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Hybrid journal (It can contain Open Access articles)
ISSN (Print) 1434-0860 - ISSN (Online) 0015-7899
Published by Springer-Verlag
[2185 journals] [SJR: 0.131] [H-I: 10]
Hybrid journal (It can contain Open Access articles)ISSN (Print) 1434-0860 - ISSN (Online) 0015-7899
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[2185 journals] [SJR: 0.131] [H-I: 10]- Key features of flexure hinges used as rotational joints
- Abstract: Abstract
This article is supposed to serve as a guide for the design of flexure hinges that act as rotational joints. Firstly, flexure hinges with concentrated and distributed compliance are reviewed. They can be modeled by linear beam theories or by the theory of Elastica, respectively. Secondly, the transition between these limit cases is investigated by finite element methods (FEM). A planar symmetric flexure hinge with a circular notch serves as an exemplary geometry. By extending the notch the compliance is distributed. The deflection curves and the kinetics of desired and parasitic motions are chosen as key features to be studied. The corresponding results are compressed into a pseudo-rigid-body model (PRBM) approximation for a range of geometries. It turned out that the concentrated compliance matches best with an ideal rotational joint, but even for small displacements large stresses occur so that its range of operation is small. Distributing the compliance increases the range of operation, however stiffness within the task space decreases dramatically so that the design of a flexure hinge becomes a tradeoff between the two concurring goals large stiffness and large range of operation.
PubDate: 2013-10-23
- Abstract: Abstract
This article is supposed to serve as a guide for the design of flexure hinges that act as rotational joints. Firstly, flexure hinges with concentrated and distributed compliance are reviewed. They can be modeled by linear beam theories or by the theory of Elastica, respectively. Secondly, the transition between these limit cases is investigated by finite element methods (FEM). A planar symmetric flexure hinge with a circular notch serves as an exemplary geometry. By extending the notch the compliance is distributed. The deflection curves and the kinetics of desired and parasitic motions are chosen as key features to be studied. The corresponding results are compressed into a pseudo-rigid-body model (PRBM) approximation for a range of geometries. It turned out that the concentrated compliance matches best with an ideal rotational joint, but even for small displacements large stresses occur so that its range of operation is small. Distributing the compliance increases the range of operation, however stiffness within the task space decreases dramatically so that the design of a flexure hinge becomes a tradeoff between the two concurring goals large stiffness and large range of operation.
- Bildung von geordneten Konstruktionsfamilien unter Anwendung von Ähnlichkeitsgesetzen
- Abstract: Zusammenfassung
Die Theorie der Konstruktionsähnlichkeit basiert auf der Theorie der physikalischen Ähnlichkeit. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist eine derartige Auswahl von Konstruktionsmerkmalen in den einzelnen Typengrößen der Typenreihen, um identische: physikalische, stereomechanische aber auch einfache Zustände, wie in der Grundkonstruktion, zu erhalten. Die Grundaufzeichnungsform einer Konstruktion einer Typenreihe ist die programmierbare, grafische und relationale Parametrisierung.
PubDate: 2013-10-18
- Abstract: Zusammenfassung
Die Theorie der Konstruktionsähnlichkeit basiert auf der Theorie der physikalischen Ähnlichkeit. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist eine derartige Auswahl von Konstruktionsmerkmalen in den einzelnen Typengrößen der Typenreihen, um identische: physikalische, stereomechanische aber auch einfache Zustände, wie in der Grundkonstruktion, zu erhalten. Die Grundaufzeichnungsform einer Konstruktion einer Typenreihe ist die programmierbare, grafische und relationale Parametrisierung.
- On the determination of natural frequencies of a cantilever beam in free bending vibration: a rigid multibody approach
- Abstract: Abstract
A new approximate method for the determination of natural frequencies of a cantilever beam in free bending vibration by a rigid multibody system is proposed. Uniform Euler-Bernoulli cantilever beams with and without a lumped mass at the tips are considered. The modelling method consists of two steps. In the first step, the cantilever beam is replaced by lumped masses interconnected by massless flexible beams. In the second step, the massless flexible beams are replaced by massless rigid beams connected through revolute and prismatic joints with corresponding springs in them. Elastic properties of the massless flexible beams are modelled by the springs introduced. The method proposed is compared with similar ones in the literature.
PubDate: 2013-10-08
- Abstract: Abstract
A new approximate method for the determination of natural frequencies of a cantilever beam in free bending vibration by a rigid multibody system is proposed. Uniform Euler-Bernoulli cantilever beams with and without a lumped mass at the tips are considered. The modelling method consists of two steps. In the first step, the cantilever beam is replaced by lumped masses interconnected by massless flexible beams. In the second step, the massless flexible beams are replaced by massless rigid beams connected through revolute and prismatic joints with corresponding springs in them. Elastic properties of the massless flexible beams are modelled by the springs introduced. The method proposed is compared with similar ones in the literature.
