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In 4D printing, an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function in an intended and useful manner over time. The technology of 4D printing is still in an early stage of development. Nevertheless, interesting research and initial applications exist in the literature. In this work, a novel methodical approach is presented that helps transfer existing 4D printing research results and knowledge into solving application tasks systematically. Moreover, two different smart materials are analyzed, used, and combined following the presented methodical approach to solving the given task in the form of recovering an object from a poorly accessible space. This is implemented by self-positioning, grabbing, and extracting the target object. The first smart material used to realize these tasks is a shape-memory polymer, while the second is a polymer-based magnetic composite. In addition to the presentation and detailed implementation of the methodical approach, the potentials and behavior of the two smart materials are further examined and narrowed down as a result of the investigation. The results show that the developed methodical approach contributes to moving 4D printing closer toward a viable alternative to existing technologies due to its problem-oriented nature.
Lithium-ion batteries exhibit slow voltage dynamics on the minute time scale that are usually associated with transport processes. We present a novel modelling approach toward these dynamics by combining physical and data-driven models into a Grey-box model. We use neural networks, in particular neural ordinary differential equations. The physical structure of the Grey-box model is borrowed from the Fickian diffusion law, where the transport domain is discretized using finite volumes. Within this physical structure, unknown parameters (diffusion coefficient, diffusion length, discretization) and dependencies (state of charge, lithium concentration) are replaced by neural networks and learnable parameters. We perform model-to-model comparisons, using as training data (a) a Fickian diffusion process, (b) a Warburg element, and (c) a resistor-capacitor circuit. Voltage dynamics during constant-current operation and pulse tests as well as electrochemical impedance spectra are simulated. The slow dynamics of all three physical models in the order of ten to 30 min are well captured by the Grey-box model, demonstrating the flexibility of the present approach.
Given the looming threats of climate change and the rapid worldwide urbanization, it is a necessity to prioritize the transition towards a carbon-free built environment. This research study provides a holistic digital methodology for parametric design of urban residential buildings with regard to the Mediterranean semi-arid climate zone of Morocco in the early design phase. The morphological parameters of the urban residential buildings, namely the buildings’ typology, the distance between buildings, the urban grid’s orientation, and the window-towall ratio, are evaluated in order to identify the key combinations of passive and active solar design strategies that determine the high energy performing configurations, based on the introduced Energy Performance Index (EPI), which is the ratio between solar BIPV production to maximum available installed BIPV capacity and the normalized thermal energy needs. Through an automated processing of 2187 iterations via Grasshopper, we simulate daylight autonomy, indoor thermal comfort and solar rooftop photovoltaic and building integrated photovoltaic (BIPV) energy potential. Then, we analyze the conflicting objectives of energy efficiency measures, active solar design strategies, and indoor visual comfort in the decision-making process that supports our goal of getting closer to net zero urban residential buildings. The digital workflow showed interesting trends in reaching a balanced equilibrium between performance metrics influenced by the contrasting impact of solar exposure on indoor daylight autonomy and thermal energy demand. Furthermore, the study’s findings indicate that it is possible to achieve an annual load match exceeding 66,56 % while simultaneously ensuring an acceptable visual indoor comfort (sDA higher than 0.4). The findings also highlight the important role of the BIPV system in shifting towards the net zero energy goal, by contributing up to 30 % of the overall solar energy output and covering up to 20 % of the yearly self-consumption. Moreover, the energy balance evaluation on an hourly basis indicates that BIPV system notably enhances the daily load cover factor by up to 5.5 %, particularly in the case of slab SN typology, throughout the different seasons. Graphical representations of the yearly, monthly and hourly load matches and the hourly energy balance of the best performing configurations provide a thorough understanding of the potential evolution of the urban energy system over time as a result of the gradual integration of active solar electricity production.
In 4D printing an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function under the influence of an external stimulus. To achieve this, special smart materials are used that are able to react to external stimuli in a specific way. So far, a number of different stimuli have already been investigated and initial applications have been impressively demonstrated, such as self-folding bodies and simple grippers. However, a methodical specification for the selection of the stimuli and their implementation was not yet in the foreground of the development.
The focus of this work is therefore to develop a methodical approach with which the technology of 4DP can be used in a solution- and application-oriented manner. The developed approach is based on the conventional design methodology for product development to solve given problems in a structured way. This method is extended by specific approaches under consideration of the 4D printing and smart materials.
To illustrate the developed method, it is implemented in practice using a problem definition in the form of an application example. In this example, which represents the recovery of an object from a difficult-to-access environment, the individual functions of positioning, gripping and extraction are implemented using 4D printing. The material extrusion process is used for additive manufacturing of all components of the example. Finally, the functions are successfully tested. The developed approach offers an innovative and methodical approach to systematically solve technical complex problems using 4DP and smart materials.
In this paper, a temperature-dependent viscoplasticity model is presented that describes thermal and cyclic softening of the hot work steel X38CrMoV5-3 under thermomechanical fatigue loading. The model describes the softening state of the material by evolution equations, the material properties of which can be determined on the basis of a defined experimental program. A kinetic model is employed to capture the effect of coarsening carbides and a new isotropic cyclic softening model is developed that takes history effects during thermomechanical loadings into account. The temperature-dependent material properties of the viscoplasticity model are determined on the basis of experimental data measured in isothermal and thermomechanical fatigue tests for the material X38CrMoV5-3 in the temperature range between 20 and 650 ∘C. The comparison of the model and an existing model for isotropic softening shows an improved description of the softening behavior under thermomechanical fatigue loading. A good overall description of the experimental data is possible with the presented viscoplasticity model, so that it is suited for the assessment of operating loads of hot forging tools.
For the treatment of bone defects, biodegradable, compressive biomaterials are needed as replacements that degrade as the bone regenerates. The problem with existing materials has either been their insufficient mechanical strength or the excessive differences in their elastic modulus, leading to stress shielding and eventual failure. In this study, the compressive strength of CPC ceramics (with a layer thickness of more than 12 layers) was compared with sintered β-TCP ceramics. It was assumed that as the number of layers increased, the mechanical strength of 3D-printed scaffolds would increase toward the value of sintered ceramics. In addition, the influence of the needle inner diameter on the mechanical strength was investigated. Circular scaffolds with 20, 25, 30, and 45 layers were 3D printed using a 3D bioplotter, solidified in a water-saturated atmosphere for 3 days, and then tested for compressive strength together with a β-TCP sintered ceramic using a Zwick universal testing machine. The 3D-printed scaffolds had a compressive strength of 41.56 ± 7.12 MPa, which was significantly higher than that of the sintered ceramic (24.16 ± 4.44 MPa). The 3D-printed scaffolds with round geometry reached or exceeded the upper limit of the compressive strength of cancellous bone toward substantia compacta. In addition, CPC scaffolds exhibited more bone-like compressibility than the comparable β-TCP sintered ceramic, demonstrating that the mechanical properties of CPC scaffolds are more similar to bone than sintered β-TCP ceramics.
