Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Aus der Möglichkeit mittels Zentrifugentechnologie bis zu 8 Proben gleichzeitig einer Zugprüfung unter wirklich identischen Bedingungen, schnell über einfaches Einstecken der Proben und unter Ausschluss jeglicher Querkräfte, zu unterziehen , ergab sich für Klebverbindungen erstmals die Möglichkeit einer statistisch abgesicherten Prüfung identischer bzw. einer vergleichend bewertenden Prüfung unterschiedlicher Verbundsysteme. Es war deshalb naheliegend, auch das Aufkleben der Prüfstempel unter möglichst identischen Bedingungen und ebenfalls frei von Querkräften im OKTETT durchzuführen. Außerdem sind beim durchgehenden Handling im OKTETT die identische Vorbehandlung vor dem Kleben, identische Transferzeiten und -bedingungen zwischen den verschiedenen Prozessschritten, eine weitgehend gleichartige Klebstoffaufbereitung und -applikation sowie die bessere Einhaltung von gleichen Verarbeitungs- und Aushärtezeiten der Klebstoffe vor der Prüfung der Verbundfestigkeit für jeweils 8 Proben sichergestellt. Im Ergebnis dieser Überlegungen stellte sich schnell heraus, dass das Mehr-Proben-Kleben unter identischen Bedingungen für in Grenzen unterschiedliche Verbundsysteme eine ungelöste Aufgabenstellung ist.
Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien
(2014)
In verschiedenen Bereichen des Betonbaus ist Beton einem chemischen Angriff von außen ausgesetzt, der die Dauerhaftigkeit des betreffenden Bauteils bzw. des gesamten Bauwerks beeinträchtigen kann. Für einen chemischen Angriff in natürlichen Böden und Grundwässern bestehen normative Vorgaben in DIN 4030-1 [R10] bzw. DIN 1045-2 [R19], um den Angriffsgrad anhand der Art und Konzentration der angreifenden Stoffe in Expositionsklassen XA1 (schwach angreifend) bis XA3 (stark angreifend) einzustufen. Hinsichtlich weiterer maßgeblicher Einflussfaktoren wird an dieser Stelle nicht näher differenziert, ob und inwieweit die Regelungen für Böden und Grundwässer auch auf andere Bereiche mit chemischem Angriff auf Beton zu übertragen sind, ist stets im Einzelfall zu überprüfen. Ebenfalls sind die zu treffenden Maßnahmen über die Vorgaben der DIN EN 206-1/DIN 1045-2 [R19] hinaus anwendungsspezifisch festzulegen. Der Hauptausschuss Baustofftechnik (HABT) des DBV hat daher den Arbeitskreis "Chemischer Angriff auf Beton" beauftragt, dieses Merkblatt zu erarbeiten, das Hilfestellung bei der Bewertung einer projektspezifischen chemischen Angriffssituation auf Beton sowie bei der Planung und Ausführung von Schutzprinzipien leisten soll.
Thermally reduced graphite oxide (TRGO), containing only four single carbon layers on average, was combined with ammonium polyphosphate (APP) and magnesium hydroxide (MH), respectively, in polypropylene (PP). The nanoparticle's influence on different flame-retarding systems and possible synergisms in pyrolysis, reaction to small flame, fire behavior and mechanical properties were determined. TRGO has a positive effect on the yield stress, which is decreased by both flame-retardants and acts as a synergist with regard to Young's modulus. The applicability and effects of TRGO as an adjuvant in combination with conventional flame-retardants depends strongly on the particular flame-retardancy mechanism. In the intumescent system, even small concentrations of TRGO change the viscosity of the pyrolysing melt crucially. In case of oxygen index (OI) and UL 94 test, the addition of increasing amounts of TRGO to PP/APP had a negative impact on the oxygen index and the UL 94 classification. Nevertheless, systems with only low amounts (≤1 wt%) of TRGO achieved V-0 classification in the UL 94 test and high oxygen indices (>31 vol%). TRGO strengthens the residue structure of MH and therefore functions as a strong synergist in terms of OI and UL 94 classification (from HB to V-0).
