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The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples.
This paper presents the direct route to Design by Analysis (DBA) of the new European pressure vessel standard in the language of limit and shakedown analysis (LISA). This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for some examples from the DBA-Manual. One observation from the examples is, that the optimisation approach gives reliable and close lower bound solutions leading to simple and optimised design decision.
Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto–plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening.
Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratchetting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratchetting range. The performed experiment comprised a hollow tension specimen which was subjected to alternating axial forces, superimposed with constant moments. First, a series of uniaxial tests has been carried out in order to calibrate a bounded kinematic hardening rule. The load parameters have been selected on the basis of previous shakedown analyses with the PERMAS code using a kinematic hardening material model. It is shown that this shakedown analysis gives reasonable agreement between the experimental and the numerical results. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis.
In the new European standard for unfired pressure vessels, EN 13445-3, there are two approaches for carrying out a Design-by-Analysis that cover both the stress categorization method (Annex C) and the direct route method (Annex B) for a check against global plastic deformation and against progressive plastic deformation. This paper presents the direct route in the language of limit and shakedown analysis. This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for mechanical and thermal actions. One observation from the examples is that the so-called 3f (3Sm) criterion fails to be a reliable check against progressive plastic deformation. Precise conditions are given, which greatly restrict the applicability of the 3f criterion.
Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions.
Fatigue analyses are conducted with the aim of verifying that thermal ratcheting is limited. To this end it is important to make a clear distintion between the shakedown range and the ratcheting range (continuing deformation). As part of an EU-supported research project, experiments were carried out using a 4-bar model. The experiment comprised a water-cooled internal tube, and three insulated heatable outer test bars. The system was subjected to alternating axial forces, superimposed with alternating temperatures at the outer bars. The test parameters were partly selected on the basis of previous shakedown analyses. During the test, temperatures and strains were measured as a function of time. The loads and the resulting stresses were confirmed on an ongoing basis during performance of the test, and after it. Different material models were applied for this incremental elasto-plastic analysis using the ANSYS program. The results of the simulation are used to verify the FEM-based shakedown analysis.
Improved collapse loads of thick-walled, crack containing pipes and vessels are suggested. Very deep cracks have a residual strength which is better modelled by a global limit load. In all burst tests, the ductility of pressure vessel steels was sufficiently high whereby the burst pressure could be predicted by limit analysis with no need to apply fracture mechanics. The relative prognosis error increases however, for long and deep defects due to uncertainties of geometry and strength data.
AP 1 : Verknüpfung der organisatorischen Bildung von Modulen mit der Umstellung auf ein Leistungspunktesystem ; Abschlussbericht. Einleitung, Auswahl eines Leistungspunktesystems, Bedingungen bei der Einführung von ECTS, Verknüpfung der Kriterien Learning Outcomes und Workload, Konzeption eines Studiengangs, Erfassung der Arbeitsbelastung Studierender, Ergebnisse der Umfrage zu allgemeinen Kompetenzen, Diploma Supplement, Öffentlichkeitsarbeit
Zur Bedeutung der Workload
(2005)
Bei der Einführung von Bachelor- und Masterstudiengängen sind die entsprechenden gesetzlichen Anforderungen zu beachten sowie die Anforderungen von Akkreditierungsrat und Akkreditierungsagentur. Bachelor- und Masterstudiengänge müssen modularisiert sein und in ein Leistungspunktesystem integriert. Die Leistungspunkte müssen auf der tatsächlichen Arbeitsbelastung der Studierenden basieren. Bei der Konzeption von Bachelor- und Masterstudiengängen soll zunächst eine Bedarfsermittlung erfolgen. Besteht ein Bedarf, soll ein Abschlussprofil basierend auf den Kompetenzen (besondere Beachtung verdienen die Schlüsselqualifikationen), über die der Absolvent verfügen soll, erstellt werden. Aus diesem wird ein Curriculum mit Modulen abgeleitet. Die Module werden mit Leistungspunkten versehen und auf einem Modulbogen zwecks Transparenz beschrieben. Dabei ist der Paradigmenwechsel vom Lehrenden zum Lernenden zu beachten – Lernergebnisse statt Lernziele. Die Lernergebnisse werden mittels Kompetenzen ausgedrückt. Der Studiengang wird des weiteren im Diploma Supplement, welches der Studierende bei Abschluss zusätzlich zum Zeugnis erhält, dokumentiert. ECTS ist aber auch mit weiteren Auflagen verbunden. Noch herrührend von ECTS als reinem Transfersystem müssen beim Austausch von Studierenden die Formulare ECTS Application, Learning Agreement und Transcript of Records vom Fachbereich in Abstimmung mit der jeweiligen Partnerhochschule ausgefüllt werden, (siehe Anlagen 4 und 5). Zur Information aller Studierenden sollen die folgenden Dokumente bereitstehen: Ein Ratgeber für Gaststudierende, eine Beschreibung der Hochschule und der Fachbereiche (nach bestimmten Kriterien) sowie Beschreibungen aller Module (siehe Anlage). Die Fachhochschule hat diese Informationen schon zum größten Teil auf ihrer Website dargestellt. Wichtig ist die Pflege der Daten, die von den einzelnen Fachbereichen bzw. den Lehrenden übernommen werden muss, da nur sie die Richtigkeit und Aktualität der Daten gewährleisten können.