Recent advances in spiked shoe design, characterized by increased longitudinal stiffness, thicker midsole foams, and reconfigured geometry are considered to improve sprint performance. However, so far there is no empirical data on the effects of advanced spikes technology on maximal sprinting speed (MSS) published yet. Consequently, we assessed MSS via ‘flying 30m’ sprints of 44 trained male (PR: 10.32 s - 12.08 s) and female (PR: 11.56 s - 14.18 s) athletes, wearing both traditional and advanced spikes in a randomized, repeated measures design. The results revealed a statistically significant increase in MSS by 1.21% on average when using advanced spikes technology. Notably, 87% of participants showed improved MSS with the use of advanced spikes. A cluster analysis unveiled that athletes with higher MSS may benefit to a greater extent. However, individual responses varied widely, suggesting the influence of multiple factors that need detailed exploration. Therefore, coaches and athletes are advised to interpret the promising performance enhancements cautiously and evaluate the appropriateness of the advanced spike technology for their athletes critically.
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Das Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob bei der Verwendung von Perturbationen in einem Laufschuhvergleich eine Adaptations-Phase im Voraus durchgeführt werden sollte, um den Einfluss potenzieller Adaptationseffekte zu reduzieren. Dafür absolvierten die acht Probanden insgesamt 15 Perturbationen auf einem Laufband, welche sich durch die kurzzeitige Beschleunigung des Laufbands von 2,5 𝑚/𝑠 auf 3,5 𝑚/𝑠 kennzeichneten. Anschließend wurden aus den normalisierten Daten die initialen Gelenkswinkel bei Bodenkontakt im Knie und Sprunggelenk, die minimale bzw. maximale Bodenreaktionskraft in x- bzw. z-Richtung und die Bodenkontaktzeit bestimmt. Um sowohl potenzielle Vorwärtssteuerungen als auch Feedbackbezogene lokomotorische Anpassung zu berücksichtigen, wurden die zwei Schritte vor der Perturbation, der perturbierte Schritt und die drei Schritte nach der Perturbation analysiert. Neben deskriptiver Statistik wurden die einzelnen Schritte mittels Varianzanalyse und paarweisen t-Tests aufeinanderfolgender Trials untersucht. Der initiale Sprunggelenkswinkel zeigt zwar einen Einfluss der Perturbationen im zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation, aber es lässt sich keine Anpassung im Verlauf der Messung feststellen. Auch bei der Bodenkontaktzeit lassen sich Unterschiede in den Messwerten und zwischen den Schritten finden, diese können allerdings ebenfalls nicht der Adaptation zugeordnet werden. Die Entwicklung der Mittelwerte und signifikante Ergebnisse in ANOVA und t-Tests deuten beim initialen Kniewinkel für den zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation auf eine sukzessive Anpassung des Parameters an den Einfluss der Störung hin, welche nach acht Perturbationen abgeschlossen ist. Für die minimale Bodenreaktionskraft in x-Richtung (Bremskraft) befinden sich die Daten dagegen bereits nach einem Trial auf einem stabilen Niveau, wobei die Abweichungen hier ebenfalls im zweiten Schritt nach der Beschleunigung des Laufbands auftreten. Die maximale vertikale Bodenreaktionskraft (z-Richtung) zeigt Tendenzen zu einer fortschreitenden Anpassung im ersten und zweiten Schritt nach der Perturbation. Hier lassen sich aufgrund des Verlaufs der Mittelwerte und signifikanter Unterschiede beim ersten Schritt sechs Trials als Mindestanzahl für eine Adaptations-Phase ausmachen. Somit konnten in drei von fünf analysierten Parameter Merkmale von Adaptationseffekten gefunden werden, die sich alle in den Schritten nach der Perturbation zeigten und somit Feedbackbezogener Anpassung zuzuordnen sind. Sofern alle Parameter in der anschließenden Messung verwendet werden, sollten in der Adaptations-Phase mindestens acht Perturbationen durchgeführt werden, damit der Einfluss von Anpassungseffekten im Vergleich vernachlässigbar ist.
Das hocheffiziente Konzeptfahrzeug Schluckspecht VI (S6) hat im Sommer 2022 am Shell Eco Marathon als bestes Neufahrzeug abgeschlossen. Dennoch war die Reichweite von 560km/kWh nicht ausreichend, um sich gegen die anderen teilnehmenden Teams zu behaupten. Daher werden am Fahrzeug die Komponenten und Systeme ermittelt, welche das meiste Optimierungspotential bergen. Hierbei stechen besonders die Aerodynamik, die Motoransteuerung und die Rollreibung hervor. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Optimierung. Zunächst gilt es herauszufinden, welche Bauteile explizit für die Aerodynamik ausschlaggebend sind. Die drei Komponenten, die maßgeblichen Einfluss haben sind: der Grundkörper, die Radkästen und die Fahrwerksflügel. Einen weiteren Einflussfaktor bergen die sich drehenden Räder, da diese jedoch weitestgehend umhaust sind, ist in dieser Hinsicht keine weitere Optimierung erforderlich. Zu Ermittlung der derzeitigen aerodynamischen Werte, vor allem cW, cWA und Geschwindigkeits- und Druckverteilung um das Fahrzeug, wird ein digitales Modell des S6 aufgebaut. An diesem Modell werden Simulationen durchgeführt, die idealisierte Kennwerte liefern. Parallel zur Simulation liefern Versuche am Fahrzeug reale Messdaten. Speziell dafür wird eine neue Versuchsmethode entwickelt: die Konstantfahrtuntersuchung. Bei dieser Untersuchung wird die Vortriebskraft des Fahrzeugs anhand des Motorstroms ermittelt, um so auf die Fahrtwiderstandswerte zu schließen. Zur Erhebung der Messdaten am Fahrzeug wird zudem ein für die Untersuchung angepasster Sensor entwickelt. Diese Untersuchungen liefern plausible Ergebnisse, die jedoch mit denen der Simulation schwer vergleichbar sind. Dies ist bedingt durch die erschwerten Randbedingungen bei der Durchführung der Versuche und beim Aufzeichnen der Messdaten auf der Teststrecke.
