The main aim of this master’s thesis is to design the drivetrain of four-cylinder gasoline internal combustion engine with torsional vibration rubber dumper. For the basic parameters of the engine are designed two optional crankshafts. Crankshaft with eight counterweights and crankshaft with four counterweights. The thesis also includes modal analysis of the crankshaft using FEM, and design of the main dimensions of the dumper. The following part describes the calculation of force torsional vibration and safety factor solution of crankshaft fatigue using FEM. The final calculation is of the temperature field in the rubber dumper in selected operating modes.

Tato diplomová práce uvádí dynamiku klikového mechanismu šestiválcového řadového motoru za účelem návrhu klikového hřídele v CAD programu Pro/Engineer. Následuje popis vibrací klikového mechanismu a analytický výpočet jeho torzních vibrací. Hlavní část diplomové práce se pak zabývá konverzí hřídele do konečno-prvkového modelu v programu ANSYS a jeho importem do prostředí Adams/Engine. V tom je provedena modální analýza klikového ústrojí pro získání vlastních frekvencí a tvarů. Na konec práce je porovnán výstup z analytického řešení a výsledky z multi-body systému.

This document describes the possibilities of increasing the mechanical efficiency of the crank train of an internal-combustion engine. For this purpose, a concept with a reduced number of main bearings is chosen and its contribution is verified experimentally. The proposed solution consists of an innovative crankshaft design of a four-cylinder spark-ignition engine with only three main journal bearings and laser-welded sheet metal crank webs. The new design is compared to the mass-produced one in terms of friction losses, vibrations and loading of engine parts by means of simulations of crank train dynamics using the Multi-Body System. The increase in vibration, accompanied by a reduction in friction losses, is compensated by a torsional vibration damper and its effect is experimentally verified. Experimental research of laser welds on the crankshaft in terms of fatigue life is also described. The overall potential is also summarised and further possible development of this innovative and patented design is outlined.

The doctoral thesis focuses on problem of stability of steel thin-walled beams with lateral and torsional restraints along the spans. Theoretical background of lateral-torsional buckling of an ideal beam with and without restraints preventing out-of-plane buckling is briefly described. In the following chapters the problem of stabilization of steel thin-walled beams by planar members is dealt with. The state of the art in this field is summarized and some open questions are identified. The research in this field could bring new findings about actual behavior of these structural systems. The rate of stabilization can be quantified using values of shear and rotational stiffness provided to a thin-walled member by a planar member. In the frame of the thesis the problem of torsional restraint given to steel cold-formed members by sandwich panels under load is discussed. In case of the uplift load applied on the sandwich panels the torsional restraint should be verified by experimental analysis. To contribute to this field, experimental verification of rotational stiffness provided to steel cold-formed beams by sandwich panels was proposed and performed. Torsional restraint under no external load as well as under uplift load applied on the panels was investigated. The purpose was to obtain the values of the rotational stiffness provided by planar members. The performed tests indicate significant and practically applicable rate of the torsional restraint even in case of the uplift load on the surfaces of the panels. Utilization of the values of the rotational stiffness might result in more economical, effective and reliable structural design. Selected problems were investigated using numerical modeling in a finite element method based software.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Modellierung der Torsionstragfähigkeit segmentierter Betontürme auf Basis der Wölbtheorie dünnwandiger Stäbe. Ziel ist die wirklichkeitsnahe Abbildung des Tragverhaltens und die Entwicklung eines Ingenieurmodells, das dem praktischen Anwender stets die Kontrolle über sein Handeln bewahrt und die Resultate ohne gesonderten Interpretationsbedarf als Bewertungsgrundlage ansetzt. Auf der Grundlage von mechanischen Modellvorstellungen und nichtlinearen numerischen Untersuchungen wird die sukzessive Entwicklung eines ingenieurmäßigen Ansatzes vorgestellt. Dieser dient als Grundlage der Validierung sorgfältig durchzuführender Versuche an Betonsegmenten.

