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This Dissertation tried to provide insights into the influences of individual and contextual factors on Technical and Vocational Education and Training (TVET) teachers’ learning and professional development in Ethiopia. Specifically, this research focused on identifying and determining the influences of teachers’ self perception as learners and professionals, and investigates the impact of the context, process and content of their learning and experiences on their professional development. The knowledge of these factors and their impacts help in improving the learning and professional development of the TVET teachers and their professionalization. This research tried to provide answers for the following five research questions. (1) How do TVET teachers perceive themselves as active learners and as professionals? And what are the implications of their perceptions on their learning and development? (2) How do TVET teachers engage themselves in learning and professional development activities? (3) What contextual factors facilitated or hindered the TVET Teachers’ learning and professional development? (4) Which competencies are found critical for the TVET teachers’ learning and professional development? (5) What actions need to be considered to enhance and sustain TVET teachers learning and professional development in their context? It is believed that the research results are significant not only to the TVET teachers, but also to schools leaders, TVET Teacher Training Institutions, education experts and policy makers, researchers and others stakeholders in the TVET sector. The theoretical perspectives adopted in this research are based on the systemic constructivist approach to professional development. An integrated approach to professional development requires that the teachers’ learning and development activities to be taken as an adult education based on the principles of constructivism. Professional development is considered as context - specific and long-term process in which teachers are trusted, respected and empowered as professionals. Teachers’ development activities are sought as more of collaborative activities portraying the social nature of learning. Schools that facilitate the learning and development of teachers exhibit characteristics of a learning organisation culture where, professional collaboration, collegiality and shared leadership are practiced. This research has drawn also relevant point of views from studies and reports on vocational education and TVET teacher education programs and practices at international, continental and national levels. The research objectives and the types of research questions in this study implied the use of a qualitative inductive research approach as a research strategy. Primary data were collected from TVET teachers in four schools using a one-on-one qualitative in-depth interview method. These data were analyzed using a Qualitative Content Analysis method based on the inductive category development procedure. ATLAS.ti software was used for supporting the coding and categorization process. The research findings showed that most of the TVET teachers neither perceive themselves as professionals nor as active learners. These perceptions are found to be one of the major barriers to their learning and development. Professional collaborations in the schools are minimal and teaching is sought as an isolated individual activity; a secluded task for the teacher. Self-directed learning initiatives and individual learning projects are not strongly evident. The predominantly teacher-centered approach used in TVET teacher education and professional development programs put emphasis mainly to the development of technical competences and has limited the development of a range of competences essential to teachers’ professional development. Moreover, factors such as the TVET school culture, the society’s perception of the teaching profession, economic conditions, and weak links with industries and business sectors are among the major contextual factors that hindered the TVET teachers’ learning and professional development. A number of recommendations are forwarded to improve the professional development of the TVET teachers. These include change in the TVET schools culture, a paradigm shift in TVET teacher education approach and practice, and development of educational policies that support the professionalization of TVET teachers. Areas for further theoretical research and empirical enquiry are also suggested to support the learning and professional development of the TVET teachers in Ethiopia.
In the literature, there are at least two equivalent two-factor Gaussian models for the instantaneous short rate. These are the original two-factor Hull White model (see [3]) and the G2++ one by Brigo and Mercurio (see [1]). Both these models first specify a time homogeneous two-factor short rate dynamics and then by adding a deterministic shift function '(·) fit exactly the initial term structure of interest rates. However, the obtained results are rather clumsy and not intuitive which means that a special care has to be taken for their correct numerical implementation.
In this paper we investigate the use of the sharp function known from functional analysis in image processing. The sharp function gives a measure of the variations of a function and can be used as an edge detector. We extend the classical notion of the sharp function for measuring anisotropic behaviour and give a fast anisotropic edge detection variant inspired by the sharp function. We show that these edge detection results are useful to steer isotropic and anisotropic nonlinear diffusion filters for image enhancement.