The impact of pressure, sliding velocity and property variation of constituents on the sliding behaviour of a model tribofilm was studied with the method of movable cellular automata (MCA). Whereas a clear pressure dependency of the coefficient of friction (COF) was always observed and could be correlated with the structure formation in terms of varying thickness of a mechanically mixed layer, the impact of the other parameters was either negligible or rather weak. Only if a brittle-to-ductile Transition of the oxide-based tribofilm was assumed, a significant decrease in the COF level was predicted.
Temperature-dependent property changes can be neglected during MCA modelling, unless this transition takes place. For magnetite-based tribofilms, the transition temperature is beyond 800 °C, i.e. a temperature leading to fading effects during braking anyway. Thus, it could be concluded that, except for very severe braking conditions, sliding simulations with the MCA method yield meaningful results without considering temperature-dependent mechanical properties.
Fichtenholz wird häufig als energieabsorbierendes Material in Stoßdämpfern von Transportbehältern für radioaktive Stoffe eingesetzt. Bei der vorgeschriebenen Fallprüfung aus 9 m Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament erfährt das Fichtenholz im Stoßdämpfer eine dynamische Druckbelastung, wobei die seitliche Ausdehnung durch eine Blechkapselung eingeschränkt ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage einer experimentellen Charakterisierung ein Materialmodell für Fichtenholz zur Berechnung solcher Lastfälle zur Verfügung zu stellen. Die experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung von Fichtenholz bestanden aus ca. 600 Druckversuchen an würfelförmigen Fichtenholzproben mit einem Stauchgrad von bis zu 70 %. Das Material wurde dabei als transversal isotrop angenommen. Insbesondere die Querdehnungsbehinderung konnte als ein relevanter Einflussfaktor auf die Materialcharakteristik identifiziert werden: Ohne Querdehnungsbehinderung dehnt sich das Material sowohl bei Last parallel als auch senkrecht zur Faser stark seitlich aus. Die Druckkraft- Verformungs-Verläufe weisen ein vergleichsweise geringes Kraftniveau und keine bzw. eine kaum ausgeprägte Verfestigung auf. Parallel zur Faser findet außerdem nach dem linear-elastischen Bereich eine starke Entfestigung statt. Eine Behinderung der Querdehnung führt zu einem deutlichen Anstieg des Druckkraftniveaus, einer stark ausgeprägten Verfestigung und lateral wirkenden Kräften. Die Entfestigung bei Last parallel zur Faser ist vergleichsweise gering ausgeprägt. Dehnrate und Temperatur haben festigkeitssteigernde bzw. festigkeitsverringernde Einflüsse, die im für Stoßdämpfer relevanten Bereich quantifiziert wurden. Anhand der experimentellen Erkenntnisse wurde die Hypothese der entkoppelten Fließflächenevolution aufgestellt, die von einer unabhängigen Festigkeitsentwicklung bei deviatorischer und volumetrischer Verformung ausgeht. Die Hypothese konnte mit einer Modifikation des Materialmodells MAT_075 aus dem FE-Code LS-DYNA bestätigt werden. Auf dieser Basis wurde anschließend ein transversal isotropes Materialmodell für Fichtenholz neu entwickelt und in LS-DYNA implementiert. Die Charakteristika von Fichtenholz unter Druckbelastung wurden in einer 15-flächigen Fließbedingung und einer nicht-assoziierten Fließregel umgesetzt. Die Fließbedingung berücksichtigt Mehrachsigkeiten des Druckspannungszustands durch eine lineare Interpolation der aus den Druckversuchen mit und ohne Querdehnungsbehinderung abgeleiteten Festigkeiten. Nachrechnungen der