年々増大するエンジントルク変動を低減するために広角トーショナルダンパの適用例が増してきているが，それらに起因する非線形振動のメカニズムや振動低減のための研究例は少ない．本論文の目的は，これらに関する非線形振動の解明および改善，および精度と計算コストを両立するモデルの開発である．そのため，実験検証に基づくモデルを開発し，非線形振動を大幅に削減する手法を検討した．さらに，計算コストを増加させることなく解析精度を改善する不等ピッチ離散化モデル化手法を検討した． / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

<p>The vehicle industry has an endless appetite to get better. Often, this appetite is justified by the need of the hour. In the agricultural space, this translates to improving agricultural productivity in the face of population growth, reduced arable land and shortage of skilled farm labor. As for torsional vibrations, which have been around ever since the wheel was invented, the problem gets redefined with new regulations demanding new powertrains with improved fuel efficiency and reduced emissions.</p><p>A solution to the agriculture problem, involves efficiently automating the harvesting process.The first section of this thesis covers the ‘Auto-Unload’ where the goal of automation is achieved. This was done by building a simulation framework that was used to develop and synthesize the ‘AutoUnload’ controller. This controller was later deployed on a combine and a successful unloading on-the-go was demonstrated with a combine, tractor, and tractor-driven grain cart.</p><p>The solution to the second problem about drivetrain vibrations involved deriving a mathematical model for simulating the powertrain of a medium-duty truck. This was done to confirm resonance seen during testing done on a chassis dynamometer. The consequent control strategy to mitigate undesired vibration was to move the torque excitation away from the natural frequency of the system. This was achieved by a ‘gear-shifting’ algorithm. Comparison between on-road tests with and without the ‘gear-shifting’ algorithm showed that such a control strategy can effectively eliminate resonance. The solution methodology developed in this work is robust and transferable to higher engine torques and harvest speeds.</p>

The development of renewable energies and the desired independence from fossil energy sources are essential for security of supply. Wind energy turbines already account for the largest share of electricity generation in Germany. As part of modular precast concepts for wind turbine towers, vertical joints now divide the segments into even smaller components. This significantly reduces transport costs and installation time. The load-bearing behaviour of these segmented concrete towers is very complex due to the horizontal and vertical joints and the resulting restrained cross-sectional deformations. In the case of thin-walled half-shell segments now used in modern wind turbine towers, cross-sectional distortion and warping can significantly reduce the load-bearing capacity. Even under pure torsional loading, there is a decrease in the horizontal joint load capacity compared to conventional thin-walled circular rings. However, there are currently no design approaches for this new construction, as the structural behaviour is neither fully understood nor reliably modeled. This cumulative dissertation deals with the modeling of the torsional behaviour of segmented concrete towers for wind turbines based on the warping theory of thin-walled bars. Transferring the complex mechanical relationships into an understandable and comprehensible bar model allows differentiated evaluation approaches. In the case of segmented concrete towers, this leads to the long-term realization of even more innovative, higher and safer tower concepts. With this calculation approach, the practical engineer always remains in control of his or her own actions. Accordingly, the results can be used as a basis for evaluation without much need for interpretation, e.g. to assess the effect of restrained sectional warping on the distribution of normal stresses. The successive derivation of an engineering approach is presented using mechanical modeling concepts and non-linear numerical investigations as well as further (experimental) investigations. This provides the basis for future validation with carefully conducted tests on actual concrete segments. The core of the dissertation consists of four peer-reviewed papers that have already been published in scientifically proven journals (Structural Concrete and Engineering Structures). The framework story begins by explaining the scientific classification and relevance of the topic. The current state of the art is the basis for deriving research gaps and objectives, as well as a framework of hypotheses to be evaluated. Subsequently, the four papers are placed in the overall context of modeling the torsional behaviour of segmented concrete towers. Paper [A] deals with experimental investigations, analysis and evaluation of the joint behaviour of modular towers in large-scale tests. The gain of knowledge about the uneven distribution of forces in the horizontal joints