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In der vorliegenden Arbeit wurde ein glasfaserverstärkter Rotor für einen Elektromotor
entwickelt, welcher bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden
soll. Ziel ist eine kostengünstige Serienversion des Motors auf Basis eines bereits
bestehenden Baumusters. Im Wesentlichen waren dabei zwei Anforderungsfelder zu
erfüllen.
Als erstes mussten Verformungsrestriktionen unter Betriebslast eingehalten werden.
Es wurde ein Finite-Elemente-(FE-) Modell erstellt, wobei eine Schnittstelle zwischen
der Prozesssimulation der Fertigung und dem FE-Modell geschrieben wurde, um die
Informationen zum Lagenaufbau zu transferieren. Sowohl in der Analytik als auch in
der numerischen Simulation hat sich gezeigt, dass bei der im Betrieb auftretenden
Fliehkraft die gewünschte Verformung nur mit Hilfe der zu verwendenden Glasfaser
nicht eingehalten werden kann. Daraufhin wurde ein Konzept entwickelt, um die
Verformung mittels einer adaptiven Steuerung mit Formgedächtnislegierungen zu
begrenzen. Zunächst wurden Konzepte entwickelt, wie die Formgedächtnislegierung
in Drahtform an den Rotor angebunden werden kann. Die Konzepte wurden experimentell
überprüft, wobei gleichzeitig das Verhalten der Formgedächtnislegierung
ermittelt wurde, um daraus ein numerisches Simulationsmodell zu entwickeln,
welches mit dem Modell des Rotors verknüpft wurde. Dabei zeigte sich, dass dieses
Konzept das Verformungsverhalten positiv beeinflusst und in Abhängigkeit von der
verwendeten Menge die Verformungsrestriktion eingehalten werden kann.
Als zweites Anforderungsfeld wurde die Lasteinleitung zwischen dem Rotor und der
Abtriebswelle ausgelegt. Dafür wurde ein Konzept für eine Verschraubung als
Sonderform einer Bolzenverbindung erarbeitet, bei denen ein Gewinde in der
dickwandigen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK-) Struktur des Rotors mittels insitu-
Herstellung eingebracht wird. Um die Vor- und Nachteile eines solchen geformten
Gewindes gegenüber einer geschnittenen Variante zu ermitteln, wurden umfangreiche
quasistatische Versuche und zyklische Lebensdauerversuche an zwei verschiedenen
Laminaten und zwei verschiedenen Gewindetypen durchgeführt. Gemessen
wurde jeweils die (Ermüdungs-) Festigkeit bei axialer Kraft und bei Scherkraft.
Dabei zeigte sich, dass bei quasistatischer axialer Belastung die geformten
Gewinde im Mittel eine geringere Festigkeit aufweisen als die geschnittene Variante.Bei der für den Anwendungsfall relevanteren Scherbelastung konnten im Mittel
jedoch Festigkeitssteigerungen gemessen werden. Bei der Ermüdungsfestigkeit
waren die Vorteile abhängig von dem geprüften Lastniveau. Die Wöhlerlinien bei den
geformten Gewinden haben im Mittel einen deutlich flacheren Verlauf. Für die
meisten Vergleichspaare bedeutet dies, dass die geschnittene Variante bei sehr
hohen Lastniveaus beim Einstufenversuch eine größere Versagensschwingspielzahl
erreicht als die geformte Variante. Bei Verringerung der Last haben ab einem
individuellen Kreuzungspunkt jedoch die geformten Gewinde eine größere Schwingspielzahl
erreicht.
Abschließend wurde ein voll parametrisches numerisches Einheitszellen-Modell
erstellt, welches sowohl die geformten als auch die geschnittenen Gewinde abbilden
kann. Hierbei wurden auch Degradationsmodelle integriert, die ein verändertes
Werkstoffverhalten nach dem Auftreten insbesondere von Zwischenfaserbrüchen
und Delaminationen abbilden sollen. Validiert wurden die Modelle, indem die quasistatischen
Versuche nachgebildet wurden und die globale Verformung mit den
optischen Messungen aus den Versuchsreihen verglichen wurden. Dabei zeigte sich
eine gute Übereinstimmung bis relativ nah an die Schraube heran. In diesem Bereich
war die Simulation minimal zu steif, was auf eine noch nicht ausreichende Degradation
in der Simulation hindeutet.
In this study a GFRP rotor of an electric engine is developed. The engine shall be
used in electric drive trains in cars. Major aim of the study is to develop a low-cost
version of an existing prototype for serial production with a relatively high output of at
least 50.000 units per annum. Two main aims must be achieved.
First of all, the structural deformation must be limited under operating load. To predict
the deformation, a finite element model was set up. To import the lay-up information
from a filament winding process simulation software into the FE-model, a compilertool
was written. The numerical simulation and an analytical calculation have shown
that the GFRP-laminate alone is not able to limit the radial deformation caused by
centrifugal force under rotation. So a different approach was developed, using an
adaptive control with shape memory alloys. For this, a concept was investigated, how
the shape memory alloy wires can be attached on the GFRP structure. The strengths
of the different concepts were measured experimentally and simultaneously the
force-temperature behavior of the wire was investigated. Out of these empirical
studies, a material model of the shape memory alloys for the numerical simulation
was developed and combined with the existing simulation model of the rotor. The
simulation showed that the shape memory alloys can be used to decrease the radial
deformation below the given limits.
The second main requirement was to develop a proper load transfer from the metallic
output shaft into the GFRP rotor. For serial rotor production with a high output, the
direct forming of threads in the thick-walled GFRP was investigated. The direct
forming of threads reduces the manufacturing costs by avoiding wear of drilling and
cutting tools, although with a slight increase of tooling costs which are less relevant
due to the economies of scale of high output manufacturing processes as the
filament winding process. In this study the mechanical behavior of directly formed
threads was compared to conventionally tapped threads. Two different GFRP
laminate layups were investigated, a cross-ply-laminate and a quasi-isotropic
laminate, both with a thickness of approximately 12 mm, impregnated with epoxy
resin. A standard metrical thread and a more coarse thread were also compared,
both with an outer diameter of 8 mm. Two different tests were investigated: a pullout
test of the screw perpendicular to the laminate and a bearing-pull-through-test in the
laminate plane.
The quasi static test results show differences in fracture behavior, but in general very
good strength and stiffness behavior compared to conventionally cut threads in thickwalled
GFRP. The deformations of the surface of the GFRP laminates during the
tests were measured with a three dimensional digital image correlation system. The
measured deformations were used to validate the numerical simulations of the tests.
These simulations were parametrical built up in order to adapt them easily to other
application cases. They use a degradation mechanism to simulate the connection
behavior very close to the total fraction and show a very good correlation to the
experimental results.
As a second step, the fatigue behavior of the connection was also investigated. To
compare the cyclic performance of the formed and cut threads for both kinds of tests,
for both laminates and both threads - the metric and the coarse ones -, Woehler
diagrams with a load aspect ratio of R=0.1 were measured. Especially the high cycle
fatigue behavior with a relatively low maximum load, as commonly used in a real
structure, improves a lot when forming the threads.
At last a full parametrical numerical model of the laminate with both the formed and the cut thread was generated. Also algorithms for material degradation were integrated.
They can represent the behavior of the material after the appearance of inter
fiber failures or delamination. The validation of the numerical model was achieved by
remodeling the experimental tests and comparing the global deformation of the
model with the optical measurement of the quasi static tests. The deformation of the
simulation was very congruent to the tests, only very close to the screw the simulation
shows a slightly more stiff behavior. This indicates a not sufficient degradation of
the simulation due to damage effects in the material.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind in der Luftfahrt etabliert, wohingegen andere
Branchen diese aufgrund der hohen Kosten nur zögerlich einsetzen. Die hohen Betriebskosten
von Flugzeugen, die sich vorrangig durch Leichtbau reduzieren lassen,
erlauben kostenintensivere Lösungen als die Kostenstrukturen in anderen Branchen.
Die Mehrkosten sind neben dem Leichtbau der entscheidende Faktor für den Einsatz
von FKV-Strukturen außerhalb der Luftfahrtbranche. Während in der Luftfahrtbranche
üblicherweise Niete zur Krafteinleitung eingesetzt werden und diese nur eine
Demontage eines Bauteils durch Aufbohren zulassen, genügen Niete den Ansprüchen
anderer Branchen nicht, da ein hoher Demontageaufwand durch das Aufbohren
hohe Kosten mit sich zieht. Aus diesem Grund erfordert es preisgünstige und qualitative
Lösungen, die eine lösbare Verbindung ermöglichen. In den meisten Branchen
werden daher, im Gegensatz zur Luftfahrt, traditionell reibschlüssige Schraubenverbindungen
für metallische Bauteile verwendet. Für reibschlüssige Schraubenverbindungen,
die zur Krafteinleitung in FKV-Strukturen genutzt werden, sind dem Stand
der Forschung nach kaum Erkenntnisse vorhanden.
