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The best-known discretization methods for solving engineering problems formulated as partial differential equations are finite difference method (FDM), finite element method (FEM) and finite volume method (FVM). While the finite volume method is used in fluid mechanics, the finite element method is predominant in solid state mechanics. At first glance, FVM and FEM are two highly specialized methods. However, both methods can solve problems of both solid mechanics and fluid mechanics well. Since experimental mechanics deals not only with solid state physics but also with fluid mechanics problems, we want to understand FVM in the sense of FEM in this work. In the long term, we want to use the variational calculus to unify many important numerical methods in engineering science into a common framework. In this way, we expect that experiences can be better exchanged between different engineering sciences and thus innovations in the field of experimental mechanics can be advanced. But in this work, we limit ourselves to the understanding of the FVM with the help of the variational calculus already known in FEM. We use a simple 1D Poisson equation to clarify the point. First, we briefly summarize the FVM and FEM. Then we will deal with the actual topic of this paper, as we establish the FEM and the FVM on a common basis by variation formulation. It is shown here that the FVM can be understood in terms of the finite element method with the so-called Galerkin-Petrov approach.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die industrielle Röntgen-Computertomografie (CT) etabliert sich für die Anwendung in der dimensionellen Messtechnik. Sie bietet als zerstörungsfreies Messverfahren das Potential, sowohl innen- als auch außenliegende Merkmale holistisch zu erfassen. Für die Bestimmung der Güte eines Messwerts muss die dem Messwert zugeordnete Messunsicherheit ermittelt werden. Dabei kann, nach derzeitigem Stand der Technik und Normung, die aufgabenspezifische Messunsicherheit nach VDI/VDE 2630 Blatt 2.1 nur unter hohem Aufwand mit einer Vielzahl an experimentellen Wiederholmessungen ermittelt werden. Ziel diverser Forschungs-projekte zu diesem Thema ist es daher, eine numerische Messunsicherheitsbestimmung zu erreichen. Dafür ist es notwendig, alle signifikanten Einflussgrößen zu erfassen, deren Unsicherheitsbeiträge zu bestimmen und zu bewerten. In diesem Beitrag wird der Einfluss des Bildrauschens auf verschiedene dimensionelle Messgrößen simulativ untersucht. Mithilfe eines prismatischen Prüfkörpers, der eine Vielzahl an Geometrieelementen aufweist, werden verschiedene Messgrößen unterschiedlicher Komplexität betrachtet. Ziel ist es, für diese Messgrößen zu testen, wie diese auf das Bildrauschen reagieren. Dieses wird dabei durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Projektionsgrauwerte beschrieben und variiert. Es werden Wiederholsimulationen durchgeführt, damit eine statistische Aussage über die Verteilung der Messwerte möglich ist und der Einfluss des Rauschens auf verschiedene Messgrößen individuell beurteilt werden kann. Das Simulationsszenario wird so gestaltet, dass lediglich das Bildrauschen Einfluss auf die Messung hat. Die berechneten Verteilungsbreiten lassen mit sinkendem SNR eine deutliche Zunahme erkennen, insbesondere bei der Bestimmung von Formabweichungen. Simuliert wird mit der Software aRTist 2.10 (BAM).
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) increases the biological effectiveness of Radiation damage in biomolecules and tissue. To apply them effectively during cancer therapy their influence on the locally delivered dose has to be determined. Hereby, the AuNP locations strongly influence the energy deposit in the nucleus, mitochondria, membrane and the cytosol of the targeted cells. To estimate these effects, particle scattering simulations are applied. In general, different approaches for modeling the AuNP and their distribution within the cell are possible. In this work, two newly developed continuous and discrete-geometric models for simulations of AuNP in cells are presented.
