Elaboration of design principles of steel joints. Creation of the finite element model in ANSYS program, the study of static behaviour near the bolt hole, deformation of the screw and the stress components of the welded joint. Comparison with the analytical formulas.

The subject of this diploma thesis is design and check the steel construction of the office building in Valašské Meziříčí. Floor plan dimensions of building are 55,0 x 30,0 m. The length of building gradually increases with each floor. The building has eight floors. Overall height is 33,6 m. The building ceilings made of composite steel and concrete structure. The construction in both directions is stabilized by vertical bracings. The building adjoins a smaller building with shops. Floor plan dimensions of that building are 31,5 x 21,0 m and building height to the top of the truss girder including cladding is 17,5 m.

Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des gesamten Elektroenergieversorgungs-systems ist der langzeitstabile und möglichst wartungsfreie oder wartungsarme Betrieb jeder einzelnen Komponente wichtig. Eine Wartung aller stromführenden Verbindungen ist aufgrund der Anzahl und ihrer Zugänglichkeit nicht möglich. Eine Großzahl der Verbindungen wird deshalb montiert und muss über die geforderte Lebensdauer der Anlagen von mehreren Jahrzehnten wartungsfrei funktionieren. Um dies gewährleisten zu können, müssen die richtigen Leiter- und Beschichtungswerkstoffe gewählt, eine langzeitstabile Konstruktion vorhanden, die richtige Montage durchgeführt und eine gesicherte Grenztemperatur für die gewünschte Lebensdauer unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen bekannt sein. In dieser Arbeit werden stromführende Verbindungen betrachtet, die keinen Lichtbogen führen müssen. Es werden die wichtigsten Leiter- und Beschichtungswerkstoffe, die Kontaktphysik insbesondere von Flächenkontakten, der Zusammenhang zwischen mechanischem und elektrischem Kontaktverhalten, die Physik der Alterung und die Wirkung auf das Langzeitverhalten bei unterschiedlichen Einsatz- und Umgebungsbedingungen betrachtet. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden genormte Prüfverfahren bewertet und Ansätze zum Weiterentwickeln vorgestellt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit basieren auf Ergebnissen, die in 40 Jahren Forschung an der TU Dresden erarbeitet wurden. Als Modellgeometrie für die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden insbesondere Schrauben¬verbindungen mit Stromschienen verwendet, da diese Verbindungsart eine der am häufigsten verwendeten ist und millionenfach im Elektroenergieversorgungssystem eingesetzt wird.:1 Einleitung 2 Funktion und Anforderung an stromführende Verbindungen 3 Kontaktwerkstoffe 3.1 Leiter 3.2 Beschichten von Leitern 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen 4.1 Physikalische Grundlagen zum Flächenkontakt 4.2 Schraubenverbindung mit Stromschienen 4.2.1 Mechanisches Kontaktverhalten 4.2.2 Elektrisches Kontaktverhalten 4.2.3 Zusammenhang elektrisches und mechanisches Kontaktverhalten 4.2.4 Montage stromführender Verbindungen 4.2.5 Verallgemeinern der gewonnenen Erkenntnisse 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen 5.1 Alterungsmechanismen 5.1.1 Kraftabbau 5.1.2 Diffusion 5.1.3 Chemische Reaktionen 5.1.4 Reibverschleiß 5.1.5 Elektromigration 5.2 Mathematische Ansätze zum Beschreiben der Alterung 5.3 Experimentell ermittelte Lebensdauerkennlinien 5.3.1 Typische Lebensdauerkennlinie von Schraubenverbindungen 5.3.2 Leiterwerkstoffe - Aluminium, Kupfer und deren Legierungen 5.3.3 Beschichtungswerkstoffe - Silber, Nickel, Zinn 6 Prüfverfahren 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis / For a safe and reliable operation of the electric power supply system, the long-term stable and low-maintenance or maintenance-free operation of each component is important. Maintenance of all current-carrying joints is not possible due to their number and accessibility. A large number of joints is installed and must operate during the required life-time of the system of several decades maintenance-free. In order to warrant this, the appropriate conductor and coating material must be selected, a long-term stable construction design must be provided, the correct installation must be guaranteed, and a safe temperature limit for the desired life-time must be known according to the ambient conditions. In this work, non-arcing current-carrying joints are investigated. It considers the most important conductor and coating materials, the physics of surface contacts, the relationship between mechanical and electrical contact behavior, the physics of aging and the