Universität Stuttgart
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Item Open Access Novel X-ray lenses for direct and coherent imaging(2019) Sanli, Umut Tunca; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)Item Open Access Multiscale simulation of phase transformation in metals(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2019) Willerding, Tobias Emanuel; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)This thesis is about multiscale simulation of phase transformation in metals. Multiscale simulation is the simultaneous use of two or more models in order to have phenomena of different length or time scale in one simulation. Phase transformation between different lattice structures plays an important role in the formation of metals, e.g. iron or titanium. It is, therefore, of interest to simulate phase transformation in a multiscale context. In this thesis, a multiscale method for the simulation of phase transformation in metals is developed. Continuum mechanics, represented by the finite element method, is coupled with atomistics, represented by molecular dynamics. The goal is to simulate phase transformation in metals between different lattice structures such as body-centered cubic, face-centered cubic and hexagonal close-packed structure. As phase transformation requires an internal restructuring of the molecular structure, traditional multiscale methods cannot be used as these require fixed coupling at the interface between coarse scale and fine scale and very often also in the coarse scale by using the Cauchy(-Born) rule. In order to overcome these problems, a combined hierarchic-partitioned-domain method is proposed that consists of two parts. On the finite element level, a hierarchic method based on the FE2-method is used with molecular dynamics simulations as subproblems, one subproblem at each Gauss integration point. The partitioned-domain part of the method consists of dividing the domain into two parts: a molecular dynamics part and a finite element part. A part of the atoms are put into a box with the shape of a parallelepiped and with periodic boundary conditions. This box is linked to the movement of the finite element nodes.Item Open Access Spatiotemporal change detection based on persistent scatterer interferometry : a case study of monitoring urban area(2019) Yang, Chia-Hsiang; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Einfluss des Kaltumformens und Schweißens auf die Materialzähigkeit von Baustahl(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Kudla, Konrad; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Blechen oder Flachstählen Profile jeglicher Art durch Kaltumformen hergestellt werden. Das Kaltumformen kann z.B. an Blechen durch Schwenk- oder Gesenkbiegen ausgeführt werden. In der Serienfertigung werden z.B. Trapezbleche oder auch Stangenprofile durch Kaltwalzen profiliert. Das Kaltumformen hat neben der industriellen Serienfertigung auch in der handwerklichen Einzelteilfertigung einen hohen Stellenwert, um Blechteile zu formen. Durch das Kaltumformen wird der Stahl im Bereich des Biegeradius auf der Außenseite gestreckt und auf der Innenseite gestaucht. Durch die plastischen Dehnungen und das damit verbundene zeitgleiche Fließen des Werkstoffes im Bereich des Biegeradius entstehen Gefügeveränderungen im Stahl. Eine der häufigsten Fügemethoden im Stahlbau ist das Lichtbogenschweißen. Beim Schweißen werden die zu verbindenden Bauteile im Bereich der Fügestelle örtlich aufgeschmolzen. Durch einen ebenfalls aufgeschmolzenen Schweißzusatzwerkstoff wird der Bereich zwischen den Bauteilen aufgefüllt. Nach dem Abkühlen der örtlichen Schmelze (Schweißnaht) sind die Bauteile starr miteinander verbunden. Durch das örtliche Aufschmelzen des Stahls und das Anschmelzen der Randbereiche in der Wärmeeinflusszone (WEZ) wird der Stahl im Bereich der Schweißnaht und den angrenzenden Bereichen mit unterschiedlichen Aufheiz-, Halte- und Abkühlzyklen thermisch beansprucht. Die beiden Verfahren, Kaltumformen und Schweißen, treffen aufeinander, wenn kaltumgeformte Bauteile im Bereich der Kaltumformung zusammengefügt werden. Da sich in diesem Bereich aus beiden Verfahren Einflüsse auf das Gefüge des Stahls überlagern, ist davon auszugehen, dass in diesem Bereich die Materialzähigkeit abnimmt. Eine verminderte Materialzähigkeit und die Kerbe aus einer Schweißnaht sind zwei Komponenten, die einen Sprödbruch hervorrufen können. Um das Sprödbruchproblem und das damit einhergehende schlagartige Versagen im Stahlbau zu vermeiden, gibt es neben den Regelungen für die Materialwahl auch für das Schweißen im kaltumgeformten Bereich besondere Vorgaben. In der aktuellen europäischen Norm für die Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten DIN EN 1993-1-8 [13] ist das Schweißen im kaltumgeformten Bereich geregelt. Durch diese Regelung wird das Schweißen im kaltumgeformten Bereich pauschal für alle im Stahlbau verfügbaren Stähle gleich geregelt. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird der Stand der Wissenschaft und Technik in Bezug auf die Zähigkeit von Stahl und die Einflüsse auf die Zähigkeit durch Kaltumformen und Schweißen erarbeitet. Im Weiteren werden die aktuellen Regelungen und deren Hintergründe zur Vermeidung der Sprödbruchproblematik im Stahlbau erläutert. Abschließend wird der aktuelle Stand der Technik beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich dargestellt. Um weitere Erkenntnisse an unlegierten Baustählen zu gewinnen, wurde ein Versuchskonzept erarbeitet, das die Einflüsse auf die Werkstoffzähigkeit aus der durch Kaltumformen und Schweißen hervorgerufenen Wechselwirkung untersucht. Das Versuchskonzept sieht im ersten Schritt vor, dass die Materialzähigkeit an Kerbschlagbiegeproben untersucht wird, an denen die Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen simuliert wurden. Im zweiten Schritt wurden Bauteilversuche geplant, durch die das reale Materialverhalten bei tiefen Temperaturen abgebildet wird. Für beide Versuchsserien wurden Bleche aus S355J2 ausgewählt. Es wurden Bleche t = 8 mm und t = 16 mm untersucht. Bei der Auswahl der Bleche wurde je Materialstärke eine Blechtafel mit einer hohen Kerbschlagarbeit und eine Tafel mit einer niedrigen Kerbschlagarbeit gewählt. Während und nach der Herstellung der Versuchskörper wurden die fertigungsbedingten Materialveränderungen ermittelt. Während des Schweißens wurden durch Thermoelemente, die neben der Schweißnaht appliziert waren, Temperatur-Zeit-Verläufe ermittelt. Die plastischen Dehnungen an der Außenseite der Versuchskörper wurden nach dem Kaltumformen an einem signierten Raster ermittelt. Zur Charakterisierung der in den Versuchen eingesetzten Stählen wurden umfangreiche Versuche gefahren, um die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Untersuchungen wurden am Grundmaterial, am kaltumgeformten und geschweißten Blech durchgeführt. Zur Ermittlung der Werkstoffzähigkeit wurden Kerbschlagbiegeversuche an Proben durchgeführt, an denen die Fertigungseinflüsse simuliert wurden. Das Kaltumformen wurde durch Kaltrecken und der Einfluss der Schweißwärme durch Nachfahren eines Wärmezyklus auf einer Gleebelanlage simuliert. Durch diese Verfahren lagen in den Versuchskörpern homogene Dehnungen und homogenes Gefüge vor. Die Kerbschlagbiegeproben wurden aus Proben mit 5,10,15 und ca. 20 % Dehnung entnommen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch das Kaltumformen die Übergangstemperatur verschiebt. Die Verschiebung der Übergangstemperatur durch die Schweißwärme war hingegen sehr gering. In diesem Abschnitt werden auch umfangreiche Ergebnisse aus der Literatur dargestellt. Es wurden Ergebnisse aus Untersuchungen an Feinkornbaustählen und thermomechanisch gewalzten Baustählen aufbereitet und bewertet. Die Betrachtung der Ergebnisse zeigt, dass eine Verallgemeinerung der Verschiebung der Übergangstemperatur die positiven Einflüsse bei hochwertigen Baustählen vernachlässigt und dass bei unlegierten Baustählen die Verschiebung nur unzureichend durch die Ermittlung eines Wertes aus der 𝐾𝐾𝑉𝑉−𝑇𝑇 Kurve bewertet werden kann. Um das reale Verhalten von kaltumgeformten und geschweißten Bauteilen abzubilden, wurden eigene Bauteilversuche bei tiefer Temperatur an Versuchskörpern durchgeführt, bei denen durch Biegeumformen typische Dehnungsgradienten eingeprägt wurden. An den Prüfkörpern wurde im kaltumgeformten Bereich eine 2/3 X-Naht als Vollstoß ausgeführt. Nach dem Schweißen wurde in die Prüfkörper am Nahtübergang eine künstliche Kerbe eingeschliffen. Die Prüfkörper wurden so lange einer Ermüdungsbelastung ausgesetzt, bis am Kerbgrund ein scharfer Ermüdungsanriss eintrat. Im nächsten Schritt wurden die Versuchskörper heruntergekühlt und bei -30 °C mit einer quasi statischen