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Drawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.
In this paper, the Bauschinger effect and latent hardening of single crystals are assessed in finite element calculations using a single crystal plasticity model with kinematic hardening. To this end, results of cyclic micro-bending experiments on single crystal Alloy 718 in different crystal orientations (single slip and multi slip) with respect to the loading direction are used to determine the slip system related material properties of the single crystal plasticity model. Two kinematic hardening laws are considered: a kinematic hardening law describing latent hardening and a kinematic hardening law without latent hardening. For the determination of material properties for both hardening laws, a gradient-based optimization method is used. The results show that the different strength levels observed for micro-bending tests on different crystal orientations can only be described with latent kinematic hardening well, whereas the pronounced Bauschinger effect is described well by both kinematic hardening laws. It is concluded that cyclic micro-bending experiments on single crystals using different crystal orientations give an appropriate data base for the determination of the slip system related material properties of the single crystal plasticity model with latent kinematic hardening.
As PV enters the terawatt era, reliability, sustainability and low carbon footprint of solar modules are key requirements. The N.I.C.E.TM technology from Apollon Solar is a good candidate for significant improvements in these areas. As the second-generation pilot line is now functional with IEC certification underway, we present a holistic assessment of N.I.C.E.TM technology compared with conventional module technology with encapsulant. This includes electrical performance and cost/consumables, reliability, and degradation mechanisms as well as sustainability aspects. In addition, the new generation of N.I.C.E.-wire modules are presented that use thin round Cu wires instead of flat ribbons for interconnection. This candidate technology for an alternative to the Smart Wire Connection Technology (SWCT) is investigated experimentally as well as via numerical simulations.
Sweaty has already participated several times in RoboCup soccer competitions (Adult Size). Now the work is focused on stabilizing the gait. Moreover, we would like to overcome the constraints of a ZMP-algorithm that has a horizontal footplate as precondition for the simplification of the equations. In addition we would like to switch between impedance and position control with a fuzzy-like algorithm that might help to minimize jerks when Sweaty’s feet touch the ground.
Editorial
(2022)
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(2022)
Die Analyse von biomechanischen Parametern erlangt in der Sportwissenschaft und der Biomechanik eine immer größere Bedeutung. Daraus entwickelten sich mit der Zeit neue Analysemethoden, die sich zum Ziel gesetzt haben, eine bessere, schnellere und einfachere Analyse der biomechanischen Parameter zu ermöglichen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu evaluieren, ob die Sensor-Technologie für die Analyse von biomechanischen Parametern im Bereich des Skisprungs und Skilanglaufs eingesetzt werden kann und dabei einen Vorteil gegenüber den derzeitig verwendeten Analysemethoden mit sich bringt. Dabei soll ein Lösungskonzept entwickelt werden, welches gezielt die Geschwindigkeiten und Zeiten, im Skisprung und Skilanglauf analysieren kann.
Für die Auswahl der Sensoren, wurden zu Beginn Randbedingungen festgelegt, die ein Sensor erfüllen muss, um für den Einsatz im Skisprung und Langlauf geeignet zu sein. Dabei stehen vor allem die Outdoorfähigkeit, Scanfrequenz und die Reichweite im Fokus der Evaluierung. Auf Basis der Randbedingungen wurden diese mit den Eigenschaften der Sensoren verglichen und eine Vorauswahl getroffen. Dabei kam man zu dem Ergebnis, dass fünf Sensoren für den Einsatz im Skisprung und Skilanglauf geeignet sind. Die Sensoren kommen jeweils aus dem Bereich der LiDAR- (light detection and ranging), RFID- (Radio-Frequency Identification), und Radar-Technologie. Im Anschluss wurde für jeden Sensor ein Lösungskonzept zur Bestimmung von Geschwindigkeiten und Zeiten, unabhängig von dem zu messenden Objekt, erstellt und abschließend auf ihre Verwendbarkeit im Skisprung und Skilanglauf bewertet. Dadurch stellte sich heraus, dass die Kombination aus einem LiDAR-Sensor (LMS5xx) und einem RFID-Sensor (RFU63x) am besten für den Skilanglauf geeignet ist. Für die Verwendung im Skisprung zeigte sich ebenfalls eine Kombination aus dem RFID-Sensor (RFU63x) und einem Radar-Sensor (RMS1000) als bestmögliches Lösungskonzept zur Analyse von Geschwindigkeiten und Zeiten.
Die Arbeit hat gezeigt, dass die Sensor-Technologie in Zukunft eine schnellere, unabhängigere und einfache Methode zur Analyse von biomechanischen Parametern ermöglicht. Dabei muss berücksichtigt werden, dass es sich um eine theoretische Untersuchung handelt, welche als Vorlage für weitere Untersuchungen dienen soll.
Es werden die aktuellen Studien über Fußformen auf signifikante Unterschiede zwischen Männer und Frauen, Einflussfaktoren wie das Alter, die Körpergröße, das Gewicht und den BMI untersucht. Weiter werden die Unterschiede zwischen verschiedenen Ethnien, Belastungen und dem Aufwachsen mit oder ohne Schuhe analysiert. Die Studien werden über PubMed und ConnectedPapers gesucht und die Daten mit Excel ausgewertet und graphisch dargestellt. Folgendes hat sich ergeben: das Alter hat im Wachstum des Fußes einen Einfluss auf die Fußlänge und die Fußbreite. Außerhalb des Wachstums hat das Alter Einfluss auf die fibulare Bogenlänge und die Bogenhöhe. Die Körpergröße hat Einfluss auf die Fußlänge, die fibulare Bogenhöhe, die distale Knöchelhöhe und den Ballenumfang. Das Gewicht hat im Fußwachstum einen Einfluss auf die Fußlänge. Außerhalb des Wachstums hat das Gewicht einen Einfluss auf die fibulare Bogenhöhe, die Höhe des distalen Knöchels, die Zehenhöhe und den Ballenumfang. Der BMI hat einen Einfluss auf die fibulare Bogenlänge, die mediale und distale Knöchelhöhe und die Zehenhöhe. Für die Fersenbreite und die Risthöhe wurden keine Einflussfaktoren gefunden.
Die hohen Produktionskosten verhindern derzeit weitere industrielle Anwendungen des Rührreibschweißens (engl. friction stir welding, FSW), selbst wenn eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschweißen erreicht werden kann. Eine höhere Schweißgeschwindigkeit kann zwar die Kosten senken, wirkt sich aber negativ auf die Ermüdungsfestigkeit der FSW-Verbindungen aus. Als mögliche Lösung wurde das hydrostatische Festwalzen angewandt, um die Ermüdungsfestigkeit artgleicher und ungleicher FSW-Verbindungen aus den Legierungen EN AW 5083 und EN AW 6082 zu verbessern, die mit unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten hergestellt wurden. Zusätzlich wurde die Ermüdungsfestigkeit direkt mit konventionell durch Metall-Inertgasschweißen (MIG) hergestellten Verbindungen und mit Grundwerkstoffproben aus EN AW 5083 verglichen. Die Oberflächenbeschaffenheit im geschweißten Zustand wurde durch Messungen der Oberflächenrauigkeit und der Eigenspannung charakterisiert. Ermüdungsversuche wurden durchgeführt, um die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen zu quantifizieren. Nach dem Festwalzen wurden ähnliche Druckeigenspannungen für artgleiche und ungleiche Verbindungen ermittelt. Für festgewalzte artgleiche Verbindungen aus EN AW 5083 wurde keine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit festgestellt. In diesem Zustand lag die Ermüdungslebensdauer der Probe jedoch im Bereich des Grundmaterials. Somit wurde eine signifikant niedrigere Ermüdungslebensdauer und eine hohe Verbesserung der Ermüdungslebensdauer durch Festwalzen für ungleiche Verbindungen erreicht. Eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/min auf 800 mm/min verringerte die Ermüdungsfestigkeit von Mischschweißverbindungen in diesem Fall stark.
The present document is aimed to propose a suitable thermal model for the cooling down process of a one piston air cooled reciprocating compressor. In order to achieve this, a thermographic camera is used to record the temperature of different measuring points throughout different operating conditions. This data is later analyzed, with statistical tools and graphical visualization. The thermal phenomena present in the thermal process is characterized according to the compressors' geometry. Finally, using the analysis and taking into consideration the thermal phenomena the optimal thermal model is selected. This paper belongs to a bigger project and the last step is to simulate the compressor and the accuracy of the proposed model.
As society continues to age, the implementation of hip stems increases every year. However, there are a variety of different hip stem designs.
The aim of this project is to analyze which hip stem design implemented in a femur is most effective under different static loading conditions such as gait and sideways falling. In addition, a four-point-bending test was carried out. Therefore, the tech-niques were simulated in silico by FEA with Abaqus/CAE 2019.
A short stem, a straight stem and an anatomical stem were tested. All prosthesis are cementless press-fit stems. Each hip stem was examined in physiological and osteoporotic bone applying all three tests. To compare the stems the tests were also applied on a native bone model as a reference. Boundary conditions were used in order to simulate the tests.
The average von Mises stress, tension, compression and the risk of fracture were extracted and compared.
Biomechanical results show that the straight stem induces higher von Mises stresses compared to the anatomical stem. The risk of fracture is higher for osteo-porotic bone than for physiological bone. However, there is no risk of fracture as all the results are below the risk of value.
Lithium-ion batteries exhibit a dynamic voltage behaviour depending nonlinearly on current and state of charge. The modelling of lithium-ion batteries is therefore complicated and model parametrisation is often time demanding. Grey-box models combine physical and data-driven modelling to benefit from their respective advantages. Neural ordinary differential equations (NODEs) offer new possibilities for grey-box modelling. Differential equations given by physical laws and NODEs can be combined in a single modelling framework. Here we demonstrate the use of NODEs for grey-box modelling of lithium-ion batteries. A simple equivalent circuit model serves as a basis and represents the physical part of the model. The voltage drop over the resistor–capacitor circuit, including its dependency on current and state of charge, is implemented as a NODE. After training, the grey-box model shows good agreement with experimental full-cycle data and pulse tests on a lithium iron phosphate cell. We test the model against two dynamic load profiles: one consisting of half cycles and one dynamic load profile representing a home-storage system. The dynamic response of the battery is well captured by the model.
Die Bachelorarbeit umfasst die Entwicklung einer Pendelhubstichsäge für die Verwendung in CNC-Bearbeitungszentren. Der Entwicklungsprozess durch läuft alle vier Phasen: Planung, Konzeption, Konstruktion, Ausarbeitung. Endergebnis der Bachelorarbeit ist ein vollständiges 3D-Modell mit allen fertigungsrelevanten Dokumenten.