These models are applicable to simulations of internal emitters and external radiation sources. Most of the current studies on AuNP focus on external beam therapy. In contrast, we apply the presented models in Monte-Carlo particle scattering simulations to characterize the energy deposit in cell organelles by radioactive 198AuNP. They emit beta and gamma rays and are therefore considered for applications with solid tumors. Differences in local dose enhancement between randomly distributed and nucleus targeted nanoparticles are compared. Hereby nucleus targeted nanoparticels showed a strong local dose enhancement in the radio sensitive nucleus. These results are the foundation for future experimental work which aims to obtain a mechanistic understanding of cell death induced by radioactive 198Au.
Elastomer seals are used in many industrial applications due to their excellent mechanical properties at a wide range of temperatures. Their high versatility and recovery potential under several load conditions make them well suitable for the application in containers designed for transport, storage and/or disposal of radioactive materials. In containers for low and intermediate level radioactive waste, elastomer seals are used as barrier seals, and as auxiliary seals in storage and transportation casks (dual purpose casks) for heat generating radioactive waste, such as spent fuel and high-level waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered and prohibit an unnecessary cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer’s properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the permanent safe enclosure of the radioactive material is mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have been already made and are still planned to scientifically support this task.
Compression stress relaxation and compression set were identified as key indicators of elastomer long-term performance and quantitatively investigated in comprehensive test programs. Among other representative types of elastomers, specimens made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the most important of their complex mechanical properties.
In the presented study, exemplary results were used to simulate the compression stress relaxation and the compression set of elastomer O-rings during aging. Regarding the influence of temperature, the time temperature superposition principle is applied in the relaxation analysis of elastomer O-rings. The proposed model is implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard® [1] with a sequential temperature displacement coupling. Numerical results match the experimental compression stress relaxation measurements well. The prediction of compression set values after long-term aging shows a relatively good agreement with the experimental results. Nevertheless, all input parameters derived from the specimen tests, additional assumptions concerning boundary conditions and modeling strategy are discussed with regard to the identified slight discrepancies.
The possibility to extend the finite element model to represent the O-ring seal’s ability to recover after a (fast) partial release is taken into account
Elastomer seals are used in many industrial applications due to their excellent mechanical properties at a wide range of temperatures. Their high versatility and recovery potential under several load conditions make them well suitable for the application in containers designed for transport, storage and/or disposal of radioactive materials. In containers for low and intermediate level radioactive waste, elastomer seals are used as barrier seals, and as auxiliary seals in storage and transportation casks (dual purpose casks) for heat generating radioactive waste, such as spent fuel and high-level waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered and prohibit an unnecessary cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer’s properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the permanent safe enclosure of the radioactive material is mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have been already made and are still planned to scientifically support this task.
Compression stress relaxation and compression set were identified as key indicators of elastomer long-term performance and quantitatively investigated in comprehensive test programs. Among other representative types of elastomers, specimens made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the most important of their complex mechanical properties.
In the presented study, exemplary results were used to simulate the compression stress relaxation and the compression set of elastomer O-rings during aging. Regarding the influence of temperature, the time-temperature superposition principle is applied in the relaxation analysis of elastomer O-rings. The proposed model is implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard® [1] with a sequential temperature displacement coupling. Numerical results match the experimental compression stress relaxation measurements well. The prediction of compression set values after long-term aging shows a relatively good agreement with the experimental results. Nevertheless, all input parameters derived from the specimen tests, additional assumptions concerning boundary conditions and modeling strategy are discussed with regard to the identified slight discrepancies.
The possibility to extend the finite element model to represent the O-ring seal’s ability to recover after a (fast) partial release is taken into account.
These files contain cell models for TOPAS/Geant4 and the inclusion of nano particles in particle scattering simulations. A simple spherical cell with nanoparticles can be generated in a fast manner. The user has the option to include the following organelles: nucleus, mitochondria, cell membrane. Additionally nanoparticles can be included in the cytosol and at the surface of the nucleus and/or the mitochondria.
The C++ classes in this repository extend the functionality of the TOPAS (http://www.topasmc.org/) Monte-Carlo program, which is itself a wrapper of the Geant4 MCS Toolkit (http://geant4.org). The sourcecode together with examples and scorers are provided.
