Beulverhalten von ringversteiften Kreiszylinderschalen unter Axialdruck – Teil 1: Versuche und geometrische Imperfektionsanalyse/Buckling behavior of ring-stiffened cylinder shells under axial pressure – Part 1: Tests and geometric imperfection analysis

Moderne Behälter werden oft als ringversteifte Kreiszylinderschalen ausgeführt. Der traglaststeigernde Effekt eng liegender Ringsteifen unter Axialdruck erfuhr in der Forschung bis heute nur geringe Beachtung. Er ist bisher ungeregelt und infolge unnötig hohen Materialeinsatzes bleiben Stahlbehältern Marktanteile und bessere Nachhaltigkeit verwehrt. Anhand von Versuchen und einer numerischen Studie werden die neuesten Forschungsergebnisse des Einflusses der Ringsteifen auf das Axialbeulverhalten von Kreiszylinderschalen erläutert. Die Ergebnisse zeigen, dass die ringversteiften Kreiszylinder unter Axialdruck nach der aktuellen Bemessungspraxis unwirtschaftlich bemessen werden.   Im Teil 1 dieses Beitrags werden Versuche im verkleinertem Maßstab durchgeführt, um den Einfluss der Ringsteifen auf das Beulverhalten der Kreiszylinderschalen unter Axialdruck zu erforschen. Gemäß einem Vergleich von Versuchsergebnissen wird eine mehrfach höhere Tragfähigkeit ringversteifter Schalen gegenüber unversteiften Schalen ermittelt. Die geometrischen Imperfektionen des Probekörpers werden durch eine 3D-Scan-Technologie gemessen und danach mittels der Methode der Fourier-Reihen analysiert. Im Teil 2 folgen die numerische Simulation und das Ableiten eines Ingenieurmodells.

Teilchenbasierte Simulation des äolischen Sandtransports und der damit verbundenen Staubemission

<p>Im gegenwärtigen Beitrag wird ein numerisches Werkzeug für die teilchenbasierte Simulation des äolischen Sedimenttransports in der atmosphärischen Grenzschicht vorgestellt. Die zuverlässige Modellierung dieses Transports als Funktion der Windverhältnisse und der Bodenerodierbarkeit ist für viele Anwendungen, von der Küsten- bis hin zur Desertifikationsforschung, sehr wichtig. Im Zusammenhang mit der Klimasimulation ist die korrekte Vorhersage der äolischen Sedimentransportraten für die Repräsentation des Staubzykluses im Erdsystem unabdingbar – die Emission von Staubpartikeln aus dem Boden wird hauptsächlich durch die Kollision größerer Sandpartikeln in sprungweiser Bewegung (Saltation) auf das Sedimentbett verursacht. Doch die Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit und turbulenten Windfluktuationen auf die Partikelbewegung sind noch wenig verstanden. Ungeachtet der zahlreichen, auf empirischen Beobachtungen basierten Parametrisierungsschemata zur Erfassung äolischer Prozesse zählt die quantitative Bestimmung der Bodenerosionsrate und des damit verbundenen vertikalen Staubemissionsflusses zu den wichtigsten Unsicherheitsquellen in Klimamodellen.</p> <p>Deshalb befasst sich gegenwärtige Arbeit mit der direkten, teilchenbasierten Simulation des äolischen Sedimenttransports mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM). Dabei werden die Newtonschen Bewegungsgleichungen für jedes einzelne Teilchen im System – ob in der Luft oder im Sedimentbett – unter Berücksichtigung der Schwerkraft, einer effizienten hydrodynamischen Beschreibung der Teilchen-Wind-Kopplung, sowie eines Modells für die interpartikulären Kontakt- und van-der-Waals-Kräfte numerisch gelöst. Die hier vorgestellte numerische Simulation verzichtet somit vollständig auf Splash-Funktionen. Zudem wird ein Modell für die stochastische Natur des Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungspotentials miteinbezogen.</p> <p>Unsere numerische Vorhersage der Sandtransportrate (<em>Q</em>) als Funktion der zeitlich gemittelten turbulenten Windschergeschwindigkeit (<em>u<sub>*</sub></em>) stimmt quantitativ mit entsprechenden Daten aus Windkanalversuchen überein. Auch die erforderliche Schergeschwindigkeit für den Sandtransport im Windkanal wird von unserem Modell quantitativ wiedergegeben. Aus den Simulationsergebnissen wird weiterhin deutlich, dass die Dicke <em>D</em> des losen Sedimentbettes im Verhältnis zum Teilchendurchmesser <em>d</em> eine entscheidende Rolle für die Skalierung von <em>Q</em> mit <em>u</em><sub>*</sub> einnimmt. Im Besonderen wird bei einer Verringerung der Sedimentverfügbarkeit ein Übergang von einer quadratischen (<em>D/d</em> >~ 2) in eine kubische (<em>D/d</em> << 2) Skalierung der Sandtransportrate mit der Schergeschwindigkeit beobachtet. Eine Erweiterung des Modells für stark polydisperse Systeme ermöglicht die Ermittlung des mit dem Sandtransport hervorgehenden vertikalen Staubemissionsflusses.</p>