effects on the long-term behavior under different conditions of use and environmental conditions. Based on these scientific findings, standardized test methods are evaluated and approaches for further development are presented. The findings of this work are based on the results obtained in 40 years of research at the TU Dresden. As a model geometry for the basic experimental investigations bolted joints with bus bars are used, because this type of joint is one of the most commonly used millions of times in the electric power supply system.:1 Einleitung 2 Funktion und Anforderung an stromführende Verbindungen 3 Kontaktwerkstoffe 3.1 Leiter 3.2 Beschichten von Leitern 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen 4.1 Physikalische Grundlagen zum Flächenkontakt 4.2 Schraubenverbindung mit Stromschienen 4.2.1 Mechanisches Kontaktverhalten 4.2.2 Elektrisches Kontaktverhalten 4.2.3 Zusammenhang elektrisches und mechanisches Kontaktverhalten 4.2.4 Montage stromführender Verbindungen 4.2.5 Verallgemeinern der gewonnenen Erkenntnisse 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen 5.1 Alterungsmechanismen 5.1.1 Kraftabbau 5.1.2 Diffusion 5.1.3 Chemische Reaktionen 5.1.4 Reibverschleiß 5.1.5 Elektromigration 5.2 Mathematische Ansätze zum Beschreiben der Alterung 5.3 Experimentell ermittelte Lebensdauerkennlinien 5.3.1 Typische Lebensdauerkennlinie von Schraubenverbindungen 5.3.2 Leiterwerkstoffe - Aluminium, Kupfer und deren Legierungen 5.3.3 Beschichtungswerkstoffe - Silber, Nickel, Zinn 6 Prüfverfahren 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis

Elektrische Verbindungen in der Elektroenergietechnik sind aus technologischen und konstruktiven Gründen beim Zusammenschalten von Betriebsmitteln in Schaltanlagen und auf den Übertragungswegen bei Kabeln und Freileitungen notwendig. Als elektrischer Kontakt wird die Berührung zweier stromführender Leiter verstanden. Eine Verbindungsart, die häufig bei Stromschienen eingesetzt wird, ist die Schraubenverbindung. Um eine Lebensdauer dieser Verbindung von üblicherweise 50 Jahren und mehr zu gewährleisten, ist es notwendig, die Alterung abhängig von der Zeit und der Temperatur zu kennen. Neben dem Kraftabbau und den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung bei Verbindungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern ist die Interdiffusion bei Bimetallverbindungen und bei Verbindungen mit beschichteten Kontaktpartnern von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde der Kraftabbau bei Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Cu-ETP (Werkstoff-Nr. CW004A) und CuAg0,1P (Werkstoff-Nr. CW016A) im Temperaturbereich zwischen 105 °C und 160 °C untersucht. Es wurde die Kraft und der Widerstand an stromdurchflossenen Verbindungen abhängig von der Zeit bis zu 2,4 Jahren gemessen. Des Weiteren wurde der Einfluss von verschiedenen federnden und nicht federnden Elementen im Verbindungssystem auf den Kraftabbau untersucht. Es wurde eine statische Mindestverbindungskraft bestimmt, der Kraftabbau bis zu einer Lebensdauer von 50 Jahren berechnet und daraus eine Grenztemperatur für diese Verbindungsart bestimmt. Neben dem Kraftabbau wurde die Alterung durch Interdiffusion an Schraubenverbindungen mit verzinnten und versilberten Cu-ETP Stromschienen im Temperaturbereich zwischen 115 °C und 140 °C untersucht. Es wurde an stromdurchflossenen und im Wärmeschrank gelagerten Verbindungen der Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit bis zu 2 Jahren gemessen. Die Langzeitversuche wurden durch mikroskopische Untersuchungen ergänzt, in denen die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Phasen gemessen und bewertet wurde. Ergänzend zu den Langzeituntersuchungen wurden aktuelle Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung auf Kupfer-, Silber- und Zinnoberflächen zusammengestellt und bewertet.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS / Electrical joints are necessary for technological and design reasons to connect electric equipment and to realize the transmission of electrical energy by cables and overhead lines. The contact between two current-flown electrical conductors is called electrical joint. One joint type often used is the bolted joint. To allow a lifetime of this joint of 50 years and longer it is necessary to know the ageing depend on time and temperature. In addition to ageing by force reduction and the chemical reactions / impurity layers at joints with copper und aluminium conductors, the interdiffusion has a great influence at bi-metal joints and joints with plated conductors. In this work the force reduction was analysed at bolted joints with bus bars made of Cu-ETP (material