Finite element stability analysis of pre-twisted Beck's column

Summary This paper presents a stability and vibration analysis of a pre-twisted cantilever column subjected to vertical and follower loads at its free end. The investigation is carried out using finite element modelling where the effects of transverse shear deformation and rotatory inertia are taken into account in deriving the element matrices. By using the assembly procedure and imposing the boundary conditions, a relationship between the load and vibration frequency is obtained. The critical, divergence and flutter, loads are calculated by evaluating the relationship and shown in figures for various values of non-conservativeness parameter, of twist angle, and those of rigidity ratio.

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Untersuchung der Stabilität des verwundenen Beck-Stabes mit Finiten Elementen

Übersicht Dieser Aufsatz stellt eine Stabilitäts- und Schwingungsuntersuchung des vorverwundenen, einseitig eingespannten Stabes dar, der an seinem freien Ende vertikalen und mitgehenden Lasten ausgesetzt ist. In der Untersuchung wird die Methode der finiten Elemente angewendet, und in der Herleitung der Elementmatrizen werden die Einflüsse der Schubspannungen infolge der Querkraft und der Rotationsträgheit berücksichtigt. Eine Beziehung zwischen der Last und der Schwingungsfrequenz wird dadurch ermittelt, daß man die Gesamtssystemmatrix bildet und die Randbedingungen anwendet. Durch die Auswertung der Beziehung werden die kritischen Divergenz- und Flatterlasten für verschiedene Werte des Nichtkonservativitätsparameters, des Verwindungswinkels und des Steifigkeitsverhältnisses ermittelt und in Bildern dargestellt.

     

On the imperfection sensitivity of compound branching

Summary The effect of small imperfections on the stability behaviour of an N-degree-of-freedom system exhibiting 2-fold coincident critical points is investigated. The analysis is based on equilibrium surfaces and the multiple-parameter perturbation technique. The relationship between certain forms of the equilibrium surface and the Catastrophe theory is discussed. An illustrative structural model is analyzed.

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Übersicht Es wird der Einfluß kleiner Abweichungen auf die Stabilität von Systemen mit N Freiheitsgraden mit einem zweifachen kritischen Punkt untersucht. Die Analyse beruht auf der Betrachtung von Gleichgewichtsflächen und auf der Störungsrechnung für mehrere Parameter. Die Beziehungen zwischen den auftretenden Gleichgewichtsflächen und der Katastrophentheorie werden erörtert. An einem Strukturmodell wird die Vorgehensweise erläutert.

     

Die rheologische Zustandsgleichung

Zusammenfassung In der Einleitung wird die rheologische Zustandsgleichung — d. h. die stoff-spezifische Beziehung zwischen den nicht-starren Bewegungen eines Körpers und den damit in kausalem Zusammenhang stehenden Kräften — als der zentrale Gegenstand der Rheologie bestimmt und anschließend die Rheologie in zwei Hauptgebiete — phänomenologische und statistische Rheologie — aufgegliedert.Der erste Teil behandelt die phänomenologische Theorie (Makro-Rheologie) und umreißt nach einer kurzen kritischen Behandlung der linearen Theorien die allgemeine nicht-lineare Theorie der rheologischen Körper. Nacheinander werden die Konsequenzen des Grundpostulats der Dimensionsanalysis, der Forderung der Invarianz der kinematischen Größen gegen starre Bewegungen und der Isotropiebedingung analysiert und die Ergebnisse am Beispiel der Theorie des isotropen elastischen Körpers, der Theorie der strukturviskosen Flüssigkeit und insbesondere der quasi-stationären Theorie der allgemeinen Flüssigkeit erläutert. Dabei werden zum Schluß auch einige Kriterien für verschiedene viskosimetrische Quereffekte abgeleitet.Im zweiten Teil wird der Abriß einer allgemeinen statistischen Theorie (Mikro-Rheologie) verdünnter Lösungen, Suspensionen und Emulsiopen gegeben. Die hierin enthaltenen hydrodynamischen und statischen Probleme werden analysiert und es wird ein Störungsverfahren zur Lösung des letzteren angegeben, welches zugleich eine Relaxationstheorie enthält. Diese Theorie wird anschließend am Beispiel einer Suspension elastischer Hanteln im einzelnen durchgeführt, wobei die drei Spezialfälle: starre, hart-elastische und weichelastische Hanteln sowohl bezüglich ihres quasi-stationären als auch ihres Relaxationsverhaltens eingehend diskutiert werden. Es ergeben sich dabei bemerkenswerte Unterschiede, welche über das spezielle Modell hinaus für eine zumindest qualitative Kennzeichnung der Suspensionen von Teilchen mit nur permanenter, nur induzierter und schließlich mit sowohl permanenter als auch induzierter Formanisotropie von Bedeutung sind.Vorgetragen auf der gemeinsamen Tagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft e. V. und der Deutschen Rheologen-Vereinigung e. V. in Berlin am 24. 10. 1956.     