Daher ist es Gegenstand dieser Arbeit aufzuzeigen, wie durch eine Erhöhung des
Reibwerts bei reibschlüssigen Krafteinleitungen in FKV-Bauteilen eine Verbesserung
der statischen und zyklischen Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann. Um den
zuverlässigen Einsatz von reibschlüssigen Schraubenverbindungen zu ermöglichen,
werden außerdem die maximal zulässige Flächenpressung und der Vorspannkraftverlust
an FKV-Proben ermittelt. Dabei bilden experimentelle Ergebnisse eine Basis,
anhand derer aufgezeigt wird, inwieweit analytische Modelle genutzt werden können,um die reibschlüssige Krafteinleitung in FKV abzubilden.
Zunächst wird der Haftreibwert zwischen Stahl und FKV experimentell untersucht,
um Konzepte zur Steigerung des Reibwerts zu quantifizieren. Durch die experimentelle
Ermittlung einer maximal zulässigen Flächenpressung für die verwendeten FKVMaterialien
werden Schädigungen infolge zu hoher Vorspannkräfte vermieden. Dazu
werden FKV- Proben mit einem Stempel belastet und mit Hilfe der Schallemissionsmethode
Schädigungen detektiert, zu dem Zweck eine Belastungsgrenze zu definieren. Versuche zur Bestimmung des Vorspannkraftverlusts an FKV-Proben zeigen,
dass die Vorspannkraft durch Setzen und Kriechen zwar reduziert wird, dies aber in
vertretbarem Maße. Darüber hinaus lässt sich in den Versuchen beobachten, dass
das Setzen deutlich von der Oberflächenbeschaffenheit bestimmt wird. Um die Einflüsse
des Matrixwerkstoffs, des Reibwerts, der Passung und der Vorspannkraft auf
die Kraftübertragung in der Schraubverbindung zu prüfen, werden außerdem
doppellaschige Zugscherversuche durchgeführt.
An geklemmten FKV-Bauteilen im Fahrradbau lassen sich Defizite bei der Auslegung
dieser Bauteile und ihrer Anbindungstechnologie feststellen. Da der Verbindung zwischen
Vorbau und Gabelschaft besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zukommt,
wird eine marktübliche Gabelschaft-Vorbau-Klemmung im Rahmen dieser Arbeit experimentell
und numerisch auf die Belastungen durch die Montage sowie im Betrieb
untersucht. Es kann dargelegt werden, dass ein komplexer Belastungszustand in der
genannten Klemmverbindung vorliegt, der numerisch abgebildet werden kann. Auf
Basis des validierten Finite-Element-Modells kann gezeigt werden, dass die Steigerung
des Reibwerts ein deutliches Potential aufweist um die Werkstoffanstrengung
zu reduzieren. Zur experimentellen Absicherung dieser Beobachtung, werden quasistatische
und zyklische Untersuchungen an Vorbau-Gabelschaft-Baugruppen durchgeführt,
bei denen der Reibwert durch die Applikation von Schmierfett und
Carbonmontagepaste variiert wird. Durch die Verwendung von Carbonmontagepaste
bzw. bei einem höheren Reibwert steigt sowohl die quasi-statische Festigkeit als
auch die Lebensdauer im Vergleich zum Einsatz von Schmierfett deutlich an.
Fiber reinforced plastics (FRP) are well established materials in the aviation industry,
whereas in other industries these materials are not yet this commonly used due to
the comparatively high costs. The high operating costs of aircrafts can be reduced
primarily through lightweight design, which allows the choice of more expensive solutions
than in other industries. The additional costs are beside the weight savings the
deciding factor for the use of FRP structures beyond the aviation sector. Since normally
rivets are used in the aviation industry to join components, the dismantling of
these riveted structures needs drilling. Hence rivets are insufficient for the demands
of other sectors due to the high disassembly costs caused by the high disassembly
effort. For this reason affordable solutions that permit an easy disassembly procedure
are essential for a wider application of FRP structures. Therefore – in most sectors
– preloaded bolted joints are used for the assembly of metallic components, in
contrast to aviation. For preloaded bolted joints in combination with FRP structures
almost no information is available by the current state of scientific knowledge
Therefore in this work it is investigated how an improvement of the static and cyclic
connection strength can be achieved by increasing the coefficient of friction at preloaded
bolted joints on FRP components. To enable a reliable application of preloaded
bolted joints the maximum allowable surface pressure and the loss of the preload
force of FRP specimens are determined. Therefore experimental results provide the
basis to study if analytical computation can be used to describe bolted joints on FRP
structures.
The coefficient of friction between steel and FRP is experimentally investigated in
order to quantify concepts that aim to increase the coefficient of friction. An experimental
determination of the maximum permissible surface pressure of the used FRP
materials avoids damage by excessive bolt preload. Therefore FRP specimens are
tested and a simultaneous detection of damage is performed by using the acoustic
emission method.
An experimentalinvestigation of the loss of bolt preload shows that the preload is
reduced by embedding and material relaxation but in an acceptable manner. In addition it can be observed that the embedding of the contact surfaces is significantly dependent
on the surface condition of the specimens. To analyze the influence of the
matrix material, the coefficient of friction, the clearance and the bolt preload to a bolted
joint, double lap tensile shear tests are performed.
Clamped FRP components used on bicycles show shortcomings in the design of these
components and their connection technology. Since the connection between stem
and steerer has a significant impact on safety, a standard stem/steerer connection is
investigated both experimentally and numerically considering the stresses during the
assembling as well as during operation. It can be demonstrated that this connection
has a complex load condition and a finite element analysis can describe this connection
sufficiently. Based on the validated finite element model it can be shown that an
increasing coefficient of friction has a significant potential for the reduction of the material
effort of the FRP steerer.
To validate these theoretical observations, quasi-static and cyclic tests on
stem/steerer assemblies are carried out. Thereby the coefficient of friction is varied
by the application of grease and carbon assembly paste. By the use of carbon assembly
paste (high coefficient of friction) both the quasi-static strength as well as the
operating life increases in comparison to the use of grease (low coefficient of friction).
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden durch Harzinjektionsverfahren
wird ein textiler Vorformling, die Preform, mit einem Harzsystem imprägniert und
anschließend ausgehärtet. Die Erzeugung der Preform, auch Preforming genannt,
beinhaltet dabei eine Vielzahl an Arbeitsschritten, welche maßgeblich die Kosten des
herzustellenden Bauteils bestimmen. Die Automatisierung des Preformings birgt
daher ein enorm hohes Potential zur Kostenreduzierung. Im Rahmen dieser Arbeit
wurde deshalb ein neues Preforming System entwickelt, welches die kontinuierliche
Herstellung von Profil-Preforms aus textilen Halbzeugen ermöglicht. Erstmalig wurde
dabei zur kontinuierlichen Fixierung die Nähtechnik verwendet, welche ein energieund
zeiteffizientes Preforming zulässt. Allerdings hat sich bei der Herstellung von
Profil-Preforms mit unterschiedlichen textilen Halbzeugen gezeigt, dass die maximal
erreichbare Prozessgeschwindigkeit ohne relative Textilschädigung variiert. Ursache
hierfür ist das Textilverhalten während der Formgebung. Durch die Wahl geeigneter
Material- und Prozessparameter besteht allerdings ein hohes Potential, einen
Preforming Prozess zu optimieren. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Richtlinien
für Material- und Prozessparameter zu entwickeln, die sowohl eine robuste als auch
effiziente Preformherstellung ermöglichen.
Als kritische Textileigenschaften wurden das Kompaktierungs-, das Reibungs- und
das Biegeverhalten identifiziert. Diese wurden in separaten Parameterstudien
hinsichtlich der Auswirkungen von Materialparametern (z. B. Bindungsart) und
Prozessparametern (z. B. Prozessgeschwindigkeit) untersucht. Die Ergebnisse
konnten anschließend in Richtlinien zusammengefasst werden, welche für eine
prozessorientierte Materialauswahl oder für Prozessmodifikationen beim Preforming
genutzt werden können. Bei der Übertragung auf einen Preforming Prozess muss
jedoch berücksichtigt werden, dass sich Effekte verursacht durch Kompaktierung,
Reibung und Biegung in Abhängigkeit des Faservolumengehaltes der Preforms
überlagern können. Daher wurden anhand einer weiteren Studie dominierende
Textileigenschaften in Abhängigkeit des Ziel-FVG der Profil-Preforms beim
entwickelten Preforming Prozess identifiziert. Abschließend wurden die entwickelten
Richtlinien verifiziert, indem sowohl eine prozessorientierte Materialauswahl als auch
prozessseitig eine Vorkompaktierungseinheit validiert wurden.
The main theme of this thesis is the interplay between algebraic and tropical intersection
theory, especially in the context of enumerative geometry. We begin by exploiting
well-known results about tropicalizations of subvarieties of algebraic tori to give a
simple proof of Nishinou and Siebert’s correspondence theorem for rational curves
through given points in toric varieties. Afterwards, we extend this correspondence
by additionally allowing intersections with psi-classes. We do this by constructing
a tropicalization map for cycle classes on toroidal embeddings. It maps algebraic
cycle classes to elements of the Chow group of the cone complex of the toroidal
embedding, that is to weighted polyhedral complexes, which are balanced with respect
to an appropriate map to a vector space, modulo a naturally defined equivalence relation.
