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The usage of sensors in modern technical systems and consumer products is in a rapid increase. This advancement can be characterized by two major factors, namely, the mass introduction of consumer oriented sensing devices to the market and the sheer amount of sensor data being generated. These characteristics raise subsequent challenges regarding both the consumer sensing devices' reliability and the management and utilization of the generated sensor data. This thesis addresses these challenges through two main contributions. It presents a novel framework that leverages sentiment analysis techniques in order to assess the quality of consumer sensing devices. It also couples semantic technologies with big data technologies to present a new optimized approach for realization and management of semantic sensor data, hence providing a robust means of integration, analysis, and reuse of the generated data. The thesis also presents several applications that show the potential of the contributions in real-life scenarios.
Due to the broad range, growing feature set and fast release pace of new sensor-based products, evaluating these products is very challenging as standard product testing is not practical. As an alternative, an end-to-end aspect-based sentiment summarizer pipeline for evaluation of consumer sensing devices is presented. The pipeline uses product reviews to extract the sentiment at the aspect level and includes several components namely, product name extractor, aspects extractor and a lexicon-based sentiment extractor which handles multiple sentiment analysis challenges such as sentiment shifters, negations, and comparative sentences among others. The proposed summarizer's components generally outperform the state-of-the-art approaches. As a use case, features of the market leading fitness trackers are evaluated and a dynamic visual summarizer is presented to display the evaluation results and to provide personalized product recommendations for potential customers.
The increased usage of sensing devices in the consumer market is accompanied with increased deployment of sensors in various other fields such as industry, agriculture, and energy production systems. This necessitates using efficient and scalable methods for storing and processing of sensor data. Coupling big data technologies with semantic techniques not only helps to achieve the desired storage and processing goals, but also facilitates data integration, data analysis, and the utilization of data in unforeseen future applications through preserving the data generation context. This thesis proposes an efficient and scalable solution for semantification, storage and processing of raw sensor data through ontological modelling of sensor data and a novel encoding scheme that harnesses the split between the statements of the conceptual model of an ontology (TBox) and the individual facts (ABox) along with in-memory processing capabilities of modern big data systems. A sample use case is further introduced where a smartphone is deployed in a transportation bus to collect various sensor data which is then utilized in detecting street anomalies.
In addition to the aforementioned contributions, and to highlight the potential use cases of sensor data publicly available, a recommender system is developed using running route data, used for proximity-based retrieval, to provide personalized suggestions for new routes considering the runner's performance, visual and nature of route preferences.
This thesis aims at enhancing the integration of sensing devices in daily life applications through facilitating the public acquisition of consumer sensing devices. It also aims at achieving better integration and processing of sensor data in order to enable new potential usage scenarios of the raw generated data.
Ein Beitrag zur methodischen Integration von neuen Werkstoffen in die Fahrzeugcrashberechnung
(2000)
In the automotive industry, the market share of innovative and individual product variants has increased dramatically in recent years. The vehicle-independent requirements relating to quality and equipment are growing. Summarizing, the expenditure on product development is rising, forcing car producers to reduce development times and costs. The need for reengineering of the product development process is increasingly being met by virtual product development. A key factor is the reduction of time- and cost-consuming prototype tests by pre-designing automotive components virtually. The prerequisite for this are numerical methods which meet a high quality standard and allow predictive statements to realize concept decisions on the basis of calculation results. Questions of product liability are becoming increasingly important and may also concern test results based on numerical results in future.
An example of these methods of calculation is the crash calculation using the finite elements method, which is being used increasingly to improve passive safety within the general context of reengineering. In view of the growing requirements relating to occupant safety, this method of calculation, which is established highly efficient in the design of the body-in-white, will have to be improved in a way, that realizes a virtual design of interior safety components in the future. This will include especially simulating the complex material behaviour of the materials used in the vehicle interior. Describing these materials with sufficient material models affords a high quality of reproduction, which often can only be achieved at considerable cost and effort. This paper introduces a general process for the methodical integration of these new materials in the crash calculation. The objectives of the integration process are to improve and assure detail reproduction quality, as well as to increase efficiency using standardizable material modelling procedures.