"If you use this extension please cite the following literature:
Hahn, M.B., Zutta Villate, J.M. "Combined cell and nanoparticle models for TOPAS to study radiation dose enhancement in cell organelles." Sci Rep 11, 6721 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-85964-2 "
Different approaches have been attempted so far to reduce fuel consumption and linked pollutants, including vehicle equipment and design, with rational driving style being recognized as a potential source of fuel savings. However, no specific methodology had been suggested so far to assess fuel economy of driving other than the fuel consumed itself. In this paper, the Standard deviation of driving acceleration has been found to be directly associated to fuel consumption, so that the less dispersion of the driving acceleration, produces the lower fuel consumptions and emissions. Such metric could be thus used to assess driving style.
Liquid metal embrittlement (LME) cracking can occur during resistance spot welding (RSW) in zinc-coated advanced high-strength steels (AHSS) for automotive production. In this study, a methodological variation of hold time is performed to investigate the process-related crack influence factors. A combination of numerical and experimental investigations confirms, that the extent of heat dissipation and re-heating of the sheet surface can be influenced and thus the degree of crack formation can be controlled in a targeted manner by the parameterisation of the hold time. The temperature and stress history of crack-free and crack-afflicted spot welds are analysed and a conclusion on the borders defining the LME active region is derived.
The SPONGE
(2020)
Supramolecular copolymerization driven by integrative self-sorting of hydrogen-bonded rosettes
(2020)
Molecular recognition to preorganize noncovalently polymerizable supramolecular complexes is a characteristic process of natural supramolecular polymers, and such recognition processes allow for dynamic self-alteration, yielding complex polymer systems with extraordinarily high efficiency in their targeted function. We herein show an example of such molecular recognition-controlled kinetic assembly/disassembly processes within artificial supramolecular polymer systems using six-membered hydrogen-bonded supramolecular complexes (rosettes). Electron-rich and poor monomers are prepared that kinetically coassemble through a temperature-controlled protocol into amorphous coaggregates comprising a diverse mixture of rosettes. Over days, the electrostatic interaction between two monomers induces an integrative self-sorting of rosettes. While the electron-rich monomer inherently forms toroidal homopolymers, the additional electrostatic interaction that can also guide rosette association allows helicoidal growth of supramolecular copolymers that are comprised of an alternating array of two monomers. Upon heating, the helicoidal copolymers undergo a catastrophic transition into amorphous coaggregates via entropy-driven randomization of the monomers in the rosette.
Rail inspection performed by ultrasonic rail inspection trains is a complex and challenging process. A large number of variables and parameters given by the environment, the track and the testing-system have an influence on the overall performance of the inspection and the inspection result. Typically the parameter vary in a combination depending on the track condition.
To evaluate the individual influence of each relevant variable, simulation tools can be used. Therefore the entire inspection process has to be transferred into a model using combined modelling techniques.
The goal of this work is to model an instrumented ultrasonic test run with a rail inspection train with the parameters varied by a script over a virtually driven distance.
Rail inspection performed by ultrasonic rail inspection trains is a complex and challenging process. A large number of variables and parameters given by the environment, the track and the testing-system have an influence on the overall performance of the inspection and the inspection result. Typically the parameter vary in a combination depending on the track condition.
To evaluate the individual influence of each relevant variable, simulation tools can be used. Therefore the entire inspection process has to be transferred into a model using combined modelling techniques.
The goal of this work is to model an instrumented ultrasonic test run with a rail inspection train with the parameters varied by a script over a virtually driven distance.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Techniken für die angewandte mechanisierte Schienenprüfung dargestellt und Perspektiven für die Zukunft der handgeführten und fahrzeuggeführten Prüftechnik aufgezeigt. Insbesondere wird hier die bildhafte Darstellung, der zusätzliche Nutzen von Arraysensoren sowie die Möglichkeiten der Simulation von Schienenfehlern vorgestellt.