Berücksichtigung veränderlicher Wärmeübergangskoeffizienten und Wärmekapazitäten bei der Bemessung von Wärmeaustauschern

Zusammenfassung Die in einem Wärmeaustauscher für eine bestimmte Temperaturänderung zweier Stoffströme erforderliche Austauschfläche läßt sich nach bekannten Verfahren leicht bestimmen, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient und die Wärmekapazitäten der Medien entlang der Austauschfläche konstant sind. Sind sie veränderlich, so lassen sich die gleichen Verfahren anwenden, wenn man für die veränderlichen Größen geeignete Mittelwerte einsetzt. Zur Bildung dieser Mittelwerte wird ein einfaches Näherungsverfahren abgeleitet. Hierbei muß man je nach Veränderlichkeit und gewünschter Genauigkeit die Wärmeübergangskoeffizienten und die Wärmekapazitäten für die erste Näherung an einer, für die zweite an zwei Stellen des Wärmeaustauschers berechnen. Anhand eines Beispiels aus der Wärmestrahlung wird gezeigt, daß auch bei stark temperaturabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten die zweite Näherung sehr genaue Ergebnisse liefert. Auch die erste Näherung ist im Vergleich zu anderen Verfahren recht gut und dürfte in vielen Fällen ausreichend genau sein.

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Dimensioning heat exchangers with regard to variable heat transfer coefficients and heat capacities

The area necessary to effect a certain change of temperature of two fluids flowing through a heat exchanger can be calculated by well-known methods if the coefficients of heat transmission and heat capacity along the heat transferring surfaces are constant. In cases where these coefficients are variable the same methods are applicable if suitable averages are introduced. A simple approximation to determine these averages is deduced. In this method, depending on the extent of unsteadiness or the desired accuracy, one has to calculate the heat transfer coefficients and specific heats either, for the first approximation, at one point of the heat exchanger or, for the second approximation, at two points. An example with heat radiation shows that even with extremely temperature-dependent heat transfer coefficients the second approximation yields excellent results. The first approximation also is quite good compared with other methods and should be quite satisfactory in many applications.

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Mitteilung aus dem Institut für Thermodynamik der Technischen Universität Berlin.     

Kreiselverhalten eines elastisch gelagerten Rotors

Übersicht Schnelle'Rotoren besitzen eine große technische Bedeutung. Ihr Bewegungsverhalten wird durch die Kreiselkräfte und die Elastizität und Dämpfung der Lagerung beeinflußt. Ausgehend von den Bewegungs-gleichungen wird das Eigenverhalten und das Störverhalten eines Rotors untersucht. Das Durchfahren der kritischen Drehzahlen ergibt instationäre Bewegungen, während axiale Erregerkräfte auf parametererregte Schwingungen führen. Die optimalen Parameter eines Rotors werden bestimmt. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Gültigkeit der theoretischen Ergebnisse.

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Summary High-speed rotors are of increasing technical interest. Their motion is influenced by gyroscopic forces and by the elasticity and damping of their suspension. Starting with the equations of motion the rotor's natural behaviour and disturbance behaviour is investigated. Running through the critical speeds instationary motions appear. Axial forces are leading to parametric excited vibrations. Optimal parameters of a rotor are determined. Experiments verify the validity of the theoretical results.

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Die Arbeit entstand als Gemeinschaftsarbeit am Institut B für Mechanik der TU München. Die Hauptbearbeiter der einzelnen Teilaufgaben sind in Fußnoten genannt. Die Untersuchungen wurden mit Mitteln des Ministeriums für Bildung und Wissenschaft gefördert.     

Lateral post-buckling analysis of beams

Summary The nonlinear lateral buckling response of perfect stocky beams in the vicinity of the critical bifurcational state is discussed. Attention is focused on the initial post-buckling response. This depends on the nature of the critical branching point which is explored by using a nonlinear (lateral) bending-curvature relationship. It is found that the plane of loading (associated with the major moment of inertia) looses its stability through a stable symmetric bifurcation point. Hence, the above beams are not sensitive to imperfections, exhibiting post-buckling strength. However, the post-buckling equilibrium path is quite shallow, so that the load-carrying capacity of such beams above the critical state is rather limited. The analysis is supplemented by illustrative examples forI-beams for which the effect of various parameters on the initial postbuckling path is also discussed.