The integration process will be developed on the basis of the so-called Quality Improvement Paradigm and subdivided into four phases: the planning phase, the performance phase, the evaluation phase and the know-how acquisition phase. During the planning phase, the necessary fundamental data on the material, the areas of application of the material within the vehicle and the associated application boundary conditions will be formulated. Targets will be defined for the integration process on the basis of these fundamentals. They will include a clear definition of assumptions regarding material behaviour and requirements relating to the planned material model. Under consideration of the validity of these assumptions and requirements, further action will be described in a project plan and assessed on the basis of a risk appraisal. Material characterization, as well as material modelling and validation will take place in the performance phase of the integration process. Material characterization involves formulating all the fundamental data required for development of the model so that material behaviour can be described. The first step - material modelling - involves examining the models existing in commercial calculation programs and literature, and validating their suitability for detail reproduction of material behaviour. The objective is to select a model that can be used for crash calculation in the productive development process, or for the necessary further developments. Further development of the model will be subdivided into formulation of the materials equation, implementation of the materials equation in the finite element tool and verification of development steps. The implemented material model has to be validated. During the evaluation phase of the process, the process steps will be analyzed in detail and validated. The quality of the developed material model will be proved. This will include a definition of quality specifications for the model and for components to be designed by numerical simulation. The final step in the integration process is the know-how acquisition phase, which serves to improve the quality of material models and leads to a long-term improvement of the process efficiency. In addition to empirical process data acquisition, this phase will include saving all experimental and numeric data. In addition, know-how will be derived by using the material model in the productive development process.
The integration process will be shown for the first time within this paper by using a polymer brittle foam with high energy absorption capacity as an example. The fundamental data required for this purpose will be formulated in the process planning phase. The foams are synthetically manufactured materials with a low specific weight and a cellular. The material behaviour of the foams is affected by the properties of the basic materials and the characteristics of the cellular structure. Mechanical behaviour is characterized by the compressive plateau- or crush-stress over a large compression strain and by a low elastic recovery rate after pressure relief. The usual areas of application with regard to occupant protection are the headliner trim, the instrument panel and the side door trim. These foams are also used in bumpers for vehicle protection in lower impact collisions and for pedestrian safety. Regardless of the area of application, polymer brittle foams are primarily subjected to compressive stresses. As a result of the formulated fundamental data, it is necessary to account for the changes in mechanical properties in dependence on varying conditions, such as strain rate, temperature and the application of force - characterized by varying sample and impactor geometries - in order to characterize the material. Classifying polymer brittle foams, two representative materials are determined which are used for material characterization. The thermoplastic and closed-cell particle foam system Noryl® EF will be considered in addition to the thermoset and nearly open-cell polyurethane-based Bayfill® EA foam system. Based on the procedure defined by the integration process, the material characterization will be realized by material tests such as the uniaxial compression test and the shear test, as well as application-oriented basic tests in accordance with the actual area of application of the foams. These tests will be conducted under varying application boundary conditions. Evaluation and analysis of the test results shows that the material behaviour of the two foam systems can be described by an elastic-plastic approach. The main characteristic of
this approach is the dependence of plasticity on the first and second stress invariants which is represented by a closed yield surface the multiaxial stress space. The material behaviour observed, is heavily dependent upon the application boundary conditions strain rate and temperature, as well as the density of the foam system. Failure of the Bayfill® EA also occurred when it was subjected to tensile and shear stresses, which have a strong influence on the behaviour of components under application-oriented loads.
The examination of existing material models which have the potential to reproduce the polymer brittle foam, leads to the selection of a model developed for aluminium foams by Professor N. Fleck at Cambridge University. The material model will be improved based on the results of the material characterization. This further development necessitates adapting the flow rule, introducing a law for the strain rate dependency of the material behaviour and formulating a damage model for modelling the failure mechanism of brittle polymer foams. The modified material model will be implemented as a user material in the ABAQUS/Explicit finite elements program and validated on the basis of the material tests and application-oriented tests. The potential of the integration process will be established during the evaluation phase. Though being of a pilot nature, this process supports the quality-controlled modelling of polymer brittle foams to a high degree. This is clearly reflected in the detailed process descriptions which allow a target-oriented distribution of labour among the development partners involved. Thus, the material characterization will be performed in close cooperation with IVW GmbH and material modelling will be carried out in cooperation with HKS Inc. The transparency and reproducibility of the process are also essential for long-term quality improvement and assurance. Analysis of the model validation in the evaluation phase leads to an acceptance of the developed material model for numerical simulation of the material behaviour of polymer brittle foams. A prerequisite for use is compliance with various quality specifications for the material model and for components to be designed based on numerical simulation. The components are required to exhibit a homogeneous density distribution and little scatter within defined bounds of production. The main requirement for use of the material model is quality-controlled calibration of the material parameters. The necessary material tests must be conducted on the foam system used for the component. The parameters also have to be validated by applicationoriented basic tests. Calibration and the validation should be supervised by the component manufacturer and carried out by a test institute with the necessary equipment and experience. Following the implementation of the integration process, two different calculation models which are representative of the area of application of the foams - the bumper test according to NHTSA, Part 581 and the head impact test according to FMVSS 201 – demonstrate the productive use.