Bei der mechanisierten Prüfung von verlegten Eisenbahnschienen mit Schienenprüfzügen werden große Prüfdatenmengen mit einer komplexen Prüfkopfanordnung in kurzer Zeit bei hohen Prüfgeschwindigkeiten aufgenommen. Der Typ und der Zustand des Gleises kann während der Prüfung in schnellem Wechsel streckenabhängig variieren, z.B. unterschiedliche Schienentypen oder Abnutzung sowie beim Durchfahren von Weichenstraßen. Der logistische Aufwand diese Prüfung insgesamt durchzuführen ist dabei sehr hoch und eine Wiederholung der Prüfung in einem kurzen Zeitintervall nicht möglich.
Es werden während der Prüfdatenaufnahme bereits Datenreduktionsverfahren, Rekonstruktionsverfahren und Online-Parametervariationen eingesetzt, um die Ergebnisdaten zum einen in Ihrer Menge zu begrenzen zum anderen auf die lokalen Geometrie- und Zustandsänderungen des Prüfobjektes Schiene zu reagieren.
Im Regelwerk EN 16729-1 „Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis -Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ werden Bezugsreflektoren definiert, um die Leistung automatisierter Ultraschallsysteme für die Schienenprüfung zu verifizieren.
Um die Einflüsse der komplexen Randbedingungen der mechanisierten Schienenprüfung auf das Prüfergebnis evaluieren zu können, wurde ein Softwarewerkzeug erarbeitet, mit dem eine Prüffahrt auf einer Schiene simuliert werden kann. Basierend auf der Datenaufnahme mit dem Glassy-Rail-Diagramm können alle relevanten Prüfparameter und Artefakte in Schienen sowie Störeinflüsse bei der Simulation berücksichtigt werden.
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Effect of Inter-Layer Dwell Time on Distortion and Residual Stresses of Laser Metal Deposited Wall
(2019)
The laser metal deposition is an advanced manufacturing technology enabling the production of large-sized parts and partially or completely elimination of machining and welding. The process is characterised by non-uniform local heating of the buildup leading to a stress distribution, which may exceed the yield strength of the material and leads to loss of dimensional accuracy. The interlayer dwell time has a strong influence on the temperature field. The effect of the interlayer dwell time on the distortion and the stress distribution during laser metal deposition of a single-pass wall on the edge of 2 mm thick plate was studied experimentally and numerically. The deposited material was IN625 and the substrate material was AISI 316. A decrease of the residual displacement, due to a uniform shrinkage after the deposition of the last layer and a lower level of the residual compressive longitudinal plastic strain, has been observed in the studies without dwell time. The peak increment of the free edge displacement corresponds to the first layer and hence the subsequent layers will be deposited on the already plastically deformed buildup. The tensile residual longitudinal stress near the top of the buildup and transverse stress near the edges of the buildup is higher than yield strength in the studies with dwell time.
Medieval stained-glass windows are protected by an outside gazing system in many churches.The interspace between the original and the protective glass is ventilated with air from the indoor or exterior environment, where dust and particles can move.Cascade impactor measurements and SEM/EDX analyses of sampled dust were carried to determine the dust composition. The effect of particles on model glass samples was investigated in climate chambers under accelerated weathering conditions. The results from in situ measurements and laboratory tests were combined to evaluate the potential effect of particulate matter on historic stained-glass Windows.