Safety and reliability of structures may be assessed indirectly by stress distributions. Limit and shakedown theorems are simplified but exact methods of plasticity that provide safety factors directly in the loading space. These theorems may be used for a direct definition of the limit state function for failure by plastic collapse or by inadaptation. In a FEM formulation the limit state function is obtained from a nonlinear optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error. Moreover, the direct way leads to highly effective and precise reliability analyses. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis.
Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratcheting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratcheting range. In cyclic plasticity more sophisticated hardening models have been suggested in order to model the strain evolution observed in ratcheting experiments. The hardening models used in shakedown analysis are comparatively simple. It is shown that shakedown analysis can make quite stable predictions of admissible load ranges despite the simplicity of the underlying hardening models. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. Both give identical or similar shakedown ranges. Structural shakedown analyses show that the loading may have a more pronounced effect than the hardening model.
Es sollte herausgestellt werden, inwieweit kalte Vorbehandlungsverfahren das Deponierverhalten von mechanisch-biologisch vorbehandeltem Restmüll beeinflussen. Das Deponierverhalten von mechanisch-biologisch vorbehandeltem Abfall wurde an Lysimeterversuchen simuliert. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die mechanisch-biologische Behandlung des Abfalls eine CSB-Entfrachtung bezogen auf das Wasser-Feststoffverhältnis von ca. 70 % erfolgt, die kumulierte TOC-Fracht um ca. 50 % sinkt, die NH4-N-Konzentrationen eine Reduktion von annähernd 80 % aufweist, die Gasproduktion um ca 80 % fällt. Insgesamt kann mit einer erheblichen Verkürzung der Nachsorgephase gerechnet werden. - Neben den Lysimeteruntersuchungen wurden Staub- und Keimemmissionsmessungen im Handsortierbereich der MBRA durchgeführt. Die durchgeführten Keimemissionsmessungen ergaben, daß die dort Beschäftigten im Vergleich zu anderen Arbeitsbereichen z.T. signifikant erhöhten Keimbelastungen ausgesetzt sind. Den größten Anteil der im Screening eindeutig bestimmten Bakterien hatten die Enterobakteriaceen, die Streptomyceten sowie Coliformen. Den größten Anteil am Pilzspektrum hatte die Gruppe der Penicillien. Die Differenzierung zeigte die Eigung von A. fumigatus als Leitkeim. - Die Staubmessungen erfolgten gleichzeitig mit den Keimemissionsmessungen. Die Analyse der Partikelzahlen in den unterschiedlichen Größenklassen zeigt, daß 95 % der Aerosole einatembar, 90 % thorakal- und 85 % alveolengängig sind. Des weiteren ergab die Korrelation der Partikelklasse > 2 bis < 5 Mikrometer und der Konzentration an luftgetragenen Pilzen eine signifikante Übereinstimmung. Bei zukünftigen Untersuchungen und routinemäßigen Messungen durch die Aufsichtsbehörde oder im Rahmen der arbeitsmedizinischen Vorsorge könnte demnach auf die bewährte Meßgröße "Staubgehalt" zurückgegriffen werden.
An BaTiO3 Keramik als Modellsubstanz und mit Nd:YAG- und Excimer-Lasern wurde die Mikrostrukturierung von Grünkörperpreßlingen, deren Schrumpfungsverhalten beim Sintern und die Mikrostrukturierung von gesinterten Keramiken untersucht. Für die bessere Vergleichbarkeit wurden alle keramischen Folien, Preßlinge und Sinterwerkstoffe im Rahmen des Projektes hergestellt. Die Nd:YAG Laserbearbeitung erfolgte mit einem Rasterverfahren, bei dem der fokussierte Strahl mit Hilfe eines Scanners und eines Umlenkspiegels entlang der Bearbeitungskontur geführt wurde. Bei der Excimer Laserbearbeitung wurden die Strukturen ohne Relativbewegung zwischen Strahlquelle und Bearbeitungsobjekt durch die Abbildung einer Maske erzeugt. Mit dem Nd:YAG Laser (Wellenlänge 1,06 µ m) war eine abtragende Bearbeitung nur bei den Grünkörpern, nicht aber bei den gesinterten Keramiken möglich. Mit dem Excimer Laser (Wellenlänge 248 nm) konnten dagegen sowohl Grünkörper als auch gesinterte Keramiken strukturiert werden. Wenn die Genauigkeitsanforderungen nicht unter ± 10 µm liegen, die Bearbeitungskonturen möglichst geradlinig sind und der Anteil der zu bearbeitenden Fläche klein ist, kann mit Nd:YAG-Lasern eine effiziente Mikrostukturierung von keramischen Grünkörpern durchgeführt werden. Strukturierte Grünkörper können reproduzierbar und unverzerrt zu keramischen Bauteilen gesintert werden. Mit Excimer-Lasern wird eine höhere Genauigkeit und Qualität bei der Bearbeitung von Grünkörpern und Keramiken erreicht. Die Bearbeitungseffizienz lässt sich durch eine hohe Pulswiederholfrequenz und durch die simultane Bearbeitung großer Flächen steigern. Das für Excimer-Laserstrahlung zweckmäßige Abbildungsverfahren hat besondere Vorteile, wenn ein flächiger Abtrag mit komplexen Strukturen verwirklicht werden soll, wobei Toleranzen und Reproduzierbarkeiten von besser als ± 5 µm realisiert werden konnten. Die Mikrostrukturierung mit Excimer-Lasern ist an Grünkörpern und an gebrannten Keramiken gleichermaßen möglich. Die Abtragsraten liegen bei Grünkörpern mit 0,2 µm pro Puls zwar um ca. 50% höher als bei Keramiken, es ist jedoch zweifelhaft, ob dieser Vorteil den größeren prozeßtechnischen Aufwand bei der Bearbeitung von Grünkörpern rechtfertigen kann.