Last bis zum Prüfkörperbruch belastet. Die Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse aus den Kerbschlagbiegeversuchen und zeigen, dass bei Zunahme der plastischen Dehnungen durch einen kleineren Biegeradius die Sprödbruchgefahr steigt und die Materialzähigkeit abnimmt. Die Auswertung erfolgte über die Bruchflächen und die Bruchdehnung. Die Bauteilversuche bestätigen die Beobachtungen aus den Kerbschlagbiegeversuchen. Es zeigt sich, dass eine Abhängigkeit vom r/t-Verhältnis vorliegt und dass die durch das Kaltumformen beeinflusste Materialzähigkeit einen entscheidenden Einfluss auf das Bauteilverhalten hat. Im letzten Abschnitt wird die Entwicklung einer Werkstoffprüfung zur Charakterisierung der Werkstoffzähigkeit im kaltumgeformten und geschweißten Bereich dargestellt. Durch diese standardisierte Werkstoffprüfung wird es möglich, die Zähigkeitseigenschaften von Stahl durch einen Satz Kerbschlagbiegeversuche zu ermitteln, bei dem die negativen Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen mit abgebildet werden. Des Weiteren wird ein Vorschlag erarbeitet, wie dieser Versuch in die aktuellen Regelwerke integriert werden könnte. Somit besteht die Möglichkeit, auch beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich eine Materialsortenwahl nach DIN EN 1993-1-10 durchzuführen, bei der die positiven Eigenschaften von hochwertigen Stählen berücksichtigt werden können. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung, in der die Ergebnisse der einzelnen Abschnitte zusammengeführt und bewertet werden. Anschließend wird die Übertragbarkeit in die Praxis erläutert und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.Item Open Access Kinetic modelling of cyclohexane oxidation with the PAH precursor formation(2019) Abbasi, Mehdi; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Ein semi-detaillierter Reaktionsmechanismus für Cyclohexan (cyC6H12) wurde entwickelt, um die Oxidation von cyC6H12 bei hohen- und niedrigen Temperaturen, einschließlich der Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) zu untersuchen. Dies ist eine beachtliche Aktualisierung früher entwickelter Modelle, mit dem Ziel ein optimales Surrogat-Modell für Kerosin zu entwickeln, die ein Teil eines großen Forschungsbereichs im Institut für Verbrennungstechnik (VT) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) sind. Das neue Cyclohexanmodell basiert auf den neusten Forschungen im Bereich der C0-C3 Kinetik und schließt ein PAK-Teilmodell ein, das Moleküle mit bis zu fünf aromatischen Ringen beinhaltet. Verbesserungen wurden durch eine Überarbeitung der Hauptreaktionsklassen, Bewertung der Unsicherheitsgrenzen der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten und durch eine Erweiterung der Niedertemperaturoxidationskinetik durch neue Reaktionspfade, insbesondere der Cyclohexenylperoxybildung und der Isomerisierung der zyklischen Hydro-peroxy-Peroxykohlenwasserstoffradikale, erreicht. Für die Hauptreaktionsklassen wurden die Unsicherheitsgrenzen der Geschwindigkeitskoeffizienten bewertet. Die Berechnungen der thermodynamischen Eigenschaften, wie Standardbildungsenthalpie, Entropie und Wärmekapazität für die Hauptspezies der Verbrennung von Cyclohexan wurden mit der Benson Gruppenadditivitätsmethode durchgeführt. Die Eigenschaften von 17 neuen Benson-Gruppen und 8 Ringkorrekturfaktoren für zyklische Substanzen wurden durch verschiedene empirische und halbempirische Methoden abgeschätzt. Die Berechnungs-methoden und die Eigenschaften der neu abgeschätzten Gruppen wurden durch Vergleich mit Literaturdaten für gut untersuchte Substanzen und für Cyclohexanzerfallsprodukte, die auch in anderen Cyclohexanreaktionsmechanismen vorkommen, validiert. Die erhaltenen Eigen-schaften wurden im NASA-Polynom Format angegeben. Die wichtigsten Parameter der Transporteigenschaften der Zwischenprodukte wurden untersucht und durch Anwendung von Additivitätsregeln und Strukturähnlichkeitsansätzen berechnet. Der Cyclohexanmechanismus wurde an Zündverzugszeitdaten einer Rapid Compression Machine (RCM) und von Stoßrohrexperimenten (ST), an laminaren Flammengeschwindig-keitsdaten, sowie Konzentrationsprofilen von brennerstabilisierten Flammen erfolgreich optimiert und validiert. Das entwickelte Modell reproduziert realistisches Verbrennungs-verhalten in allen getesteten Bedingungen und kann für Cyclohexanoxidationsstudien