Dissertationen

Die zerstörungsfreie Prüfung ist von besonderer Bedeutung im Lebenszyklus technischer Produkte. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten in Flugzeugen, Zügen, Pipelines oder Kraftwerken helfen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, Qualitätsmängel bereits während des Herstellungsprozesses oder in regelmäßigen Wartungskontrollen zu erkennen, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Heute erfordern steigende Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sowie die Entwicklung neuer Materialien für moderne Leichtbaukonstruktionen immer zuverlässigere Prüfverfahren, um den ordnungsgemäßen Betrieb von Bauteilen und technischen Anlagen zu gewährleisten. Für die Untersuchung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen kommen häufig Wirbelstromprüfverfahren zum Einsatz. Im Gegensatz zu klassischen Induktionsverfahren werden die Wirbelströme bei der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung durch die Relativbewegung zwischen einer Magnetfeldquelle und einem elektrisch leitfähigen Prüfkörper hervorgerufen. Die dabei auftretenden physikalischen Effekte ermöglichen die Detektion von Fehlern im Prüfkörper. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prinzips für ein portables System zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, welches für den Einsatz als handgeführtes Prüfgerät zur Untersuchung von Bauteilen an ihrem Einsatzort geeignet ist. Nach einer Einführung in die zerstörungsfreie Prüfung und die in der Industrie am häufigsten eingesetzten Prüfverfahren, werden die bekannten Verfahren der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen vorangegangener Studien im Bereich der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, erfolgt die Präzisierung der Anforderungen an das zu entwickelnde Sensorsystem und die Diskussion möglicher Lösungsvarianten. Im Rahmen dieser Ideenfindung werden zwei favorisierte Lösungsvarianten beschrieben, für die jeweils ein Messsystem zur experimentellen Validierung entwickelt und aufgebaut wird. Außerdem werden die angewendeten Verfahren der Messdatenauswertung erläutert. Das für den Anwendungszweck besser geeignete Prinzip wird anhand eines Variantenvergleichs ermittelt. Weiterführende Experimente mit dem ausgewählten Sensorsystem dienen dazu, Handlungsempfehlungen für dessen Einsatz als handgeführtes Prüfgerät abzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung und Interpretation von Prüfergebnissen aufgezeigt.

Der Gegenstand der Arbeit sind Tensegrity-Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen, sogenannte multistabile Tensegrity-Strukturen. Im Vordergrund der Arbeit steht die Entwicklung von Algorithmen, mit denen solche Strukturen entworfen, untersucht und gezielt ausgelegt werden können. Dafür werden Möglichkeiten zur Bestimmung der Gleichgewichtskonfigurationen von multistabilen Tensegrity-Strukturen betrachtet. Des Weiteren wird untersucht, wie Tensegrity-Strukturen so ausgelegt werden können, dass sie vorgegebene Eigenschaften aufweisen. Dazu werden Kenngrößen zur Charakterisierung dieser Eigenschaften definiert. Für beide Aufgabenstellungen werden Optimierungsprobleme hergeleitet. Zur Lösung dieser Optimierungsprobleme werden Algorithmen entworfen, getestet und analysiert. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit in der Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von multistabilen Tensegrity-Strukturen in der Greifertechnik. Es werden verschiedene Konzepte für die Entwicklung von Greifern aus diesen Strukturen diskutiert. Zu ausgewählten Konzepten erfolgen weiterführende Betrachtungen, unter anderem durch Einbeziehung dynamischer Analysen. Neben theoretischen Untersuchungen dieser Greifer werden die wichtigsten Erkenntnisse experimentell an Funktionsmustern überprüft und potentielle Einsatzgebiete werden aufgezeigt.

