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Nanoparticle-Filled Thermoplastics and Thermoplastic Elastomer: Structure-Property Relationships
(2012)
The present work focuses on the structure-property relationships of
particulate-filled thermoplastics and thermoplastic elastomer (TPE). In this work
two thermoplastics and one TPE were used as polymer matrices, i.e. amorphous
bisphenol-A polycarbonate (PC), semi-crystalline isotactic polypropylene (iPP),
and a block copolymer poly(butylene terephthalate)-block-poly(tetramethylene
glycol) TPE(PBT-PTMG). For PC, a selected type of various Aerosil® nano-SiO2
types was used as filler to improve the thermal and mechanical properties by
maintaining the transparency of PC matrix. Different types of SiO2 and TiO2
nanoparticles with different surface polarity were used for iPP. The goal was to
examine the influence of surface polarity and chemical nature of nanoparticles on
the thermal, mechanical and morphological properties of iPP composites. For
TPE(PBT-PTMG), three TiO2 particles were used, i.e. one grade with hydroxyl
groups on the particle surface and the other two grades are surface-modified with
metal and metal oxides, respectively. The influence of primary size and dispersion
quality of TiO2 particles on the properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites
were determined and discussed.
All polymer composites were produced by direct melt blending in a twin-screw
extruder via masterbatch technique. The dispersion of particles was examined by
using scanning electron microscopy (SEM) and micro-computerized tomography
(μCT). The thermal and crystalline properties of polymer composites were characterized by using thermogravimetric analysis (TGA) and differential
scanning calorimetry (DSC). The mechanical and thermomechanical properties
were determined by using mechanical tensile testing, compact tension and
Charpy impact as well as dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA).
The SEM results show that the unpolar-surface modified nanoparticles are better
dispersed in polymer matrices as iPP than polar-surface nanoparticles, especially
in case of using Aeroxide® TiO2 nanoparticles. The Aeroxide® TiO2 nanoparticles
with a polar surface due to Ti-OH groups result in a very high degree of
agglomeration in both iPP and TPE matrices because of strong van der Waals
interactions among particles (hydrogen bonding). Compared to unmodified
Aeroxide® TiO2 nanoparticles, the other grades of surface modified TiO2 particles
are very homogenously dispersed in used iPP and TPE(PBT-PTMG). The
incorporation of SiO2 nanoparticles into bisphenol-A PC significantly increases
the mechanical properties of PC/SiO2 nanocomposites, particularly the resistance
against environmental stress crazing (ESC). However, the transparency of
PC/SiO2 nanocomposites decreases with increasing nanoparticle content and
size due to a mismatch of infractive indices of PC and SiO2 particles. The different
surface polarity of nanoparticles in iPP shows evident influence on properties of
iPP composites. Among iPP/SiO2 nanocomposites, the nanocomposite
containing SiO2 nanoparticles with a higher degree of hydrophobicity shows
improved fracture and impact toughness compared to the other iPP/SiO2
composites. The TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites show much better thermal and mechanical properties than neat TPE(PBT-PTMG) due to strong chemical
interactions between polymer matrix and TiO2 particles. In addition, better
dispersion quality of TiO2 particles in used TPE(PBT-PTMG) leads to dramatically
improved mechanical properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites.
Granular systems in solid-like state exhibit properties like stiffness
dependence on stress, dilatancy, yield or incremental non-linearity
that can be described within the continuum mechanical framework.
Different constitutive models have been proposed in the literature either based on relations between some components of the stress tensor or on a quasi-elastic description. After a brief description of these
models, the hyperelastic law recently proposed by Jiang and Liu [1]
will be investigated. In this framework, the stress-strain relation is
derived from an elastic strain energy density where the stable proper-
ties are linked to a Drucker-Prager yield criteria. Further, a numerical method based on the finite element discretization and Newton-
Raphson iterations is presented to solve the force balance equation.
The 2D numerical examples presented in this work show that the stress
distributions can be computed not only for triangular domains, as previoulsy done in the literature, but also for more complex geometries.
If the slope of the heap is greater than a critical value, numerical instabilities appear and no elastic solution can be found, as predicted by
the theory. As main result, the dependence of the material parameter
Xi on the maximum angle of repose is established.
