This Ph.D. thesis deals with methodology for determination of residual fatigue lifetime of railway axles based on damage tolerance approach. This approach accepts an existence of potential defect, which could lead to fatigue failure of whole axle. The behavior of crack in railway axle is described by approaches of linear elastic fracture mechanics. There are plenty of factors, which more or less influence determined residual fatigue lifetime. The aim of this thesis is to quantify effects of these factors. The first part of Ph.D. thesis represents overview of studied problems relating to fatigue damage of railway axles. This part is focused on parameters, which influence fatigue crack growth in railway axle materials. The second part of thesis shows procedure for determination of residual fatigue lifetime, which was developed at the Institute of Physics of Materials of the Academy of Sciences of the Czech Republic. The main aim of this thesis was to improve current procedure for more precise estimation of residual fatigue lifetime. Significant part of this work is determination of significance of studied factors, which influencing calculated residual fatigue lifetime of railway axles (e.g. effect of threshold value, load spectrum, retardation effects, residual stress, axle geometry, material of axle etc.). The procedures described and results obtained can be also used for determination of residual fatigue lifetime of general mechanical component (not only railway axles). Therefore, results obtained in this Ph.D. thesis can be used e.g. for assessment of regular inspection intervals of cyclically loaded general mechanical parts.

No description available.

Maritime transportation emits about 3% of global greenhouse gas, International Maritime Organization (IMO) aims to reduce shipping’s emissions by 50% with respect to 2008 levels. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered among the most promising clean technologies for decarbonizing the maritime sector. One of the challenges for commercial application of PEMFCs is their limited durability. The purpose of this thesis was to assess the most significant degradation mechanisms and operating conditions of the PEMFC in marine applications, including membrane and catalyst layer degradation during idle, start-stop cycles, and dynamic load cycles, and to build a model to forecast the lifetime.A semi-empirical approach was developed to evaluate the PEMFC lifetime through a 2D COMSOL model. The model takes into account the empirical relationships for membrane conductivity loss and electrochemical surface area (ECSA) decay as functions of cycling numbers, aging process, and idling time. The 2D model has been validated with the experimental data in the literature and are also compared with a previous 1D model. The polarization curves show the voltage output against current density, lifetime is evaluated using a 10% voltage reduction criterion at the current density 0.6 A/cm2.An improved ECSA degradation model with variable load levels increases the lifetime of the ferry in Case 5 from 5500 hours to 7500 hours. Load cycling and idling cause the most severe degradation, but the impact can be reduced by a hybrid system with battery supplement and onshore charging. The lifetime of the ferry in Case 5 has been significantly further improved from 7500 hours to 22500 hours, which is comparable to the 20000-hour lifetime of commercial products for marine applications. Furthermore, membrane thickness effect analysis showed that fuel cells with thinner membranes (such as NR211) have better performance before degradation due to higher proton conductivity, but degrade faster during load cycling due to hydrogen crossover. The results of this research can be extended to help optimize fuel cell, stack and power system designs to avoid worst-case operating conditions and thereby limit fuel cell degradation. / Sjötransporter släpper ut cirka 3% av de globala växthusgaserna, International Maritime Organization (IMO) har som mål att minska sjöfartens utsläpp med 50 % jämfört med 2008 års nivåer. PEM-bränsleceller anses vara bland de mest lovande rena teknikerna för att minska koldioxidutsläppen i den maritima sektorn. En av utmaningarna för kommersiell användning av PEM-bränsleceller är deras begränsade hållbarhet. Syftet med denna avhandling var att bedöma de viktigaste nedbrytningsmekanismerna och driftsförhållandena för PEM-bränsleceller i marina applikationer, inklusive nedbrytning av membran och katalysatorskikt under tomgång, start-stopp-cykler och dynamiska belastningscykler, och att bygga en modell för att förutsäga livslängd.En semi-empirisk metod utvecklades för att utvärdera PEMFC:s livslängd genom en 2D COMSOL-modell. Modellen tar hänsyn till de empiriska sambanden för membrankonduktivitetsförlust och den elektrokemisk ytareans (ECSA) sönderfall som funktioner av cyklingstal, åldrandeprocess och tomgångstid. 