- Aufbau und Validierung eines Prozesskraftmodells für das kontinuierliche Wälzschleifen von Stirnradverzahnungen
- Abstract: Zusammenfassung
Zur Verbesserung der Tragfähigkeit und der Laufruhe von Verzahnungen ist es Stand der Technik, einsatzgehärtete Verzahnungen nach der Wärmebehandlung abschließend hartfein zu bearbeiten. Eine Möglichkeit für die Hartfeinbearbeitung ist das kontinuierliche Wälzschleifen, das aufgrund der hohen Produktivität ein industriell etablierter Prozess ist. Trotz des weitreichenden industriellen Einsatzes liegen bisher nur begrenzt wissenschaftliche Kenntnisse über das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen vor. Ein Grund dafür sind die komplexen Kontaktbedingungen zwischen Schleifschnecke und Werkstück beim Wälzschleifen. Während der Bearbeitung befinden sich immer mehrere Zahnflanken gleichzeitig im Eingriff mit der Schleifschnecke. Dies erschwert unter anderem eine Übertragung vorhandener Erkenntnisse aus anderen, besser erforschten Schleifprozessen (z. B. dem diskontinuierlichen Profilschleifen). Die veränderlichen Kontaktbedingungen führen zu einer ausgeprägten Dynamik im Prozess, die eine Herausforderung sowohl für die Maschinenentwicklung, die Regelungstechnik als auch für die Prozessauslegung darstellt. Die Kenntnis der zu erwartenden Bearbeitungskräfte und ihres zeitlichen Verlaufs ist daher notwendig, um die Dynamik des Prozesses einerseits beschreiben und andererseits optimieren zu können. Hierzu müssen sowohl der Betrag als auch die Richtung der lokal auftretenden Zerspanungskräfte bekannt sein. Allerdings ist die Bestimmung der auftretenden Zerspanungskräfte im Wälzschleifprozess nur mit großem Aufwand möglich. Bisher existieren keine systematischen Untersuchungen zum Einfluss der Maschineneinstellparameter auf die Zerspanungskräfte im Wälzschleifprozess.
PubDate: 2013-09-25
- Abstract: Zusammenfassung
Zur Verbesserung der Tragfähigkeit und der Laufruhe von Verzahnungen ist es Stand der Technik, einsatzgehärtete Verzahnungen nach der Wärmebehandlung abschließend hartfein zu bearbeiten. Eine Möglichkeit für die Hartfeinbearbeitung ist das kontinuierliche Wälzschleifen, das aufgrund der hohen Produktivität ein industriell etablierter Prozess ist. Trotz des weitreichenden industriellen Einsatzes liegen bisher nur begrenzt wissenschaftliche Kenntnisse über das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen vor. Ein Grund dafür sind die komplexen Kontaktbedingungen zwischen Schleifschnecke und Werkstück beim Wälzschleifen. Während der Bearbeitung befinden sich immer mehrere Zahnflanken gleichzeitig im Eingriff mit der Schleifschnecke. Dies erschwert unter anderem eine Übertragung vorhandener Erkenntnisse aus anderen, besser erforschten Schleifprozessen (z. B. dem diskontinuierlichen Profilschleifen). Die veränderlichen Kontaktbedingungen führen zu einer ausgeprägten Dynamik im Prozess, die eine Herausforderung sowohl für die Maschinenentwicklung, die Regelungstechnik als auch für die Prozessauslegung darstellt. Die Kenntnis der zu erwartenden Bearbeitungskräfte und ihres zeitlichen Verlaufs ist daher notwendig, um die Dynamik des Prozesses einerseits beschreiben und andererseits optimieren zu können. Hierzu müssen sowohl der Betrag als auch die Richtung der lokal auftretenden Zerspanungskräfte bekannt sein. Allerdings ist die Bestimmung der auftretenden Zerspanungskräfte im Wälzschleifprozess nur mit großem Aufwand möglich. Bisher existieren keine systematischen Untersuchungen zum Einfluss der Maschineneinstellparameter auf die Zerspanungskräfte im Wälzschleifprozess.
- Näherungsverfahren zur Berechnung von Kerbspannungen und -dehnungen bei Plastizität und Kriechen
- Abstract: Zusammenfassung
Diese Arbeit stellt vier Näherungsverfahren zur Abschätzung der Spannungskonzentration an Kerben vor. Es handelt sich um die Neuber-Regel, die Glinka-Methode, die Interpolationsmethode und eine neu entwickelte, numerische Neuber-Regel. Dabei werden Kriechen und Plastizität bei proportionaler Belastung und konstanter Temperatur berücksichtigt. Außerdem wird ein Verfahren zur Berechnung der Hauptspannungen und -dehnungen im Kerbgrund beschrieben. Um diese Verfahren zu verifizieren, werden FEM-Berechnungen an einer gelochten Scheibe und einer Kerbprobe als Beispiele unter Zugbelastung durchgeführt. Zusätzlich werden die durchschnittlichen Abweichungen der Näherungsverfahren von den FEM-Werten ermittelt. Es wird damit gezeigt, dass alle vier Methoden die FEM-Werte mit hoher Genauigkeit approximieren.