Combination of model reduction and adaptive subset simulation for structural reliability problems
(2019)
A safe and robust design is a key criterion when building a structure or a component. Ensuring this criterion can either be performed by fullfilling prescribed safety margins, or by using a full probabilistic approach with a computation of the failure probability. The latter approach is particularly well suited for complex Problems with an interaction of different physical penomena that can be described in a numerical model. The bottleneck in this approach is the computational effort. Sampling methods such as Markov chain Monte Carlo methods are often used to evaluate the system reliability. Due to small failure probabilities (e.g. 10^6) and complex physical models with already and extensive computational effort for a single set of parameters, these methods a prohibitively expensive. The focus of this contribution is to demonstrate the advantages of combining model reduction techniques within the concept a variance reducing adaptive sampling procedures. In the developed method, a modification of the adaptive subset simulation based on Papaioannou et al. 2015 is used and coupled with a limit state function based on Proper Generalized Decomposition (PGD) (Chinesta et al. 2011). In the subset simulation the failure probability is expressed as a product of larger conditional failure probabilities. The intermediate failure events are chosen as a decreasing sequence. Instead of solving each conditional probability with a Markov chain approach, an importance sampling approach is used. It is be shown that the accuracy of the estimation depends mainly on the number of samples in the last sub-problem. For model reduction, the PGD approach is used to solve the structural problem a priori for a given Parameter space (physical space plus all random parameters). The PGD approach results in an approximation of the problem output within a prescribed range of all input Parameters (load factor, material properties, ..). The approximation of the solution by a separated form allows an evaluation of the limit state function within the sampling algorithm with almost no cost. This coupled PGD – adaptive subset Simulation approach is used to estimate the failure probability of examples with different complexity. The convergence, the error propagation as well as the reduction in computational time is discussed.
The movement of the macroscopic magnetic moment in ferromagnetic systems can be described by the Landau-Lifshitz (LL) or Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. These equations are strictly valid only at absolute zero temperature. To include temperature effects a stochastic version of the LL or LLG equation for a spin density of one per unit cell can be used instead. To apply the stochastic LL to micromagnetic simulations, where the spin density per unit cell is generally higher, a conversion regarding simulation cell size and temperature has to be established. Based on energetic considerations, a conversion for ferromagnetic bulk and thin film systems is proposed. The conversion is tested in micromagnetic simulations which are performed with the Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF). The Curie temperatures of bulk Nickel, Cobalt and Iron systems as well as Nickel thin-film systems with thicknesses between 6.3 mono layer (ML) and 31ML are determined from micromagnetic simulations. The results show a good agreement with experimentally determined Curie temperatures of bulk and thin film systems when temperature scaling is performed according to the presented model.
Introduction of numerical methods to simulate damage accumulations of composite pressure vessel
(2019)
The development of hydrogen as a reliable energy sector is strongly connected to the performance and the level of safety of hydrogen storage system. Composite damage due to static, fatigue loading and ageing effect is a progressive process. The common failure modes of composite pressure vessels are majorly fibre break, then interface debonding, matrix cracking and delamination. The damages occur subsequently or even simultaneously, failure modes may interactive each other. These attributes make the composite fatigue more complex and difficult. The presentation here is to show how the numerical methods being developed to match this challenge, particularly the numerical model of composite pressure vessel developed by FibreMod research project is introduced. The potential role of numerical simulation in the certification process and the outlook for the further trend is also discussed.
Simulational tools are applied to investigate the physical properties of nanoparticles.
For the description of radioactive gold nanoparticles, particles scattering simulations are performed with the Geant4 monte carlo simulation toolkit.
The temperature dependent behaviour of the magnetization dynamics of different magnetic nanoparticles are simulated with the object oriented micormagnetic framework (OOMMF).
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) was shown to increase the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue. Most of the current studies focus on external beam therapy on combination with AuNP. Here we present a Monte-Carlo study (Geant4) to characterise radioactive AuNP. Radioactive 198 Au emits beta and gamma rays and is considered for applications with solid tumours. To effectively apply 198 AuNP their energy deposit characteristics have to be determined in terms of intrinsic and extrinsic properties e.g. AuNP diameter, AuNP density, and their clustering behaviour. After each decay process, the energy deposit, inelastic scattering events, kinetic energy spectrum of secondary particles within the AuNP themselves and in a spherical target volume of water up to 1 μm radius were determined. Simulations were performed for AuNP radii ranging from 2.5 nm to 20 nm radius, different cluster sizes and densities. The results show an increase of the energy deposit in the vicinity of the AuNP up to 150 nm. This effect nearly vanishes for distances up to one micron. For the case of AuNP clusters and the same activity, the enhancement of the energy deposit increases with the relative gold mass percentage and therefore can be adjusted by changing AuNP radius or clustering behaviour.