number CW004A) and CuAg0.1P (material number CW016A) in a temperature range between 105 °C and 160 °C. The joint force and the joint resistance were measured time-depended at current-flown joints up to 2.4 years. Furthermore the influence on the force reduction by different resilient und non-resilient elements in the joint system was tested. There was a minimum static joint force appointed and the force reduction calculated to a lifetime of 50 years. Out of these results a category temperature for these joints was defined. Additionally the ageing due to interdiffusion at bolted joints with tin and silver plated Cu-ETP bus bars was analysed at the temperatures 115 °C and 140 °C. At joints aged by current-flown and in the heating cabinet the joint resistance was measured time-dependent up to 2 years. These long-term tests were supplemented by microscopic examinations. The thickness of the grown intermetallic compounds was measured and stated. Additional to the long-term tests the topical knowledge to chemical reactions / impurity layers at copper, silver and tin surfaces was composed and stated.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS

Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wächst das Bedürfnis nach zuverlässigen stromführenden Verbindungen. Im Elektroenergieversorgungsnetz sowie im Bordnetz von Elektrofahrzeugen treffen beim stromführenden Verbinden verschiedener Komponenten im Kontakt häufig unterschiedliche Leiter- oder Beschichtungswerkstoffe aufeinander. Dabei wird Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verfügbarkeit und des geringeren Preises gegen-über Kupfer bevorzugt eingesetzt. Für Anwender ist dieser Leichtbauwerkstoff hinsichtlich des Kontakt- und Langzeitverhaltens herausfordernd. In der Vergangenheit wurden intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Silber sowie zwischen Aluminium und Kupfer als vorrangige Ursache für auftretende Ausfälle von nicht stoffschlüssigen, stromführenden Verbindungen mit den entsprechenden Werkstoffkombinationen untersucht. Der dabei festgestellte Anstieg des Widerstands lässt sich jedoch nicht vollständig durch die wachsenden Phasen erklären. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb darin, den Einfluss des Sauerstoffs auf die Alterung von stromführenden Bimetall-Verbindungen zu quantifizieren. Es wurden Schraubenverbindungen mit Stromschienen der Werkstoffkombinationen Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al und Ni-Al untersucht. Durch Versuchsreihen in atmosphärischer Luft und in einer N2-Atmosphäre konnten für die jeweilige Werkstoffkombination Unterschiede im Langzeitverhalten aufgezeigt werden, die durch den von außen in die Verbindung eindringenden Sauerstoff entstehen. Die ablaufenden Prozesse unterscheiden sich dabei je nach Werkstoffkombination. Sauerstoff, der nach dem Fügen in die Kontaktebene gelangt, ist bei den Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen ausschlaggebend für das Erhöhen des Verbindungswiderstands. Im Gegensatz dazu reagiert in den Verbindungen mit Kontakten zwischen Zinn und Aluminium der bereits vor dem Fügen auf den Kontaktpartnern vorhandene Sauerstoff zu Al2O3. An den Verbindungen mit Kontakten zwischen Nickel und Alumini-um konnte kein Einfluss des Sauerstoffs festgestellt werden. Neben dem Flächenkontakt der Schraubenverbindung mit Stromschienen wurde der Punktkontakt in einer Modell-Verbindung untersucht. An diesem konnten aufgrund der nahezu konstanten Flächenpressung in der Kontaktebene Berechnungsmodelle für das Langzeitverhalten von Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen aufgestellt werden. Metallographische Untersuchungen wurden an Verbindungen mit Kontakten zwischen Silber und Aluminium sowie Zinn und Aluminium durchgeführt, um die elektrisch bestimmten Phänomene näher zu charakterisieren. Auf dem Kontaktpartner aus Aluminium einer gealterten Verbindung zwischen Zinn und Aluminium konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie eine Al2O3-Schicht sichtbar gemacht werden. Ist eine stromführende Verbindung gasdicht, kann dies bei den untersuchten Werkstoffkombinationen einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben. Die Ergebnisse bestehender Berechnungsmodelle zur Gasdichtigkeit von Verbindungen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Neuerung wurde ein zusätzliches Kriterium eingeführt, das es ermöglicht, nach 24 h bei Belastungstemperatur zu beurteilen, ob eine stromführende Verbindung gasdicht ist. Anwender aus der Elektroenergie-versorgung und der Automobilindustrie können so nach einer kurzen Belastungsdauer Aussagen zur Langzeitstabilität einer Verbindung ableiten.