Druckversuche zeigten eine gute Abbildung der grundsätzlichen Festigkeitscharakteristik von Fichtenholz durch das Modell. Der für blechgekapselte Stoßdämpfer sehr bedeutsame Einfluss der Querdehnungsbehinderung kann durch die entkoppelte Evolution der Fließfläche angemessen wiedergegeben werden. Bei Last unter spitzen Faserwinkeln werden die Festigkeiten vom Modell jedoch überschätzt, was durch eine Anpassung der Druckfließflächen verhindert werden könnte. Die Einflüsse von Dehnrate und Temperatur können grundsätzlich nachgebildet werden, die verwendeten Skalierungsfaktoren sollten aber überarbeitet werden. Die Nachrechnung eines Behälterfallversuchs mit holzgefüllten Stoßdämpfern bestätigte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Modells und zeigte plausible Rechenergebnisse. Für ein verifiziertes Stoßdämpfermodell sind weitere experimentelle und numerische Arbeiten erforderlich, wie z. B. die Untersuchung von Reibkoefizienten und Versagensparametern. Die Arbeit leistet mit dem transversal isotropen Materialmodell einen wichtigen Beitrag für die numerische Beanspruchungsanalyse bei der sicherheitstechnischen Begutachtung von Transportbehältern für radioaktive Stoffe.
Optical and scanning electron microscopy, as well as electron microprobe analysis and electron backscatter diffraction, have been used to study diffusion processes that occur in a diffusion pair that consistsof a single-crystal CMSX-10 nickel-base superalloy and polycrystalline nickel, at temperatures of 1050–1250°C. It has been found that, in this system, the distributions of γ-stabilizing elements (Cr, Co, W, and Re) are described by the Boltzmann solution for diffusion between two semiinfinite plates of a binary alloy. The processing of these distributions has shown that the diffusion coefficients of Cr, Co, W, and Re in the multicomponent system are close to those in binary alloys of these elements with Ni. The diffusion redistribution of the elements leads to the dissolution of the γ′ phase in the nickel-base superalloy, growth of nickel grains toward the superalloy constituent of the diffusion pair, and the formation of porosity on both sides of the migrating interface, which is determined from a crystal misorientation of the alloy single crystal and nickel grains.
Die größten Rotorblätter von Windenergieanlagen erreichen heutzutage Längen von über 75 m. Die Durchführung von Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an Rotorblättern im Original-Maßstab ist aufwendig hinsichtlich der Größe der Bauteile und der komplexen Lastsituation. Für die Zulassung werden in der Regel nur statische Sicherheitsnachweise gefordert, dynamische Untersuchungen am Gesamtbauteil sind hingegen nicht erforderlich. Aus diesem Grund wurde ein Stellvertreter-Prüfstand zur Untersuchung von Rotorblättern im verkleinerten Maßstab entwickelt. Darüber hinaus erfolgte durch systematische Dauerschwingversuche die Validierung und Bewertung eines Condition Monitoring Systems. Für die Berechnung eines Versuchsrotorblattes werden die äußeren auf das Blatt wirkenden Lasten unter Berücksichtigung des Eigengewichts und der aerodynamischen Umströmung analysiert. Die Ergebnisse belegen eine dominierende Belastung in Schlaglast-Richtung und eine deutlich geringere Belastung in Schwenklast-Richtung. Auf den Lastannahmen basierend erfolgt die Bestimmung des inneren Spannungs- und Verzerrungszustandes für die einzelnen Strukturbauteile, wobei als Grundlage die Geometriedaten, die Materialdaten und der Laminataufbau des Originalrotorblattes herangezogen werden. Für den Aufbau des Versuchsrotorblattes kommen ausschließlich Original-Halbzeuge