In dieser Arbeit wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, um ein möglichst realistisches, biomechanisches Modell eines menschlichen Schädelknochens anhand eines Patienten-CT Datensatzes zu erstellen. Mit diesem Modell konnten Experimente aus der Literatur realistisch nachgestellt und anschließend der Mechanismus einer Orbitawandfraktur genauer untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Schädelmodell als Alternative für experimentelle biomechanische Untersuchungen verwendet werden kann. Somit sind eine Vielzahl parametrischer biomechanischer Studien möglich, ohne dabei auf Humanpräparate angewiesen zu sein.

During aircraft development, the impact of vibrations is examined and how this affects the aircraft structure under different conditions. Those vibrations can damage electronic equipment that are installed within the fuselage and can even lead to material fatigue within the structure. To reduce vibrations there are two approaches that are preferred to use, installing vibration insulators attached between the structure and the electrical component or change the design of the structure to a stiffer one. Those methods are easiest to implement in an early stage of the development but in later stages, when vibration problems usually are detected, it is too difficult and expensive to do major changes of the structure and there is lack of space to implement vibration insulators. A third method is then to apply passive damping in form of damper mats to surfaces on structures where critical vibrations occurs.    The effects on the structural behavior when damper mats are applied to a certain structure are studied in this thesis work. The purpose is to get deeper knowledge about how damper mats can be used to reduce vibrations in aircraft structures. The type of damper mat that is studied is known as Constrained Layer Damping, CLD, which is a sandwich of a visco-elastic material layer and a stiffer constraining material layer. Modelling and simulation methods that are based on commercial FE-software have been developed. The analysis method is based on doing a modal analysis with structural damping taken into account. This makes it possible to predict the overall global damping at each structural mode. The models for damper mats have in this project been verified with experimental testing using typical damper mats. The methodology can be used to predict the behavior of damped structures in order to obtain an effective and lightweight passive damping solution. / Under utvecklingen av flygplan undersöks hur vibrationer påverkar flygplansstrukturen under olika förutsättningar. Dessa vibrationer kan skada elektronisk utrustning som är monterad i flygplanskroppen och kan även göra så att materialutmattning uppstår i flygplansstrukturen. För att motverka vibrationer finns det två metoder som är att föredra, antingen att montera vibrationsisolatorer mellan de elektroniska utrustningarna och strukturen eller att ändra designen på strukturer till en styvare. Dessa metoder är enkla att implementera i ett tidigt steg i utvecklingsprocessen men i senare steg, då vibrationsproblem ofta upptäcks, så är det för komplicerat och för dyrt att göra större ändringar på strukturen och så är det ont om plats för att kunna installera vibrations isolatorer. En tredje metod är istället att implementera passiv dämpning i form av dämpningsmattor på ytor av strukturen där kritiska vibrationer uppstår. Effekterna av det strukturella uppförandet när dämpningsmattor är applicerade på en viss struktur har studerats i det här examensarbetet. Syftet är att få en fördjupad kunskap om hur dämpningsmattor kan användas för att reducera vibrationer i flygplan strukturer. Den typ av dämpningsmatta som har studerats är känd som Constrained Layer Damping, CLD, vilken är en sandwich av ett visko-elastiskt lager samt ett styvare lager.  Modellerings och simuleringsmetoder som är baserade på kommersiella FE-mjukvaror har utvecklats. Analysmetoderna är baserade på att utföra modalanalys tillsammans med strukturell dämpning. Detta möjliggör att förutse den övergripande dämpningen vid varje strukturell mod. Modellerna för dämpningsmattorna har i det här projektet verifierats med experimental testning av typiska dämpningsmattor. Metodiken kan användas till att prediktera beteendet av dämpade strukturer för att uppnå en effektiv och lättviktig passiv dämpningslösning.