PubDate: 2013-09-24
- Abstract: Zusammenfassung
Diese Arbeit stellt vier Näherungsverfahren zur Abschätzung der Spannungskonzentration an Kerben vor. Es handelt sich um die Neuber-Regel, die Glinka-Methode, die Interpolationsmethode und eine neu entwickelte, numerische Neuber-Regel. Dabei werden Kriechen und Plastizität bei proportionaler Belastung und konstanter Temperatur berücksichtigt. Außerdem wird ein Verfahren zur Berechnung der Hauptspannungen und -dehnungen im Kerbgrund beschrieben. Um diese Verfahren zu verifizieren, werden FEM-Berechnungen an einer gelochten Scheibe und einer Kerbprobe als Beispiele unter Zugbelastung durchgeführt. Zusätzlich werden die durchschnittlichen Abweichungen der Näherungsverfahren von den FEM-Werten ermittelt. Es wird damit gezeigt, dass alle vier Methoden die FEM-Werte mit hoher Genauigkeit approximieren.
- Development of new models of performance correction factors of centrifugal pumps as a function of Reynolds number and specific speed
- Abstract: Abstract
The performance characteristics of a small centrifugal pump having a specific speed of 20 min−1 are measured when pumping two industrial Newtonian oils of viscosities 75 and 646 cSt, at value of Reynolds number near 103. The diminishing of the performance in the case of these oils compared to water is about 50 to 80 %. It decreases with the reduction of Reynolds number. The correction factors of head, of flow rate and efficiency, are determined depending on Reynolds number, and they are compared with those obtained using the European KSB empirical method, the American method ANSI/HI and the semi-empirical method based on the analysis of power losses. For centrifugal pumps of a specific speed below 50 min−1, the fall in performance increases with the decrease of Reynolds number and specific speed. The fall in efficiency is more important than the fall of the other performance parameters. A good agreement is obtained between experimental results and predicted results using the three above mentioned methods, with the exception of the efficiency correction factor obtained by the method of power losses analysis, in the range of Reynolds numbers between 103 and 105. The expression of correction performance factors based on the Reynolds number is universal. It allows to distinguish the ranges of correction factors falls, and to know the economic limitations of the use of centrifugal pumps. A fall of head and flow rate correction factors of over 10 % occurs at values of Reynolds number below 104. But, the fall of efficiency correction factor of over 10 % occurs at values of Reynolds number below 105. To facilitate to the professionals the calculation of the performance correction factors of centrifugal pumps, new models are proposed in this study according to Reynolds number and specific speed.
PubDate: 2013-08-23
- Abstract: Abstract
The performance characteristics of a small centrifugal pump having a specific speed of 20 min−1 are measured when pumping two industrial Newtonian oils of viscosities 75 and 646 cSt, at value of Reynolds number near 103. The diminishing of the performance in the case of these oils compared to water is about 50 to 80 %. It decreases with the reduction of Reynolds number. The correction factors of head, of flow rate and efficiency, are determined depending on Reynolds number, and they are compared with those obtained using the European KSB empirical method, the American method ANSI/HI and the semi-empirical method based on the analysis of power losses. For centrifugal pumps of a specific speed below 50 min−1, the fall in performance increases with the decrease of Reynolds number and specific speed. The fall in efficiency is more important than the fall of the other performance parameters. A good agreement is obtained between experimental results and predicted results using the three above mentioned methods, with the exception of the efficiency correction factor obtained by the method of power losses analysis, in the range of Reynolds numbers between 103 and 105. The expression of correction performance factors based on the Reynolds number is universal. It allows to distinguish the ranges of correction factors falls, and to know the economic limitations of the use of centrifugal pumps. A fall of head and flow rate correction factors of over 10 % occurs at values of Reynolds number below 104. But, the fall of efficiency correction factor of over 10 % occurs at values of Reynolds number below 105. To facilitate to the professionals the calculation of the performance correction factors of centrifugal pumps, new models are proposed in this study according to Reynolds number and specific speed.
- Pulsating flow of a couple stress fluid in a channel with permeable walls
- Abstract: Abstract
The paper is concerned with an analytical study of the oscillatory flow of a couple stress fluid in a channel, bounded by two permeable walls. The couple stress fluid is considered to be injected into the medium through one of the walls with a given velocity and to be sucked off by the other wall with an equal velocity. The problem is solved by using a perturbation technique. Analytical expressions for the velocity and volumetric flow rate are derived for the oscillatory flow of the couple stress fluid flowing in the channel. By using the method of parametric variation, distribution of the velocity of the couple stress fluid, change in velocity profiles at different instants of time, change in volumetric flow rate with change in frequency and cross-flow Reynolds number are computed, by considering an illustrative example. The study reveals that both the velocity and the volumetric flow rate are quite sensitive to the couple stress parameter, the frequency of oscillation and also to the cross-flow Reynolds number. The study will be immensely useful in resolving different problems associated with oil industries.
PubDate: 2013-04-12
- Abstract: Abstract
The paper is concerned with an analytical study of the oscillatory flow of a couple stress fluid in a channel, bounded by two permeable walls. The couple stress fluid is considered to be injected into the medium through one of the walls with a given velocity and to be sucked off by the other wall with an equal velocity. The problem is solved by using a perturbation technique. Analytical expressions for the velocity and volumetric flow rate are derived for the oscillatory flow of the couple stress fluid flowing in the channel. By using the method of parametric variation, distribution of the velocity of the couple stress fluid, change in velocity profiles at different instants of time, change in volumetric flow rate with change in frequency and cross-flow Reynolds number are computed, by considering an illustrative example. The study reveals that both the velocity and the volumetric flow rate are quite sensitive to the couple stress parameter, the frequency of oscillation and also to the cross-flow Reynolds number. The study will be immensely useful in resolving different problems associated with oil industries.
