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Das hocheffiziente Konzeptfahrzeug Schluckspecht VI (S6) hat im Sommer 2022 am Shell Eco Marathon als bestes Neufahrzeug abgeschlossen. Dennoch war die Reichweite von 560km/kWh nicht ausreichend, um sich gegen die anderen teilnehmenden Teams zu behaupten. Daher werden am Fahrzeug die Komponenten und Systeme ermittelt, welche das meiste Optimierungspotential bergen. Hierbei stechen besonders die Aerodynamik, die Motoransteuerung und die Rollreibung hervor. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Optimierung. Zunächst gilt es herauszufinden, welche Bauteile explizit für die Aerodynamik ausschlaggebend sind. Die drei Komponenten, die maßgeblichen Einfluss haben sind: der Grundkörper, die Radkästen und die Fahrwerksflügel. Einen weiteren Einflussfaktor bergen die sich drehenden Räder, da diese jedoch weitestgehend umhaust sind, ist in dieser Hinsicht keine weitere Optimierung erforderlich. Zu Ermittlung der derzeitigen aerodynamischen Werte, vor allem cW, cWA und Geschwindigkeits- und Druckverteilung um das Fahrzeug, wird ein digitales Modell des S6 aufgebaut. An diesem Modell werden Simulationen durchgeführt, die idealisierte Kennwerte liefern. Parallel zur Simulation liefern Versuche am Fahrzeug reale Messdaten. Speziell dafür wird eine neue Versuchsmethode entwickelt: die Konstantfahrtuntersuchung. Bei dieser Untersuchung wird die Vortriebskraft des Fahrzeugs anhand des Motorstroms ermittelt, um so auf die Fahrtwiderstandswerte zu schließen. Zur Erhebung der Messdaten am Fahrzeug wird zudem ein für die Untersuchung angepasster Sensor entwickelt. Diese Untersuchungen liefern plausible Ergebnisse, die jedoch mit denen der Simulation schwer vergleichbar sind. Dies ist bedingt durch die erschwerten Randbedingungen bei der Durchführung der Versuche und beim Aufzeichnen der Messdaten auf der Teststrecke.
Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen stellt eine Herausforderung bei der Planung und Auslegung regenerativer Gebäudeenergiesysteme dar. Die in einem System benötigten Speicherkapazitäten hängen dabei sowohl von der eingesetzten Regelungsstrategie als auch von den temperaturabhängigen Wirkungsgraden der Anlagenkomponenten ab. Genauere Einblicke in das Betriebsverhalten eines Gesamtsystems können dynamische Simulationen liefern, die eine Analyse der Systemtemperaturen und von Teilenergiekennwerten ermöglichen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang im Kontext von Vorkammerzündsystemen. Dies geschieht im Rahmen der Entwicklung eines Gasmotors mit gasgespülter Vorkammer. Entscheidene Größen für die Strömung und Arbeitsweise in einer Vorkammerzündkerze sind die Geometrie und Anordnung der Überströmbohrungen, das Vorkammervolumen und die Form der Vorkammer. Die Betrachtung wird dafür aufgeteilt in die Themen Spaltströmungen, Wärmeübergang und drallbehaftete Strömungen. Diese werden zunächst isoliert betrachtet und letztendlich in einem Anwendungsfall zusammengeführt. Für die Betrachtung von Spaltströmungen werden unterschiedliche Platten mit Bohrlöchern zu verschiedenen Drücken, Durchmessern und Plattenstärken durchströmt und der Wärmeübergang und der Drall werden mithilfe einer durch Leitbleche gelenkte Strömung in einem beheizten Rohr untersucht. Die Zusammenführung der Themen wird anhand einer Anströmvorrichtung für Brenngase auf Motorzylinder durchgeführt. Dabei erreichen die Gase hohe Temperaturen und aufgrund von hohen Drücken und Spaltströmungen große Geschwindigkeiten.
Für die Simulation werden die Programme Ansys Fluent und Ansys Forte verwendet. Während ersteres primär für die Simulation von Strömungen verwendet wird, ist Forte speziell aufgebaut, um in Verbrennungsmotoren neben der Berechnung der Strömung auch die Einspritzung von Kraftstoff, die Verbrennung dessen und die resultierenden Schadstoffe zu berechnen. Da die Ergebnisse aus Forte eine große Gewichtung in der Beurteilung der Entwicklungsarbeit des Gasmotors hat, muss Forte selbst validiert werden. Dies wird durchgeführt anhand der angesprochenen Teilthemen und verglichen mit Messungen aus der Literatur und Simulationsergebnissen in Fluent.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
We present an electrochemical model of a lithium iron phosphate/graphite (LFP/C6) cell that includes combined aging mechanisms: (i) Electrochemical formation of the solid electrolyte interphase (SEI) at the anode, leading to loss of lithium inventory, (ii) breaking of the SEI due to volume changes of the graphite particles, causing accelerated SEI growth, and (iii) loss of active material due to of loss percolation of the liquid electrolyte resulting from electrode dry-out. The latter requires the introduction of an activity-saturation relationship. A time-upscaling methodology is developed that allows to simulate large time spans (thousands of operating hours). The combined modeling and simulation framework is able to predict calendaric and cyclic aging up to the end of life of the battery cells. The aging parameters are adjusted to match literature calendaric and cyclic aging experiments, resulting in quantitative agreement of simulated nonlinear capacity loss with experimental data. The model predicts and provides an interpretation for the dependence of capacity loss on temperature, cycling depth, and average SOC. The introduction of a percolation threshold in the activity-saturation relationship allows to capture the strong nonlinearity of aging toward end of life (“sudden death”).
