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Eisen-Schwefel-Cluster bilden eine Klasse der vielseitigsten anorganischen Cofaktoren in der Natur und sind in allen Domänen des Lebens zu finden. Sie erfüllen vielfältige Aufgaben in verschiedensten Bereichen, wie beispielsweise Elektronentransport, regulatorische Funktionen oder enzymatische Aktivität. Da verschiedene Krankheiten auf Defekte von Eisen-Schwefel-Proteinen oder deren Biogenese zurückgeführt werden können, ist es von größtem Interesse unbekannte Fe/S Proteine zu charakterisieren und ihre Wirkungsweisen zu erforschen.
In den beiden häufigsten Clustertypen (der rhombische [2Fe-2S]- und der kubische [4Fe 4S] Cluster) werden zur Koordination der Eisenionen neben anorganischen Sulfidionen in der Regel vier Cysteine des Proteins verwendet. Daneben existieren jedoch auch Proteine, in denen andere Aminosäuren als Liganden fungieren.
Für das Rieske-Protein, welches in dieser Arbeit als Referenzprotein fungierte, wurden Mössbauerspektren bei drei passenden pH-Werten aufgenommen. Dadurch konnten zum ersten Mal die drei verschiedenen Zustände des Clusters mit diprotonierten, monoprotonierten bzw. deprotonierten Histidinen mittels Mössbauerspektroskopie untersucht und die entsprechenden Parameter ermittelt werden.
Im Hauptteil dieser Arbeit wurden die beiden weitgehend unerforschten Proteine Apd1 und Aim32 aus Saccharomyces cerevisiae kloniert, heterolog in E. coli exprimiert und isoliert. Durch eine anschließende Charakterisierung mittels UV/Vis-, ESR- und Mössbauerspektroskopie konnte der enthaltene [2Fe 2S] Cluster identifiziert und eine Koordination durch zwei Cysteine und zwei Histidine festgestellt werden, wobei die Proteine keine Rieske-Faltung besitzen. Nach Entdeckung des hochkonservierten HXGGH-Motivs, welches an ähnlicher Stelle zum dritten und vierten Cystein in der Primärstruktur von TLF´s (thioredoxin-like ferredoxins) vorliegt, wurden Mutationen dieser Histidine durchgeführt. In Untersuchungen an diesen Mutanten konnten Änderungen in den UV/Vis , ESR- und Mössbauerspektren der variierten Fe/S Cluster beobachtet werden. Bei der pKS-Wert-Bestimmung wurde nach jeder Mutation der vorhandenen Histidine zu Cysteinen, jeweils ein (De-)Protonierungsschritt weniger detektiert. Ebenso zeigten die Mutanten niedrigere Redoxpotentiale als der Wildtyp, dessen Redoxpotential pH-abhängig ist. Es handelt sich hierbei also um eine neuartige Klasse von Proteinen, die eine C-terminale Domäne mit einer Faltung ähnlich zu TLF´s besitzt, die aber gleichzeitig ein Rieske-artiges Zentrum beinhaltet. Eine Funktion bei Elektronentransfers liegt deshalb nahe, allerdings ist dazu noch nichts genaueres bekannt. Die Identifikation der genauen Wirkweise sowie der Reaktionspartner der beiden Proteine ist also weiterhin ein spannendes Forschungsgebiet. Ebenso wird der Nachweis über die Art der Bindung der Histidine durch eine Kristallstruktur wichtige Erkenntnisse über die Proteinklasse liefern.
In der modernen Hubschrauberfertigung werden neben Rotorblättern auch tragende
Strukturteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Um dabei
einen möglichst hohen Leichtbaugrad zu erreichen, werden immer neue Design-
Konzepte entwickelt. Innovative Design-Lösungen sind aber nur dann in der Fertigung
umsetzbar, wenn sie effizient, kostengünstig und fehlerfrei gefertigt werden
können.
Ein wichtiger Baustein für die Produktion sind die Fertigungsvorrichtungen, auf
denen die Bauteile laminiert und ausgehärtet werden. Diese Vorrichtungen sind ein
maßgeblicher Faktor zum Erreichen der geforderten Bauteilqualität. Das Augenmerk
liegt hierbei auf der sogenannten tool-part-interaction, also der Interaktion zwischen
Fertigungsvorrichtung und Faserverbundmaterial. Diese hat einen großen Einfluss
auf das Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Prepreg-Materialien und somit auch
direkt auf fertigungsinduzierte Schädigungen wie Faltenbildung und Verzug.