2D-modellen har validerats med experimentella data i litteraturen och jämförs även med en tidigare 1D-modell. Polarisationskurvorna visar utspänningen mot strömtätheten, livslängden utvärderas med ett 10 % spänningsreduktionskriterium vid strömtätheten 0.6 A/cm2.En förbättrad modell för nedbrytning av elektrokemisk yta med varierande lastnivåer ökar färjans livslängd i fall 5 från 5500 timmar till 7500 timmar. Lastcykling och tomgång orsakar den allvarligaste försämringen, men påverkan kan minskas genom ett hybridsystem med batteritillägg och landladdning. Färjans livslängd i fall 5 har förbättrats avsevärt ytterligare från 7500 timmar till 22500 timmar, vilket är jämförbart med 20000 timmars livslängd för kommersiella produkter för marina applikationer. Vidare visade membrantjocklekseffektanalys att bränsleceller med tunnare membran (som NR211) har bättre prestanda före nedbrytning på grund av högre protonledningsförmåga, men bryts ned snabbare under belastningscykler på grund av väteövergång. Resultaten av denna forskning kan utökas för att hjälpa till att optimera designen av bränsleceller, stack och kraftsystem för att undvika värsta driftsförhållanden och därigenom begränsa nedbrytningen av bränsleceller.

Sjöfarten står för 3 % av världens totala växthusgaser och är idag högst beroende av fossila bränslen. Ett alternativ för att gå över till en fossilfri flotta är användning av bränsleceller och vätgas som drivmedel. Om vätgasen produceras från elektrolys med förnyelsebara energikällor så är driften utsläppsfri och koldioxidneutral. Bränsleceller kan användas i många olika sammanhang, men har ännu inte slagit igenom med full kraft. En anledning till detta är livslängden som är för kort. För att sjöfarten ska kunna implementera bränslecellsdrift behöver nedbrytningen av bränslecellen bli vidare utforskad och motverkad. Syftet med detta examensarbete var att hitta de mest signifikanta nedbrytningsmekanismerna för sjöfarten samt att bygga en modell för att förutspå livslängden utifrån lastprofiler från fartyg.  Rapportens avgränsningar var att enbart studera PEM-bränsleceller tack vare dess höga energitäthet och att teknologin är närmast marknaden för mobila applikationer. En litteraturstudie genomfördes för att fastställa de viktigaste nedbrytningsmekanismerna samt de faktorer som begränsar livslängden. Dessa bestämdes till start/stop cykler samt lastcykler vilka försämrar konduktiviteten i membranet samt minskar den elektrokemiska ytarean. En empirisk modell från experiment från litteraturen etablerades för att hitta relationen mellan parametrarna konduktivitet och elektrokemisk ytarea som funktion av start/stop cykler respektive lastcykler. En Comsol-modell användes för att utvärdera bränslecellens prestanda med dessa försämrade parametrar. Två lastprofiler analyserades och tolkades som antal start/stop cykler samt lastcykler för att utvärdera prestandan som funktion av antal år i drift. Båda fallen var i drift till dess att prestandan minskat med 20 % utvärderat vid strömtätheten 0.6 A/cm2. Båda lastprofilerna var utvärdera med olika körstrategier för att jämföra den modellerade livslängden beroende på ingångsvärden. Den första lastprofilen delades in i Case 1a och Case 1b där antalet start/stop cykler och lastcykler varierade. Resultatet visade att antalet timmar i drift mer än tredubblades i Case 1b där båda ingående indata hade minskats.   Case 2 delades upp i tre olika körstrategier där Case 2a var en referens som jämfördes mot Case 2b respektive Case 2c. Skillnaden mot Case 2b var att antalet start/stop cykler per dag multiplicerades med faktor 4. Resultatet från modellen var att livstiden minskade från 6 till 4 år. Vidare utvärderades Case 2c där istället antalet lastcykler dividerades med faktor 4, allt annat identiskt med Case 2a. Utfallet var en ökad livslängd från 6 år till 11 år, med totalt 32 032 timmar i drift. Denna livslängd kan jämföras med kommersialiserade marina produkter från Ballard och Powercell, där livslängden är 30 000 respektive 20 000 timmar i drift.  