Der Flächennutzungsplan ist das zentrale Instrument der Gesamtplanung auf der gesamtstädtischen Ebene und kann gleichzeitig als Paradebeispiel für den – angesichts der in der Praxis zu lösenden Probleme nicht gerechtfertigten – Bedeutungsverlust formeller Pläne herangezogen werden. Mit der Bewältigung aktueller Herausforderungen der Stadtentwicklung konfrontiert, werden vor allem die seiner Aufstellung dienenden, zu langwierigen Verfahren und seine zu starren, Unsicherheiten in der tatsächlichen Entwicklung ungenügend berücksichtigenden Inhalte kritisiert. Folglich muss nach Möglichkeiten einer Weiterentwicklung des formellen Instrumentariums gesucht werden. Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden einige punktuelle Anpassungen im Modell des Flächennutzungsplanes vorgenommen. Des Weiteren sind Entwicklungen im benachbarten europäischen Ausland beachtenswert: Der im englischen Planungssystem neu eingeführte Local Development Framework soll sich durch Flexibilität und Modularität bei gleichzeitiger Stärkung der strategischen Steuerungswirkung seiner Inhalte auszeichnen. An einer systematischen Untersuchung der Erfordernisse, Potenziale und Grenzen einer Weiterentwicklung des Modells des Flächennutzungsplanes fehlt es bislang. Damit ein zukünftiges Modell die ihm zugedachten Wirkungen entfalten kann, ist zudem eine grundlegende Auseinandersetzung mit dem vorherrschenden Verständnis von gesamtstädtischer Planung und ihren Ergebnissen erforderlich. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Modell des Flächennutzungsplanes systematisch abzuleiten und zu untersuchen, um es anschließend mit dem Ziel einer Erhöhung der Steuerungskraft der Inhalte des gesamtstädtischen Planes weiterentwickeln zu können. Hierbei fließen die Erkenntnisse aus einer Betrachtung des Local Development Framework mit ein. Die Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass trotz zahlreicher Anpassungen des Modells des Flächennutzungsplanes einige Charakteristika aus dessen Anfangszeit erhalten geblieben sind, die als nicht mehr angemessen bezeichnet werden müssen. Zu den Hauptschwächen des gegenwärtigen Modells zählen sein statischer Charakter und die unzureichende Berücksichtigung der Prozesshaftigkeit von Stadtentwicklung inklusive der Auseinandersetzung mit potenziellen Entwicklungsalternativen. Die Beschäftigung mit dem Local Development Framework zeigt, dass von einer Übertragbarkeit von Elementen auf das deutsche System auszugehen ist. Die erarbeiteten Vorschläge zu den Anpassungen am Modell des Flächennutzungsplanes eröffnen insgesamt die Möglichkeit, den Flächennutzungsplan zum modularen, dynamischen und strategischen Instrument gesamtstädtischer Planung weiterzuentwickeln. Im Fokus der Anpassungen stehen die neue Gesamtstruktur als Portfolio aus zeichnerischen und textlichen, formellen und informellen Bestandteilen, die Integration des Faktors „Zeit“ sowie sonstiger strategischer Aspekte von Stadtentwicklung – begleitet von einem neuen Verständnis vom Ergebnis gesamtstädtischer Planung, nach dem der Flächennutzungsplan nicht mehr als der eine Plan das kanonische Endprodukt darstellt, sondern kontinuierlich und mit seinen diversen Bestandteilen überprüft und fortentwickelt wird.
The rotational spinning of viscous jets is of interest in many industrial applications, including pellet manufacturing [4, 14, 19, 20] and drawing, tapering and spinning of glass and polymer fibers [8, 12, 13], see also [15, 21] and references within. In [12] an asymptotic model for the dynamics of curved viscous inertial fiber jets emerging from a rotating orifice under surface tension and gravity was deduced from the three-dimensional free boundary value problem given by the incompressible Navier-Stokes equations for a Newtonian fluid. In the terminology of [1], it is a string model consisting of balance equations for mass and linear momentum. Accounting for inner viscous transport, surface tension and placing no restrictions on either the motion or the shape of the jet’s center-line, it generalizes the previously developed string models for straight [3, 5, 6] and curved center-lines [4, 13, 19]. Moreover, the numerical results investigating the effects of viscosity, surface tension, gravity and rotation on the jet behavior coincide well with the experiments of Wong et.al. [20].
Photochemical reactions are of great interest due to their importance in chemical and biological processes. Highly sensitive IR/UV double and triple resonance spectroscopy in molecular beam experiments in combination with ab initio and DFT calculations yields information on reaction coordinates and Intersystem Crossing (ISC) processes subsequent to photoexcitation. In general, molecular beam experiments enable the investigation of isolated, cold molecules without any influence of the environment. Furthermore, small aggregates can be analyzed in a supersonic jet by gradually adding solvent molecules like water. Conclusions concerning the interactions in solution can be derived by investigating and fully understanding small systems with a defined amount of solvent molecules. In this work the first applications of combined IR/UV spectroscopy on reactive isolated molecules and triplet states in molecular beams without using any messenger molecules are presented. Special focus was on excited state proton transfer reactions, which can also be described as keto enol tautomerisms. Various molecules such as 3-hydroxyflavone, 2-(2-naphthyl)-3-hydroxychromone and 2,5-dihydroxybenzoic acid have been investigated with regard to this question. In the case of 3-hydroxyflavone and 2-(2-naphthyl)-3-hydroxychromone, the IR spectra have been recorded subsequent to an excited state proton transfer. Furthermore the dihydrate of 3-hydroxyflavone has been analyzed concerning a possible proton transfer in the excited state: The proton transfer reaction along the water molecules (proton wire) has to be induced by raising the excitation energy. However, photoinduced reactions involve not only singlet but also triplet states. As an archetype molecule xanthone has been analysed. After excitation to the S2 state, ISC occurs into the triplet manifold leading to a population of the T1 state. The IR spectrum of the T1 state has been recorded for the first time using the UV/IR/UV technique without using any messenger molecules. Altogether it is shown that IR/UV double and triple resonance techniques are suitable tools to analyze reaction coordinates of photochemical processes.
Using a stereographical projection to the plane we construct an O(N log(N)) algorithm to approximate scattered data in N points by orthogonal, compactly supported wavelets on the surface of a 2-sphere or a local subset of it. In fact, the sphere is not treated all at once, but is split into subdomains whose results are combined afterwards. After choosing the center of the area of interest the scattered data points are mapped from the sphere to the tangential plane through that point. By combining a k-nearest neighbor search algorithm and the two dimensional fast wavelet transform a fast approximation of the data is computed and mapped back to the sphere. The algorithm is tested with nearly 1 million data points and yields an approximation with 0.35% relative errors in roughly 2 minutes on a standard computer using our MATLAB implementation. The method is very flexible and allows the application of the full range of two dimensional wavelets.