zum Einsatz. Die durch den Prüfstand in das Versuchsrotorblatt eingeleiteten Lasten werden derart dimensioniert, dass sich der erforderliche Spannungs- und Verzerrungszustand im Laminat einstellt. Der innere Aufbau des Versuchsrotorblattes mit zwei Stegen und vier Gurten entspricht dem des Originalrotorblattes. Die Lasteinleitung in das Versuchsrotorblatt erfolgt simultan und unabhängig für die Schlaglast- und Schwenklast-Richtung. Der Biegegemomentenverlauf des Originalrotorblattes wird bei Einleitung von jeweils drei Einzellasten pro Lastrichtung in Kombination mit der Erzeugung eines freien Momentes zur Erzeugung eines Sprungs im Querkraftverlauf sehr gut nachgebildet. Für die Realisierung eines Condition Monitoring Systems werden FBG-Sensoren verwendet, da sowohl die Möglichkeit zur Strukturintegration mit nur minimal-invasiven Störstellen als auch eine einfache Verlegung mit einer Vielzahl an FBG-Sensoren in einer einzelnen Sensorfaser gegeben ist. Die im Vergleich zu FBG-Patches durchgeführten Dauerfestigkeits-untersuchungen belegen für die strukturintegrierten Sensoren eine signifikant höhere Lebensdauer. Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen werden sowohl als Einstufenversuche bei Nennlast und 50a- Böenlast als auch in Lastkollektivanregung bei unabhängiger Regelung der Schlag- und Schwenklast durchgeführt. Zusätzlich erfolgt mehrfach eine Modalanalyse bei frei aufgehängtem Versuchsrotorblatt in verschiedenen Stadien des Versuchsprogramms. Da bei Einstufenbelastung mit 50a-Böenlast auf natürliche Weise keine sichtbaren Schäden entstanden sind, werden künstliche Bauteilschäden in Form eines Längsrisses an der Blatthinterkante und eines Querrisses zwischen den lasttragenden Gurten eingebracht. Diese Schäden verursachen bei 50a-Böenlast lokale Dehnungsüberhöhungen, die mit dem gewählten Condition Monitoring System gut detektierbar sind. Die lokal begrenzte Dehnungszunahme korreliert sehr gut mit den Ergebnissen der FEM-Berechnungen des Versuchsrotorblattes. Der Vergleich der berechneten und gemessenen Eigenfrequenzen weist eine hohe Übereinstimmung auf. Bei der Eigenfrequenzanalyse macht sich die Verringerung der Steifigkeit aufgrund des Querrisses in der Blattschale durch eine signifikante Verringerung der Eigenfrequenzen bemerkbar. Für einen Vergleich der numerisch berechneten und mittels Geophonen gemessenen Eigenformen wird das MAC-Kriterium herangezogen, welches für die ersten Eigenformen sowohl des ungeschädigten als auch des geschädigten Versuchsrotorblattes sehr gute Übereinstimmungen belegt.
In dem Vortrag werden aktuelle Entwicklungen zum thermo-mechanischen Ermüdungsversuch aufgezeigt. In der Vergangenheit wurden ausschließlich dehnungsgeregelte TMF-Versuche durchgeführt. Zukünftig werden auch spannungsgeregelte TMF-Versuche eine Rolle spielen, besonders bei kleinen Belastungen und hohen Schwingspielzahlen. Daneben werden Rissfortschrittsmessungen bei TMF-Beanspruchung eine zunehmende Bedeutung zugemessen. Die Versuchstechnik hierzu ist noch nicht sehr verbreitet verfügbar und ist sehr anspruchsvoll. Es wird das Europäische Forschungsprojekt TEACH vorgestellt, welches beantragt, aber noch nicht bewilligt ist. Ferner wird der 3rd TMF-Workshop 2016 angekündigt, der bei der BAM in Berlin stattfinden wird.
The determination of the fatigue life in technical alloys containing large and small defects must rely on a propagation model which accounts for short and long crack growth. Recently an analytical model which incorporates propagation in the short crack regime and plastic correction for the crack driving force has been presented by two of the authors.
