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Turning Pages: An Annual Creative Writing Journal at Chemnitz University of Technology
No full textTURNING PAGES is an annual magazine of bright voices from all over the world in creative and original writing in English in short fiction, creative nonfiction, and poetry, as well as in play excerpts, drawings, art projects and many other related genres by students, academics, and writers. It is a production of the Chair of English Literatures at the English Department at Chemnitz University of Technology, Germany, and the first journal of its kind at the university
Contributions to the Simulation and Optimization of the Manufacturing Process and the Mechanical Properties of Short Fiber-Reinforced Plastic Parts
Get PDFThis thesis addresses issues related to the simulation and optimization of the injection molding of short fiber-reinforced plastics (SFRPs).
The injection molding process is modeled by a two phase flow problem.
The simulation of the two phase flow is accompanied by the solution of the Folgar-Tucker equation (FTE) for the simulation of the moments of fiber orientation densities.
The FTE requires the solution of the so called 'closure problem'', i.e. the representation of the 4th order moments in terms of the 2nd order moments.
In the absence of fiber-fiber interactions and isotropic initial fiber density, the FTE admits an analytical solution in terms of elliptic integrals.
From these elliptic integrals, the closure problem can be solved by a simple numerical inversion.
Part of this work derives approximate inverses and analytical inverses for special cases of fiber orientation densities.
Furthermore a method is presented to generate rational functions for the computation of arbitrary moments in terms of the 2nd order closure parameters.
Another part of this work treats the determination of effective material properties for SFRPs by the use of FFT-based homogenization methods.
For these methods a novel discretization scheme, the 'staggered grid'' method, was developed and successfully tested. Furthermore the so called 'composite voxel'' approach was extended to nonlinear elasticity, which improves the approximation of material properties at the interfaces and allows the reduction of the model order by several magnitudes compared to classical approaches. Related the homogenization we investigate optimal experimental designs to robustly determine effective elastic properties of SFRPs with the least number of computer simulations.
Finally we deal with the topology optimization of injection molded parts, by extending classical SIMP-based topology optimization with an approximate model for the fiber orientations.
Along with the compliance minimization by topology optimization we also present a simple shape optimization method for compensation of part warpage for an black-box production process.:Acknowledgments v
Abstract vii
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Nomenclature 3
Chapter 2. Numerical simulation of SFRP injection molding 5
2.1 Introduction 5
2.2 Injection molding technology 5
2.3 Process simulation 6
2.4 Governing equations 8
2.5 Numerical implementation 18
2.6 Numerical examples 25
2.7 Conclusions and outlook 27
Chapter 3. Numerical and analytical methods for the exact closure of the Folgar-Tucker equation 35
3.1 Introduction 35
3.2 The ACG as solution of Jeffery's equation 35
3.3 The exact closure 36
3.4 Carlson-type elliptic integrals 37
3.5 Inversion of R_D-system 40
3.6 Moment tensors of the angular central Gaussian distribution on the n-sphere 49
3.7 Experimental evidence for ACG distribution hypothesis 54
3.8 Conclusions and outlook 60
Chapter 4. Homogenization of SFRP materials 63
4.1 Introduction 63
4.2 Microscopic and macroscopic model of SFRP materials 63
4.3 Effective linear elastic properties 65
4.4 The staggered grid method 68
4.5 Model order reduction by composite voxels 80
4.6 Optimal experimental design for parameter identification 93
Chapter 5. Optimization of parts produced by SFRP injection molding 103
5.1 Topology optimization 103
5.2 Warpage compensation 110
Chapter 6. Conclusions and perspectives 115
Appendix A. Appendix 117
A.1 Evaluation of R_D in Python 117
A.2 Approximate inverse for R_D in Python 117
A.3 Inversion of R_D using Newton's/Halley's method in Python 117
A.4 Inversion of R_D using fixed point method in Python 119
A.5 Moment computation using SymPy 120
A.6 Fiber collision test 122
A.7 OED calculation of the weighting matrix 123
A.8 OED Jacobian of objective and constraints 123
Appendix B. Theses 125
Bibliography 127Diese Arbeit befasst sich mit Fragen der Simulation und Optimierung des Spritzgießens von kurzfaserverstärkten Kunststoffen (SFRPs).