We then show that tropicalization respects basic intersection-theoretic operations like
intersections with boundary divisors and apply this to the appropriate moduli spaces
to obtain our correspondence theorem.
Trying to apply similar methods in higher genera inevitably confronts us with moduli
spaces which are not toroidal. This motivates the last part of this thesis, where we
construct tropicalizations of cycles on fine logarithmic schemes. The logarithmic point of
view also motivates our interpretation of tropical intersection theory as the dualization
of the intersection theory of Kato fans. This duality gives a new perspective on the
tropicalization map; namely, as the dualization of a pull-back via the characteristic
morphism of a logarithmic scheme.
Der Anteil von Komponenten aus Faserkunststoffverbunden (FKV) ist in den vergangenen
Jahren speziell in den leichtbaugetriebenen Branchen stetig gestiegen, da der
Einsatz von FKV die Möglichkeit bietet, eine Gewichtsreduktion gegenüber Ausführungen
mit klassischen Metallwerkstoffen zu erzielen. Eine optimale Ausnutzung der
Vorteile von FKV kann jedoch nur durch faserkunststoffgerechte konstruktive Lösungen,
für die bisherige Ausführungen in Frage gestellt werden müssen, erreicht werden.
Nicht nur Materialien und Bauweisen für lasttragende Strukturen sind zu überdenken,
auch bisherige Lösungsansätze zur Realisierung aktorischer Funktionen, die
einen wesentlichen Teil vieler Produkte ausmachen, müssen hinterfragt werden.
Klassische diskret angeschlossene Aktoren können in diesem Zuge durch neuartige
Festkörperaktoren wie z.B. Formgedächtnislegierungen oder Piezokeramiken substituiert
werden. Durch den differenziellen Aufbau der FKV ist die direkte Integration
aktiver Formgedächtnislegierungen (engl. Shape Memory Alloys (SMA)) möglich und
es ergibt sich ein neues FKV-gerechtes Aktorikprinzip, welches eine material- und
flächenintegrierte Aktorik bietet. Wesentliche, bisher ungelöste Fragestellungen aktiver
SMA-FKV-Hybridverbunde werden in der vorliegenden Arbeit detailliert beleuchtet
und neue Lösungsansätze ausgearbeitet, um für einen zukünftigen industriellen
Einsatz die grundlegenden Voraussetzungen zu schaffen.
Um ein ganzheitliches Vorgehen zu gewährleisten, müssen offene Fragestellungen
im Bereich der Herstellung und simulativen Auslegung beantwortet werden. Die zentralen Fragen sind:
- Herstellung: Wie können zuverlässige aktive SMA-FKV-Hybridverbunde reproduzierbar
hergestellt werden?
- Simulation: Wie können aktive Komponenten aus SMA-FKV-Hybridverbund
auf Bauteilebene effizient ausgelegt werden?
Die Integrationsmethode des Herstellungsprozesses muss möglichst effizient die
Aufgaben Kraftübertragung zwischen SMA und FKV, elektronische Kontaktierung und Handling erfüllen. Dies wird mit einem innovativen Konzept, welches bei der
Kraftübertragung auf mechanische Verankerungen zwischen SMA-Elementen und
umgebendem FKV setzt, erreicht. Durch den Einsatz eines geschweißten SMAGitters
und lokal faserverstärkter Bereiche können die erforderlichen Aktorspannungen
übertragen werden. Weiterhin gewährleistet ein vorgefertigte SMA-Gitter einen
flexiblen Herstellungsprozess und ein reproduzierbares Herstellungsergebnis.
Zur Konzipierung einer optimalen Prozesstemperaturführung sind komplexe Randbedingungen
und auf den ersten Blick widersprüchliche Anforderungen aus den
etablierten Herstellungsprozessen von FKV-Materialien und dem thermisch sensiblen
SMA-Materialverhalten zu berücksichtigen. Eine Kalthärtung im ersten Schritt der
Hybridverbundherstellung aus duromerem FKV und SMA-Gitter erlaubt einen Verzicht
auf aufwendige Vorrichtungen zur Unterdrückung einer vorzeitigen Verformung
der SMA-Elemente. Eine weitere angepasste Temperung zur Erhöhung der Vernetzungsdichte
des duromeren Polymers verbessert die Leistungsfähigkeit zusätzlich,
wodurch die maximale Spitzenauslenkung (ohne äußere Last) bezogen auf die aktive
Länge einer Hybridstruktur von anfänglich 17 % auf mehr als 60 % gesteigert werden
kann.
Um eine simulative Abbildung dieser SMA-FKV-Hybridverbunde zur Auslegung aktiver
Komponenten einsetzen zu können, muss die Modellierung die notwendige Genauigkeit
liefern und effizient auf Bauteilskala einsetzbar sein. Das entwickelte Zustandslinien-
Modell des SMA-Materials wird diesen Anforderungen durch die Fokussierung
auf den Aktorikeffekt gerecht. Vorhergesagt werden kann damit der „aufgeheizte“
und „abgekühlte“ Zustand von Ein- und Zwei-Weg-Effekt-Materialien. Der Einfluss
der Steifigkeit der zu verformenden FKV-Komponente wird durch eine anwendungsnahe
Charakterisierung erfasst und fließt durch die analytische Beschreibung
der Zusammenhänge in das Modell ein. Konkrete Kennwerte stehen für ein Zwei-
Weg-Effekt-Material und zwei Ein-Weg-Effekt-Materialien mit unterschiedlicher Umwandlungstemperatur
und individueller Vordehnung (1,8 bis 6,3 %) zur Verfügung.
Durch die Beschreibung der gesamten Hybridverbunde mittels homogenisierter
Schalen in der Finiten-Elemente-Methode (FEM) kann auf die Abbildung der realen mikroskopischen Geometrie verzichtet werden und die Auslegung ganzer Komponenten
aus aktivem SMA-FKV-Hybridverbund wird ermöglicht.
Im Zuge der Validierung wird das experimentell bestimmte Aktorikverhalten mit der
simulativen Vorhersage abgeglichen. Da dieser Validierung die entwickelten Lösungen
in den Bereichen Herstellung und Simulation zugrunde liegen, verifiziert die erfolgreiche
Validierung die Anwendbarkeit der entwickelten Gesamtmethodik. Eine
gute Übereinstimmung kann bei Coupontests für Vordehnungen von bis zu 3 % sowie
für teilaktivierte Zustände der SMA-Elemente festgestellt werden.
Um zu verdeutlichen, wieso und unter welchen Randbindungen der Einsatz aktiver
SMA-FKV-Hybridverbunde technisch sinnvoll sein kann, werden verschiedene neuartige
Anwendungskonzepte beschrieben. Die wesentlichen Vorteile eines aktiven Hybridverbundes
gegenüber klassischer Aktorik-Struktur-Kombinationen werden durch
die abschließende Entwicklung eines aerodynamischen Profils als Demonstrator hervorgehoben.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- Stark reduzierte Bauraumanforderungen
- Geringes Systemgewicht
- Große Designfreiheit
- Geschlossene kontinuierliche Oberfläche
- Geringer Montageaufwand
Der Demonstrator verdeutlicht außerdem, wie es mit den Ergebnissen dieser Arbeit
möglich ist, aktive Bauteile aus SMA-FKV-Hybridverbund im Hinblick auf eine konkrete
Anwendung systematisch und rechnergestützt auszulegen. Durch die entwickelte
Herstellungsmethodik können diese Hybridverbunde mit hoher Leistungsfähigkeit
bei minimalem Bauraum und geringer zusätzlicher Masse in reproduzierbarer
Qualität gefertigt werden. Neue innovative Funktionen, die sich nicht im Rahmen
klassischer Aktorikprinzipien realisieren lassen, werden umsetzbar und ermöglichen
signifikante Wertsteigerungen diverser Produkte.
Bedingt durch den Zusammenstoß zweier Objekte im Crashlastfall existieren im Bereich
des Güter- und Personentransports eine Vielzahl an Konzepten und Mechanismen
für einen kontrollierten Abbau der kinetischen Impactenergie unter äußerer
Druckbelastung. Im Gegensatz dazu ist der Wissensstand für eine Energieabsorption
unter äußerer Zugbelastung vergleichsweise gering. Für den Anwendungsfall in einer
modernen Flugzeugrumpfstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK),
deren Crashkinematik eine Integration von zugbelasteten Energieabsorberelementen
ermöglicht, liefert diese Arbeit sowohl eine Entscheidungsgrundlage für eine Vorauswahl
durch einen methodischen Vergleich zugbelasteter Absorberkonzepte als
auch Methoden für eine Vorauslegung entsprechender Absorberelemente.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vielzahl möglicher, zugbelasteter Energieabsorberkonzepte
erarbeitet und detailliert untersucht. Die Bewertung der Absorberkonzepte
unter den Gesichtspunkten Leichtbaupotenzial (Gewicht, Integrationsmöglichkeiten),
Robustheit und Funktionsweise erfolgt anhand charakteristischer Absorberkennwerte,
wie gewichtsspezifische Energieabsorption, effektive Geometrie- und
Lastausnutzung, Lastschwankung sowie Einfluss von Temperatur und Lastrate auf das Energieabsorptionsvermögen. Dabei lassen sich die Absorberkonzepte in die
Kategorien Materialien und Strukturen unter globaler Zugbelastung unterteilen.
