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Bremsenschwingungen sind ein typisches Beispiel für NVH (noise, vibrations, harshness) Probleme in der Automobilindustrie. Die Kosten in Entwicklungsprozessen bei Kfz-Bremsen werden heute oft durch die Optimierung bzgl. dieser Komforteigenschaften dominiert. Das Ziel des Vorhabens ist es, Bremsen bezüglich der Eigenschaften calm und smooth positiv zu beeinflussen, also Bremsengeräusche und -schwingungen zu unterdrücken. Dies soll durch bewusst eingebrachte Dämpfung geschehen. Bei der Untersuchung von Dämpfungseinflüssen in Bremssystemen soll insbesondere der Einfluss von shims (Dämpfungsblechen) untersucht werden. Dies ist eine häufig in der Industrie verwendete Gegenmaßnahme gegen Quietschen, die aber nach dem Stand der Wissenschaft und Technik bisher von Ihrem Wirkprinzip nur schlecht verstanden und modelliert ist. Im Projekt sollen shims experimentell untersucht und modelliert werden. Die so entstandenen Modelle werden in FE-Gesamtmodelle der Bremse integriert um den Einfluss auf das Stabilitätsverhalten zu untersuchen.
PACOG ist ein Projekt im Rahmen der Forschergruppe 'MS-GWaves', bei der es um die Erforschung von Schwerewellen geht. PACOG konzentriert sich dabei auf atmosphärenphysikalische Beobachtungen und Vergleich mit Modellrechnungen. Schwerewellen spielen für unser Verständnis der mittleren Atmosphäre eine entscheidende Rolle, da sie die Atmosphäre um mehr als 100 K vom strahlungsbedingten Zustand treiben können und drastische Veränderungen der Zirkulation und der Zusammensetzung bewirken können. Schwerewellen stellen den wichtigsten Kopplungsprozess zwischen unteren und oberen Schichten der Atmosphäre dar. Leider sind viele Einzelheiten bezüglich Schwerewellen unzureichend verstanden. Dies betrifft z. B. die Erzeugung, Ausbreitung, Filterung, Dissipation und die zeitliche und räumliche Variabilität. Wir möchten die Klimatologie von Schwerewellen auf regionalen und globalen Skalen untersuchen. Dabei wird eine Kombination von hochmodernen Instrumenten eingesetzt, z. B. Lidars und Radars. Die Interpretation der Ergebnisse wird mit Hilfe von Simulationen, die auf Reanalysen aufbauen, unterstützt. Das Ziel von MS-GWaves besteht letzten Endes darin, die Parametrisierung von Schwerewellen in globalen Modellen zu verbessern. Die in PACOG durchgeführten Beobachtungen sollen in allen Teilprojekten von MS-GWaves verwendet werden, z. B. beim Vergleich von lokalen und regionalen Messungen mit globalen Beobachtungen von Satelliten (Projekt SV) oder zur Validierung von Modellrechnungen in den Projekten 3DMSD und GWING.