Der Eignungsnachweis von Prüfprozessen ist sowohl für die Industrie, als auch für Forschungszwecke ausschlaggebend. Dabei sind die Genauigkeit, Präzision sowie die Messbeständigkeit der Messergebnisse von der zu untersuchenden Messeinrichtung mit statistischen Methoden auszuwerten. Mit Leitfäden wird unter einer sog. Messsystemanalyse die Fähigkeit einer Messeinrichtung mit den dazugehörigen statistischen Kennwerten beurteilt. Die Messsystemanalyse unterteilt sich in zwei Typen, wobei die Konsistenz bzw. Messdatenstreuung mit den entsprechenden Kennwerten beurteilt werden können. Unter MSA Typ 1 wird anhand Mittelwerte und Standardabweichungen von Wiederholmessungen die Konsistenz und Genauigkeit mit den Cg- bzw. Cgk-Indizes bewertet, die höher als 1,33 sein müssen, um die Messeinrichtung als fähig zu klassifizieren. Durch MSA Typ 2 wird die Präzision mit dem % R&R-Kennwert (Wiederholbarkeit & Reproduzierbarkeit) bewertet. Messeinrichtungen mit einem % R&R-Kennwert unterhalb 20 % liefern Messdaten mit einer ausreichenden Präzision, d.h. dass die Mittelwerte der Messdaten nicht signifikant voneinander unterscheiden. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchte akustische Messeinrichtung weist einen Cg-Index von 1, 58, einen Cgk-Index von 2, 13 und einen % R&R-Wert von 6, 56 % auf, weshalb die Messdaten mit einer hohen Konsistenz und Präzision erfasst werden.
One of the main problematics of the seals tests is the time and money consuming they are. Up to now, there are few tries to do a digitalisation of a test where the seals behaviour can be known.
This work aims to digitally reproduce a seal test to extract their behaviour when working under different operation conditions to see their impact on the pimp’s efficiency. In this thesis, due to the Lomaking effect, the leakage and the forces applied on the stator will be the base of analysis.
First of all, among all the literature available for very different kind of seals and inner patterns, it has been chosen the most appropriate and precise data. The data chosen is “Test results for liquid Damper Seals using a Round-Hole Roughness Pattern for the Stator” from Fayolle, P. and “Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals with Circumferentially/Grooved Stator and Smooth Rotor using three levels of circumferential Inlet-Fluid” from Torres J.M.
From the literature, dimensions of the test rig and the seals will be extracted to model them into a 3D CAD software. With the 3D CAD digitalisation, the fluid volumes for a rotor-centred position, meaning without eccentricity, will be extracted, and used. The following components have been modelled:
- Smooth Annular Liquid Seal (Grooved Rotor)
- Grooved Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 𝑚𝑚) (Smooth Rotor)
- Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Smooth Rotor / Smooth Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
As there is just one test rig, all the components have been adapted to the different dimensions of the seals by referencing some measures. This allows to test any seal with the same test rig.
Afterwards a CFD simulation that will be used to obtain leakage and stator forces. The parameters that will be changed are the rotational velocity of the fluid (2000 rpm, 4000 rpm, and 6000 rpm) and the pressure drop (2,068 bar, 4,137 bar, 6,205 bar, and 8,274 bar).
Those results will be compared to the literature ones, and they will determine if digitalisation can be validated or not. Even though the relative error is higher than 5% but the tendency is the same and it is thought that by changing some parameters the test results can be even closer to the literature ones.
To date, many experiments have been performed to study how the internal geometrical shapes of the annular liquid seal can reduce internal leakage and increase pump efficiency. These can be time-consuming and expensive as all rotordynamic coefficients must be determined in each case.
Nowadays, accurate simulation methods to calculate rotordynamic coefficients of annular seals are still rare. Therefore, new numerical methods must be designed and validated for annular seals.
The present study aims to contribute to this labour by providing a summary of the available test rig and seals dimensions and experimental results obtained in the following experiments:
− Kaneko, S et al., Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Liquid Annular Convergent-Tapered Seals with Honeycomb Roughness Pattern (2003) [1] − J. Alex Moreland, Influence of pre-swirl and eccentricity in smooth stator/grooved rotor liquid annular seals, static and rotordynamic characteristics (2016) [2]
A 3D CAD simulation with Siemens NX Software of the test rig used in J. Alex Moreland’s experiment has been made. The following annular liquid seals have also been 3D modelled, as well as their fluid volume:
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/GR) (J. Alex Moreland experiment)
− Grooved Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 mm) (GS/SR)
− Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (No. 3) (GS/SR)
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/SR) (S. Kaneko experiment)
In the case of the seals used in S. Kaneko’s experiments, the test rig has been adapted to each seal, defining interpart expressions which can be easily modified.
Afterwards, it has been done a CFD simulation of the Smooth Annular Liquid Seal using Ansys CFX Software. To do so, the fluid volume geometry has been simplified to do a first approximation. Results have been compared for an eccentricity 𝜀0=0.00 for the following ranges of rotor speeds and differential of pressure:
− Δ𝑃= 2.07, 4.14, 6.21, and 8.27 bar,
− 𝜔= 2, 4, 6 and 8 krpm.
Even results obtained have the same trend as the one proportionated by the literature, they cannot be validated as the error is above 5%. It is also observed that as the pressure drop increases, the relative error decreases considerably.
Over the last few decades, several grid coupling techniques for hierarchically refined Cartesian grids have been developed to provide the possibility of varying mesh resolution in lattice Boltzmann methods. The proposed schemes can be roughly categorized based on the individual grid transition interface layout they are adapted to, namely cell-vertex or cell-centered approaches, as well as a combination of both. It stands to reason that the specific properties of each of these grid-coupling algorithms influence the stability and accuracy of the numerical scheme. Consequently, this naturally leads to a curiosity regarding the extent to which this is the case. The present study compares three established grid-coupling techniques regarding their stability ranges by conducting a series of numerical experiments for a square duct flow, including various collision models. Furthermore the hybrid-recursive regularized collision model, originally introduced for cell-vertex algorithms with co-located coarse and fine grid nodes, has been adapted to cell-centered and combined methods.
Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
4D printing (4DP) is an evolutionary step of 3D printing, which includes the fourth dimension, in this case the time. In different time steps the printed structure shows different shapes, influenced by external stimuli like light, temperature, pH value, electric or magnetic field. The advantage of 4DP is the solution of technical problems without the need for complex internal energy supply via cables or pipes. Previous approaches to 4D printing with magnetoresponsive materials only use materials with limited usability (e.g. hydrogels) and complex programming during the manufacturing process (e.g. using magnets on the nozzle). The 4D printing using unmagnetized particles and the later magnetization allows the use of a standard 3D printer and has the advantage of being easily reproducible and relatively inexpensive for further application. Therefore, a magnetoresponsive feedstock filament is produced which shows elastic and magnetic properties. In a first step, pellets are produced by compounding polymer with magnetic particles. In a second step, those pellets are extruded in form of filament. This filament is printed using a conventional printing system for Material Extrusion (MEX-TRB/P). Various prototypes have been printed, deformed and magnetized, which is called programming. In comparison to shape memory polymers (SMP) the repeatability of the movement is better. The results show the possibilities of application and function of magnetoresponsive materials. In addition, an understanding of the behaviour of this novel material is achieved.
Appraising the Methodological Quality of Sports Injury Video Analysis Studies: The QA-SIVAS Scale
(2023)
Background
Video analysis (VA) is commonly used in the assessment of sports injuries and has received considerable research interest. Until now, no tool has been available for the assessment of study quality. Therefore, the objective of this study was to develop and evaluate a valid instrument that reliably assesses the methodological quality of VA studies.
Methods
The Quality Appraisal for Sports Injury Video Analysis Studies (QA-SIVAS) scale was developed using a modified Delphi approach including expert consensus and pilot testing. Reliability was examined through intraclass correlation coefficient (ICC3,1) and free-marginal kappa statistics by three independent raters. Construct validity was investigated by comparing QA-SIVAS with expert ratings by using Kendall’s tau analysis. Rating time was studied by applying the scale to 21 studies and computing the mean time for rating per study article.
Results
The QA-SIVAS scale consists of an 18-item checklist addressing the study design, data source, conduct, report, and discussion of VA studies in sports injury research. Inter- and intra-rater reliability were excellent with ICCs > 0.97. Expert ratings revealed a high construct validity (0.71; p < 0.001). Mean rating time was 10 ± 2 min per article.
Conclusion
QA-SIVAS is a reliable and valid instrument that can be easily applied to sports injury research. Future studies in the field of VA should adhere to standardized methodological criteria and strict quality guidelines.
The effects of climate change, including severe storms, heat waves, and melting glaciers, are highlighted as an urgent concern, emphasising the need to decrease carbon emissions to restrict global warming to 1.5°C. To accomplish this goal, it is vital to substitute fossil fuel-based power plants with renewable energy sources like solar, wind, hydro, and biofuels. Despite some progress being made, the proportion of renewables used in generating electricity is still lower than the levels needed for 2030 and 2050. Decarbonising the power grid is also critical in lowering the energy consumption of buildings, which is responsible for a substantial percentage of worldwide electricity usage. Even though there has been substantial expansion in the worldwide renewable energy market in the past 15 years, the transition to renewable energy sources also requires taking into account the importance of energy trading.
Peer-to-peer (P2P) electricity trading is an emerging type of energy exchange that can revolutionise the energy sector by providing a more decentralised and efficient way of trading energy. This research deals about P2P electricity trading in a carbon-neutral scenario. 'Python for Power System Analysis' (PyPSA) was used to develop models through which the P2P effect was tested. Data for the entire state of Baden-Württemberg (BW) was collected. Three scenarios were taken into consideration while developing models: 2019 (base), 2030 (coal phase-out), and 2040(climate neutral). Alongside this, another model with no P2P trading was developed to make a comparison. In addition, the use case of community storage in a P2P trading network is also presented.
The research concludes that P2P has a significant positive effect on a pathway to achieve climate neutrality. The findings show that the share of renewables in electricity generation is increasing compared to conventional sources in BW, which can be traded to meet the demand. From the storage analysis, it can be concluded that community storage can be effectively utilised in P2P trading. While the emissions are reduced, the operating costs are also reduced when the grid has P2P trading available. By highlighting the benefits of P2P trading, this research contributed to the growing body of research on the effectiveness of P2P trading in an electricity network grid.
To improve the building’s energy efficiency many parameters should be assessed considering the building envelope, energy loads, occupation, and HVAC systems. Fenestration is among the most important variables impacting residential building indoor temperatures. So, it is crucial to use the most optimal energy-efficient window glazing in buildings to reduce energy consumption and at the same time provide visual daylight comfort and thermal comfort. Many studies have focused on the improvement of building energy efficiency focusing on the building envelope or the heating, ventilation, and cooling systems. But just a few studies have focused on studying the effect of glazing on building energy consumption. Thus, this paper aims to study the influence of different glazing types on the building’s heating and cooling energy consumption. A real case study building located under a semi-arid climate was used. The building energy model has been conducted using the OpenStudio simulation engine. Building indoor temperature was calibrated using ASHRAE’s statistical indices. Then a comparative analysis was conducted using seven different types of windows including single, double, and triple glazing filled with air and argon. Tripleglazed and double-glazed windows with argon space offer 37% and 32% of annual energy savings. It should be stressed that the methodology developed in this paper could be useful for further studies to improve building energy efficiency using optimal window glazing.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Building energy management systems (BEMSs), dedicated to sustainable buildings, may have additional duties, such as hosting efficient energy management systems (EMSs) algorithms. This duty can become crucial when operating renewable energy sources (RES) and eventual electric energy storage systems (ESSs). Sophisticated EMS approaches that aim to manage RES and ESSs in real time may need high computing capabilities that BEMSs typically cannot provide. This article addresses and validates a fuzzy logic-based EMS for the optimal management of photovoltaic (PV) systems with lead-acid ESSs using an edge computing technology. The proposed method is tested on a real smart grid prototype in comparison with a classical rule-based EMS for different weather conditions. The goal is to investigate the efficacy of islanding the building local network as a control command, along with ESS power control. The results show the implementation feasibility and performance of the fuzzy algorithm in the optimal management of ESSs in both operation modes: grid-connected and islanded modes.