Gegenstand dieser Arbeit ist die kontinuumsmechanische Beschreibung des Werkstoffes Furnier bei zweidimensionaler Umformung. Die experimentellen Betrachtungen werden an quer gemessertem, industriell hergestelltem Rotbuchenfurnier (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. Umformversuche sind dabei Kurzzeitversuche. Auf Basis bekannter Materialmodelle von Vollholz (Kurzzeitbereich) werden verschiedene Umformmodelle für Furnier entwickelt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Erfassung der Kennwertdifferenzen zwischen Vollholz und Furnier, der stark von den Parametern Holzfeuchte und Temperatur abhängigen Zug-Druck-Asymmetrie des Werkstoffes sowie des plastischen Verformungspotentials bei Druckbelastung. Darauf aufbauend werden, anhand mikroskopischer Untersuchungen, fertigungsbedingte Werkstoffschädigungen von Furnier (Messerrisse und Oberflächendefekte) charakterisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die bei Vollholz und Furnier stark differierenden mechanischen Werkstoffkennwerte diskutiert und die Kennwertdifferenzen m.H. eines Schichtmodells erfasst. Des Weiteren werden ein neu entwickelter Biegeversuch und eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Erfassung der zweidimensionalen Formungseigenschaften von Furnier vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt in der Aufzeichnung der Randfaserdehnungen der Biegeprobe m.H. eines digitalen Bildkorrelationsmesssystems. Anhand umfangreicher Versuche werden die Biegeeigenschaften und das Versagensverhalten von Furnier in Abhängigkeit der Parameter Furnierdicke, Holzfeuchte, Faser- und Krümmungsrichtung (offene, geschlossene Furnierseite) ermittelt. Furnier zeigt dabei asymmetrische Biegeeigenschaften sowie ein sehr komplexes Versagensverhalten, mit sukzessiv zunehmender Werkstoffschädigung. Die minimal erreichbaren Biegeradien werden in Bezug auf die daraus resultierenden Oberflächendefekte des Furniers ausgewertet und diskutiert. Im Gültigkeitsbereich der entwickelten Umformmodelle zeigen die Versuchsergebnisse eine gute Übereinstimmung. Hin zu sehr kleinen Radien ist aus den Dehnungsmessungen ersichtlich, dass in der Zugrandfaser die, aus uniaxialen Zugversuchen bekannten, Bruchdehnungen deutlich überschritten werden. Es wird aufgezeigt, wie die zugrunde gelegte Werkstoffmodellbeschreibung zu erweitern ist, um auch diesen Grenzbereich der Furnierformung im Umformmodell abbilden zu können.

Die zerstörungsfreie Materialprüfung elektrisch leitfähiger Komponenten und Baugruppen ist ein integraler Bestandteil im Produktlebenszyklus heutiger technischer Produkte. Insbesondere im Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik ist durch den Einsatz moderner Leichtbaumaterialien die Entwicklung immer leistungsfähigere mechanischer Komponenten möglich. Diese hochbeanspruchbaren Bauteile müssen sowohl in der Fertigungsphase als auch in der späteren Betriebsphase auf ihre strukturelle Integrität geprüft werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Die in dieser Arbeit untersuchte Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung ist eines der Prüfverfahren, welche in diesem Zusammenhang erforscht und weiterentwickelt werden. Nach einer kurzen Einführung in den Stand der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung und einer Vorstellung der relevanten Märkte, werden die vorangegangen Arbeiten auf dem Gebiet der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfverfahren beleuchtet. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den experimentellen Untersuchungen, welche in vorangegangenen Machbarkeitsstudien erfolgreich durchgeführt wurden. Die Betrachtung der für das Messprinzip relevanten physikalischen Phänomene ermöglicht mittels der durchgeführten Dimensionsanalyse einen vertiefenden Einblick in die Wechselwirkungen der elektromagnetischen und geometrischen Größen. Umfassende numerische Studien begleiten diese Untersuchung und führen zur Formulierung von praktischen Skalierungsregeln. Den umfassendsten Teil der Arbeit bilden die Klassifizierung und die systematische Beschreibung des untersuchten Messverfahrens, sowie die repräsentative Darstellung experimenteller Studien. Hierbei kommt ein mehrkomponentiges Sensorsystem zum Einsatz, welches die zeitgleiche Erfassung der auftretenden Messkräfte sowie deren Beschleunigungswirkung auf den Messaufbau ermöglicht. Das idealisierte Messverfahren wird durch die Betrachtung der beteiligten physikalischen Größen als Zufallsvariablen zu einem realen Messprozess erweitert. Dabei zeigt sich, dass die statistischen Eigenschaften des Messprozesses nicht zeitunabhängig sind und somit ein Messsignal einer einzelnen Messung kein vollständiges Messergebnis, im Sinne einer experimentellen Standardabweichung, liefern kann. Aus dieser Einsicht heraus werden Ansätze für die Bildung von künstlichen Signalscharen beschrieben und in unterschiedlichen experimentellen Studien erprobt. Diese Signalensembles, welche aus Einzelsignalen bestehen, ermöglichen dabei erstmals eine statistische Auswertung der Messergebnisse. Einen Neuheitswert stellt ebenfalls die in der Arbeit vorgestellte Erweiterung des Messmodells zu einem nicht rückwirkungsfreien Messverfahren dar, welches die mechanische Wechselwirkung der Lorentzkraft und des mechanischen Messaufbaus beschreibt. Hierfür werden für zwei praktisch relevante Beispiele geeignete Verfahren zur Systemidentifikation vorgestellt, welche sowohl in der Signalvorverarbeitung als auch der modellspezifischen Parameterschätzung eine einfache Modellbildung des mechanischen Systems ermöglichen. Aus den so gewonnenen mechanischen Modellen wird anschließend beispielhaft der Entwurf digitaler Filter zur Kompensation des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens dargestellt.