Introduction The use of scaffolds in tissue engineering is becoming increasingly important as solutions need to be found for the problem of preserving human tissue, such as bone or cartilage. In this work, scaffolds were printed from the biomaterial known as polycaprolactone (PCL) on a 3D Bioplotter. Both the external and internal geometry were varied to investigate their influence on mechanical stability and biocompatibility. Materials and Methods: An Envisiontec 3D Bioplotter was used to fabricate the scaffolds. First, square scaffolds were printed with variations in the strand width and strand spacing. Then, the filling structure was varied: either lines, waves, and honeycombs were used. This was followed by variation in the outer shape, produced as either a square, hexagon, octagon, or circle. Finally, the internal and external geometry was varied. To improve interaction with the cells, the printed PCL scaffolds were coated with type-I collagen. MG-63 cells were then cultured on the scaffolds and various tests were performed to investigate the biocompatibility of the scaffolds. Results: With increasing strand thickness and strand spacing, the compressive strengths decreased from 86.18 + 2.34 MPa (200 µm) to 46.38 + 0.52 MPa (600 µm). The circle was the outer shape with the highest compressive strength of 76.07 + 1.49 MPa, compared to the octagon, which had the lowest value of 52.96 ± 0.98 MPa. Varying the external shape (toward roundness) geometry, as well as the filling configuration, resulted in the highest values of compressive strength for the round specimens with honeycomb filling, which had a value of 91.4 + 1.4 MPa. In the biocompatibility tests, the round specimens with honeycomb filling also showed the highest cell count per mm2, with 1591 ± 239 live cells/mm2 after 10 days and the highest value in cell proliferation, but with minimal cytotoxic effects (9.19 ± 2.47% after 3 days).
The use of biochar is an important tool to improve soil fertility, reduce the negative environmental impacts of agriculture, and build up terrestrial carbon sinks. However, crop yield increases by biochar amendment were not shown consistently for fertile soils under temperate climate. Recent studies show that biochar is more likely to increase crop yields when applied in combination with nutrients to prepare biochar-based fertilizers. Here, we focused on the root-zone amendment of biochar combined with mineral fertilizers in a greenhouse trial with white cabbage (Brassica oleracea convar. Capitata var. Alba) cultivated in a nutrient-rich silt loam soil originating from the temperate climate zone (Bavaria, Germany). Biochar was applied at a low dosage (1.3 t ha−1). The biochar was placed either as a concentrated hotspot below the seedling or it was mixed into the soil in the root zone representing a mixture of biochar and soil in the planting basin. The nitrogen fertilizer (ammonium nitrate or urea) was either applied on the soil surface or loaded onto the biochar representing a nitrogen-enhanced biochar. On average, a 12% yield increase in dry cabbage heads was achieved with biochar plus fertilizer compared to the fertilized control without biochar. Most consistent positive yield responses were observed with a hotspot root-zone application of nitrogen-enhanced biochar, showing a maximum 21% dry cabbage-head yield increase. Belowground biomass and root-architecture suggested a decrease in the fine root content in these treatments compared to treatments without biochar and with soil-mixed biochar. We conclude that the hotspot amendment of a nitrogen-enhanced biochar in the root zone can optimize the growth of white cabbage by providing a nutrient depot in close proximity to the plant, enabling efficient nutrient supply. The amendment of low doses in the root zone of annual crops could become an economically interesting application option for biochar in the temperate climate zone.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.
Aufgrund der verstärkten Bedeutung von Datenschutz in der modernen Gesellschaft und der verstärkten Nutzung von markerlosen Systemen wird es zunehmend interessant, ob ein solches System zuverlässige Werte auch bei noch unpopuläreren Bewegungen, wie der Kopfbewegung, liefert. Diese treten, bei der heute vorwiegend sitzenden Gesellschaft und im Zeitalter von Nackenverspannungen und der daraus resultierenden Bewegungseinschränkungen, mehr in den Fokus. Auch unter dem Gesichtspunkt des Datenschutzes ist es wichtig, nicht nur die Namen der Probanden, sondern auch deren
Gesichter in den Aufzeichnungen zu anonymisieren.
In der vorliegenden Arbeit wird daher evaluiert, ob das markerlose Bewegungsanaylsesystem Theia mit anonymisierten Dateien ähnliche Ergebnisse erzeugt, wie mit den originalen Dateien. Für diese Studie wurden sechs verschiedene Bewegungen bis zu ihrem Maximalausschlag des jeweiligen Probanden aufgezeichnet. Die Bewegungen hierbei sind Flexion und Extension des Kopfes, Lateralflexion sowie Rotation zu beiden Seiten. Zusätzlich wurde noch ein Durchgang Kopfkreisen aufgezeichnet. Dieser bestand aus dreimaligem Kopfkreisen, welches eine Kombination aus den vorherigen Bewegungen ist.
Die anonymisierten Daten wurden mittels eines Algorithmus bearbeitet, welcher das Gesicht der Probanden unkenntlich macht. Dies geschah durch das Schwärzen des Gesichtes oder einem Verschwimmen des Gesichts. Danach wurden die drei Datensätze in Theia verarbeitet und in EXCEL ausgewertet. Dabei kam es vor allem bei der geschwärzten Version bei Flexion und Extension zu großen systematischen und zufälligen Fehlern. Der Mittelwert des systematischen Fehlers ist die Abweichung von 13,62 Grad zu den Originalwerten. Der zufällige Fehler ist im Mittel mit 170,57 Grad stärker abweichend. Im Vergleich dazu liegt der Mittelwert des systematischen Fehlers bei der geblurrten Versionen im Vergleich zu den Originalwerten bei 5,17 Grad. Die geblurrte Version weist zudem seltener signifikante Unterschiede und einen mittleren zufälligen Fehler von 23,43 Grad auf, weshalb diese Version unter geringem Vorbehalt verwendbar ist, die geschwärzte Version jedoch nicht.
Gesetzliche Auflagen, Kundenanforderungen sowie das Risiko von finanziellen Folgen und Imageschäden durch Rückrufaktionen zwingen die Automobilhersteller und ihre Lieferanten eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der Produkte zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist es nicht möglich, die Qualität von Klebverbindungen zu überprüfen, ohne dabei die Bauteile zu zerstören. Daher ist es bei Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen umso wichtiger, eine lückenlose Nachweisführung und Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Ziel dieser Masterthesis ist es, ein Konzept zu erstellen, welches die Rückverfolgbarkeit von Klebverbindungen mit hohen Sicherheitsanforderungen sicherstellt. Dieses Konzept berücksichtigt die Norm DIN 2304-1, in welcher Qualitätsanforderungen an Klebprozesse definiert sind.
Die Ausarbeitung des Rückverfolgbarkeitskonzepts basiert neben den Anforderungen der DIN 2304-1 auf den gesetzlichen Vorgaben und den Kundenanforderungen. Darüber hinaus werden zunächst die Methodik und die technischen Lösungen des Unternehmens dargestellt.
Das im Rahmen dieser Masterthesis entwickelte Konzept beinhaltet sowohl eine Beschreibung zur technischen Umsetzung der Anforderungen als auch die Definition der für die Nachweisführung relevanten Daten.
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.
The lifetime of a battery is affected by various aging processes happening at the electrode scale and causing capacity and power fade over time. Two of the most critical mechanisms are the deposition of metallic lithium (plating) and the loss of lithium inventory to the solid electrolyte interphase (SEI). These side reactions compete with reversible lithium intercalation at the graphite anode. Here we present a comprehensive physicochemical pseudo-3D aging model for a lithium-ion battery cell, which includes electrochemical reactions for SEI formation on graphite anode, lithium plating, and SEI formation on plated lithium. The thermodynamics of the aging reactions are modeled depending on temperature and ion concentration, and the reactions kinetics are described with an Arrhenius-type rate law. The model includes also the positive feedback of plating on SEI growth, with the presence of plated lithium leading to a higher SEI formation rate compared to the values obtained in its absence at the same operating conditions. The model is thus able to describe cell aging over a wide range of temperatures and C-rates. In particular, it allows to quantify capacity loss due to cycling (here in % per year) as function of operating conditions. This allows the visualization of aging colormaps as function of both temperature and C-rate and the identification of critical operation conditions, a fundamental step for a comprehensive understanding of batteries performance and behavior. For example, the model predicts that at the harshest conditions (< –5 °C, > 3 C), aging is reduced compared to most critical conditions (around 0–5 °C) because the cell cannot be fully charged.
To achieve its climate goals, the German industry has to undergo a transformation toward renewable energies. To analyze this transformation in energy system models, the industry’s electricity demands have to be provided in a high temporal and sectoral resolution, which, to date, is not the case due to a lack of open-source data. In this paper, a methodology for the generation of synthetic electricity load profiles is described; it was applied to 11 industry types. The modeling was based on the normalized daily load profiles for eight electrical end-use applications. The profiles were then further refined by using the mechanical processes of different branches. Finally, a fluctuation was applied to the profiles as a stochastic attribute. A quantitative RMSE comparison between real and synthetic load profiles showed that the developed method is especially accurate for the representation of loads from three-shift industrial plants. A procedure of how to apply the synthetic load profiles to a regional distribution of the industry sector completes the methodology.
The significant market growth of stationary electrical energy storage systems both for private and commercial applications has raised the question of battery lifetime under practical operation conditions. Here, we present a study of two 8 kWh lithium-ion battery (LIB) systems, each equipped with 14 lithium iron phosphate/graphite (LFP) single cells in different cell configurations. One system was based on a standard configuration with cells connected in series, including a cell-balancing system and a 48 V inverter. The other system featured a novel configuration of two stacks with a parallel connection of seven cells each, no cell-balancing system, and a 4 V inverter. The two systems were operated as part of a microgrid both in continuous cycling mode between 30% and 100% state of charge, and in solar-storage mode with day–night cycling. The aging characteristics in terms of capacity loss and internal resistance change in the cells were determined by disassembling the systems for regular checkups and characterizing the individual cells under well-defined laboratory conditions. As a main result, the two systems showed cell-averaged capacity losses of 18.6% and 21.4% for the serial and parallel configurations, respectively, after 2.5 years of operation with 810 (serial operation) and 881 (parallel operation) cumulated equivalent full cycles. This is significantly higher than the aging of a reference single cell cycled under laboratory conditions at 20 °C, which showed a capacity loss of only 10% after 1000 continuous full cycles.
Sensomotorische Einlagen nach Jahrling streben eine gezielte Verbesserung muskulärer Dysbalancen und der Körperstatik an. Anhand ganganalytischer Untersuchungen wurden im Zuge dieser Arbeit Daten von 19 Patient*innen beim Gehen ohne und mit Einlagen erfasst und analysiert. Ergänzend wurde zu Vergleichszwecken eine Kontrollgruppe von sieben gesunden Proband*innen herangezogen. Ziel war es, weitere Erkenntnisse über den Einfluss der Einlagenversorgung auf die Kinetik und Kinematik der unteren Extremität zu erlangen. Hierbei standen insbesondere die Kräfte und Drehmomente am Kniegelenk im Fokus.