benutzt werden. Die Existenz des Bereichs mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) in der Cyclohexan (cyC6H12) Oxidation wurde ebenfalls untersucht. Ein deutliches NTC-Verhalten, das in RCM Experimenten beobachtet wurde, konnte durch Simulationen mit dem jetzigen Modell nicht erhalten werden. Jedoch wurde eine generelle Übereinstimmung mit den Daten der RCM Experimente erreicht. Das ist auch in Übereinstimmung mit anderen ST-Messungen, bei denen auch keine NTC-Zone bei niedrigen Temperaturen beobachtet wurde. Die durchgeführten Simulationen mit anderen bereits veröffentlichten Modellen verdeutlichen, dass sie nicht in der Lage waren die ST-Daten genau zu reproduzieren, obwohl sie die NTC-Zone von RCM Daten gut beschreiben können. Es wurde auch gezeigt, dass über das gesamte Temperaturintervall die cyC6H12 Oxidationschemie durch die Konkurrenz zwischen drei Hauptreaktionspfaden kontrolliert wird. Anstatt eines NTC-Verhalten, hat die Temperaturabhängigkeit der Zündung von Cyclohexan einen Bereich mit allmählichen Änderungen (RGC), d.h. einen schrittweisen Übergang zwischen zwei verschiedenen konkurrierenden Reaktionsschemata der Gesamtreaktivität, der in einem Temperaturbereich von 800 K < T < 1100 K stattfindet. Das entwickelte Modell beschreibt ebenfalls erfolgreich die laminaren Flammengeschwindigkeitsdaten, sowie Speziesprofile aus stabilisierten vorgemischten Flammen. Es sollte auch angemerkt werden, dass bei T < 1600 K, die sequenzielle Dehydrierung (Cascade Dehydrogenation) von Cyclohexan der Hauptreaktionspfad für die Bildung der Aromaten ist. Bei höheren Temperaturen wird dieser Verlauf hauptsächlich durch Rekombination von Propargylradikalen kontrolliert.Item Open Access Hybrid system-in-foil integration and interconnection technology based on adaptive layout technique(2019) Alavi, Golzar; Burghartz, Joachim N. (Prof. Dr.-Ing.)The Hybrid System-in-Foil (HySiF) including ultra-thin embedded silicon chips in polymer foil in combination with large area electronics, such as organic thin-film transistors (OTFTs), capacitive sensors, antennas, and strain gauges is a promising technological solution for the next generation of consumers in the field of flexible electronics. This work mainly contributes to developing the CMOS-compatible process flow to embed and interconnect ultra-thin silicon chips inside polymer foil in combination with other devices. The fine-pitch (10 µm) chip to foil interconnectivity is pursued by relocating the active pads on a silicon chip to the foil periphery, therefore, saving silicon area and costs and providing a far larger I/O count is possible. The Chip-Film Patch (CFP) concept is suitable for HySiF technology. However, limitations often exist due to restriction in processing methods and incompatibility of the material with an IC processing fabrication line. These issues and corresponding solutions are treated in this thesis. Besides optimization of the already published concept of two-polymer CFP and bringing that to fabrication level, key aspects of this dissertation are: - The process flow development of face-up low-stress CFP technology to avoid the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between embedded silicon chips, deposited polymer layers, and silicon substrate carrier. - The fabrication process of the face-down CFP technology to minimize topography on top of the embedded chip, thus, reaching finer pitch and pad size. Embedding devices with different thickness and chip backside processing are other advantages of the face-down CFP technology. - The challenge of unwanted rotation and positioning offset after chip embedding on foil using an adaptive layout technique based on laser direct writer lithography. Using the adaptive layout technique, wafer level embedding and interconnecting of multiple silicon chips as a HySiF become possible. The overlay accuracy below 1 µm in x-axis and y-axis for any arbitrary position of the embedded chip is achieved. - The thermal behavior of power chips embedding in polymer foil and self-heating phenomenon and corresponding cooling methods, such as heat spreader on the chip’s backside. - The CMOS-compatible process flow to fabricate a rigid mm-wave patch antenna and flexible dipole antenna in polymer foil with antennas that are fabricated, measured, and high-frequency properties of the polymer packages are extracted.