Aktuell kann der Vorrichtungsentwickler lediglich auf Erfahrungswerte zurückgreifen,
um ein gutes Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Vorrichtung zu erreichen.
Zur Minimierung von Falten fehlt jedoch häufig sogar das nötige Hintergrundwissen
über die grundlegenden Mechanismen der Faltenbildung. Nur ein langwieriger
trial-and-error Prozess nach Produktion der Vorrichtung kann helfen, Faltenbildung
zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.
Zukünftig muss es ein primäres Ziel für den Vorrichtungsbau sein, Fertigungsmittel
gezielt auslegen und bereits im Rahmen der Konzeptentwicklung Aussagen
über die zu erwartende Bauteilgüte und das Fertigungsergebnis machen zu können.
Einen möglichen Weg stellt die Einführung einer Herstellprozesssimulation dar, da
sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase das Aufheiz- und Verpressungsverhalten
eines Bauteils sowie den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Bauteilqualität
einschätzen kann. Fertigungsinduzierte Schädigungen, wie der prozessinduzierte
Verzug, lassen sich bereits mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Software-Tools
vorhersagen. Um zukünftig auch die Faltenbildung bei der Prepreg-Autoklavfertigung
vorhersagbar zu machen, müssen zwei übergeordnete Fragestellungen bearbeitet
werden:Faltenbildung: Wie läuft die Faltenbildung in der Autoklavfertigung ab und
welche Mechanismen bzw. Einflussfaktoren müssen besonders beachtet werden?
Simulation: Wie muss eine Herstellprozesssimulation geartet sein, um den
Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Faltenbildung vorhersagen zu können
und Vorrichtungen auf diese Weise zukünftig auslegbar zu machen?
Experimentelle Untersuchungen an Omega- und C-Profilen helfen, die Faltenbildung,
ihren primären Mechanismus und vor allem die verschiedenen Einflussfaktoren
zu verstehen und zu bewerten. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde besonders
die Kompaktierung des Laminates über einem Außenradius und die daraus entstehende
überschüssige Faser- bzw. Rovinglänge als primärer Faltenauslöser betrachtet.
Es konnte aus den Experimenten abgeleitet werden, dass besonders der
Verpressungsweg, die Bauteilgeometrie, das verwendete Faserhalbzeug (unidirektional
oder Gewebe), die tool-part-interaction und das interlaminare Reibverhalten für
den untersuchten Mechanismus von Bedeutung sind. Daraus lassen sich die Mindestanforderungen
an eine Herstellprozesssimulation zusammenstellen.
Eine umfassende Materialcharakterisierung inklusive der interlaminaren Reibung,
der Reibinteraktionen zwischen Bauteil und Fertigungsvorrichtung sowie des
Verpressungsverhaltens des Faserbettes sind der erste Schritt in der Entwicklung
einer industriell einsetzbaren Simulation.
Die Simulation selbst setzt sich aus einem thermo-chemischen und einem
Kompaktiermodul zusammen. Ersteres ermittelt das Aufheizverhalten der Vorrichtung
und des Bauteils im Autoklaven und stellt darüber hinaus Aushärtegrad und
Glasübergangstemperatur als Parameter für das zweite Simulationsmodul zur Verfügung.
Zur korrekten Bestimmung des Wärmeübergangs im Autoklaven wurde ein
semi-empirisches Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, Strömungseffekte und
Beladungszustände des Autoklaven zu berücksichtigen. Das Kompaktiermodul umfasst
das Verpressungsverhalten des Faserbettes inklusive des Harzflusses, der toolpart-
interaction und der Relativverschiebung der Laminatlagen zueinander. Besonders
das Erfassen der Durchtränkung des Fasermaterials mittels eines phänomenologischen
Ansatzes und das Einbringen der Reibinteraktionen in die Simulation muss
als Neuerung im Vergleich zu bisherigen Simulationskonzepten gesehen werden. Auf
diese Weise ist die Simulation in der Lage, alle wichtigen Einflussfaktoren der Faltenbildung zu erfassen. Der aus der Simulation auslesbare Spannungszustand kann
Aufschluss über die Faltenbildung geben. Mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit
entwickelten (Spannungs-)Kriteriums lässt sich eine Aussage über das zu erwartende
Faltenrisiko treffen. Außerdem ermöglicht die Simulation eine genaue Identifikation
der Haupttreiber der Faltenbildung für das jeweilige Bauteil bzw. Fertigungskonzept.