Auf Materialebene, welche die unterste Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung darstellt, wird das Energieabsorptionsvermögen typischer
Leichtbauwerkstoffe unter Zugbelastung bestimmt. Der zugrunde liegende Energieabsorptionsmechanismus
der plastischen Deformation von Materialien bietet aufgrund
der vergleichsweise einfachen konstruktiven Lösung ein hohes Leichtbaupotenzial.
Hauptnachteil ist jedoch die fehlende Einstellbarkeit sowie die direkte Abhängigkeit
der Absorbercharakteristik vom mechanischen Verhalten der betrachteten
Werkstoffklasse, was sich, bedingt durch die Bruchdehnung, bei gegebenem Bauraum
in der Beschränkung der maximalen Absorptionslänge widerspiegelt.
Die Strukturebene bildet eine weitere Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung. Hier werden Absorberelemente unter globaler Zugbelastung
sowie unter lokaler Druckbelastung, die über eine entsprechende Lastumleitung in
eine globale Zugbelastung überführt werden kann, untersucht. Letztere bieten jedoch
nur für den Fall einer Integration in vorhandene Strukturen ein ausreichend hohes Leichtbaupotenzial, um mit Materialien oder rein zugbelasteten Absorberelementen
zu konkurrieren. Im Vergleich zu einfachen Materialien unter Zugbelastung zeichnen
sich Absorberelemente auf Strukturebene durch eine generelle Einstellbarkeit der
Absorbercharakteristik sowie eine höhere Flexibilität in der Auslegung aus.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung eines Energieabsorberkonzepts
basierend auf dem progressiven Lochleibungsversagen von Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV), das sich nicht nur durch eine hohe gewichtsspezifische Energieabsorption,
sondern auch durch eine annähernd ideale Absorbercharakteristik sowie
eine potenzielle Integration in eine Nietverbindung der betrachteten Flugzeugrumpfstruktur
aus CFK auszeichnet. Vor dem Hintergrund der Vorauslegung dieses Absorberelements
werden der Einfluss des Faser- und Matrixmaterials, der Faserorientierung
und -architektur, der Lastrate (200 mm/min bis 3 m/s) und Temperatur
(-20 °C bis 60 °C) sowie geometrischer Parameter wi e Plattendicke und Bolzendurchmesser
in einer experimentellen Studie analysiert. Für spröde FKV stellt sich
ein kontrolliert ablaufendes progressives Versagen als Kombination aus Transversalschub
und Laminatbiegung ein. Die Bildung eines Fragmentkeils vor dem Bolzen begünstigt
zudem den Anteil der Reibung an der Gesamtenergieabsorption.
Auf Basis der experimentellen Daten wird ein analytischer Ansatz zur Vorhersage der
sich einstellenden mittleren Deformationskraft entwickelt. Dieser vereinfachte, energetische
Ansatz ermöglicht unter Verwendung materieller (Biegefestigkeit, Reibungseigenschaften,
intra- und interlaminare Bruchenergie) sowie geometrischer
(Fragmentkeil) Parameter den linearen Zusammenhang zwischen mittlerer Deformationskraft
und Bolzendurchmesser bzw. den nichtlinearen Zusammenhang zwischen
mittlerer Deformationskraft und Plattendicke abzubilden.
Die generelle Eignung numerischer Berechnungsmethoden für eine Vorhersage des
progressiven Lochleibungsversagens wird für eine industrielle Anwendung mittels
geeigneter Modellierungsansätze in der kommerziellen, expliziten Berechnungssoftware
Abaqus/Explicit untersucht. Dies geschieht auf Basis von konventionellen intraund
interlaminaren Materialmodellen für gewebeverstärkte FKV. Mit den gezeigten
Modellansätzen lässt sich das generelle Deformationsverhalten des FKV abbilden.
Aufgrund der starken Vereinfachung der in der Schädigungszone vor dem Bolzen
ablaufenden Mechanismen sowie der unrealistisch frühen interlaminaren Schädigung
lassen sich die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen mittlerer Deformationskraft
und Plattendicke jedoch nur bedingt abbilden.
Nachhaltige Chemie beinhaltet die Nutzung stofflicher Ressourcen und deren Umwandlung ohne Schaden für zukünftige Generationen. Dabei hat sich insbesondere die Katalyse als nützliche Technologie etabliert, durch die Syntheserouten zu hochwertigen Produkten abgekürzt und dabei die CO2-Bilanz des Gesamtprozesses verbessert wird. Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige, homogen-katalytische Prozesse zur Einbindung nachwachsender Rohstoffe in die chemische Wertschöpfungskette und zur abfallminimierten Synthese von Amiden und Peptiden entwickelt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die isomerisierende Metathese als Methode zur Valorisierung nachwachsender Rohstoffe etabliert. Mit einem bimetallischen Katalysatorsystem, bestehend aus dem Isomerisierungskatalysator [Pd(µ-Br)(tBu3P)]2 und NHC-basierten Ruthenium-Metathesekatalysatoren, werden Doppelbindungen ungesättigter Verbindungen kontinuierlich entlang der Kohlenwasserstoffkette verschoben und können gleichzeitig, ungeachtet ihrer Position, eine Metathese durchlaufen. Dies erlaubt die Umwandlung von zwei unterschiedlichen Olefinen in ein Gemisch mit homogener Produktverteilung und einstellbarer mittlerer Kettenlänge. Das synthetische Potential dieser Transformation wurde anhand der Darstellung von Dieselersatzkraftstoffen demonstriert, die vollständig auf erneuerbaren Ressourcen basieren und aufgrund ihres Siedeverhaltens in modernen Motoren in unverdünnter Form eingesetzt werden können. Der neu entwickelte Tandemprozess ermöglicht weiterhin die gezielte Kürzung olefinischer Seitenketten in Gegenwart von Ethen. Die isomerisierende Ethenolyse der natürlich vorkommenden Allylbenzole Eugenol, Allylanisol, Safrol und Methyleugenol wurde zur Synthese wertvoller Styrole mit komplexen Substitutionsmustern eingesetzt. Die isomerisierende Ethenolyse stellt außerdem die Schlüsseltechnologie zur Valorisierung von Cashew-Nussschalenöl dar. Ausgehend von dem bisher ungenutzten Abfallstoff wurde die Synthese der Tsetsefliegen-Lockstoffe 3-Ethyl- und 3-Propylphenol sowie des Polymervorläufers 3,3’-Hydroxystilben demonstriert.
Der zweite Teil dieser Doktorarbeit umfasste die rationale Entwicklung einer abfallminimierten und umweltfreundlichen Methode zur Synthese von Amiden aus Carbonsäuren und Aminen. Dazu wurde ein hocheffektives, luft- und wasserstabiles Ru(IV)-Katalysatorsystem identifiziert, das die Addition von Carbonsäuren an Alkine unter Bildung von Enolestern sowie die weitere Umsetzung dieser Aktivester mit Aminen zu Amiden vermittelt. Ein einstufiges Eintopf-Verfahren zur Synthese von Amiden, bei dem alle Reagenzien zu Beginn der Reaktion zugegeben werden, wurde unter Verwendung von Ethoxyacetylen als Aktivierungsreagenz entwickelt. Hierbei werden die Carbonsäuren in Gegenwart eines Amins intermediär in hochreaktive Ketenacetale überführt, die nach Aminolyse die entsprechenden Amide in sehr guten Ausbeuten liefern. Die Anwendungsbreite dieses milden Reaktionsprotokolls umfasst aliphatische und aromatische Carbonsäuren sowie N- und C terminal geschützten Aminosäuren.
Die vorliegende Arbeit fasst Erkenntnisse zum Einfluss polarer Alken-Substituenten auf Selektivitäten intramolekularer Alkoxylradikal-Additionen zusammen. Ergänzend zu den eigenen mechanistisch-synthetischen Studien flossen in die Bewertung der Reaktionsverläufe thermodynamische Daten und molekularorbital-theoretische Erkenntnisse ein, die in Kooperation mit Jens Hartung aus Dichtefunktional-Rechnungen abgeleitet wurden.
Die existierende Lehrmeinung beschreibt Sauerstoffradikale in Additionen und Substitutionen als Elektrophile, deren Selektivitäten durch sterische Effekte gesteuert werden. Auf Grundlage dieser Einteilung lassen sich atmosphärische und physiologische Sauerstoffradikal-Reaktionen und das komplementäre Reaktionsverhalten zu ionischen Cyclisierungen von Alkenolen deuten.
