620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Year of publication
- 2006 (23) (remove)
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
Moderne Büroarchitektur mit Räumen in Leichtbauweise und großen transparenten Fassa-denanteilen verschärft im Zusammenwirken mit hohen internen Lasten die Problematik der sommerlichen Überhitzung in Gebäuden. Phasenübergangsmaterialien (PCM: phase change materials) stellen eine interessante Möglichkeit dar, sommerliche Überhitzung in Gebäuden ohne aufwändige Anlagentechnik wie beispielsweise Klimaanlagen zu reduzieren. Der thermische Komfort in Räumen, die mit einem PCM-Putz ausgestattet sind, kann signifikant erhöht werden. Die Arbeit untersucht Anwendungsmöglichkeiten und Optimierungspotential eines PCM-Putzes auf experimentelle und numerische Weise. Zur Untersuchung des PCM-Putzes wurden materialtechnische und experimentelle sowie numerische und numerisch-analytische Methoden eingesetzt. Die Kenntnis der thermischen Parameter des PCM-Putzes ist unablässig für die Berechnung der möglichen Temperaturreduktionen. Zur Bestimmung der Latentwärme, des qualitativen Schmelz- und Erstarrungsprozesses sowie des Temperaturintervalls, in dem der Phasenübergang stattfindet, wurden Messungen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung des PCM-Putzes wurden zwei identische Testräume in Leichtbauweise erstellt. Die Räume wurden im Verifikationsobjekt „Eiermannbau“ des Sonderforschungsbereiches SFB 524 der Bauhaus-Universität Weimar gemessen. Nach der Überprüfung, dass sich beide Räume thermisch gleich verhalten, wurde ein Raum mit dem PCM-Putz und der zweite Raum mit einem vergleichbaren Innenputz ohne PCM verputzt. Thermoelemente zur Temperaturmessung im Bauteil, an der Oberfläche und zur Raumlufttemperaturbestimmung wurden angebracht und mit einer Messwerterfassungsanlage verbunden. Der Verlauf der Außenlufttemperatur und die Globalstrahlung am Standort der Versuchsräume wurden aufgezeichnet, um einen Klimadatensatz zu erstellen. Für die Berechnung der Temperaturverteilung in einem PCM-Bauteil mit kontinuierlichem Phasenübergang existiert keine geschlossene analytische Lösung. Daher wurde ein numerischer Ansatz gewählt, bei dem der Phasenübergang im Temperaturbereich T1 bis T2 mit Hilfe einer temperaturabhängigen Wärmekapazität c(T) innerhalb der erweiterten Fou-rier’schen Wärmeleitungsgleichung dargestellt wird. Die Funktion c(T) wird auf Basis der DSC-Messungen bestimmt. Die Modellierung erfolgte mit einem Finite-Differenzen-Verfahren auf Grundlage der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung. Im Rahmen der Arbeit wurde ein PCM-Modul entwickelt, das in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert wurde. Mit dem neuen Modul lassen sich sowohl die Temperaturverläufe in einem PCM-Bauteil wie auch seine Wechselwirkung mit dem Raumklima darstellen. Eine Validierung des entwickelten PCM-Moduls anhand von zahlreichen experimentellen Daten der Versuchsräume wurde für das PCM-Modul erfolgreich durchgeführt. Sommerliche Überhitzungsstunden können durch PCM in Wand- und Deckenelementen deutlich reduziert werden. Der PCM-Putz eignet sich vor allem für Anwendungen in Leichtbauten wie z.B. moderne Büroräume. In Räumen, in denen bereits eine ausreichende thermische Masse vorhanden ist, ist die Temperaturreduktion durch PCM nur gering. Kann das PCM während der Nachtstunden nicht erstarren, erschöpft sich seine Fähigkeit zur Latentwärmespeicherung. Erhöhte Nachtlüftung führt bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen zu höherem Wärmeübergang und kann damit zur besseren Entladung des PCM beitragen. Im Rahmen der Dissertation konnten Aussagen zur idealen Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der Schichtdicke getroffen werden. Die Reduktion der Oberflächentemperaturen, die sich bei Einsatz eines PCM-Putzes unter geeigneten Randbedingungen ergibt, beträgt 2.0 - 3.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 3.0 - 5.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Diese Werte wurden sowohl numerisch als auch durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Die Reduktion der Lufttemperaturen aufgrund einer Konditionierung des Raumes mit PCM-Putz beträgt bei geeigneten thermischen Verhältnissen ca. 1.0 - 2.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 2.0 - 3.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Die operative Temperatur als wichtiger Komfortparameter kann durch den Einsatz des PCM-Putzes um bis zu 4 K gesenkt werden. Damit lässt sich mit Hilfe eines PCM-Putzes die thermische Behaglichkeit in einem Raum deutlich erhöhen.
Die Instandhaltung der städtischen Trinkwassernetze ist Aufgabenschwerpunkt der Wasserversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreiber. Dazu notwendige Rehabilitationsplanungen stützen sich zurzeit weitgehend auf die Trendprognose von Schadensraten und die Erfahrungen der Mitarbeiter. Der Einfluss wesentlicher Kenngrößen wie Werkstoffeigenschaften oder die Resttragfähigkeit des Rohres bleiben hierbei größtenteils unberücksichtigt. Über materialtechnische Untersuchungen werden die notwendigen Kenngrößen ermittelt, die eine zuverlässige Bewertung des technischen Zustands des Rohrstrangs ermöglichen. So lassen sich die Prognose der technischen Nutzungsdauer und Rehabilitationsplanungen auf eine solide Basis stellen. In dieser Dissertationsschrift wird hierzu ein Untersuchungs- und Bewertungsalgorithmus mit integrierten Prognoseverfahren erarbeitet.