Parameter- und Sensitivitätsstudien können dann den experimentellen Aufwand
zur Behebung der Faltenbildung deutlich reduzieren.
Die hier vorliegende Arbeit erweitert damit nicht nur das Wissen über die Faltenbildung
in der Prepreg-Autoklavfertigung und deren Einflussfaktoren, sondern gibt
dem Vorrichtungsentwickler auch eine Simulationsmethodik an die Hand, die ihn in
die Lage versetzt, Fertigungsvorrichtungen gezielt auszulegen und zu optimieren.
In addition to rotor blades, primary structural parts are also manufactured from
carbon fiber reinforced plastics in modern helicopter production. New design concepts
are constantly developed in order to reach a maximum degree of lightweight
design. However, innovative design solutions are only realizable, if they can be manufactured
efficiently, economically, and free from defects.
Molds for laminating and curing of composite parts are of particular importance.
They are a relevant factor for achieving the required part quality. The attention is directed
at the so-called tool-part-interaction, i.e. the interaction between tools and fiber
composite materials, which has a great influence on the heating and compaction
behavior of the prepreg materials and therefore also directly on manufacturing induced
damage such as wrinkling and warping.
At present, the tooling designer can only resort to his/her experience to achieve
a good heating and compaction behavior of the molds. However, the necessary background knowledge about the fundamental mechanisms of wrinkling is often lacking
and only a tedious trial-and-error process after the production of the mold can
help eliminate or at least reduce wrinkling.
In the future, the primary goal for tooling production must be to specifically design
the manufacturing equipment and to be able to already make a statement about
the expected part quality and production result during the conceptual stage. A possible
solution is the introduction of a manufacturing process simulation, because at an
early development stage it can estimate the heating and compaction behavior of a
part as well as the influence of the manufacturing equipment on part quality. Commercially
available software tools are already able to predict damage during production,
as e.g. process induced deformation. In order to make wrinkling predictable also,
two primary issues need to be dealt with: Wrinkling: How does wrinkling develop in autoclave manufacturing and which
mechanisms or influencing factors need to be particularly considered?
Simulation: What must be integrated into a manufacturing process simulation,
if it is to predict the influence of the mold on wrinkling and to ensure future
tooling improvement? Experimental examinations of omega and c-profiles help to understand and
evaluate wrinkling, its primary mechanism, and particularly the various influencing
factors. In the case of the present paper, the compaction of the laminate over a convex
radius and the resulting surplus roving length was especially examined as primary
cause for wrinkling. From the experiments could be deduced that the compaction,
the part geometry, the utilized semi-finished fabrics (unidirectional and woven), the
tool-part-interaction and the interlaminar friction are of importance for the examined
mechanism. These factors determine the minimum requirements for a manufacturing
process simulation.
A comprehensive material characterization including interlaminar friction, friction
interaction between part and tool as well as the compaction behavior of the fiber bed
are the first step toward the development of a simulation on an industrial scale. The
simulation consists of a thermochemical and a compaction module. The former determines
the heating behavior of the mold and the part in the autoclave and additionally
provides the degree of cure and the glass transition temperature as parameters
for the second simulation module. A semi-empirical method that is able to consider
flow effects and loading conditions of the autoclave was developed for the correct
determination of the heat transfer within the autoclave. The compaction module comprises
the compaction behavior of the fiber bed including resin flow, tool-partinteraction
and relative displacement of the layers. Especially the integration of the
saturation phase by means of a phenomenological approach and the inclusion of friction
interaction in the simulation must be seen as innovation in comparison to other
simulation concepts. The simulation is thus able to capture all the important influencing
factors of wrinkling. The state of stress that is retrieved from the simulation can
provide information about the formation of wrinkles. Furthermore, the simulation enables
an exact identification of the main drivers for the development of wrinkles in the
respective part or manufacturing concept. Parameters and sensitivity analyses can
then significantly reduce the experimental effort for the elimination of wrinkling.