Der Spritzgussprozess wird durch ein Zweiphasen-Fließproblem modelliert.
Die Simulation des Zweiphasenflusses wird von der Lösung der Folgar-Tucker-Gleichung (FTE) zur Simulation der Momente der Faserorientierungsdichten begleitet.
Die FTE erfordert die Lösung des sogenannten 'Abschlussproblems'', d. h. die Darstellung der Momente 4. Ordnung in Form der Momente 2. Ordnung.
In Abwesenheit von Faser-Faser-Wechselwirkungen und anfänglich isotroper Faserdichte lässt die FTE eine analytische Lösung durch elliptische Integrale zu.
Aus diesen elliptischen Integralen kann das Abschlussproblem durch eine einfache numerische Inversion gelöst werden.
Ein Teil dieser Arbeit leitet approximative Inverse und analytische Inverse für spezielle Fälle von Faserorientierungsdichten her.
Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, um rationale Funktionen für die Berechnung beliebiger Momente in Bezug auf die Abschlussparameter 2. Ordnung zu generieren.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Bestimmung effektiver Materialeigenschaften für SFRPs durch FFT-basierte Homogenisierungsmethoden.
Für diese Methoden wurde ein neuartiges Diskretisierungsschema 'staggerd grid'' entwickelt und erfolgreich getestet. Darüber hinaus wurde der sogenannte 'composite voxel''-Ansatz auf die nichtlineare Elastizität ausgedehnt, was die Approximation der Materialeigenschaften an den Grenzflächen verbessert und die Reduzierung der Modellordnung um mehrere Größenordnungen im Vergleich zu klassischen Ansätzen ermöglicht. Im Zusammenhang mit der Homogenisierung untersuchen wir optimale experimentelle Designs, um die effektiven elastischen Eigenschaften von SFRPs mit der geringsten Anzahl von Computersimulationen zuverlässig zu bestimmen.
Schließlich beschäftigen wir uns mit der Topologieoptimierung von Spritzgussteilen, indem wir die klassische SIMP-basierte Topologieoptimierung um ein Näherungsmodell für die Faserorientierungen erweitern.
Neben der Compliance-Minimierung durch Topologieoptimierung stellen wir eine einfache Formoptimierungsmethode zur Kompensation von Teileverzug für einen Black-Box-Produktionsprozess vor.:Acknowledgments v
Abstract vii
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Nomenclature 3
Chapter 2. Numerical simulation of SFRP injection molding 5
2.1 Introduction 5
2.2 Injection molding technology 5
2.3 Process simulation 6
2.4 Governing equations 8
2.5 Numerical implementation 18
2.6 Numerical examples 25
2.7 Conclusions and outlook 27
Chapter 3. Numerical and analytical methods for the exact closure of the Folgar-Tucker equation 35
3.1 Introduction 35
3.2 The ACG as solution of Jeffery's equation 35
3.3 The exact closure 36
3.4 Carlson-type elliptic integrals 37
3.5 Inversion of R_D-system 40
3.6 Moment tensors of the angular central Gaussian distribution on the n-sphere 49
3.7 Experimental evidence for ACG distribution hypothesis 54
3.8 Conclusions and outlook 60
Chapter 4. Homogenization of SFRP materials 63
4.1 Introduction 63
4.2 Microscopic and macroscopic model of SFRP materials 63
4.3 Effective linear elastic properties 65
4.4 The staggered grid method 68
4.5 Model order reduction by composite voxels 80
4.6 Optimal experimental design for parameter identification 93
Chapter 5. Optimization of parts produced by SFRP injection molding 103
5.1 Topology optimization 103
5.2 Warpage compensation 110
Chapter 6. Conclusions and perspectives 115
Appendix A. Appendix 117
A.1 Evaluation of R_D in Python 117
A.2 Approximate inverse for R_D in Python 117
A.3 Inversion of R_D using Newton's/Halley's method in Python 117
A.4 Inversion of R_D using fixed point method in Python 119
A.5 Moment computation using SymPy 120
A.6 Fiber collision test 122
A.7 OED calculation of the weighting matrix 123
A.8 OED Jacobian of objective and constraints 123
Appendix B. Theses 125
Bibliography 12
Expert System for Adaptive Flight Missions
Get PDFHigh voltage transmission lines are used for distributing electricity and have to work reliably as it directly affects their performance. Therefore, inspections and maintenances are required in order to keep them working and to find damages as soon as possible. These inspections are still done by humans, which costs a lot of resources, as it is not only dangerous but also cost- and time consuming.