Untersuchungen zu Raum und Abschirmung am Beispiel der privaten Wohnhäuser von Philip Johnson
(2009)
Architektur ist geprägt vom Wandel. Auch wenn viele Architekten den daraus resultierenden Verlust von Konstanz in der Architektur bemängeln, lohnt sich die Auseinandersetzung mit dem Wandel. Er beinhaltet Entwicklungsmöglichkeiten der Architektur, aus denen wiederum Rückschlüsse für das eigene Entwerfen gewonnen werden können. Da sich die Gründe des Wandels selten eindeutig bestimmen lassen, liegt der Interessensschwerpunkt der Dissertation auf dessen Erscheinungen. Die Aufmerksamkeit wird deshalb auf die wesentlichen Elemente der Architektur, nämlich Raum und Abschirmung, gerichtet. An ihnen werden die Prinzipien des Wandels beschrieben. Dazu werden die Veränderungen von Raum und Abschirmung exemplarisch an den privaten Wohnhäusern von Philip Johnson untersucht. Diese Analyse ergibt, dass sich der Wandel in der Transformation von Raumtyp und Abschirmung bzw. im Wechsel zwischen Raumtypen manifestiert. Während durch die Transformation ein Raumtyp weiterentwickelt wird - Mittel der Transformation sind z.B. die Verformung oder die Verselbständigung von Elementen-, steht der Wechsel von einem Raumtyp zu einem anderen für den fundamentalen Wandel eines Raum- und Gestaltungskonzeptes. Die Wohnhäuser von Philip Johnson können in Bezug auf den Wandel nicht als inhaltlich abschließend bezeichnet werden. Zum einen arbeitet Johnson bei den Wohnhäusern nur mit den vier Raumtypen „Das klar definierte Innen“, „Das Ineinanderfließen von Innen und Außen“, „Innen und Außen als Raumeinheiten“ und „Das Innen im Außen“, zum anderen blendet er z.B. konstruktive Aspekte, wie Bauteilstärken aus. Dennoch können aus der Untersuchung allgemeingültige Rückschlüsse gewonnen werden. Zunächst ist festzustellen, dass der Wandel nicht so komplex ist, wie er durch die Masse diffuser Erscheinungsformen der Architektur erscheint. Er ist rückführbar auf die Veränderungen von Raum und Abschirmung. Sie bilden gemeinsam ein gedankliches und gebautes System, innerhalb dessen sich Architektur bewegt. Dieses System ist offen für potentielle Entwicklungen, d.h. es lässt neue Raumtypen oder aber Veränderungen des Raumtyps und der Abschirmung zu. Darüber hinaus ermöglicht es ein systematisches Vorgehen beim Entwerfen. Entwurfsalternativen und -varianten können aufbauend auf diesen Erkenntnissen aus Raum und Abschirmung gezielt entwickelt werden.
Es ist bekannt, dass die Genese von Darmerkrankungen von der aufgenommenen Nahrung beeinflusst wird. Der Genuss von Apfelprodukten mit hoher antioxidativer Wirksamkeit könnte daher zur Prävention ROS-assoziierter Erkrankungen beitragen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von polyphenolreichen Extrakte aus Apfelsaft (AE01–AE07), Tresterextraktionssaft (AE03B, AE06B) und Apfelschalen (GS, PE) sowie von Polyphenolen auf ihr Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in Caco-2 Zellen. Zur Annäherung an die in vivo-Situation wurden mit Darmbakterien fermentierte Apfelsaftextrakte/Trub in die Untersuchungen einbezogen, dabei entstehende Abbauprodukte wurden charakterisiert und ebenfalls geprüft. Untersuchte Parameter waren (oxidative) DNA-Schädigung, zellulärer ROS-Level, GSH-Spiegel und SOD1-Expression. Zusätzlich wurde die zellfreie antioxidative Kapazität (ORAC/TEAC) erfasst. Die antioxidative Kapazität aller Extrakte war hoch und korrelierte mit dem Gehalt an Polyphenolen bzw. Procyanidinen. Der zelluläre ROS-Level wurde am effektivsten durch AE07 und GS reduziert, während AE05, AE06B und GS den besten Schutz vor oxidativen DNA-Schäden boten. Eine Erhöhung des tGSH-Spiegels konnte durch Inkubation mit AE06, AE07, GS und PE erreicht werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass vor allem Flavonol/Procyanidin-reiche Extrakte eine gute protektive Wirksamkeit aufweisen. Die fermentierten Extrakte zeigten eine deutliche antioxidative Wirksamkeit, was vor allem den identifizierten phenolischen Abbauprodukten zugeschrieben werden konnte, die fast alle eine ausgeprägte Wirksamkeit im zellfreien und zellulären System zeigten. Es ist nicht auszuschließen, dass auch andere Komponenten (wie z.B. SCFA) zur protektiven Wirksamkeit fermentierter Extrakte beitragen könnten. Der fermentierte Trub erwies sich in den Untersuchungen als unwirksam, da in ihm keine Polyphenole identifiziert werden konnten. Weiterhin wurden auch Polyphenol-vermittelte prooxidative Effekte untersucht, für die sich neben einer starken Strukturabhängigkeit die Wahl des verwendeten Mediums als entscheidender Faktor für die beobachtete H2O2-Bildung erwies. Es wurden keine adversen Effekte auf zelluläre Marker beobachtet, vielmehr könnte die Wirksamkeit der Polyphenole durch geringe Mengen an ROS unterstützt werden, da diese die antioxidative Abwehr der Zellen aktivieren. Insgesamt erwiesen sich phenolische Extrakte aus Apfelbestandteilen als wirksame Antioxidanzien mit hohem Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in humanen Kolonzellen. In begleitenden Untersuchungen mit Einzelstoffen wurden Polyphenole identifiziert, die wesentlich zur protektiven Wirkung der Extrakte beitragen. Es konnte gezeigt werden, dass die protektive Wirksamkeit von Extrakten und Inhaltsstoffen trotz intestinalen Abbaus persistiert und dass eine moderate prooxidative Wirksamkeit der Polyphenole in Zellen einen günstigen Einfluss auf deren antioxidative Abwehr ausüben kann.