This work is intended to show further validation of the model, taking into account data sets for different materials with different testing conditions.
Despite the assumptions about missing parameters, the value of which had to be taken from the literature, the predictions showed a fairly good approximation of the fatigue lives. A possible interpretation of the results in terms of multiple crack initiation and propagation at higher loads is proposed.
Emergency response units increasingly use pressure cylinders made from fibre composites for breathing air as elements of personal protective equipment (PPE). Such applications expose the composite cylinders to harsh temperature and handling conditions. At least in Europe, standards have been used for certifying PPE, which are designed and mandatory for the approval of pressure receptacles for the transport of dangerous goods. Therefore, service conditions specific to PPEs are not accounted for in these standards. In this paper, BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) investigates the residual safety of a composite cylinder design at the end of their designated service life of 15 years. The cylinders (test pressure PH 450 bars; 6.8 Litres) are of one design type with aluminium liner and fully wrapped with carbon fibres, which is commonly considered a “Type III” cylinder. All cylinders were used as PPE by the Berlin fire department and randomly picked in three samples of 25 cylinders each before tested.
At BAM, the cylinder samples underwent hydraulic load cycle tests (LCT), conventional burst tests (BT) and so called slow burst tests (SBT). A concept for quantification of strength degradation already introduced by BAM was applied. This concept is based on a probabilistic assessment of the average strength and scatter of each sample of cylinders. The strength distributions of the used PPEcylinders is shown and analysed. Some unexpected effects are shown and a refinement of the statistical assessment is introduced.
The term „Alternative Solvents“ often refers to ionic liquids (ILs), mainly to distinguish these substances from traditional (i.e., molecular) solvents.
In applications, any „alternative“ is required to perform better than something that is proven and tested.
To bring ILs into practical use, availability and costs are the fundamental points to be addressed.
There are two ways to proceed:
▬ tailoring a molecule, implanting the expected characteristics
advantage: optimization of the targeted performance possible
risks: outcome not always foreseeable, costly and time-intensive (“trial and error“)
▬ to target on mixtures of well-characterized ILs with molecular solvents
advantage: substance characteristics are known, less costly, less time-consuming,
mixture composition another tunable parameter
risks: the same but with less impact
For the basic engineering of technical processes, knowledge of phase equilibria, particularly of
mixtures, over a broad (p,T) range is mandatory.
This contribution reports on recent experimental results from our laboratory:
▬ the solubility of CO2 in a mixture of water and [bmim][CH3SO4]
▬ the solubility of CO2 in a mixture of methanol and [bmim][PF6]
Computational Advances
(2014)
The influence of two different weld imperfections (gap/crack) on the fatigue behaviour of spot welded joints was tested
Surface cracks havenoinfluenceon thefatiguelife
Samples with cracks in the electrode indentation /HAZ where tested
Stiffness curves are not significantly influenced by surface cracks
3D FE-Simulation demonstrate no changes of stress due to surface imperfections
Drop-out of molten material was avoided by EM pressure
Compensation of the hydrostatic pressure of up to 20 mm thick
aluminum and stainless steel (experiment and FEM)
Mitigation of the weld bead dynamics
Significant changes in the velocity distributions in the weld pool
Weld pool geometry shape changes due to Hartmann effect
Significant porosity reduction
Surface quality improvements
Drop-out of molten material was avoided by EM pressure
Compensation of the hydrostatic pressure of up to 20 mm thick
aluminum and stainless steel (experiment and FEM)
Mitigation of the weld bead dynamics
Significant changes in the velocity distributions in the weld pool
Weld pool geometry shape changes due to Hartmann effect
Significant porosity reduction
Surface quality improvements
Mechanische Eigenschaften der laserhybridgeschweißten Schweißverbindungen von hochfesten niedriglegierten Stählen erfüllen die Anforderungen der geltenden Normen
Eindringtiefe des Zusatzwerkstoff bis ca. 12 mm
