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- Allgemeine Problematik bei der FEM-Simulation von Lagern/Gelenken - Modellierungstechniken in MECHANICA wie z.B. Kontakt-Analysen, Balkenspinnen, gewichtete Verbindungen, orthotropes Material, etc. - Vergleich dieser Techniken und Diskussion der Vor- und Nachteile anhand eines Gleitlagers - Empfehlungen und Regeln

In Deutschland und Europa ist im Zuge der Energiewende erforderlich, mehr Elektroenergie mit bestehenden Freileitungen zu transportieren. Eine technische Lösung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, ist das Umbeseilen der Freileitung mit Hochtemperatur-Leiterseilen mit geringem Durchhang (High Temperature Low Sag – HTLS conductors). Diese Leiterseile haben gegenüber konventionellen Leiterseilen (z. B. Aluminium/Stahl-Leiterseilen) höhere Bemessungsströme und temperaturen. Die stromführenden Verbindungen mit HTLS-Leiterseilen werden damit ebenfalls höher thermisch belastet. Diese sind für den zuverlässigen und sicheren Betrieb der Freileitung sehr wichtige Betriebsmittel. Neben anderen Verbindungstechnologien hat sich bei den stromführenden Verbindungen mit konventionellen Leiterseilen das Sechskantpressen seit Jahrzehnten bewährt. Aus der Literatur sind fast ausschließlich empirische Untersuchungen mit dieser Verbindungstechnologie bekannt. Das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen wurde bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wird dazu ein elektrisches Modell vorgestellt und weiterentwickelt, mit dem das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen genauer beschrieben werden kann. Weiterhin werden prinzipielle Zusammenhänge zwischen der Stromverteilung in den Kontaktpartnern und deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand dargestellt. Als Ergebnis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten allgemeine Empfehlungen für das Dimensionieren von Pressverbindungen mit konventionellen und HTLS-Leiterseilen erarbeitet werden. Aus der prinzipiellen Funktionsweise einer Pressverbindung ist bekannt, dass der Form-, der Kraft- und der Stoffschluss in der Verbindung das elektrische Kontaktverhalten beeinflussen. Insbesondere der Kraftschluss wurde in der Literatur bislang nur näherungsweise berechnet. In den bekannten analytischen Modellen werden die Geometrie der Kontaktpartner sowie das Werkstoffverhalten vereinfacht und die mechanischen Belastungen beim Fügen der Verbindung nicht genau genug berücksichtigt. Aus den genannten Gründen wurde das Fügen von Pressverbindungen mit mehrdrähtigen Leiterseilen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Die Press- und Kontaktkräfte konnten damit für alle Kontaktflächen in einer Verbindung ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere hohe Press- und Kontaktkräfte die Ursache für ein gutes elektrisches Kontaktverhalten einer Pressverbindung sind. Die physikalischen Ursachen dieses Zusammenhangs werden diskutiert. Das Langzeitverhalten von Pressverbindungen mit Verbund-Leiterseilen wurde experimentell untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Langzeitversuche zeigen den Einfluss der Kontaktkraft im elektrischen Langzeitverhalten qualitativ auf. Bei den Pressverbindungen, für die nur sehr geringe Kontaktkräfte berechnet wurden, war das elektrische Langzeitverhalten weniger stabil. / In Germany and in Europe it is due to the “Energiewende” necessary to transmit more electrical ener-gy with existing overhead transmission lines. One possible technical solution to reach this aim is the use of high temperature low sag conductors (HTLS-conductors). Compared to the common Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR), HTLS-conductors have higher rated currents and rated tempera-tures. Thus the electrical connections for HTLS-conductors are stressed to higher temperatures too. These components are most important for the safe and reliable operation of an overhead transmission line. Besides other connection technologies, hexagonal compression connections with ordinary transmis-sion line conductors have proven themselves since decades. From the literature, mostly empirical stud-ies with electrical tests for compression connections are known. The electrical contact behaviour, i.e. the quality of the electrical contact after assembly, of these connections has been investigated insuffi-ciently. This work presents and enhances an electrical model of compression connections, so that the electrical contact behaviour can be determined more accurate. Based on this, principal considerations on the current distribution in the compression connection and its influence on the connection re-sistance are presented. As a result from the theoretical and the experimental work, recommendations for the design of hexagonal compression connections for transmission line conductors were devel-oped. Furthermore it is known from the functional principle of compression type connections, that the elec-trical contact behaviour can be influenced from their form fit, force fit and cold welding. In particular the forces in compression connections have been calculated up to now by approximation. The known ana-lytical calculations simplify the geometry and material behaviour and do not consider the correct me-chanical load during assembly. For these reasons the joining process of hexagonal compression con-nections with stranded overhead transmission line conductors was calculated with the finite element method. The compression forces and the residual contact forces were determined for all contacts be-tween barrel and conductor as well as between the wires of the conductor. It was shown, that high compression and residual contact forces are the main cause of good electrical contact behaviour. The physical relations are discussed. The electrical long-term behaviour was furthermore investigated in experiments. The results confirm the influence of the residual contact force on the long-term behaviour qualitatively. Those compression connections, which had only small residual contact forces, were less stable in the long-term tests.

Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.

The aim of the present work is to clarify the interplay between the complex technological chain of crystal preparation, chemical and structural perfection of grown crystals of intermetallic compounds and oxides and their physical properties. This technological chain includes detailed studies of unknown or insufficiently known phase diagrams, their correlation with growth conditions and optimisation of process parameters for obtaining single crystals with high chemical and physical perfection. The measurements of the physical properties of the grown crystals such as superconductivity, thermoelectric or dielectric properties not only show new features and properties for application of the materials obtained, but also allow conclusions of the crystal perfection. The studies are focused on the following systems: RENi2B2C borocarbides (RE=Y, Tb or Ho) displaying superconductivity, magnetic order and a strong interplay between magnetic and superconducting properties for YNi2B2C, TbNi2B2C, HoNi2B2C, respectively; CeSi2-?Ô and Ru2Si3 as examples of systems with magnetic and promising thermoelectric properties, respectively; MgB2 and LiBC to test of theoretical predictions of the new superconducting intermetallic compounds discovered in the last years; SrTiO3 and SrZrO3 oxide compounds with special dielectric and optical properties. For this wide spectrum of substances necessarily different growth techniques were applied. That is mainly the floating zone (FZ) or travelling solvent floating zone (TSFZ) techniques with optical heating. Flux techniques were used if the vapour pressure of composing elements is high such as for Mg and Li. The crucible free FZ technique is very attractive for the crystal growth of these intermetallic and oxide compounds to avoid contamination with the crucible material, if the melts have very high chemical reactivity, high melting temperatures and if a large crystal size (at least 3-5 mm) is desired for corresponding physical measurements. One special aim in the presented work is the optimisation of the preparation and growth process features with respect to crystal perfection, establishing new relationships between process parameters, crystal perfection, crystallographic structure, composition of grown crystals and the related physical properties. Optimisation of crystal growth process requires own constitutional studies of growth relevant parts of corresponding multicomponent phase diagrams. Therefore, parts of the phase diagrams were experimentally revealed by differential thermal analysis (DTA), optical metallography and EPMA and partially combined with CALPHAD calculations.