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid mit dem N-terminalen Valin des Hämoglobins unter verschiedenen Aspekten untersucht. Die Bestimmung der Biomarker AAVal und GAVal erfolgte unter Anwendung des modifizierten Edman-Abbaus und einer sich anschließenden Analytik mittels LC/MS/MS oder GC/MS. Die zur Quantifizierung von AAVal und GAVal benötigten Pentafluorphenylthiohydantoin-Derivate wurden synthetisiert und charakterisiert. Mit Hilfe der GC/MS-Methodik wurden Hintergrundadduktgehalte gefunden, die bei Nichtrauchern durchschnittlich 37 pmol AAVal/g Hb und 21 pmol GAVal/g Hb betrugen, während Raucher mit durchschnittlich 91 pmol AAVal/g Hb deutlich höhere Werte aufwiesen. Diese Werte liegen im Bereich der üblicherweise gefundenen Hintergrundadduktgehalte für AAVal und GAVal. Ein Raucher wies abweichend davon mit 859 pmol AAVal/g Hb und 211 pmol GAVal/g Hb eine überdurchschnittlich hohe Hintergrundbelastung auf. Es wurde eine Dosimetrie der Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid durch Inkubation von Humanblut durchgeführt. Die LC/MS/MS-Methodik wies dabei keine ausreichende Sensitivität auf. Die Kinetik dieser Reaktion im Konzentrationsbereich der Hintergrundadduktgehalte nach Inkubation mit 0,3, 3 und 10 µM für 1 bzw. 4 Stunden wurde deshalb mittels GC/MS untersucht. Nach vierstündiger Inkubation zeigte der AAVal-Gehalt bei Inkubation mit 0,3 µM Acrylamid einen statistisch signifikanten Anstieg (p<0,01), während der GAVal-Gehalt erst bei Inkubation mit 3 µM Glycidamid statistisch signifikant anwuchs (p<0,01). Im Hinblick auf die unter vergleichbaren Bedingungen mittels Comet Assay detektierten DNA-Strangbrüche ab 10 µM Glycidamid, kann auf Grund des geringen Konzentrationsabstandes ein partieller Schutz der Zellen vor Glycidamid-induzierten DNA-Schäden durch Addukbildung mit dem Hämoglobin angenommen werden. Die um den Faktor 2-4 höher erscheinende Reaktivität von Acrylamid gegenüber dem N-terminalen Valin kann durch weitere Bestandteile im Blut mit nukleophilen Zentren beeinflusst sein. Um die Effektivität der Abspaltung von AAVal und GAVal bei der Derivatisierung zu den PFPTH-Derivaten bei Quantifizierung des Adduktgehaltes berücksichtigen zu sollten Methoden zur Verwendung von Dipeptid-Standardsubstanzen etabliert werden. Auf Grund der Unsicherheiten bei der Charakterisierung wurden diese jedoch nur für orientierende Untersuchungen verwendet. Nach Inkubation des humanen Vollblutes mit 3 und 30 µM [2,3-14C-Acrylamid] für 15 Minuten, 1, 4 oder 6 Stunden zeigte sich eine schnelle Verteilung des Acrylamids über die einzelnen Blutkompartimente und eine schnell erfolgende Reaktion mit nukleophilen Zentren. Die Radioaktivität liegt zu 9-14 % an Plasmaproteine gebunden vor, während auf das Hämoglobin 7 % und auf Erythrozytenfragmente weitere 8 % entfallen. Somit liegen 25-35 % des Acrylamids gebunden vor. Es ist jedoch auf Grund der hohen Konzentration von GSH im Erythrozyten-Zytosol eine insgesamt höhere Bindung des Acrylamids zu erwarten. Im Rahmen einer humanen Acrylamid-Verzehrsstudie wurde die zeitliche Veränderung von AAVal und GAVal bei 3 ausgewählten Probanden nach der in der jeweiligen Studienphase in Form von Kartoffelchips verabreichten Menge von 1 mg untersucht. In der Referenzperiode R zeigte AAVal bei diesen Probanden einen durchschnittlichen Anstieg von 17 %. Eine höhere Zuwachsrate von 39 % zeigte AAVal in der Testperiode T1, in der CYP 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde und somit kein oxidativer Metabolismus zu Glycidamid stattfand. In der Testperiode T2, in der CYP 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wies AAVal einen der Referenzphase vergleichbaren Anstieg um 19 % auf. Die höhere statistische Signifikanz des Anstiegs von AAVal in der Testperiode T1 im Vergleich zu den beiden anderen Studienabschnitten konnte mit Hilfe einer geeigneten statistischen Auswertung gezeigt werden. Für GAVal hingegen konnte auf Grund der größeren Messwertschwankungen nur für die gesamte Studiendauer ein Anstieg um 49 % festgestellt werden. Für den Anstieg von GAVal deutet sich ein Zusammenhang mit der individuellen CYP 2E1-Aktivität der drei Probanden, deren Phänotypisierung mittels Chlorzoxazon-Metabolismus bestimmt wurde. Diese Tendenz bestätigt sich jedoch nicht für die Gesamtheit der 16 Probanden. In dieser Arbeit wurde die Effizienz der Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid mit Hämoglobin unter verschiedenen Aspekten aufgezeigt. Ob die protektiven Mechanismen auf zellulärer Ebene ausreichend sind, um elektrophile Xenobiotika wie Acrylamid und Glycidamid bis hin zu einem möglicherweise vorhandenen Schwellenwert biologisch zu inaktivieren, müssen weitere Untersuchungen aufzeigen.