Mittels der instrumentellen Ganganalyse wurden die Teilnehmenden im Abstand von zwei Wochen vermessen. Alle zeigten Einlagenversorgung einen erhöhten Valguswinkel am Kniegelenk während der Standbeinphase des Gehens, wiesen darüber hinaus jedoch keine neurologischen oder muskuloskelettalen Erkrankungen auf. Die Patient*innen absolvierten die Untersuchungen mit frei gewählter Ganggeschwindigkeit und auf ebener, freier Gehstrecke. Die erhobenen Daten wurden gemittelt, normiert und statistisch ausgewertet. Untersuchte Variablen sind Raum- / Zeitparameter und Verläufe der Gelenkwinkel und -momente am Kniegelenk, sowie am Sprunggelenk und dem Fußkomplex.
Die Ergebnisse lassen auf signifikante Effekte der Einlage auf die Kinematik des Kniegelenks in frontaler Ebene schließen. Der Abduktionswinkel der Teilnehmenden bei Toe-off wurde, durch die Versorgung mit sensomotorischen Einlagen, beispielsweise um 3,6° reduziert. Der Vergleich mit Personen ohne Beinachsfehlstellung zeigte zudem eine Annäherung des Verlaufs des Valguswinkel über nahezu den gesamten Gangzyklus. Es konnten zudem vereinzelt signifikante Unterschiede anhand des Extremwertvergleichs der Dorsal- und Plantarflexion des oberen Sprunggelenks nachgewiesen werden. Die Zeit- / Distanz- Parameter und Momentenverläufe blieben jedoch unverändert.
Die Arbeit zeigt, dass die sensomotorischen Einlagen Einfluss auf die Kinematik der Gelenke der unteren Extremität haben. Es wird allerdings auch deutlich, dass die Komplexität der Wirkmechanismen und deren Auswirkung durch die recht einfach gehaltene Ganganalyse nicht gänzlich erfasst werden kann. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Beobachtungen zu stützen und die Ergebnisse differenzierter erklären und bewerten zu können. Hierfür erscheint es sinnvoll, die Anzahl an Patient*innen zu erhöhen und die instrumentelle Ganganalyse mit EMG-Aufzeichnungen und einem detaillierteren Markermodell zu ergänzen.
Kurzfassung
Hintergrund: Eine Methode, mit der Richtungswechsel (COD) im Sport erkannt und quantifiziert werden können, kann eine weitere wichtige Variable bei der Überwachung von Belastungen sein und so Einfluss auf die Belastungssteuerung nehmen.
Zielsetzung: Die Überprüfung der Genauigkeit und Übereinstimmung einer GNSS-Trackingeinheit (Catapult OptimEye S5) bei vorgegebenen CODs im Bereich zwischen 45° und 180° nach links und rechts im Vergleich zu einem Bewegungserfassungssystem.
Stichprobe: 20 junge und zum Zeitpunkt der Messung gesunde Fußballer (10 Männer/10 Frauen; Alter: 25.3 ± 3.5 Jahre; Größe: 173 ± 8.5 cm; Gewicht: 66 ± 9.3 kg)
Methodik: Gleichzeitige Aufnahme von Positionsdaten (Catapult OptimEye S5) und Bewegungserfassungsdaten (Theia3D Markerless Motion-Capture) während je drei aufeinanderfolgenden Läufen pro vorgegebenen Winkel (180°, 135°, 90°, 45°) in beide Richtungen.
Ergebnisse: Eine gute Genauigkeit ist für 180°-CODs in beide Richtungen ermittelt worden. Deutlich unterschätzt sind die 45°-CODs in beide Richtungen und der 90°-COD nach links, weniger unterschätzt ist der 90°-COD nach rechts. Der 135°-COD ist für beide Richtungen deutlich nach oben verzerrt. Die Übereinstimmung ist für beide 180° Winkel und die 135°- und 45° Winkel nach links zufriedenstellend. Alle Ergebnisse werden über den Mittelwert ± Standardabweichung und der Bland-Altman 95%-Grenzen dargestellt.
Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass die GNSS-Technologie bei CODs an ihre Grenzen stößt. Dennoch können mit einem Kompromiss in Bezug auf die Genauigkeit, unterschiedliche Winkel bei CODs bestimmt werden.
Die Hohlprobentechnik soll als Alternative zur Autoklavtechnik eingesetzt werden,
um Werkstoffe unter Druckwasserstoffeinfluss charakterisieren zu können. Daher
wird in dieser Arbeit die Hohlprobengeometrie unter LCF-Belastung mit Hilfe
der Finite-Elemente-Methode untersucht. Dabei wird besonders auf den Einfluss
des Innendrucks, der Belastung und der Temperatur eingegangen. Die Ergebnisse
werden mit der Vollprobengeometrie verglichen, um die Eignung der Hohlprobe als
Alternative zur Vollprobe zu untersuchen. Ohne Innendruck ist kein Unterschied
im Verformungsverhalten zwischen Voll- und Hohlprobe zu erkennen. Bei hohen
Innendrücken kann die Hohlprobe ihre Formstabilität verlieren. Daher können in
Experimenten nicht alle Kombinationen aus Temperatur und Innendruck untersucht
werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die belastungsabhängige Wasserstoffdiffusion an einer
angerissenen Hohlprobe numerisch untersucht. Durch die Spannungsgradienten an der
Rissspitze wird die Wasserstoffkonzentration beeinflusst. Um einen Zusammenhang
zwischen der Plastizität und der Diffusion zu untersuchen, wird eine plastische und
eine Diffusionszone ausgewertet. Hier zeigt sich, dass die Diffusionszone hauptsächlich
von der Risslänge und weniger von der Belastung abhängt.
Jürgen Zierep passed away on July 29, 2021, at the age of 92. To him, science and education was not only a profession, but an affair of the heart. His impressive contributions in fluid mechanics comprise about 200 scientific publications in the fields of gas dynamics, similarity laws, flow instabilities, flows with energy transfer, and non-Newtonian fluids. In addition, he wrote eleven textbooks with great dedication. Those books by the “scientist who loves to teach” are nowadays available in different languages and regularly appear in new editions.
This mature textbook brings the fundamentals of fluid mechanics in a concise and mathematically understandable presentation. In the current edition, a section on dissipation and viscous potential flows has been added. Exercises with solutions help to apply the material correctly and promote understanding.
Lithium-ion batteries exhibit a well-known trade-off between energy and power, which is problematic for electric vehicles which require both high energy during discharge (high driving range) and high power during charge (fast-charge capability). We use two commercial lithium-ion cells (high-energy [HE] and high-power) to parameterize and validate physicochemical pseudo-two-dimensional models. In a systematic virtual design study, we vary electrode thicknesses, cell temperature, and the type of charging protocol. We are able to show that low anode potentials during charge, inducing lithium plating and cell aging, can be effectively avoided either by using high temperatures or by using a constant-current/constant-potential/constant-voltage charge protocol which includes a constant anode potential phase. We introduce and quantify a specific charging power as the ratio of discharged energy (at slow discharge) and required charging time (at a fast charge). This value is shown to exhibit a distinct optimum with respect to electrode thickness. At 35°C, the optimum was achieved using an HE electrode design, yielding 23.8 Wh/(min L) volumetric charging power at 15.2 min charging time (10% to 80% state of charge) and 517 Wh/L discharge energy density. By analyzing the various overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are dominantly responsible for the insufficient charge and discharge performance of cells with very thick electrodes.
A novel method for quasi-continuous tar monitoring in hot syngas from biomass gasification is reported. A very small syngas stream is extracted from the gasifier output, and the oxygen demand for tar combustion is determined by a well-defined dosage of synthetic air. Assuming the total oxidation of all of the combustible components at the Pt-electrode of a lambda-probe, the difference of the residual oxygen concentrations from successive operations with and without tar condensation represents the oxygen demand. From experiments in the laboratory with H2/N2/naphthalene model syngas, the linear sensitivity and a lower detection limit of about 70 ± 5 mg/m3 was estimated, and a very good long-term stability can be expected. This extremely sensitive and robust monitoring concept was evaluated further by the extraction of a small, constant flow of hot syngas as a sample (9 L/h) using a Laval nozzle combined with a metallic filter (a sintered metal plate (pore diameter 10 µm)) and a gas pump (in the cold zone). The first tests in the laboratory of this setup—which is appropriate for field applications—confirmed the excellent analysis results. However, the field tests concerning the monitoring of the tar in syngas from a woodchip-fueled gasifier demonstrated that the determination of the oxygen demand by the successive estimation of the oxygen concentration with/without tar trapping is not possible with enough accuracy due to continuous variation of the syngas composition. A method is proposed for how this constraint can be overcome.
Electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) has recently been developed as a potential diagnosis tool for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). It is based on analyzing the frequency response of the cell voltage with respect to an excitation of the gas-phase pressure. We present here a combined modeling and experimental study of EPIS. A pseudo-twodimensional PEMFC model was parameterized to a 100 cm2 laboratory cell installed in its test bench, and used to reproduce steady-state cell polarization and electrochemical impedance spectra (EIS). Pressure impedance spectra were obtained both in experiment and simulation by applying a harmonic pressure excitation at the cathode outlet. The model shows good agreement with experimental data for current densities ⩽ 0.4 A cm−2. Here it allows a further simulative analysis of observed EPIS features, including the magnitude and shape of spectra. Key findings include a strong influence of the humidifier gas volume on EPIS and a substantial increase in oxygen partial pressure oscillations towards the channel outlet at the resonance frequency. At current densities ⩾ 0.8 A cm−2 the experimental EIS and EPIS data cannot be fully reproduced. This deviation might be associated with the formation and transport of liquid water, which is not included in the model.
Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die Auswirkungen auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten haben, leiden oft an Gangstörungen in der Schwung- und Standphase. Um diesen Gangstörungen entgegenzuwirken und einzelne Muskeln zu unterstützen oder zu ersetzen, stellt die Versorgung mit Unterschenkelorthesen eine Behandlungsoption dar. Den Ärzten steht dabei eine Vielzahl an Orthesentypen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften zur Verfügung. Zur Beurteilung der Wirksamkeit einer Orthesenversorgung werden dreidimensionale Ganganalysen mit und ohne Orthese durchgeführt. Die Entscheidungsfindung wird durch eine Simulation des Bewegungsapparates, dem muskuloskelettalen Modelling, unterstützt. Aus den Messdaten der Ganganalyse mit Orthese wird mittels der inversen Dynamik auf die bewegungserzeugenden Muskelkräfte im Körper zurückgerechnet. Der-zeit wird das Gesamtmoment um das Sprunggelenk in die Berechnung mit einbezogen, welches sich aus dem internen Moment, erzeugt von Muskeln, Sehnen und Bändern der unteren Extremitäten des Patienten und dem externen Orthesenmoment zusammensetzt. Durch eine isolierte Ermittlung des Unterstützungsmoments einer Unterschenkelorthese kann durch das muskuloskelettale Modelling eine genauere Aussage über die Auswirkungen einer Unterschenkelorthese auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten und die Funktionalität des Bewegungsapparates des Patienten getroffen werden. Zur Bestimmung des Orthesenmoments wird die Rotationssteifigkeit, die wichtigste mechanische Eigenschaft einer Unterschenkelorthese mithilfe einer Testvorrichtung gemessen. Denn diese beschreibt das Widerstandsmoment der Orthese, das sie bei der Deformation in Plantar- oder Dorsalflexion er-zeugt, um eine gewisse Biegung um die Sprunggelenksachse freizugeben. Die Literaturrecherche ergibt, dass die Rotationssteifigkeit einer Unterschenkelorthese auf einem Prüfstand mit einem physischen Ersatzbeinmodell zur Fixierung der Orthese gemessen wird. In der bestehenden Testvorrichtung am Kinderspital Basel werden die Orthesen allerdings ohne Ersatzbeinmodell untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Ermittlung der Eignung der bestehenden Vorrichtung ohne Ersatzbeinmodell zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit. Dazu werden eine steife und drei Karbonfederorthesen auf der Testvorrichtung und am Bein eines gesunden Probanden in vergleichbaren Auslenkungen gemessen. Die Bewegung der Orthese wird mittels dreidimensionalem markerbasiertem Kameramesssystem aufgenommen und die kinetischen Daten über dreidimensionale Kraftmessplatten erfasst.
Für den Vergleich der beiden Testkonditionen werden drei Parameter definiert. Der Erste ist das Deformationsmaß der Orthese. Dieses beschreibt die Deformationslinie des Orthesenschafts in Sagittalebene. Der Vergleich zeigt, dass dieses bei allen getesteten Orthesentypen in starkem Maß zwischen beiden Testkonditionen variiert und damit nicht vergleichbar ist. Der zweite Parameter ist die Betrachtung eines vereinfachten Modells für das Verhalten des Rotationspunkts in der Sagittalebene, um den der Orthesenschaft bei der Verformung rotiert. Hierzu werden Geraden durch die Marker des Schafts und des Fußes gelegt und deren Schnittpunktverhalten bei der Deformation analysiert. Die Bewegung des Schnittpunkts variiert je nach Testkondition, jedoch wird das Maß der Bewegung im Vergleich zu anderen Einflussfaktoren als vernachlässigbar eingestuft. Hier gleichen sich somit die beiden Testkonditionen. Der dritte Parameter ist die Rotationssteifigkeit der Orthese. Hierzu werden mit den Kraftmessplatten die Kräfte gemessen und mit den Positionsdaten der Marker ein Hebelarm und der Deformationswinkel definiert. Die ermittelten Daten weichen zwischen den Testkonditionen in großem Maß voneinander ab. Eine direkte Aussage über die Eignung der Testvorrichtung kann nicht getroffen werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung am Bein des Probanden keine realistischen und da-mit verwertbaren Messdaten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit liefert. Schlussfolgernd sind die Messdaten beider Testkonditionen mit den angewandten Mess- und Berechnungsmethoden nicht vergleichbar. Die Eignung der Testvorrichtung lässt sich somit nur bedingt beurteilen. Einerseits liefert der Aufbau der Vorrichtung und die Messdurchführung Messda-ten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit, andererseits kann noch keine Aussage darüber getroffen werden, ob die Messdaten zu einer qualitativen Ermittlung der Rotationssteifigkeit der Orthese führen können. In zukünftigen Studien muss die Messung am Bein des Proban-den optimiert werden, um Referenzwerte für die Messung auf der Testvorrichtung bereitstellen zu können.
Significant improvements in module performance are possible via implementation of multi-wire electrodes. This is economically sound as long as the mechanical yield of the production is maintained. While flat ribbons have a relatively large contact area to exert forces onto the solar cell, wires with round cross section reduce this contact area considerably – in theory to an infinitively thin line. Therefore, the local stresses induced by the electrodes might increase to a point that mechanical production yields suffer unacceptably.
In this paper, we assess this issue by an analytical mechanical model as well as experiments with an encapsulant-free N.I.C.E. test setup. From these, we can derive estimations for the relationship between lay-up accuracy and expected breakage losses. This paves the way for cost-optimized choices of handling equipment in industrial N.I.C.E.-wire production lines.
Micronization of biochar (BC) may ease its application in agriculture. For example, fine biochar powders can be applied as suspensions via drip-irrigation systems or can be used to produce grnulated fertilizers. However, micronization may effect important physical biochar properties like the water holding capacity (WHC) or the porosity.
During the coronavirus crisis, labs had to be offered in digital form in mechanical engineering at short notice. For this purpose, digital twins of more complex test benches in the field of fluid energy machines were used in the mechanical engineering course, with which the students were able to interact remotely to obtain measurement data. The concept of the respective lab was revised with regard to its implementation as a remote laboratory. Fortunately, real-world labs were able to be fully replaced by remote labs. Student perceptions of remote labs were mostly positive. This paper explains the concept and design of the digital twins and the lab as well as the layout, procedure, and finally the results of the accompanying evaluation. However, the implementation of the digital twins to date does not yet include features which address the tactile experience of working in real-world labs.
Energietechnik
(2022)
Dieses Lehrbuch vermittelt ein grundlegendes, dennoch kurz gefasstes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse und umfasst dabei die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der konventionellen und vor allem nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energiespeicherung, Energieverteilung und abschließend zu einem Abriss der Globalen Erwärmung mit zugehöriger Klimapolitik.
In der aktuellen Auflage wurden mehrere Kapitel von neuen Autoren überarbeitet und teils grundlegend neu verfasst. Die aktuellen politischen Änderungen wurden u. a. in den verschiedenen Kapiteln der erneuerbaren Techniken, der Energieverteilung sowie der Marktliberalisierung und Energiewende durch sorgfältige Überarbeitungen eingebracht.
Unter fossilen Energieträgern verstehen sich energie- und kohlenstoffhaltige Stoffe, die in mehreren Millionen Jahren aus Biomassen unter dafür günstigen Bedingungen (Sauerstoffausschluss) gebildet wurden. Das geologische Alter von Steinkohle beträgt über 250 Millionen Jahre, das von Braunkohle ca. 50 Millionen. Derzeit werden deutlich mehr fossile Energieträger verbraucht als nachgebildet. Während in Deutschland die Stilllegung von Dampfkraftwerken, die mit Steinkohle befeuert werden, begonnen hat, steigt global der Verbrauch dieser Brennstoffe weiterhin an. Die Steinkohleförderung erreichte im Jahr 2019 weltweit den Wert von 7,3 Milliarden Tonnen, mit einer Steigerung von immerhin fast 3 % gegenüber dem Vorjahr 2018 nach [1]. Dieser Anstieg erfolgte hauptsächlich in China und Indonesien – in Deutschland ging der Kohleverbrauch in diesem Zeitraum zurück.
Heutzutage befindet sich die Menschheit in einem Zeitalter des Bewegungsmangels. Körperliche Aktivitäten dringen immer weiter in den Hintergrund. Dadurch wird die Gesundheit deutlich beeinträchtigt. Es entstehen vermehrt Krankheiten wie Diabetes und Schädigungen des Herz-Kreislauf-Systems. An diesem Beispiel lässt sich verdeutlichen, wie wichtig körperliche Bewegung ist. Die gängigste Art ist das Laufen und das Gehen. Dazu wurden Laufschuhe entwickelt. Jedoch ist die Passform oft nicht so ausgestattet, um für eine perfekte Laufperformance und ein möglichst geringes Verletzungsrisiko zu sorgen. Es entsteht ein Spiel zwischen Laufschuh und dem Fuß. Um dieses Spiel zu minimieren bzw. für eine verbesserte Laufperformance zu sorgen werden Gurtsysteme bzw. Schnürsysteme entwickelt. Das Ziel hierbei ist es zu prüfen, ob diese Gurtsysteme auch wirklich einen signifikanten Vorteil erweisen und ob es Unterschiede zwischen den einzelnen Schnürungen, sowie dem Schuh ohne Schnürung gibt.
In dieser Studie wurden 5 Probanden rekrutiert. Im Biomechanik Labor wird jeder Proband einzeln gemessen. Dabei positionieren die messenden Personen einen Schuh an den Probanden. Anschließend wird ein Gurtsystem befestigt. Es handelt sich hierbei um 4 verschiedene Schnürungen, die jeweils einmal um den Schuh gewickelt werden. Die Gurtsysteme sind dieselben, jedoch an einer anderen Position von proximal nach distal entlang des Fußes positioniert. Zusätzlich werden die Bewegungen noch mit dem Schuh ohne das Schnürsystem durchgeführt. Es handelt sich hierbei um 5 verschiedene Bewegungen. Das Gehen, das Laufen, das Springen, sowie das Abstoppen aus dem Gehen und dem Laufen. Ziel dabei ist es die horizontale Bewegung der Ferse nach vorne relativ zur Sohle, sowie die Verschiebung der Ferse relativ zur Sohle in vertikaler Richtung zu untersuchen und rauszufinden, ob es einen grundlegenden Unterschied zwischen den einzelnen Schnürungen gibt. Die einzelnen Messwerte beschreiben den Abstand zwischen dem Marker an der Ferse sowie auf dem Schuh, die gemeinsam ein Koordinatensystem aufspannen.
Die Messwerte der maximalen horizontalen Fersenbewegung bei der Bewegung Abstoppen aus dem Gehen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und D2, D1 und D3, D3 und D4, sowie D3 und Ohne, signifikant.
Die Messwerte der maximalen vertikalen Fersenbewegung bei der Bewegung Gehen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und Ohne, D2 und Ohne, D3 und Ohne, sowie D4 und Ohne, signifikant.
Die Messwerte der maximalen horizontalen Fersenbewegung bei der Bewegung Laufen zeigen, dass eine Signifikanz beim Friedman-Test vorhanden ist. Hierbei sind bei dem Vorzeichentest die Messungen D1 und D2, D1 und D4, sowie D3 und Ohne, signifikant.
Zu den Messungen Abstoppen aus dem Gehen MVF, Abstoppen aus dem Laufen MHF, Gehen MHF, Laufen MVF, Springen MHF und Springen MVF zeigt das Ergebnis des Friedmann Tests einen niedrigeren Wert als den Kritische Wert von 9,49. Somit haben diese Messungen untereinander keine Signifikanz und werden somit nicht für den Vorzeichentest verwendet.