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang / With the increasing electrification of vehicles, the demand for reliable current-carrying connections grows. In the electrical power grid as well as in the electric grid of an electric vehicle, different material combinations occur frequently, when current-carrying connections are joined. Aluminum is commonly applied due to its lightweight proper-ties and its price advantage compared to copper. For users, this lightweight material is challenging regarding its contact and long-term behavior. In the past, intermetallic compounds between aluminum and silver as well as between aluminum and copper have been investigated as possible cause for the emerging failures of firmly bonded, force-fitted, and force-form-fitted current-carrying connections. The witnessed rise in resistance cannot be explained completely by the growing intermetallic phases. Therefore, the goal of this work is to quantify the influence of oxygen on the aging of bimetallic connections. Bolted joints with busbars of the material combinations Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al and Ni-Al were examined. Through test series in atmospheric air and in a N2-atmosphere, differences in the long-term behavior could be shown that result from oxygen entering into the contact interface from the outside. The processes taking place differ depending on the material combination. Oxygen entering into the connection after the joining is responsible for the rise in resistance in Ag-Al- and Al-Cu-connections. In contrast, the oxygen which is already present in the contact interface before the joining reacts to Al2O3 in connections between tin and aluminum. No influence of the oxygen was detected in connections between nickel and aluminum. Beside the flat surface contacts of the bolted joints with busbars, a model geometry with a point contact was examined. Due to the uniform surface pressure over the entire contact surface, a calculation model of the long-term behavior for Ag-Al- and Al-Cu-connections was set up based on these connections. Metallographic investigations were performed on Ag-Al- and Sn-Al-connections for further analysis of the electrically measured phenomena. An Al2O3-layer was visualized by transmission electron microscopy on the aluminum contact member of an aged connection between tin and aluminum. If a current-carrying connection of the examined material combinations is joined in a gas-tight manner, it can have a great effect on the long-term behavior. The results of existing calculation models on gas-tightness were compared to the experimental results. In addition, a novel criterion was introduced. It enables to evaluate after 24 h at loading temperature whether a current-carrying connections is gas-tight. Users in the electrical power system and the automotive industry can thereby derive predictions on a connection’s long-term stability after a short loading time.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang

In spite of significant reduction of cost associated with launching a spacecraft, launching deep space exploratory missions are yet to be accessible to most universities and researchers. A solution to testing scientific hypotheses and verifying technologies for space is the use of environmental chambers, also know as space simulators, - vacuum chambers, which replicate the space environment. The scope of this thesis project is to develop a thermal control system for a space simulator, which would replicate the environment on Mars, and allow for controlled carbon dioxide ice deposition experiments. The first part of the thesis looks at the climate on Mars, and the process behind the carbon dioxide ice cycle, gives a description of the systems in a space simulator. Then the requirements of a thermal system for the space simulator are stated. The second part of the thesis gives a brief overview of the previous solution attempts at the laboratory in Luleå University of Technology, and the manufacturing technologies required to make them. Based on that, a design justification is given. The thermal control system design section gives an overall design description, with detailed report on the iterative design of the sample holders, and thermal simulations results. Additive manufacturing is analyzed, as means of producing solid designs with the necessary performance targets. The overall cost of the designed thermal control system is calculated, and further work directions are proposed. The appendices include the literature used, the technical drawings for manufacturing and assembly of the thermal system, detailed budget calculations, and additional data from the thermal analysis.

