Räumliche Wahlmöglichkeiten als Effizienzkriterium für Siedlung und Verkehr

In der Arbeit wird eine Messgröße für die Mobilität im Personenverkehr formuliert und anhand dieser Messgröße eine vergleichende Bewertung von Szenarien der Siedlungs- und Verkehrsentwicklung vorgenommen. Mobilität im Sinne räumlicher Wahlmöglichkeiten sind die Freiheitsgrade der Menschen in der Auswahl ihrer räumlichen Ziele und Beziehungen. Mehr als das tatsächliche Verhalten unterliegen Wahlmöglichkeiten starken Einflüssen der Siedlungsstruktur. Die relevanten Siedlungsstrukturmerkmale werden zu zwei Hauptmerkmalen zusammengefasst, Lokale Urbanität und Regionale Geometrie, und ihre Ausprägungen zu fünf Leitbildern einer integrierten Entwicklung von Siedlung und Verkehr kombiniert: 1. Kompakte Stadt mit hoher lokaler Urbanität und großflächiger, sternförmiger Geometrie. 2. Städtenetz mit hoher lokaler Urbanität und kleinteiliger, netzförmiger Geometrie. 3. Autoland mit geringer lokaler Urbanität und großflächiger Geometrie. 4. Nivellierung mit mittlerer lokaler Urbanität und großflächiger sternförmiger Geometrie. 5. Differenzierung als ein kleinteiliges Nebeneinander von Städtenetz und Autoland bei nur schwacher gegenseitiger Vernetzung Die Leitbilder werden in einem mittelstädtischen Siedlungsraum in Ostwestfalen zu konkreten Szenarien für das Jahr 2050 entwickelt und die Wahlmöglichkeiten in diesen Szenarien berechnet: 1. In der Kompakten Stadt betragen die Wahlmöglichkeiten im Fußgänger-, Fahrrad- und öffentlichen Verkehr ca. das Zwanzigfache des Autolands und ca. das Fünffache des Nivellierungsszenarios. Selbst im Autoverkehr bietet die Kompakte Stadt ca. doppelt so große Wahlmöglichkeiten wie Autoland oder Nivellierung. Dieser Vergleich offenbart zugleich das verkehrliche Desaster der Trendentwicklung. 2. Der Vergleich sternförmiger Urbanität (Kompakte Stadt) mit netzförmiger Urbanität (Städtenetz) endet unentschieden. Die Mobilitätsvorteile hoher Urbanität lassen sich auch in kleinteiligen Strukturen und in allseitigen Siedlungsnetzen realisieren. 3. Die urbanen Szenarien Kompakte Stadt und Städtenetz erscheinen jedoch in der hier simulierten "Reinform" als planerisches Leitbild eher ungeeignet. Von größerer praktischer Relevanz ist der Vergleich der Szenarien Nivellierung und Differenzierung. In diesem Vergleich erweist sich die intensive Stadt-Umland-Verflechtung und die dafür notwendige Angleichung (Nivellierung) der Verkehrsangebote zwischen urbanen und suburbanen Siedlungsstrukturen als nachteilig. Demgegenüber erreicht das kleinteilige Nebeneinander von urbanem Städtenetz und suburbanem Autoland im Szenario Differenzierung sogar ein ähnliches Niveau räumlicher Wahlmöglichkeiten wie das Städtenetz, trotz wesentlich geringerer urbaner Siedlungsstrukturanteile. Es zeigt somit auch, dass die großen Mobilitätsvorteile urbaner Strukturen bereits bei einer teilweisen (Re-)Urbanisierung erzielt werden können. Suburbanisierung, Autoverkehrswachstum und Stadt-Umland-Verflechtung sind nicht zuletzt Folge von mindestens 70 Jahre alten Leitbildern in Planung und Politik. Die für das Differenzierungs-Szenario notwendige Phase teilräumlicher (Re-)Urbanisierung setzt weder massive Planungszwänge "gegen den Markt" noch große Wachstumsschübe voraus. Notwendig ist aber die Überprüfung vieler weiterer Politikfelder, die auf Siedlung und Verkehr einwirken. Nur geänderte Anreize und Spielregeln können die laufenden kleinen Standort- und Verkehrsentscheidungen in eine neue, effizientere Richtung lenken. Die Neubewertung der Standorte und Verkehrsangebote vergrößert dabei auch die Entwicklungsmasse. Ein frühzeitiges, langsames Umsteuern vermeidet ernsthafte Krisen mit möglicherweise nicht mehr beherrschbaren Verkehrskosten.

Zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens des austenitischen Stahls X5CrNi18-10 im Temperaturbereich 25-600°C durch mechanische Randschichtverfestigungsverfahren

Die technischen Oberflächen werden oft als Bauteilversagungsorte definiert. Deswegen ist eine optimale Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften ohne mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren nicht mehr wegzudenken. Mechanische Randschichtoptimierungsverfahren sind vergleichsweise einfach, Kosten sparend und hocheffektiv. Gerade das Festwalzen wird wegen seiner günstigen Auswirkungen wie die exzellente Oberflächengüte, die hohen Druckeigenspannungen sowie die hohe Oberflächenverfestigung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Außerdem wird durch das Festwalzen in einigen Legierungen eine nanokristalline Oberflächenschicht gebildet. Diese brillanten Eigenschaften führen nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung zur Erhöhung des Werkstoffwiderstandes unter anderem gegen Verschleiß, Spannungsrisskorrosion und insbesondere zur Steigerung der Schwingfestigkeit. Ein etabliertes Beispiel zur Steigerung der Schwingfestigkeit ist das Festwalzen von Achsen und Kurbelwellen. Auch solche komplexen Komponenten wie Turbinenschaufeln werden zur Schwingfestigkeitssteigerung laserschockverfestigt oder festgewalzt. Die Laserschockverfestigung ist ein relativ neues Verfahren auf dem Gebiet der mechanischen Oberflächenbehandlungen, das z.B. bereits in der Flugturbinenindustrie Anwendung fand und zur Schwingfestigkeitsverbesserung beiträgt. Das Verfahrensprinzip besteht darin, dass ein kurzer Laserimpuls auf die zu verfestigende, mit einer Opferschicht versehene Materialoberfläche fokussiert wird. Das Auftreffen des Laserimpulses auf der verwendeten Opferschicht erzeugt ein expandierendes Plasma, welches eine Schockwelle in randnahen Werkstoffbereichen erzeugt, die elastisch-plastische Verformungen bewirkt. Eine konsekutive Wärmebehandlung, Auslagerung nach dem Festwalzen, nutzt den statischen Reckalterungseffekt. Hierdurch werden die Mikrostrukturen stabilisiert. Die Änderung der Mikrostrukturen kann jedoch zu einer beträchtlichen Abnahme der mittels Festwalzen entstandenen Druckeigenspannungen und der Kaltverfestigungsrate führen. Das Festwalzen bei erhöhter Temperatur bietet eine weitere Möglichkeit die Schwingfestigkeit von metallischen Werkstoffen zu verbessern. Die Mikrostruktur wird durch den Effekt der dynamischen Reckalterung stabilisiert. Die Effekte beim Festwalzen bei erhöhten Temperaturen sind ähnlich dem Warmstrahlen. Das Festwalzen erzeugt Oberflächenschichten mit sehr stabilen Kaltverfestigungen und Druckeigenspannungen. Diese Strukturen haben viele Vorteile im Vergleich zu den durch rein mechanische Verfahren erzeugten Strukturen in Bezug auf die Schwingfestigkeit und die Stabilität der Eigenspannungen. Die Aufgabe der vorliegenden Dissertation war es, Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600 °C zu erforschen. Begleitende mikrostrukturelle sowie röntgenographische Untersuchungen sollen zum Verständnis der Ursachen der Verbesserung beitragen. Für diese Arbeit wurde der in der Praxis häufig verwendete Modellwerkstoff X5CrNi18-10 ausgewählt. Als Randschichtverfestigungsverfahren wurden das Festwalzen, eine Kombination der mechanischen und thermischen, thermomechanischen Verfahren auf der Basis des Festwalzens und eine Laserschockverfestigung verwendet.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.