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) was shown to increase the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue. Most of the current studies focus on external beam therapy on combination with AuNP. Here we present a Monte-Carlo study (Geant4) to characterise radioactive AuNP. Radioactive ¹⁹⁸Au emits beta and gamma rays and is considered for applications with solid tumours. To effectively apply ¹⁹⁸AuNP their energy deposit characteristics have to be determined in terms of intrinsic and extrinsic properties e.g. AuNP diameter, AuNP density, and their clustering behaviour. After each decay process, the energy deposit, inelastic scattering events, kinetic energy spectrum of secondary particles within the AuNP themselves and in a spherical target volume of water up to 1 μm radius were determined. Simulations were performed for AuNP radii ranging from 2.5 nm to 20 nm radius, different cluster sizes and densities. The results show an increase of the energy deposit in the vicinity of the AuNP up to 150 nm. This effect nearly vanishes for distances up to one micron. For the case of AuNP clusters and the same activity, the enhancement of the energy deposit increases with the relative gold mass percentage and therefore can be adjusted by changing AuNP radius or clustering behaviour.
Electron backscatter diffraction (EBSD) is a technique to obtain microcrystallographic information from materials by collecting large-angle Kikuchi patterns in the scanning electron microscope (SEM). An important fundamental question concerns the scattering-angle dependent electron energy distribution, which is relevant for the formation of the Kikuchi diffraction patterns. Here we review the existing experimental data and explore the effective energy spectrum that is operative in the generation of backscatter Kikuchi patterns from silicon. We use a full pattern comparison of experimental data with dynamical electron diffraction simulations. Our energy-dependent cross-correlation based pattern matching approach establishes improved constraints on the effective Kikuchi pattern energy spectrum, which is relevant for high-resolution EBSD pattern simulations and their applications.
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt.
Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
Simulation becomes more and more important in modern CT imaging. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. The radiographic simulator aRTist is a modelling tool which simulates X-ray imaging using a hybrid analytical and Monte Carlo method to efficiently model the radiation transport. In addition to the relevant physical effects such as absorption, scattering and fluorescence, simplified fast models are employed to describe the characteristics of the X-ray source and the detector. aRTist is well equipped to model realistic X-ray imaging setups due to the ability to load exported CAD object descriptions. A simple CT scan module is contained in aRTist which allows the simulation of standard (circular cone beam) scanning trajectories.
TomoSynth is a module for aRTist which allows to set up more complex scanning trajectories by attaching geometrical modification functions to the objects in the radiographic scene. In this way, advanced scanning modes can be realized, for instance helical CT as an overlay of a rotation and a linear motion, or laminography as a motion of the source point. In addition to deterministic motion, also random variations can be introduced. By combining random variations with deterministic motion, non-ideal (realistic) CT scan geometries can be simulated, e.g. focal spot drift and mechanical instability of the axis of rotation. The TomoSynth module conveniently allows to construct these scenarios in a graphical interface and provides a preview before starting the (potentially long running) batch job. Therefore, deviations from ideal CT scan trajectories can be easily adjusted which is a necessary step towards uncertainty determination from simulation.
The inspection of complex-shaped components, such as those enabled by additive manufacturing, is a major challenge in industrial quality assurance. A frequently adopted approach to volumetric non-destructive evaluation is X-ray computed tomography, but this has major drawbacks. Two-dimensional radiography can overcome some of these problems, but does not generally provide an inspection that is as capable.
Moreover, designing a detailed inspection for a complex-shaped component is a labour-intensive task, requiring significant expert input. In response, a computational framework for optimizing the data acquisition for an image-based inspection modality has been devised. The initial objective is to advance the capabilities of radiography, but the algorithm is, in principle, also applicable to alternative types of imaging. The algorithm exploits available prior
information about the inspection and simulations of the inspection modality to allow the Determination of the optimal inspection configuration, including specifically component poses with respect to the imaging system. As an intermediate output, spatial maps of inspection performance are computed, for understanding spatially varying limits of detection. Key areas of innovation concern the defect detectability evaluation for arbitrarily complex indications and the creation of an application-specific optimization algorithm. Initial trials of the algorithm are presented, with good results.