Vorläufermoleküle, die Sauerstoffradikale in unverzweigten Kettenreaktionen unter pH-neutralen nicht oxidativen Bedingungen freisetzen, erlaubten in der vorliegenden Arbeit strukturell komplexere Sauerstoffradikale mit hoher Spezifität zu erzeugen und aus den isolierten Produkten ein differenzierteres Bild zur Radikalselektivität abzuleiten. In diesem Bild besitzen Sauerstoffradikale Grenzreaktivität. Gegenüber Akzeptor-substituierten Alkenen treten Sauerstoffradikale als Nucleophile und gegenüber Donor-substituierten Alkenen als Elektrophile auf. Elektrophilie bildet darüber hinaus die Grundlage für einen neuen 2,3-cis-dirigierenden Effekt Allyl-ständiger Akzeptor-Gruppen, in denen der polare Einfluss über den sterischen dominiert.
In einem Projekt zur Synthese von Isomuscarinen, die sich durch Positionierung einer endocyclischen Hydroxy-Gruppe von den Glutamat-abgeleiteten Muscarin-Alkaloiden unterscheiden, fiel eine unerwartete 2,3-cis-Selektivität der 5-Hexen-2-oxylradikal-Cyclisierung auf. Aus sterischen Gründen wäre das 2,3-trans-konfigurierte Produkt favorisiert. 2,3-cis-Selektivität, die sich sowohl bei thermisch als auch photochemisch durchgeführten homolytischen Bromcyclisierungen zum Aufbau von Isomuscarin-Gerüsten zeigte, lässt sich in einem der diastereomeren Radikale durch den konformellen Effekt einer Methylgruppe zu 2,3-trans übersteuern. Die Befunde legen nahe, dass die 2,3-cis-Selektivität aus der kinetischen Reaktionskontrolle der Cyclisierungsreaktion resultiert. Kristallographische Untersuchungen der vier racemischen Isomuscarine und umfangreiche NMR-Studien aus denen sogar 1J(14N,13C) offenkund wurden, stützten die stereochemische Analyse zur Radikalselektivität.
Um die Ursache 2,3-cis-selektiver Radikalcyclisierungen einzugrenzen, wurde in einem zweiten Projekt das Untersuchungssystem auf das Allyl-ständig Hydroxy-substituierte 4-Pentenoxylradikal reduziert. Letzteres liefert in Gegenwart von Bromtrichlormethan das 2,3-cis-Cyclisierungsprodukt in einer Selektivität von 74:26. Da das 2,3-cis- und das 2,3-trans-Stereoisomer des (3-Hydroxytetrahydrofuran-2-yl)methyl-Radikals unter den Reaktions-bedingungen nicht ringöffnen, liegt der 2,3-cis-Selektiviät ein kinetischer Einfluss der Allyl-ständigen Hydroxy-Gruppe zugrunde. Auch Acyloxy-Gruppen in allylischer Position ermöglichen 2,3-cis-selektive 4-Pentenoxylradikal-Cyclisierungen, jedoch mit abweichender Selektivität. Den polaren Effekt überlagert demzufolge der sterische des eingesetzten Substituenten.
Das Zusammenspiel zwischen polarem und sterischem Effekt eines Allyl-ständigen Substituenten gelang es in einem dritten Projekt zu separieren. In diesem Projekt variierte der Allyl-ständige Substituent von Hydroxy, Methoxy, Trifluoracetoxy, Chlor, Benzamido, Benzolsulfonamido, N-Phthalimido zu Benzoylsulfanyl. Entlang dieser Reihe fiel der Anteil 2,3-cis-bromcyclisierter Produkte bei thermisch induzierter Umsetzung der synthetisierten Allyl-substituierten 4-Pentenylthiohydroxamate mit Bromtrichlormethan. In einer Korrelationsanalyse folgt der cis-Anteil an 5-exo-trig-Cyclisierungsprodukt der Stabilisierung der HOMO-Energie, wobei 2-substituierte But-3-ene als Modell-Verbindungen zur Korrelation eingesetzt wurden. Mit zunehmendem sterischen Substituenteneinfluss, ausgedrückt anhand des entsprechenden Winstein-Holness-Parameters, steigt der Anteil 2,3-trans-konfigurierter Cyclisierungsprodukte. 2,3-cis-Selektivität resultiert in dem Modell aus einer Verlangsamung der 2,3-trans-Reaktion durch den stabilisierenden Einfluss eines sterisch möglichst kleinen stark elektronenziehenden Substituenten. Mit zunehmender Stabilisierung des Alkenteils sinkt die Geschwindigkeit der Radikaladdition. Mit zunehmender Raumerfüllung des Allyl-Substituenten wird jedoch das Konformer aus dem die 2,3-cis-Reaktion erreicht werden kann zu energiereich, um nennenswert eine Rolle zu spielen.
Direkt an der Doppelbindung gebundene Substituenten haben einen noch deutlicheren Einfluss auf die Radikalselektivitäten, da sie die Energien von π-Typ-Orbitalen direkt beeinflussen. Alkoxylradikale addieren dabei rascher an eine terminal Cyano-substituierte Doppelbindung als an eine unsubstituierte. Kontrollreaktionen mit einer Radikaluhr zeigten, dass alle Intermediate auf Radikale zurückzuführen sind. Anwenden ließ sich die unerwartete nucleophile Reaktivität in der Synthese einer neuen Tetrahydrofuran-abgeleiteten Aminosäure.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Tiefenfiltration wässriger Suspensionen untersucht. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der Betrachtung der Druckdifferenz über dem Filtermedium und dem Abscheidegrad. Als Filtermittel werden dabei Vliese betrachtet. Die Zielsetzung der Arbeit besteht darin, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Tiefenfiltration zu liefern. Die Erkenntnisse sollen helfen, Tiefenfilter besser auszulegen und Filtermedien gezielter zu entwickeln.
Zunächst werden die grundlegenden Vorgänge der Tiefenfiltration untersucht. Dabei werden die Durchströmung poröser Schichten sowie die der Partikelabscheidung zugrunde liegenden Transport- und Haftmechanismen analysiert. Anschließend werden bestehende Ansätze zur Berechnung des Druckverlustes und der Partikelabscheidung von Tiefenfiltern aufgezeigt.
Um das Filtrationsverhalten von Vliesen experimentell zu untersuchen, wurde ein Prüfstand aufgebaut. An diesem können der Differenzdruck über den Vliesen und die Partikelabscheidung gemessen werden. Die Filtrationsversuche wurden bei konstantem Volumenstrom und konstanter Zusammensetzung der Suspension durchgeführt. Die eingesetzten Partikeln waren mineralischen Ursprungs. Das untersuchte Partikelspektrum lag im Bereich von 1-100 µm. Neben der Filtration wurde auch untersucht, in welchem Umfang mit Partikeln beladene Vliese diese wieder abgeben. Die Ergebnisse der Filtrations- und Ablöseversuche werden vorgestellt und diskutiert.
Auf Grundlage bestehender Berechnungsansätze und der durch die experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Modell erstellt. Dieses ermöglicht die Berechnung der Partikelabscheidung und der Druckdifferenz auf Basis der Strukturdaten des Vlieses. Die Berechnung kann sowohl für den Beginn der Filtration als auch für den Verlauf der Filtration durchgeführt werden. Bei der Simulation des Verlaufs der Filtration erfolgt dabei eine gekoppelte Berechnung von Partikelabscheidung und Druckverlust. Für die Bestimmung der Partikelabscheidung wurde der Berechnungsansatz der Einzelfaserabscheidung zugrunde gelegt und erweitert. Die erzielten Simulationsergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.
Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse vorgestellt und diskutiert, die mittels numerischer 3-D-Strömungssimulation erzielt wurden. Dabei wurde die Software DNSlab verwendet. Um die Partikelabscheidung simulieren zu können, wurde ein Abscheidemechanismus entwickelt. Dieser ermittelt die Partikelhaftung auf der Basis einer Kräftebilanz. Als relevante Kräfte wurden Strömungskräfte, Reibungskräfte und van-der-Waals-Kräfte identifiziert.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Konzepte zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, und SCF2H-Gruppen entwickelt und neue konzeptionelle Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger Fluoralkylierungsreaktionen und Reagenzien eröffnet werden.
Im ersten Teilprojekt gelang es, praktische Eintopfverfahren zu entwickeln, mit denen Trifluormethyl- und Trifluormethylthiolgruppen selektiv in organische Moleküle eingeführt werden. Der maßgebliche Vorteil dieser Methoden ist, dass breit verfügbare aromatische Amine in situ diazotiert und ohne weitere Aufarbeitung weiter umgesetzt werden. Die vorteilhaften Reaktionsbedingungen wie z.B. Katalysatorbeladung, Raumtemperatur, und die hohe Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen konnten beibehalten werden.