Im Leistungssport können Verletzungen den weiteren Karriereverlauf einer Athletin stark beeinflussen. Eine umso größere Rolle spielt daher der Rehabilitationsprozess. Diese Arbeit befasst sich mit den Kraftfähigkeiten des M. triceps surae nach einer Achillessehnenrekonstruktion im Bereich des Leistungsturnens. Die Quantifizierung der Kraftfähigkeiten erfolgt mit Hilfe von isokinetischen Krafttests. Dazu werden auf beiden Seiten einmal wöchentlich 2 x 3 Wiederholungen bei einer Testgeschwindigkeit von 30 deg/s durchgeführt. Die Messungen überspannen einen Zeitraum von 10 Wochen und beginnen 6 Monate postoperativ. Die Datenauswertung erfolgt mit MATLAB. Auf der unverletzten Seite werden keine oder nur geringfügige Änderungen in den Kraftfähigkeiten erwartet. Auf der verletzten Seite hingegen wird ein deutlicher Anstieg in den Kraftfähigkeiten erwartet. Die Kraftfähigkeiten werden über das maximale Drehmoment, den Drehmomentkraftstoß und die Kraftanstiegsrate (rate of force development = RFD) festgestellt. Werden die Messwerte aus der ersten und der letzten Messung verglichen, zeigen die Ergebnisse ein anderes Bild auf. Die Messwerte für die unbetroffenen Seite steigen um 17,1 % für das Drehmoment, um 17,2 % für den Drehmomentkraftstoß und um 20,4 % für die RFD. Auf der betroffenen Seite steigen die Werte respektive um 19,1 %, 15,2 % und 59,3 %. Es liegt also lediglich für die RFD ein deutlicher Anstieg im Vergleich zur unbetroffenen Seite vor. Ein anderes Ergebnis zeigt sich, wenn die Messwerte der ersten und der vorletzten Messung verglichen werden. Die Werte der unverletzten Seite steigen um 19,2 %, 19,6 % und 35,4 %. Auf der verletzten Seite hingegen, ist eine Steigerung von 32,6 %, 31,7 % und 102,2 % zu sehen. Somit liegt ein deutlicher Anstieg in dem Kraftfähigkeiten der verletzten Seite, auch in Bezug unverletzte Seite, vor. Ob es sich bei der letzten Messung um einen Ausreißer auf der betroffenen Seite handelt, lässt sich durch fehlende Folgemessungen nicht bestimmen.
Für eine fundiertere Aussage sollte ein längerer Zeitraum betrachtet werden. Aufgrund der zeitlichen Begrenzung für die Erstellung dieser Arbeit ist das leider nicht möglich.
This thesis deals with the FEV centrifugal compressor teststand at Offenburg University of Applied Sciences. The teststand has two electrically operated compressorunits from the Rotrex company, on which students can gain practical experience. The range of application of the teststand is to be extended, so that different impeller geometries can be tested with otherwise unchanged construction. To realise this, knowledge about the operating behaviour of the volute and possible design solutions for the interface between the impeller and the gearbox are required. Using numerical methods for flow analysis, the operating range of the volute was determined by narrowing down the inlet conditions. Furthermore, research was carried out on common couplings, three different coupling concepts were worked out and compared with each other. This work does the preliminary work and thus lays the foundation for the implementation of the upcoming series of tests on the operating behaviour of different impeller geometries.
Bewegungsanalysesysteme in der Forschung und für niedergelassene Orthopädinnen und Orthopäden
(2023)
Hintergrund
Komplexe biomechanische Bewegungsanalysen können für eine Vielzahl orthopädischer Fragestellungen wichtige Informationen liefern. Bei der Beschaffung von Bewegungsanalysesystemen sind neben den klassischen Messgütekriterien (Validität, Reliabilität, Objektivität) auch räumliche und zeitliche Rahmenbedingungen sowie Anforderungen an die Qualifikation des Messpersonals zu berücksichtigen.
Anwendung
In der komplexen Bewegungsanalyse werden Systeme zur Bestimmung der Kinematik, der Kinetik und der Muskelaktivität (Elektromyographie) eingesetzt. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über Methoden der komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse für den Einsatz in der orthopädischen Forschung oder in der individuellen Patientenversorgung. Neben dem Einsatz zur reinen Bewegungsanalyse wird auch der Einsatz von Bewegungsanalyseverfahren im Bereich des Biofeedbacktrainings diskutiert.
Beschaffung
Für die konkrete Anschaffung von Bewegungsanalysesystemen empfiehlt sich die Kontaktaufnahme mit Fachgesellschaften (z. B. Deutsche Gesellschaft für Biomechanik), Hochschulen und Universitäten mit vorhandenen Bewegungsanalyseeinrichtungen oder Vertriebsfirmen im Bereich der Biomechanik.
The variable refrigerant flow system is one of the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to its ability to provide thermal comfort inside buildings. But, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building sector. Thus, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. Although many researchers have studied the optimization of the building energy performance considering heating or cooling needs, using air handling units, radiant floor heating, and direct expansion valves, few studies have considered the use of multi-objective optimization using only the thermostat setpoints of VRF systems for both cooling and heating needs. Thus, the main aim of this study is to conduct a sensitivity analysis and a multi-objective optimization strategy for a residential building containing a variable refrigerant flow system, to evaluate the effect of the building performance on energy consumption and improve the building energy efficiency. The numerical model was based on the EnergyPlus, jEPlus, and jEPlus+EA simulation engines. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving by varying the cooling and heating setpoints and scheduling scenarios. It should be stressed that this approach could be applied to several HVAC systems to reduce energy-building consumption.
Eco-innovations in chemical processes should be designed to use raw materials, energy and water as efficiently and economically as possible to avoid the generation of hazardous waste and to conserve raw material reserves. Applying inventive principles identified in natural systems to chemical process design can help avoid secondary problems. However, the selection of nature-inspired principles to improve technological or environmental problems is very time-consuming. In addition, it is necessary to match the strongest principles with the problems to be solved. Therefore, the research paper proposes a classification and assignment of nature-inspired inventive principles to eco-parameters, eco-engineering contradictions and eco-innovation domains, taking into account environmental, technological and economic requirements. This classification will help to identify suitable principles quickly and also to realize rapid innovation. In addition, to validate the proposed classification approach, the study is illustrated with the application of nature-inspired invention principles for the development of a sustainable process design for the extraction of high-purity silicon dioxide from pyrophyllite ores. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of nature-inspired eco-engineering in the context of AI-assisted invention and innovation.