Halborbitales Schweißen an 36” Rohren mit einer Wandstärke von 16 mm bei einer Schweißgeschwindigkeit von bis zu 2,2 m/min und Laserleistung von 19 kW technisch möglich
Rissfreie Schweißverbindungen an Präzisionsrohren können durch eine geeignete Schweißparameterauswahl mittels Laser-Hybridverfahren hergestellt werden
Nanotechnology is one of the key technologies of the 21st century. The exploitation of 'new' effects that arise from materials structured on the nano-scale has also been proposed successfully for flame retardancy of polymers since the end of the 90s. Of all of the approaches these include, at this time the use of nanocomposites offers the best potential for industrial application, also some other ideas are sketched, such as using electrospun nanofibers mats or layer-by-layer deposits as protection coatings, as well as sub-micrometer multilayer coatings as effective IR-mirrors. The general phenomena, inducing a flow limit in the pyrolysing melt and changing the fire residue, are identified in nanocomposites. Key experiments are performed such as quasi online investigation of the protection layer formation to understand what is going on in detail. The flame retardancy mechanisms are discussed and their impact on fire behaviour quantified. With the latter, the presentation pushes forward the state of the art. For instance, the heat shielding is experimentally quantified for a layered silicate epoxy resin nanocomposite proving that it is the only import mechanism controlling the reduction in peak heat release rate in the investigated system for different irradiations. The flame retardancy performance is assessed comprehensively illuminating not only the strengths but also the weak points of the concepts. Guidelines for materials development are deduced and discussed. Apart from inorganic fillers (layered silicate, boehmite, etc.) not only carbon nanoobjects such as multiwall carbon nanotubes, multilayer graphene and graphene are investigated, but also nanoparticles that are more reactive and harbor the potential for more beneficial interactions with the polymer matrix.
In Europe a multi-national research project was initiated entitled “Rational Production and
Improved Working Environment through Using Self-Compacting Concrete”, followed by
another project entitled “Testing SCC”, which helped spreading the benefits of SCC to a wide
range of appliers. This project was also the basis of a widely accepted European guideline
on Self compacted concrete published by the European industry association bibm,
CEMBUREAU, EFCA, EFNARC, ERMCO, which again builds the basis of the European
standards for the testing of SCC (EN 12350, Parts 8 to 12) as well as for the actual
modernisation of the European concrete standard EN 206-1.
-Background-
Laboratory leaching tests on treated wood were performed during a European robustness study in the framework of the validation of a tank leaching test procedure that has been proposed for construction products in order to determine the potential release of dangerous substances which can be transferred to soil and groundwater. The release of substances has to be determined also for materials treated with biocidal products according to the requirements of the European Biocidal Products Regulation. A similar leaching test procedure was already harmonised for treated wood for this purpose. Both test procedures were applied in parallel to wood treated with the same preservative to investigate whether the results of these tests can replace each other. Additional experiments were performed to further investigate unexpected effects of L/A ratio on leaching of copper and duration of storage of treated test specimens.
-Results-
Both procedures generate similar results concerning cumulative emissions of tebuconazole, copper, dissolved organic carbon and total nitrogen. The emission rates with time are in comparable ranges for both leaching protocols. Emissions of copper increased with decreasing L/A ratios. Strong correlation of copper concentrations and dissolved organic carbon as well as total nitrogen concentrations in eluates indicates that this observation is caused by co-elution of copper with organic substances. Duration of storage of treated test specimens affected emissions for the investigated wood preservative.
-Conclusions-
Based on these findings, results from both test procedures can be used to describe leaching characteristics and avoid double testing of treated wood to fulfil the requirements of the European regulations for either biocides or construction products. Leaching of substances from treated wood is a complex process that depends on its chemical composition and ageing processes.