Sammanfattningsvis kan det konstateras att både start/stop cykler och lastcykler bryter ner bränslecellen och därmed minskar dess prestanda. Lastcykler var den faktor som var mest förödande gällande livslängden. Den modellerade livslängden på 32 032 timmar indikerar att den empirisk modellen tillsammans med Comsol-modellen genererade realistiska resultat. Slutligen kan sägas att ett område för framtida forskning inom ämnet innefattar lastcykler eftersom denna hade störst påverkan på modellen. Att särskilja olika typer av lastcykler och koppla till olika degradering skulle skapa än mer förståelse för livslängden. Då denna studie genomfördes på bränslecellsnivå skulle framtida studier kunna inkludera att analysera degradering på systemnivå för att få mer insikt i dessa processer. / The shipping industry emits 3 % of the global GHG-emissions and is highly dependent on fossil fuels. One alternative to decarbonise the sector is by utilising hydrogen in fuel cells. The propulsion is free from emissions if hydrogen is produced from renewables. The fuel cell technology can be applied in various applications but have not been fully commercialised. One of the biggest bottlenecks for fuel cell technology is the durability that needs to be improved. In order for marine vessels to implement hydrogen propulsion, the degradation need to be further understood and mitigated. The purpose of this thesis was to assess the most significant degradation mechanisms for marine applications and to build a model to evaluate the lifetime depending on load profiles. The scope of the thesis was to include PEMFCs since they have the highest power density and are closest to commercialisation for transport applications. A literature review was conducted to assess the most important degradation mechanisms and operating conditions that limits the lifetime, which concluded in start/stop cycling and load cycling. These conditions deteriorate the membrane conductivity and the electrochemical surface area. An empirical model based on experimental data from the literature was conducted to find relationships for conductivity and ECSA as function of start/stop cycling and load cycling, respectively. A Comsol model was established to evaluate performance reduction with degraded parameters. Two different load cycles were interpreted as number of start/stop cycles and load cycles in order to simulate the degradation. The output was polarization curves as function of operating years. Each case was operated until a performance reduction of 20 % was obtained at the current density of 0.6 A/cm2.  Both load profiles were analysed with different operation strategies to compare the resulting lifetime. The first load curve was divided into Case 1a and Case 1b where start/stop cycles and load cycles were altered. The results showed that the lifetime in operation hours was more than three-folded in Case 1b when the number of start/stop cycles and load cycles was reduced.  Case 2 was divided into three operating strategies. For comparison with Case 2a, the number of start/stop cycles per day in Case 2b was increased by a factor of 4. The result was that the lifetime declined from 6 to 4 years. Furthermore, Case 2c evaluated the lifetime if the number of load cycles per day decreased by a factor of 4, all else being equal to Case 2a. The outcome was an increment in lifetime from 6 to 11 years, with a total of 32 032 hours of operation. This lifetime can be compared to commercialised products from Ballard and Powercell with lifetimes of 30 000 and 20 000 operating hours, respectively. Conclusively, the simulations showed that both start/stop cycling and load cycling deteriorates the fuel cell performance. Load cycling is the operating condition that cause the most severe degradation. Moreover, the modelled lifetime of 32 032 hours indicates that the empirical model in combination with the Comsol model generate realistic lifetimes. Finally, since load cycling had the most vital impact on the lifetime, one of the topics for future research would be to distinguish different types of load cycles and connect to separate degradation outcomes. Since the model was on fuel cell level, future work could also include systems effects such as ripple current or distributions within fuel cell stacks.

No description available.