- Laserbeschriftung von Hartferritmagneten zur Kennzeichnung von Druckgussteilen
- Abstract: Zusammenfassung
Durch das vorgestellte Verfahren sollen Gussbauteile durch eine magnetische Kennzeichnung eindeutig beschriftet und zudem mit Produktionsdaten versehen werden. Hierzu werden informationstragende Magnete im Druckguss dicht unter die Oberfläche eingegossen. Mittels Laserbeschriftung mit einem diodengepumpten Ytterbium-Faserlaser wurden auf der Oberfläche der Hartferritmagnete Informationen, unteranderem in Form von DataMatrix-Codes, eingebracht. Verwendet wurden preisgünstige Strontiumferrit-Magnete. Aufgrund der durch den Laser hervorgerufenen lokalen Erwärmung über die Curie-Temperatur, kommt es zu Aufschmelzvorgängen und Werkstoffveränderungen an der Magnetoberfläche und folglich zur Entmagnetisierung des entsprechenden Volumens. Zudem wird die Oberfläche geometrisch verändert. Dies führt in den beschrifteten Bereichen zu einer messbaren Verringerung der magnetischen Flussdichte. Diese Unterschiede in der magnetischen Flussdichte lassen sich optisch mit Magnetfeldbetrachter oder durch die Messung mit Magnetfeldsensoren, wie zum Beispiel Hallsensoren, auslesen. Dieser Beitrag beschäftigt sich vornehmlich mit den Veränderungen auf der Magnetoberfläche sowie mit Visualisierungs- und Messmethoden. Die Ergebnisse erster Gießversuche werden präsentiert, um die Stabilität der magnetischen Markierung zu bestätigen.
PubDate: 2013-04-04
- Abstract: Zusammenfassung
Durch das vorgestellte Verfahren sollen Gussbauteile durch eine magnetische Kennzeichnung eindeutig beschriftet und zudem mit Produktionsdaten versehen werden. Hierzu werden informationstragende Magnete im Druckguss dicht unter die Oberfläche eingegossen. Mittels Laserbeschriftung mit einem diodengepumpten Ytterbium-Faserlaser wurden auf der Oberfläche der Hartferritmagnete Informationen, unteranderem in Form von DataMatrix-Codes, eingebracht. Verwendet wurden preisgünstige Strontiumferrit-Magnete. Aufgrund der durch den Laser hervorgerufenen lokalen Erwärmung über die Curie-Temperatur, kommt es zu Aufschmelzvorgängen und Werkstoffveränderungen an der Magnetoberfläche und folglich zur Entmagnetisierung des entsprechenden Volumens. Zudem wird die Oberfläche geometrisch verändert. Dies führt in den beschrifteten Bereichen zu einer messbaren Verringerung der magnetischen Flussdichte. Diese Unterschiede in der magnetischen Flussdichte lassen sich optisch mit Magnetfeldbetrachter oder durch die Messung mit Magnetfeldsensoren, wie zum Beispiel Hallsensoren, auslesen. Dieser Beitrag beschäftigt sich vornehmlich mit den Veränderungen auf der Magnetoberfläche sowie mit Visualisierungs- und Messmethoden. Die Ergebnisse erster Gießversuche werden präsentiert, um die Stabilität der magnetischen Markierung zu bestätigen.
- Elastic limits of a radially heated thick-walled cylindrically curved panel
- Abstract: Abstract
In analogy to the theory of wide curved beams, the basic equations for a cylindrically curved panel of homogeneous thickness in a state of plane strain subject to a radial temperature gradient are derived. The ends of this thick-walled shell are presupposed to be guided in such a way that a displacement in circumferential direction may occur and that the radius of the initial middle surface remains unchanged. Then, couples act on those ends, giving rise to pure bending conditions. Based thereon, the stresses occurring for a heated inner and/or outer surface are analyzed, and—taking thermal softening and hence a reduced yield stress into account—the elastic limits according to the yield criteria of Tresca and von Mises are discussed comprehensively.
PubDate: 2013-03-28
- Abstract: Abstract
In analogy to the theory of wide curved beams, the basic equations for a cylindrically curved panel of homogeneous thickness in a state of plane strain subject to a radial temperature gradient are derived. The ends of this thick-walled shell are presupposed to be guided in such a way that a displacement in circumferential direction may occur and that the radius of the initial middle surface remains unchanged. Then, couples act on those ends, giving rise to pure bending conditions. Based thereon, the stresses occurring for a heated inner and/or outer surface are analyzed, and—taking thermal softening and hence a reduced yield stress into account—the elastic limits according to the yield criteria of Tresca and von Mises are discussed comprehensively.
