Servo valves are used in a broad variety of flow modulation applications. In the field of aerospace, servo valves are used in aero engines to meter fuel flow. The existing valves are labour intensive to manufacture and highly optimised such that to achieve improvements in performance requires a novel design. This research investigates smart material actuators and valve concepts. Specifically, a prototype pilot stage nozzle flapper valve is developed for the purpose of actuating a main stage spool. The typical nozzle flapper type servo valve uses a torque motor to actuate the flapper. In this research project, the torque motor has been substituted for two piezoelectric ring bender actuators. A novel mounting mechanism has been developed to secure the ring benders within the valve. Analytical and finite element models have been made to understand the displacement mechanism of a ring bender and the effects of the mount on the displacement and force from a ring bender, and the results were compared with experiment. The mounting stiffness at the inner and outer edges was found to decrease the displacement of the ring bender and it was found that the stiffness of the mount at the outer edge has a greater negative effect on displacement than the stiffness of the mount at the inner edge. The displacement of a ring bender was tested across the operational temperature range of an aero engine. It was found that the displacement of the ring bender is reduced at low temperatures and increases at high temperature. The variation of stiffness of the elastomeric mount was also tested with temperature and it was found that the displacement of a ring bender is significantly reduced when the mounting elastomer approaches its glass transition temperature. A prototype valve was built to test the pressures and flows that could be achieved at two control ports by using a ring bender as actuator. A single ring bender and two ring benders, mounted in tandem to provide redundancy, have been tested. An analytical model was developed and the predictions are compared with experimental results for pressures and flow. The full stroke of the valve was 300m when mounted and reduced to 150m when mounted in tandem with an inactive ring bender. The hysteresis of the valve is +/-10%. The pressures and flow at and between the control ports of the valve are consistent with the predictions.

The doctoral thesis is focused on evaluation of global sensitivity analysis of load-carrying capacity of steel hot-rolled beams. These beams are subjected to lateral-torsional buckling, weak axis buckling and strong axis buckling. Very comprehensive computational models which were both geometrically and materially nonlinear were created in Ansys software using solid finite elements to calculate the load-carrying capacity. The computational models allowed modelling of random initial imperfections such as initial curvature, deviations of cross-section dimensions and steel properties. Sensitivity analysis quantified their influence on the load-carrying capacity. Simulation runs of random imperfections were generated using the Latin Hypercube Sampling method. Since the evaluation of sensitivity analysis of load-carrying capacity of all finite element models would cost an extreme amount of computer time, the thesis aimed at developing a meta-model (also known as surrogate model) based on approximation of FEM model. The approximation polynomial then facilitated the evaluation of sensitivity indices using a high number of simulation runs. At the end, the relationships between the slenderness and the first and second-order sensitivity indices are plotted in graphs. Those random input imperfections that influence the variability of load-carrying capacity the most are pointed out.

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.