nutzung verschiedener bestehender Ansätze wird diskutiert, bevor schließlich auf potentielle Mehrwerte für Anlagenbetreiber sowie -hersteller unter besonderer Berücksichtigung der Perspektive kleiner und mittlerer Unternehmen eingegangen wird.Item Open Access Modellgestützte Entwicklung von Kleinfeuerungen für feste Biobrennstoffe(2019) Juschka, Winfried; Baumbach, Günter (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Feuerungsanlagen für feste Biomassebrennstoffe werden bisher durch die Erfahrung von Konstruktionsingenieuren entwickelt. Etablierte Entwicklungswerkzeuge wie die numerische Strömungssimulation (CFD, engl.: computational fluid dynamics) kommen bei der Konstruktion in den meisten Fällen nicht zum Einsatz. Dabei haben sich die implementierten Modelle in der CFD Simulation als geeignet herausgestellt. Allerdings war bisher eine detaillierte Parametrisierung, in Verbindung mit Messwerten an Prototypen, die Grundvoraussetzung für die CFD Simulation. Damit war der bisherige Einsatz der CFD Simulation nur am Ende des Entwicklungsprozesses wirkungsvoll. Um den Entwicklern die richtigen Antworten bei der Konstruktion der Biomassefeuerung zu geben, muss die Simulation am Anfang des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden. Eine in dieser Arbeit entwickelte und angewendete Methode ermöglicht den Einsatz der CFD Simulation schon am Anfang des Entwicklungsprozesses, d. h. parallel zu der Konzeptionsphase einer Biomassefeuerung. Die Methode ermöglicht eine verlässliche Vorhersage des Emissionsverhaltens und des Betriebsbereichs von Biomassefeuerungen. Somit können bei der Konstruktion neuer Biomassefeuerungen die Vorteile der CFD Simulation bereits in der Konzeptionsphase und ohne die Anfertigung von Prototypen genutzt werden. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Methode zur Kalibrierung der Ergebnisse aus der Simulation konnte die Auswahl der optimalen Konzeptvariante am Beispiel eines chargenweise betriebenen Stückholzkessels erfolgen. Die nachträgliche messtechnische Überprüfung von zwei unterschiedlichen Prototypen eines Stückholzkessels auf dem Prüfstand zeigte eine sehr gute Übereinstimmung der gemessenen Kohlenmonoxidkonzentrationen mit den kalibrierten Ergebnissen aus der CFD Simulation.Item Open Access Development and application of PICLas for combined optic-/plume-simulation of ion-propulsion systems(2019) Binder, Tilman; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)Electric propulsion systems are an efficient option for altitude/attitude control and orbit transfers of spacecraft. One example is the gridded ion thruster which ionizes the propellant and accelerates the ions of the generated plasma by a high-voltage grid system. This work deals with the numerical simulation of the plasma flow starting near the grid system in the ionization chamber and leaving the thruster with high velocity. These simulations give direct insight into the modeled, physical interrelationships and can be used to investigate questions arising in the industrial development process of ion propulsion systems. The required simulation method is challenging due to the high degree of flow rarefaction and the plasma state itself, including freely moving ions and electrons. Applicable simulation methods belong to a particle-based, gas-kinetic approach, such as Particle-In-Cell (PIC) for the simulation of electromagnetic interaction and the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) for inter-particle collisions. The effects resulting from the finite size of a real system can only be investigated by simulating the complete, three-dimensional thruster geometry which requires a large and complex simulation domain. Acceptable simulation times are realized by expanding and using the framework of the coupled PIC-DSMC code PICLas in combination with high performance computing systems.Item Open Access Optimization potentials for the absorber and the generator of an ammonia-water absorption heat pump(2019) Mirl, Nico; Spindler, KlausExperimental investigations to identify optimization potentials of an ammonia-water absorption heat pump are performed. In this heat pump, both the absorber and the generator are designed as plate heat exchangers. At the inlet of the absorber, the weak solution is sprayed through a nozzle into the refrigerant vapor, thus creating a high surface for the mass transfer. The advantages of this system are a compact design and a low refrigerant filling quantity. The aim of these investigations is to identify and classify optimization potentials in heat and mass transfer in the absorber and generator. The potentials in heat transfer are determined using calculated temperature profiles. For an analysis of the mass transfer, the ammonia mass fractions of the strong and the weak solution are calculated with measured densities. By comparison with the theoretically possible ammonia mass fractions, a classification in the areas of heat or mass transfer is carried out for further optimization.Item Open Access Zuverlässigkeitstestplanung mit Berücksichtigung von Vorwissen aus stochastischen Lebensdauerberechnungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2019) Dazer, Martin; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Diese Arbeit widmet sich zum einen dem Ziel einer individuell anforderungsgerechten Zuverlässigkeitstestplanung im Zielkonflikt zwischen statistischer Genauigkeit, Testkosten und -zeit und zum anderen der Berechnung des dafür benötigten Vorwissens über das Produktausfallverhalten. Bei der Lebensdauer eines technischen Systems handelt es sich um eine Zufallsvariable, die Testingenieure in Kombination mit vielen möglichen Teststrategien und