- Ausgleichsrechnung mit Tschebyscheffpolynomen
- Abstract: Zusammenfassung
Es wird eine Methode vorgestellt um Datensätze mit Zusatzbedingungen in einem Intervall mittels Tschebyscheffpolynomen zu approximieren. Eine geeignete Segmentierung des Intervalls ermöglicht in einzelnen Teilintervallen eine Tschebyscheffapproximation von geringem Grad. Man kann dadurch insgesamt mit weniger Tschebyscheffkoeffizienten auskommen, als bei einer einzigen hochgradigen Approximation des Gesamtintervalls. An den inneren Segmentgrenzen fordern wir Stetigkeit sowie an den Intervallgrenzen der beiden äußeren Segmente die Annahme vorgegebener Werte bis zur zweiten Ableitung. Mit Hilfe von Lagrangefaktoren und der Methode der kleinsten Quadrate formulieren wir ein Minimumproblem mit Nebenbedingungen. Dies führt auf ein lineares Gleichungssystem, dessen Lösung die entsprechenden Tschebyscheffkoeffizienten liefert.
PubDate: 2013-03-28
- Abstract: Zusammenfassung
Es wird eine Methode vorgestellt um Datensätze mit Zusatzbedingungen in einem Intervall mittels Tschebyscheffpolynomen zu approximieren. Eine geeignete Segmentierung des Intervalls ermöglicht in einzelnen Teilintervallen eine Tschebyscheffapproximation von geringem Grad. Man kann dadurch insgesamt mit weniger Tschebyscheffkoeffizienten auskommen, als bei einer einzigen hochgradigen Approximation des Gesamtintervalls. An den inneren Segmentgrenzen fordern wir Stetigkeit sowie an den Intervallgrenzen der beiden äußeren Segmente die Annahme vorgegebener Werte bis zur zweiten Ableitung. Mit Hilfe von Lagrangefaktoren und der Methode der kleinsten Quadrate formulieren wir ein Minimumproblem mit Nebenbedingungen. Dies führt auf ein lineares Gleichungssystem, dessen Lösung die entsprechenden Tschebyscheffkoeffizienten liefert.
- Analysis of coupled dissipative dynamic systems of engineering using extended Hamiltonian
$\mathcal{H}$
for classical and nonconservative Hamiltonian H
∗n
for higher order Lagrangian systems
- Abstract: Abstract
Lagrange and Hamilton formalisms derived from variational calculus can be applied nearly in all engineering sciences. In this study, the reader is introduced using tensorial variables in covariant and contravariant forms, to the extended Lagrangian
$\mathcal{L}$
and herewith to the modified momentum
${p}_{{k}}^{*}$
. Through both, the extended Hamiltonian
$\mathcal{H}$
of a dissipative engineering system is derived to analyze the engineering system in an analytical way. In addition, a nonconservative Hamiltonian H
∗n
for systems with elements of higher order is introduced in a similar manner. Moreover, different forms of extended Hamiltonian are represented. How these forms are achieved and how to derive the equations of generalized motion in different forms is also explained. As an example, a coupled electromechanical system in different formulations is given on behalf of the reader. The example is even extended to a case including some elements of higher order.
PubDate: 2013-01-01
- Abstract: Abstract
Lagrange and Hamilton formalisms derived from variational calculus can be applied nearly in all engineering sciences. In this study, the reader is introduced using tensorial variables in covariant and contravariant forms, to the extended Lagrangian
$\mathcal{L}$
and herewith to the modified momentum
${p}_{{k}}^{*}$
. Through both, the extended Hamiltonian
$\mathcal{H}$
of a dissipative engineering system is derived to analyze the engineering system in an analytical way. In addition, a nonconservative Hamiltonian H
∗n
for systems with elements of higher order is introduced in a similar manner. Moreover, different forms of extended Hamiltonian are represented. How these forms are achieved and how to derive the equations of generalized motion in different forms is also explained. As an example, a coupled electromechanical system in different formulations is given on behalf of the reader. The example is even extended to a case including some elements of higher order.
- Assessing heat transfer processes: a critical view at criteria based on the second law of thermodynamics
- Abstract: Abstract
When a second law analysis is applied to a heat transfer process, the influence of boundary conditions on the chosen assessment criterion is of major importance. In this paper, three different sets of boundary conditions and three different assessment criteria based on the entropy generation are applied to a plate heat exchanger. The influence of the boundary conditions on the device’s operation and on the usefulness of the assessment criteria is discussed.
PubDate: 2012-12-01
- Abstract: Abstract
When a second law analysis is applied to a heat transfer process, the influence of boundary conditions on the chosen assessment criterion is of major importance. In this paper, three different sets of boundary conditions and three different assessment criteria based on the entropy generation are applied to a plate heat exchanger. The influence of the boundary conditions on the device’s operation and on the usefulness of the assessment criteria is discussed.