Proteins of the intermembrane space of mitochondria are generally encoded by nuclear genes that are synthesized in the cytosol. A group of small intermembrane space proteins lack classical mitochondrial targeting sequences, but these proteins are imported in an oxidation-driven reaction that relies on the activity of two components, Mia40 and Erv1. Both proteins constitute the mitochondrial disulfide relay system. Mia40 functions as an import receptor that interacts with incoming polypeptides via transient, intermolecular disulfide bonds. Erv1 is an FAD-binding sulfhydryl oxidase that activates Mia40 by re-oxidation, but the process how Erv1 itself is re-oxidized has been poorly understood. Here, I show that Erv1 interacts with cytochrome c which provides a functional link between the mitochondrial disulfide relay system and the respiratory chain. This mechanism not only increases the efficiency of mitochondrial inport by the re-oxidation of Erv1 and Mia40 but also prevents the formation of deleterious hydrogen peroxide within the intermembrane space. Thus, the miochondrial disulfide relay system is, analogous to that of the bacterial periplasm, connected to the electron transport chain of the inner membrane, which possibly allows an oxygen-dependend regulation of mitochondrial import rates. In addition, I modeled the structure of Erv1 on the basis of the Saccharomyces cerevisiae Erv2 crystal structure in order to gain insight into the molecular mechanism of Erv1. According to the high degree of sequence homologies, various characteristics found for Erv2 are also valid for Erv1. Finally, I propose a regulatory function of the disulfide relay system on the respiratory chain. The disulfide relay system senses the molecular oxygen levels in mitochondria and, thus, is able to adapt respiratory chain activity in order to prevent wastage of NADH and production of ROS.
Durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix lässt sich eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe erzielen. Dazu ist allerdings eine Separierung und homogene Verteilung der Verstärkungsstoffe in der Matrix notwendig, um die spezifische Oberfläche der Nanopartikel ausnutzen zu können, die dann als Grenzfläche mit der Matrix in Wechselwirkung treten kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dispergierung von anorganischen Nanopartikeln am Beispiel von Titandioxid und Bariumsulfat in Epoxidharz mithilfe von Ultraschallwellen systematisch untersucht. Dazu wurden die Prozessparameter, wie z.B. die Amplitude und das beschallte Volumen, variiert, um die optimalen Dispergierparameter zu ermitteln, die zu einer guten Dispergierung der Nanopartikel führen, ohne dabei jedoch die Molekülstruktur des Epoxidharzes zu verändern. Eine Veränderung der Molekülstruktur der Matrix kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs negativ beeinflussen. Deshalb wurden für das unbehandelte und das beschallte Harz Morphologieuntersuchungen mittels FourierTransform-Infrarotspektroskopie und Gel-Permeations-Chromatographie durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Nanopartikel im Harz mit der maximalen Amplitude von 100% und einer Beschallungszeit von 15 Minuten optimal dispergiert werden können, ohne die Morphologie des Harzes merklich zu verändern.
Für den Ultraschalldispergierprozess wurde ein Dispergiermodell erarbeitet, das die Entwicklung der Partikelgröße in Abhängigkeit von den Prozessparametern beschreibt. Dieses Modell ist auf andere Partikelsysteme übertragbar und soll Vorhersagen für zukünftige Dispergierexperimente ermöglichen.
Das Ziel der Fertigung der Nanoverbundwerkstoffe ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Zug-, Bruchzähigkeits-, Kerbschlagzähigkeits- und Biegeversuch. Hierbei wurde sowohl die Wirkung der Dispergierung als auch der Einfluss des Verstärkungsstoffgehaltes auf das Eigenschaftsprofil untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein weiteres Epoxidharz überprüft.
Um die Verstärkungsmechanismen der Nanopartikel in der Polymermatrix, die zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen, zu verstehen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Bruchflächen ausgeführt. Diese zeigten,dass Nanoverbundwerkstoffe eine rauere Bruchoberfläche als reines Epoxidharz besitzen, was auf eine Änderung der Bruchmechanismen hindeutet.
Insgesamt konnten mithilfe der Ultraschalldispergierung Nanoverbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden und ihre Dispergierung durch ein Modell beschrieben werden, das auch Vorhersagen für weitere Partikel-Harz-Systeme erlaubt.