This paper describes a theoretical model to simulate the effects of a sloshing cargo on the safety performance of a vehicle that performs a braking-in-a-turn maneuver when travels at a partial fill level. The fundamental assumption of the model consists of the superposition of the effects of two simplified mechanical-analogy models that represent a liquid cargo on a vehicle, including one for the roll motion and another one for the pitch motion. The distinctive characteristics of the mechanical models, however, is that they are based upon a validated formulation to establish the properties of the pendulum (length).
The results suggest a small effect of the sloshing cargo on the braking efficiency of the cargo, while the load transfer is moderately affected. However, such results should be put into a perspective, according to which such small variations can represent the avoidance of a rear-end crash or a rollover. In this respect, a specialized ABS system could be considered to improve the performance of such kind of vehicles when performing such maneuvers.
Validation of the proposed methodology should be performed as a continuation of this research effort.
Minimally invasive injection of calcium phosphate cement into bone defects in aged sheep vertebrae has been used as a model for the treatment of osteoporotic vertebral fractures. One of the therapeutic criteria is a compression test of non-treated or treated vertebral bodies. In the present study, an in situ compression test with a stepwise load increase was performed with small spongiosa cylinders from the vertebrae under continuous monitoring by μCT. This allows localization of bone cracks and the visualization of correct placement and form of the bone cylinder. In addition, the effects of an uneven load distribution on the sample due to an irregular shape and a subsequent underperformance of the test sample can be excluded by controlling its shape under increasing load. There was a good agreement between the measured data and those obtained by simulated load-dependent transformation on the basis of a digital volume correlation between consecutive compression tests on the bone surface under the assumption of homogeneous bone material. Mechanic simulation was executed by directly using structural voxel data, resulting in maps of Von Mise stresses and predicted displacements.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).
Influence of impact angle and real target properties on drop test results of cubic containers
(2017)
Drop test scenarios with cubic containers without impact limiters at interim storage sites or in a final repository have been investigated by numerical simulations. An ideally flat drop is impossible to conduct as a free fall of a container even under laboratory conditions. Dynamic stresses and strains inside the container structure are sensitive to the impact angle. Even very small impact angles cause remarkable changes in the experimental or numerical results when a flat bottom or wall of a container hits a flat target. For drop tests with transport packages the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations define an essentially unyielding target. In contrast, potential accident scenarios for storage containers are derived from site-specific safety analyses or acceptance criteria in Germany. Each interim storage site or repository has a yielding or so-called real target with individual structural and material properties. The real target acts as a kind of impact limiter. A more conservative container design is required if the impact limiting effect of the target is not considered.
Influence of impact angle and real target properties on drop test results of cubic containers
(2017)
Drop test scenarios with cubic containers without impact limiters at interim storage sites or in a final repository have been investigated by numerical simulations. An ideally flat drop is impossible to conduct as a free fall of a container even under laboratory conditions. Dynamic stresses and strains inside the container structure are sensitive to the impact angle. Even very small impact angles cause remarkable changes in the experimental or numerical results when a flat bottom or wall of a container hits a flat target. For drop tests with transport packages the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations define an essentially unyielding target. In contrast, potential accident scenarios for storage containers are derived from site-specific safety analyses or acceptance criteria in Germany. Each interim storage site or repository has a yielding or so-called real target with individual structural and material properties. The real target acts as a kind of impact limiter. A more conservative container design is required if the impact limiting effect of the target is not considered.
Ein neuartiger Modellierungsansatz für die Berechnung des transienten Temperaturfeldes beim Laserstrahlschweißen mit einer äquivalenten Wärmequelle wurde vorgestellt. Das numerische Modell wurde in zwei Studien unterteilt. Im ersten Teil wurde der Laserstrahlschweißprozess in einer stationären Schmelzbadsimulation untersucht. Die lokale Schmelzbadgeometrie und das Temperaturfeld wurden unter Berücksichtigung der Effekte der thermokapillaren und freien Konvektion, der latenten Wärme und der temperaturabhängigen Materialeigenschaften bis hin zur Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Ergebnisse wurden benutzt, um eine äquivalente volumetrische Wärmequelle zu definieren. In der folgenden Studie wurde damit das transiente Temperaturfeld im geschweißten Bauteil berechnet. Die numerischen Ergebnisse wurden durch parallel laufende Experimente validiert.