Numerische Simulation zur Bestimmung der Messunsicherheit für die Kalibrierung von Massenormalen durch Transferkörper

Zusammenfassung Monte Carlo Verfahren eignen sich zur Bestimmung der Fertigungsgenauigkeit und Messunsicherheit für die Kalibrierung von Massenormalen unter Verwendung von Sorptions-, Duplex- und Auftriebskörpern, hier Transferkörper genannt. Bestimmt werden die aufgabenspezifischen Messunsicherheiten für die Messgrößen Masse, Oberfläche und Volumen. Die Eingangsgrößenen der Simulationen ergeben sich aus den vorgegebenen Fertigungstoleranzen sowie aus den Messunsicherheiten der verwendeten Längenmessgeräte. Das entwickelte Modell erlaubt es, die vorgestellten Transferkörper mit einem einheitlichen Ansatz nach den Vorgaben des GUM zu berechnen. Ergebnisse zu Transferkörpern aus Silizium mit einer Nennmasse von 1 kg werden vorgestellt und diskutiert.

Modellierung des Kontaktimpulses beim Bürstspanen/Contact Impulse Modeling for Brushing Tools

Das Bürstspanen ist ein flexibles Finishingverfahren, dessen Prozessauslegung im industriellen Umfeld meist auf Erfahrungswerten basiert. Neue Erkenntnisse im Bereich der Prozessmodellierung erlauben jedoch zunehmend die numerische Simulation wichtiger Kenngrößen. Somit stellt dieser Beitrag eine Methode vor, die für das Arbeitsergebnis relevanten Kontaktkräfte zu simulieren, indem als Zwischenschritt der vom Werkzeug auf das Werkstück übertragene Kontaktimpuls berechnet wird.   Brushing is a flexible finishing process, whose industrial process design is usually based on experiential values. However, new findings in the field of process modeling increasingly allow for the numerical simulation of important characteristic variables. Hence, this article introduces a method to simulate contact forces relevant for the work result by interim calculation of the contact impulse transmitted by the tool onto the workpiece.

Numerische Simulation – von der Formel zum bunten Bild

ZusammenfassungNumerische Simulation dient der Vorhersage und Analyse komplexer physikalischer Zusammenhänge, die im Gegensatz zum meist (deutlich) teureren Experiment am Rechner durchgeführt wird und damit beliebig oft wiederholt werden kann. Auf Basis mathematischer Modelle wird die Lösung eines Problems mithilfe numerischer Verfahren berechnet und zum besseren visuellen Verständnis in graphischer Form als Bild oder Film dargestellt. Im vorliegenden Beitrag soll hierzu die gesamte Prozesskette – von der Formel zum bunten Bild – am Beispiel der Hochwassersimulation aufgezeigt werden.