Die Lokomotion von Systemen auf weichen verformbaren Sandböden ist aus dem Alltag bestens bekannt. Dennoch gehört die Interaktion mit granularen Materialien noch zu den weitestgehend unverstandenen und nur unvollständig abgebildeten Phänomenen in unserer Umwelt. Während das Lokomotionssystem auf der Erde häufig direkt beeinflusst werden kann, ergeben sich in der planetaren Exploration Probleme wie die Unzugänglichkeit des Systems. Bisherige Modellierungsansätze können dabei die Boden-Interaktion nur unzureichend abbilden. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, die Diskrete Elemente Methode weiterzuentwickeln und für die Entwicklung von Systemen zum Erforschen unseres Sonnensystems nutzbar zu machen. Um das Scherversagen granularer Medien genau und effektiv abzubilden, wird eine Modellierung der Kornform über 2D-Rotationsgeometrien vorgestellt, wobei die Kugel für die Kontakterkennung beibehalten wird. Um auf die Partikel wirkende Kräfte wie Reibung und Kohäsion abzubilden, werden bestehende Kontaktmodelle erweitert. Um diese Kontaktmodelle sinnvoll einsetzen zu können, wird zudem ein Parameteridentifikationsverfahren vorgestellt, welches ohne Kalibrierungssimulationen auskommt. Damit kann ein Kontaktparametersatz über hinreichende Bedingungen, mikroskopische Bilder und einen Look-up Table in nur 5 s statt bis zu 5000 CPU-Stunden erstellt werden. Diese Methode wird mit dem Bevametertest für zwei Böden verifiziert. Die gesamte Modellmethodik wird dann als neues Framework DEMETRIA auf Basis von Pasimodo implementiert und für zwei Anwendungen genutzt. Bei der ersten Anwendung, dem HP3-Mole für den Mars, konnte für die Modelle der Eindringtiefe pro Schlag eine Abweichung von weniger als 16% gegenüber Messdaten erreicht werden. Weiterhin konnte durch eine Nutzung der Modelle in Optimierungen die Zieltiefe von 5m bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 5W erreicht und die dafür nötige Schlaganzahl auf 25% gesenkt werden. Für die zweite, exemplarische Anwendung, die Räder planetarer Rover, werden prinzipielle Effekte der Interaktion untersucht und die Simulationen qualitativ mit realen Testfahrten verglichen. In diesen Vergleichen wurde ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den realen Effekten der Bodenverformung festgestellt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Modelle für Radoptimierungen zur Verbesserung der Effizienz und Traktion genutzt werden können.