The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Phytases are widely used food and feed enzymes to improve phosphate availability and reduce anti-nutritional factors. Despite the benefits, enzyme usage is restricted by the harsh conditions in a gastrointestinal tract (pH 2–6) and feed pelleting conditions at high temperatures (60–90 °C). The commercially available phytase Quantum® Blue has been immobilized as CLEAs using glutardialdehyde and soy protein resulting in a residual activity of 33%. The influence of the precipitating agent, precipitant concentration, cross-linker concentration and cross-linking time, sodium borohydride as well as the proteic feeders gluten, soy protein and bovine serum albumin (BSA) has been optimized. The best conditions were 90% (v/v) ethyl lactate as precipitating reagent, 100 mM glutardialdehyde and a soy protein concentration of 227 mg/L with a cross-linking time of 1 h. The intrinsically stable phytase remained its high thermal stability and temperature optimum. The phytase-CLEA achieved a 425% increase of residual activity under harsh acidic conditions between pH 2.2 and 3.5 compared to the free enzyme. The free and immobilized phytase were deployed in an in vitro assay simulating the acidic conditions in the gizzard of poultry at pH 2. The hydrolysis of phytate was monitored using a novel high-performance thin-layer chromatography (HPTLC) analysis and DAD scanner to study the InsPx fingerprint. All lower inositol phosphate pools (InsP1–InsP6) and free phosphate were separated and analyzed. The phytase-CLEA efficiently released 80% of the total phosphate within 180 min, whereas the free enzyme only released 6% in the same time under the same conditions.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
In dieser Bachelorarbeit wurde eine Studie zum Dehnungsverhalten von Schuhen mit elastischem Obermaterial beim Gehen und Laufen bei verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. Aktuell gibt es auf diesem Gebiet keine belastbaren Daten. Hierfür wurde von 33 Probandinnen und Probanden mit vier verschiedenen Schuhgrößen die Dehnung des Schuhobermaterials durch markerbasiertes Motion Capturing aufgenommen. Hierzu wurde eine Markerkette von insgesamt 6 Markern über dem Mittelfußbereich angebracht. Auf einem Laufband wurden im Gehen drei Geschwindigkeiten zwischen 1,0 m/s und 1,5 m/s und im Laufen sieben Geschwindigkeiten zwischen 1,5 m/s und 4,5 m/s aufgenommen. Die Datenauswertung erfolgte zum Großteil mittels von Matlab. Die Ergebnisse zeigen für die maximale Dehnung des Obermaterials im Gehen signifikante Unterschiede von p < 0,001. Auch das Laufen zeigt diese Signifikanz jedoch ausschließlich in den Vergleichen der niedrigen Laufgeschwindigkeiten. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt im Gehen und in den meisten Bereichen des Laufens eine Signifikanz von p < 0,001. Die Ergebnisse der Dehnungsbeschleunigung weisen ebenfalls eine Signifikanz von p < 0,001 auf. Die Betrachtung der Teilbereiche der Markerkette zeigt in der Dehnung und der Dehnungsgeschwindigkeit Signifikanzen von p < 0,001. Die größte Dehnung entstand im mittleren Markerbereich, wohingegen die Randbereiche signifikant weniger gedehnt wurden. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt jedoch eine signifikant höhere Geschwindigkeit in den Randbereichen im Vergleich zu dem mittleren Bereich. Im direkten Vergleich zwischen Gehen und Laufen zeigt sich keine Signifikanz. Nicht signifikant sind außerdem die verschiedenen Schuhgrößen im Vergleich zueinander. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufgeschwindigkeit einen Einfluss auf das Dehnungsverhalten bezüglich Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit und Dehnungsbeschleunigung hat.
Rückenschmerzen sind ein weit verbreitetes Problem in der deutschen Gesellschaft. In der Mehrzahl der Fälle von Schmerzen im unteren Rücken ist es schwierig, eine spezifische nozizeptive Ursache zu finden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass manuelles Heben eine Belastung für die Wirbelsäule darstellen kann. Die Geschwindigkeit der Hebebewegung spielt eine Rolle, ebenso wie Gewicht und Stabilität der Gelenke und Gliedmaßen.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Veränderungen in der Kinematik der Lendenwirbelsäule, der Hüfte und des Knies beim Heben von Lasten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gewichten. Für diese Arbeit wurden die kinematischen Daten von insgesamt 79 Personen ausgewertet. Die Stichprobe bestand aus 20 asymptomatischen Frauen, 22 asymptomatischen Männern, 19 Frauen mit chronischen Rückenschmerzen und 18 Männern mit chronischen Rückenschmerzen. Die Daten wurden mit einem 3D-Bewegungsanalysesystem in Verbindung mit einem Set passiver Marker aufgenommen.
Es wurde kein signifikanter Effekt auf die mittleren maximalen Gelenkwinkel durch den Vergleich der geschlechtlich gemischten Gruppe mit Rückenschmerzen mit asymptomatischen Personen festgestellt, im Vergleich des Verhältnisses zwischen lumbaler Bewegung zu Beckenbewegungen (L/P-ratio) konnten signifikante Unterschiede ermittelt werden. Der Vergleich der Geschlechter zeigte signifikante Unterschiede für den lumbopelvinen Rhythmus. Für die Parameter Gewicht und Geschwindigkeit wurde kein signifikanter Effekt erfasst.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics aging model of a 500 mAh high-energy lithium-ion pouch cell with graphite negative electrode and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) positive electrode. This model includes electrochemical reactions for solid electrolyte interphase (SEI) formation at the graphite negative electrode, 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. Good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements and electrochemical impedance spectroscopy is observed over a wide range of operating conditions. The model allows to quantify capacity loss due to cycling near beginning-of-life as function of operating conditions and the visualization of aging colormaps as function of both temperature and C-rate (0.05 to 2 C charge and discharge, −20 °C to 60 °C). The model predictions are also qualitatively verified through voltage relaxation, cell expansion and cell cycling measurements. Based on this full model, six different aging indicators for determination of the limits of fast charging are derived from post-processing simulations of a reduced, pseudo-two-dimensional isothermal model without aging mechanisms. The most successful aging indicator, compared to results from the full model, is based on combined lithium plating and SEI kinetics calculated from battery states available in the reduced model. This methodology is applicable to standard pseudo-two-dimensional models available today both commercially and as open source.
The cellulase-producing Trichoderma reesei strain RL-P37 exhibits significant potential, yielding 7.3 g/L of cellulase in 241 hours. Microscopic investigations reveal a link between spore formation and enzyme production, suggesting the need for research into the intricate relationship between enzyme production, stress responses, and the nutritional prerequisites of fungi. Comparatively, the use of sodium hydroxide (NaOH) treatment, as opposed to water treatment, results in the reduction of micronutrient content and carbon source extraction as filtrate. Despite these challenges, research by He et al. (2021) highlights NaOH's efficiency in cellulose extraction from plant-based sources. Using NaOH pretreatment can be proven as effective by designing a proper cultivation method. The selection of inducers for enzyme induction gains importance, with soluble inducers, as emphasized by Zhang et al. (2022), exhibiting superior effectiveness. Hence, adopting soluble inducers in designing cultivation methods for improved enzyme production in shaking flasks is recommended. Enzymatic treatment of bio-waste, as outlined by Hu et al. (2021), shows promise in augmenting essential component content by breaking down plant cell walls and intercellular compartments. However, the feasibility of using an artificial bio-waste medium for cultivating Trichoderma reesei is questioned. Investigating the impact of micronutrient levels, particularly the inhibitory role of zinc, on fungal growth becomes essential. These findings underscore the necessity for ongoing research and optimization in cellulase production, emphasizing both strain productivity and cultivation methodologies.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
High-tech running shoes and spikes ("super-footwear") are currently being debated in sports. There is direct evidence that distance running super shoes improve running economy; however, it is not well established to which extent world-class performances are affected over the range of track and road running events.