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Analyse des lateralen nachkritischen Knickverhaltens von Balken

Übersicht Das nichtlineare Knickverhalten von perfekten gedrungenen Balken in der Nachbarschaft des kritischen Verzweigungspunktes wird untersucht, wobei sich die Aufmerksamkeit insbesondere auf den Beginn der nachkritischen Phase richtet. Diese hängt vom Charakter des kritischen Verzweigungspunktes ab, der seinerseits mit Hilfe einer nichtlinearen (lateralen) Biegemoment-und Krümmungs-Beziehung analysiert wird. Es zeigt sich, daß die Stabilität in der Belastungsebene-verbunden mit dem maximalen Flächenmoment zweiter Ordnung-über einen stabilen symmetrischen Verzweigungspunkt verlorengeht. Daher sind solche Balken unempfindlch gegenüber Imperfektionen, sie zeigen nachkritische Belastbarkeit. Der nachkritische Gleichgewichtspfad ist jedoch sehr flach, so daß die Tragfähigkeit dieser Balken oberhalb des kritischen Zustandes recht begrenzt ist. Die Untersuchung ist durch illustrative Beispiele für I-Balken untermauert, für welche der Einfluß der verschiedenen Parameter auf den anfänglichen nachkritischen Pfad herausgearbeitet wird.

     

Verfahren zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften von Folien

Zusammenfassung Es wird theoretisch begründet, daß zur Aussage über die visko-elastischen Eigenschaften sehr dünner Proben der longitudinale Anregungsfall geeigneter ist als der transversale. Für den Fall der Erregung longitudinaler und transversaler Schwingungen wird die Abhängigkeit von Elastizitätsmodul und tg von Resonanzfrequenz und Halbwertsbreite berechnet. Eine experimentelle Anordnung zur Erregung longitudinaler Schwingungen wird beschrieben. Abschließend werden erste Meßergebnisse mitgeteilt.Zum 100jährigen Jubiläum der Farbenfabriken Bayer A. G.Herrn Dr.W. Meskat bin ich für viele fördernde Diskussionen zu großem Dank verpflichtet.     

Zur parametererregung des rad-schiene-systems: Berechnung der fahrzeug-fahrweg-untergrund-dynamik und experimentelle verifikation am hochgeschwindigkeitszug intercity experimental

Übersicht Die diskrete Stützung der Schiene auf Schwellen in regelmäßigem Abstand ergibt für den fahrenden Zug eine Parametererregung. Die Berechnung der parametererregten Schwingungen und der zugehörigen dynamischen Radlasten erfordert die Analyse des Gesamtsystems Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund. Es wird eine Substrukturmethode vorgestellt, bei der Fahrzeug, Fahrweg und Untergrund jeweils mit geeigneten Methoden (Mehrkörperdynamik, Finite Elemente, Randelemente) berechnet werden. Das Verfahren wird auf eine Situation angewandt, die auch mehrfach experimentell untersucht wurde, die Hochgeschwindigkeitsversuchsfahrten des Intercity Experimental (ICE) auf der Neubaustrecke bei Würzburg. Es werden die Ergebnisse der Teilsysteme und des Gesamtsystems und schließlich die dynamische Radlast für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten dargestellt. Die dynamische Radlast nimmt bei Steigerung der Fahrgeschwindigkeit bis 200 km/h zu, bleibt bei höheren Fahrgeschwindigkeiten jedoch ungefähr konstant. Eine ähnliche Tendenz wird bei den Erschütterungen in der Umgebung bemerkt. Mit den berechneten Radlasten werden die ICE-Vorbeifahrten sehr detailliert simuliert und die berechneten Erschütterungen mit den gemessenen verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung, so daß der wichtige Fahrgeschwindigkeitseffekt als theoretisch und experimentell abgesichert angesehen werden kann.