This Bachelor's thesis proposes an alternative way of inspection that can be done by presenting an expert system that is able to help the flight controller of an unmanned aerial vehicle. The implementation is done by splitting the main objective into smaller scenarios, each building the fundamentals for developing further flight missions. CLIPS is the expert system programming language used in order to write scripts for each scenario.
Tests to verify the functionality and executability of the implemented concept were done using three dfferent methods. The first test was made using a simulation, the next step was to use the hardware that is used in the field and the last test was to execute the implementation on a real copter.Hochspannungsleitungen werden zur Verteilung von Strom verwendet und müssen zuverlässig funktionieren, da sich ihre Zuverlässigkeit direkt auf die Leistung auswirkt. Deshalb sind Inspektionen und Wartungen erforderlich, um die Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten und Schäden so schnell wie möglich zu erkennen. Diese Inspektionen werden noch immer vom Menschen durchgeführt, was viele Ressourcen kostet, da es nicht nur gefährlich, sondern auch kosten- und zeitaufwendig ist.
Diese Bachelorarbeit schlägt eine alternative Art und Weise Inspektionen durchzuführen vor, indem sie ein Expertensystem verwendet, das in der Lage ist bei der Führung des Flug-Controllers eines unbemannten Luftfahrzeugs zu helfen.
Die Umsetzung erfolgt durch die Aufteilung des Hauptziels in kleinere Szenarien, die jeweils die Grundlagen für die Entwicklung weiterer Flugmissionen bilden. CLIPS ist die verwendete Expertensystem-Programmiersprache, um Skripte für jedes Szenario zu schreiben.
Tests zur Uberprüfung der Funktionalität und Ausführbarkeit des implementierten Konzepts wurden mit Hilfe von drei verschiedenen Methoden durchgeführt. Der erste Test wurde mit einer Simulation erhoben. Der nächste Schritt war die Verwendung von Hardware, die in echten Einsätzen benutzt wird und der letzte Test war die Ausführung der Implementierung auf einem echten Quadrocopter
A Systematic Review on the Cognitive Benefits and Neurophysiological Correlates of Exergaming in Healthy Older Adults
Get PDFHuman aging is associated with structural and functional brain deteriorations and a corresponding cognitive decline. Exergaming (i.e., physically active video-gaming) has been supposed to attenuate age-related brain deteriorations and may even improve cognitive functions in healthy older adults. Effects of exergaming, however, vary largely across studies. Moreover, the underlying neurophysiological mechanisms by which exergaming may affect cognitive and brain function are still poorly understood. Therefore, we systematically reviewed the effects of exergame interventions on cognitive outcomes and neurophysiological correlates in healthy older adults (>60 years). After screening 2709 studies (Cochrane Library, PsycINFO, Pubmed, Scopus), we found 15 eligible studies, four of which comprised neurophysiological measures. Most studies reported within group improvements in exergamers and favorable interaction effects compared to passive controls. Fewer studies found superior effects of exergaming over physically active control groups and, if so, solely for executive functions. Regarding individual cognitive domains, results showed no consistence. Positive effects on neurophysiological outcomes were present in all respective studies. In summary, exergaming seems to be equally or slightly more effective than other physical interventions on cognitive functions in healthy older adults. Tailored interventions using well-considered exergames and intervention designs, however, may result in more distinct effects on cognitive functions
Methoden und Herausforderungen bei der numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens (SLM)
Get PDFAdditive Fertigungsverfahren stellen in den letzten Jahren einen Megatrend dar, da sich mit diesen Verfahren endkonturnahe Werkstücke mit hohem Materialausnutzungsgrad herstellen lassen. Die auch als 3D-Druck bekannt gewordenen additiven Fertigungsverfahren sind jedoch nicht auf die Prototypenfertigung aus Kunststoffen begrenzt. Beim selektiven Laserschmelzen werden metallische Werkstoffe im Pulverbettverfahren mittels Laserstrahl aufgeschmolzen und somit schichtweise aufgebaut. Das Verfahren findet bereits in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, aber auch in der Automobilindustrie und im Maschinenbau Anwendung für Prototypen, Einzelanfertigungen oder Kleinstserien. Des Weiteren ermöglicht es auch die Herstellung von Werkstücken mit besonders hoher Komplexität, die mit spanenden Verfahren nicht herstellbar sind, und bietet dadurch neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Konstruktion.