In its rather short history robotic research has come a long way in the half century since it started to exist as a noticeable scientic eld. Due to its roots in engineering, computer science, mathematics, and several other 'classical' scientic branches,a grand diversity of methodologies and approaches existed from the very beginning. Hence, the researchers in this eld are in particular used to adopting ideas that originate in other elds. As a fairly logical consequence of this, scientists tended to biology during the 1970s in order to nd approaches that are ideally adapted to the conditions of our natural environment. Doing so allows for introducing principles to robotics that have already shown their great potential by prevailing in a tough evolutionary selection process for millions of years. The variety of these approaches spans from efficient locomotion, to sensor processing methodologies and all the way to control architectures. Thus, the full spectrum of challenges for autonomous interaction with the surroundings while pursuing a task can be covered by such means. A feature that has proven to be amongst the most challenging to recreate is the human ability of biped locomotion. This is mainly caused by the fact that walking,running and so on are highly complex processes involving the need for energy efficient actuation, sophisticated control architectures and algorithms, and an elaborate mechanical design while at the same time posting restrictions concerning stability and weight. However, it is of special interest since our environment is favoring this specic kind of locomotion and thus promises to open up an enormous potential if mastered. More than the mere scientic interest, it is the fascination of understanding and recreating parts of oneself that drives the ongoing eorts in this area of research. The fact that this is not at all an easy task to tackle is not only caused by the highly dynamical processes but also has its roots in the challenging design process. That is because it cannot be limited to just one aspect like e.g. the control architecture, actuation, sensors, or mechanical design alone. Each aspect has to be incorporated into a sound general concept in order to allow for a successful outcome in the end. Since control is in this context inseparably coupled with the mechanics of the system, both has to be dealt with here.
In engineering and science, a multitude of problems exhibit an inherently geometric nature. The computational assessment of such problems requires an adequate representation by means of data structures and processing algorithms. One of the most widely adopted and recognized spatial data structures is the Delaunay triangulation which has its canonical dual in the Voronoi diagram. While the Voronoi diagram provides a simple and elegant framework to model spatial proximity, the core of which is the concept of natural neighbors, the Delaunay triangulation provides robust and efficient access to it. This combination explains the immense popularity of Voronoi- and Delaunay-based methods in all areas of science and engineering. This thesis addresses aspects from a variety of applications that share their affinity to the Voronoi diagram and the natural neighbor concept. First, an idea for the generalization of B-spline surfaces to unstructured knot sets over Voronoi diagrams is investigated. Then, a previously proposed method for \(C^2\) smooth natural neighbor interpolation is backed with concrete guidelines for its implementation. Smooth natural neighbor interpolation is also one of many applications requiring derivatives of the input data. The generation of derivative information in scattered data with the help of natural neighbors is described in detail. In a different setting, the computation of a discrete harmonic function in a point cloud is considered, and an observation is presented that relates natural neighbor coordinates to a continuous dependency between discrete harmonic functions and the coordinates of the point cloud. Attention is then turned to integrating the flexibility and meritable properties of natural neighbor interpolation into a framework that allows the algorithmically transparent and smooth extrapolation of any known natural neighbor interpolant. Finally, essential properties are proved for a recently introduced novel finite element tessellation technique in which a Delaunay triangulation is transformed into a unique polygonal tessellation.
The dissertation describes a practically proven, particularly efficient approach for the verification of digital circuit designs. The approach outperforms simulation based verification wrt. final circuit quality as well as wrt. required verification effort. In the dissertation, the paradigm of transaction based verification is ported from simulation to formal verification. One consequence is a particular format of formal properties, called operation properties. Circuit descriptions are verified by proof of operation properties with Interval Property Checking (IPC), a particularly strong SAT based formal verification algorithm. Furtheron, a completeness checker is presented that identifies all verification gaps in sets of operation properties. This completeness checker can handle the large operation properties that arise, if this approach is applied to realistic circuits. The methodology of operation properties, Interval Property Checking, and the completeness checker form a symbiosis that is of particular benefit to the verification of digital circuit designs. On top of this symbiosis an approach to completely verify the interaction of completely verified modules has been developed by adaptation of the modelling theories of digital systems. The approach presented in the dissertation has proven in multiple commercial application projects that it indeed completely verifies modules. After reaching a termination criterion that is well defined by completeness checking, no further bugs were found in the verified modules. The approach is marketed by OneSpin Solutions GmbH, Munich, under the names "Operation Based Verification" and "Gap Free Verification".