This study examined publicly available performance datasets of annual best track and road performances for evidence of potential systematic performance effects following the introduction of super footwear. The analysis was based on the 100 best performances per year for men and women in outdoor events from 2010 to 2022, provided by the world governing body of athletics (World Athletics).
We found evidence of progressing improvements in track and road running performances after the introduction of super distance running shoes in 2016 and super spike technology in 2019. This evidence is more pronounced for distances longer than 1500 m in women and longer than 5000 m in men. Women seem to benefit more from super footwear in distance running events than men.
While the observational study design limits causal inference, this study provides a database on potential systematic performance effects following the introduction of super shoes/spikes in track and road running events in world-class athletes. Further research is needed to examine the underlying mechanisms and, in particular, potential sex differences in the performance effects of super footwear.
Recently, photovoltaic (PV) with energy storage systems (ESS) have been widely adopted in buildings to overcome growing power demands and earn financial benefits. The overall energy cost can be optimized by combining a well-sized hybrid PV/ESS system with an efficient energy management system (EMS). Generally, EMS is implemented within the overall functions of the Building Automation System (BAS). However, due to its limited computing resources, BAS cannot handle complex algorithms that aim to optimize energy use in real-time under different operating conditions. Furthermore, islanding the building's local network to maximize the PV energy share represents a challenging task due to the potential technical risks. In this context, this article addresses an improved approach based on upgrading the BAS data analytics capability by means of an edge computing technology. The edge communicates with the BAS low-level controller using a serial communication protocol. Taking advantage of the high computing ability of the edge device, an optimization-based EMS of the PV/ESS hybrid system is implemented. Different testing scenarios have been carried out on a real prototype with different weather conditions, and the results show the implementation feasibility and technical performance of such advanced EMS for the management of building energy resources. It has also been proven to be feasible and advantageous to operate the local energy network in island mode while ensuring system safety. Additionally, an estimated energy saving improvement of 6.23 % has been achieved using optimization-based EMS compared to the classical rule-based EMS, with better ESS constraints fulfillment.
Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.
5000er-Aluminiumlegierungen neigen bei der Umformung zur Bildung von Fließfiguren durch den PLC-Effekt. Dadurch sind die Anwendungsmöglichkeiten stark eingeschränkt, weil hohe Ansprüche an die Oberflächenqualität nicht erfüllt werden können. Der PLC-Effekt kann jedoch unter bestimmten Bedingungen unterdrückt werden, so dass das Umformpotential stark vergrößert werden kann. In dieser Arbeit wurden die Einflüsse der Dehnrate und des Dehnungszustandes auf das Auftreten des PLC-Effektes an der Legierung EN AW-5182 experimentell untersucht. Dazu wurden Versuche mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Probengeometrien durchgeführt. Bei den Flachzugversuchen nahm die kritische Dehnung, die Dehnung ab welcher der PLC-Effekt auftritt, im untersuchten Dehnratenbereich mit zunehmender Dehnrate zu. Ab einer nominellen Dehnrate von 5,2/s, bzw. einer von-Mises-Dehnrate von 3,4/s wurde kein PLC-Effekt mehr beobachtet. Die auftretenden PLC-Band-Typen, deren Form und Bewegung entsprach den Beobachtungen von älteren Untersuchungen ([AHZ02]) an der gleichen Aluminiumlegierung. Nur wurde damals bereits ab einer Dehnrate von 0,1/s kein PLC-Effekt mehr nachgewiesen. Als Hauptursache für diesen Unterschied wird eine andere Messtechnik oder Auswertemethode der älteren Untersuchungen vermutet. An den geprüften Proben mit PLC-Effekt waren mit bloßem Auge keine Fließfiguren zu erkennen. Zu Versuchen am ebenen Dehnungszustand mit Kerbzubproben sind keine Literaturwerte bekannt. Die Versuche zeigen, dass der PLC-Effekt dort auch auftritt und die kritische Dehnung mit zunehmender Dehnrate linear ansteigt. Ab einer von Mises-Dehnrate von 1,7/s wurde kein PLC-Effekt mehr beobachtet. Die auftretenden PLC-Bänder waren feldlinienförmig. Auch an den Scherzugproben trat der PLC-Effekt auf. Die kritische Dehnung nahm überwiegend linear mit zunehmender Dehnrate zu. Doch aufgrund nur kleiner Stufen im Dehnungs-Zeitverlauf war eine präzise Auswertung der kritischen Dehnung nicht möglich. Die PLC-Bänder waren parallel zur Hauptschubrichtung orientiert und bewegten sich nur geringfügig. Die an den Nakajima-Proben beobachteten PLC-Bänder zeigten ein deutlich anderes Verhalten als die der Zugversuche. Es traten immer mehrere PLC-Bänder gleichzeitig auf und ihrer Bewegungen waren geringer als an den Zugversuchen ähnlicher Dehnrate. Dadurch waren an den Nakajima-Proben mit PLC-Effekt mit bloßem Auge merkliche Fließfiguren zu sehen. Als Ursache für das andere Verhalten der PLC-Bänder wird der Reibkontakt zum Ziehstempel vermutet. Der PLC-Effekt nahm mit zunehmender Spannungsmehrachsigkeit stetig ab und war bei Erreichen des äquibiaxialen Spannungszustandes nicht mehr zu beobachten. In der Gesamtauswertung wurde gezeigt, dass das Umformpotential durch den PLC-Effekt stark eingeschränkt wird. Mit zunehmender Dehnrate kann das Umformpotential jedoch vergrößert werden und ab einer von-Mises-Dehnrate von etwa 3/s kann der komplette Umformbereich von EN AW 5182 ausgeschöpft werden. Die Versuchsergebnisse müssen nun noch validiert werden. Durch die anderen Bedingungen in industriellen Umformprozessen, können sich Abweichungen zu den Laborversuchen ergeben. Vor allem die Unterschiede zwischen den Zugversuchen und den Nakajima-Versuchen lassen solche Abweichungen als nicht unwahrscheinlich erscheinen.
