Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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 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]
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).
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.
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.
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.
-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.