Anhand der Forschungserkenntnisse wird ein Untersuchungsdesign mit vier unterschiedlichen Bedingungen entwickelt, in dem die Probanden spielgerecht Strafstöße ausführen. Das Ziel der Untersuchung ist unter Einbezug der Strafstoßstrategien von Schützen mittels eines holistischen Verfahrens eine Mustererkennung über verlaufsorientierte komplexe Bewegungsmuster in der Strafstoßsituation auszuführen, um Individuen bezogene, richtungsspezifische und bedingungsabhängige Bewegungsmuster zu identifizieren. Die erste Aufgabenstellung erfasst die Strafstöße ungestört ohne Gegnereinwirkung (Baseline). In der zweiten und dritten Aufgabenstellung werden die Strafstöße jeweils gegen einen Torhüter unter Verwendung der Strategien Keeper-independent und Keeper-dependent ausgeführt. Die vierte Aufgabenstellung simuliert während der Ausführung des Schusses die Torwarthandlung am Point of no return. Die Ergebnisse zeigen, dass bezogen auf die Ziele Separierungen möglich sind. Zudem wird deutlich, dass die Ausführungsbedingungen (Strategiewahl, Torhüter) Einfluss auf die Bewegungsausführung haben und eine Veränderung in den Erkennungsraten von Bewegungsmustern festzustellen ist.
Für die lösbare Verbindung von Bauteilen aus Polymerwerkstoffen sind Direktver-schraubungen das kostengünstigen Fügeverfahren. Nachteilig sind allerdings die durch das viskoelastische Verhalten der Polymerwerkstoffe bedingte zeit- und tem-peraturabhängige Abnahme der Vorspannkraft und deren weitere Beeinflussung durch den Wärmeausdehnungsunterschied von Polymerwerkstoff und Metall. Ziel der Arbeit ist es, durch den gekoppelten Einsatz von Experiment und FE-Simulation den Einfluss von Zeit und Temperatur auf die Vorspannkraft bei Direktverschraubungen in Polymerwerkstoffen zu beschreiben. Der Tubus aus Polymerwerkstoff, der auf-grund der Faserorientierung inhomogen und anisotrop ist, wird ortsaufgelöst unter-sucht, und hierauf aufbauend werden die lokalen Werkstoffparameter für die FE-Analyse ermittelt. Die FE-Analyse der Direktverschraubung selbst wird experimentell anhand des Vorspannkraftverlaufs sowie der Oberflächendeformation überprüft. Beim betrachteten Verbindungssystem ist deutlich zu beobachten, dass der Vor-spannkraftabbau hauptsächlich im Bereich der Entlastungsbohrung bis zu einer be-stimmten Einschraubtiefe stattfindet.
The safety of embedded systems is becoming more and more important nowadays. Fault Tree Analysis (FTA) is a widely used technique for analyzing the safety of embedded systems. A standardized tree-like structure called a Fault Tree (FT) models the failures of the systems. The Component Fault Tree (CFT) provides an advanced modeling concept for adapting the traditional FTs to the hierarchical architecture model in system design. Minimal Cut Set (MCS) analysis is a method that works for qualitative analysis based on the FTs. Each MCS represents a minimal combination of component failures of a system called basic events, which may together cause the top-level system failure. The ordinary representations of MCSs consist of plain text and data tables with little additional supporting visual and interactive information. Importance analysis based on FTs or CFTs estimates the contribution of each potential basic event to a top-level system failure. The resulting importance values of basic events are typically represented in summary views, e.g., data tables and histograms. There is little visual integration between these forms and the FT (or CFT) structure. The safety of a system can be improved using an iterative process, called the safety improvement process, based on FTs taking relevant constraints into account, e.g., cost. Typically, relevant data regarding the safety improvement process are presented across multiple views with few interactive associations. In short, the ordinary representation concepts cannot effectively facilitate these analyses.
We propose a set of visualization approaches for addressing the issues above mentioned in order to facilitate those analyses in terms of the representations.
Contribution:
1. To support the MCS analysis, we propose a matrix-based visualization that allows detailed data of the MCSs of interest to be viewed while maintaining a satisfactory overview of a large number of MCSs for effective navigation and pattern analysis. Engineers can also intuitively analyze the influence of MCSs of a CFT.
2. To facilitate the importance analysis based on the CFT, we propose a hybrid visualization approach that combines the icicle-layout-style architectural views with the CFT structure. This approach facilitates to identify the vulnerable components taking the hierarchies of system architecture into account and investigate the logical failure propagation of the important basic events.
3. We propose a visual safety improvement process that integrates an enhanced decision tree with a scatter plot. This approach allows one to visually investigate the detailed data related to individual steps of the process while maintaining the overview of the process. The approach facilitates to construct and analyze improvement solutions of the safety of a system.
Using our visualization approaches, the MCS analysis, the importance analysis, and the safety improvement process based on the CFT can be facilitated.
