Experimental Analysis and Numerical Simulation of Quench in Superconducting HTS Tapes and Coils

The quench characteristics of second generation (2 G) YBCO Coated Conductor (CC) tapes are of fundamental importance for the design and safe operation of superconducting cables and magnets based on this material. Their ability to transport high current densities at high temperature, up to 77 K, and at very high fields, over 20 T, together with the increasing knowledge in their manufacturing, which is reducing their cost, are pushing the use of this innovative material in numerous system applications, from high field magnets for research to motors and generators as well as for cables. The aim of this Ph. D. thesis is the experimental analysis and numerical simulations of quench in superconducting HTS tapes and coils. A measurements facility for the characterization of superconducting tapes and coils was designed, assembled and tested. The facility consist of a cryostat, a cryocooler, a vacuum system, resistive and superconducting current leads and signal feedthrough. Moreover, the data acquisition system and the software for critical current and quench measurements were developed. A 2D model was developed using the finite element code COMSOL Multiphysics R . The problem of modeling the high aspect ratio of the tape is tackled by multiplying the tape thickness by a constant factor, compensating the heat and electrical balance equations by introducing a material anisotropy. The model was then validated both with the results of a 1D quench model based on a non-linear electric circuit coupled to a thermal model of the tape, to literature measurements and to critical current and quench measurements made in the cryogenic facility. Finally the model was extended to the study of coils and windings with the definition of the tape and stack homogenized properties. The procedure allows the definition of a multi-scale hierarchical model, able to simulate the windings with different degrees of detail.

Computer aided design and finite element modeling to predict bulk mechanical properties of bone scaffolds using triply periodic minimal surfaces (progettazione assistita al calcolatore ed analisi con il metodo degli elementi finiti per predire il comportamento meccanico di scaffolds ossei creati con l'uso di superfici minime periodiche in tre direzioni)

The aim of Tissue Engineering is to develop biological substitutes that will restore lost morphological and functional features of diseased or damaged portions of organs. Recently computer-aided technology has received considerable attention in the area of tissue engineering and the advance of additive manufacture (AM) techniques has significantly improved control over the pore network architecture of tissue engineering scaffolds. To regenerate tissues more efficiently, an ideal scaffold should have appropriate porosity and pore structure. More sophisticated porous configurations with higher architectures of the pore network and scaffolding structures that mimic the intricate architecture and complexity of native organs and tissues are then required. This study adopts a macro-structural shape design approach to the production of open porous materials (Titanium foams), which utilizes spatial periodicity as a simple way to generate the models. From among various pore architectures which have been studied, this work simulated pore structure by triply-periodic minimal surfaces (TPMS) for the construction of tissue engineering scaffolds. TPMS are shown to be a versatile source of biomorphic scaffold design. A set of tissue scaffolds using the TPMS-based unit cell libraries was designed. TPMS-based Titanium foams were meant to be printed three dimensional with the relative predicted geometry, microstructure and consequently mechanical properties. Trough a finite element analysis (FEA) the mechanical properties of the designed scaffolds were determined in compression and analyzed in terms of their porosity and assemblies of unit cells. The purpose of this work was to investigate the mechanical performance of TPMS models trying to understand the best compromise between mechanical and geometrical requirements of the scaffolds. The intention was to predict the structural modulus in open porous materials via structural design of interconnected three-dimensional lattices, hence optimising geometrical properties. With the aid of FEA results, it is expected that the effective mechanical properties for the TPMS-based scaffold units can be used to design optimized scaffolds for tissue engineering applications. Regardless of the influence of fabrication method, it is desirable to calculate scaffold properties so that the effect of these properties on tissue regeneration may be better understood.