Die Verletzung des Sprunggelenks ist eine der häufigsten Verletzungen bei vielen Sportarten. Um diese Verletzungen zu verringern und zu verhindern, werden immer neuere Gelenkschutzarten oder Schuhe entwickelt. Dafür sind vor allem Dehnungen am Schuhobermaterial interessant, für die es noch keine Studie gegeben hat.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Studie im Motion Capture Labor der Hochschule Offenburg durchzuführen und die maximale Dehnungen bzw. Längenänderungen im Vor- und Mittelfußbereich bei einem Schuh mit elastischem Obermaterial zu bestimmen. Dabei sollen auch die vertikale Kraft und die Zeitpunkte der maximalen Längenänderung gemessen werden.
Die Studie wurde mit 22 Probanden durchgeführt und es wurden eine statische Aufnahme und acht Bewegungen aufgenommen. Die relevanten Bewegungen für diese Arbeit sind Laufen, Gehen, Abstoppen aus schnellem Laufen und Abstoppen aus Gehen. Dabei wurde ein Motion Capture System und eine Kraftmessplatte genutzt, bei der die Probanden mit dem linken Fuß auftreten mussten. Der Vorfußbereich war mit fünf Markern und der Mittelfußbereich mit sieben Markern besetzt, die jeweils eine Querlinie über den Fuß bildeten. Die Kameras des Motion Capture Systems haben das reflektierende Infrarotlicht der Marker aufgenommen und das System die 3D-Daten gespeichert. Mit diesen Daten wurden alle Ergebnisse berechnet.
Es wurden hohe maximale Längenänderungen und vertikale Kräfte beim Abstoppen aus schnellem Laufen gefunden. Außerdem weisen Laufen und Gehen eine sehr niedrige vertikale Kraft beim Mittelfußbereich auf. Die Zeitpunkte der maximalen Längenänderungen sind für den Vor- und Mittelfußbereich bei jeder Bewegung sehr ähnlich. Der Vorfußbereich dehnt maximal am Anfang jeder Bewegung bzw. am Anfang des Auftretens des Fußes, während der Mittelfußbereich am Ende jeder Bewegung maximal dehnt.
Lithium-ion batteries show strongly nonlinear behaviour regarding the battery current and state of charge. Therefore, the modelling of lithium-ion batteries is complex. Combining physical and data-driven models in a grey-box model can simplify the modelling. Our focus is on using neural networks, especially neural ordinary differential equations, for grey-box modelling of lithium-ion batteries. A simple equivalent circuit model serves as a basis for the grey-box model. Unknown parameters and dependencies are then replaced by learnable parameters and neural networks. We use experimental full-cycle data and data from pulse tests of a lithium iron phosphate cell to train the model. Finally, we test the model against two dynamic load profiles: one consisting of half cycles and one dynamic load profile representing a home-storage system. The dynamic response of the battery is well captured by the model.
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.
In this paper, the effect of the polycrystalline microstructure on crack-tip opening displacement and crack closure is investigated for microstructural short plane strain fatigue cracks using the finite-element method. To this end, cracks are introduced in synthetically generated microstructures and the grain properties are described using a single crystal plasticity model with kinematic hardening. Additionally, finite-element calculations without resolved microstructure and von Mises plasticity with kinematic hardening are performed. Fully-reversed strain-controlled cyclic loadings are considered under large-scale yielding conditions as typical for low-cycle fatigue problems. The crack opening stress and the cyclic crack-tip opening displacement are significantly influenced by the local grain structure. While the stabilized crack opening stresses obtained with the microstructure-based finite-element model are in good accordance with the von Mises plasticity results, the differences in the cyclic crack opening displacement are addressed to the asymmetric plastic strain fields in the plastic wake behind the crack-tip of the microstructure-based model. The asymmetric plastic strain fields result in discontinuous and premature contact of the crack flanks.
In this paper, the influence of the material hardening behavior on plasticity-induced fatigue crack closure is investigated for strain-controlled loading and fully plastic, large-scale yielding conditions by means of the finite element method. The strain amplitude and the strain ratio are varied for given Ramberg–Osgood material properties representing materials with different hardening behavior. The results show a pronounced influence of the hardening behavior on crack closure, while no significant effect is found from the considered strain amplitude and strain ratio. The effect of the hardening behavior on the crack opening stress cannot be described by existing crack opening stress equations.
Nowadays decarbonisation of the energy system is one of the main concerns for most governments. Renewable energy technologies, such as rooftop photovoltaic systems and home battery storage systems, are changing the energy system to be more decentralised. As a consequence, new ways of energy business models are emerging, e.g., peer-to-peer energy trading. This new concept provides an online marketplace where direct energy exchange can occur between its participants. The purpose of this study is to conduct a content analysis of the existing literature, ongoing research projects, and companies related to peer-to-peer energy trading. From this review, a summary of the most important aspects and journal papers is assessed, discussed, and classified. It was found that the different energy market types were named in various ways and a proposal for standard language for the several peer-to-peer market types and the different actors involved is suggested. Additionally, by grouping the most important attributes from peer-to-peer energy trading projects, an assessment of the entry barrier and scalability potential is performed by using a characterisation matrix.
Young female handball players represent a high-risk population for anterior cruciate ligament (ACL) injuries. While the external knee abduction moment (KAM) is known to be a risk factor, it is unclear how cutting technique affects KAMs in sport-specific cutting maneuvers. Further, the effect of added game specificity (e.g., catching a ball or faking defenders) on KAMs and cutting technique remains unknown. Therefore, this study aimed: (i) to test if athletes grouped into different clusters of peak KAMs produced during three sport-specific fake-and-cut tasks of different complexities differ in cutting technique, and (ii) to test whether technique variables change with task complexity. Fifty-one female handball players (67.0 ± 7.7 kg, 1.70 ± 0.06 m, 19.2 ± 3.4 years) were recruited. Athletes performed at least five successful handball-specific sidestep cuts of three different complexities ranging from simple pre-planned fake-and-cut maneuvers to catching a ball and performing an unanticipated fake-and-cut maneuver with dynamic defenders. A k-means cluster algorithm with squared Euclidean distance metric was applied to the KAMs of all three tasks. The optimal cluster number of koptimal = 2 was calculated using the average silhouette width. Statistical differences in technique variables between the two clusters and the tasks were analyzed using repeated-measures ANOVAs (task complexity) with nested groupings (clusters). KAMs differed by 64.5%, on average, between clusters. When pooling all tasks, athletes with high KAMs showed 3.4° more knee valgus, 16.9% higher downward and 8.4% higher resultant velocity at initial ground contact, and 20.5% higher vertical ground reaction forces at peak KAM. Unlike most other variables, knee valgus angle was not affected by task complexity, likely due to it being part of inherent movement strategies and partly determined by anatomy. Since the high KAM cluster showed higher vertical center of mass excursions and knee valgus angles in all tasks, it is likely that this is part of an automated motor program developed over the players' careers. Based on these results, reducing knee valgus and downward velocity bears the potential to mitigate knee joint loading and therefore ACL injury risk.
Diese Bachelorarbeit behandelt die Konstruktion eines Vakuumtisches, welcher zum Fixieren dünner, flexibler Materialien in Lasermaschinen verwendet wird. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der methodischen Konstruktion des Vakuumtisches, welche anhand einer detaillierten Anforderungsliste erfolgt. Es wird eine Konzeptidee ausgearbeitet, welche den preislichen Rahmen nicht einhalten kann. Durch Vereinfachung der in der Baugruppe enthaltenen Komponenten wie auch der physikalischen Wirkprinzipien in der Baugruppe kann in einem zweiten Konzept eine deutlich preiswertere Konstruktion realisiert werden. Anhand eines Prototypen wird die Funktion und das Verhalten des Vakuumtisches erprobt und bewertet.
Physik durch Informatik
(2022)
Selbsttests in Lernmanagementsystemen (LMS) ermöglichen es Studierenden, den eigenen Lernfortschritt einzuschätzen. Das didaktische Konzept Physik durch Informatik (PDI) ist charakterisiert durch die Nutzung einer Programmiersprache zur Lösungseingabe bei Mathematik und Physik-Aufgaben. Im Gegensatz zur Lösungseingabe durch Zahlenwerte oder im Antwort-Auswahl-Verfahren erfordert die Implementierung einer Lösung in einer Programmiersprache eine höhere Kompetenzstufe.
Anterior cruciate ligament (ACL) ruptures are frequent in the age group of 15–19 years, particularly for female athletes. Although injury-prevention programs effectively reduce severe knee injuries, little is known about the underlying mechanisms and changes of biomechanical risk factors. Thus, this study analyzes the effects of a neuromuscular injury-prevention program on biomechanical parameters associated with ACL injuries in elite youth female handball players. In a nonrandomized, controlled intervention study, 19 players allocated to control (n = 12) and intervention (n = 7) group were investigated for single- and double-leg landings as well as unanticipated side-cutting maneuvers before and after a 12-week study period. The lower-extremity motion of the athletes was captured using a three-dimensional motion capture system consisting of 12 infrared cameras. A lower-body marker set of 40 markers together with a rigid body model, including a forefoot, rearfoot, shank, thigh, and pelvis segment in combination with two force plates was used to determine knee joint angles, resultant external joint moments, and vertical ground reaction forces. The two groups did not differ significantly during pretesting. Only the intervention group showed significant improvements in the initial knee abduction angle during single leg landing (p = 0.038: d = 0.518), knee flexion moment during double-leg landings (p = 0.011; d = −1.086), knee abduction moment during single (p = 0.036; d = 0.585) and double-leg landing (p = 0.006; d = 0.944) and side-cutting (p = 0.015;d = 0.561) as well as vertical ground reaction force during double-leg landing (p = 0.004; d = 1.482). Control group demonstrated no significant changes in kinematics and kinetics. However, at postintervention both groups were not significantly different in any of the biomechanical outcomes except for the normalized knee flexion moment of the dominant leg during single-leg landing. This study provides first indications that the implementation of a training intervention with specific neuromuscular exercises has positive impacts on biomechanical risk factors associated with ACL injury risk and, therefore, may help prevent severe knee injuries in elite youth female handball players.
Linear acceleration is a key performance determinant and major training component of many sports. Although extensive research about lower limb kinetics and kinematics is available, consistent definitions of distinctive key body positions, the underlying mechanisms and their related movement strategies are lacking. The aim of this ‘Method and Theoretical Perspective’ article is to introduce a conceptual framework which classifies the sagittal plane ‘shin roll’ motion during accelerated sprinting. By emphasising the importance of the shin segment’s orientation in space, four distinctive key positions are presented (‘shin block’, ‘touchdown’, ‘heel lock’ and ‘propulsion pose’), which are linked by a progressive ‘shin roll’ motion during swing-stance transition. The shin’s downward tilt is driven by three different movement strategies (‘shin alignment’, ‘horizontal ankle rocker’ and ‘shin drop’). The tilt’s optimal amount and timing will contribute to a mechanically efficient acceleration via timely staggered proximal-to-distal power output. Empirical data obtained from athletes of different performance levels and sporting backgrounds are required to verify the feasibility of this concept. The framework presented here should facilitate future biomechanical analyses and may enable coaches and practitioners to develop specific training programs and feedback strategies to provide athletes with a more efficient acceleration technique.