The present study does therefore not only expand the knowledge about wrinkling
and its influencing factors in prepreg autoclave manufacturing, but also presents
the tooling designer with a simulation methodology that enables him/her to systematically
develop and optimize manufacturing equipment.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Beurteilung einer alternativen
kontinuierlichen Preform-Technologie zur Vorstabilisierung von trockenen Kohlenstofffaserhalbzeugen
unter Verwendung der Ultraschall-Schweiß-Technologie für
Kunststoffe präsentiert. Aktuell verwendete Technologien für Großbauteile in der
Luftfahrt sind in der Regel diskontinuierlich und wenig produktiv. Zudem weisen sie
Probleme hinsichtlich des gewünschten Kompaktierungsgrades und der Oberflächenqualität
auf. Diesen Nachteilen soll durch den Einsatz des kontinuierlichen
Ultraschall-Preformens begegnet werden.
Innerhalb der Ausarbeitung wurde eine neue Funktionseinheit, die für die Anforderungen
in einem kontinuierlichen Preform-Prozess geeignet ist, entwickelt und mit
passender Sensorik und Steuerung in einen Versuchsstand integriert. Durch statische
Versuche konnte das halbzeugabhängige Aufheizverhalten untersucht
werden. Es zeigte sich, dass der Erwärmungsprozess durch Reibung zwischen den
Filamenten bestimmt wird und somit einen homogenen Prozess unterstützt.
Untersuchungen der Parameter führten zu diskreten und materialabhängigen Prozessfenstern
und einem tieferen Verständnis für die Einflüsse des Schweiß-Prozesses
auf das Preform-Verhalten. Durch die Betrachtung von Prozessgrenzen
konnten unerwünschte Strukturdefekte ausgeschlossen und das Potenzial für die
Nutzung verschiedener Materialien sowie für den Einsatz an komplexeren Bauteilen
aufgezeigt werden. Weiterhin wurde durch Permeabilitätsuntersuchungen gezeigt,
dass es einen materialabhängigen Einfluss des Prozesses auf die Infusionierbarkeit
gibt, der sich sowohl als eine Verbesserung als auch eine als Verschlechterung
darstellen kann. Durch vibrationsinduzierte Verdichtungsprozesse konnten höhere
Faservolumengehalte bei einer gesteigerten Produktivität erzielt werden. Auch eine
partielle Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist durch die Anwendung
des Ultraschall-Prefom-Verfahrens möglich. Für die Herstellung komplexerer Strukturen
eignet sich das Verfahren ebenso, wie an einem Demonstrator gezeigt werden
konnte. Geometrische Restriktionen grenzen die Anwendbarkeit allerdings ein.
Durch die Entwicklung der Technologie konnte eine vielversprechende Alternative
dargelegt werden, die Kosten sparen und Bauteileigenschaften verbessern kann.
Zunehmend strengere Regulierungen der CO2-Emissionen von Neuwagen seitens
der europäischen Union erfordern den Einsatz von Leichtbaukonzepten, welche für
die Massenproduktion geeignet sind. Dies erfordert den Einsatz leistungsstarker und
zugleich kostengünstiger Werkstoffe. Für den breiten Einsatz im Transportbereich
werden daher vermehrt kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste zur Substitution
klassischer Metallkomponenten eingesetzt. Die geringen Werkstoffkosten, die stetig
weiterentwickelten mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit zur
Funktionsintegration aufgrund der hohen Formgebungsfreiheit des Spritzgussprozesses
sind entscheidende Vorteile dieser Werkstoffgruppe. Der Spritzgussprozess
führt zu einer lokal stark variierenden Faserorientierung. Die Werkstoffeigenschaften
hängen dabei entscheidend von der Faserorientierung ab. Besitzt der
Werkstoff parallel zur Faserrichtung seine höchste Steifig- und Festigkeit, sind diese
quer zur Faserorientierung am niedrigsten. Zusätzlich besitzt die thermoplastische
Matrix ein ausgeprägt nichtlineares Werkstoffverhalten, wodurch die strukturmechanische
Berechnung kurzfaserverstärkter Bauteile deutlich erschwert wird. Eine
geeignete Methodik zur Charakterisierung und numerischen Abbildung des
nichtlinearen anisotropen Werkstoffverhaltens mit anschließender Lebensdaueranalyse
ist zurzeit nicht vorhanden und bildet das Ziel dieser Arbeit.