The focus of this thesis was to increase the knowledge in the area of "dynamic friction" during oblique helmet impacts, both experimentally and numerically. Physical experiments have been performed with multiple helmets, different angles of the anvil and different surface materials, with results of impact forces from the anvil and accelerations of the head. By the use of the Coulomb friction model the friction, over time, during the impact of the head and helmet has been calculated. Finite element method has then been used in LS-DYNA to try and replicate the physical results with the goal of creating an accurate friction model. There has been previous work done where the commonly used abrasive paper has been compared to asphalt as ground material in the drop tests. A similar study has been performed in this project which has been compared to the previous work. The results when comparing asphalt to abrasive paper and stainless steel shows that abrasive paper has a higher friction and rotational acceleration of the head compared to asphalt. Stainless steel however displays similar characteristics as asphalt in both friction and accelerations. The load cell used during the experimental testing has been examined carefully since the value of the friction coefficient has differed depending on the angle and the impact location on the anvil. There are still uncertainties surrounding the reliability of the results from the load cell. LS-DYNA has two different ways of modelling friction, one where LS-DYNA uses a modified equation of the Coulomb friction model and another one where the user can insert a table of values on coefficient of friction and relative velocity. Both methods have been used, however the latter method has proven to be more suitable for the kind of tests used in this project. / Fokuset för denna rapport var att öka förståelsen inom området ”dynamisk friktion” under sneda hjälmislag, både experimentellt och numeriskt. Fysiska experiment har genomförts med flertalet hjälmar och olika vinklar samt underlag på städet, med resultat på både krafter från städet samt accelerationer från huvudet. Genom användandet av Coulombs friktionsmodell har friktionen, över tid, under islag med en hjälm beräknats. Finita elementmetoden har använts i LS-DYNA för att försöka efterlikna resultaten från de fysiska experimenten med målet att kunna skapa en friktionsmodell. Det har gjorts liknande arbete tidigare där sandpapper har jämförts mot asfalt som underlagsmaterial i falltesterna. En liknande studie har genomförts i detta projekt vilket har jämförts med den tidigare gjorda studien. Resultaten när asfalt jämförs mot sandpapper och rostfritt stål visar att sandpapper har en högre friktion samt rotations acceleration av huvudet jämfört med asfalt. Rostfritt stål uppvisar dock liknande egenskaper som asfalt när det kommer till både friktion och acceleration. Lastcellen som har använts har undersökts noggrant, då värdet på friktionskoefficienten har förändrats beroende på vinkeln och träffpunkten på städet. Osäkerheter kring trovärdigheten på resultatet från lastcellen kvarstår. LS-DYNA har två olika sätt att modellera friktionen på, antingen så används en modifierad ekvation av Coulombs friktionsmodell eller så skapar användaren en tabell med värden på friktionskoefficienten och den relativa hastigheten. Båda metoderna har använts men det har visat sig att den senare metoden är bättre anpassad för de test som har utförts i detta projekt.

In dieser Arbeit wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, um ein möglichst realistisches, biomechanisches Modell eines menschlichen Schädelknochens anhand eines Patienten-CT Datensatzes zu erstellen. Mit diesem Modell konnten Experimente aus der Literatur realistisch nachgestellt und anschließend der Mechanismus einer Orbitawandfraktur genauer untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Schädelmodell als Alternative für experimentelle biomechanische Untersuchungen verwendet werden kann. Somit sind eine Vielzahl parametrischer biomechanischer Studien möglich, ohne dabei auf Humanpräparate angewiesen zu sein.

Dagens planering och projektering av konstruktioner präglas av ett resursutnyttjande, miljömässigt och ekonomiskt tänk, där resultatet kan medföra brister med avseende på dynamiken. Därmed är det ytterst viktigt att skapa goda förutsättningar för noggranna beräkningsmodeller som i ett projekteringsskede kan representera konstruktionernas dynamiska beteende. I denna rapport utfördes en jämförelseanalys mellan en FE-modell och en fältmätning, där Folke Bernadottes bro har använts som underlag. Syftet är att presentera skillnader och likheter i naturliga frekvenser och modformer baserat på jämförelseanalysen, samt belysa några av de viktigaste faktorerna bakom dessa. Resultatet visade för en kalibrerad FE-modell 11 % genomsnittlig skillnad för de naturliga frekvenserna och 99 % överensstämmelse med avseende på modformerna, där den mest väsentliga parametern i modellen var upplagsvillkoren. / Today's planning and design of constructions is characterized by a resource utilization, environmental and economic thinking, where the result can lead to shortcomings with regard to dynamic behaviour. Thus, it is extremely important to create good conditions for accurate calculation models that in a design phase can represent the dynamic behaviour of the structures. In this report, a comparison analysis was performed between an FE-model and a field measurement, where Folke Bernadotte's bridge has been used as basis. The purpose is to present differences and similarities in natural frequencies and mode shapes based on the comparative analysis, and to highlight some of the most important factors behind these. The result showed for a calibrated FE-model an average difference of 11 % for the natural frequencies and 99 % agreement with respect to the mode shapes, where the most important parameter in the model was the support conditions.