Computer simulation studies of vector spin glasses

Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit klassischen Vektor-Spingläsern eine Art von ungeordneten Magneten - auf verschiedenen Gittertypen. Da siernbedeutsam für eine experimentelle Realisierung sind, ist ein theoretisches Verständnis von Spinglas-Modellen mit wenigen Spinkomponenten und niedriger Gitterdimension von großer Bedeutung. Da sich dies jedoch als sehr schwierigrnerweist, sind neue, aussichtsreiche Ansätze nötig. Diese Arbeit betrachtet daher den Limesrnunendlich vieler Spindimensionen. Darin entstehen mehrere Vereinfachungen im Vergleichrnzu Modellen niedriger Spindimension, so dass für dieses bedeutsame Problem Eigenschaften sowohl bei Temperatur Null als auch bei endlichen Temperaturenrnüberwiegend mit numerischen Methoden ermittelt werden. Sowohl hyperkubische Gitter als auch ein vielseitiges 1d-Modell werden betrachtet. Letzteres erlaubt es, unterschiedliche Universalitätsklassen durch bloßes Abstimmen eines einzigen Parameters zu untersuchen. "Finite-size scaling''-Formen, kritische Exponenten, Quotienten kritischer Exponenten und andere kritische Größen werden nahegelegt und mit numerischen Ergebnissen verglichen. Eine detaillierte Beschreibung der Herleitungen aller numerisch ausgewerteter Gleichungen wird ebenso angegeben. Bei Temperatur Null wird eine gründliche Untersuchung der Grundzustände und Defektenergien gemacht. Eine Reihe interessanter Größen wird analysiert und insbesondere die untere kritische Dimension bestimmt. Bei endlicher Temperatur sind der Ordnungsparameter und die Spinglas-Suszeptibilität über die numerisch berechnete Korrelationsmatrix zugänglich. Das Spinglas-Modell im Limes unendlich vieler Spinkomponenten kann man als Ausgangspunkt zur Untersuchung der natürlicheren Modelle mit niedriger Spindimension betrachten. Wünschenswert wäre natürlich ein Modell, das die Vorteile des ersten mit den Eigenschaften des zweiten verbände. Daher wird in Modell mit Anisotropie vorgeschlagen und getestet, mit welchem versucht wird, dieses Ziel zu erreichen. Es wird auf reizvolle Wege hingewiesen, das Modell zu nutzen und eine tiefergehende Beschäftigung anzuregen. Zuletzt werden sogenannte "real-space" Renormierungsgruppenrechnungen sowohl analytisch als auch numerisch für endlich-dimensionale Vektor-Spingläser mit endlicher Anzahl von Spinkomponenten durchgeführt. Dies wird mit einer zuvor bestimmten neuen Migdal-Kadanoff Rekursionsrelation geschehen. Neben anderen Größen wird die untere kritische Dimension bestimmt.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Computer simulation methods to study interfacial tensions : from the Ising model to colloidal crystals

In condensed matter systems, the interfacial tension plays a central role for a multitude of phenomena. It is the driving force for nucleation processes, determines the shape and structure of crystalline structures and is important for industrial applications. Despite its importance, the interfacial tension is hard to determine in experiments and also in computer simulations. While for liquid-vapor interfacial tensions there exist sophisticated simulation methods to compute the interfacial tension, current methods for solid-liquid interfaces produce unsatisfactory results.rnrnAs a first approach to this topic, the influence of the interfacial tension on nuclei is studied within the three-dimensional Ising model. This model is well suited because despite its simplicity, one can learn much about nucleation of crystalline nuclei. Below the so-called roughening temperature, nuclei in the Ising model are not spherical anymore but become cubic because of the anisotropy of the interfacial tension. This is similar to crystalline nuclei, which are in general not spherical but more like a convex polyhedron with flat facets on the surface. In this context, the problem of distinguishing between the two bulk phases in the vicinity of the diffuse droplet surface is addressed. A new definition is found which correctly determines the volume of a droplet in a given configuration if compared to the volume predicted by simple macroscopic assumptions.rnrnTo compute the interfacial tension of solid-liquid interfaces, a new Monte Carlo method called ensemble switch method'' is presented which allows to compute the interfacial tension of liquid-vapor interfaces as well as solid-liquid interfaces with great accuracy. In the past, the dependence of the interfacial tension on the finite size and shape of the simulation box has often been neglected although there is a nontrivial dependence on the box dimensions. As a consequence, one needs to systematically increase the box size and extrapolate to infinite volume in order to accurately predict the interfacial tension. Therefore, a thorough finite-size scaling analysis is established in this thesis. Logarithmic corrections to the finite-size scaling are motivated and identified, which are of leading order and therefore must not be neglected. The astounding feature of these logarithmic corrections is that they do not depend at all on the model under consideration. Using the ensemble switch method, the validity of a finite-size scaling ansatz containing the aforementioned logarithmic corrections is carefully tested and confirmed. Combining the finite-size scaling theory with the ensemble switch method, the interfacial tension of several model systems, ranging from the Ising model to colloidal systems, is computed with great accuracy.