CHARLES UNIVERSITY and HASSELT UNIVERSITY / tUL Doctoral dissertation Collagen structures from cell culture to intact tendon ABSTRACT Author: Daniel Hadraba Promoters: Assoc. Prof. Karel Jelen | Charles University Prof. Marcel Ameloot | Hasselt University Co-promoters: Dr. Frantisek Lopot | Charles University Prof. Virginie Bito | Hasselt University Annotation Author: Ing. Mgr. Daniel Hadraba Doctoral thesis title: Collagen structures from cell culture to intact tendon Year: 2010 - 2017 Doctoral program: Doctor of Biomechanics at Charles University Doctor of Biomedical Science at Hasselt University / transnational University Limburg Departments: Dept. Anatomy and Biomechanics | Faculty of Physical Education and Sport | Charles University Dept. Biophysics | Hasselt University Promoters: Assoc. Prof. Karel Jelen | Dept. Anatomy and Biomechanics | Faculty of Physical Education and Sport | Charles University Prof. Marcel Ameloot | Hasselt University / transnational University Limburg Co-promoters: Dr. Frantisek Lopot | Dept. Anatomy and Biomechanics | Faculty of Physical Education and Sport | Charles University Prof. Virginie Bito | Hasselt University / transnational University Limburg Bibliography details: Pages 102 Figures 30 Tables 2 Equations 17 Keywords: tendon, collagen, crimps, orientation, aging,...

Die Dissertation widmet sich der rechnerischen Lebensdauerabschätzung laufender Drahtseile, die in verschiedensten Applikationen verwendet werden. Konkret wird die Methode Leipzig, als eine der etablierten Vorgehensweisen für die Ermittlung ertragbarer Biegewechselanzahlen für die Betriebs- und Lebensdauer laufender Drahtseile umfassend beschrieben und weiterentwickelt. Die Arbeit stellt somit den Stand der Technik in Bezug auf diese Methode dar. Neben den detaillierten Darstellungen der Herleitung der Methode, werden auch weiterführende Herangehensweisen für eine umfangreiche Analyse von Seiltrieben beschrieben sowie Hinweise und Einschätzungen zur aktuellen normativen Entwicklung hinsichtlich Auslegung und Nachweis von Drahtseilen gegeben. In Bezug auf unterschiedliche Drahtnennfestigkeiten, Verdichtungsverfahren und Grade der inneren Seilschädigung, wurden Versuchsreihen durchgeführt und ausgewertet, um dessen verbesserte Berücksichtigung innerhalb der Lebensdauerabschätzung mit der Methode Leipzig herzuleiten. Im Ergebnis werden Anpassungen für eine veränderte Interpretation der Gesamtbeanspruchung vorgestellt, die nachweislich die Genauigkeit der Lebensdauerabschätzung erhöhen und damit der steigenden Relevanz dieser Analysen Rechnung trägt. / The dissertation is dedicated to the calculative lifetime estimation of running wire ropes, which are used in a wide variety of applications. Specifically, the Leipzig method is comprehensively described and further developed as one of the established procedures for determining endurable numbers of bending cycles for the service life and lifetime of running wire ropes. The thesis thus represents the state of the art with regard to this method. In addition to the detailed presentation of the derivation of the method, further approaches for a detailed analysis of rope drives are described as well as information and assessments on the current normative development with regard to the design and proof of wire ropes. With regard to different nominal wire strengths, compaction methods and degrees of internal rope deterioration, test series were carried out and evaluated in order to derive their improved consideration within the lifetime estimation with the Leipzig method. As a result, adjustments for a modified interpretation of the overall stress are presented, which have been shown to increase the accuracy of the lifetime estimation and thus take into account the increasing relevance of these analyses.