Innerhalb des Vortrags werden nach der Vorstellung des Verfahrens verschiedene Methoden zur numerischen Simulation des selektiven Laserschmelzens von Edelstahl (1.4404) am Beispiel der kommerziellen Software Simufact Additive erläutert. Dazu werden der mechanische und thermo-mechanische Lösungsansatz betrachtet sowie die Methode zur Kalibrierung der Simulationen erläutert. Die Erläuterung eines voll transienten thermo-mechanischen Ansatzes erfolgt unter Verwendung der Software MSC Marc.
Des Weiteren wird der Einfluss der Orientierung des Werkstücks im Herstellungsprozess auf resultierende Spannungen, Verzug sowie mechanische Eigenschaften analysiert und mit experimentellen Untersuchungen untersetzt
Prozess- und Struktursimulation von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Karosseriebauteilen
Get PDFExperimentelle Ermittlung von Kennwerten für die Simulation des Thermoformenprozesses. Umformsimulation von Karosseriebauteilen (bspw.
Dachspriegel BMW 7er oder Batterieträger R8 e-tron) aus endlosfaserverstärkten
Thermoplasten. Übertragung der Faserorientierung aus der Umformsimulation in die Struktursimulation zur Bauteildimensionierung sowie Vergleich zu experimentellen Untersuchungen an einem ausgewählten Strukturbauteil
Manufacturing of 42SiCr-Pipes for Quenching and Partitioning by Longitudinal HFI-Welding
Get PDFIn the pipe manufacturing and pipe processing industry, the demand for cost-effective pipes with high strength and good ductility is increasing. In the present study, the inductive longitudinal welding process was combined with a Quenching and Partitioning (Q&P) treatment to manufacture pipes with enhanced mechanical properties. The aim of the Q&P process is to establish a martensitic structure with increased retained austenite content. This allows for the beneficial use of both phases: the strength of martensite as well as the ductility of retained austenite. A 42SiCr steel, developed for Q&P processes, was joined at the longitudinal seam by a high-frequency induction (HFI) welding process and was subsequently heat-treated. The applied heat treatments included normalizing, austenitizing, quenching, and two Q&P strategies (Q&P-A/Q&P-B) with distinct quenching (Tq = 200/150 °C) and partitioning temperatures (Tp = 300/250 °C). Investigations of the microstructures revealed that Q&P tubes exhibit increased amounts of retained austenite in the martensitic matrix. Differences between the weld junction and the base material occurred, especially regarding the morphology of the martensite; the martensite found in the weld junction is finer and corresponds more to the lath-type morphology, compared to the base material in the circumference. In all zones of the welded tube circumference, retained austenite has been found in similar distributions. The mechanical testing of the individual tubes demonstrated that the Q&P treatments offer increased strength compared to all other states and significantly improved ductility compared to the quenched condition. Therefore, the approach of Q&P treatment of HFI-welded tubes represents a route for the mass production of high-strength tubular products with improved ductility
Die Einzelnen und ihre Energie: Der Blick auf den Menschen in der Sicht der Wissenschaft Das Familienstellen, die Verschränkung und die Epigenetik
Get PDFDas Familienstellen, das Stellen von Familienkonstellationen, das auch als System-
Aufstellung bezeichnet wird, stellt ein therapeutisches Verfahren dar, das seit den 1970er Jahren immer mehr Zuspruch und Anwendung in der Psychiatrie findet und inzwischen auch in Unternehmen eingesetzt wird, um Entscheidungen in komplexen Situationen und in sich permanent wandelnden Kontexten zu treffen oder den Sand im Getriebe ausfindig zu machen, der die Betriebsabläufe stört. Der vielfach angemerkte Erfolg des Familienstellens bringt die Herausforderung von wissenschaftlichen Erklärungen mit sich, wobei in diesem Beitrag Vorschläge gemacht werden, die sich vor allem in der Quantenphysik umschauen und bei der Epigenetik bedienen. Es gehört zu den spannenden Fragen der Gegenwart, wie man „Von der Quantenphysik zum Bewusstsein“ und damit zu den Einflüssen der Familienkonstellation auf
den Einzelnen in der Gruppe kommt. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Konzept der Energie, deren Eigenschaft, unzerstörbar zu sein, mehr Aufmerksamkeit im humanen Bereich verdient, als ihr bisher zugestanden wird
An Invitation to Generalized Minkowski Geometry
Get PDFThe present thesis contributes to the theory of generalized Minkowski spaces as a continuation of Minkowski geometry, i.e., the geometry of finite-dimensional normed spaces over the field of real numbers.