also has a significant influence on the design models of the half-shell structure. Papers [B] and [C] present an engineering approach to determine the torsional behaviour of segmented concrete towers based on the warping theory of thin-walled bars. This calculation approach includes two methods for evaluating the internal forces of a half-shell pair and the associated stress calculation. A practical analysis method using an analogy to higher order beam theory is introduced to overcome the difficulties of numerical calculation by the finite element method. In this way, the load-bearing behaviour can be described as accurately as possible and the decisive influencing parameters can be isolated. Paper [D] presents the further development and the numerical and analytical validation of the engineering model for the entire tower structure. The influence of the adjacent segments on the torsional behaviour of the assembled half-shell tower is implemented in the model approach. This is based on analytical modeling using spring systems and extensive numerical investigations. Additional studies relate to the surface condition of ground concrete segments, the preliminary investigations on aluminium segments, the initial preliminary considerations on a coherent test design and the effects of multiple vertically divided segments. Finally, the findings are summarized and the overall result of the research is described by evaluating the hypotheses. In addition, the most important perspectives for future research and transfer achievements are pointed out. The presentation of the overall results of this dissertation impressively shows that the successive extension of the model approach leads to a more precise and differentiated isolation of the influencing variables. This improves the realistic representation of the torsional behaviour of assembled half-shells based on the warping theory of thin-walled bars, taking the application limits into account. However, the simplicity and applicability of the engineering model are not compromised by the continuous development. The analytically proven and numerically validated dependence on the slenderness ratio of the segments results in a better understanding of the load transfer in the modular precast structure. A much simplified internal force calculation can be used as the basis for the reinforced concrete design by applying the analogy to the tension rod under bending stress. The division of the load components provides a better understanding of the force flow of the modular structure. Accordingly, the combination of the tension rod analogy, the load redistribution principle and the modified deformation approach, taking the adjacent segments into account, allow the user to isolate and evaluate the influencing parameters of the torsional behaviour with little effort. Finally, in addition to model approaches and detailed numerical simulations, accompanying experimental investigations are required, and this dissertation provides the basis for a coherent and well-conceived experimental program. / Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die angestrebte Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern sind für die Versorgungssicherheit unerlässlich. Den größten Anteil an der Stromerzeugung haben in Deutschland schon heute die Windenergieanlagen. Im Rahmen modularer Fertigteilkonzepte für Türme von Windenergieanlagen teilen mittlerweile Vertikalfugen die Segmente in immer kleinere Komponenten. Auf diese Weise können die Transportkosten und der Montageaufwand erheblich reduziert werden. Das Tragverhalten dieser segmentierten Betontürme ist aufgrund der horizontalen und vertikalen Fugen sowie der daraus resultierenden behinderten Querschnittsverformungen sehr komplex. Bei dünnwandigen Halbschalensegmenten, die inzwischen im modernen Turmbau für Windenergieanlagen eingesetzt werden, können Querschnittsverzerrungen und -verwölbungen die Tragfähigkeit erheblich beeinträchtigen. Bereits bei einer reinen Torsionsbelastung ist im Vergleich zu konventionellen dünnwandigen Kreisringen eine Abnahme der horizontalen Fugentragfähigkeit zu erkennen. Es existieren zurzeit jedoch noch keine Bemessungsansätze für die neuartige Konstruktion, da weder das Strukturverhalten vollständig verstanden ist, noch verlässlich modelliert werden kann. Diese kumulative Dissertation befasst sich daher mit der Modellierung des Torsionstragverhaltens von segmentierten Betontürmen für Windenergieanlagen auf Basis der Wölbtheorie dünnwandiger Stäbe. Ziel ist die realitätsnahe Abbildung des Torsionstragverhaltens der hybriden Turmkonstruktion durch die sukzessive Entwicklung eines Ingenieurmodells. Die Übertragung der komplexen mechanischen Zusammenhänge in ein verständliches Stabmodell ermöglicht differenzierte Bewertungsansätze. Dies führt im Anwendungsfall der segmentierten Betontürme langfristig zur Realisierung noch