Der untersuchte Werkstoff findet häufig Einsatz in strukturellen Komponenten im
Fahrwerks- und Motorbereich. In diesen Einsatzgebieten ist er zusätzlich zu den
mechanischen Lasten auch Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit oder
Steinschlägen, ausgesetzt. Im Rahmen der durchgeführten experimentellen Arbeiten
wird der Einfluss dieser zusätzlichen einsatzbedingten Lasten auf die statischen
Eigenschaften und das Lebensdauerverhalten untersucht. Ist ein Fahrwerksbauteil
ganzjährig Wasser und Feuchtigkeit ausgesetzt, kann es in Winterzeiten auch zu
Kontakt mit Tausalzlösungen kommen. In Auslagerungsversuchen über einen
Zeitraum von etwa einem Jahr wird der Werkstoff folgenden Medien ausgesetzt:
Wasser, wässrigem Natriumchlorid und wässrigem Calciumchlorid. Zu verschiedenen
Expositionszeiten werden Proben entnommen und statischen Zugversuchen
unterzogen. Die Auslagerung bewirkt eine deutliche Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften,
welche jedoch durch eine Rücktrocknung im Vakuumofen wieder
vollständig hergestellt werden kann.
Mithilfe eines speziell entwickelten Prüfstandes wird der Einfluss von Wasser und Calciumchlorid auf das zyklische Werkstoffverhalten untersucht. Dieser Prüfstand
erlaubt das Besprühen der Proben während eines Dauerschwingversuches. Eine
Reduktion der Lebensdauer aufgrund einer Exposition mit Calciumchlorid kann nicht
nachgewiesen werden. Zur Simulation von dauerhaften Mikro-Steinschlägen wird die
Oberflächenrauheit von Probekörpern künstlich mittels Sandstrahlen erhöht. Sowohl
in den statischen als auch zyklischen Versuchen unter Medieneinfluss kann nur eine
geringe Festigkeitsreduktion ermittelt werden. Dies ist auf die Duktilität des Werkstoffes
und der damit einhergehenden Unempfindlichkeit gegenüber Kerben
zurückzuführen.
Moderne Prozesssimulationen können die Faserverteilung in Bauteilen komplexer
Geometrie noch nicht realitätsnah abbilden, weshalb in dieser Arbeit die
experimentelle Orientierungsanalyse im Mikro-Computertomographen verwendet
wird. Neben Probekörpern wird auch eine komplette Fahrwerkskomponente im
Mikro-Computertomographen analysiert. Die Orientierungsinformationen finden zur
numerischen Beschreibung des Werkstoffverhaltens in der Finite-Elemente-Methode
Verwendung. Eine vollständige statische Werkstoffcharakterisierung dient als
Grundlage für die komplexe Werkstoffmodellierung. Zur Beschreibung des
Lebensdauerverhaltens werden umfangreiche Dauerschwing- und Restfestigkeitsversuche
für unterschiedliche Faserorientierungen und Spannungsverhältnisse
durchgeführt.
Selbstentwickelte Programmroutinen importieren den Faserorientierungstensor jedes
FE-Elementes und definieren in Abhängigkeit der Faserrichtung sowie der
Faseranteile in die jeweilige Richtung das Werkstoffmodell. Eine inkrementelle
Lebensdaueranalyse greift ebenfalls auf selbstentwickelte Routinen zurück und
berechnet die ertragbare Schwingspielzahl unter Berücksichtigung einer zyklischen
Steifigkeitsdegradation hochbelasteter Elemente und damit einhergehenden
Spannungsumlagerungen. Die Routine wird an den zyklisch geprüften Standard-
Probekörpern kalibriert und an der bereits erwähnten Fahrwerkskomponente
validiert. Für unterschiedliche Lastniveaus und Spannungsverhältnisse werden die
Versuchsergebnisse sehr gut durch die entwickelte Berechnungsmethodik
abgebildet. Sowohl die ertragbare Schwingspielzahl als auch das Schadensbild der
Simulation stimmen mit den Versuchen überein.
Due to their superior weight-specific mechanical properties, carbon fibre epoxy composites (CFRP) are commonly used in aviation industry. However, their brittle failure behaviour limits the structural integrity and damage tolerance in case of impact (e.g. tool drop, bird strike, hail strike, ramp collision) or crash events. To ensure sufficient robustness, a minimum skin thickness is therefore prescribed for the fuselage, partially exceeding typical service load requirements from ground or flight manoeuvre load cases. A minimum skin thickness is also required for lightning strike protection purposes and to enable state-of-the-art bolted repair technology. Furthermore, the electrical conductivity of CFRP aircraft structures is insufficient for certain applications; additional metal components are necessary to provide electrical functionality (e.g. metal meshes on the outer skin for lightning strike protection, wires for electrical bonding and grounding, overbraiding of cables to provide electromagnetic shielding). The corresponding penalty weights compromise the lightweight potential that is actually given by the structural performance of CFRP over aluminium alloys.