Numerical simulation of some viscoelastic fluids

Numerical simulation of the Oldroyd-B type viscoelastic fluids is a very challenging problem. rnThe well-known High Weissenberg Number Problem" has haunted the mathematicians, computer scientists, and rnengineers for more than 40 years. rnWhen the Weissenberg number, which represents the ratio of elasticity to viscosity, rnexceeds some limits, simulations done by standard methods break down exponentially fast in time. rnHowever, some approaches, such as the logarithm transformation technique can significantly improve rnthe limits of the Weissenberg number until which the simulations stay stable. rnrnWe should point out that the global existence of weak solutions for the Oldroyd-B model is still open. rnLet us note that in the evolution equation of the elastic stress tensor the terms describing diffusive rneffects are typically neglected in the modelling due to their smallness. However, when keeping rnthese diffusive terms in the constitutive law the global existence of weak solutions in two-space dimension rncan been shown. rnrnThis main part of the thesis is devoted to the stability study of the Oldroyd-B viscoelastic model. rnFirstly, we show that the free energy of the diffusive Oldroyd-B model as well as its rnlogarithm transformation are dissipative in time. rnFurther, we have developed free energy dissipative schemes based on the characteristic finite element and finite difference framework. rnIn addition, the global linear stability analysis of the diffusive Oldroyd-B model has also be discussed. rnThe next part of the thesis deals with the error estimates of the combined finite element rnand finite volume discretization of a special Oldroyd-B model which covers the limiting rncase of Weissenberg number going to infinity. Theoretical results are confirmed by a series of numerical rnexperiments, which are presented in the thesis, too.

Teeth restored using fiber-reinforced posts: in vitro fracture tests and finite element analysis

In dentistry the restoration of decayed teeth is challenging and makes great demands on both the dentist and the materials. Hence, fiber-reinforced posts have been introduced. The effects of different variables on the ultimate load on teeth restored using fiber-reinforced posts is controversial, maybe because the results are mostly based on non-standardized in vitro tests and, therefore, give inhomogeneous results. This study combines the advantages of in vitro tests and finite element analysis (FEA) to clarify the effects of ferrule height, post length and cementation technique used for restoration. Sixty-four single rooted premolars were decoronated (ferrule height 1 or 2 mm), endodontically treated and restored using fiber posts (length 2 or 7 mm), composite fillings and metal crowns (resin bonded or cemented). After thermocycling and chewing simulation the samples were loaded until fracture, recording first damage events. Using UNIANOVA to analyze recorded fracture loads, ferrule height and cementation technique were found to be significant, i.e. increased ferrule height and resin bonding of the crown resulted in higher fracture loads. Post length had no significant effect. All conventionally cemented crowns with a 1-mm ferrule height failed during artificial ageing, in contrast to resin-bonded crowns (75% survival rate). FEA confirmed these results and provided information about stress and force distribution within the restoration. Based on the findings of in vitro tests and computations we concluded that crowns, especially those with a small ferrule height, should be resin bonded. Finally, centrally positioned fiber-reinforced posts did not contribute to load transfer as long as the bond between the tooth and composite core was intact.

Influence of Smoothing on Voxel-Based Mesh Accuracy in Micro-Finite Element

The interest in automatic volume meshing for finite element analysis (FEA) has grown more since the appearance of microfocus CT (μCT), due to its high resolution, which allows for the assessment of mechanical behaviour at a high precision. Nevertheless, the basic meshing approach of generating one hexahedron per voxel produces jagged edges. To prevent this effect, smoothing algorithms have been introduced to enhance the topology of the mesh. However, whether smoothing also improves the accuracy of voxel-based meshes in clinical applications is still under question. There is a trade-off between smoothing and quality of elements in the mesh. Distorted elements may be produced by excessive smoothing and reduce accuracy of the mesh. In the present work, influence of smoothing on the accuracy of voxel-based meshes in micro-FE was assessed. An accurate 3D model of a trabecular structure with known apparent mechanical properties was used as a reference model. Virtual CT scans of this reference model (with resolutions of 16, 32 and 64 μm) were then created and used to build voxel-based meshes of the microarchitecture. Effects of smoothing on the apparent mechanical properties of the voxel-based meshes as compared to the reference model were evaluated. Apparent Young’s moduli of the smooth voxel-based mesh were significantly closer to those of the reference model for the 16 and 32 μm resolutions. Improvements were not significant for the 64 μm, due to loss of trabecular connectivity in the model. This study shows that smoothing offers a real benefit to voxel-based meshes used in micro-FE. It might also broaden voxel-based meshing to other biomechanical domains where it was not used previously due to lack of accuracy. As an example, this work will be used in the framework of the European project ContraCancrum, which aims at providing a patient-specific simulation of tumour development in brain and lungs for oncologists. For this type of clinical application, such a fast, automatic, and accurate generation of the mesh is of great benefit.