The power system components connected to renewable energy sources, such as transformers, are often oversized and conservatively loaded. The design of transformers normally ignores the intermittent nature of the connected renewable energy sources (e.g. solar, wind). Due to the variations in weather conditions and operation states, the transformer load oscillates and the actual hot spot temperature is significantly lower than the designed thermal rating. For wind farms, the oversized transformer causes extra resourcematerial waste and a higher wind power price. Dynamic thermal rating can be applied to determine the rating of the transformers based on real-time environmental conditions (e.g. ambient temperature, wind speed). However, in order to optimize the operation of the transformers with dynamic thermal rating, the prediction of the load profile of transformers is an obstacle. The load of wind farm export transformers oscillates due to thechange of load conditions (e.g. turbine availability, power curtailment) and environmental conditions (e.g. wind speed, wind direction and ambient temperature). This thesis proposes a new methodology to improve the utilization of wind farm export transformers by estimating their load profile more accurately and assessing their aging rate. The estimation of the load profile takes the wake effect and turbine availability into account. Specifically, the variation in the wind turbine failure and repair rates, which is influenced by the wind, is considered in the evaluation of turbine availability. Additionally, a correction method is proposed to improve the accuracy of the wake loss computation. The results demonstrate that the estimation accuracy of the transformer load profile is improved after considering the influence of the wake effect and turbine availability. The wake effect and the turbine availability reduce the generated wind power and to some extent, reduce the load and the aging rate of transformers. However, the wake effect has limited influence when the wind farm reaches peak power production while turbine availability influences the load profile of transformers especially when the load is close to the installed capacity of the wind farm. After considering these two factors, the prediction accuracy of the hot spot temperature in the transformers can be enhanced and dynamic thermal rating can be applied to transformers with improved reliability. / Kraftsystemkomponenter som är anslutna till förnybara energikällor, såsom transformatorer, är ofta överdimensionerade och konservativt belastade. Konstruktionen av transformatorer ignorerar normalt sett den intermittenta naturen hos anslutna förnybara energikällor (t.ex. sol och vind). På grund av variationer i väderförhållanden och drifttillstånd, oscillerar transformatorbelastningen och den faktiska hotspottemperaturen är betydligt lägre än den designade termiska bedömningen. För vindkraftsparker orsakar den överdimensionerade transformatorn extra resursmaterialavfall och högre vindkraftspriser. Dynamisk termisk bedömning kan tillämpas för att bestämma transformatorernas betyg baserat på realtidsmiljöförhållanden (t.ex. omgivande temperatur, vindhastighet). Men för att optimera driften av transformatorer med dynamisk termisk bedömning är förutsägelsen av transformatorernas belastningsprofil ett hinder. Belastningen på transformatorer för export av vindkraftsparkeroscillerar på grund av ändringar i belastningsförhållanden (t.ex. tillgänglighet för turbiner, effektreglering) och miljöförhållanden (t.ex. vindhastighet, vindriktning och omgivande temperatur). Denna avhandling föreslår en ny metod för att förbättra användningen av transformatorer för export av vindkraftsparker genom att uppskatta deras belastningsprofil mer noggrant och bedöma deras åldrande takt. Uppskattningen av belastningsprofilen tar hänsyn till wake-effekten och turbinernas tillgänglighet. Specifikt beaktas variationen i felfrekvensen och reparationsfrekvensen för vindturbiner, som påverkas av vinden, vid utvärderingen av turbinernas tillgänglighet. Dessutom föreslås en korrektionsmetod för att förbättra noggrannheten i beräkningen av wake-förlusten. Resultaten visar att uppskattningen av transformatorns belastningsprofil förbättras efter att ha beaktat wake-effekten och turbinernas tillgänglighet. Wake-effekten och turbinernas tillgänglighet minskar den genererade vindkraften och minskar till viss del belastningen och åldringstakten hos transformatorer. Wake-effekten har emellertid begränsad påverkan när vindkraftsparken når maximal produktionsnivå medan turbinernas tillgänglighet påverkar belastningsprofilen hos transformatorer, särskilt när belastningen är nära installerad kapacitet för vindkraftsparken. Efter att ha beaktat dessa två faktorer kan förutsägelsens noggrannhet för hotspot-temperaturen i transformatorerna förbättras och dynamisk termisk bedömning kan tillämpas på transformatorer med förbättrad tillförlitlighet. / <p>QC 20230414</p>