In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse der durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen für additive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrieflächen mittels 3D – Plasma-Auftragschweißen berichtet. Hierbei wurde mittels des 3D – Plasma-Pulver-Auftragschweißenes von komplexen Konturflächen für ein Werkzeugmodell und ähnliche Bauteilgeometrien aus reinem Schweißgut in Mehrlagentechnik beanspruchungsgerecht hergestellt. Infolge der Besonderheiten des 3D – Plasma-Auftragschweißenes mit großer Schweißgutvolumina wie stark abweichende Eigenschaften zwischen Grund-/ Auftragswerkstoff und asymmetrischer Wärmeeintrag sind die entstehenden Schrumpfungen, Verformungen/ Eigenspannungen besonders kritisch. Diese führen demzufolge zu Maß- und Formabweichungen sowie Bildung von Bauteilrissen, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilstrukturen negativ beeinflussen können. Mittels des aufgebauten thermo-elastisch-plastischen Simulationsmodells wurden die auftretenden Temperaturfeldverteilung, Verformungen und Eigenspannungen während des additiven 3D – Plasma-Auftragschweißenes von Werkzeugkonturflächen vorausbestimmt und analysiert. Anhand des aufgebauten Ellipsoid-Wärmequellenmodells für Plasma-Pendelschweißprozess wurden die Temperaturfeldverteilung und deren Gradienten ermittelt. Darauf aufbauend wurden eine gekoppelte thermisch-elastisch-plastische struktur-mechanische Analyse durchgeführt. Mittels der Durchführung von werkstofflich-fertigungstechnischen Maßnahmen wie Verwendung von zähen Werkstofflegierungen, Grundköpervorwärmen und -festeinspannen wurden die damit entstehenden Bauteilverformung und -eigenspannungen simulativ kompensiert bzw. minimiert. Demzufolge wurden die damit erreichten Ergebnisse für die Herstellung endkonturnaher Werkzeugkonturflächen mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah genutzt. Die dabei erreichten Simulationsergebnisse der Temperaturfeldverteilung und des Verformungs- und Eigenspannungszustandes präsentierten eine gute Übereinstimmung mit den Experimentresultaten.