Lärm und unkontrollierte Vibrationen sind in vielen industriellen und geotechnischen Anwendungen problematisch. Akustische Wellen auf Straßen und Schiene, oder verursacht durch Erdbeben, pflanzen sich durch die typischerweise granularen Strukturen im Boden, in Beton, oder in Asphalt mit einer ganz eigenen Charakteristik fort, wobei das Material die Geschwindigkeit, die Dämpfung und den Frequenzbereich der transmittierten Wellen beeinflusst. In unserem innovativen Projekt wollen wir granulare Materialien in 'granulare Dämpfer' verwandeln indem wir sowohl Teilcheneigenschaften als auch die Mischungszusammensetzung der weichen bzw. steifen Teilchen einer granularen Mischung in weiten Bereichen variieren. Das Ziel ist, effektive Materialeigenschaften wie Dämpfung oder Dispersion zu optimieren, und Frequenzfilterung durch Bandlücken optimal auszunutzen. Um dieses Ziel zu erreichen werden wir das Projekt von zwei Seiten aufrollen: Einerseits werden wir physikalische Experimente durchführen in denen wir Materialien mit unterschiedlichsten dämpfenden und elastischen Eigenschaften in allen Mischverhältnissen kombinieren. Andererseits werden wir dazu komplementär auch direkte Teilchen-Simulationen (DEM) durchführen um die mikromechanischen Mechanismen abzubilden und die effektiven Eigenschaften der Mischung quantitativ zu modellieren und zu verstehen. Nach sorgfältigster Analyse werden sowohl die experimentellen als auch die numerischen Daten dazu verwendet um ein stochastisches makroskopisches Modell weiterzuentwickeln das den Transport von Energie zwischen verschiedenen Frequenzbändern mit einer Master-Gleichung beschreibt. Dies kann schlussendlich dazu verwendet werden um in vielen Anwendungen neue, bessere Materialeigenschaften zu erzielen. Vorarbeiten: In den letzten Jahren habe wir bereits Wellenausbreitung und Dämpfung in granularen Mischungen von weichen und harten Teilchen unter verschiedenen hydrostatischen Kompressionsdrücken untersucht. Bisher konzentrierten wir uns auf mono-disperse Glas-Gummi Mischungen um das Zusammenspiel von Komposition und Spannungszustand zu verstehen. Ein überraschendes Ergebnis ist dabei, dass wir leichtere Packungen mit 15-20% Gummi herstellen konnten die bessere elastische und viel bessere Dämpfungseigenschaften hatten. Arbeitsplan: Zuerst wollen wir den kombinierten Einfluss von verschieden großen weichen und harten Teilchen in Mischungen untersuchen. Nach sorgfältiger Analyse im Frequenz-Raum werden wir die komplexe Wechselwirkung zwischen Teilchen- und System-Eigenschaften, sowie zwischen Energie-Absorption und -Propagation benutzen um ein stochastisches Model reduzierter Ordnung zu formulieren, das die Fortpflanzung von Wellen für alle Frequenzen in Raum und Zeit vorhersagen kann. Innovativ ist, dass wir nicht nur die niedrigeren Eigenfrequenzen modellieren, sondern alle Frequenzen, da insbesondere die hohen Frequenzen am wichtigsten für die Dämpfungseigenschaften in der Anwendung sind.
Eine Verlässlichkeit von Vorhersagen des Klimawandels ist nur dann gegeben, wenn die dabei verwendeten numerischen Modelle das gegenwärtige Klima aus den richtigen Gründen korrekt simulieren. Offene Fragen betreffen z.B. dynamische Aspekte wie die Vorhersage einer Verstärkung der Brewer-Dobson-Zirkulation, den dynamischen Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre und ein Überschießen in der Erholung der Ozonschicht. Eine besonders große Unsicherheit stellen in diesem Zusammenhang interne Schwerewellen (SW) dar, die durch gegenwärtige Chemie-Klimamodelle nicht aufgelöst werden. Ihr Einfluss muss durch Parametrisierungen erfasst werden, die heutzutage stark vereinfacht sind. Die Forschergruppe (FG) wird explizite Modelle für die Anregung, Ausbreitung und Dissipation von SW formulieren, die mathematisch und physikalisch konsistent sind. Diese werden anhand von prozessauflösenden Simulationen und Messungen validiert. Spezielle Beachtung werden die Mehrskalenwechselwirkungen von SW mit Turbulenz und der balancierten Strömung finden, sowie die Wechselwirkung von kleinskaligen, nichtaufgelösten SW mit großskaligen, aufgelösten SW. Die entwickelten Modelle werden in eine einheitliche SW-Parametrisierung münden, von den Quellen bis zur Dissipation. Sowohl die SW-Parametrisierung als auch globale SW-erlaubende und lokale SW-auflösende Simulationen sollen verwendet werden, um die Unsicherheiten der SW-Effekte auf die atmosphärische