Universität Stuttgart
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Item Open Access New methods for 3D reconstructions using high resolution satellite data(2021) Gong, Ke; Fritsch, Dieter (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)Item Open Access Modeling of porous polymer membrane formation(2017) Hopp-Hirschler, Manuel; Nieken, Ulrich (Prof. Dr.-Ing.)Porous polymer membranes are used in several separation processes, e.g. in dialysis or in water purification. The morphology of the membrane affects the quality of separation, e.g. selectivity, as well as the mechanical stability of the membrane. To control the morphology of the membrane during the preparation process we first need to understand the mechanism that leads to different pore structures. It is desirable to use a numerical model to predict the pore type and detailed structure. Wet-casting is a very common preparation process for porous polymer membranes where a liquid precipitation agent is used. Herein, a polymer solution and a coagulation bath is brought into contact. After contact the polymer solution is driven into a miscibility gap and starts to phase separate into a polymer lean and a polymer rich phase. Starting from the contact area between polymer solution and coagulation bath a pore structure grows where the polymer rich phase leads to the pore matrix. Although the process is used frequently in the last decades, its mechanism is still not fully understood. Therefore, the motivation in this thesis is to bridge experimental observations from membrane science to theoretical physics where concepts exist to understand the formation of pore structures in porous polymer membranes.Item Open Access Beitrag zur Untersuchung von hochfesten synthetischen Faserseilen unter hochdynamischer Beanspruchung(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart, 2017) Wehr, Martin; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Item Open Access Novel X-ray lenses for direct and coherent imaging(2019) Sanli, Umut Tunca; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)Item Open Access Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.Item Open Access Das untere Sprunggelenk als biomechanischer Einflussfaktor : Entwicklung und Anwendung eines IMU-Systems zur Beschreibung der Orientierung der Achsen des Sprunggelenks(2020) Schlechtweg, Sascha; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)Item Open Access Simulationsmethodiken zur Beschreibung des Rissverhaltens an Abgasbauteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung(2018) Schlegel, Jan; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)In der Verbrennungsmotorentwicklung macht das sogenannte Downsizing eine betriebsfeste Auslegung von Abgaskomponenten zunehmend schwieriger. Hier machen steigende thermomechanische Belastungen die Entstehung von Rissen an bestimmten, kritischen Stellen unvermeidbar. In der Regel beeinträchtigen jedoch nur Durchrisse die Funktion von Abgasbauteilen. Zu einer zuverlässigen Bauteilbewertung gehört daher die Beurteilung von Anrissen bezüglich des Ausbreitungspfads und der Wachstumsgeschwindigkeit. Da experimentelle Untersuchungen - gerade im Falle verschiedener Werkstoffund Geometriekandidaten - sehr kostspielig sind, sollen in dieser Arbeit Methoden zur rechnerischen Beschreibung von Rissen mittels FEM entwickelt werden. Im Rahmen der schriftlichen Ausarbeitung wird dies anhand des Werkstoffs D-5S und zweier Methoden von verschiedenartigem Ansatz dargestellt. Zunächst finden Versuche an einem Prüfstand für Prinzipproben, den sogenannten Zungenproben, statt. Dies umfasst auch metallographische Untersuchungen der Prozesszone und des Risspfads, um Aufschluss über die Eignung potentieller Berechnungsmethoden zu geben. Im Anschluss erfolgt auf dieser Basis die Entwicklung der verschiedenen Methoden. Das beinhaltet beispielsweise geeignete Rissfortschrittskriterien, die Einführung einer Zustandsgrößengewichtung oder die Rissrichtungsbestimmung. Die Parameterermittlung für die Rissfortschrittsmodelle, welche eine geraffte zeitliche Beschreibung ermöglichen sollen, findet über Rissfortschrittskurven der Prinzipproben statt. Da die Geometrie dieser Proben bewusst einfach gehalten ist, an komplexen Geometrien jedoch eine Vielzahl an Lastfällen auftreten können, muss eine Validierung der Modelle stattfinden. Dafür wird