Former research attempts tried to overcome these deficits by modifying the resin system (e.g. by addition of conductive particles or toughening agents) but could not prove sufficient enhancements. A novel holistic approach is the incorporation of highly conductive and ductile continuous metal fibres into CFRP. The basic idea of this hybrid material concept is to take advantage of both the electrical and mechanical capabilities of the integrated metal fibres in order to simultaneously improve the electrical conductivity and the damage tolerance of the composite. The increased density of the hybrid material is over-compensated by omitting the need for additional electrical system installation items and by the enhanced structural performance, enabling a reduction of the prescribed minimum skin thickness. Advantages over state-of-the-art fibre metal laminates mainly arise from design and processing technology aspects.
In this context, the present work focuses on analysing and optimising the structural and electrical performance of such hybrid composites with shares of metal fibres up to 20 vol.%. Bundles of soft-annealed austenitic steel or copper cladded low carbon steel fibres with filament diameters of 60 or 63 µm are considered. The fibre bundles are distinguished by high elongation at break (32 %) and ultimate tensile strength (900 MPa) or high electrical conductivity (2.4 × 10^7 S/m). Comprehensive researches are carried out on the fibre bundles as well as on unidirectional and multiaxial laminates. Both hybrid composites with homogeneous and accumulated steel fibre arrangement are taken into account. Electrical in-plane conductivity, plain tensile behaviour, suitability for bolted joints as well as impact and perforation performance of the composite are analysed. Additionally, a novel non-destructive testing method based on measurement of deformation-induced phase transformation of the metastable austenitic steel fibres is discussed.
The outcome of the conductivity measurements verifies a correlation of the volume conductivity of the composite with the volume share and the specific electrical resistance of the incorporated metal fibres. Compared to conventional CFRP, the electrical conductivity in parallel to the fibre orientation can be increased by one to two orders of magnitude even for minor percentages of steel fibres. The analysis, however, also discloses the challenge of establishing a sufficient connection to the hybrid composite in order to entirely exploit its electrical conductivity.
In case of plain tensile load, the performance of the hybrid composite is essentially affected by the steel fibre-resin-adhesion as well as the laminate structure. Uniaxial hybrid laminates show brittle, singular failure behaviour. Exhaustive yielding of the embedded steel fibres is confined to the arising fracture gap. The high transverse stiffness of the isotropic metal fibres additionally intensifies strain magnification within the resin under transverse tensile load. This promotes (intralaminar) inter-fibre-failure at minor composite deformation. By contrast, multiaxial hybrid laminates exhibit distinctive damage evolution. After failure initiation, the steel fibres extensively yield and sustain the load-carrying capacity of angularly (e.g. ±45°) aligned CFRP plies. The overall material response is thus not only a simple superimposition but a complex interaction of the mechanical behaviour of the composite’s constituents. As a result of this post-damage performance, an ultimate elongation of over 11 % can be proven for the hybrid laminates analysed in this work. In this context, the influence of the steel fibre-resin adhesion on the failure behaviour of the hybrid composite is explicated by means of an analytical model. Long term exposure to corrosive media has no detrimental effect on the mechanical performance of stainless steel fibre reinforced composites. By trend, water uptake increases the maximum elongation at break of the hybrid laminate.
Moreover, the suitability of CFRP for bolted joints can partially be improved by the integration of steel fibres. While the bearing strength basically remains nearly unaffected, the bypass failure behaviour (ε_{max}: +363 %) as well as the head pull-through resistance (E_{a,BPT}: +81 %) can be enhanced. The improvements primarily concern the load-carrying capacity after failure initiation. Additionally, the integrated ductile steel fibres significantly increase the energy absorption capacity of the laminate in case of progressive bearing failure by up to 63 %.