Im nächsten Teilprojekt wurde aufbauend auf dem Konzept der nukleophilen Difluormethylierung der Organothiocyanate Zugang zu wertvollen Difluormethylthioethern ermöglicht. Dabei werden die Organothiocyanate in situ in Reaktionslösung aus diversen Aryl- und Alkylhalogeniden und –pseudohalogeniden erzeugt, welche anschließend unter Einsatz von TMSCF2H difluormethyliert werden konnten. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist der Einsatz der nachhaltigen CF2H-Quelle, welche aus Fluoroform herstellbar ist.
In einem weiteren Teilpojekt erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Synthese von Trifluormethylthioethern. Dabei können Organothiocyanate unter Decarboxylierung von Trifluoracetaten in Anwesenheit von Eisenkatalysatoren leicht zu den korrespondierenden, wertvollen Trifluormethylthioethern umgesetzt werden. Die Anwendungsbreite konnte an zahlreichen aromatischen, heteroaromatischen und aliphatischen Organothiocyanaten demonstriert werden. In weiterführenden Arbeiten konnte dieses Reaktionskonzepts auf längerkettige perfluorierte Carboxylate erweitert werden.
In einem weiteren Teilprojekt wurde die Sandmeyer Pentafluorethylthiolierung mit Aryldiazoniumsalzen ermöglicht. Sie stellt einen weiteren alternativen Zugang zu den pentafluorethylierten Aromaten dar.
Im darauffolgenden Teilprojekt wurden alternative, nachhaltigere Synthesewege zu den gängigen elektrophilen SCF3-Reagenzien ausgehend von Me4NSCF3 mittels einfacher Salzmetatese realisiert. Besonders erwähnenswert hierbei ist, dass eine in situ Generierung dieser sensiblen Reagenzien die komplizierte Handhabung vereinfacht.
Im letzten Teilprojekt wurden sowohl elektrophile als auch nukleophile Reagenzien zur regioselektiven Einführung von Phosphorothioat-Gruppen entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten wurden anhand kupferkatalysierten Sandmeyer Reaktion von Aryldiazoniumsalzen, einer palladiumkatalysierten Umsetzung von Aryliodiden und einer kupferkatalysierten Umsetzung von Arylboronsäuren gezeigt.
Zusammengefassend wurden in dieser Arbeit nachhaltige Methoden zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, SCF2H und SP(O)(OMe)2-Gruppen entwickelt. Dabei wurde das Reaktionskonzept der Sandmeyer Reaktion angewandt. Die wesentlichen Vorteile dabei sind der Einsatz geringer Mengen der Kupferkatalysatoren, die milden Reaktionsbedingungen, sowie die hohe Toleranz gegenüber funktioneller Gruppen, wodurch sich diese Verfahren auch besonders in späten Synthesestufen anbietet.
Requirements-Aware, Template-Based Protocol Graphs for Service-Oriented Network Architectures
(2016)
Rigidness of the Internet causes its architectural design issues such as interdependencies among the layers, no cross-layer information exchange, and applications dependency on the underlying protocols implementation.
G-Lab (i.e., http://www.german-lab.de/) is a research project for Future Internet Architecture (FIA), which focuses on problems of the Internet such as rigidness, mobility, and addressing. Where the focus of ICSY (i.e., www.icsy) was on providing the flexibility in future network architectures. An approach so-called Service Oriented Network Architecture (SONATE) is proposed to compose the protocols dynamically. SONATE is based on principles of the service-oriented architecture (SOA), where protocols are decomposed in software modules and later they are put together on demand to provide the desired service.
This composition of functionalities can be performed at various time-epochs (e.g., run-time, design-time, deployment-time). However, these epochs have trade-off in terms of the time-complexity (i.e., required setup time) and the provided flexibility. The design-time is the least time critical in comparison to other time phases, which makes it possible to utilize human-analytical capability. However, the design-time lacks the real-time knowledge of requirements and network conditions, what results in inflexible protocol graphs, and they cannot be changed at later stages on changing requirements. Contrary to the design-time, the run-time is most time critical where an application is waiting for a connection to be established, but at the same time it has maximum information to generate a protocol graph suitable to the given requirements.
Considering limitations above of different time-phases, in this thesis, a novel intermediate functional composition approach (i.e., Template-Based Composition) has been presented to generate requirements aware protocol graphs. The template-based composition splits the composition process across different time-phases to exploit the less time critical nature and human-analytical availability of the design-time, ability to instantaneously deploy new functionalities of the deployment time and maximum information availability of the run-time. The approach is successfully implemented , demonstrated and evaluated based on its performance to know the implications for the practical use.
When designing autonomous mobile robotic systems, there usually is a trade-off between the three opposing goals of safety, low-cost and performance.
If one of these design goals is approached further, it usually leads to a recession of one or even both of the other goals.
If for example the performance of a mobile robot is increased by making use of higher vehicle speeds, then the safety of the system is usually decreased, as, under the same circumstances, faster robots are often also more dangerous robots.
This decrease of safety can be mitigated by installing better sensors on the robot, which ensure the safety of the system, even at high speeds.
However, this solution is accompanied by an increase of system cost.
In parallel to mobile robotics, there is a growing amount of ambient and aware technology installations in today's environments - no matter whether in private homes, offices or factory environments.
Part of this technology are sensors that are suitable to assess the state of an environment.
For example, motion detectors that are used to automate lighting can be used to detect the presence of people.
This work constitutes a meeting point between the two fields of robotics and aware environment research.
It shows how data from aware environments can be used to approach the abovementioned goal of establishing safe, performant and additionally low-cost robotic systems.
Sensor data from aware technology, which is often unreliable due to its low-cost nature, is fed to probabilistic methods for estimating the environment's state.
Together with models, these methods cope with the uncertainty and unreliability associated with the sensor data, gathered from an aware environment.
The estimated state includes positions of people in the environment and is used as an input to the local and global path planners of a mobile robot, enabling safe, cost-efficient and performant mobile robot navigation during local obstacle avoidance as well as on a global scale, when planning paths between different locations.
The probabilistic algorithms enable graceful degradation of the whole system.
Even if, in the extreme case, all aware technology fails, the robots will continue to operate, by sacrificing performance while maintaining safety.
All the presented methods of this work have been validated using simulation experiments as well as using experiments with real hardware.
Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung katalytischer Verfahren, um damit neue Nutzungsmöglichkeiten für Carbonsäuren und deren Derivate in der chemischen Wertschöpfungskette zu schaffen.
Reiner Biodiesel ist mit modernen Motoren aufgrund seines ungünstigen Siedeverhaltens nur eingeschränkt kompatibel. Im ersten Projekt wurde daher ein Verfahren entwickelt, einen Biokraftstoff mit einem Siedeverhalten von kommerziellem Diesel herzustellen. Dazu wurde eine lösungsmittelfreie isomerisierende Ethenolyse von Pflanzenölestern entwickelt, mit der Produktgemische aus Olefinen, Mono- und Diestern mit genau definierten physikalischen Eigenschaften erzeugt werden können.
Die Reaktion von Pflanzenölestern mit Alkenen verläuft mit minimalem Energiebedarf, maximaler Atomeffizienz, ohne Lösungsmittel und praktisch abfallfrei und folgt somit den Prinzipien grüner Chemie. Es werden unterschiedliche industrielle Pflanzenölmethylester, sowie verschiedene kurzkettige Olefine toleriert. Mit diesem Verfahren wurde aus Rapsölmethylester (RME) und Ethen ein Biokraftstoff hergestellt, der alle spezifizierten Grenzwerte hinsichtlich des Siedeverhaltens von Dieselkraftstoffen erfüllt.
Mit Hilfe einer numerischen Simulationsmethode wurde ein Zusammenhang zwischen den katalytischen Parametern der isomerisierenden Metathese und der chemischen Zusammensetzung des Produktgemischs hergestellt. Damit wurden die Zielvorgaben für die anschließende systematische Reaktionsoptimierung errechnet.
Im zweiten Teilprojekt wurde ein neuer Zugang zu in ortho-Position nitrierten aromatischen Carbonsäurederivaten entwickelt. Die einzigartig effektive dirigierende Gruppe ermöglicht die ortho-selektive Nitrierung von substituierten aromatischen Carbonsäuren bei nur 50 °C. Der präformierte Kupferkomplex Cu(NO3)(PPh3)2 vermittelt zusammen mit dem Oxidationsmittel NMO selektiv die Mononitrierung in guten Ausbeuten. Das System toleriert eine große Breite funktioneller Gruppen, sowie fünf- und sechsgliedrige Heteroaromaten.
Im Gegensatz zu klassischen Verfahren mit stickstoffhaltigen dirigierenden Gruppen, die im Produkt verbleiben, gelang es uns, eine schnelle Methode zur mikrowellenunterstützten Verseifung zu entwickeln. Dadurch ist es möglich, nach der Nitrierung in situ eine Protodecarboxylierung des aktivierten Amids durchzuführen und den Nitroaromaten zu erhalten. Alternativ kann durch Verseifung das Carboxylat dargestellt werden, welches als Anker für anschließende decarboxylierende Kupplungsreaktionen fungieren kann.
