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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.