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Parametric excitation of rail-wheel-system: calculation of vehicle-track-subsoil-dynamics and experimental results of the high speed train intercity experimental

Summary The discrete support of the rail on regularly spaced sleepers leads to a parametric excitation of the running train. To calculate the resulting vibrations and the additional dynamic loads the complete vehicle-track-subsoil system must be considered. A substructure method using appropriate methods for each subsystem (rigid bodies, finite elements, boundary elements) is presented and applied to a situation which was measured three times during highspeed test runs of the Intercity Experimental (ICE) near Würzburg. The results of the subsystems are shown and the coupling leads finally to the dynamic loads moving on the track. These loads increase with speed up to 200 km/h but remain nearly constant at higher speeds. A similar tendency was found in the measured vibrations near the track. To compare theory and experiment the calculated moving loads were used to simulate the environmental vibrations of the ICE test runs showing a good agreement.

     

Zur Berechnung der Potentialströmung um quergestellte Luftschiffkörper

Zusammenfassung Zunächst wird das v. Kármánsche Verfahren, die Potentialströmung um quergestellte Luftschiffkörper mit Hilfe einer streckenweise konstanten Dipolbelegung auf der Achse des Körpers zu berechnen, kurz skizziert und einige Überlegungen für Beginn und Ende der Belegung angestellt. Dann wird dieses Verfahren verbessert durch Annahme einer stetigen, stückweise linear veränderlichen Dipolbelegung auf der Achse. Der zweite Hauptteil der Arbeit bringt die Berechnung der Potentialströmung mit Hilfe von Quellen und Senken, die auf der Oberfläche des Luftschiffkörpers angeordnet sind. Die Integralgleichung, der diese Oberflächenbelegung genügen muß, wird angeschrieben, und der Kern auf Funktionen zurückgeführt, die sich aus vollständigen elliptischen Normalintegralen zusammensetzen lassen. Für diese Funktionen werden Diagramme gegeben. Die Integralgleichung ist durch Iteration lösbar. Die Konvergenz des Verfahrens ist gut. Zum Schluß werden die Formeln zur Berechnung der Geschwindigkeit auf der Oberfläche und des Potentials für einen beliebigen Punkt angegeben.Herrn Prof. Dr.Betz bin ich für die Anregung zu dieser Arbeit und für seine Ratschläge bei ihrer Abfassung zu besonderem Dank verpflichtet.     

Free surface instability of a rotating liquid film of a second-order fluid

Summary The free surface instability of a liquid film of an incompressible second-order fluid attached to a rotating circular cylinder is studied with respect to rotationally symmetric infinitesimal disturbances. The surface mode is examined in detail; the shear wave mode is qualitatively discussed. The results show that for any Reynolds numberR and any surface tensionT, there is always a range of wave numberm for which the flow is unstable. The dependence of the growth rate as well as the critical wave numberm, on the normal stress coefficients of the fluid is studied quantitatively for small as well as for finiteR. It is found that while the first normal stress coefficient has no effect on the stability of the flow, the presence of the second normal stress coefficient always tend to make the flow less stable (i.e., larger growth rate). The critical wave length (which corresponds to the mode of maximum instability and thereby determines the wave length of the breaking apart of the rings formed on the cylinder) is longer for a second-order fluid than for a Newtonian one. These effects (larger growth rate and longer critical wave length) are more pronounced asR increases and/orb (the thickness parameter) increases for a fixed surface tension parameterS. Surface tension is always stabilizing. Decreasing surface tension increases the growth rate, more so for larger magnitude of the second normal stress coefficient.

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Zusammenfassung Die Instabilität der freien Oberfläche eines einem rotierenden Kreiszylinder anhaftenden Flüssigkeitsfilms einer inkompressiblen Flüssigkeit zweiter Ordnung wird gegenüber rotationssymmetrischen infinitesimalen Störungen untersucht. Dabei werden Oberflächenwellen eingehend, Scherwellen dagegen nur qualitativ behandelt. Für jede ReynoldszahlR und für jede OberflächenspannungT gibt es einen Bereich von Wellenzahlenm, für welche die Strömung instabil ist. Für kleine und für endlicheR wird die Abhängigkeit der Zuwachsrate und der kritischen Wellenzahlm _cr vom Normalspannungskoeffizienten der Flüssigkeit quantitativ untersucht. Während der erste Normalspannungskoeffizient keinen Einfluß auf die Stabilität der Strömung zeigt, hat der zweite Normalspannungskoeffizient die Tendenz, die Strömung weniger stabil zu machen (z. B. größere Zuwachsraten zu liefern). Die kritische Wellenlänge (die der maximalen Instabilität entspricht und infolgedessen die Trennung der sich auf dem Zylinder bildenden Ringe verursacht) ist für die Flüssigkeit zweiter Ordnung größer als für die newtonsche Flüssigkeit. Diese Erscheinungen (größere Zuwachsrate und größere kritische Wellenlänge) sind für konstanten OberflächenspannungsparameterS mit zunehmendemR und/oder zunehmendemb (Dickenparameter des Flüssigkeitsfilms) stärker ausgeprägt. Die Oberflächenspannung wirkt immer stabilisierend. Eine Abnahme in der Oberflächenspannung erhöht die Zuwachsrate, dieser Effekt ist für große Werte des zweiten Normalspannungskoeffizienten stärker ausgeprägt.