Today’s light weight design trends lead to a growing application of high-strength structural steels (yield strength ≥ 690 MPa). The mechanical properties of the weld and the component safety have to meet the increased requirements of these steel grades. However, high residual stresses in welded components are detrimental to their safety and integrity. Analyses concerning weld stresses in high-strength steels welded under component related restraint conditions revealed that heat control significantly affects global and local stresses. This occurs especially in highly restrained joints due to superimposing local and global stresses and may cause crack-critical stress-levels. In this study weld tests were performed with plates of high-strength steel in a special test facility. The experimental setup allowed transferring defined restraint conditions to the test welds similarly to real components. Temperature and reaction forces due to restraint were observed online while welding and cooling of multilayer-component MAG-welds. Mobile X-ray diffraction was used for local stress determination in the weld seam areas of the restrained specimens. It was found that interpass temperature has a major influence on the local and global welding forces and stresses. Thus, among the analysed results especially transverse residual stresses of the heat affected zone were strongly affected.
Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden kann.
Das Potential hochfester Feinkornbaustähle ist unter Beachtung der heutigen Richtlinien und Regelwerke jedoch nicht ohne weiteres nutzbar. Durch das Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Kaltrissbildung unter Berücksichtigung realitätsnaher Steifigkeitsbedingungen untersucht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Beitrag zur Verbesserung der Verarbeitungsrichtlinien erarbeitet, welche dem Verarbeiter eine sichere schweißtechnische Verarbeitung bei verbesserter Ausnutzung der Materialeigenschaften ermöglicht. Vor allem die Tragfähigkeit und die Sicherheit der Schweißverbindung bestimmen die Bemessung der Konstruktion und somit den nachhaltigen und ökonomischen Einsatz dieser Güten. Der Zusammenhang zwischen der Höhe der entstehenden Eigenspannungen und der Wärmeführung in realen Konstruktionen ist zurzeit nur qualitativ überschaubar und führt zu einer eher konservativen Auslegung heutiger Schweißkonstruktionen. Die wirtschaftliche Verarbeitung hochfester Stähle wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweißnahtbereich vor allem durch die Vermeidung von Kaltrissen bestimmt. Die diesbezüglichen Empfehlungen in den geltenden Regelwerken beruhen jedoch vornehmlich auf Erkenntnissen aus Laborschweißungen an Kleinproben unter freier äußerer Schrumpfung. Die Hauptursachen für die Entstehung von Eigenspannungen wie inhomogene, lokale Erwärmung und Abkühlung der schweißnahtnahen Bereiche und insbesondere die konstruktive Schrumpfbehinderung infolge umgebender Montagegruppen werden damit jedoch nicht abgebildet. Der Einfluss der Wärmeführung, insbesondere der lokalen Vorwärmung, auf die Eigenbeanspruchung einer Konstruktion ist derzeit weitgehend unbekannt.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung in geschweißten Konstruktionen zu quantifizieren sowie Aussagen zur Beeinflussung und Absenkung der Eigenspannungen und somit der Gesamteigenbeanspruchung von Schweißkonstruktionen zu erarbeiten. Dazu wurden durch die sukzessive Steigerung des Einspanngrades der Zusammenhang zwischen Wärmeführung und resultierender Eigenspannung unter zusätzlicher Schrumpfbehinderung geklärt. Ferner wurde die Übertragbarkeit der den Regelwerken zugrundeliegenden Kleinprobenergebnisse auf reale Konstruktionen untersucht. Mithilfe systematischer Klein- und Großlastschweißversuche an definiert schrumpfbehinderten Proben konnte der Einfluss der Wärmeführung sowohl auf die lokalen nahtnahen Eigenspannungen als auch globale Eigenbeanspruchungen durch Reaktionsspannungen analysiert werden. Es zeigte sich, dass eine Reduktion der lokalen Eigenspannungen und der Eigenbeanspruchung von geschweißten Konstruktionen durch eine geringere Wärmeeinbringung möglich ist. Eine Absenkung der Zwischenlagentemperatur erwies sich dabei unter anderem als besonders günstig. Damit ist es möglich vorhandene Wärmeführungskonzepte für hochfeste Stähle zu optimieren und dadurch die Kaltrissbildung zu vermeiden.