However, the hybrid composite exhibits a sensitive low velocity/low mass impact behaviour. Compared to conventional CFRP, the damage threshold load of very thin hybrid laminates is lower, making them prone for delamination at minor, non-critical impact energies. At higher energy levels, however, the impact-induced delamination spreads less since most of the impact energy is absorbed by yielding of the ductile metal fibres instead of crack propagation. This structural advantage compared to CFRP gains in importance with increasing impact energy. The plastic deformation of the metastable austenitic steel fibres is accompanied by a phase transformation from paramagnetic γ-austenite to ferromagnetic α’-martensite. This change of the magnetic behaviour can be used to detect and evaluate impacts on the surface of the hybrid composite, which provides a simple non-destructive testing method. In case of low velocity/high mass impact, integration of ductile metal fibres into CFRP enables to address spacious areas of the laminate for energy absorption purposes. As a consequence, the perforation resistance of the hybrid composite is significantly enhanced; by addition of approximately 20 vol.% of stainless steel fibres, the perforation strength can be increased by 61 %, while the maximum energy absorption capacity rises by 194 %.
Following the ideas presented in Dahlhaus (2000) and Dahlhaus and Sahm (2000) for time series, we build a Whittle-type approximation of the Gaussian likelihood for locally stationary random fields. To achieve this goal, we extend a Szegö-type formula, for the multidimensional and local stationary case and secondly we derived a set of matrix approximations using elements of the spectral theory of stochastic processes. The minimization of the Whittle likelihood leads to the so-called Whittle estimator \(\widehat{\theta}_{T}\). For the sake of simplicity we assume known mean (without loss of generality zero mean), and hence \(\widehat{\theta}_{T}\) estimates the parameter vector of the covariance matrix \(\Sigma_{\theta}\).
We investigate the asymptotic properties of the Whittle estimate, in particular uniform convergence of the likelihoods, and consistency and Gaussianity of the estimator. A main point is a detailed analysis of the asymptotic bias which is considerably more difficult for random fields than for time series. Furthemore, we prove in case of model misspecification that the minimum of our Whittle likelihood still converges, where the limit is the minimum of the Kullback-Leibler information divergence.
Finally, we evaluate the performance of the Whittle estimator through computational simulations and estimation of conditional autoregressive models, and a real data application.
Computational simulations run on large supercomputers balance their outputs with the need of the scientist and the capability of the machine. Persistent storage is typically expensive and slow, its peformance grows at a slower rate than the processing power of the machine. This forces scientists to be practical about the size and frequency of the simulation outputs that can be later analyzed to understand the simulation states. Flexibility in the trade-offs of flexibilty and accessibility of the outputs of the simulations are critical the success of scientists using the supercomputers to understand their science. In situ transformations of the simulation state to be persistently stored is the focus of this dissertation.
The extreme size and parallelism of simulations can cause challenges for visualization and data analysis. This is coupled with the need to accept pre partitioned data into the analysis algorithms, which is not always well oriented toward existing software infrastructures. The work in this dissertation is focused on improving current work flows and software to accept data as it is, and efficiently produce smaller, more information rich data, for persistent storage that is easily consumed by end-user scientists. I attack this problem from both a theoretical and practical basis, by managing completely raw data to quantities of information dense visualizations and study methods for managing both the creation and persistence of data products from large scale simulations.
In this thesis we address two instances of duality in commutative algebra.
In the first part, we consider value semigroups of non irreducible singular algebraic curves
and their fractional ideals. These are submonoids of Z^n closed under minima, with a conductor and which fulfill special compatibility properties on their elements. Subsets of Z^n
fulfilling these three conditions are known in the literature as good semigroups and their ideals, and their class strictly contains the class of value semigroup ideals. We examine
good semigroups both independently and in relation with their algebraic counterpart. In the combinatoric setting, we define the concept of good system of generators, and we
show that minimal good systems of generators are unique. In relation with the algebra side, we give an intrinsic definition of canonical semigroup ideals, which yields a duality
on good semigroup ideals. We prove that this semigroup duality is compatible with the Cohen-Macaulay duality under taking values. Finally, using the duality on good semigroup ideals, we show a symmetry of the Poincaré series of good semigroups with special properties.
In the second part, we treat Macaulay’s inverse system, a one-to-one correspondence
which is a particular case of Matlis duality and an effective method to construct Artinian k-algebras with chosen socle type. Recently, Elias and Rossi gave the structure of the inverse system of positive dimensional Gorenstein k-algebras. We extend their result by establishing a one-to-one correspondence between positive dimensional level k-algebras and certain submodules of the divided power ring. We give several examples to illustrate
our result.
The present situation of control engineering in the context of automated production can be described as a tension field between its desired outcome and its actual consideration. On the one hand, the share of control engineering compared to the other engineering domains has significantly increased within the last decades due to rising automation degrees of production processes and equipment. On the other hand, the control engineering domain is still underrepresented within the production engineering process. Another limiting factor constitutes a lack of methods and tools to decrease the amount of software engineering efforts and to permit the development of innovative automation applications that ideally support the business requirements.
