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OPEN FAU

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Recent Submissions

Bachelor thesis
Open Access
Elektrische Leitfähigkeit granularer Packungen
Proceedings of the Institute for Multiscale Simulation (2019-09-18) Pham, Vu Jenny
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Länge der Partikel einer granularen Packung auf die elektrische Leitfähigkeit analysiert. Hierfür wurden Packungen aus starren stabförmigen Partikeln mit Hilfe von der Software Steepest Descent Ballistic Deposition of Aggregates of Spheres Simulation hergestellt. Es ergibt sich eine Verschlechterung des Gesamtstroms durch eine granulare Packung mit Erhöhung der Partikellänge. Der Verlauf des Graphen kann durch eine Potenzfunktion beschrieben werden. Dieses Ergebnis wird durch die Beschaffenheit der Packung begründet. In dieser Arbeit sind die Porosität, die Anzahl der Kontakte und Verbindungen der Widerstände zur Spannungsquelle als Einflussfaktoren beschrieben.
Doctoral thesis
Open Access
DMAICS-Zyklus zur Digitalisierung in produzierenden Unternehmen
FAU Studien aus dem Maschinenbau : 439, (FAU University Press, 2024) Selmaier, Andreas
Digitale Technologien aus den Bereichen Internet der Dinge, cyber-physische Produktionssysteme, Cloud und künstliche Intelligenz eröffnen der Fertigungsindustrie neue Potenziale zur Produkt- und Prozessoptimierung. Mit der Digitalisierung streben Unternehmen nicht nur danach, die klassischen Zielparameter Zeit, Qualität und Kosten zu verbessern, sondern auch die Flexibilität und Reaktionsfähigkeit im Hinblick auf neue Geschäftsmodelle und externe Einflüsse zu erhöhen. Die vollständige digitale Transformation im Produktionsumfeld, die durch eine heterogene Anlagen- und Systemlandschaft gekennzeichnet ist, erfordert sowohl einen technischen als auch einen kulturellen Wandel. Aufgrund sich rasch entwickelnder Technologien sind Unternehmen und ihre Mitarbeiter neben der Aufrechterhaltung der Kernproduktionsprozesse gefordert, zusätzlich eine hohe Veränderungsbereitschaft sowie die Fähigkeit zur Anpassung und Innovation vorzuweisen. Die inhärente soziale und technische Komplexität der digitalen Transformation stellt die Fertigungsindustrie vor Herausforderungen. Gegenstand und Ziel dieser Arbeit ist es, ein methodenbasiertes Vorgehensmodell zu definieren, das den komplexen Transformationsprozess umfassend und anwendungsagnostisch abbildet. Die Formulierung eines integrierten Prozessmodells und dessen methodische Ausgestaltung zielen auf die Lösung praktischer Problemmerkmale im Bereich der Digitalisierung ab. Der beschriebene Lösungsansatz wird in verschiedenen industriellen Anwendungsszenarien validiert. Die erfolgreiche Realisierung von sechs digitalen Lösungen aus den Technologiebereichen Internet der Dinge, Datenanalyse und Cloud Computing beweist die Richtigkeit und Anwendbarkeit der Methodik, deren Spezifikation eine Implementierungsgrundlage für Informationssysteme zur Digitalisierung von Fertigungsunternehmen schafft.
Doctoral thesis
Open Access
Eigenspannungen beim Voll-Vorwärts-Fließpressen – Entstehung, Einstellung und Stabilität
FAU Studien aus dem Maschinenbau : 444, (FAU University Press, 2024) Jobst, Andreas
Kaltmassivumformverfahren wie das Voll-Vorwärts-Fließpressen werden als ressourcen- und energieeffiziente Fertigungsmethode für metallische Bauteile eingesetzt. Inhomogene plastische Dehnungsverteilungen, die dabei typischerweise auftreten, führen jedoch zum Verbleiben von Eigenspannungen im Werkstoff, welche zu unerwünschten Effekten führen und das Ermüdungsverhalten maßgeblich beeinflussen können. Das in dieser Arbeit verfolgte Ziel ist die Erarbeitung einer Methode zur eigenspannungssensitiven Prozessauslegung. Anhand eines Referenzprozesses wurde die Eigenspannungsentstehung beim Voll-Vorwärts-Fließpressen des rostfreien Stahls X6Cr17 numerisch und experimentell untersucht. Darauf aufbauend wurden Steuer- und Störgrößen zur Eigenspannungseinstellung qualifiziert und deren Auswirkungen quantifiziert. Unter zyklisch-mechanischer Bauteilbelastung wurden verschiedene Relaxationsmuster identifiziert. Hinsichtlich der thermischen Belastung wurde ein Prozessfenster erarbeitet, innerhalb dessen stabile Eigenspannungen vorliegen. Darauf aufbauend wurde ein modellbasierter Zusammenhang zwischen der Temperatur, der Belastungsdauer und der Eigenspannungsstabilität abgeleitet. Es konnte gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Betriebsfestigkeit fließgepresster Bauteile durch die Eigenspannungssteuerung bei der Umformung möglich ist. Durch eine Anpassung des Matrizendesigns konnten kostengünstig oberflächennahe Zugeigenspannungen reduziert und die Langzeitfestigkeit erhöht werden.