Hintergrund der Studie ist die Annahme, dass das Tragen von Barfußschuhen einen positiven Effekt auf die Gleichgewichtsfähigkeit eines Menschen hat und somit präventiv das Sturzrisiko vermindern kann. Ziel der Studie ist daher, einen Zusammenhang zwischen der Zehenfreiheit und der Gangsicherheit festzustellen. Zu diesem Zweck werden anhand einer Ganganalyse mit dem GRAIL-System, der Firma Motek Medical, das Laufverhalten von 23 Probanden in drei verschiedenen Schuhkonditionen (schmale Barfußschuhe, breite Barfußschuhe und getapte Zehen in Barfußschuhen) untersucht. Pro Perturbationsdurchgang werden jeweils fünf Gangzyklen vor und nach der Perturbation aufgenommen. Betrachtet werden die Kokontraktionswerte ausgewählter antagonistischer Muskelpaare des Ober- und Unterschenkels. Diese werden während der fünf Gangzyklen vor den einzelnen Perturbationen mittels EMG (Elektromyographie )-Sensoren gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das einmalige Tragen von Barfußschuhen und somit die kurzfristige Veränderung der Zehenfreiheit keinen signifikanten Einfluss auf die Kokontraktionswerte und somit auf die Gleichgewichtsfähigkeit hat. Lediglich beim langfristigen Tragen von Barfußschuhen wiesen die Ergebnisse leichte Tendenzen in Richtung einer Erhöhung der Gleichgewichtsfähigkeit auf. Daraus lässt sich ein Trainingseffekt der Barfußschuhe auf den menschlichen Körper ableiten, der langfristig zu einer Verbesserung der Gangsicherheit führt. Da diese Ergebnisse jedoch nicht signifikant sind, muss diese Annahme erst durch weitere Studien geprüft werden. Einen tatsächlich signifikanten Einfluss hatte hingegen der Lerneffekt, der sich während des Versuchsablaufs bei den Testpersonen einstellte, auf die Kokontraktionswerte. Hierbei zeichnet sich eine annähernd exponentiell fallende Kurve im Verlauf der Messungen ab. Interessant ist dabei, dass dies auch für die Baseline zutraf, also auf die Referenzmessung ohne Perturbationen. Dies deutet darauf hin, dass die Probanden nicht primär wegen der Perturbationen in einer angespannten bzw. vorbereiteten Haltung waren, sondern aufgrund des ihnen unbekannten Untergrunds, dem perturbationsfähigen Laufband. Bei zukünftigen Studien sollte daher für aussagekräftige Ergebnisse eine stärkere Eliminierung des Lerneffekts geachtet werden.
Einfluss der Zehenfreiheit auf die dynamische Stabilität bei medio-lateralen Laufbandperturbationen
(2023)
Das Tragen von Barfußschuhen, so die These, führt zu einem natürlichen und damit gesunden Gangbild. Ein Merkmal des Barfußschuhs ist die breite Zehenbox, die eine maximale Zehenfreiheit gewährleistet. In dieser Studie wurde der Faktor Schuhweite hinsichtlich seines Einflusses auf die Gangstabilität untersucht. Mit dem GRAIL-System wurden 28 Probanden in jeweils vier Schuhkonditionen (Wash out = eigene Schuhe, schmal, breit, Tape) und 3 Trials (Baseline, Perturbations, Simulated Inebriation) mittels Motion Tracking erfasst. Die Gangstabilität wurde anhand von 𝑀𝑜𝑆 (𝑀𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛 𝑜𝑓 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), 𝑃𝑜𝐼 (𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), Schrittbreite und Schrittdauer beurteilt.
Es konnte kein signifikanter Einfluss der Schuhweite auf die Gangstabilität festgestellt werden. Dagegen ist das Alter ein signifikanter Einflussfaktor (ältere Probanden gehen weniger sicher) sowie die Art des Trials (simulated Inebriation ist am unsichersten). Zusätzlich wurden die Probanden in eine BX (Barefoot Experienced) und eine BUX (Barefoot Unexperienced) Gruppe eingeteilt, um zu untersuchen, ob es einen Unterschied macht, ob ein Proband in der Vergangenheit bereits Barfußschuhe getragen hat. Im Vergleich zur BUX-Gruppe war das Gangbild der BX-Gruppe durch folgende Merkmale gekennzeichnet: kürzere Schrittdauer, breitere Schritte und niedrigere 𝑃𝑜𝐼-Werte (in den Barfußschuhen).
Es kann vermutet werden, dass Personen mit Barfußschuherfahrung in einer neuen Schuhkondition sicherer gehen, weil sie unabhängiger vom Schuh sind. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die BX-Personen durch das Barfußlaufen stärkere Fußstrukturen entwickelt haben, die sich unabhängig vom Schuh positiv auf das Gangbild auswirken. Somit wirken sich Barfußschuhe erst langfristig positiv auf den Gang aus.
Im Automobilbau bietet der Einsatz der Multimaterialbauweise ein signifikantes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Zugleich erfordert diese Bauweise eine große Anzahl von Fügeverfahren für die Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe und Werkstoffklassen. Dabei muss eine Vielzahl an konstruktiven und materialseitigen Anforderungen berücksichtigt werden. Um in diesem Auswahlprozess den Aspekt des Leichtbaus beim Fügeverfahren selbst systematisch zu integrieren, wurde eine Methodik entwickelt, welche die Fügeverfahren im Hinblick auf ihr jeweiliges Leichtbaupotenzial bewertet.
The aim of this bachelor thesis is to introduce a product data management (PDM) system to reduce the current difficulties in the project team workflow. The main objective is to reduce or prevent problems in the project team's collaboration processes by establishing a centralized, structured data repository.
The process to achieve this goal was to first talk to the project team and monitor professors to find the most effective strategies. Early research on PDM/PLM (Product Lifecycle Management) was conducted through literature reviews, online searches, thesis reviews, and video resources.
In order to gain a comprehensive understanding of PDM systems, the thesis used a combination of group discussions and literature reviews. The emphasis was on the practical application, which included the customization of configurations.
Electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) is an emerging tool for the diagnosis of 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. Several experimental studies in the past decade have shown the complexity of EPIS signals, and so far there is no agreement on the interpretation of EPIS features. The present study contributes to shed light into the physicochemical origin of EPIS features, by using a combination of pseudo-two-dimensional modeling and analytical interpretation. Using static simulations, the contributions of cathode equilibrium potential, cathode overpotential, and membrane resistance on the quasi-static EPIS response are quantified. Using model reduction, the EPIS responses of individual dynamic processes are predicted and compared to the response of the full model. We show that the EPIS signal of the PEMFC studied here is dominated by the humidifier. The signal is further analyzed by using transfer functions between various internal cell states and the outlet pressure excitation. We show that the EPIS response of the humidifier is caused by an oscillating oxygen molar fraction due to an oscillating mass flow rate.