This thesis addresses this challenging situation by means of the development of a new control engineering methodology. The foundation is built by concepts from computer science to promote structuring and abstraction mechanisms for the software development. In this context, the key sources for this thesis are the paradigm of Service-oriented Architecture and concepts from Model-driven Engineering. To mold these concepts into an integrated engineering procedure, ideas from Systems Engineering are applied. The overall objective is to develop an engineering methodology to improve the efficiency of control engineering by a higher adaptability of control software and decreased programming efforts by reuse.
Eine nachfrageorientierte und bedarfsgerechte Stadtplanung muss im Sinne
der Ordnung und Leitung der baulichen und sonstigen Nutzung des Bodens
unterschiedliche Flächenansprüche von Zielgruppen berücksichtigen, um
eine wechselseitige und verträgliche Zuordnung von Nutzungen zu erreichen.
Eine bedarfsgerechte Ausweisung von Wohnbauland erfordert es im
Sinne einer nachhaltigen Planung zu wissen, wo und wie die Menschen
wohnen wollen, wie ihre Präferenzen hinsichtlich Investitionsentscheidungen
(Miete oder Kauf) sowie deren quantitativen und qualitativen Anforderungen
an Wohnstandorte (Wohnung und Wohnumfeld) zu beurteilen sind.
Aus planungswissenschaftlicher Sicht sind im Rahmen der Wohnbaulandentwicklung
quantitative, qualitative und prozessuale Defizite von planungspraktischer
Relevanz identifizierbar, die sich – ausgehend von den Phasen
der Bedarfsermittlung über die Standortfindung und Bauleitplanung bis hin
zur baulichen Realisierung (Erschließung und Hochbau) – prozessübergreifend
erstrecken. So werden insbesondere qualitative Aspekte in diesen Prozessschritten
nicht gänzlich und zusammenhängend berücksichtigt, obwohl
qualitative Indikatoren bei der Wohnstandortentscheidung – im Sinne einer
sozialverträglichen, bestands- als auch nachfrageorientierten Stadtplanung
– eine immer stärkere Bedeutung erfahren.
Die Erkenntnisse aus der mikrogeographischen Milieu-Forschung – betrachtet
wird in der vorliegenden Arbeit primär das Sinus-Milieu-Modell® –
liefern Indizien für die zu erwartende quantitative und qualitative raumbezogene
Nachfrage einer heterogenen Stadtgesellschaft. Daher wird ein wissenschaftlicher
und planungspraktischer Mehrwert untersucht, der die Erkenntnisse
der Sinus-Milieu®-Forschung verwendet und im Sinne eines strategischen
Gesamtansatzes für Planungsprozesse nutzbar macht.
Anhand des Modellansatzes wird aufgezeigt, wie ganzheitlich
Planungs-, Realisierungs-, Vermarktungs- und Betriebsprozesse in Wohnquartieren
zielgruppenspezifisch und nachfrageorientiert gestaltet werden
können. Hierbei wird eine quantitative und qualitative Untersuchung durchgeführt,
die theoretische und anwendungsorientierte Erkenntnisse der Sinus-
Milieu®-Forschung im Kontext der Wohnbaulandentwicklung aus wissenschaftlichen
Erkenntnissen und Praxisprojekten adaptiert und in einem Optimierungsleitfaden
zur zielgruppenspezifischen Wohnbaulandausweisung
vereint. Darüber hinaus werden wohnstandort-, baugrundstücks-, wohngebäude-,
wohnungs- und planungsprozessual-bezogene Wohnqualitätskriterien
definiert, die als Orientierungsrahmen für zielgruppenspezifische
Wohnbaulandstrategien zu Grunde gelegt werden können.
Diese Erkenntnisse sind aus planungswissenschaftlicher Sicht mit einem planungspraktischen
Nutzen im Kontext der Wohnbaulandentwicklung anzusehen.
Das Vorgehen basiert auf der breiten Datenbasis der microm
GmbH, milieuspezifische und räumlicher Parameter werden für den Untersuchungsraum
in einem Sozialraumdiagramm eingeordnet. Das Instrument
der Sozialraumanalyse liegt dem Modellansatz zu Grunde und wird anhand
der Demonstrator-Kommune Stadt Kaiserslautern erforscht.