Locally finite groups with all subgroups either subnormal or nilpotent-by-Chernikov

Let G be a locally finite group satisfying the condition given in the title and suppose that G is not nilpotent-by-Chernikov. It is shown that G has a section S that is not nilpotent-by-Chernikov, where S is either a p-group or a semi-direct product of the additive group A of a locally finite field F by a subgroup K of the multiplicative group of F, where K acts by multiplication on A and generates F as a ring. Non-(nilpotent-by-Chernikov) extensions of this latter kind exist and are described in detail.

Additive Hazards Models with Latent Treatment Effectiveness Lag Time

In many clinical trials to evaluate treatment efficacy, it is believed that there may exist latent treatment effectiveness lag times after which medical procedure or chemical compound would be in full effect. In this article, semiparametric regression models are proposed and studied to estimate the treatment effect accounting for such latent lag times. The new models take advantage of the invariance property of the additive hazards model in marginalizing over random effects, so parameters in the models are easy to be estimated and interpreted, while the flexibility without specifying baseline hazard function is kept. Monte Carlo simulation studies demonstrate the appropriateness of the proposed semiparametric estimation procedure. Data collected in the actual randomized clinical trial, which evaluates the effectiveness of biodegradable carmustine polymers for treatment of recurrent brain tumors, are analyzed.

Topological changes in 2D simplicial meshes for the simulation of fractures

A method for the introduction of strong discontinuities into a mesh will be developed. This method, applicable to a number of eXtended Finite Element Methods (XFEM) with intra-element strong discontinuities will be demonstrated with one specific method: the Generalized Cohesive Element (GCE) method. The algorithm utilizes a subgraph mesh representation which may insert the GCE either adaptively during the course of the analysis or a priori. Using this subgraphing algorithm, the insertion time is O(n) to the number of insertions. Numerical examples are presented demonstrating the advantages of the subgraph insertion method.

Muffler characterization with implementation of the finite element method and experimental techniques

Determining how an exhaust system will perform acoustically before a prototype muffler is built can save the designer both a substantial amount of time and resources. In order to effectively use the simulation tools available it is important to understand what is the most effective tool for the intended purpose of analysis as well as how typical elements in an exhaust system affect muffler performance. An in-depth look at the available tools and their most beneficial uses are presented in this thesis. A full parametric study was conducted using the FEM method for typical muffler elements which was also correlated to experimental results. This thesis lays out the overall ground work on how to accurately predict sound pressure levels in the free field for an exhaust system with the engine properties included. The accuracy of the model is heavily dependent on the correct temperature profile of the model in addition to the accuracy of the source properties. These factors will be discussed in detail and methods for determining them will be presented. The secondary effects of mean flow, which affects both the acoustical wave propagation and the flow noise generation, will be discussed. Effective ways for predicting these secondary effects will be described. Experimental models will be tested on a flow rig that showcases these phenomena.

Computersimulation von Wendelförderern mit Hilfe der Diskrete Elemente Methode (DEM)

Wendelfördersysteme werden vorrangig in Kläranlagen für Rechengut und Klärschlamm, in der Abfallverwertung und -entsorgung, in der Holzindustrie (Späne und Hackschnitzel), in der Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft (Saatgut), in der Zellstoff-, Papier- und Bauindustrie (Mörtel) u. a. eingesetzt. In der modernen Kreislaufwirtschaft und in der Altlastensanierung (Altdeponieaufbereitung u. a.) ist der Einsatz von Wendelförderern besonders angezeigt. Somit ist die Bedeutung des Wendelförderers als Gliedes in der logistischen Kette der Abfallverwertungsbetriebe sehr groß. Der Vortrag erläutert die Rolle des Wendelförderers in der logistischen Kette der Entsorgungswirtschaft. Es werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung sowie der DEM-Simulation von Wendelförderern vorgestellt und diskutiert, welche Chancen und Möglichkeiten sich für eine verbesserte Auslegung des Wendelförderers ergeben.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

Simulation von Förderprozessen bei Vibrationsförderanlagen

Die erzielbare Fördergeschwindigkeit bei Vibrationsförderern hängt maßgeblich von der Bewegungsfunktion des Förderorganes ab. Für die gezielte Simulation dieser Anlagen mittels der diskreten Elemente Methode (DEM) ist es notwendig die geometrisch vernetzen Förderorgannachbildungen mit praxisrelevanten Bewegungsfunktionen zu beaufschlagen. Der Artikel beschreibt die Einbindung dieser Bewegungsfunktionen in die quellenoffene DEM-Software LIGGGHTS. Während des Simulationsprozesses wird eine Bewegung vernetzter CAD-Modelle durch trigonometrische Reihen ermöglicht.