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With 12 figures     

Nonlinear sway-buckling of geometrically imperfect rectangular frames

Summary By using as model an unbraced rectangular frame, the effect of geometric imperfections due to right angle deviations is thoroughly discussed. It is found that the value of the angle between the center lines of the two members is of decisive importance for the response of the frame. There is a critical angle for which the response of the frame changes from buckling to unbuckled states exhibiting a monotonically rising equilibrium path. It is shown that this critical angle depends on the column slenderness ratio as well as on the length and moment of inertia ratio of the two members. Moreover, formulas for direct evaluation of the critical angle as well as of the load-carrying capacity of the frame are established.

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Nichtlineares Knicken geometrisch imperfekter rechtwinkliger Rahmen

Übersicht Mit Hilfe eines aus zwei Balken bestehenden, rechtwinkligen Rahmens wird der Einfluß geometrischer Imperfektionen untersucht. Es zeigt sich, daß die Größe des Winkels zwischen den beiden Rahmenteilen entscheidenden Einfluß auf das Verhalten des Rahmens hat. Es gibt einen kritischen Wert des Winkels, für den aus dem Knickproblem ein Spannungsproblem wird. Es wird gezeigt, daß dieser kritische Wert von den Verhältnissen der Schlankheitsgrade, der Längen und der Trägheitsmomente der beiden Balken abhängt. Außerdem werden Formeln zur direkten Ermittlung des kritischen Winkels und der Traglast des Rahmens gegeben.

     

Determination of stability in nonlinear analysis of structures

Summary This paper present a systematic study of the problems of structural nonlinear instability. Emphasis is on the treatment of coincident critical points and the development of available theory making it possible to explore all postbuckling paths. To achieve such an aim, the paper first studies the asymptotic forms of general postbuckling equlibrium equations in the neighbourhood of a critical point. It is found that the asymptotic equations are different from each other for types of different critical points. These different asymptotic equations are derived and the stability is determined numerically.

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Stabilitätsbestimmung in der nichtlinearen Strukturanalyse

Übersicht Der Beitrag zeigt eine systematische Studie zu Problemen der Instabilität nichtlinearer Strukturen. Der Schwerpunkt liegt auf der Behandlung von koinzidenten kritischen Punkten und der Entwicklung einer Theory zur Auffindung aller Nachbeulzweige. Hierzu werden zunächst die asymptotischen Formen der allgemeinen Nachbeul-Gleichgewichtsgleichungen in der Umgebung eines kritischen Punktes untersucht. Es zeigt sich, daß sich die asymptotischen Gleichungen für Typen verschiedener kritischer Punkte voneinander unterscheiden. Diese unterschiedlichen asymptotischen Gleichungen werden hergeleitet und die Stabilität wird numerisch bestimmt.

     

Stability of stochastic Leipholz column with stochastic loading

Summary The Leipholz column which is having the Young modulus and mass per unit length as stochastic processes and also the distributed tangential follower load behaving stochastically is considered. The non self-adjoint differential equation and boundary conditions are considered to have random field coefficients. The standard perturbation method is employed. The non self-adjoint operators are used within the regularity domain. Full covariance structure of the free vibration eigenvalues and critical loads is derived in terms of second order properties of input random fields characterizing the system parameter fluctuations. The mean value of critical load is calculated using the averaged problem and the corresponding eigenvalue statistics are sought. Through the frequency equation a transformation is done to yield load parameter statistics. A numerical study incorporating commonly observed correlation models is reported which illustrates the full potentials of the derived expressions.