In this project, different calcification methods for collagen and collagen coatings were compared in terms of their applicability for 3D printing and production of collagen-coated scaffolds. For this purpose, scaffolds were printed from polycaprolactone PCL using the EnvisionTec 3D Bioplotter and then coated with collagen. Four different coating methods were then applied: hydroxyapatite (HA) powder directly in the collagen coating, incubation in 10× SBF, coating with alkaline phosphatase (ALP), and coating with poly-L-aspartic acid. The results were compared by ESEM, µCT, TEM, and EDX. HA directly in the collagen solution resulted in a pH change and thus an increase in viscosity, leading to clumping on the scaffolds. As a function of incubation time in 10× SBF as well as in ALP, HA layer thickness increased, while no coating on the collagen layer was apparently observed with poly-L-aspartic acid. Only ultrathin sections and TEM with SuperEDX detected nano crystalline HA in the collagen layer. Exclusively the incubation in poly-L-aspartic acid led to HA crystals within the collagen coating compared to all other methods where the HA layers formed in different forms only at the collagen layer.
This paper will introduce the open-source model MyPyPSA-Ger, a myopic optimization model developed to represent the German energy system with a detailed mapping of the electricity sector, on a highly disaggregated level, spatially and temporally, with regional differences and investment limitations. Furthermore, this paper will give new outlooks on the German federal government 2050 emissions goals of the electricity sector to become greenhouse gas neutral by proposing new CO2 allowance strategies. Moreover, the regional differences in Germany will be discussed, their role and impact on the energy transition, and which regions and states will drive the renewable energy utilization forward.
Following a scenario-based analysis, the results point out the major keystones of the energy transition path from 2020 to 2050. Solar, onshore wind, and gas-fired power plants will play a fundamental role in the future electricity systems. Biomass, run of river, and offshore wind technologies will be utilized in the system as base-load generation technologies. Solar and onshore wind will be installed almost everywhere in Germany. However, due to the nature of Germany’s weather and geographical features, the southern and northern regions will play a more important role in the energy transition.
Higher CO2 allowance costs will help achieve the 1.5-degree-target of the electricity system and will allow for a rapid transition. Moreover, the more expensive, and the earlier the CO2 tax is applied to the system, the less it will cost for the energy transition, and the more emissions will be saved throughout the transition period. An earlier phase-out of coal power plants is not necessary with high CO2 taxes, due to the change in power plant’s unit commitment, as they prioritize gas before coal power plants. Having moderate to low CO2 allowance cost or no clear transition policy will be more expensive and the CO2 budget will be exceeded. Nonetheless, even with no policy, renewables still dominate the energy mix of the future.
However, maintaining the maximum historical installation rates of both national and regional levels, with the current emissions reduction strategy, will not be enough to reach the level of climate-neutral electricity system. Therefore, national and regional installation requirements to achieve the federal government emission reduction goals are determined. Energy strategies and decision makers will have to resolve great challenges in order to stay in line with the 1.5-degree-target.
An import ban of Russian energy sources to Germany is currently being increasingly discussed. We want to support the discussion by showing a way how the electricity system in Germany can manage low energy imports in the short term and which measures are necessary to still meet the climate protection targets. In this paper, we examine the impact of a complete stop of Russian fossil fuel imports on the electricity sector in Germany, and how this will affect the climate coals of an earlier coal phase-out and climate neutrality by 2045.
Following a scenario-based analysis, the results gave a point of view on how much would be needed to completely rely on the scarce non-renewable energy resources in Germany. Huge amounts of investments would be needed in order to ensure a secure supply of electricity, in both generation energy sources (RES) and energy storage systems (ESS). The key findings are that a rapid expansion of renewables and storage technologies will significantly reduce the dependence of the German electricity system on energy imports. The huge integration of renewable energy does not entail any significant imports of the energy sources natural gas, hard coal, and mineral oil, even in the long term. The results showed that a ban on fossil fuel imports from Russia outlines huge opportunities to go beyond the German government's climate targets, where the 1.5-degree-target is achieved in the electricity system.
Auswirkung eines Importstopps russischer Energieträger auf die Klimaschutzziele in Deutschland
(2022)
Ein Importstopp russischer Energieträger nach Deutschland wird derzeit vermehrt diskutiert. Wir wollen die Diskussion unterstützen, indem wir einen Weg zeigen, wie das Elektrizitätssystem in Deutschland kurzfristig mit geringen Energieimporten auskommt und welche Maßnahmen notwendig sind, um die Klimaschutzziele trotzdem einzuhalten. Die Ergebnisse eines solchen Energiewendeszenarios mit reduzierter Importabhängigkeit werden mit dem Energiesystemmodell MyPyPSA-Ger berechnet. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass ein zügiger Ausbau Erneuerbarer Energien und von Speichertechnologien • die Abhängigkeit des deutschen Elektrizitätssystems von Energieimporten deutlich reduziert. • auch langfristig keine wesentlichen Importe der Energieträger Erdgas, Steinkohle und Mineralöl nach sich zieht. • über die Klimaziele der Bundesregierung hinaus das 1,5-Grad-Ziel im Elektrizitätssystem erreicht wird.
Peer-to-peer energy trading and local electricity markets have been widely discussed as new options for the transformation of the energy system from the traditional centralized scheme to the novel decentralized one. Moreover, it has also been proposed as a more favourable alternative for already expiring feed in tariff policies that promote investment in renewable energy sources. Peer-to-peer energy trading is usually defined as the integration of several innovative technologies, that enable both prosumers and consumers to trade electricity, without intermediaries, at a consented price. Furthermore, the techno-economic aspects go hand in hand with the socio-economic aspects, which represent at the end significant barriers that need to be tackled to reach a higher impact on current power systems. Applying a qualitative analysis, two scalable peer-to-peer concepts are presented in this study and the possible participant´s entry probability into such concepts. Results show that consumers with a preference for environmental aspects have in general a higher willingness to participate in peer-to-peer energy trading. Moreover, battery storage systems are a key technology that could elevate the entry probability of prosumers into a peer-to-peer market.
To achieve Germany's climate targets, the industrial sector, among others, must be transformed. The decarbonization of industry through the electrification of heating processes is a promising option. In order to investigate this transformation in energy system models, high-resolution temporal demand profiles of the heat and electricity applications for different industries are required. This paper presents a method for generating synthetic electricity and heat load profiles for 14 industry types. Using this methodology, annual profiles with a 15-minute resolution can be generated for both energy demands. First, daily profiles for the electricity demand were generated for 4 different production days. These daily profiles are additionally subdivided into eight end-use application categories. Finally, white noise is applied to the profile of the mechanical drives. The heat profile is similar to the electrical but is subdivided into four temperature ranges and the two applications hot water and space heating. The space heating application is additionally adjusted to the average monthly outdoor temperature. Both time series were generated for the analysis of an electrification of industrial heat application in energy system modelling.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: Biochar as a Carbon Capture Technology
(2022)
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is made in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios to evaluate the impact. The CO2 emission limits from the years 2030 and 2045 are considered to create the scenarios, as well as the integration of flexibility technologies. Four scenarios in total are assessed and the result from the sensibility analysis considering pyrolysis are always compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that pyrolysis has a bigger impact in the energy system when the CO2 limit is low. Biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can affect a lot the behaviour of pyrolysis in the energy system.
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C [1]. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is done in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios for the year 2045 to evaluate the impact when the CO2 emission limit is zero. All scenarios are compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can strongly affect the behaviour of pyrolysis in the energy system.
In this work, time-independent and time-dependent plasticity models are presented that are well suited for the calculation of stresses and strains with the finite-element method to assess the low-cycle and thermomechanical fatigue life of engineering components. The focus are plasticity models that are available in finite-element programs nowadays as standard material models and describe isotropic and kinematic hardening, strain-rate dependency as well as static recovery of hardening. For the presented models, aspects relevant for the application of the models are addressed as the determination of the material properties and the numerical implementation. Nevertheless, the plasticity models are also embedded in the thermodynamic framework used for the derivation of thermodynamically consistent plasticity models. Only uniaxial formulations are used to achieve a good readability and preventing the use of tensors.
The contribution of the RoofKIT student team to the SDE 21/22 competition is the extension of an existing café in Wuppertal, Germany, to create new functions and living space for the building with simultaneous energetic upgrading. A demonstration unit is built representing a small cut-out of this extension. The developed energy concept was thoroughly simulated by the student team in seminars using Modelica. The system uses mainly solar energy via PVT collectors as the heat source for a brine-water heat pump (space heating and hot water). Energy storage (thermal and electrical) is installed to decouple generation and consumption. Simulation results confirm that carbon neutrality is achieved for the building operation, consuming and generating around 60 kWh/m2a.
Konzeption und Evaluierung eines Trainings-Windkanals für den spezifischen Einsatz im Skisprung
(2022)
Im Projekt „BioMeth“ wurden zwei neuartige und bislang noch nicht für die biologische Methanisierung beschriebene Anlagenkonzepte entwickelt. Der neuentwickelte Invers-Membranreaktor (IMR) ermöglicht es, den Eintrag der erforderlichen Eduktgase Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 über kommerziell erhältliche Ultrafiltrationsmembranen und den Entgasungsbereich für den Methanaustrag räumlich zu trennen und zusätzlich einen hydraulischen Druck zur Steigerung des Wasserstoffeintrages zu nutzen. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass perspektivisch sowohl das CO2 aus klassischem Biogas als auch CO2-Quellen aus industriellen Abluftströmen, z. B. aus der Zementindustrie als Kohlenstoffquelle genutzt werden können.
Über die biologische Methanisierung hinaus eignet sich der Invers-Membranreaktor der Einschätzung der Autoren nach auch generell zur biotechnologischen Herstellung nicht-flüchtiger Wertstoffe ausgehend von gasförmigen Substraten. Im IMR kann z. B. ein Membranmodul zum Eintrag der Eduktgase verwendet werden, während ein weiteres Hohlmembranmodul zur zyklischen oder kontinuierlichen Abtrennung der wertstoffhaltigen Reaktionslösung unter Rückhaltung der Mikrobiologie im Sinne eines In-situ Product Recovery (ISPR)-Konzeptes genutzt werden kann.
Als herausragendes Ergebnis erwies sich während der Untersuchung des IMR, dass mit dem Konzept der Membranbegasung CH4-Konzentrationen von > 90 Vol.-% über eine einjährige Versuchsreihe kontinuierlich und mit flexiblem Gaseintrag erzielt werden konnten. Nach Inbetriebnahme war dabei außer der Zugabe von H2 und CO2 als Energie- bzw. C-Quelle lediglich eine zweimalige Ergänzung von Supplementen erforderlich. Die maximal erreichte membranflächen-spezifische Methanbildungsrate ohne Gaszirkulation lag bei 83 LN Methan pro m2 Membranfläche und Tag bei einer Produktgaszusammensetzung von 94 Vol.% Methan, 2 Vol.% H2, und 4 Vol.% CO2.