In a generalized Minkowski space, distance and length measurement is provided by a gauge, whose definition mimics the definition of a norm but lacks the symmetry requirement.
This seemingly minor change in the definition is deliberately chosen.
On the one hand, many techniques from Minkowski spaces can be adapted to generalized Minkowski spaces because several phenomena in Minkowski geometry simply do not depend on the symmetry of distance measurement.
On the other hand, the possible asymmetry of the distance measurement set up by gauges is nonetheless meaningful and interesting for applications, e.g., in location science.
In this spirit, the presentation of this thesis is led mainly by minimization problems from convex optimization and location science which are appealing to convex geometers, too.
In addition, we study metrically defined objects, which may receive a new interpretation when we measure distances asymmetrically.
To this end, we use a combination of methods from convex analysis and convex geometry to relate the properties of these objects to the shape of the unit ball of the generalized Minkowski space under consideration
Reproducibility of Blood Lactate Concentration Rate under Isokinetic Force Loads
Get PDF(1) Background: Maximum isokinetic force loads show strongly increased post-load lactate concentrations and an increase in the maximum blood lactate concentration rate ( V˙ Lamax), depending on load duration. The reproducibility of V˙ Lamax must be known to be able to better assess training-related adjustments of anaerobic performance using isokinetic force tests. (2) Methods: 32 subjects were assigned to two groups and completed two unilateral isokinetic force tests (210° s−1, Range of Motion 90°) within seven days. Group 1 (n = 16; age 24.0 ± 2.8 years, BMI 23.5 ± 2.6 kg m−2, training duration: 4.5 ± 2.4 h week−1) completed eight repetitions and group 2 (n = 16; age 23.7 ± 1.9 years, BMI 24.6 ± 2.4 kg m−2, training duration: 5.5 ± 2.1 h week−1) completed 16 repetitions. To determine V˙ Lamax, capillary blood (20 µL) was taken before and immediately after loading, and up to the 9th minute post-load. Reproducibility and variability was determined using Pearson and Spearman correlation analyses, and variability were determined using within-subject standard deviation (Sw) and Limits of Agreement (LoA) using Bland Altman plots. (3) Results: The correlation of V˙ Lamax in group 1 was r = 0.721, and in group 2 r = 0.677. The Sw of V˙ Lamax was 0.04 mmol L−1 s−1 in both groups. In group 1, V˙ Lamax showed a systematic bias due to measurement repetition of 0.02 mmol L−1 s−1 in an interval (LoA) of ±0.11 mmol L−1 s−1. In group 2, a systematic bias of −0.008 mmol L−1 s−1 at an interval (LoA) of ±0.11 mmol L−1 s−1 was observed for repeated measurements of V˙ Lamax. (4) Conclusions: Based on the existing variability, a reliable calculation of V˙ Lamax seems to be possible with both short and longer isokinetic force loads. Changes in V˙ Lamax above 0.11 mmol L−1 s−1 due to training can be described as a non-random increase or decrease in V˙ Lamax