Bachelor thesis
Open Access
Validation of Dune Simulations using OpenFOAM
Proceedings of the Institute for Multiscale Simulation (2012-03-27) Michelsen, Britt
In this thesis, the fluid flow around atwo and three-dimensional dune is simulated with the help of the open source C++ library OpenFOAM.The simpleFOAM solver, which is supplied by OpenFOAM, has proven to be reliable and has shown astrong correlation with field measurements conducted in the paper ‘'The role of streamline curvature in sand dune dynamics" by Giles F. S. Wiggs in 1996. It can be shown, that the two-dimensional as well as the three-dimensional calculations are in good agreement with the experimental data. However, in order to get reasonable steady-state results the initial conditions are calculated using the transient solver pimpleFOAM. The Reynolds-averaged Navier-Stokes equation is being used to simulate the time-averaged turbulent fluid flow around the dune and different meshing tools as well as cell geometries are compared. The validation of afluidized model as an alternative to modelling the individual sand particles has proven to be difficult, because sand doesn't show aconventional fluidic behaviour. ------ Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Strömungsprofil sowohl um eine zweidimensionale als auch um eine dreidimensionale Düne mit Hilfe der Open-Source C++ Bibliothek OpenFOAM simuliert. Die simpleFOAM Simulationsroutine, welche von OpenFOAM zur Verfügung gestellt wird, stellte sich als verlässlich heraus und zeigte eine starke Relation zu den in "The role of streamline curvature in sand dune dynamics” veröffentlichten Werten von Giles F. S. Wiggs aus dem Jahre 1996. Sowohl der zwei- als auch der dreidimensionale Fall konnte in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Veröffentlichung simuliert werden. Allerdings mussten die Anfangswerte mit Hilfe des transienten pimpleFOAM Gleichungslösers approximiert werden und dann anschließend in simpleFoam übernommen werden. Die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Geichungen wurden zur Approximation der turbulenten Strömungen verwendet und unterschiedliche Diskretisierungsgitter zur Validierung herangezogen. Die Überprüfung der Gültigkeit von fluidisierten Modellen als Alternative zur Simulation einzelner Sandkörner stellte sich als kompliziert heraus, da Sand kein herkömmliches Fluidverhalten zeigt und somit nicht ausreichend vom Strömungsloser erfasst werden kann.
Article
Open Access
Towards advanced piezoelectric metamaterial design via combined topology and shape optimization
(Springer, 2024-02-20) Stankiewicz, Gabriel; Dev, Chaitanya; Weichelt, Michelle; Fey, Tobias; Steinmann, Paul
Metamaterials open up a spectrum of artificially engineered properties otherwise unreachable in conventional bulk materials. For electromechanical energy conversion systems, lightweight materials with high hydrostatic piezoelectric coupling coefficients and negative Poisson’s ratio can be obtained. Thus, in this contribution, we explore the possibilities of piezoelectric metamaterials design by employing structural optimization. More specifically, we apply a sequential framework of topology and shape optimization to design piezoelectric metamaterials with negative Poisson’s ratio for electromechanical energy conversion under uniform pressure. Topology optimization is employed to generate the initial layout, whereas shape optimization fine tunes the design and improves durability and manufacturability of the structures with the help of a curvature constraint. An embedding domain discretization (EDD) method with adaptive domain and shape refinement is utilized for an efficient and accurate computation of the state problem in the shape optimization stage. Multiple case studies are conducted to determine the importance of desired stiffness characteristics, symmetry conditions and objective formulations on the design of piezoelectric metamaterials. Results show that the obtained designs are highly dependent on the desired stiffness characteristics. Moreover, the addition of the EDD-based shape optimization step introduces significant changes to the designs, confirming the usability of the sequential framework.