- Simulation des Schwungrad-Reibschweißprozesses mit ABAQUS
- Abstract: Zusammenfassung
Obwohl die Technologie des Schwungrad-Reibschweißens seit Jahrzenten erfolgreich angewandt wird, sind die während der Schweißung ablaufenden Prozesse nur teilweise beschrieben. Die Entwicklung von Temperatur und Spannungsfeldern in den Schweißpartnern sind jedoch entscheidende Faktoren, um mögliche Gefügeumwandlungen, Vorschädigungen und Schweißgüten beurteilen zu können. Da die starke thermomechanische Wechselwirkung im Bereich der Fügezone analytische Berechnungsmethoden ausschließt, müssen numerische Methoden eingesetzt werden, um während der Schweißung einen Blick in das Innere der Bauteile zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird ein von ABAQUS zur Verfügung gestelltes Modell in mehreren Punkten erweitert, um die physikalischen Effekte, die während der Schweißung ablaufen, besser abzubilden. Die Implementierung eines neuen Reibmodells sowie die Integration von Konvektionsrandbedingungen sind die grundlegenden Veränderungen. Die mit diesem Modell berechneten Daten werden anschließend mit Versuchsdaten verglichen, um die Güte der Simulation zu beurteilen.
PubDate: 2012-12-01
- Abstract: Zusammenfassung
Obwohl die Technologie des Schwungrad-Reibschweißens seit Jahrzenten erfolgreich angewandt wird, sind die während der Schweißung ablaufenden Prozesse nur teilweise beschrieben. Die Entwicklung von Temperatur und Spannungsfeldern in den Schweißpartnern sind jedoch entscheidende Faktoren, um mögliche Gefügeumwandlungen, Vorschädigungen und Schweißgüten beurteilen zu können. Da die starke thermomechanische Wechselwirkung im Bereich der Fügezone analytische Berechnungsmethoden ausschließt, müssen numerische Methoden eingesetzt werden, um während der Schweißung einen Blick in das Innere der Bauteile zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird ein von ABAQUS zur Verfügung gestelltes Modell in mehreren Punkten erweitert, um die physikalischen Effekte, die während der Schweißung ablaufen, besser abzubilden. Die Implementierung eines neuen Reibmodells sowie die Integration von Konvektionsrandbedingungen sind die grundlegenden Veränderungen. Die mit diesem Modell berechneten Daten werden anschließend mit Versuchsdaten verglichen, um die Güte der Simulation zu beurteilen.
- Mathematical model of the ice protection of a human body at high temperatures of surrounding medium
- Abstract: Abstract
This paper presents a mathematical model describing the heat transfer inside of a human body at high temperatures of surrounding medium. The human body is considered as a slender body with heat transfer dominating in horizontal planes neglecting the heat fluxes in the vertical direction. Each body cross section is represented as an ellipse with five typical layers: inner and outer cores, muscles, fat layer and skin. The body is covered by the textile with embedded ice layer to protect the human from the overheating.
The heat transfer within each horizontal plane is modelled using a simple sector model. With these simplifications the problem is reduced to the solution of the one dimensional heat conduction equation with certain initial and boundary conditions. The equation is solved numerically using inhouse code based on the finite differential method. Numerical calculations are performed with the aim to determine the ice layer thickness necessary to keep the temperature of the human body core at the temperature of 36.7∘±1∘ within one hour. Results of simulations were utilized to design a special protection clothes for rescue team working in the mining industry. The experiments with clothes supported the simulation prediction.
PubDate: 2012-12-01
- Abstract: Abstract
This paper presents a mathematical model describing the heat transfer inside of a human body at high temperatures of surrounding medium. The human body is considered as a slender body with heat transfer dominating in horizontal planes neglecting the heat fluxes in the vertical direction. Each body cross section is represented as an ellipse with five typical layers: inner and outer cores, muscles, fat layer and skin. The body is covered by the textile with embedded ice layer to protect the human from the overheating.
The heat transfer within each horizontal plane is modelled using a simple sector model. With these simplifications the problem is reduced to the solution of the one dimensional heat conduction equation with certain initial and boundary conditions. The equation is solved numerically using inhouse code based on the finite differential method. Numerical calculations are performed with the aim to determine the ice layer thickness necessary to keep the temperature of the human body core at the temperature of 36.7∘±1∘ within one hour. Results of simulations were utilized to design a special protection clothes for rescue team working in the mining industry. The experiments with clothes supported the simulation prediction.
- Experimentelle Untersuchung der thermischen Konvektion in einem geneigten Spalt
- Abstract: Zusammenfassung
Das Verhalten einer Flüssigkeitsströmung in einem engen vertikalen Spalt mit einer gekühlten und einer beheizten Seitenwand wurde experimentell in einer vergangenen Studie hinsichtlich des Wärme- und Massentransports untersucht (Heiland et al. in Heat Mass Transf 43:863–870, 2007). Dieser Studie folgend wurde unter Anwendung der Flüssigkristalltechnik zur Strömungssichtbarmachung eine Untersuchung der thermischen Konvektion in einer engen Kavität unter variablem Neigungswinkel durchgeführt. Geschwindigkeits- und Temperaturfeld der Strömung wurden vermessen. Unter anderem zeigen die Ergebnisse, dass ab einem Neigungswinkel von ca. 5∘–15∘ eine drastische Änderung der Strömungs- und Temperaturfeldtopologie auftritt, welche sich qualitativ bis zu einem Neigungswinkel von 90∘ nicht mehr ändert.