Zirkulation, auf großskalige dynamische Prozesse und auf den Klimawandel einzuschränken. Die Untersuchungen der Wellenprozesse selbst als auch ihrer globalen Auswirkungen werden auf der engen interdisziplinären Wechselwirkung zwischen Mathematik, Theorie, hochauflösender numerischer Modellierung und Messungen basieren. Diese Kombination begründet sich darin, dass nur Messungen den direkten Bezug zur Realität haben, nur Theorie uns verstehen lehrt, und nur hochauflösende Modellierung eine detaillierte Diagnose erlaubt. Ein dergleichen umfassendes Programm übersteigt bei weitem die Möglichkeiten einzelner Institute oder ihrer bilateralen Zusammenarbeit. Es erfordert hingegen eine FG, in der experimentelle, numerische, theoretische und mathematische Erfahrungen zusammengeführt werden. Die langfristigen Ergebnisse der FG sollen sein:- Eine erweiterte und vertiefte Kenntnis der räumlichen, zeitlichen und spektralen Verteilung von SW in der Atmosphäre.- Ein wesentlich verbessertes Verständnis der Prozesse, welche die korrespondierende SW-Dynamik erzeugen und kontrollieren.- Darauf aufbauend eine Verbesserung der Belastbarkeit und Vollständigkeit der Parametrisierung von SW als Subgitterskalenphänomen, Quellprozesse, SW-Ausbreitung, die Wechselwirkung von SW mit der aufgelösten Strömung und SW-Dissipation betreffend.- Als Ergebnis ein verlässlicheres Verhalten von SW-Parametrisierungen unter anomalen Bedingungen, z.B. dem Klimawandel.
Partikeldämpfer sind einfach zu bauende passive Dämpfungselemente. Hierbei werden Behältnisse mit granularen Partikel befüllt und an die schwingende Struktur angebracht oder darin integriert. Aufgrund der Schwingungen werden die Partikel in Bewegung versetzt und durch Reib- und Stoßvorgängen zwischen den Partikeln wird Energie dissipiert. Dies sind nichtlineare Effekte die zu einem hoch nichtlinearen Verhalten der Partikeldämpfer führen können. Partikeldämpfer sind einfach anzuwenden, auch bei schon existierenden Maschinen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Dämpfer mindestens so effektiv wie andere Dämpfungsmethoden sein können. Die Mechanismen der Energiedissipation sind nicht auf eine einzelne Frequenz beschränkt sondern wirken über einen breiteren Frequenzbereich. Darüber hinaus sind Partikeldämpfer sehr anpassungsfähig, beispielsweise durch verschiedene Formen und Größen des Dämpferbehältnisses, der Anzahl der Partikel oder durch verschiedene Materialien. Die numerischen und experimentellen Analysen aus der ersten Projektphase haben gezeigt, dass der Großteil der dissipierten Energie durch Partikelstöße entsteht. Deshalb sollte die Stoßzahl so klein wie möglich sein, damit eine möglichst große Menge an Energie dissipiert. Um eine möglichst große Übertragung von kinetischer Energie der schwingenden Struktur auf die Partikel zu ermöglichen, sind schwere, metallische Partikel wie Stahl, Messing oder Wolfram zu bevorzugen. Für diese Materialien haben FE Simulationen gezeigt, dass die Stoßzahl für Partikel-Partikel Stöße recht hoch ist und somit die Menge an dissipierter Energie limitiert ist. Ein Weiterer großer Nachteil bei der Benutzung von metallischen Partikeln für Partikeldämpfer ist die Erzeugung von nicht unerheblichem Lärm durch die Partikelstöße. Es gibt bereits erste Versuche von Partikeldämpfern mit polymeren Granulaten. Allerdings wird aufgrund der geringeren Partikelmasse eine geringere Dämpfung der Struktur erzielt. Das Forschungsziel ist die Weiterentwicklung einer simulationsbasierten Entwicklungsmethode von verteilten Partikeldämpfern für die passive Schwingungsdämpfung von Leichtbaustrukturen und -maschinen. Dieses Projekt hat dabei das Ziel komplett neue hybride Partikeldämpfer zu entwickeln und zu bewerten. Dadurch werden weitere Freiheitsgrade bezüglich des Designs geschaffen, indem verschiedene Materialien verwendet werden und somit die Masse der Partikel und die Stoßzahl einzelner Partikelkollisionen teilweise entkoppelt voneinander sind. Hierbei sollte ein schweres metallisches Partikel mit einem viskoelastischen Material mit hoher Dämpfung gepaart werden. Durch diesen Ansatz entsteht eine komplett neue Designphilosophie, um kleine Partikeldämpfer zu erhalten, welche deutlich mehr Energie dissipieren als vergleichbare homogen Partikeldämpfer mit ähnlicher Masse. Als Nebeneffekt wird zudem erwartet, dass diese hybriden Partikeldämpfer deutlich geräuschärmer als die klassischen Partikeldämpfer sind.
