Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Multiscale modeling of linear elastic heterogeneous structures via localized model order reduction
(2024)
In this paper, a methodology for fine scale modeling of large scale linear elastic structures is proposed, which combines the variational multiscale method, domain decomposition and model order reduction. The influence of the fine scale on the coarse scale is modelled by the use of an additive split of the displacement field, addressing applications without a clear scale separation. Local reduced spaces are constructed bysolving an oversampling problem with random boundary conditions. Herein, we inform the boundary conditions by a global reduced problem and compare our approach using physically meaningful correlated samples with existing approaches using uncorrelated samples. The local spaces are designed such that the local contribution of each subdomain can be coupled in a conforming way, which also preserves the sparsity pattern of standard finite element assembly procedures. Several numerical experiments show the accuracy and efficiency of the method, as well as its potential to reduce the size of the local spaces and the number of training samples compared to the uncorrelated sampling
In the field of computational science and engineering, workflows often entail the application of various software, for instance, for simulation or pre- and postprocessing. Typically, these components have to be combined in arbitrarily complex workflows to address a specific research question. In order for peer researchers to understand, reproduce and (re)use the findings of a scientific publication, several challenges have to be addressed. For instance, the employed workflow has to be automated and information on all used software must be available for a reproduction of the results. Moreover, the results must be traceable and the workflow documented and readable to allow for external verification and greater trust. In this paper, existing workflow management systems (WfMSs) are discussed regarding their suitability for describing, reproducing and reusing scientific workflows. To this end, a set of general requirements for WfMSswere deduced from user stories that we deem relevant in the domain of computational science and engineering. On the basis of an exemplary workflow implementation, publicly hosted at GitHub (https:// this http URL), a selection of different WfMSs is compared with respect to these requirements, to support fellow scientists in identifying the WfMSs that best suit their requirements.
A giant Zn segregation transition is revealed using CALPHAD-integrated density-based modeling of segregation into Fe grain boundaries (GBs). The results show that above a threshold of only a few atomic percent Zn in the alloy, a substantial amount of up to 60 at.% Zn can segregate to the GB. We found that the amount of segregation abruptly increases with decreasing temperature, while the Zn content in the alloy required for triggering the segregation transition decreases. Direct evidence of the Zn segregation transition is obtained using high-resolution scanning transmission electron microscopy. Base on the model, we trace the origin of the segregation transition back to the low cohesive energy of Zn and a miscibility gap in Fe-Zn GB, arising from the magnetic ordering effect, which is confirmed by ab-initio calculations. We also show that the massive Zn segregation resulting from the segregation transition greatly assists with liquid wetting and reduces the work of separation along the GB. The current predictions suggest that control over Zn segregation, by both alloy design and optimizing the galvanization and welding processes, may offer preventive strategies against liquid metal embrittlement.
Since microplastics (MPs) can be found everywhere and are becoming a problem of high concern, it is necessary to understand their physico-chemical properties. To obtain reliable analytical data a set of validated methods for sampling, sample preparation, detection, and data evaluation are needed.
To meet these needs an interlaboratory comparison (ILC) with 84 participants worldwide has been organized under the international pre-standardisation platform VAMAS (www.vamas.org/twa45/) as Project 2 “Development of standardized methodologies for characterisation of microplastics with microscopy and spectroscopy methods” within the Technical Working Area TWA 45 “Micro and Nano Plastics in the Environment”. In this ILC thermo-analytical methods (Py-GC/MS and TED-GC/MS) and vibrational methods (µ-Raman and µ-FTIR) have been tested and compared by providing a set of microplastic representative test materials and measurement protocols developed at BAM. The defined measurands were: particle number concentration, particle size distribution (PSD), and polymer identity and mass content. To increase the statistical quality, 6 samples were shipped together with blank samples. Hence, the ILC provides information on precision and accuracy of the results obtained with different methods as well as strengths and limitations of the proposed protocols.
Since microplastics (MPs) can be found everywhere and are becoming a problem of high concern, it is necessary to understand their occurrence and fate in the environment. However, to obtain data of high quality is very challenging, since measurement operating procedures differ from laboratory to laboratory. Currently, there are no standardized methods to analyze microplastics. One promissing possibility to adress standardization of the methodology and operating procedures are interlaboratory comparisons (ILCs). In this contribution we report the first results of an ILC on microplastic detection methods organized under the pre-stantdardisation plattform of VAMAS (www.vamas.org/twa45/) as Project 2 “Development of standardized methodologies for characterisation of microplastics with microscopy and spectroscopy methods”, within the Technical Working Area TWA 45 “Micro and Nano Plastics in the Environment”. The ILC has gathered 84 participants all over the world representing all continents. BAM, as the project leader, produced a set of reference microplastic materials, which have been distributed to all the participants together with the measurement protocols and reporting data templates.
Microplastic and nanoplastic particles (MNP) are spread all over the world in various types, shapes and sizes making it very challenging to accurately analyse them. Each sampling procedure, sample preparation method and detection technique needs suitable reference materials to validate the method for accurate results. Furthermore, the effects of these MNPs should be evaluated by risk and hazard assessment with test particles close to reality. To better understand MNP behavior and aid in clarification of their interactions with organisms, we produced several MNP materials by top-down procedure and characterized their properties. Since surface properties mostly determine particles’ toxicity, the aim of the present study was to determine which functional groups are present on MNPs and how the surface can be affected by the production process and particle’s environment.
Additive manufacturing (AM) offers significantly greater freedom of design compared to conventional manufacturing processes since the final parts are built layer by layer. This enables metal AM, also known as metal 3D printing, to be utilized for improving efficiency and functionality, for the production of parts with very complex geometries, and rapid prototyping. However, despite many technological advancements made in recent years, several challenges hinder the mass adoption of metal AM. One of these challenges is mechanical anisotropy which describes the dependency of material properties on the material orientation. Therefore, in this work, stainless steel 316L parts produced by laser-based powder bed fusion are used to isolate and understand the root cause of anisotropy in AM parts. Furthermore, an efficient and accurate multiscale numerical framework is presented for predicting the deformation behavior of actual AM parts on the macroscale undergoing large plastic deformations. Finally, a novel constitutive model for the plastic spin is formulated to capture the influence of the microstructure evolution on the material behavior on the macroscale.
Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.