PubDate: 2012-12-01
- Abstract: Zusammenfassung
Das Verhalten einer Flüssigkeitsströmung in einem engen vertikalen Spalt mit einer gekühlten und einer beheizten Seitenwand wurde experimentell in einer vergangenen Studie hinsichtlich des Wärme- und Massentransports untersucht (Heiland et al. in Heat Mass Transf 43:863–870, 2007). Dieser Studie folgend wurde unter Anwendung der Flüssigkristalltechnik zur Strömungssichtbarmachung eine Untersuchung der thermischen Konvektion in einer engen Kavität unter variablem Neigungswinkel durchgeführt. Geschwindigkeits- und Temperaturfeld der Strömung wurden vermessen. Unter anderem zeigen die Ergebnisse, dass ab einem Neigungswinkel von ca. 5∘–15∘ eine drastische Änderung der Strömungs- und Temperaturfeldtopologie auftritt, welche sich qualitativ bis zu einem Neigungswinkel von 90∘ nicht mehr ändert.
- Plate bending for frame analysis by coupling method of singular integral operators method with finite elements
- Abstract: Abstract
The coupling of the Singular Integral Operators Method (SIOM) and the Finite Element Method (FEM) is proposed and investigated for the solution of plate bending problems. Such combination of the above two numerical methods gives more accurate results for the solution of plate bending problems in structural analysis. The plates are basic units of building frame structures, as well as to underground structures and thus the determination of bending moments around the plates is very important for the analysis of all kinds of structures.
An application of plate bending problems is finally given to the determination of the bending moments in a rectangular plate with a rectangular hole in the center of the plate.
PubDate: 2012-12-01
- Abstract: Abstract
The coupling of the Singular Integral Operators Method (SIOM) and the Finite Element Method (FEM) is proposed and investigated for the solution of plate bending problems. Such combination of the above two numerical methods gives more accurate results for the solution of plate bending problems in structural analysis. The plates are basic units of building frame structures, as well as to underground structures and thus the determination of bending moments around the plates is very important for the analysis of all kinds of structures.
An application of plate bending problems is finally given to the determination of the bending moments in a rectangular plate with a rectangular hole in the center of the plate.
- Prediction of thermal post buckling and deduction of large amplitude vibration behavior of spring–hinged beams
- Abstract: Abstract
A general energy formulation to predict the thermal post buckling behavior of uniform isotropic beams is presented in this paper. The hinged ends of the beam contain elastic rotational restraints to represent the actual practical support situation. The large amplitude vibration behavior of beams is deduced from the post buckling results. The classical hinged and clamped conditions can be obtained as the limiting cases of the rotational spring stiffness. The numerical results, in the form of the ratios of the post buckling to buckling loads for various maximum deflection ratios, are presented in the digital form. An alternate independent formulation, based on the nonlinear finite element formulation, is also used in this paper to validate the numerical results of the present work. Further, the results for the large amplitude vibrations, deduced from the thermal post buckling results are also presented and these results compare very well with the finite element results, available in the literature, for the large amplitude vibration problem. These comparisons show an excellent agreement not only for the present work on the proposed thermal post buckling formulation but also on the deduced results for the large amplitude vibration of beams with the ends elastically restrained against rotation (spring–hinged beams). The numerical results presented confirm the efficacy of the proposed methodology used for predicting the post buckling behavior and deducing the large amplitude vibration behavior of the spring–hinged beams.
PubDate: 2012-06-01
- Abstract: Abstract
A general energy formulation to predict the thermal post buckling behavior of uniform isotropic beams is presented in this paper. The hinged ends of the beam contain elastic rotational restraints to represent the actual practical support situation. The large amplitude vibration behavior of beams is deduced from the post buckling results. The classical hinged and clamped conditions can be obtained as the limiting cases of the rotational spring stiffness. The numerical results, in the form of the ratios of the post buckling to buckling loads for various maximum deflection ratios, are presented in the digital form. An alternate independent formulation, based on the nonlinear finite element formulation, is also used in this paper to validate the numerical results of the present work. Further, the results for the large amplitude vibrations, deduced from the thermal post buckling results are also presented and these results compare very well with the finite element results, available in the literature, for the large amplitude vibration problem. These comparisons show an excellent agreement not only for the present work on the proposed thermal post buckling formulation but also on the deduced results for the large amplitude vibration of beams with the ends elastically restrained against rotation (spring–hinged beams). The numerical results presented confirm the efficacy of the proposed methodology used for predicting the post buckling behavior and deducing the large amplitude vibration behavior of the spring–hinged beams.
- Uncertainty and sensitivity analysis of properties of phase change micro/nanoparticles for thermal protection during cryosurgery
- Abstract: Abstract
Based on our previous study which tested the feasibility of protecting the healthy tissue around the cancerous tissue during cryosurgery by microencapsulated phase change materials (PCMs) with large latent heat and low thermal conductivity, uncertainties and sensitivities for thermal protection efficiency caused by the deviations of the PCM properties’ values, the PCMs concentration and the distance between the PCMs domain and the tumor domain were further investigated in this study. The preliminary results showed that the radius of the micro/nano PCM particle, the upper and lower phase transition temperatures of the PCM and the distance between the PCMs domain and the tumor domain should be accurately measured before performing thermal protection by PCMs during cryosurgery. Less than 20 % deviations of the heat capacities of solid and liquid PCM almost had no obvious influence on the thermal protection efficiency. The results obtained in this study will further help us to optimize the protection protocol by PCMs before performing cryosurgery.