Es sollen Techniken entwickelt werden um die Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean durch die Formation und das Brechen von Oberflächenwellen im Ozean zu quantifizieren. Diese Techniken beinhalten eine numerische Implementierung von diffusen Grenzflächenmethoden für eine thermodynamisch konsistente und voll gekoppelte Simulationen der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, sowie Feldexperimente zur gleichzeitigen Messung von Luftstrom, der Ozeanwellenkopplung, und der turbulenten Energiedissipation im oberen Ozean.
Der Fokus des Projektes liegt auf der Entwicklung von Methoden zur Analyse und Charakterisierung von Dämpfungselementen in selbsterregten Mehrkomponentensystemen mit irregulärer Schwingungsantwort unter vielfältigen Betriebsbedingungen. Dämpfungselemente und ihre Wirkungsmechanismus können im Falle regulärer Lösungen, d.h. periodische oder transiente Schwingungen, mit Standardtechniken beschrieben werden, wohingegen die Identifikation und Beschreibung der Energiequellen und Energiesenken sowie des Energieflusses im Falle von irregulären Schwingungen ein ungelöstes Problem darstellt. Außerdem enthalten die meisten technischen Systeme eine Vielzahl von lokalen Nichtlinearitäten und Dämpfern, u.a. die Kontakt- und Fügestellen des Systems, und werden unter zahlreichen verschiedenen Bedingungen betrieben. Daher stellt die Charakterisierung von Dämpfungselementen unter diesen Randbedingungen eine große Herausforderung dar. Im Zustand irregulärer Schwingungen sind die zahlreichen Energiesenken in stetiger Interaktion. Spätestens die zusätzliche Komplexitätserhöhung durch die Berücksichtigung der zahlreichen Lastfälle macht eine physikalische Beschreibung der Energiedissipation und somit die Bewertung von Dämpfungsmaßnahmen unmöglich. Aus diesem Grunde sind neue Methoden zur Bewertung und Charakterisierung von Dämpfungsmaßnahmen notwendig. In diesem Zusammenhang schlagen wir die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur eingehenden Analyse der Schwingungsantwort sowie der Struktur-, Dämpfungs- und Lastparameter vor. Der erste Teil setzt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Analyse und numerischen Betrachtung von Dämpfungselementen im Umfeld von reiberregten Systemen mit irregulären Schwingungsantworten auseinander. Grundlage für diese Untersuchungen sind numerisch erzeugte Daten. Es kommen Werkzeuge aus dem Feld der nichtlinearen Zeitreihenanalyse und der multivariaten Statistik zum Einsatz. Das zentrale Element ist die Datenmatrix M, die mit charakteristischen Größen aus unterschiedlichen Klassen für unterschiedliche Lastszenarien gefüllt wird. Das abschließende Ergebnis ist eine Prozedur zur Bewertung und Optimierung von Dämpfungselementen und Dissipationsmechanismen in Systemen mit irregulärer Schwingungsantwort. Beim zweiten Teil handelt es sich um eine konsequente Fortsetzung des Vorgehens in dem Sinne, dass nun Daten aus Experimenten als Eingangsgrößen für das Verfahren gewählt werden. Somit handelt es sich um eine Validierung des Verfahrens. Die Daten stammen von einem Pin-on-Disk System und einer Reibungsbremse. Das Projekt versucht existierende Grenzen zwischen den Bereichen physikalische Systemmodellierung, Datenanalyse, Zeitreihenanalyse und Systemauslegung zu überschreiten und Synergieeffekte aus diesen Bereichen zu nutzen. Daher hat es einen visionären und ambitionierten Charakter.
