Es wird ein Überblick über die Bedeutung des Übergangswiderstandes beim Pressschweißen, sowie dessen physikalische Ursachen gegeben. Ausgewählte etablierte und neuere Ansätze der mathematischen Beschreibung des Übergangswiderstandes und deren Charakteristika werden dargestellt und charakterisiert. Im Vergleich wird der empirische Ansatz des KMK-Modells des Übergangswiderstandes dargestellt und dessen Implementierung in das FEM- Programmsystem erläutert. Ein Anwendungsbeispiel belegt die Qualität der mit dem Modell durchführbaren Simulationen, und zeigt daraus resultierende vertiefte Bewertungsmöglichkeiten des Schweißvorganges auf.

Durch die neue Schweißfunktionalität in Creo 4, welche es ermöglicht Schweißnähte als Volumengeometrie zu modellieren, entstehen viele neue Möglichkeiten zur Berechnung der Spannungen innerhalb der Schweißnähte. Damit einhergehend entstehen neue Möglichkeiten zur Berechnung und Evaluierung dieser Schweißnähte nach den Richtlinien der FKM. Die Berechnung anhand der FKM-Richtlinien soll hierbei anhand der zwei Simulationstools Creo Simulate und Ansys Simulation dargestellt werden.

Im Vortrag wird das Vorgehen zur Konstruktionsoptimierung mittels parametrischer FE-Simulation beschrieben. Die einzelnen Schritte werden dargestellt und am Beispiel eines Übertragungselements für Klauenkupplungen erläutert. Zunächst wird der Optimierungsgegenstand vorgestellt und die Festlegung der Entwurfsvariablen und Zielfunktionen beschrieben. Im Anschluss werden die Erstellung des FE-Modells und die Durchführung der Optimierungsrechnung schrittweise erläutert. Abschließend folgen ein Vergleich verschiedener Optimierungsmethoden und die Zusammenfassung. Als Software wurden ANSYS und Autodesk Inventor verwendet.

Computational Fluid Dynamics (CFD) has become one of the main instruments for the prediction of many commercial and research oriented fluid flow and heat transfer problems. While single phase flow analysis through CFD has gained grounds within the commercial industry, multiphase flow analysis is still the subject of further research and development. Heat Pipes and thermosyphones are no exception to this. However, the involvement of more than one fluid phase within these devices has made their analysis through CFD more challenging and computationally more demanding to perform. In this thesis, computational fluid dynamics is used as a modelling tool in order to predict the thermal hydraulic behaviour of multiphase environment within thermosyphones and heat pipes. Eulerian two-fluid method is used to solve the conservation equations for mass, momentum and energy, for each phase along with the inclusion of interfacial heat and mass transfer terms. Numerical predictions are obtained for the steady-state and transient operation of stationary thermosyphon, while rotating heat pipes operation is also simulated using axially and radially rotating heat pipe models. Apart from using the commercially available CFD code for the analysis of thermosyphones related simulation, numerical work is performed regarding the coupling of momentum equations based on Eulerian two-fluid modelling scheme. OPENFOAM open source code is used and modified to include the Partial Elimination Algorithm (PEA) for the coupling of interfacial exchange terms, including interfacial mass transfer term, in the momentum equations of both phases. Results obtained from above discussed studies provide good agreement with corresponding experimental and analytical observations.

This study identifies the cause of unstable vibrations that sporadically occur in decanting centrifuges as being caused by a combination of internal bearing clearance, conveyor unbalance and low bearing loads. These centrifuges are different from other rotating equipment common in industry (pumps, fans, compressors, electric motors) in that they are dual rotor systems – one rotor inside the other. Unbalance in either rotor can produce severe vibration of the whole machine when the running speed is close to a mode of vibration – that is, running at or near a critical speed. The external rotor, called the bowl, is subjected to an internal pressure generated by the centrifugal force of the product being separated. The internal rotor is supported from the bowl and is in the form of an auger screw. The main supporting bearings are subjected to forces from both the bowl and the auger - the liquid end bearing also supports the gearbox. Being able to predict critical speeds through numerical or computational analysis is a necessary step in the design process or for troubleshooting vibration problems. As part of the study, the main rolling element bearings were replaced by oil-film journal bearings to assess the viability of their use. Journal bearings are simpler, of lower cost and generate less noise than their rolling element counterparts. However, instability in running above the first critical speed can result due to oil film forces and internal hysteresis of the rotor assembly. The auger is asymmetric so instability in running is possible at around half the first critical speed. This study was undertaken to understand the dynamics of decanting type centrifuges and develop a methodology for identifying their critical speeds and cause of unstable vibration. In the longer term this will assist in the generation of new designs that are quieter, use less energy and have better separation efficiencies.