PubDate: 2012-06-01
- Abstract: Abstract
Based on our previous study which tested the feasibility of protecting the healthy tissue around the cancerous tissue during cryosurgery by microencapsulated phase change materials (PCMs) with large latent heat and low thermal conductivity, uncertainties and sensitivities for thermal protection efficiency caused by the deviations of the PCM properties’ values, the PCMs concentration and the distance between the PCMs domain and the tumor domain were further investigated in this study. The preliminary results showed that the radius of the micro/nano PCM particle, the upper and lower phase transition temperatures of the PCM and the distance between the PCMs domain and the tumor domain should be accurately measured before performing thermal protection by PCMs during cryosurgery. Less than 20 % deviations of the heat capacities of solid and liquid PCM almost had no obvious influence on the thermal protection efficiency. The results obtained in this study will further help us to optimize the protection protocol by PCMs before performing cryosurgery.
- Flow characteristics of the nasal cavity
- Abstract: Abstract
In the human nasal cavity the flow reciprocates carrying oxygen, carbon dioxide, humidity, internal energy and particles. Thus the nose is a multi functional organ of a very complex structure. In order to understand the flow as the basis of all functions two different measurements may be considered. One is local inside the cavity, the other is integral between inlet and outlet of the cavity. This work focuses on the integral pressure/flow rate relationship as function of time. We collect data from test persons and also data from 1:1 models which are build by rapid prototyping in a new segmented fashion. It is shown that the pressure/flow rate relationship follows always a polynomial of second order which is physically justifiable. The flexibility of the nasal cavity is demonstrated by using spray and strips. We find considerable effects on the pressure/flow rate relationship. The new technique of segmented models allows to see how the pressure loss distributes over the cavity. Working with model and physiological reality teaches the engineer a lesson: reproducibility is not reality.
PubDate: 2012-06-01
- Abstract: Abstract
In the human nasal cavity the flow reciprocates carrying oxygen, carbon dioxide, humidity, internal energy and particles. Thus the nose is a multi functional organ of a very complex structure. In order to understand the flow as the basis of all functions two different measurements may be considered. One is local inside the cavity, the other is integral between inlet and outlet of the cavity. This work focuses on the integral pressure/flow rate relationship as function of time. We collect data from test persons and also data from 1:1 models which are build by rapid prototyping in a new segmented fashion. It is shown that the pressure/flow rate relationship follows always a polynomial of second order which is physically justifiable. The flexibility of the nasal cavity is demonstrated by using spray and strips. We find considerable effects on the pressure/flow rate relationship. The new technique of segmented models allows to see how the pressure loss distributes over the cavity. Working with model and physiological reality teaches the engineer a lesson: reproducibility is not reality.
- Grundlagenuntersuchung zu den Strömungsverhältnissen in hochtourigen Turbinengleitlagern: Strömung in einem Konfusor mit einseitig bewegter Berandung
- Abstract: Zusammenfassung
Die Strömungsverhältnisse in einem schlanken Konfusor mit einseitig bewegter ebener Wand werden experimentell und numerisch für eine turbulente Reynolds-Zahl von 9,95×103 untersucht. Die Resultate können zum grundlegenden Verständnis für die Strömungen, die in Gleitlagertaschen für hochtourige Turbomaschinen in Schwerbauweise auftreten, verwendet werden. Hierbei zeigt sich, dass sich in unmittelbarer Nähe der bewegten Wand (Wellenzapfen) eine dünne turbulente Grenzschicht ausbildet, während die übrige Kanalgeometrie (Lagertasche) von einem turbulenten Totwasser mit nur sehr geringen Sekundärströmungen (Rezirkulationen) erfüllt ist. Durch den Vergleich mit detaillierten LDA-Messungen zeigte sich, dass das Realizable
k–ε-Modell gut geeignet für die numerische Simulation solcher Strömungen ist.
PubDate: 2012-06-01
- Abstract: Zusammenfassung
Die Strömungsverhältnisse in einem schlanken Konfusor mit einseitig bewegter ebener Wand werden experimentell und numerisch für eine turbulente Reynolds-Zahl von 9,95×103 untersucht. Die Resultate können zum grundlegenden Verständnis für die Strömungen, die in Gleitlagertaschen für hochtourige Turbomaschinen in Schwerbauweise auftreten, verwendet werden. Hierbei zeigt sich, dass sich in unmittelbarer Nähe der bewegten Wand (Wellenzapfen) eine dünne turbulente Grenzschicht ausbildet, während die übrige Kanalgeometrie (Lagertasche) von einem turbulenten Totwasser mit nur sehr geringen Sekundärströmungen (Rezirkulationen) erfüllt ist. Durch den Vergleich mit detaillierten LDA-Messungen zeigte sich, dass das Realizable
k–ε-Modell gut geeignet für die numerische Simulation solcher Strömungen ist.