Ellipsometry is a useful tool for studying the optical properties of thin films such as photovoltaic devices. We employ Müller matrix ellipsometry to study the thin film photovoltaic material copper indium gallium selenide Cu(In,Ga) Se2 (CIGS), a commercially relevant material with high energy conversion efficiency. Confocal microscopy reveals an rms roughness of 68 nm, which greatly affects the ellipsometry data. Rayleigh-Rice theory is employed to account for the optical properties of the surface roughness in the ellipsometry experiment, and a library search method is used to compare Müller parameters calculated for various CIGS compositions, to the measured data. The Müller parameters calculated with the Rayleigh-Rice model are found to correspond well with the measured data, and a surface roughness of 37nm and a correlation length of 125nm are extracted.
Die Analyse der Lebensdauer von Bauteilen unter thermomechanischer Ermüdung (TMF) erfordert ein geeignetes Stoffgesetz, welches in der Lage ist, zyklische Plastizität die Abhängigkeit der Spannungsantwort nach der Dehnrate, Kriechen und Spannungsrelaxation temperaturabhängig zu beschreiben und ein Lebensdauermodell, welches in Abhängigkeit von der örtlich aufgelösten Spannungs- und Verformungsgeschichten eine Schätzung der Anzahl der Zyklen bis zum Anriss liefern kann.
Industrial radiography or Radiographic Testing (RT) is a method of non-destructive testing where many types of manufactured components can be examined to verify the internal structure and integrity of the specimen. The computer program aRTist can generate synthetic radiographs from a virtual RT test set-up. In the field of industrial radiology simulation is used, e.g. to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for education purposes.
The simulator aRTist combines analytical and Monte Carlo methods to efficiently model the radiation transport. The program comes with a graphical user interface written in Tcl/Tk. In combination of Tcl/Tk and the 3D capabilities of the visualization toolkit (VTK) a practical and convenient simulator has been realized. This will be illustrated by discussing application scenarios of classical radiography, X-ray computer tomography, and X-ray backscatter imaging. Additionally, some insight to the software implementation of the simulator will be given.
Simulation und Identifizierung von Delaminationen in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
(2017)
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden häufig in sicherheitsrelevanten Gebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt. Hier besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile gewährleisten zu können. Aktive Thermographieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten und dessen strukturelle Integrität schwächen können.
In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit der Modellierung und effizienten Finite-Elemente-Simulation solcher Delaminationen, sowie ihrer Rekonstruktion aus gemessenen Oberflächentemperaturen. Dabei sollen die Rekonstruktionsergebnisse nicht nur eine Ortung der Fehlstellen, sondern auch eine quantitative Beschreibung der geometrischen Abmessungen und des Umfangs der Schädigungen ermöglichen. Hier erlauben numerische Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Simulation des dreidimensionalen Wärmetransports eine Defektrekonstruktion unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie von anisotropen thermischen Materialeigenschaften. Da solche Verfahren sehr rechenaufwändig sind diskutieren wir schnelle heuristische Rekonstruktionsverfahren für die Anwendung in der Praxis.
The aim of this research is to characterize a surface that has experienced low wear on asperities. The procedure used is similar to an Abbott-Firestone approach and based on functional bearing of projected area, surface area and material volume. Surface features extracted from surface height maps provide more comprehensive information about topography changes due to wear. Thus, they were used to detect low wear volumes on the top of asperities.
The aim of this research is to characterize a surface that has experienced low wear on asperities. The procedure used is similar to an Abbott-Firestone approach and based on functional bearing of projected area, surface area and material volume. Surface features extracted from surface height maps provide more comprehensive information about topography changes due to wear. Thus, they were used to detect low wear volumes on the top of asperities.