Ocular diseases such as glaucoma, age-related macular degeneration (AMD), diabetic retinopathy, and retinitis pigmentosa require drug management in order to prevent blindness and affecting millions of adults in US and worldwide. There is an increasing need to develop devices for drug delivery to address ocular diseases. This research focused on an implantable ocular drug delivery device design, simulation and experiments with design requirements including constant diffusion rate, extended period of time operation, the smallest possible volume of device and reservoir. The drug delivery device concept uses micro-/nano-channels module embedded between top and bottom covers with a drug reservoir. Several microchannel design configurations were developed and simulated using commercial finite element software (ANSYS and COMSOL), with a goal to investigate how the microchannel dimensions affect the diffusion characteristics. In addition to design simulations, various microchannel configurations were fabricated on silicon wafer using photolithography techniques as well as 3D printing. Also, the top and bottom covers of the device were fabricated from PDMS through replica molding techniques. These fabricated microchannel design configurations along with top and bottom covers were all integrated into the device. Both single straight microchannels (nine different sizes of width and depth) as well as four micro-channel configurations were tested using citric acid (pH changes) and Brimonidine drug (concentration changes using the Ultra-Violet Visible Spectrophotometer) for their diffusion characteristics. Experiments were conducted to obtain the diffusion rates through various single micro-channels as well as micro-channel configurations using the change in pH neutral solution to verify the functionality and normalized diffusion rate of microchannels and configurations. The results of experimental data of diffusion rate were compared with those obtained from simulations, and a good agreement was found. The results showed the diffusion rate and the optimum size of microchannel in conjunction with the required drug release time. The results obtained also indicate that even though specific diffusion rates can be obtained but delivering the drug with constant amount needs a mechanism at the device outlet with some control mechanism. For future studies, this result may be used as a baseline for developing a microfabricated device that allows for accurate drug diffusion in many drug delivery applications.

There is an ongoing interest in analyzing the flow characteristics of swimming fish. Biology has resulted in some very efficient motions and formulating these motions is of interest to engineers. One such theory was written by Dr. William Vorus and Dr. Brandon Taravella involving ideal efficiency. It is therefore interesting to test the calculations to see if it is possible to design a motion that can create thrust without necessarily creating vorticity. The computational fluid dynamics software of ANSYS Fluent was used to calculate the resulting flow field of the eel motion to compare with the theoretical values.

El presente trabajo de tesis es motivado por la necesidad de contribuir con la mejora y optimización de nuevos diseños, en la fabricación de tanques agitadores, que permitan minimizar el tiempo de operación, incrementar la eficiencia de mezcla y disminuir los costos de fabricación. El lector encontrará dentro de este trabajo una breve explicación de las generalidades técnicas en tanques agitadores, números adimensionales utilizados en mezcla, ecuaciones matemáticas que gobiernan el comportamiento de los fluidos, estadísticas de mallado, así como la descripción de los principales modelos de turbulencia en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Una gran parte del tiempo de este proyecto se dedicó a proponer un procedimiento para simular y mostrar el comportamiento del flujo dentro de un tanque agitador vertical con superficie libre; para ello se utilizó el software Ansys versión 14.0 (herramienta computacional de simulación de CFD) considerando la interacción impulsor-deflector, flujo turbulento, fluido newtoniano, simulación bifásica, régimen estacionario y un impulsor PTB (turbina de paletas rectas inclinadas 45°) de cuatro álabes. Luego, los resultados obtenidos de la simulación, tomando como principal variable los modelos de turbulencia k-Epsilon, k-Omega o Shear Stress Transport (SST), fueron comparados, en base a la curva de potencia (Re vs Np) para este el tipo impulsores, con los resultados experimentales proporcionados por la empresa, fabricante de agitadores, Chemineer. El modelo de turbulencia SST resulto ser el más adecuado para este tipo de caso de estudio por presentar un error menor al 8% en la comparación con las curvas de potencia; con lo cual, podemos concluir que el presente trabajo nos propone un procedimiento válido para simular y mostrar el comportamiento del flujo que se produce en un tanque agitador vertical de impulsor PTB con superficie libre y régimen estacionario mediante el software Ansys versión 14.0. / Tesis