Das zweite noch in der frühen Testphase befindliche Verfahren nutzt Druckunterschiede in einer 10 m hohen gepackten Gegenstromblasensäule, die mit einem ebenfalls 10 m hohen separaten Entgasungs-Reaktor kombiniert wurde. Diese Verfahrenskonzept soll es ermöglichen, eine hohe Wasserstofflöslichkeit aufgrund des am Säulenfuß vorliegenden hydrostatischen Druckes zu erreichen und dabei gleichzeitig den Energiebedarf zu minimieren, die Investitionskosten zu reduzieren und optimale zeitliche und räumlichen Bedingungen für die mikrobiologische Umsetzung von H2 und CO2 zu schaffen. Erste Untersuchungen am Gegenstromblasensäulenreaktor zum Stoffübergang von Luft bestätigten eine gute Anreicherung der im Kreislauf geführten Flüssigkeit bereits bei verhältnismäßig niedrigen Gasleerrohrgeschwindigkeiten. In der zweiten Säule des Reaktoraufbaus sollte am Kopf aufgrund der Druckentspannung ein Ausgasen der im Vergleich zu Atmosphärendruck mit Gas übersättigten Flüssigkeit erfolgen. Das Ausgasen der Flüssigkeit konnte ebenfalls am Beispiel des Lufteintrages bestätigt werden.
The purpose of this study was to describe the effects of running speed and slope on metatarsophalangeal (MTP) joint kinematics. 22 male and female runners underwent 3D motion analysis on an instrumented treadmill at three different speeds (2.5 m/s, 3.0 m/s, 3.5 m/s). At each speed, participants ran at seven slope conditions (downhill: -15%, -10%, -5%, level, and uphill: +5%, +10%, +15%). We found a significant main effect (p < 0.001) of running speed and slope on peak MTP dorsiflexion and a running speed by slope interaction effect (p < 0.001) for peak MTP dorsiflexion velocity. These findings highlight the need to consider running intensity and environmental factors like running surface inclination when considering MTP joint mechanics and technological aids to support runners.
Background: Running overuse injuries (ROIs) occur within a complex, partly injury-specific interplay between training loads and extrinsic and intrinsic risk factors. Biomechanical risk factors (BRFs) are related to the individual running style. While BRFs have been reviewed regarding general ROI risk, no systematic review has addressed BRFs for specific ROIs using a standardized methodology.
Objective: To identify and evaluate the evidence for the most relevant BRFs for ROIs determined during running and to
suggest future research directions.
Design: Systematic review considering prospective and retrospective studies. (PROSPERO_ID: 236,832).
Data Sources: PubMed. Connected Papers. The search was performed in February 2021.
Eligibility Criteria: English language. Studies on participants whose primary sport is running addressing the risk for the seven most common ROIs and at least one kinematic, kinetic (including pressure measurements), or electromyographic BRF. A BRF needed to be identified in at least one prospective or two independent retrospective studies. BRFs needed to be determined during running.
Results: Sixty-six articles fulfilled our eligibility criteria. Levels of evidence for specific ROIs ranged from conflicting to moderate evidence. Running populations and methods applied varied considerably between studies. While some BRFs appeared for several ROIs, most BRFs were specific for a particular ROI. Most BRFs derived from lower-extremity joint kinematics and kinetics were located in the frontal and transverse planes of motion. Further, plantar pressure, vertical ground reaction force loading rate and free moment-related parameters were identified as kinetic BRFs.
Conclusion: This study offers a comprehensive overview of BRFs for the most common ROIs, which might serve as a starting point to develop ROI-specific risk profiles of individual runners. We identified limited evidence for most ROI-specific risk factors, highlighting the need for performing further high-quality studies in the future. However, consensus on data collection standards (including the quantification of workload and stress tolerance variables and the reporting of injuries) is warranted.
Research is often conducted to investigate footwear mechanical properties and their effects on running biomechanics, but little is known about their influence on runner satisfaction, or how well the shoe is perceived. A tool to predict runner satisfaction in a shoe from its mechanical properties would be advantageous for footwear companies. Data in this study were from a database (n = 615 subject-shoe pairings) of satisfaction ratings (gathered after participants ran on a treadmill), and mechanical testing data for 87 unique subjects across 61 unique shoes. Random forest and elastic net logistic regression models were built to test if footwear mechanical properties and subject characteristics could predict runner satisfaction in 3 ways: degree-of-satisfaction on a 7-point Likert scale, overall satisfaction on a 3-point Likert scale, and willingness-to-purchase the shoe (yes/no response). Data were divided into training and validation sets, using an 80–20 split, to build the models and test their accuracy, respectively. Model accuracies were compared against the no-information rate (i.e. proportion of data belonging to the largest class). The models were not able to predict degree-of-satisfaction or overall satisfaction from footwear mechanical properties but could predict runner’s willingness to purchase with 68–75% accuracy. Midsole Gmax at the heel and forefoot appeared in the top five of variable importance rankings across both willingness-to-purchase models, suggesting its role as a major factor in purchase decisions. The negative regression coefficient for both heel and forefoot Gmax indicated that softer midsoles increase the likelihood of a shoe purchase. Future models to predict satisfaction may improve accuracy with the addition of more subject-specific parameters, such as running goals or foot proportions.
Weitsprung mit und ohne Unterschenkelprothese – gleiche Sportart, unterschiedliche Disziplinen
(2022)
Rehabilitationsmaßnahmen nach Unfällen oder Krankheiten sind oft langwierig und häufig mit Schmerzen sowie Frustration verbunden – und Ähnliches gilt für Präventionstraining. Die spielerische Anreicherung des Trainings (im Folgenden: Gamification) kann dieser Entwicklung durch die Steigerung des Spaßfaktors entgegenwirken. Im Gegensatz zu regulären Spielen kann es durch die höhere Motivation und Immersion im Training allerdings zu einer verminderten Schmerzwahrnehmung und damit einer Verschlechterung des Gesundheitszustands bis hin zu einer erneuten Verletzung kommen. Daher war es bislang erforderlich, solche Ansätze kontinuierlich therapeutisch zu begleiten. Für eine autonome Intervention, zur Entlastung von Therapeuten, aber auch im Heimbereich ist eine automatisierte Anpassung des Schwierigkeitsgrads des Bewegungstrainings und eine individualisierte Zielsetzung und -kontrolle von zentraler Bedeutung. Diese Herausforderung ist in bestehenden Ansätzen zu wenig adressiert bzw. beschrieben worden. Der Einsatz künstlicher Intelligenz kann hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten – insbesondere hybride Ansätze, die expertenbasierte Entscheidungsbäume mit Verfahren des maschinellen Lernens kombinieren, könnten in der Zukunft einen wichtigen Beitrag zu einer erfolgreichen Rehabilitation und Prävention liefern.
Rising societies’ demands require more sustainable products and technologies. Although numerous methods and tools have been developed in the last decades to support environmental-friendly product and process development, an interdisciplinary knowledge base of eco-innovative examples linked to the eco-innovative problems and solution principles is lacking. The paper proposes an ontology of examples for eco-friendly products and technologies assigned to the Inventive Principles (IPs) of the TRIZ methodology in accordance with the German TRIZ Standard VDI 4521. The examples of sustainable technologies and products build a database for sharing and reusing eco-innovation knowledge. The ontology acts as a tool for systematic solving of specific environmental problems in typical life cycle phases, for different environmental impact categories and engineering domains. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of the TRIZ-based systematic eco-innovation.
Eco-Feasibility Study and Application of Natural Inventive Principles in Chemical Engineering Design
(2022)
The early stages of the front-end process development are critical for the future success of projects involving new technologies. The application of eco-inventive principles identified in natural systems to the design of chemical processes and equipment allows one to find ways to mitigate or avoid secondary ecological problems such as, for example, higher consumption of raw materials or energy, generation of hazardous waste and pollution of the environment by toxic chemicals. However, before implementing a new technology in a real operational environment, it is necessary to completely investigate its undesirable ecological impact and to evaluate the future viability of this technology. Therefore, the research paper presents a study of ecological feasibility of an innovative process design utilising natural eco-inventive principles and analyses the correlations between applied inventive principles. Such eco-feasibility study can be considered as an important decision gate to determine whether the technology implementation should be moved forward. Furthermore, the study evaluates the practicability of natural inventive principles to the eco-friendly process design and is illustrated with an example of a sustainable technology for nickel extraction from pyrophyllite.
During the coronavirus crisis, labs had to be offered in digital form in mechanical engineering at short notice. For this purpose, digital twins of more complex test benches in the field of fluid energy machines were used in the mechanical engineering course, with which the students were able to interact remotely to obtain measurement data. The concept of the respective lab was revised with regard to its implementation as a remote laboratory. Fortunately, real-world labs were able to be fully replaced by remote labs. Student perceptions of remote labs were mostly positive. This paper explains the concept and design of the digital twins and the lab as well as the layout, procedure, and finally the results of the accompanying evaluation. However, the implementation of the digital twins to date does not yet include features that address the tactile experience of working in real-world labs.
The purpose of this study was to 1) compare knee joint kinematics and kinetics of fake-and-cut tasks of varying complexity in 51 female handball players and 2) present a case study of one athlete who ruptured her ACL three weeks post data collection. External knee joint moments and knee joint angles in all planes at the instance of the peak external knee abduction moment (KAM) as well as moment and angle time curves were analyzed. Peak KAMs and knee internal rotation moments were substantially higher than published values obtained during simple change-of-direction tasks and, along with flexion angles, differed significantly between the tasks. Introducing a ball reception and a static defender increased joint loads while they partially decreased again when anticipation was lacking. Our results suggest to use game-specific assessments of injury risk while complexity levels do not directly increase knee loading. Extreme values of several risk factors for a post-test injured athlete highlight the need and usefulness of appropriate screenings.
This study aimed to compare a simplified calculation of the knee abduction moment with the traditional inverse dynamics calculation when athletes perform fake-cut maneuvers with different complexities. In the simplified calculation, we multiply the force vector with its lever arm to the knee, projected onto the local coordinate system of the proximal thigh, hence neglecting the inertial contributions from distal segments. We found very strong ranking consistency using Spearman’s rank correlation coefficient when using the simplified method compared to the traditional calculation. Independent of the tasks, the simplified method resulted in higher moments than the inverse dynamics. This was caused by ignoring the moment caused by segment linear acceleration generating a counteracting moment by about 7%. An alternative to the complex calculations of inverse dynamics can be used to investigate the contributions of the GRF magnitude and its lever arm to the knee.