Im Projekt INGMEDIA ist die Lernform "Praktikum" zu einer selbst bestimmten Lernumgebung weiterentwickelt worden. Vielfältige Kontextangebote bieten individuelle Lerneinstiegsmöglichkeiten und aktivieren selbstgesteuertes Lernen. Praktika aus drei Bereichen des Ingenieurstudiums, "physikalische Grundlagenpraktika", "Telematiklabore für Elektronik" in der Studienmitte und "virtuelle Technologiepraktika" für Fortgeschrittene , wurden mit Hilfe der Neuen Medien umgestaltet, erprobt und evaluiert. Alle Lern- und Praktikumseinheiten können mit Standard-Internet-Browsern über die INGMEDIA-Lernumgebung (ILIAS Open source) benutzt werden. Für Lehrende wird die Plattform durch ein komfortables Offline-Autorensystem ergänzt, mit dem mulitmediale Lern- und Praktikumseinheiten ohne spezielle Programmierkenntnisse erstellt und automatisch in die Datenbank der ILIAS Lernplattform importiert werden können. Die weiterentwickelten Praktikumseinheiten werden seit dem Wintersemester 2002/03 im regulären Lehrbetrieb eingesetzt und formativ evaluiert. Bei den Erprobungen der hypermedialen Lerneinheiten in physikalischen Grundpraktika schätzen die Lernenden den Stand ihrer Vorbereitung als befriedigend ein, die Praktikumsbetreuer konstatierten eine merkliche Verbesserung des Wissensstandes. Die Mehrheit der Studierenden begrüßte vor allem die durch die Telematik angebotene größere Freiheit eines zeit- und ortsunabhängigen Lernens und der eigenen Lernorganisation. Das virtuelle Technologie-Praktikum: "Sensor-Fertigung" ermöglicht die Neukonzeption einer industrienahen Ausbildung von Ingenieuren in innovativen Technologien und hat sich bereits bestens bewährt. Die empirischen Befunde über alle im INGMEDIA-Projekt evaluierten Praktika weisen darauf hin, dass Akzeptanz und Lernerfolg beim Einsatz neuer Medien umso deutlicher sichtbar werden je größer die Selbstlern- und Medienkompetenzen der Studierenden sind.
"INGMEDIA: Entwicklung und Evaluation interaktiver, multimedialer Lernsoftware für technische und physikalische Praktika in Ingenieurstudiengängen". So lautet der Titel des vom bmb+f im Förderprogramm "Neue Medien in der Hochschullehre" unterstützten Verbundprojekts. [...] Im vorliegenden Beitrag wird über das Evaluationskonzept von INGMEDIA berichtet. Es handelt sich hierbei um einen im E-Learning-Bereich bisher kaum vertretenen Ansatz hochschuldidaktischer Aktionsforschung. Der Beitrag betont entsprechend des kevih - Tagungskonzepts (Tübingen 11./12.3.03) die besonderen hochschuldidaktischen Zielrichtungen, fokussiert also klar auf der konzeptionellen Ebene. Die Umsetzung und Evaluationsergebnisse zu INGMEDIA werden nach Projektabschluss an anderer Stelle veröffentlicht.
Laborpraktika bieten Studierenden besondere Lernmöglichkeiten. Sie erleben im Praktikum mit Kopf (kognitiv), Herz (affektiv) und Hand (motorisch) Zusammenhänge und Zusammenarbeit. Durch die multimediale Vorbereitung und Unterstützung der Laborpraktika mit INGMEDIA können diese Lernvorteile intensiver genutzt werden. Vielfältige und differenzierte Kontextangebote bieten individuelle Lerneinstiegsmöglichkeiten und aktivieren zu Selbstgesteuertem Lernen. Durch die Verbesserung von Vorwissen und Motivation eröffnen scih Lehrenden und Lernenden neue Freiräume bei der Gestaltung der Präsenzveranstaltung. Durch hochschuldidaktische Aktionsforschung beim Einsatz im Lehrbetrieb wird die weitere Entwicklung von Software und Präsenzveranstaltung prozesshaft begleitet.