Recently, a new Quicksort variant due to Yaroslavskiy was chosen as standard sorting
method for Oracle's Java 7 runtime library. The decision for the change was based on
empirical studies showing that on average, the new algorithm is faster than the formerly
used classic Quicksort. Surprisingly, the improvement was achieved by using a dual pivot
approach — an idea that was considered not promising by several theoretical studies in the
past. In this thesis, I try to find the reason for this unexpected success.
My focus is on the precise and detailed average case analysis, aiming at the flavor of
Knuth's series “The Art of Computer Programming”. In particular, I go beyond abstract
measures like counting key comparisons, and try to understand the efficiency of the
algorithms at different levels of abstraction. Whenever possible, precise expected values are
preferred to asymptotic approximations. This rigor ensures that (a) the sorting methods
discussed here are actually usable in practice and (b) that the analysis results contribute to
a sound comparison of the Quicksort variants.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Verbesserungsmöglichkeiten der Mikro- und Ultrafiltration durch Ultraschall untersucht. Für die Analyse möglicher Mechanismen der Ultraschalleinkopplung, die zu einer Verbesserung der Membranfiltration führen könnten, wurden wichtige Erkenntnisse aus den beiden Technologiefeldern (Ultraschalltechnik und Membranfiltration) zusammengetragen. Für die Vielzahl der Ansätze zur Nutzung des Ultraschalls in der Membranfiltration wurde eine Systematik entwickelt. Zahlreiche Ansätze wurden in orientierenden Experimenten untersucht und bewertet. Ein wichtiger Aspekt bei der Bewertung der Methoden bestand in der Skalierbarkeit der Technologiekombinationen. Als Hauptakteure der Reinigungswirkung wurden gut sichtbare Bläschen in der Größenordnung von 10-500 µm identifiziert. Die erfolgreichste Methode stellt die durch Ultraschallreinigung unterstützte Rückspülung dar. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde eine Übertragung der Ultraschallreinigung auf ein handelsübliches Kapillarmembranmodul durchgeführt. Bei ersten Filtrationsversuchen mit natürlichem Oberflächenwasser konnten Schäden an der Membran festgestellt werden, die auf eine lokale Kavitationsstruktur an der Ankopplungsstelle des Ultraschallwandlers zurückzuführen waren. Bei geringeren Ultraschallleistungen und bei der Nutzung höherer Frequenzen traten keine Schäden an der Membran auf. Im Vergleich zu einem Referenzmodul konnten deutliche Verbesserungen durch die Einkopplung des Ultraschalls an verschiedenen Stoffsystemen nachgewiesen werden. Die Arbeit schließt mit Vorschlägen für Membranmodule mit integriertem Leistungsultraschall, die aus technischer Sicht empfehlenswert erscheinen.
In the presented work, we make use of the strong reciprocity between kinematics and geometry to build a geometrically nonlinear, shearable low order discrete shell model of Cosserat type defined on triangular meshes, from which we deduce a rotation–free Kirchhoff type model with the triangle vertex positions as degrees of freedom. Both models behave physically plausible already on very coarse meshes, and show good
convergence properties on regular meshes. Moreover, from the theoretical side, this deduction provides a
common geometric framework for several existing models.
Die Preformmontage ist ein zentrales Element moderner Prozessketten zur effizien-ten Herstellung von CFK-Komponenten integraler Bauweise. Ihre technologische Darstellung mittels der Ultraschall-Schweißtechnologie erschließt neue Potentiale für die binderbasierte Preform-Prozesskette bezüglich der Reduzierung von Prozesszeit und Energieverbrauch, der Steigerung des Automatisierungsgrades und der Verar-beitung komplexer Geometrien unter Einsatz von Hochtemperatur-Bindersystemen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Ultraschall-Schweißtechnologie zur Montage bebinderter Preforms auf Basis grundlegender Untersuchungen entwickelt und anlagentechnisch umgesetzt. Studien der Wirkmechanismen des Prozesses zur Wärmeerzeugung und Laminatkompaktierung wurden durchgeführt. Die Gewichtung und Interaktion der Prozessparameter wurde mittels statistisch geplanter Versuche ermittelt und die mechanischen Eigenschaften verschweißter Laminate wurden ge-messen. Das aufgrund von Randeffekten stark ausgebildete Temperaturprofil im Pre-formlaminat wurde messtechnisch erfasst und rechnerisch modelliert. Die Studien bildeten die Grundlage zur Umsetzung eines robotergestützten, parameterüberwach-ten Ultraschall-Endeffektors.