In dem beantragten Projekt werden neuartige filmbasierte Dämpfungsmechanismen auf der Grundlage von Formgedächtnislegierungen (FGL) untersucht, numerisch erfasst und validiert, die entweder den superelastischen Effekt (SE) oder den thermischen Formgedächtniseffekt (FGE) nutzen. Dies wird eine neue Generation von intelligenten miniaturisierten Dämpfungssystemen für portable oder mobile Anwendungen ermöglichen, die einen rausch- und ruckfreien Betrieb erlauben als auch zusätzliche Detektionsmechanismen aufgrund der starken Kopplung der thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften beinhalten. FGL-Materialien und Bauelemente weisen aufgrund einer Phasenumwandlung erster Ordnung eine nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Antwort und Hysterese auf, welche eine zielgerichtete Optimierung und Kontrolle dissipativer Prozesse bei hohen Spannungs- und Dehnungswerten von 500 MPa und 5% erlaubt. Aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen bei FGL Dünnfilmen ist einen schnelle Wärmeabfuhr mit Zeitkonstanten im Bereich von Millisekunden möglich. Ausgangsmaterialien sind Filme basierend auf TiNi, deren SE und FGE-Eigenschaften optimiert wurden. Die dissipativen Mechanismen darauf aufbauender Teststrukturen während zyklischer Belastung werden durch finite Elemente-Simulationen beschrieben, die auf einem Phasenfeldmodell beruhen, das Phasenumwandlung, Dehnungsänderung und Wärmeströme zeitaufgelöst beschreibt. Mehrere Generationen von Film-basierten FGL-Dämpfungselementen werden entwickelt und evaluiert, die auf passiven (SE) oder aktiven Mechanismen (FGE) oder Kombinationen daraus beruhen. Strategien zur Reduktion der Freiheitsgrade der aufgestellten Modelle (Model Order Reduction) werden getestet, um die Komplexität der Simulationen zu verringern. Zur Modellintegration auf der Systemebene sind Lumped Element Models vorgesehen. Ein miniaturisiertes Kameramodul wird als Demonstrator entwickelt, um die Effizienz der filmbasierten FGL-Dämpfungsmethoden und praktikable Kontrollalgorithmen für die Systemdynamik zu untersuchen. Zusätzliche Funktionalität wie intrinsische Temperatur- und Positionskontrolle werden ebenfalls berücksichtigt.
Stoff- und Energieumwandlungen im Boden hängen vom Aktivitätszustand der Mikroorganismen und ihrem Stoffwechsel ab. Der mikrobielle Abbau von Phosphor (P) kann nicht nur durch P, sondern auch durch Kohlenstoff- (C) und Energiemangel angetrieben werden, da energiereiche Phosphoesterbindung zu den wichtigsten Energiespeichern und -überträgern in Zellen gehört. In diesem Projekt werden wir den von „EcoEnergeticS“ entwickelten thermodynamisch-metabolischen Ansatz zur Bioenergetik des P-Abbaus aus organischen Quellen vertiefen. Unser Ziel ist es, die Energiekosten der Enzymproduktion für den P-Abbau zu ermitteln, mittels derer C, Energie und Nährstoffe aus Substraten unterschiedlicher Komplexität gewonnen werden können. Wir werden erstmals die Parameter der mikrobiellen P-Immobilisierung (Pmic-Bildung), des ATP-Spiegels, der Dynamik der Speichesubstanzen (PHBs), des PLFA- und DNA-Gehalts und deren Verhältnisse sowie die Enzymaktivität mit Wärmefreisetzung und CO2-Emission als Stellvertreter der Stoffwechselaktivität zu kombinieren. Wir nehmen an, dass die Energiekosten zur Produktion P-hydrolysierender Enzyme durch Mikroorganismen mit zunehmender Substratkomplexität steigen. Eine weitere Hypothese lautet, dass Mikroorganismen entweder bei C- oder P-Mangel Verbindungen mit hochenergetischen Phosphoesterbindungen (z. B. ATP) eher als Quelle für entweder C oder P verwenden. Ohne P-Mangel kann C aus ATP in zur Energiespeicherung in Speicherstoffe (z. B. PHB) eingebaut