ein Turbinengehäuse ausgewählt, welches auf einem Heißgasprüfstand getestet und auf Risse untersucht wird. Durch die große Anzahl an Rissen kann anschließend eine Bewertung der vorgestellten Methoden stattfinden. Diese schließt neben der Prognosequalität auch deren Anwendbarkeit und Stabilität ein.Item Open Access Die Entwicklung thermischer Lichtbogentriebwerkssysteme(2018) Wollenhaupt, Birk Lennart; Herdrich, Georg (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Für einen treibstoffsparenden Transfer von Raumflugkörpern sind hohe Treibstoffaustrittsgeschwindigkeiten nötig. Bei chemischen Triebwerken ist die nötige Energie zum Erreichen der Austrittsgeschwindigkeiten im Treibstoff gespeichert. Damit ist die maximale spezifische Energie durch die Treibstoffkombination festgelegt und kann nicht darüber hinaus gesteigert werden. Im Fall von elektrischen Triebwerken kann die spezifische Energie im Rahmen der verfügbaren elektrischen Leistung, die von außen in den Treibstoff eingekoppelt wird, und der möglichen stabilen Betriebspunkte des Triebwerks frei gewählt werden. Ein Typ von elektrischen Triebwerken ist das Lichtbogentriebwerk. Dieses heizt den Treibstoff mit der elektrischen Leistung eines Lichtbogens und entspannt den Treibstoff zur Schuberzeugung in einer Düse. Lichtbogentriebwerke sind seit 1993 erfolgreich im Orbit im Einsatz und sind die leistungsstärksten, elektrischen Triebwerke, die bisher im Orbit getestet wurden. In der vorliegenden Arbeit werden die Parameter zur Entwicklung eines thermischen Lichtbogentriebwerksystems vom Labormodell zum flugtauglichen Triebwerkssystem dargelegt. Dabei werden viele Designentscheidungen objektiv bewertet und darüber hinaus anhand von experimentellen Daten, sofern möglich, begründet. Im Zuge dessen werden sowohl im Rahmen dieser Arbeit erzielte experimentelle Resultate als auch Ergebnisse der letzten Jahrzehnte einbezogen. Diese umfassende, detaillierte Darstellung ist weltweit einmalig und die gewonnenen Erkenntnisse können als Basis für den Entwurf von Lichtbogentriebwerken herangezogen werden und Designentscheidungen erleichtern. Zunächst werden in Kapitel 2 die weltweiten Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Lichtbogentriebwerke beleuchtet. Ausgewählte Verbesserungspotentiale werden im Anschluss in Kapitel 3 näher betrachtet und die Theorie mit den erzielten Ergebnissen aus der Praxis verglichen. Dazu gehören der Einfluss der Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens, die regenerative Kühlung der Düse, die Optimierung der Düsenhalsgeometrie und des Öffnungswinkels, die Implementation von Rekombinationskammern oder Doppelkonusdüsen sowie die Untersuchung alternativer Treibstoffe. Anhand einer umfassenden Triebwerks-datenbank interner und internationaler Triebwerke wird die erreichte Leistungsfähigkeit mit dem theoretischen Maximum verglichen. Zudem wurde erstmalig Europa mit dem neuen IRS-Velarc Triebwerk der für Kleinsatelliten wichtige Bereich kleiner Leistungen bis unter 300 W charakterisiert und erste Schritte zur Optimierung durchgeführt. Welche Hürden für die Entwicklung eines einfachen Labormodells zum zuverlässigen Flugsystem zu nehmen sind, wird in Kapitel 4 dargelegt. Zuverlässigkeit der Zündung, Stabilität im Betrieb und hohe Lebensdauer durch minimierte Erosion der Elektroden sind die Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Insbesondere in diesem Bereich konnten für das IRS-TALOS Triebwerk durch die Wahl des geeigneten Injektors und durch eine neue, beschleunigte Transitionsprozedur deutliche Verbesserungen erreicht werden. Im weiteren Verlauf der Kapitel 5 und 6 werden Systemaspekte dargestellt und erörtert. Dabei werden sowohl das Treibstofffördersystem, die Lagermöglichkeiten des Treibstoffs als auch die Elektronik zum Betrieb des Triebwerks diskutiert. Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf die Verbesserung der Zündung sowie auf ein Konzept zur weiteren Reduktion der Verdampfungsverluste durch die erstmalige, regenerative Wärmeeinkopplung in den flüssigen Treibstoff. Im Kapitel 7 erfolgt ein Exkurs in die Plasmadiagnostik. Die Herangehensweise sowie die Ergebnisse einer Fabry-Perot-Interferometrie-Messung (FPI) am Lichtbogentriebwerksplasma werden dargestellt und erneut in den Zusammenhang mit bereits bekannten Erkenntnissen gebracht. Die sehr genaue Methode erweitert die bisherigen Messergebnisse gröberer Emissionsspektroskopie und mit Hilfe der Radial- und Axialprofile konnten bisher nicht messbare Details herausgearbeitet werden. Die gewonnenen Daten können als Basis für eine vertiefte Analyse mit numerischen Mitteln dienen.Item Open Access Compact modeling of modern power MOSFETs based on industry-standard CMOS models(2025) Yan, Lixi; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.