Die Hautsensibilisierung (Typ 4 Hautallergie) nimmt in der Toxizitätsbewertung einen wichtigen Stellenwert ein, was u.a. daran zu sehen ist, dass sie unter dem europäischen Chemikaliengesetz REACH schon sehr früh, d.h. ab einer Jahrestonne, abgeprüft werden soll. Die Dissertation untersucht, ob die derzeit im Tierversuch stattfindende Toxizitätsprüfung durch computerchemische Methoden ersetzt werden kann. Dazu wurde eine Datenbank aus über 2000 Stoffen erstellt, aus der wichtige Unterschiede zwischen den eingesetzten Tiermodellen herausgelesen werden konnten. In den Untersuchungen trat auch zu Tage, dass – entgegen vorheriger Annahmen – die Bioverfügbarkeit, d.h. die Aufnahme von Substanzen über die Haut, im Tierversuch nur eine untergeordnete Rolle spielt. Zudem ist eine Abschätzung des hautsensibilisierenden Effekts von Stoffen anhand eines Read-across (Interpolation aus strukturähnlichen Verbindungen) und von Strukturalarmen (Substruktur­elemente als Indikatoren für einen bestimmten Effekt) möglich. Wenn beide Ansätze im Rahmen einer Konsens­modellierung miteinander verschränkt werden, ergibt sich sogar eine gute Vorhersagestatistik. / Skin sensitisation (type 4 skin allergy) is an important parameter in the toxicity assessment of chemicals, which is underlined by the fact that it is evaluated even at the lowest tonnage (1 t/a), which can be registered under the european chemicals regulation (REACH). In this thesis it was investigated if the currently used animal models can be replace or refined with computational (in silico toxicological) methods. In this regard a data base consisting of about 2000 substances was build. With its data important differences between the currently applied animal tests could be derived. Furthermore, the investigation found that – in contrast to previous assumptions – the bioavailability of a chemical compound, i.e. the uptake via the skin, has only a minor impact on the test result of the evaluated animal models. Moreover, it was demonstated that the skin sensitising potential of chemicals can be predicted by read-across (interpolation with structurally similar substances) and with structural alerts (substructural elements which indicate a particular effect). Combining both prediction methods with consensus modelling lead to a good prediction regarding the question whether a particular chemical compound is a sensitiser or not.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit analytischen, numerischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen zum Füge- und zum Übertragungsverhalten einer reibformschlüssigen Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindung. Die Besonderheit dieser Verbindung besteht darin, dass eine mit einer Rändelung und Übermaß versehene harte Stahlwelle in eine weiche Aluminiumnabe mit kreisrunder Bohrung längseingepresst wird. Die maßgebende Größe für den Fügevorgang ist der Fasenwinkel der Welle φ. Der Nabenwerkstoff wird hierbei in Abhängigkeit des Fasenwinkels der Welle φ umgeformt beziehungsweise herausgeschnitten. Mit Hilfe der relativen Festigkeit R F , welche das Verhältnis von maximaler Lösekraft F l, max zu maximaler Fügekraft F f, max repräsentiert, wurde ein Gütekennwert zur gezielten Auswahl von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbindungen hinsichtlich der axialen Übertragungsfähigkeit abgeleitet. Die Charakterisierung der experimentell ermittelten Torsionsmoment - Verdrehwinkel - Kurven ergab zur Auslegung die Bereiche Auslegungs- und Versagenskriterium. Das maximal übertragbare Torsionsmoment wird beim sogenannten Versagenskriterium τ S durch das Abscheren der Rändel in der Nabe erreicht. In Analogie zum Füge- und zum Löseverhalten zeigt sich der positive Einfluss des Fasenwinkels φ auf das übertragbare Torsionsmoment. So können formend gefügte Stahl-Aluminium- Rändelpressverbindungen ein um bis zu ca. 40% größeres statisches Torsionsmoment als vergleichbare schneidend gefügte Rändelpressverbindungen übertragen. Das mechanisch-physikalische Berechnungsmodell zur Berechnung des statisch übertragbarenTorsionsmomentes basiert auf der Kerbzahnverbindung. Damit kann das Torsionsmoment am Auslegungskriterium T pF sowie das maximal übertragbare Torsionsmoment bei Abscherung Tτ S ermittelt werden. Die Berücksichtigung des formenden beziehungsweise schneidenden Fügevorgangs wird in Abhängigkeit des Fasenwinkels φ mit Hilfe des sogenannten winkelbasierten Umformgrades ε plRPV beschrieben. / The present thesis provides analytical, numerical and experimental fundamental studies for the joining behaviour and the transmission behaviour of a friction and form closure steel-aluminum knurled interference fit. The special feature of this connection is a knurled and oversize hard steel shaft, longitudinally pressed in a soft aluminum hub with a circular bore. The most important parameter for the joining process is the shaft chamfer angle φ. Due to the shaft chamfer angle φ the material of the hub will be formed or cutted during the joining process. By using the relative strength, the quotient of push out force and joining force who describes the joint strength, a first quality parameter for a precise selection of steel-aluminum knurled interference fit has been derived. The description of the experimentally determined torque - twisting angle – curves has shown areas of design criterion and mechanical breakdown. The maximum transmittable torque is achieved by reaching the shearing stress of the knurls in the hub - mechanical breakdown τ S. Similar to the joining and the push out behaviour, the positive influence of the shaft chamfer angle φ is also shown at the transmittable torque. Furthermore, knurled interference fits joined by forming can transmit higher torques of about 40% than interference fits joined by cutting due to the material hardening. The mechanical-physical model for calculating the static transmittable torque is based on the serration connection. Thus, the torque at the design criterion and the maximum transmittable torque at the mechanical breakdown can be found. The consideration of the forming or cutting joining process is described as a function of the shaft chamfer angle φ using the so-called angle-based plastic strain ε plRPV.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht. / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.

Für den Prozeß des Fügens von Keramik bzw. Keramik mit Metall ergeben sich zahlreiche Probleme, die aus den Eigenschaften der Keramik und den Eigenschaftsdifferenzen zwischen Keramik und Metall resultieren. Unterschiedliche physikalische und mechanische Werkstoffkennwerte bewirken ein zumeist hohes Eigenspannungsniveau des Verbundes, welches in Verbindung mit dem spröden Bruchverhalten keramischer Materialien deren Fügbarkeit verhindert oder einschränkt. Als aussichtsreicher Ansatz bietet sich die Eigenschaftsanpassung des Aktivlotes durch dessen Modifikation mit verstärkenden Materialien an. Es wird ein Konzept für die Herstellung und den Einsatz verstärkter Aktivlote vorgestellt. Theoretische Grundlagen werden durch die Berechnung der Eigenschaften derartiger Lote auf der Basis bewährter Methoden der Verbundwerkstofftheorien geschaffen. Die Simulation mechanisch-thermischer Eigenschaften von Lötverbindungen mit verstärkten Aktivloten unter Einsatz der Methode der finiten Elemente dient dem Erfassen des Spannungsverhaltens. Richtlinien für die Wahl geeigneter Verstärkungskomponenten werden festgelegt. Es wird ein Überblick über geeignete Herstellungsmethoden, deren praktische Realisierung und die Wechselwirkung mit dem Prozeß des Aktivlötens gegeben. Die Bewertung von Aktivlötverbindungen mit verstärkten Loten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wird auf Grundlage der Ergebnisse von Festigkeitsuntersuchungen vorgenommen.