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Stabilität eines Leipholz-Stabes mit stochastischen Eigenschaften und Belastungen

Übersicht Behandelt wird der Leipholz-Stab, dessen Elastizitätsmodul, Masseverteilung und tangential folgende Streckenlast stochastisch sind. Die nicht selbstadjungierte Differentialgleichung und die Randbedingungen werden als solche mit Zufallskoeffizienten betrachtet und die übliche Störungsmethode benutzt. Im Regularitätsbereich werden die nicht selbstadjungierten Operatoren benutzt. Hergeleitet wird die vollständige Kovarianz-Struktur der Eigenwerte der freien Schwingung und kritischen Lasten als Funktionen der Eigenschaften zweiter Ordnung der zufälligen Eingangsgrößen, die die Schwankungen der Systemparameter charakterisieren. Der Mittelwert der kritischen Last wird aus dem gemittelten Problem berechnet und die zugehörige Eigenwert-Statistik wird gesucht. Über die Frequenzgleichung wird eine Transformation vorgenommen, um die Statistik des Lastparameters zu erhalten. Eine numerische Studie illustriert die Leistungsfähigkeit der hergeleiteten Ausdrücke.

     

A theoretical study on fiber spinnability

Summary A theoretical investigation on fiber spinnability is undertaken, by formulating the force balance equation for a steady liquid thread under axial tension. In order to investigate the effect of the elastic properties of a spin dope, a simple model of a three-constantOldroyd fluid is chosen to solve the force balance equation. In the present study the effect of a hardening process (coagulation in wet spinning and cooling in melt spinning) is not considered, which confines our investigation to a very short distance from the face of the spinnerette. However, the approach taken in the present investigation is justifiable because in practice the breakdown of a thread in fiber spinning is believed to occur at a very short distance from the spinnerette. Prom the solution of the force balance equation a relation between the pullaway tension and jet stretch is obtained, with the elasticity of the spin dope as parameter. A criterion for spinnability is introduced in terms of the critical tensile stress which is the characteristic of a given spin dope. Some of the results are presented and discussed.

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Zusammenfassung Durch Formulierung einer Gleichung für das Kräftegleichgewicht einer stationären Flüssigkeit unter axialer Spannung wird die Spinnfähigkeit von Fasern theoretisch untersucht. Um den Einfluß der elastischen Eigenschaften auf eine Spinnflüssigkeit zu bestimmen, wird ein einfaches Modell einer dreikonstantigen Oldroyd-Flüssigkeit zur Lösung der Gleichung benutzt. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß des Erstarrungsprozesses (Koagulation beim Naßspinnen und Abkühlung beim Schmelzspinnen) nicht betrachtet, so daß sich die Untersuchungen auf einen kurzen Bereich nach Austritt aus der Spinndüse beschränken. Dennoch erscheint die bei diesen Untersuchungen vorgenommene Näherung gerechtfertigt, weil man in der Praxis annimmt, daß ein Fadenbruch beim Spinnen in einem kurzen Abstand von der Spinndüse auftritt. Aus der Lösung dieser Gleichung wird eine Beziehung zwischen der Abzugsspannung und Strahldehnung abgeleitet mit der Elastizität der Spinnflüssigkeit als Parameter. Ein Kriterium für die Spinnbarkeit wird in Abhängigkeit von der kritischen Dehnspannung, die charakteristisch ist für eine gegebene Spinnflüssigkeit, eingeführt. Einige Ergebnisse werden mitgeteilt und diskutiert.

     

Numerischer Stabilitätsnachweis dünner Schalen mit dem Konzept der Störenergie

Übersicht Es wird eine nichtlineare Eigenwertanalyse vorgestellt, die es ermöglicht, für stabilitätsgefährdete Tragwerke die Umgebung von bekannten Belastungszuständen nach kritischen Zuständen abzusuchen. Da alle im Rahmen der Theorie und Diskretisierung möglichen Störungen und Imperfektionen berücksichtigt werden, wird derjenige kritische Zustand gefunden, der mit einem Minimum an Störenergie erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Störungs- oder Imperfektionssensitivität von Schalen mit einer nichtlinearen Eigenwertanalyse zu berechnen. Nach Kalibrierung des hier vorgeschlagenen Konzeptes der bezogenen Störenergie an statistisch ermittelten Versuchs-Grenzlasten können reale elastische Grenzbeullasten für beliebige Tragwerke berechnet werden, ohne daß der Ingenieur einschränkende Imperfektionen vorzugeben hat. Die derzeit erwogene Vorgabe von geometrischen Imperfektionen zur Erfassung der Imperfektionssensitivität von Schalen wird in einer Parameterstudie untersucht. Da die so berechneten Beullasten zum Teil erheblich von den Versuchs-Beullasten abweichen, wird das Vorgeben speziell von geometrischen Imperfektionen kritisch beurteilt.