El presente documento detalla la variación de las condiciones de trabajo que se obtiene al modificar la geometría de las vías de agua de las brocas de perforación diamantinas, las cuales son utilizadas como herramientas de corte durante los procesos de perforación. En la primera etapa de la investigación, el análisis de la problemática se realiza mediante simulaciones numéricas, siendo el alcance la comparación de las características fluido-dinámicas del flujo de enfriamiento tanto de las brocas con vías de agua estándar (radiales), como de las brocas con las vías de agua modificada (con un ángulo de inclinación). Posteriormente, con el objetivo de probar el desempeño de las brocas y el desgaste que se presenta en cada geometría, se realizaron ensayos experimentales (ensayos de perforación) en las instalaciones de la empresa Boyles Bros Diamantina. En esta etapa, es importante mencionar que la empresa dispuso de una máquina de perforación y de un área de sus instalaciones para el desarrollo de las pruebas experimentales. Finalmente, según los resultados obtenidos, se logra verificar que la modificación de la geometría de vías de agua influye en el desempeño de la broca de perforación de manera positiva. En el caso de la simulación numérica se observa un desarrollo del fluido más eficiente, con vectores de velocidad de mayor magnitud y con zonas de intensidad de turbulencia más uniformes, lo cual se traduce en una mejor capacidad de enfriamiento de la broca de perforación. En cuanto a los resultados de los ensayos experimentales, se observó una reducción aproximada del desgaste de la corona de 54 % durante los primeros 25 metros de perforación, así como un menor desgaste del casquillo de acero producto de una mejor evacuación de detritos (conglomerado de partículas rocosas y partículas de la matriz de la broca). Estos resultados demuestran que el diseño propuesto de vías de agua inclinadas es una alternativa viable con grandes beneficios, pues proporciona una mayor eficiencia en la capacidad de enfriamiento, y reduce tanto el calentamiento de la broca como la ductilidad de la matriz metálica, lo que en consecuencia permite disminuir las posibilidades de desgaste prematuro de la matriz y del casquillo de acero, lográndose mayores metrajes de perforación. / Tesis

Los tanques agitadores son ampliamente utilizados en diferentes industrias, en donde la eficiencia de las operaciones de mezclado tiene un impacto tanto en los costos como en la calidad del proceso, si a esto se le añade que para poder mantener la competitividad en el mercado, el tiempo de desarrollo del producto debe ser el menor posible y a un bajo costo, por ese motivo es necesario optar por nuevas formas para realizar nuevos diseños. En muchas empresas fabricantes de gran envergadura, el uso software de optimización se está convirtiendo en una herramienta ideal para conseguir estos objetivos. En este trabajo se utilizó las herramientas computacionales ANSYS CFX, MECHANICAL y DESIGN EXPLORATION para realizar una metodología que permita realizar la simulación numérica tanto a nivel de fluidos y estructural como para realizar la optimización de un modelo de tanque agitador. Para la elaboración de este procedimiento se optó por variar en un rango determinado ciertos parámetros geométricos y de funcionamiento. En el estudio fluido dinámico se trabajó tres fluidos: agua, metanol y aire, en donde los dos primeros se modelaron como “multicomponentes” es decir como fluidos miscibles, mientras que la interacción con el aire se modelo como “superficie libre”. Para esto, se utilizó el modelo de turbulencia SST (Shear Stress Transport), el cual demostró en un estudio anterior ser el que más se ajusta al ser contrastado con resultados experimentales, además se empleó los modelos de “marco de referencia móvil (MRF)” y de “Frozen Rotor” para tratar la interacción entre las partes móviles (rotor) y partes estáticas (tanque y deflectores). Para el análisis estructural se utilizó la metodología de interacción fluido-estructura (FSI) del tipo “unidireccional (one-way)” para determinar los esfuerzos y deformaciones en cada diseño. Finalmente, se utilizó el método de la superficie de respuesta (RSM) como base para la optimización, donde se utilizó un algoritmo estocástico (MOGA) como buscador de soluciones óptimas en el modelo del tanque agitador parametrizado, el cual consta de tres variables de entrada (ángulo de alabe, altura de impulsor y velocidad de rotación) y dos funciones objetivos: maximizar grado de mezcla y minimizar la potencia consumida. El presente estudio demuestra que la velocidad y el ángulo son los parámetros más incidentes en las funciones objetivas mencionadas anteriormente y que al variar estos parámetros se pueden obtener mejoras significativas en los resultados. En este estudio en particular se encontró que el ángulo de 60 grados y una altura de 300mm con respecto al tanque, mejora en un 8% y 36% el consumo de potencia y grado de mezcla respectivamente, para las configuraciones del tanque dadas. / Tesis