Randbedingungen bei der Planung von Zuverlässigkeitstests vor eine Herausforderung stellt. In einem Zuverlässigkeits-DOE werden die End-of-Life Tests und die ausfallfreien Tests im Spannungsfeld von Genauigkeit, Kosten und Zeit untersucht. Die Resultate zeigen die besten Anwendungsbereiche der jeweiligen Teststrategie und können für die Planung von Zuverlässigkeitstests mit unterschiedlichen Anforderungen verwendet werden. Ausfallfreie Tests, wie der Success Run, benötigen eine hohe Produktüberdimensionierung, um passable Erfolgsaussichten zu garantieren. Ausfallbasierte Teststrategien dagegen, sind zwar häufig kostenintensiver, dafür aber universeller einsetzbar. Durch die eingeführte Normierung aller zeitabhängigen Größen lässt sich das Planungskonzept auf beliebige Produkte übertragen. Das produktspezifische Vorwissen wird im Rahmen dieser Arbeit nicht aus Felddaten oder Vorgängerprodukten gewonnen, sondern mit einem Ansatz zur stochastischen Lebensdauerberechnung ermittelt. Während konventionelle Lebensdauerberechnungskonzepte versuchen, die Streuung von Lebensdauerdaten durch konservative Annahmen und Sicherheitsfaktoren zu kompensieren, wird in diesem Konzept die Streuung zur realitätsnahen Berechnung der Lebensdauer berücksichtigt. Systematische Streuungen der Materialeigenschaften von Toleranzen und der äußeren Lasteinwirkung werden statistisch modelliert und für die Berechnung der Verteilungsfunktionen von Belastung und Belastbarkeit genutzt. Aus deren Überlappung werden die stochastischen Lebensdauerdaten berechnet. Durch Weibullanalyse resultieren die berechneten Lebensdauerdaten im produktspezifischen Ausfallverhalten. Die Anwendbarkeit der stochastischen Lebensdauerberechnung und der daraus abgeleiteten optimalen Testplanung werden anhand eines Nutzfahrzeugbremssattels für strukturmechanisches Versagen unter Beweis gestellt.Item Open Access Investigation of the nucleation temperature of different heat exchanger surfaces in an ice store(2019) Oechsle, Ursina; Spindler, KlausItem Open Access Kaltmassivumformen von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2019) Missal, Nadezda; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)In den letzten Jahren erlangte der technologische Fortschritt von Bauteilen des Antriebsstrangs und Fahrwerks in Bezug auf Leichtbau größere Bedeutung in der automobilen Leichtbaubranche moderner PKWs. Jedoch führen stetig steigende Anforderungen wie unter anderem Sicherheit, Komfort, Fahrleistung und Platzangebot gleichzeitig zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichtes. Aufgrund des relativ hohen Anteils kaltumgeformter Bauteile in Fahrzeugen kann eine gewichtsorientierte Bauteiloptimierung, welche keine dieser Anforderungen beeinträchtigt, entscheidend zum Leichtbau beitragen. Aus diesem Anlass wurde im Jahre 2012 die Initiative „massiver Leichtbau“ gegründet mit dem Ziel, die Massivumformteile moderner Fahrzeuge bezüglich Gewichtseinsparung, Werkstoffwahl, Fertigungstechnik und Bauteildesign bei akzeptablen Kosten zu optimieren. Große Herausforderungen bestehen bei der Optimierung von Bauteilen, die hohen Belastungen wechselnder Richtungen unterliegen. Dazu gehören beispielsweise Kolbenbolzen, welche trotz geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen. Eine Gewichtsreduzierung solcher Bauteile kann in der Regel nur konstruktiv bzw. durch die Änderung des Bauteildesigns realisiert werden. In [Missal, N., Liewald, M., Felde, A. et al.: Piston pin optimisation with respect to light-weight design in: International Cold Forging Group, 49th Plenary Meeting, Stuttgart 2016, S. 157-161] wurden deshalb innovative Kolbenbolzen mit einer neuartigen helixförmigen Innengeometrie anstelle von bislang üblichem konstantem oder gestuftem Innendurchmesser entwickelt, welche diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen. Aufgrund der Beschränkung und zum Teil unbekannten Verfahrensgrenzen der Massivumformung bei der Herstellung von komplexen Geometrien wurden solche helixförmigen Innengeometrien bisher stets mittels spanender Verfahren erzeugt. Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaftere Alternative zur Zerspanung kommt das Kaltfließpressen bzw. Abstreckgleitziehen in Frage. Kaltfließgepresste Komponenten besitzen im Vergleich zu spanend hergestellten verbesserte Eigenschaften wie die Kaltverfestigung, belastungsgerechte Faserverläufe und Eigenspannungen, welche zu erhöhten mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Härte führen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse und der Kombination von konstruktiver Optimierung und festigkeitssteigernder Effekte bietet das Kaltfließpressen ein hohes Potenzial für den konstruktiven Leichtbau. Die Anwendbarkeit des Abstreckgleitziehens für die Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien ist bislang aufgrund unbekannter Verfahrensgrenzen bezüglich der Formfüllung der Innengeometrie in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Innenprofils in der industriellen Praxis beschränkt. Zum maximal zulässigen Schrägungswinkel, der Helix bei dem ein schädigungsfreies Ausstoßen des Bauteils noch möglich ist, wurden darüber hinaus ebenfalls noch keine hinreichenden wissenschaftlichen Untersuchungen angestellt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der systematischen Aufarbeitung ebendieses Forschungsbedarfs sowie in der Entwicklung einer analytischen Methodik zur Ermittlung der Verfahrensgrenzen bezüglich des zulässigen Schrägungswinkels der Innengeometrie beim Ausstoßen unter Berücksichtigung der Reibung, Kontaktspannungen und Kontaktfläche.Item Open Access Fabrication and characterization of press-molded polymer microlens arrays(2019) Ruehl, Holger