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Numerical stability analysis of thin shells by a concept of perturbation energy

Summary A nonlinear eigenvalue analysis is presented which enables to investigate the surrounding of given states of equilibrium for critical states of equilibrium. By including all possible perturbation or imperfection patterns, that critical state is derived which is reached with a minimum of perturbation energy. Thus it is possible to analyse the imperfection sensitiveness by applying the nonlinear eigenvalue analysis. After calibration at buckling loads derived by experiments, the proposed concept may be applied for arbitrary structures. It is not necessary that the designing engineer introduces special imperfection patterns. The influence of different types of geometrical imperfections on the computational buckling load is studied. The buckling loads derived by given geometrical imperfections deviate considerably from critical loads found in experiments.

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Herrn Prof. Dr.-Ing. Walter Wunderlich zum 60. Geburtstag am 25. 7. 1991 gewidmet     

Die Knickung verwundener Stäbe als technisches Beispiel zur Schaeferschen Theorie zweiparametriger Eigenwertprobleme

Übersicht In der vorliegenden Arbeit wird die Schaefersche Theorie zweiparametriger Eigenwertaufgaben auf die Knickung verwundener Stäbe angewendet. Es wird gezeigt, daß die Schaefersche Theorie die schnelle Abschätzung der kritischen Lasten für die verwundenen Knickstäbe ermöglicht und daß der dabei begangene Fehler für alle technischen Zwecke zu vernachlässigen ist.

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Summary This paper deals with an application of Schaefer's theory of two-parametric eigenvalue problems to the stability of twisted columns. It is shown that Schaefer's theory allows a quick estimate of the critical loads of the twisted columns and that the error involved in such an estimate may be neglected for all technical purposes.

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Herrn Prof. Dr.-Ing. Hermann Schaefer zum 60. Geburtstag gewidmet. Die Verfasser danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Unterstützung dieser Arbeit.     

Catalytic combustion in stagnation-point flow

Catalytic ignition and extinction processes are analyzed in this paper. The premixed fuel flows towards a catalytic plate of finite thermal conductivity and thickness. The effect of the external heating or cooling on these critical phenomena is also evaluated. Depending on the ratio of the thermal resistance of the plate to the gas, the transition to the weakly reactive to the strong reactive flow can be single or multivalued, for a high activation energy of the catalytic reaction. Analytical expressions for the critical Damköhler numbers for ignition and extinction are obtained. Also, transient processes leading to catalytic ignition are studied and ignition times for a catalytic adiabatic plate are obtained.

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Katalytische Verbrennung in Staupunktströmungen

Zusammenfassung Es werden die Vorgänge bei katalytischer Entzündung und Erlöschung untersucht. Dabei strömt der vorgemischte Brennstoff gegen eine katalytische Platte endlicher Wärmeleitfähigkeit und Dicke. Der Einfluß von externer Heizung oder Kühlung auf diese kritischen Phänomene wird ebenfalls berechnet. Abhängig vom Verhältnis des thermischen Widerstandes der Platte zu dem des Gases kann der Übergang von einer schwach reagierenden zur stark reagierenden Strömung bei hoher Aktivierungsenergie der katalytischen Reaktion einfach oder mehrwertig sein. Es werden analytische Ausdrücke für die kritische Damköhlerzahl für Entzündung und Erlöschung erzielt. Zudem werden transiente Prozesser, die zur katalytischen Entzündung führen, untersucht und die Zündzeiten bei einer adiabaten katalytischen Platte angegeben.

     

Druckverlustminderungen in strömungen durch hochpolymere additive: Klärung einiger noch offener fragen

Übersicht Die vorliegende Arbeit faßt Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen zusammen, welehe durchgeführt wurden, um die reibungsmindernde Wirkung von Polymeren quantitativ zu bestimmen. Für die Durchführung der Untersuchungen sind zwei Meßeinrichtungen erstellt worden, die in der Arbeit beschrieben sind. Durch ihren Einsatz gelang es, die reibungsmindernde Wirkung von Polymeradditiven zu bestimmen und ihre mechanische Degradation sowie auch ihre Chemie-verursachte, bei erhöhten Temperaturen beschleunigt auftretende Degradation zu quantifizieren.Es werden theoretische Überlegungen zusammengefaßt, welche die mit einer Temperaturänderung auftretende Variation des Einsatzpunktes der Reibungsminderung zu erläutern erlauben. Messungen der kritischen Schubspannungsgeschwindigkeit werden angegeben, bei deren Überschreitung die reibungsmindernde Wirkung der Polymeradditive reduziert wird. Die experimentell gefundene Abhängigkeit dieser Größe vom Rohrdurchmesser und der Polymerkonzentration der Lösung wird aufgezeigt.Die für den praktischen Einsatz wichtige chemisch-thermische und mechanische Degradation der Reibungsminderung durch Polymeradditive wird quantitativ untersucht. Stabilisierende Zusätze werden hinsichtlich ihrer Wirkung im Rahmen von Meßreihen erfaßt.