Lors de l'étude du comportement des systèmes mécaniques, les modèles mathématiques et les paramètres structuraux sont généralement considérés déterministes. Néanmoins, le retour d'expérience montre que ces éléments sont souvent incertains, dû à une variabilité naturelle ou manque de connaissance. La quantification de la qualité et la fiabilité du modèle numérique d'un assemblage industriel reste alors une question majeure en dynamique basse-fréquence. L'objectif de cette thèse est d'améliorer le dimensionnement vibratoire des assemblages boulonnés par la mise en place d'un modèle dynamique de connecteur prenant en compte différents types et sources d'incertitudes sur des paramètres de raideur, de manière simple, efficace et exploitable dans un contexte industriel. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet SICODYN, piloté par EDF R&D, visant à caractériser et quantifier les incertitudes sur le comportement dynamique des assemblages industriels boulonnés sous les aspects numérique et expérimental. Des études comparatives de plusieurs méthodes numériques de propagation d'incertitudes montrent l'avantage de l'utilisation de la théorie des méconnaissances. Une caractérisation expérimentale des incertitudes dans les structures boulonnées est réalisée sur un banc d'essai dynamique et sur un assemblage industriel. La propagation de plusieurs faibles et fortes incertitudes à travers différents modèles dynamiques d’assemblages mécaniques permet d'aboutir à l’évaluation de l'efficacité de la théorie des méconnaissances et son applicabilité en milieu industriel. / When studying the behaviour of mechanical systems, mathematical models and structural parameters are usually considered deterministic. Return on experience shows however that these elements are uncertain in most cases, due to natural variability or lack of knowledge. Therefore, quantifying the quality and reliability of the numerical model of an industrial assembly remains a major question in low-frequency dynamics. The purpose of this thesis is to improve the vibratory design of bolted assemblies through setting up a dynamic connector model that takes account of different types and sources of uncertainty on stiffness parameters, in a simple, efficient and exploitable in industrial context. This work has been carried out in the framework of the SICODYN project, led by EDF R&D, that aims to characterise and quantify, numerically and experimentally, the uncertainties in the dynamic behaviour of bolted industrial assemblies. Comparative studies of several numerical methods of uncertainty propagation demonstrate the advantage of using the Lack-Of-Knowledge theory. An experimental characterisation of uncertainties in bolted structures is performed on a dynamic test rig and on an industrial assembly. The propagation of many small and large uncertainties through different dynamic models of mechanical assemblies leads to the assessment of the efficiency of the Lack-Of-Knowledge theory and its applicability in an industrial environment.