innovativerer, höherer und sicherer Turmkonzepte. Mit diesem Berechnungsansatz behalten die in der Praxis tätigen Ingenieur:innen stets die Kontrolle über das eigene Handeln. Die Ergebnisse können ohne besonderen Interpretationsbedarf als Bewertungsgrundlage verwendet werden, um z. B. die Auswirkungen des Phänomens der behinderten Querschnittsverwölbung auf die Verteilung der Normalspannungen zu beurteilen. Ausgehend von mechanischen Modellvorstellungen und nichtlinearen numerischen Untersuchungen sowie weiteren (experimentellen) Untersuchungen wird daher die sukzessive Herleitung eines ingenieurmäßigen Ansatzes vorgestellt. Dieser dient als Grundlage für die zukünftige Validierung im Zuge sorgfältig durchzuführender Versuche an Betonsegmenten. Den Kern der Dissertation bilden vier begutachtete Fachartikel, die bereits in wissenschaftlich anerkannten Fachzeitschriften (Structural Concrete und Engineering Structures) veröffentlicht wurden. Die Rahmenhandlung erläutert zu Beginn die wissenschaftliche Einordnung und Relevanz der Thematik. Der aktuelle Stand der Technik ist die Grundlage für die Ableitung von Forschungslücken und Zielsetzungen sowie eines zu evaluierenden Hypothesengerüsts. Darauf aufbauend erfolgt die Einordnung der vier Fachbeiträge in den Gesamtkontext der Modellierung des Torsionsverhaltens segmentierter Betontürme. Der Artikel [A] befasst sich mit experimentellen Untersuchungen und der Analyse und Bewertung des Fugentragverhaltens modularer Türme in Großversuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die ungleichmäßige Kraftverteilung in den Horizontalfugen haben auch einen erheblichen Einfluss auf die Bemessungsmodelle der Halbschalenkonstruktion. In den Artikeln [B] und [C] wird ein ingenieurmäßiger Ansatz zur Ermittlung des Torsionsverhaltens von segmentierten Betontürmen vorgestellt, der auf der Wölbtheorie dünnwandiger Stäbe basiert. Dieser Berechnungsansatz beinhaltet zwei Methoden zur Ermittlung der inneren Schnittgrößen eines Halbschalenpaares und der zugehörigen Spannungsberechnung. Es wird eine praktikable Analysemethode in Analogie zur Balkentheorie höherer Ordnung eingeführt, um die Schwierigkeiten bei der numerischen Berechnung mit der Finiten Elemente Methode zu bewältigen. Damit kann das Tragverhalten möglichst genau beschrieben und die maßgeblichen Einflussparameter isoliert werden. In Artikel [D] wird die Weiterentwicklung sowie die numerische und analytische Validierung des Ingenieurmodells für die gesamte Turmstruktur vorgestellt. Der Einfluss der Nachbarsegmente auf das Torsionsverhalten des zusammengesetzten Halbschalenturms wird in den Modellansatz implementiert. Dies erfolgt auf der Grundlage analytischer Modellvorstellungen unter der Verwendung von Federsystemen und umfangreicher numerischer Untersuchungen. Ergänzende Betrachtungen umfassen die Oberflächenbeschaffenheit der geschliffenen Betonsegmente, die Voruntersuchungen an Aluminiumsegmenten, die ersten Vorüberlegungen zu einem kohärenten Versuchskonzept und die Auswirkungen von mehrfach vertikal geteilten Segmenten. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse zusammengefasst und das übergreifende Gesamtergebnis der Forschung wird über die Bewertung der Hypothesen beschrieben. Darüber hinaus werden die wichtigsten Perspektiven für zukünftige Forschungs- und Transferleistungen aufgezeigt. Die Darstellung des Gesamtergebnisses dieser Dissertation zeigt eindrucksvoll, dass die sukzessive Erweiterung des Modellansatzes zu einer genaueren und differenzierteren Isolierung der Einflussgrößen führt. Dies verbessert unter Berücksichtigung der Anwendungsgrenzen die realitätsnahe Abbildung des Torsionsverhaltens zusammengesetzter Halbschalen auf Basis der Wölbtheorie dünnwandiger Stäbe. Die kontinuierliche Weiterentwicklung geht nicht zulasten der Einfachheit und Anwendbarkeit des Ingenieurmodells. Dementsprechend führt die analytisch nachgewiesene und numerisch validierte Abhängigkeit vom Schlankheitsgrad der Segmente zu einem besseren Verständnis der Lastabtragung in der modularen Fertigteilstruktur. Die Anwendung der Analogie zum biegebeanspruchten Zugstab ermöglicht eine wesentlich vereinfachte Schnittgrößenermittlung als Grundlage für die Stahlbetonbemessung. Ein besseres Verständnis des Kraftflusses in der modularen Konstruktion wird durch die Aufteilung der Lastkomponenten erreicht. Die Zusammenführung der Ansätze aus Zugstabanalogie, Lastumverteilungsprinzip und modifiziertem Verformungsansatz unter Berücksichtigung der Nachbarsegmente ermöglichen es den Anwender:innen, die Einflussparameter des Torsionsverhaltens ohne großen Aufwand zu isolieren und zu bewerten. Schließlich sind neben den Modellansätzen und detaillierten numerischen Betrachtungen auch begleitende experimentelle Untersuchungen erforderlich, wobei diese Dissertation die Grundlage für ein schlüssiges und durchdachtes Versuchsprogramm darstellt.