The demand for higher velocities and heavier axle loads for freight trains leads to higher forces on the railway wheels which in turn lead to an increase in stresses on and below the surface of the wheel-rail contact. By time, this induces wear on the wheels which consequently lead to higher maintenance costs and in some cases accidents. The ability to predict the evolution of wheel profiles due to uniform wear has been demonstrated with a rather accurate precision in most operational conditions. These wear models are based on wear coefficients and since they are not usually valid for real operational conditions, the models are generally calibrated against real-life scenarios in order to adjust the coefficients from test conditions to real-life lubrication conditions. This engineering approach can be useful in prediction of wear in systems where the materials and contact conditions do not vary. However, when addressing material development focused on reducing specific damage modes, the approach is of limited use because the obtained wear coefficients are not directly related to material properties. Therefore, attempts towards developing physical fracture propagation models that relates to the contact conditions and material properties have been made. The purpose has been to retrieve vital information about where a fracture initiates and how it propagates. In the long run, it is of great interest to be able to attain information about how a material particle is removed from the contact surface. Studies for this type of model was done in the 70’s and 80’s mainly with pin-disk experiments but has not been utilized in the specific field of wheel-rail contact. The thesis is part of the FR8RAIL project arranged by the European rail initiative Shift2Rail. Literature studies have been the basis for the thesis in order to gain vital insights into fracture mechanics and other related fields. The physical fracture propagation models have been constructed in the FE software Abaqus with the implementation of the XFEM. For the 2D model, the fracture initiates at the top of the implanted inclusion when the friction coefficient is  and propagates upwards a few elements. For , the fracture initiates at the right surface boundary where the pressure distribution and traction is applied. The fracture propagation angle increases relative to the surface as the friction coefficient value is increased. The fracture for the 3D model extends broader compared to the 2D model at the top of the inclusion in the case of . The fracture initiates at the same surface location as for the 2D model for . The fracture propagation is however non-existent due to convergence problems. The FE-models constructed are initial steps towards analysing the fracture propagation and closely related phenomena for a railway freight wheel in detail. At the end of the thesis, the simplified models give mainly information about the fracture initiation, propagation and its patterns. From this first phase, further adjustments and improvements can take place in order to eliminate the margins of error. In the long run, fully integrated models with further implementations such as detailed microstructure for the contact conditions, plastic behaviour for the material, and complete three-dimensional models can finally be employed. / Efterfrågan på högre hastigheter och tyngre axelbelastningar för godståg leder till högre krafter på järnvägshjulen som i sin tur leder till ökade spänningar på och under ytan vid hjul-räl-kontakten. Med tiden induceras slitage på hjulen som följaktligen leder till höga underhållskostnader och i vissa fall olyckor. Förmågan att förutse utvecklingen av hjulprofiler på grund av enhetligt slitage har visats kunna ske med en noggrann precision under de flesta driftsförhållanden. Dessa slitagemodeller bygger på slitagekoefficienter, och eftersom de vanligtvis inte är giltiga under realistiska driftsförhållanden är modellerna i allmänhet kalibrerade mot verkliga händelseförlopp för att justera koefficienterna från testförhållandena till realistiska smörjförhållanden. Detta tekniska tillvägagångssätt kan vara användbart vid prognos av slitage i system där material och kontaktförhållanden inte varierar. När man addresserar materialutveckling inriktad på att reducera specifika skadelägen är emellertid tillvägagångssättet av begränsad användning eftersom de erhållna slitagekoefficienterna inte är direkt relaterade till materialegenskaper. Därför har försök gjorts till att utveckla fysikaliska sprickbildningsmodeller som relateras till kontaktförhållanden och materialegenskaper. Syftet har varit att erhålla viktig information om var en spricka initieras och hur den fortskrider. I det långa loppet är det även av stor vikt att kunna erhålla information om hur en materialpartikel avlägsnas från kontaktytan. Studier för denna typ av modeller har gjorts på 70- och 80-talet i huvudsak med stift- och skivexperiment men har inte använts inom det specifika området för hjul-räl-kontakt. Avhandligen ingår i FR8RAIL-projektet som arrangeras av det europeiska järnvägsinitiativet Shift2Rail. Literaturstudier har varit grunden för avhandlingen för att få väsentlig insikt i frakturmekanik och andra relaterade områden. De fysiska sprickbildningsmodellerna har konstrueras i FE-mjukvaran Abaqus med XFEM som implementering. För 2D-modellen initieras sprickan överst vid den implanterade imperfektionen när friktionskoefficienten är  och propagerar uppåt några få element. För  initieras sprickan på högra ytgränsen där tryckfördelning och friktionskraft appliceras. Utbredningsvinkeln för sprickan ökar relativt till ytan då friktionskoefficienten ökar. Sprickan för 3D-modellen breder ut sig mer jämfört med 2D-modellen överst vid imperfektionen då . Sprickan initieras på samma ytplats som för 2D-modellen vid . Sprickbildningen är dock obefintlig på grund av konvergensproblem. De konstruerade FE-modellerna är initiala steg mot att analysera sprickutbredningen och närbesläktade fenomen för ett godstågs järnvägshjul i detalj. I slutet av avhandlingen ger de förenklade modellerna huvudsakligen information om sprickinitiering, utbredning och dess mönster. Ytterligare justeringar och förbättringar kan ske efter denna första fas i syfte att eliminera felmarginalerna. På lång sikt kan slutligen helt integrerande modeller med ytterligare implementeringar såsom detaljerad mikrostruktur för kontaktförhållandena, oelastiskt materialbeteende och kompletta tredimensionella modeller användas. / FR8RAIL

• Für eine exakte Lichtbogenpositionierung zum Schweißpunkt werden beim Roboter – WIG-Schweißprozess folgende technische Anforderungen am Brennerkopf und dessen Wechselsystem gestellt wie: konstante Wärmeableitung und -führung im Brennerkopfbereich, schnelle Wechsel von Verschleißteilen insbesondere der Kathode, reproduzierbare Wechsel der Schweißbrennerköpfe. • Entwicklung eines neuartigen physikalischen Wirkprinzips auf Basis der Wärmeableitung – Heatpiperohr zur Gestaltung einer optimierten Wärmebilanz und Brennerkopfkühlung. • Mit dem entwickelten thermo – strömungs-mechanischen/magneto-hydro-dynamischen FE-Modells wurde die technisch-konstruktive Brennerkonstruktion mit der integrierten Wärmeableitung – Heatpiperohr für ein äußerst effektives Brennerkühlsystem unter Variation der Schweißprozessparameter zur Erzielung einer höheren Brennerdauerbelastung prozesstechnisch untersucht, analysiert und erkenntnisbezogen optimiert. • Beeinflussbar sind Lichtbogenausbildung, dessen Intensität, Verhalten sowie Temperatur- und Strömungsverhältnisse durch Prozessparameter.