La dynamique des structures assemblées est un sujet de recherche actuel. En particulier, une prédiction correcte de l'amortissement apporté par les liaisons vissés est devenu une condition essentiel pour un certain nombre d'applications, comme par exemple les avions et les véhicules spatiaux. En effet, pour ces applications, l’utilisation de matériaux avec un coefficient d'amortissement plus élevée, comme des matériaux visco-élastiques, est limité par les conditions de fonctionnement.Ces travaux apportent deux contributions principales. La première porte sur la phase de conception et modélisation, avec la création d'un système de connecteurs pour la reproduction des comportements normal et tangentiel d'une liaisons vissée. Cela est accomplie en considérant seulement les données physiques de la liaison et des surfaces en contact.La deuxième contribution concerne l’évaluation des propriétés dynamiques non-linéaires des assemblages. Un set d'outils de post-traitement utilisant le filtre de Kalman est développé pour réaliser une analyse modale non-linéaire pour les types d'essais les plus communs: les essais aux chocs, les essais en balayage sinus, et les essais en sinus aléatoire.Les méthodes développées ont été appliqués et évaluées sur une structure boulonnée réel, en soulignant les avantages et les inconvénients. Notamment, le filtre de Kalman permet une meilleure précision sur les paramétrés identifiés, mais le procédé d’initialisation du filtre est le problème principal. Une automatisation partiel de l’initialisation est prévu, ainsi que des conseils pratiques grâce à l’expérience acquise sur le sujet. / Bolted structures dynamics is an ongoing research topic. In particular, a correct prediction of the damping provided by bolted joints has became an essential requirement for a certain number of applications, such as aircrafts and space vehicles. In fact, for these applications, the use of materials with higher damping coefficients is limited by environmental conditions.This work provides two main contributions. The first one concerns the design and modeling phase, with the creation of a finite element connectors' system, that reproduces the bolted joint normal and tangential behaviors. The latter is accomplished only by taking into account readily available physical data, such as the bolted joint dimensions and the properties of the surfaces in contact. The second contribution regards the evaluation of assembled structures' nonlinear dynamic properties. A set of post-processing tools making use of the Kalman filter is developed to perform a nonlinear modal analysis for the most common types of experimental tests: impact hammer tests, sweep sine tests, and random vibration tests.The developed methods are then applied and evaluated on a real bolted structure, pointing out advantages and drawbacks. In particular, the Kalman filter allows for a higher accuracy in the determination of modal parameters, but the filter initialization is the main problem. A partial automation of the initialization task is provided, together with practical tips thanks to the experience gained on the subject.

The subject of the diploma thesis is design and structural analysis of the sports hall. The building is located in Pardubice city. The dimensions of a floor plan are 45,5 m x 30,0 m, the height is 13,0 m. There is a sport facilities unit adjusted to the construction. The dimension of such an object is 39,0 m x 10,0 m. The load-bearing structure consists of truss girders, which are pin-supported by fixed columns. The distance between main trusses is 6,5 m. The supporting part of the roof deck consists of solid-purlins. Space stability is ensured by cross bracing and longitudinal bracing. All bars are rolled steel profiles and are designed according to current ČSN EN standards. Steel S355 is used as the construction material. In this work is processed a structural design report of main elements including connections and drawing documentation.

In vielen Bereichen des Leichtbaus haben sich Bolzen- und Nietverbindungen als zuverlässige und effiziente Verbindungstechniken für Mischbauweisen mit Faserverbunden etabliert. Diese Verbindungen bieten im Zusammenhang mit textilverstärkten Thermoplasten zusätzlich das Potential, die technologiebedingt erforderlichen Löcher durch warmlochformende Verfahren einzubringen. Im Gegensatz zu den klassischen Verfahren der Lochherstellung (z. B. Bohren) werden die lasttragenden Fasern hierbei nicht durchtrennt, sondern vorteilhafterweise seitlich in das Lochnahfeld verschoben. In dieser Arbeit werden die technologischen, experimentellen und theoretischen Voraussetzungen für die systematische Analyse dieser Lochformungstechnologie geschaffen und darauf aufbauend ihr Einsatzpotential für automatisierte Fertigungsprozesse aufgezeigt. / In many areas of lightweight engineering, bolted and riveted connections are established as reliable and efficient joining techniques for multi-material design with composites. In combination with textile-reinforced thermoplastics, these joints additionally offer the potential of introducing the required holes by warm-forming processes. In contrast to the classic methods of hole manufacturing (e.g. drilling), the load-bearing fibers are not cut, but advantageously shifted aside into the surrounding laminate. In this work, the technological, experimental and theoretical basis for the systematic analysis of this hole moulding technology are provided and, based on this, its application potential for automated manufacturing processes is demonstrated.