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Aktuelle Forschungsprojekte Prof. Proppe

Aktuelle Forschungsprojekte Prof. Proppe
Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. C. Proppe

Zuverlässigkeit technischer Systeme

  Die Stabilität eines Schienenfahrzeuges unter dem Einfluss von starkem Seitenwind ist ein wichtiges nationales und im Zuge zunehmender Interoperabilität auch ein internationales Auslegungskriterium. In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um ein einheitliches Maß zur Beurteilung der Seitenwindstabilität zu finden. Hierbei nehmen probabilistische Auslegungsmethoden, wie sie auch zur Dimensionierung von Windkraftanlagen verwendet werden, eine immer wichtigere Stellung ein. Unter Berücksichtigung der vorgegebenen Böenstruktur und der hochfrequenten, turbulenten Anteile des Windes wird die Systemantwort eines reduzierten Schienenfahrzeugmodells ermittelt.
Das wichtigste Stabilitätskriterium zur Beurteilung der Seitenwindanfälligkeit ist hierbei die kleinste Radaufstandskraft des Schienenfahrzeuges. Besonderes Augenmerk liegt auf der stochastischen Modellierung der Windturbulenz und auf der Untersuchung des Einflusses der turbulenten Schwankungen auf die Seitenwindstabilität.

Sim. der Auswirkung der Mikrostruktur von Metallschäumen auf das Verformungs- und Versagensverhalten

  Versuche an Strukturen aus Metallschäumen zeigen für das Verformungs- und Versagensverhalten eine große Streuung der Messwerte und einen ausgeprägten Größeneffekt in der Standardabweichung. Als Ursache werden Inhomogenitäten der Mikrostruktur, die sich als Dichteschwankungen und Defekten der Zellstruktur ausdrücken, angenommen.
Ziel ist die Erstellung eines Simulationsmodells, welches diese Inhomogenitäten auf der Mikroebene erfasst und dadurch die Streuungen im makroskopischen Verhalten abbildet.

Mehrkörpersimulation des Hochlaufverhaltens von Abgas-Turbolader-Rotoren

 

Quelle: BorgWarner Turbo Systems

Es wird die Stabilität von in Schwimmbuchsen gelagerten Rotoren untersucht. Dazu werden Modelle verschiedener Turboladerrotoren mit nichtlinear modellierten Schwimmbuchsenlagern erstellt. Die durchgeführten Mehrkörpersimulationen sollen dabei helfen, zum einen ein besseres Verständnis über das Stabilitätsverhalten des Schwimmbuchsenlager-Rotor-Systems zu erreichen und zum anderen eine genaue Vorhersage von Instabilitätsbereichen zu ermöglichen.

Stochastische Finite-Element-Methoden

  Projektionen auf ein polynomiales Chaos sind ein Standardverfahren in der rechnergestützten Stochastischen Mechanik, bei dem ausgehend von einer Karhunen-Loève-Zerlegung eines Zufallsfeldes eine globale Approximation der Lösung eines Stochastischen Randwertproblems als Funktion von – in der Regel Gaußschen – Zufallsvariablen erreicht wird. Die globale Approximation führt jedoch insbesondere bei der Berechnung höherer Momente der Lösung oder kleiner Wahrscheinlichkeiten zu unbefriedigenden Konvergenzeigenschaften.

Nach der multiplikativen Zerlegung der Lösung in einen deterministischen und einen stochastischen Anteil werden daher lokale Chaosprojektionen eingeführt. Durch geschickte Wahl der lokalen Approximationsbasen wird eine Entkopplung des Problems im Raum der Zufallsvariablen erreicht, so dass sich das Verfahren hervorragend zur Ausführung an einem Parallelrechner eignet. Ferner erlaubt das Verfahren eine neuartige Kopplung mit simulationsbasierten Lösungsansätzen.

Für die Zuverlässigkeitsberechnung lassen sich die Ergebnisse als lokale Antwortfläche interpretieren, deren Verwendung im Vergleich mit herkömmlichen Stochastischen Finite-Elemente-Methoden eine deutliche Effizienzsteigerung ergibt.

Lokale Antwortflächenverfahren

  Zur Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit für komplexe Strukturen müssen die numerisch aufwändigen Auswertungen der Zustandsfunktion ersetzt werden durch geeignete Approximationen. Die meisten vorgeschlagenen Verfahren konstruieren daher globale Approximationen der Grenzzustandsfunktion. Der globale Charakter der Approximationen entspricht jedoch nicht dem lokalen Charakter des wahrscheinlichsten Versagens, wonach in der Regel Versagen lokal an einer oder wenigen Stellen der Grenzzustandsfunktion zu erwarten ist. Ferner werden globale Approximationen teilweise für einen Parameterraum konstruiert, der physikalische Randbedingungen nicht berücksichtigt.

Aus diesen Gründen wurde ein robustes und effizientes lokales Approximationsverfahren entwickelt, bei dem die Zustandsfunktion mit hoher Genauigkeit im Bereich des wahrscheinlichsten Versagens genähert wird, während in anderen Bereichen die Approximationsgüte geringer ist. Die wesentlichen Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, dass eine Berechnung von Grenzzuständen nicht erforderlich ist und dass das Verfahren mit nahezu jeder varianzmindernden Simulationsmethode gekoppelt werden kann.