Diese Arbeit beschreibt einen in der Praxis bereits vielfach erprobten, besonders leistungsfähigen Ansatz zur Verifikation digitaler Schaltungsentwürfe. Der Ansatz ist im Hinblick auf die Schaltungsqualität nach der Verifikation, als auch in Bezug auf den Verifikationsaufwand der simulationsbasierten Schaltungsverifikation deutlich überlegen. Die Arbeit überträgt zunächst das Paradigma der transaktionsbasierten Verifikation aus der Simulation in die formale Verifikation. Ein Ergebnis dieser Übertragung ist eine bestimmte Form von formalen Eigenschaften, die Operationseigenschaften genannt werden. Schaltungen werden mit Operationseigenschaften untersucht durch Interval Property Checking, einer be-sonders leistungsfähigen SAT-basierten funktionalen Verifikation. Dadurch können Schaltungen untersucht werden, die sonst als zu komplex für formale Verifikation gelten. Ferner beschreibt diese Arbeit ein für Mengen von Operationseigenschaften geeignetes Werkzeug, das alle Verifikationslücken aufdeckt, komplexitätsmäßig mit den Fähigkeiten der IPC-basierten Schaltungsuntersuchung Schritt hält und als Vollständigkeitprüfer bezeichnet wird. Die Methodik der Operationseigenschaften und die Technologie des IPC-basierten Eigenschaftsprüfers und des Vollständigkeitsprüfers gehen eine vorteilhafte Symbiose zum Vorteil der funktionalen Verifikation digitaler Schaltungen ein. Darauf aufbauend wird ein Verfahren zur lückenlosen Überprüfung der Verschaltung derartig verifizierter Module entwickelt, das aus den Theorien zur Modellierung digitaler Systeme abgeleitet ist. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz hat in vielen kommerziellen Anwendungsprojekten unter Beweis gestellt, dass er den Namen "vollständige funktionale Verifikation" zu Recht trägt, weil in diesen Anwendungsprojekten nach dem Erreichen eines durch die Vollständigkeitsprüfung wohldefinierten Abschlusses keine Fehler mehr gefunden wurden. Der Ansatz wird von OneSpin Solutions GmbH unter dem Namen "Operation Based Verification" und "Gap Free Verification" vermarktet.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der präzisen Beschreibung von geschweißten einschnittigen Überlappverbindungen aus Metall / Faser-Kunststoff-Verbunden unter mechanischer Belastung. Durch Synergieeffekte von optischen und thermischen Messverfahren kann das Deformations- und Dehnungsverhalten verschiedenste Probeformen charakterisiert werden. Zunächst wird ein kurzer Überblick über die genutzten optischen und thermischen Messverfahren gegeben. Vor- und Nachteile der Verfahren werden hierbei detailliert erläutert. Nachfolgend geraten Ultraschallgeschweißte einschnittige Überlappverbindungen in den Fokus der Betrachtungen. Dabei kommen statische, dynamische und schlagartige Beanspruchungen zum Einsatz. Das Deformations- und Dehnungsverhalten wird jeweils mit einem geeigneten Messverfahren beschrieben. Vor- und Nachteile der einzelnen Messverfahren werden, für eine spätere Nutzung von Synergieeffekten, durch Messungen an demselben Probekörper deutlich herausgearbeitet. Im letzten Kapitel der Arbeit wird eine Finite Element Simulation der einschnittigen Überlappverbindungen erstellt. Es wird gezeigt, dass unter zu Hilfenahme der ortsaufgelösten Deformations- und Dehnungsmessungen die Genauigkeit der FE - Simulation deutlich verbessert werden kann. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind zusammenfassend dargestellt: -Kopplung von Grauwertkorrelation und Scanning Acoustic Microscopy zur Dehnungsdarstellung in optisch nicht zugänglichen Bereichen -Verbesserung der FE-Simulation durch genaueste Dehnungsmessungen -Kopplung verschiedener optischer Systeme zur Dehnungsmessung über mehrere Größenordnungen -Vergleich von Grauwertkorrelation und Elektronischer Speckle Pattern Interferenz -Erklärung des thermoelastischen Spannungssignals mittels FE-Simulation
Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei
deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen
metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw.
Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von
Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten
Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können,
werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung
der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum
Stand der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden
Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls
weiter oder neu entwickelt werden.
In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen
Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF)
vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten
des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation
werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten
von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse
berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper
erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet.
Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem
sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an
solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden.
Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen
Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben
und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg-
Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter
Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen
einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer
Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes
Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich
validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden
kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse
nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter
abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten
Füllanalyse.
Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei
deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen
metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw.
Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von
Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten
Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können,
werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung
der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum Stand
der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden
Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls weiter oder
neu entwickelt werden.
In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen
Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF)
vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten
des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation
werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten
von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse
berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper
erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet.
Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem
sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an
solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden.
Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen
Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben
und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg-
Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter
Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer
Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes
Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich
validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden
kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse
nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter
abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten
Füllanalyse.
The scarcity of raw materials such as oil and natural gas has led the necessity to design
more and more energy-efficient constructions. This applies particularly to the
automotive industry and its component suppliers. There are two possibilities to meet
this obligation. On the one hand, one can develop new forms of drive concepts, e.g.
hybrid or electric motors. On the other hand, the reduction of weight can significantly
diminish the consumption of fuel. Especially in the aerospace industry every gram
less counts. To put this requirement into action traditional materials, e.g. steel and
cast iron, are replaced by new lightweight materials. This can be miscellaneous light
alloys or one of several fibre reinforced plastics. After the production of plastic devices
such as display panels in cars, more and more security-relevant plastic devices
appeared.
This report deals with one important material within the group of glass fibre reinforced
thermoplastics i.e. long-glass-fibre reinforced polypropylene. Polypropylene with approximately
14% of the worldwide usage of plastics is very cheap and can support
companies in cost-saving. This aspect becomes more and more important considering
the expansion of global business competition, especially in the automotive industry.
With approximately 50%, glass-fibre reinforced polypropylene is the dominant
material in the group of glass fibre reinforced thermoplastics. To counteract the demand
of shorter development times in the design process the automotive industry
and its suppliers count on simulation tools such as the finite-element (FE)-simulation.