Synapses play a central role in the information propagation in the nervous system. A better understanding of synaptic structures and processes is vital for advancing nervous disease research. This work is part of an interdisciplinary project that aims at the quantitative examination of components of the neuromuscular junction, a synaptic connection between a neuron and a muscle cell.
The research project is based on image stacks picturing neuromuscular junctions captured by modern electron microscopes, which permit the rapid acquisition of huge amounts of image data at a high level of detail. The large amount and sheer size of such microscopic data makes a direct visual examination infeasible, though.
This thesis presents novel problem-oriented interactive visualization techniques that support the segmentation and examination of neuromuscular junctions.
First, I introduce a structured data model for segmented surfaces of neuromuscular junctions to enable the computational analysis of their properties. However, surface segmentation of neuromuscular junctions is a very challenging task due to the extremely intricate character of the objects of interest. Hence, such problematic segmentations are often performed manually by non-experts and thus requires further inspection.
With NeuroMap, I develop a novel framework to support proofreading and correction of three-dimensional surface segmentations. To provide a clear overview and to ease navigation within the data, I propose the surface map, an abstracted two-dimensional representation using key features of the surface as landmarks. These visualizations are augmented with information about automated segmentation error estimates. The framework provides intuitive and interactive data correction mechanisms, which in turn permit the expeditious creation of high-quality segmentations.
While analyzing such segmented synapse data, the formulation of specific research questions is often impossible due to missing insight into the data. I address this problem by designing a generic parameter space for segmented structures from biological image data. Furthermore, I introduce a graphical interface to aid its exploration, combining both parameter selection as well as data representation.
This Ph.D. project as a landscape research practice focuses on the less widely studied aspects of urban agriculture landscape and its application in recreation and leisure, as well as landscape beautification. I research on the edible landscape planning and design, its criteria, possibilities, and traditional roots for the particular situation of Iranian cities and landscapes. The primary objective is preparing a conceptual and practical framework for Iranian professions to integrate the food landscaping into the new greenery and open spaces developments. Furthermore, finding the possibilities of synthesis the traditional utilitarian gardening with the contemporary pioneer viewpoints of agricultural landscapes is the other significant proposed achievement.
Finished tasks and list of achieved results:
• Recognition the software and hardware principles of designing the agricultural landscape based on the Persian gardens
• Multidimensional identity of agricultural landscape in Persian gardens
• Principles of architectural integration and the characteristics of the integrative landscape in Persian gardens
• Distinctive characteristics of agricultural landscape in Persian garden
• Introducing the Persian and historical gardens as the starting point for reentering the agricultural phenomena into the Iranian cities and landscape
• Assessment the structure of Persian gardens based on the new achievements and criteria of designing the urban agriculture
• Investigate the role of Persian gardens in envisioning the urban agriculture in
Iranian cities’ landscape.
Reading as a cultural skill is acquired over a long period of training. This thesis supports the idea that reading is based on specific strategies that result from modification and coordination of earlier developed object recognition strategies. The reading-specific processing strategies are considered to be more analytic compared to object recognition strategies, which are described as holistic. To enable proper reading skills these strategies have to become automatized. Study 1 (Chapter 4) examined the temporal and visual constrains of letter recognition strategies. In the first experiment two successively presented stimuli (letters or non-letters) had to be classified as same or different. The second stimulus could either be presented in isolation or surrounded by a shape, which was either similar (congruent) or different (incongruent) in its geometrical properties to the stimulus itself. The non-letter pairs were presented twice as often as the letter pairs. The results demonstrated a preference for the holistic strategy also in letters, even if the non- letter set was presented twice as often as the letter set, showing that the analytic strategy does not replace the holistic one completely, but that the usage of both strategies is task-sensitive. In Experiment 2, we compared the Global Precedence Effect (GPE) for letters and non-letters in central viewing, with the global stimulus size close to the functional visual field in whole word reading (6.5◦ of visual angle) and local stimuli close to the critical size for fluent reading of individual letters (0.5◦ of visual angle). Under these conditions, the GPE remained robust for non-letters. For letters, however, it disappeared: letters showed no overall response time advantage for the global level and symmetric congruence effects (local-to-global as well as global-to-local interference). These results indicate that reading is based on resident analytic visual processing strategies for letters. In Study 2 (Chapter 5) we replicated the latter result with a large group of participants as part of a study in which pairwise associations of non-letters and phonological or non-phonological sounds were systematically trained. We investigated whether training would eliminate the GPE also for non-letters. We observed, however, that the differentiation between letters and non-letter shapes persists after training. This result implies that pairwise association learning is not sufficient to overrule the process differentiation in adults. In addition, subtle effects arising in the letter condition (due to enhanced power) enable us to further specify the differentiation in processing between letters and non-letter shapes. The influence of reading ability on the GPE was examined in Study 3 (Chapter 6). Children with normal reading skills and children with poor reading skills were instructed to detect a target in Latin or Hebrew Navon letters. Children with normal reading skills showed a GPE for Latin letters, but not for Hebrew letters. In contrast, the dyslexia group did not show GPE for either kind of stimuli. These results suggest that dyslexic children are not able to apply the same automatized letter processing strategy as children with normal reading skills do. The difference between the analytic letter processing and the holistic non-letter processing was transferred to the context of whole word reading in Study 4 (Chapter 7). When participants were instructed to detect either a letter or a non-letter in a mixed character string, for letters the reaction times and error rates increased linearly from the left to the right terminal position in the string, whereas for non-letters a symmetrical U-shaped function was observed. These results suggest, that the letter-specific processing strategies are triggered automatically also for more word-like material. Thus, this thesis supports and expands prior results of letter-specific processing and gives new evidences for letter-specific processing strategies.
Im Rahmen dieser Arbeit sollten weiterführende Erkenntnisse über die Regulation des Na+/H+-Antiporters AtSOS1 erbracht werden. Die Analyse von Mutanten, die den zytosolischen AtSOS1 C terminus überexprimieren, bestätigte eine im Vergleich zum Wildtyp erhöhte Salztoleranz. Diese Feststellung lässt sich an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Salzstressbedingungen i.) akkumulieren die Überexpressionsmutanten deutlich weniger Natrium im Spross, ii.) sie blühen früher, iii.) sie weisen eine geringere Expression des Salz-induzierten Gens wrky25 auf, iv.) sie häufen geringere Mengen „kompatibler Solute“ an und v.) sie speichern weniger Stärke im Vergleich zum Wildtyp.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Überexpression der C-terminalen Domäne des SOS1 zu einer erhöhten Salztoleranz der entsprechenden Mutanten durch erhöhte Aktivierung des endogenen SOS1-Transporters führt. Es lässt sich spekulieren, dass negative Regulatoren des SOS-Signalwegs vom löslichen C-terminus abgefangen werden, wodurch ihre inhibierende Funktion auf das endogene SOS-Netzwerk verloren geht.
Im Gegensatz dazu führt der Verlust des SOS1-Transporters in den sos1 Knockout-Pflanzen zu einer erhöhten Salzsensitivität. Diese Feststellung lässt sich wiederum an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Salzstressbedingungen i.) akkumulieren die Knockout-Mutanten deutlich mehr Natrium im Spross sowie vor allem in der Wurzel, ii.) sie blühen verzögert bis gar nicht, iii.) sie weisen eine höhere Expression des Salzstress-Indikatorgens wrky25 auf, iv.) sie häufen große Mengen kompatibler Solute in Form löslicher Zucker an und v.) sie speichern mehr Stärke im Vergleich zum Wildtyp.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Interaktionen zwischen dem SOS1 C terminus und den regulatorischen At14-3-3 Proteinen υ, ω, κ und λ, sowie zwischen AtTST1/AtVIK1 und 14-3-3 κ und λ mittels Bimolekularer Fluoreszenz-Komplementation verifiziert. Sie binden den SOS1 C terminus an der Stelle 1112TRQNTMVESSDEEDEDEG1129, den AtTST1 an der Stelle 361DDGAGDDDDSDNDLR375. Beide Bindemotive weisen einen hohen Anteil negativ geladener Aspartat- und Glutamat-Reste auf. Durch die Analyse von At14 3 3 λκ Knockout-Pflanzen wurden diese Proteine als Signalstoffe im Zuckerhaushalt von A. thaliana identifiziert. Ihr Fehlen führt zu einer Veränderung im „sugar sensing“ bzw. „sugar signaling“. Diese Behauptung lässt sich an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Hochzucker-Bedingungen i.) akkumulieren die Knockout-Mutanten mehr Biomasse, ii.) sie akkumulieren weniger Zucker und iii.) sie weisen eine gesteigerte Expression der Glukose-reprimierten Gene cab1 und suc2 auf.