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Drag reduction in flows by polymer additives: Clarification of some still open questions

Summary In this paper experimental results for drag reduction in turbulent pipe flows are reported. Drag reduction was achieved by the addition of high molecular weight polymers. The degradation of these polymers (chemically) thermally as well as mechanically was investigated and the effect of stabilizers was studied.Special emphasis is devoted to the effect of temperature on the onset of drag reduction. The influence of pipe diameter and of polymeric concentration on the critical wall shear stress (beyond which drag reduction ceases to exist) is deduced.

     

Nichtstationäre,kugelsymmetrische Gasbewegung und nichtstationäre Gasströmung in Düsen und Diffusoren

Zusammenfassung Die nichtstationäre, kugelsymmetrische, reibungsfreie Gasströmung wird als eine eindimensionale Gasbewegung in einem Quellfeld angesehen. Das Quellfeld läßt sich annähern entweder durch Quellebenen in kleinen Abständen oder durch ein Quellfeld mit stückweise konstanter Ergiebigkeit. Bei der ersten Näherung läßt sich die Quellebene als plötzliche Querschnittsänderung bei einer Diffusorströmung ansehen, und man hat die Aufgabe, die Gasbewegung in einem Kanal mit stückweise konstantem Querschnittsverlauf zu bestimmen. Nach der Diskussion der Kreuzung einer Welle mit einer unstetigen Querschnittsänderung, die bei nach innen gerichteten, genügend starken Wellen das Auftrcten der kritischen Schallgeschwindigkeit zeigt, läßt sich die für eindimensionale Gasbewegung ermittelte Näherungsmethode anwenden, womit man in allen Fällen zu einer Näherungslösung gelangt, deren Genauigkeit man beliebig steigern kann. Als Anwendungsbeispiel wird die auf adiabatische Zustandsänderung vereinfachte Explosion behandelt. Die zweite Möglichkeit einer Näherungsmethode, die bei einem Quellfeld stückweise konstanter Ergiebigkeit zu einer Iteration der Potentialgleichung führt, wird angedeutet.     

Geometrically nonlinear elastic toroidal shells with open profiles—stability analysis and a design concept

Summary The paper deals with the stability and some aspects of optimal design with respect to stability of geometrically nonlinear, elastic toroidal shells with open profiles. Shells rotationally symmetric in the narrower sense (toroidal segments) as well as in the broader sense (toroidal shell-arches), subjected to external pressure or to a combined loading (pressure and overall bending), are considered. The influence of the pressure distribution on its critical value as well as the post-buckling behaviour are discussed for the toroidal segments with various boundary conditions. The instability modes of the shell-arches for linear trajectories of the combined loading are also analysed. A double step parametrical optimization consisting of a midsurface design (1st step) and a design with respect to the thickness of the wall (2nd step) is performed for a toroidal segment. Constant distance between the supports and constant area of the meridional cross-section are applied as the constraints, respectively

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Geometrisch nichtlineare, elastische toroidale Schalen mit offenem Profil—Stabilitätsanalyse und ein Konzept der Gestaltung

Übersicht Die Stabilität und einige Aspekte der Optimierung in Hinblick auf die kritische Belastung, von geometrisch nichtlinearen, elastischen Toroidalschalen mit offenem Profil werden untersucht. Sowohl die rotationssymmetrischen Schalen im engeren Sinn (Toroidalsegmente) als auch im weiteren Sinn (toroidale Schalenbogen), unter Außendruck oder Außendruck und globaler biegung werden analysiert. Der Zusammenhang zwischen der Außendruck verteilung und dem kritischen Wert des Druckes, aber auch das nachkritische Verhalten werden für die Toroidalsegmente untersucht. Für lineare Trajektorien der komplexen Belastung lassen sich die Formen der Instabilität der toroidalen Schalenbogen ermitteln. Das Konzept der einfachen., zweistufigen, parametrischen Optimierung, derer Bestandteile die Mittelflächengestaltung (erste Stufe) und die optimale Wanddickeauslegung (zweite Stufe) bilden, wird entwickelt, Konstanter Abstand zwischen den Stützen und konstante Fläche des meridionalen Querschnitts bilden die entsprechenden geometrischen Beschränkungen.