For this reason the quality of the mathematical material models has to be improved
and its parameters have to be identified. After choosing a suitable material model and
identifying the corresponding parameters, a verification of both has to follow to assure
their reliability. This is typically carried out by comparing measurement with simulation
data at distinctive points of the considered geometry. With advanced performance
of computer hardware and measurement systems it is possible to measure
specimens and more complex geometries at high strain rates by means of high
speed cameras and to conduct FE-Simulations in a justifiable time with sufficient accuracy Thus the following chapter firstly discusses the basics of continuum mechanics with
its well-established mathematical formulations for anisotropic elasticity, plasticity and
viscoelasticity and the corresponding rheological models. In chapter three the properties
of the matrix material polypropylene are presented with more precise consideration
of the strength and failure of the composite material under tensile load depending
on the fibre length and volume. Thereafter, the geometry and dimensions of the
specimens for tensile and shear tests are presented, together with a test sample
which is used as an example for the design of automotive structures via coactions of
measuring and simulation techniques. Chapter four deals with the state of the art in
high speed testing, the experimental setup and its mode of operation as well as the
explanation of different kinds of evaluation software which is used in this work.
Here, the main focus is aimed at the determination and interpretation of displacement
and strain fields with the grey scale method. The following paragraph describes different
initial examinations of specimens and the test sample. In this context, exposures
of fracture surfaces and polished micrograph sections were examined by
means of optical and scanning electron microscopy. In this way discontinuities and
cracks caused by the injection moulding process are detected. The quality of the
specimens and the test sample and their suitability for systematic material testing are
finally evaluated by means of thermoelastic stress analysis and a laser extensometer.
With these systems a direct optical strain measurement can be accomplished to
screen the homogeneity of specimens and parts.
In chapter six an approach for an experimental method is presented for measuring
displacement fields of the surface of specimens of long-glass-fibre reinforced polypropylene
at high strain rate. A strategy is introduced for reasonable data evaluation
to characterise stress strain behaviour under tensile and shear load. Specimens of
long-glass-fibre polypropylene with a fibre volume content of 30% and 40% respectively,
are tested and analysed. Anisotropy of the material is considered by testing
specimens with fibres oriented either in the direction of the tensile load or perpendicular
to it. The resulting stress strain curves for the two main directions are used as
basis for identifying material properties for an orthotropic constitutive law. Hence the
elastic parameters that are collected from stress strain curves are the axial modulus
in fibre direction and perpendicular to it, the shear modulus in the fibre plane and the
matrix plane and finally the lateral contraction in fibre direction, at right angle to it and
in the matrix plane. After having collected the parameters for elasticity, the HILLcriterion
is utilised to describe orthotropic plasticity. The different stresses at the
yielding points related to the designated directions are used to compute the parameters
of the HILL-criterion. Finally, in order to describe the strain-rate dependent behaviour
of the material, a one dimensional rheological model with four relaxation
terms is utilized to represent the set of curves resulting from tests of specimens at five different strain rates. The viscoelastic parameters are identified by means of a
least square approach using the Levenberg-Marquardt algorithm.
In chapter eight, the elastic-plastic orthotropic material model is verified for low strain
rates. A specimen with a hole in its middle is exposed to a tensile load until break and
simultaneously measured by means of a CCD-camera to obtain the two-dimensional
displacement field on its surface. Comparison of the experimental displacements with
the displacements of a finite-element model at the same points shows the quality of
the material model and its parameters. Finally, in chapter nine, the results of a filling
simulation of the test sample is shown and again a comparison of measured and
simulated data is presented. This we describe the potential and the limits of current
filling-simulation-software in conjunction with a popular finite-element-tool like
ABAQUS. To conclude appropriate mathematical characterisation and reliable parameters
of long-glass-fibre reinforced polypropylene require stringent experimental
and theoretical characterisation. Complete specification of such a complex material is still very time-consuming and prone to mistakes during the whole sequence of operations.
For this reason it is very important to improve the reliability of every single step
in product engineering. Hence the performance of a mathematical material model is
not only dependent on its formulation but also and particularly on the quality of its
material parameters whether they are determined directly from material tests or by
means of special optimization software. The best optimization tools can only optimize
material parameters reliably if the underlying experimental data is just as reliable.
This dissertation is intended to give a systematic treatment of hypersurface singularities in arbitrary characteristic which provides the necessary tools, theoretically and computationally, for the purpose of classification. This thesis consists of five chapters: In chapter 1, we introduce the background on isolated hypersurface singularities needed for our work. In chapter 2, we formalize the notions of piecewise-homogeneous grading and we discuss thoroughly non-degeneracy in arbitrary characteristic. Chapter 3 is devoted to determinacy and normal forms of isolated hypersurface singularities. In the first part, we give finite determinacy theorems in arbitrary characteristic with respect to right respectively contact equivalence. Furthermore, we show that "isolated" and finite determinacy properties are equivalent. In the second part, we formalize Arnol'd's key ideas for the computation of normal forms an define the conditions (AA) and (AAC). The last part of Chapter 3 is devoted to the study of normal forms in the general setting of hypersurface singularities imposing neither condition (A) nor Newton-Nondegeneracy. In Chapter 4, we present algorithms which we implement in Singular for the purpose of explicit computation of regular bases and normal forms. In chapter 5, we transfer some classical results on invariants over the field C of complex numbers to algebraically closed fields of characteristic zero known as Lefschetz principle.