Customer lifetime value (CLV) provides a measure of customer revenue contribution. It allows to justify marketing campaigns, overall budgeting, and strategy planning. CLV is an estimated cash flow attributed to the entire relationship with customers in the future. Ability to utilize information gained from CLV analysis at the most efficient way, provides a strong competitive advantage. The concept of CLV was studied and modeled with application to the online payments industry which is relatively new and at its growing phase. Ability to predict CLV accurately conveys a great value for guiding the industry (i.e. emerging companies) to maturity. CLV analysis in this case becomes complex due to the fact that usually the databases of such companies are huge and include transactions from different industries: e-commerce, financial services, travel, gaming etc. This paper aims to define an appropriate model for CLV prediction in the online payments setting. The proposed model segments customers first in order to improve performance of the predictive model. Then Pareto/NBD model was applied to predict CLV at the customer-level for each customer segment separately. Although the results show that it is possible to predict CLV at some extent, the model needs to be further improved and possible pitfalls need to be scrutinized. Discussion on these issues is provided in the following sections. / Kundens livstidsvärde (Customer lifetime value) är ett mått på hur en kund bidrar till företagets omsättning. Det tillåter att åskådliggöra försäljningskampanjer, företagets budget och företagets strategi. Kundens livstidsvärde är en estimering av betalningsflöde som ett företag kan tjäna av kunder i framtiden. Möjligheten att nyttiggöra informationen från kundens livstidsvärde analys ger företag en starkt konkurrenskraftig fördel. Kundens livstidsvärde var studerat och modellerat med anknytning till online betalningstjänster industri, vilken har utvecklats kraftigt inom senaste åren. Möjligheten att predikera kundens livstidsvärde med hög noggranhet medför ett starkt värde för företag som erbjuder tjänster inom online betalningar och kan driva dessa till mognad. Att predikera kundens livstidsvärde inom denna bransch anses vara en komplex process, då databaser hos såna föratag är stora och inkluderar information om transaktioner från olika industrier såsom: elektronisk handel, finansiella tjänster, rese- och spelbolag. I denna studie definieras en modell för att kunna predikera kundens livstidsvärde baserat på data från ett företag som tillhandahåller online betalningstjänster. För att uppnå bättre prestanda, segmenterar den föreslagna modellen kunder först. Därefter en Pareto/NBD modell används, för att predikera kundens livstidsvärde för varje kundsegment. Trots att resultat visar att kundens livtidsvärde kan modelleras till en viss nivå, modellen behöver förbättras och möjliga blindskär måste granskas.

Data-driven prediction of battery health has gained increased attention over the past couple of years, in both academia and industry. Accurate early-stage predictions of battery performance would create new opportunities regarding production and use. Using data from only the first 100 cycles, in a data set of 124 cells where lifetimes span between 150 and 2300 cycles, this work combines parametric linear models with non-parametric Gaussian process regression to achieve cycle lifetime predictions with an overall accuracy of 8.8% mean error. This work presents a relevant contribution to current research as this combination of methods is previously unseen when regressing battery lifetime on a high dimensional feature space. The study and the results presented further show that Gaussian process regression can serve as a valuable contributor in future data-driven implementations of battery health predictions. / Datadriven prediktion av batterihälsa har fått ökad uppmärksamhet under de senaste åren, både inom akademin och industrin. Precisa prediktioner i tidigt stadium av batteriprestanda skulle kunna skapa nya möjligheter för produktion och användning. Genom att använda data från endast de första 100 cyklerna, i en datamängd med 124 celler där livslängden sträcker sig mellan 150 och 2300 cykler, kombinerar denna uppsats parametriska linjära modeller med ickeparametrisk Gaussisk processregression för att uppnå livstidsprediktioner med en genomsnittlig noggrannhet om 8.8% fel. Studien utgör ett relevant bidrag till den aktuella forskningen eftersom den använda kombinationen av metoder inte tidigare utnyttjats för regression av batterilivslängd med ett högdimensionellt variabelrum. Studien och de erhållna resultaten visar att regression med hjälp av Gaussiska processer kan bidra i framtida datadrivna implementeringar av prediktion för batterihälsa.