For the stability assessment of members and structures according to EN 1993-1-1 the equivalent member method, the geometrical nonlinear calculation with equivalent geometrical imperfections or the GMNIA analysis with geometrical imperfections and residual stresses can be used alternatively. The second possibility requires a corresponding model for the cross-section resistance. For the verification of lateral torsional buckling, bow imperfections e0 out of plane are defined, which lead in combination with the given loading in plane and the geometrical non-linear analysis to bending Mz and torsion of the members. The amplitudes of the imperfections are highly dependent on the nature of the approach (e.g., scaling of the buckling shape, assumption of bow imperfections) and the resistance model for the members. Within the framework of the scientific work supervised by the TU Dresden and the TU Darmstadt [1], extensive parameter studies were carried out to calibrate imperfections for lateral torsional buckling based on the GMNIA. After determining the nature of imperfections and the design models for section resistance, this paper presents results of these parameter studies and shows the calibration of imperfections for a standardisation proposal based on EN1993-1-1. The evaluation of the data in combination with the necessary simplifications for the design practice leads to appropriate definitions of imperfection values e0,LT and the necessary differentiations.

La continuité a un statut compliqué pour Deleuze et Leibniz. Chez Leibniz, la continuité est omniprésente dans ses mathématiques et sa métaphysique, mais il est aussi le théoricien de l'individualité absolue des monades, qui peuvent être interprétées comme des discontinuités irréductibles. Chez Deleuze, le champ Idéal est parfois considéré comme une continuité, mais il se caractérise aussi par une affirmation de divergence (et d'incompossibilité), qui pourrait impliquer une sorte de discontinuité dans l'ordre virtuel. Cette étude aborde ce problème chez les deux penseurs et révèle le rôle de la continuité dans leur métaphysique. En effet, un concept deleuzien de continuité est reconstitué en explorant Le pli, Différence et répétition, et Logique du sens. Il est montré comment la continuité (chez les deux penseurs), en tant que concept mathématique, se transforme en une notion métaphysique indispensable à la philosophie de l'événement de Deleuze. Cette recherche développe les nuances conceptuelles d'une notion deleuzienne de continuité et identifie ses différents types, à savoir la continuité divergente, la continuité intensive, la continuité torsionnelle et la continuité ten(or)sionnelle. Cette analyse permet de mettre au premier plan la correspondance architectonique de la métaphysique de Deleuze dans ces trois livres, une architecture empreinte de continuité et de pli. / Continuity has a complicated status for Deleuze and Leibniz. For Leibniz, continuity is prevalent in his mathematics and metaphysics, but he is also known to be the theoretician of the absolute individuality of monads, which can be interpreted as irreducible discontinuities. For Deleuze, the Ideal field is sometimes regarded as continuity, but it is also characterized by an affirmation of divergence (and incompossibility), which might imply a kind of discontinuity in the virtual order. This study engages with this problem in both thinkers and discloses the role of continuity in their metaphysics. Indeed, a Deleuzian concept of continuity is reconstituted while exploring The Fold, Difference and Repetition, and Logic of Sense. It is shown how continuity (in both thinkers), as a mathematical concept, turns into a metaphysical notion that is indispensable for Deleuze’s philosophy of event. This research unfolds the conceptual nuances of a Deleuzian notion of continuity and identifies its different types, namely, divergent continuity, intensive continuity, torsional continuity, and ten(or)sional continuity. This analysis allows us to foreground the architectonic correspondence of Deleuze's metaphysics in these three books, an architecture imbued with continuity and fold.