This work introduces a promising concept for the preparation of new nano-sized receptors. Mixed monolayer protected gold nanoparticles (AuNPs) for low molecular weight compounds were prepared featuring functional groups on their surfaces. It has been shown that these AuNPs can engage in interactions with peptides in aqueous media. Quantitative binding information was obtained from DOSY-NMR titrations indicating that nanoparticles containing a combination of three orthogonal functional groups are more efficient in binding to dipeptides than mono or difunctionalised analogues. The strategy is highly modular and easily allows adapting the receptor selectivity to a
given substrate by varying the type, number, and ratio of binding sites on the nanoparticle
surface.
This thesis presents a novel, generic framework for information segmentation in document images.
A document image contains different types of information, for instance, text (machine printed/handwritten), graphics, signatures, and stamps.
It is necessary to segment information in documents so that to process such segmented information only when required in automatic document processing workflows.
The main contribution of this thesis is the conceptualization and implementation of an information segmentation framework that is based on part-based features.
The generic nature of the presented framework makes it applicable to a variety of documents (technical drawings, magazines, administrative, scientific, and academic documents) digitized using different methods (scanners, RGB cameras, and hyper-spectral imaging (HSI) devices).
A highlight of the presented framework is that it does not require large training sets, rather a few training samples (for instance, four pages) lead to high performance, i.e., better than previously existing methods.
In addition, the presented framework is simple and can be adapted quickly to new problem domains.
This thesis is divided into three major parts on the basis of document digitization method (scanned, hyper-spectral imaging, and camera captured) used.
In the area of scanned document images, three specific contributions have been realized.
The first of them is in the domain of signature segmentation in administrative documents.
In some workflows, it is very important to check the document authenticity before processing the actual content.
This can be done based on the available seal of authenticity, e.g., signatures.
However, signature verification systems expect pre-segmented signature image, while signatures are usually a part of document.
To use signature verification systems on document images, it is necessary to first segment signatures in documents.
This thesis shows that the presented framework can be used to segment signatures in administrative documents.
The system based on the presented framework is tested on a publicly available dataset where it outperforms the state-of-the-art methods and successfully segmented all signatures, while less than half of the found signatures are false positives.
This shows that it can be applied for practical use.
The second contribution in the area of scanned document images is segmentation of stamps in administrative documents.
A stamp also serves as a seal for documents authenticity.
However, the location of stamp on the document can be more arbitrary than a signature depending on the person sealing the document.
This thesis shows that a system based on our generic framework is able to extract stamps of any arbitrary shape and color.
The evaluation of the presented system on a publicly available dataset shows that it is also able to segment black stamps (that were not addressed in the past) with a recall and precision of 83% and 73%, respectively.
%Furthermore, to segment colored stamps, this thesis presents a novel feature set which is based on intensity gradient, is able to extract unseen, colored, arbitrary shaped, textual as well as graphical stamps, and outperforms the state-of-the-art methods.
The third contribution in the scanned document images is in the domain of information segmentation in technical drawings (architectural floorplans, maps, circuit diagrams, etc.) containing usually a large amount of graphics and comparatively less textual components. Further, as in technical drawings, text is overlapping with graphics.
Thus, automatic analysis of technical drawings uses text/graphics segmentation as a pre-processing step.
This thesis presents a method based on our generic information segmentation framework that is able to detect the text, which is touching graphical components in architectural floorplans and maps.
Evaluation of the method on a publicly available dataset of architectural floorplans shows that it is able to extract almost all touching text components with precision and recall of 71% and 95%, respectively.
This means that almost all of the touching text components are successfully extracted.
In the area of hyper-spectral document images, two contributions have been realized.
Unlike normal three channels RGB images, hyper-spectral images usually have multiple channels that range from ultraviolet to infrared regions including the visible region.
First, this thesis presents a novel automatic method for signature segmentation from hyper-spectral document images (240 spectral bands between 400 - 900 nm).
The presented method is based on a part-based key point detection technique, which does not use any structural information, but relies only on the spectral response of the document regardless of ink color and intensity.
The presented method is capable of segmenting (overlapping and non-overlapping) signatures from varying backgrounds like, printed text, tables, stamps, logos, etc.
Importantly, the presented method can extract signature pixels and not just the bounding boxes.
This is substantial when signatures are overlapping with text and/or other objects in image. Second, this thesis presents a new dataset comprising of 300 documents scanned using a high-resolution hyper-spectral scanner. Evaluation of the presented signature segmentation method on this hyper-spectral dataset shows that it is able to extract signature pixels with the precision and recall of 100% and 79%, respectively.
Further contributions have been made in the area of camera captured document images. A major problem in the development of Optical Character Recognition (OCR) systems for camera captured document images is the lack of labeled camera captured document images datasets. In the first place, this thesis presents a novel, generic, method for automatic ground truth generation/labeling of document images. The presented method builds large-scale (i.e., millions of images) datasets of labeled camera captured / scanned documents without any human intervention. The method is generic and can be used for automatic ground truth generation of (scanned and/or camera captured) documents in any language, e.g., English, Russian, Arabic, Urdu. The evaluation of the presented method, on two different datasets in English and Russian, shows that 99.98% of the images are correctly labeled in every case.
Another important contribution in the area of camera captured document images is the compilation of a large dataset comprising 1 million word images (10 million character images), captured in a real camera-based acquisition environment, along with the word and character level ground truth. The dataset can be used for training as well as testing of character recognition systems for camera-captured documents. Various benchmark tests are performed to analyze the behavior of different open source OCR systems on camera captured document images. Evaluation results show that the existing OCRs, which already get very high accuracies on scanned documents, fail on camera captured document images.
Using the presented camera-captured dataset, a novel character recognition system is developed which is based on a variant of recurrent neural networks, i.e., Long Short Term Memory (LSTM) that outperforms all of the existing OCR engines on camera captured document images with an accuracy of more than 95%.
Finally, this thesis provides details on various tasks that have been performed in the area closely related to information segmentation. This includes automatic analysis and sketch based retrieval of architectural floor plan images, a novel scheme for online signature verification, and a part-based approach for signature verification. With these contributions, it has been shown that part-based methods can be successfully applied to document image analysis.
Die Entwicklung von Revitalisierungskonzepten für Wohnimmobilien ist ein komplexer und zeitintensiver Prozess, bei dem umfassendes Fachwissen und weitreichende Erfahrungen notwendig sind. Heterogene Gebäudetypen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Handlungsbedarfen machen den Konzeptentwicklungsprozess noch komplizierter. Diese Arbeit bietet einen Katalog mit priorisierten Handlungsempfehlungen zur Entwicklung von Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren in den alten Bundesländern. Die Immobilien tragen mit ca. 2,4 Mio. Wohnung wesentlich zur Wohnraumversorgung in den alten Bundesländern bei und wurden bisher unzureichend erforscht. Darüber hinaus stehen durch das Alter, den häufig geringen Modernisierungszustand und vorhandene Potenziale der Mehrfamilienhäuser meist kurz- bis mittelfristig grundlegende Revitalisierungen an.
Die erarbeiteten Handlungsempfehlungen basieren auf Auswertungen von Daten professionell-gewerblicher Wohnungsanbieter, über 13.700 Energieverbrauchsausweisen, Mieterbefragungen und der Datenbasis Gebäudebestand des IWU. Außerdem stützen sich die Empfehlungen auf eine Sekundäranalyse einer repräsentativen Wohnnachfrageuntersuchung für Deutschland sowie auf zwanzig Expertenbefragungen und umfangreiche Literaturanalysen. Durch eine Immobilienanalyse werden verallgemeinerungsfähige Aussagen über bauliche und technische Eigenschaften und Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser gewonnen. Daneben erfolgt anhand einer Nachfrageanalyse die Bestimmung potenzieller Nachfragegruppen und deren Wohnanforderungen sowie daraus abgeleitet nachfrageseitige Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser. Für die ermittelten baulichen und technischen sowie nachfrageseitigen Handlungsbedarfe werden durch eine Maßnahmenanalyse geeignete Revitalisierungsmaßnahmen gefunden. Diese Maßnahmen werden im Katalog der Handlungsempfehlungen angelehnt an ein Kundenanforderungsmodell nach technischen Gesichtspunkten und Nachfrageaspekten priorisiert. Anwender des Empfehlungskatalogs können ihre individuelle kaufmännische Perspektive einbringen, um ganzheitliche Revitalisierungskonzepte zu entwickeln. Durch eine entwickelte Berechnungshilfe können Kosten und Wirtschaftlichkeit der Konzepte bewertet werden.
Die Handlungsempfehlungen zielen auf technische, funktionale, energetische, wirtschaftliche, soziale und architektonische Verbesserungen bei den Mehrfamilienhäusern. In zwei Fallstudien werden der Katalog der Handlungsempfehlungen und die Berechnungshilfe angewendet. Die Fallstudien deuten darauf hin, dass mit Hilfe des Katalogs der Handlungsempfehlungen und der Berechnungshilfe Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren effizient entwickelt und deren Kosten und Wirtschaftlichkeit effizient eingeschätzt werden können. Die Forschungsergebnisse der Arbeit sind insbesondere für Wohnungseigentümer, Projektentwickler, Ingenieure, Berater und Investoren nützlich.