Running footwear is continuously being modified and improved; however, running-related overuse injury rates remain high. Nevertheless, novel manufacturing processes enable the production of individualized running shoes that can fit the individual needs of runners, with the potential to reduce injury risk. For this reason, it is essential to investigate functional groups of runners, a collective of runners who respond similarly to a footwear intervention. Therefore, the objective of this study was to develop a framework to identify functional groups based on their individual footwear response regarding injury-specific running-related risk factors for Achilles tendinopathy, Tibial stress fractures, Medial tibial stress syndrome, and Patellofemoral pain syndrome. In this work, we quantified the footwear response patterns of 73 female and male participants when running in three different footwear conditions using unsupervised learning (k-means clustering). For each functional group, we identified the footwear conditions minimizing the injury-specific risk factors. We described differences in the functional groups regarding their running style, anthropometric, footwear perception, and demographics. The results implied that most functional groups showed a tendency for a single footwear condition to reduce most biomechanical risk factors for a specific overuse injury. Functional groups often differed in their hip and pelvis kinematics as well as their subjective rating of the footwear conditions. The footwear intervention only partially affected biomechanical risk factors attributed to more proximal joints. Due to its adaptive nature, the framework could be applied to other footwear interventions or performance-related biomechanical variables.
Effect of downhill running on biomechanical risk factors associated with iliotibial band syndrome
(2022)
The purpose of this study was to identify the influence of downhill running on biomechanical risk factors for iliotibial band syndrome. We conducted a 3D motion analysis of 22 females and males running on an instrumented treadmill at four different inclinations (0%, -5%, -10%, -15%) at a speed of 3.5 m/s. We found significant differences for biomechanical risk factors associated with iliotibial band syndrome. Peak knee flexion angle at initial ground contact (p < .001), peak knee adduction angle (p = .005), and iliotibial band strain (p < .001) systematically increased with increasing slope. Downhill running increases biomechanical risk factors for iliotibial band syndrome. Our results highlight the need to consider the individual running environment in assessing overuse injury risk in runners.
Background: Many countries have restricted public life in order to contain the spread of the novel coronavirus (SARS-CoV2). As a side effect of related measures, physical activity (PA) levels may have decreased.
Objective: We aimed (1) to quantify changes in PA and (2) to identify variables potentially predicting PA reductions.
Methods: A systematic review with random-effects multilevel meta-analysis was performed, pooling the standardized mean differences in PA measures before and during public life restrictions.
Results: A total of 173 trials with moderate methodological quality (modified Downs and Black checklist) were identified. Compared to pre-pandemic, total PA (SMD − 0.65, 95% CI − 1.10 to − 0.21) and walking (SMD − 0.52, 95% CI − 0.29 to − 0.76) decreased while sedentary behavior increased (SMD 0.91, 95% CI: 0.17 to 1.65). Reductions in PA affected all intensities (light: SMD − 0.35, 95% CI − 0.09 to − 0.61, p = .013; moderate: SMD − 0.33, 95% CI − 0.02 to − 0.6; vigorous: SMD − 0.33, − 0.08 to − 0.58, 95% CI − 0.08 to − 0.58) to a similar degree. Moderator analyses revealed no influence of variables such as sex, age, body mass index, or health status. However, the only continent without a PA reduction was Australia and cross-sectional trials yielded higher effect sizes (p < .05).
Conclusion: Public life restrictions associated with the COVID-19 pandemic resulted in moderate reductions in PA levels and large increases in sedentary behavior. Health professionals and policy makers should therefore join forces to develop strategies counteracting the adverse effects of inactivity.
This review provides an overview on the production and analysis techniques of antioxidative peptides from food proteins. Regarding the production of antioxidative peptides, interlinked factors must be considered. Depending on the protein substrate, different peptidases or peptidase systems containing multiple enzymes as well as a specific production process must be chosen. The antioxidative peptides might be produced in a batch process including multiple pre- and post-treatments, besides the hydrolyses with peptidases itself. As an alternative, the potential of continuous production systems is discussed in this review. Furthermore, robust analyses tools are needed to gain control of the process and final product properties. With no standardized methodology available for antioxidative peptide evaluation, pros and cons of various strategies for peptide separation and antioxidative measurement are discussed in this review. Therefore, this review provides a roadmap for antioxidative peptide generation from various sources for research and development as well as for potential industrial use.
BACKGROUND
Various neutral and alkaline peptidases are commercially available for use in protein hydrolysis under neutral to alkaline conditions. However, the hydrolysis of proteins under acidic conditions by applying fungal aspartic peptidases (FAPs) has not been investigated in depth so far. The aim of this study, thus, was to purify a FAP from the commercial enzyme preparation, ROHALASE® BXL, determine its biochemical characteristics, and investigate its application for the hydrolysis of food and animal feed proteins under acidic conditions.
RESULTS
A Trichoderma reesei derived FAP, with an apparent molecular mass of 45.8 kDa (sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis; SDS-PAGE) was purified 13.8-fold with a yield of 37% from ROHALASE® BXL. The FAP was identified as an aspartate protease (UniProt ID: G0R8T0) by inhibition and nano-LC-ESI-MS/MS studies. The FAP showed the highest activity at 50°C and pH 4.0. Monovalent cations, organic solvents, and reducing agents were tolerated well by the FAP. The FAP underwent an apparent competitive product inhibition by soy protein hydrolysate and whey protein hydrolysate with apparent Ki-values of 1.75 and 30.2 mg*mL−1, respectively. The FAP showed promising results in food (soy protein isolate and whey protein isolate) and animal feed protein hydrolyses. For the latter, an increase in the soluble protein content of 109% was noted after 30 min.
CONCLUSION
Our results demonstrate the applicability of fungal aspartic endopeptidases in the food and animal feed industry. Efficient protein hydrolysis of industrially relevant substrates such as acidic whey or animal feed proteins could be conducted by applying fungal aspartic peptidases. © 2022 Society of Chemical Industry.
Acoustic waves are investigated which are guided at the edge (apex line) of a wedge-shaped elastic body or at the edge of an elastic plate. The edges contain a periodic sequence of modifications, consisting either of indentations or inclusions with a different elastic material which gives rise to high acoustic mismatch. Dispersion relations are computed with the help of the finite element method. They exhibit zero-group velocity points on the dispersion branches of edge-localized acoustic modes. These special points also occur at Bloch-Floquet wavenumbers away from the Brillouin zone boundary. Deep indentations lead to flat branches corresponding to largely non-interacting, Einstein-oscillator like vibrations of the tongues between the grooves of the periodic structure. Due to the nonlinearity of the elastic media, quantified by their third-order elastic constants, an acoustic mode localized at a periodically modified edge generates a second harmonic which partly consists of surface and plate modes propagating into the elastic medium in the direction vertical to the edge. This acoustic radiation at the second-harmonic frequency is investigated for an elastic plate and a truncated sharp-angle wedge with periodic inclusions at their edges. Unlike nonlinear bulk wave generation by surface acoustic waves in an interdigital structure, surface and plate mode radiation by edge-localized modes can be visualized directly in laser-ultrasound experiments.
In den letzten 100 Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6 bis 0,8 °C erhöht. Diese Temperatur korreliert mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. CO2 sowie verschiedene andere Gase erzeugen eine Erwärmung der Atmosphäre, da diese das sichtbare Licht (kurzwellige elektromagnetische Wellen) in Wärme umwandeln (längerwellige elektromagnetische Wellen, Infrarot-Strahlung), die weniger gut in das Weltall abgestrahlt wird und somit die Atmosphäre langfristig erwärmt. Dieser Effekt wird für die solare Erwärmung der Gewächshäuser bzw. Treibhäuser (Greenhouses) genutzt.
Two solvent mixtures for high-performance thin-layer chromatographic (HPTLC) separation of some compounds showing estrogenic activity in the yeast estrogen screen (YES) assay are presented. The new method, planar yeast estrogen screen (pYES) combines the YES assay and a chromatographic separation on silica gel HPTLC plates with the performance of the YES assay. For separation, the analytes were applied bandwise to HPTLC plates (10 × 20 cm) with fluorescent dye (Merck, Germany). The plates were developed in a vertical developing chamber after 30 min of chamber saturation over a separation distance of 70 mm, using cyclohexane‒methyl-ethyl ketone (2:1, V/V) or cyclohexane‒CPME (3:2, V/V) as solvents. Both solvents allow separation of estriol, daidzein, genistein, 17β-estradiol, 17α-ethinyl estradiol, estrone, 4-nonylphenol and bis(2-ethylhexyl) phthalate.
High-performance thin-layer chromatography (HPTLC), as the modern form of TLC (thin-layer chromatography), is suitable for detecting pharmaceutically active compounds over a wide polarity range using the gradient multiple development (GMD) technique. Diode-array detection (DAD) in conjunction with HPTLC can simultaneously acquire ultraviolet‒visible (UV‒VIS) and fluorescence spectra directly from the plate. Visualization as a contour plot helps to identify separated zones. An orange peel extract is used as an example to show how GMD‒DAD‒HPTLC in seven different developments with seven different solvents can provide an overview of the entire sample. More than 50 compounds in the extract can be separated on a 6-cm HPTLC plate. Such separations take place in the biologically inert stationary phase of HPTLC, making it a suitable method for effect-directed analysis (EDA). HPTLC‒EDA can even be performed with living organism, as confirmed by the use of Aliivibrio fischeri bacteria to detect bioluminescence as a measure of toxicity. The combining of gradient multiple development planar chromatography with diode-array detection and effect-directed analysis (GMD‒DAD‒HPTLC‒EDA) in conjunction with specific staining methods and time-of-flight mass spectrometry (TOF‒MS) will be the method of choice to find new chemical structures from plant extracts that can serve as the basic structure for new pharmaceutically active compounds.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Gasdynamik
(2022)
Für kompressible Strömungen werden die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie hergeleitet. Die Eigenschaften der Stoßgleichungen wie Rankine-Hugoniot-Relation und Rayleigh-Gerade werden betrachtet. Zur Berechnung der Kräfte auf umströmte Körper werden die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte ermittelt. Auf der Basis der Stromfadentheorie wird die Auslegung von Lavaldüsen behandelt. Das physikalische Verhalten linearer Unter- und Überschallströmungen und transsonischer Profilumströmungen wird analysiert.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
The majority of anterior cruciate ligament (ACL) injuries in team sports are non-contact injuries, with cutting maneuvers identified as high-risk tasks. Young female handball players have been shown to be at greater risk for ACL injuries than males. One risk factor for ACL injuries is the magnitude of the knee abduction moment (KAM). Cutting technique variables on foot placement, overall approach and knee kinematics have been shown to influence the KAM. Since injury risk is believed to increase with increasing task complexity, the purpose of the study was to test the effect of task complexity on technique variables that influence the KAM in female handball players during fake-and-cut tasks.