Fibre Reinforced Plastics (e.g. CFRP, GFRP) characteristically show nonlinear stress-strain behaviour due to intralaminar shear loading. The determination of the in-plane shear stiffness and strength for this class of material is difficult and common test standards and methods of analysis are partially inaccurate. The identification of the in-plane shear properties was made with an especial designed “picture frame test device” which enables shear loading up to 950N/mm. Therefore the strength limit can be reached at specimens with adequate thickness and a high safety factor against buckling. Due to the chosen design the maximum of the shear loading and the final failure occur in the centre of the specimen. The experiments match with the numerical analysis.
The one-phase methods described in Chapter 2 were shown to be able to predict casting to some extent, but could not depict segregation, sedimentation and blockage occurring during flow. On the other hand, the distinct element methods described in Chapter 3 did not take into account the presence of two phases in the system and describes concrete as distinct elements interacting through more or less complex laws. A reliable numerical model of a multiphase material behaviour shall take into account both phases (solid and liquid). From the numerical point of view, concrete flow shall be seen therefore as the free surface flow of a highly-concentrated suspension of rigid grains.
A micromechanical model of creep induced grain boundary damage is proposed, which allows for the simulation of creep damage in a polycrystal with the finite element method. Grain boundary cavitation and sliding are considered via a micromechanically motivated cohesive zone model, while the grains creep following the slip system theory. The model has been calibrated with creep test data from pure Cu single crystals and a coarse-grained polycrystalline Cu-Sb alloy. The test data includes porosity measurements and estimates of grain boundary sliding. Finally, the model has been applied to Voronoi models of polycrystalline structures. In particular the influence of grain boundary sliding on the overall creep rate is demonstrated.
The roles of microalloying niobium, titanium and vanadium for controlling austenite grain growth, microstructure evolution and hardness were investigated at different simulated heat affected zones (HAZ) for high strength low alloy (HSLA) S690QL steel. High resolution FEG-SEM has been used to characterize fine bainitic ferrite, martensite and nanosized second phases at simulated coarse and fine grain HAZs. It was found that for Ti bearing steel (Ti/N ratio is 2) austenite grain had the slowest growth rate due to the presence of most stable TiN. The fine cuboidal particles promoted intragranular acicular ferrite (IGF) formation. Nb bearing steel exhibited relatively weaker grain growth retardation compared with titanium bearing steels and a mixed microstructure of bainite and martensite was present for all simulated HAZs. IGF existed at coarse grain HAZ of Ti+V bearing steel but it was totally replaced by bainite at fine grain HAZs. Hardness result was closely related to the morphology of bainitic ferrite, intragranular ferrite and second phases within ferrite. The microstructure and hardness results of different simulated HAZs were in good agreement with welded experimental results.
The most successful additive manufacturing (AM) technologies are based on the layer-by-layer deposition of a flowable powder. Although considered as the third industrial revolution, one factor still limiting these processes to become completely autonomous is the often necessary build-up of support structures. Besides the prevention of lateral shifts of the part during the deposition of layers, the support assures quality and stability to the built process. The loose powder itself surrounding the built object, or so-called powder-bed, does not provide this sustenance in most existent technology available. Here we present a simple but effective and economical method for stabilizing the powder-bed, preventing distortions in the geometry with no need for support structures. This effect, achieved by applying an air flow through the powder-bed, is enabling an entirely autonomous generation of parts and is a major contribution to all powder-based additive manufacturing technologies. Moreover, it makes powder-based AM independent of gravitational forces, which will facilitate crafting items in space from a variety of powdery materials.