werden, während hydrolysiertes P freigesetzt wird. In WP1 werden wir die Investition von Mikroorganismen in die Enzymproduktion zur Gewinnung von Energie und Nährstoffen aus organischen P-Substanzen unterschiedlicher Komplexität ermitteln, was die Hydrolyse durch entweder eine oder mehrere Phosphatasen (Phosphomono- und Phosphodiesterasen, Phytasen) erfordert. Weiterhin werden wir in WP2 die Energiekosten von i) anorganischer P-Aufnahme und anaboler Verwendung, ii) Mineralisierung von organischen P-Verbindungen mit zunehmender Komplexität entschlüsseln. Das Verwendung von hochenergetischen, C- und P-haltigen Organo-Phosphoestern durch Mikroorganismen bei Nährstoff- und/oder Energielimitierung wird in WP3 untersucht. Insbesondere zielen wir darauf ab, den Einbau von ATP in Zellkomponenten als Indikator für den metabolischen Zustand von Zellen zu definieren, die in der Lage sind, i) energielimitierte, ii) C-limitierte oder iii) P-limitierte mikrobielle Gemeinschaften in Böden zu differenzieren. Insgesamt wird dieses Projekt untersuchen, wie Nährstoffmangel und die Notwendigkeit der Phosphatasebildung die Energie- und C-Speicherung beeinträchtigen und welche dieser P- und C-Wege abhängig von der mikrobiellen Aktivität angetrieben werden. Das Verständnis dieser Mechanismen kann dazu beitragen, die mikrobielle Effizienz bei der P-Umwandlung aus organischer Substanz zu erhöhen, was besonders angesichts des zukünftigen Mangels an Phophordüngemitteln von besonderer Bedeutung ist.
Das Vorhaben umfasst Untersuchungen der inhibierenden Wirkung von Sonnenstrahlung auf die Photosynthese in tropischen Pflanzen und deren Akklimatisation an ambiente Lichtbedingungen. Die Reaktion des Photosyntheseapparats auf natürlichen 'Lichtstress' in Schatten- und Sonnenblättern wird mittels verschiedener Messparameter analysiert. Insbesondere werden spezifische Filter für ultraviolettes Licht (UV-B und UV-A) angewandt, um die Reaktion der Blätter auf die solare UV-Strahlung zu untersuchen. Im Vordergrund der Messungen steht der CO2-Gaswechsel, da Studien mit artifizellem UV-Licht eine bevorzugte Inhibition der CO2-Assimilation durch UV-B gezeigt haben. Daneben werden Änderungen der Aktivitäten der Photosysteme II und I durch Chlorophyllfluoreszenz- bzw. Absorptionsmessungen erfasst. Die Akklimatisation von Schattenblättern an tägliche Sonnenexposition wird mehrere Wochen lang anhand der Zusammensetzung der Photosynthesepigmente und Anreicherung von UV-absorbierenden Substanzen verfolgt. Modellversuche mit Mutanten von Arabidopsis thaliana sollen klären, ob das im Xanthophyllzyklus gebildete Zeaxanthin und die assoziierte thermische Dissipation von Anregungsenergie zum Schutz des Photosystems I beiträgt. Die Sonnenexpositions-Experimente und physikalischen Messungen werden weitgehend am Smithsonian Tropical Research Institute in Panama in Kooperation mit Dr. K. Winter durchgeführt. Pigmentanalysen und Datenverarbeitung sowie die Untersuchung einer C4-Pflanzenart und der Arabidopsis-Mutanten erfolgen am Institut für Biochemie der Pflanzen in Düsseldorf.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 101 |
| Europa | 1 |
| Land | 3 |
| Wissenschaft | 73 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 97 |
| Text | 2 |
| unbekannt | 2 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 4 |
| Offen | 97 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 91 |
| Englisch | 63 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 2 |
| Keine | 46 |
| Webseite | 54 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 101 |
| Lebewesen und Lebensräume | 69 |
| Luft | 63 |
| Mensch und Umwelt | 100 |
| Wasser | 49 |
| Weitere | 100 |