-Ing.)This work presents a modeling approach adopting the industry-standard models for circuit simulation with necessary extensions to describe vertical power MOSFETs. Standard models, which are developed for CMOS logic devices, are adopted with their proven robustness and fidelity to describe the voltage-controlled channel behavior of power MOSFETs. Considering the vertical MOSFET structure, the extended components including the nonlinear drift region, body-diode and the parasitic capacitance are defined as model extensions. The specific requirements for SiC MOSFETs different from the Si devices are also analyzed. The static and dynamic characteristics considering the thermal effects are measured as the reference for the model parameter extraction. Some attempts to create high voltage MOSFET models by adding elements to a standard MOSFET model are already reported, but these models are still not developed aiming at high current level power MOSFETs, or some crucial effects like the asymmetric reverse conducting current, reverse recovery of the body-diode etc. are not defined. This work provides a particular approach to characterize commercially available vertical power MOSFETs and proposes the modeling method describing the critical effects of power MOSFETs which enable the model to precisely describe the performance of the devices in switching mode simulations. Moreover, the model extension approach discussed in this work is not limited to a certain standard model. The physics based standard models can be categorized into three groups: threshold voltage based, inversion charge based, and surface potential based. The properties of three standard models from each group are analyzed and compared. The appropriate extension strategy is developed for each standard model and the specific parameter extraction flow is also provided for each proposed model. Compared with the vendor model, the modeling method proposed in this work can increase the accuracy of the simulation of the transient switching loss by around 20%, which can contribute to improve the power MOSFET compact modeling of the semiconductor community in view of improving the design of switched-mode power converters.Item Open Access Berechnungsverfahren und auf Abtastung basierende Messverfahren zur Bestimmung elektrischer HF-Störfelder und der damit verbundenen Störeinkopplungen in Leitersysteme(2006) Geisbusch, Lothar; Landstorfer, Friedrich (Prof. Dr.-Ing.)Ein wichtiger Aspekt der EMV ist die Einstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Felder in Leitersysteme. Zur Quantisierung derartiger Verkopplungen entwickelt die vorliegende Arbeit sowohl messtechnische als auch numerische Verfahren. Für die Berechnung der Störeinkopplung in Herzschrittmacher-Systeme wird ein hybrides Berechnungsverfahren, zusammengesetzt aus der Mehrfach-Multipol-Methode und der Methode der Momente, weiterentwickelt und es wird seine Anwendbarkeit verbessert. Neben dem Berechnungsverfahren wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Feldsensor-Verfahren zur Betrags- und Phasenmessung hochfrequenter elektrischer Felder entwickelt. Dieses Verfahren macht sich das subharmonische Abtasten zunutze, indem ein schneller Abtaster in eine elektrisch kurze Dipolantenne untergebracht wird. Die Triggerung des Abtasters erfolgt über einen optischen Leiter, welcher Verzerrungen des zu messenden Feldes vermeidet. Es wird eine sehr hohe Messgeschwindigkeit erreicht, so dass auch Feldverteilungen innerhalb kurzer Zeit gemessen werden können. Neben dem Feldsensor wird ein hierzu abgewandeltes Sensorsystem zur Messung von Störspannungen entwickelt, welches z.B. die Messung von Einkoppelspannungen an Herzschrittmacherelektroden erlaubt. Die Arbeit schließt zum einen mit der Untersuchung der Störeinkopplung in Herzschrittmachersysteme und zum anderen mit experimentellen Arbeiten zur Feldverteilung im Kraftfahrzeug bei Mobilfunkbetrieb ab.