Cast iron materials are used as materials for cylinder heads for heavy duty internal combustion engines. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their service life. While high-cycle fatigue (HCF) is dominant for the material in the water jacket region, the combination of thermal transients with mechanical load cycles results in thermomechanical fatigue (TMF) of the material in the fire deck region, even including superimposed TMF and HCF loads. Increasing the efficiency of the engines directly leads to increasing combustion pressure and temperature and, thus, lower safety margins for the currently used cast iron materials or alternatively the need for superior cast iron materials. In this paper (Part I), the TMF properties of the lamellar graphite cast iron GJL250 and the vermicular graphite cast iron GJV450 are characterized in uniaxial tests and a mechanism-based model for TMF life prediction is developed for both materials. The model can be used to estimate the fatigue life of components by means of finite-element calculations (Part II of the paper) and supports engineers in finding the appropriate material and design. Furthermore, the effect of the elastic, plastic and creep properties of the materials on the fatigue life can be evaluated with the model. However, for a material selection also the thermophysical properties, controlling to a high level the thermal stresses in the component, must be considered. Hence, the need for integral concepts for material characterization and selection from a multitude of existing and soon-to-be developed cast iron materials is discussed.
A complete thermomechanical fatigue (TMF) life prediction methodology is developed for predicting the TMF life of cast iron cylinder heads for efficient heavy duty internal combustion engines. The methodology uses transient temperature fields as thermal loads for the non-linear structural finite-element analysis (FEA). To obtain reliable stress and strain histories in the FEA for cast iron materials, a time and temperature dependent plasticity model which accounts for viscous effects, non-linear kinematic hardening and tensioncompression asymmetry is required. For this purpose a unified elasto-viscoplastic Chaboche model coupled with damage is developed and implemented as a user material model (USERMAT) in the general purpose FEA program ANSYS. In addition, the mechanismbased DTMF model for TMF life prediction developed in Part I of the paper is extended to three-dimensional stress states under transient non-proportional loading conditions. The material properties of the plasticity model are determined for lamellar graphite cast iron GJL250 and vermicular graphite cast iron GJV450 from isothermal and non-isothermal uniaxial tests. The methodology is applied to obtain a TMF life prediction on two cast iron cylinder heads for heavy duty diesel engine applications made from both cast iron materials. It is shown that the life predictions using the developed methodology correlate very well with observed lives from two bench tests in terms of location as well as number of cycles to failure.
Warmumformwerkzeuge unterliegen während des Betriebes komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. In kritischen Bereichen können dadurch lokal Spannungen entstehen, die die Fließgrenze überschreiten. Bei der Serienproduktion führt dies zu zyklischen plastischen Verformungen und zur thermomechanischen Ermüdung, welche die Lebensdauer der Warmumformwerkzeuge maßgeblich bestimmen kann. Zur Bewertung der thermomechanischen Ermüdung der Warmumformwerkzeuge gibt es jedoch heute keine etablierten Konzepte, da dieser Aspekt erst durch die Notwendigkeit einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz und optimierter Produktionsprozesse (beispielsweise im Rahmen von Industrie 4.0) eine höhere Aufmerksamkeit erreicht. In dieser Arbeit wird zum einen die aktuell industriell angewandte Vorgehensweise zur Auslegung von Warmumformwerkzeugen hinsichtlich der Lebensdauer erläutert. Des Weiteren wird ein Überblick über existierende Plastizitätsmodelle und Lebensdauermodelle gegeben. Dabei wird zwischen rein phänomenologischen und mechanismenbasierten Modellen unterschieden. Aus der betriebenen Recherche wird ersichtlich, dass weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet notwendig ist.
The durability of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) is governed by a nonlinear coupling between system demand, component behavior, and physicochemical degradation mechanisms, occurring on timescales from the sub-second to the thousand-hour. We present a simulation methodology for assessing performance and durability of a PEMFC under automotive driving cycles. The simulation framework consists of (a) a fuel cell car model converting velocity to cell power demand, (b) a 2D multiphysics cell model, (c) a flexible degradation library template that can accommodate physically-based component-wise degradation mechanisms, and (d) a time-upscaling methodology for extrapolating degradation during a representative load cycle to multiple cycles. The computational framework describes three different time scales, (1) sub-second timescale of electrochemistry, (2) minute-timescale of driving cycles, and (3) thousand-hour-timescale of cell ageing. We demonstrate an exemplary PEMFC durability analysis due to membrane degradation under a highly transient loading of the New European Driving Cycle (NEDC).