Im Rahmen dieser Dissertationsarbeit wurden 2,6-Bis(pyrazol-3-yl)pyridinliganden im Ligandenrückgrat und in N-Position funktionalisiert, um chirale C2-symmetrische tridentate Liganden mit Stickstoffdonoratomen bzw. bifunktionelle pentadentate Liganden mit Stickstoff- und Phosphordonoratomen zu generieren. Die C2-symmetrischen tridentaten Liganden wurden mit Eisen(II)- und Ruthenium(II)vorstufen zu monometallischen Katalysatoren umgesetzt. Diese wurden erfolgreich in der Hydrosilylierung und Transferhydrierung von Carbonylverbindungen angewendet. Ebenso wurden erste Untersuchungen der Reaktionsmechanismenverläufe durchgeführt. Mit Hilfe der gut zugänglichen bifunktionellen Bispyrazolylpyridinliganden konnten zahlreiche mono- und multimetallische Übergangsmetallkomplexverbindungen synthetisiert und teilweise auf Kooperativität in der katalytischen Reduzierung von Ketonen getestet werden. Dabei wurde bei den durchgeführten Hydrierungs- und Transferhydrierungsreaktionen eine deutliche Aktivitätssteigerung einiger multimetallischer Katalysatoren im Vergleich zu deren monometallischen Derivaten beobachtet. Durch geschickte Wahl der Übergangsmetallkombinationen konnten zusätzlich erste Erkenntnisse über die Kooperativität innerhalb der multimetallischen Katalysatoren gewonnen werden.
Der zunehmende Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen sowie die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen stellen die Niederspannungsnetze vor neue Herausforderungen. Neben der Einhaltung des zulässigen Spannungsbands führen Erzeugungsanlagen und neue Lasten zu einer zunehmenden thermischen Auslastung der Leitungen. Einfache, konventionelle Maßnahmen wie Topologieänderungen zu vermascht betriebenen Niederspannungsnetzen sind ein erster hilfreicher und kostengünstiger Ansatz, bieten aber keinen grundsätzlichen Schutz vor einer thermischen Überlastung der Betriebsmittel. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption eines Spannungs- und Wirkleistungsreglers für vermaschte Niederspannungsnetze. Durch den Regler erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen und Ströme in einzelnen Messpunkten des Niederspannungsnetzes. Mit Hilfe eines speziellen Kennlinienverfahrens kann eine Leistungsverschiebung in einzelnen Netzmaschen hervorgerufen und vorgegebene Soll- oder Grenzwerte eingehalten werden. In vorliegender Arbeit werden die analytischen Grundlagen des Reglers, seine Hardware sowie das Kennlinienverfahren zusammen mit den realisierbaren Regelkonzepten vorgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationsstudien, Labor- und Feldtests stellen die Effektivität des Reglers eindeutig dar und werden diskutiert.
Die Funktion der c-di-GMP modulierenden Membranproteine NbdA und MucR in Pseudomonas aeruginosa
(2019)
NbdA und MucR sind Multi-Domänenproteine aus Pseudomonas aeruginosa. Beide Proteine besitzen eine ähnliche Domänenorganisation mit einer N-terminalen, membranständigen
MHYT-Domäne sowie einer GGDEF- und einer EAL-Domäne im Cytoplasma. Die
cytosolischen Domänen von MucR sind beide aktiv, während NbdA neben der intakten
EAL-Domäne eine degenerierte GGDEF-Domäne mit dem Motiv AGDEF aufweist. Bioinformatischen
Vorhersagen zufolge soll die MHYT-Domäne eine sensorische Funktion für diatomische Gase wie Stickstoffmonoxid oder Sauerstoff vermitteln. Die phänotypische Charakterisierung der markerlosen PAO1-Deletionsmutanten \(Delta\)nbdA, \(Delta\)mucR und \(Delta\)nbdA \(Delta\)mucR zeigte, dass NbdA und MucR nicht in die NO-induzierte
Dispersion involviert sind. Ebenso konnte in einem neu etablierten heterologen in-vivo-System in E. coli keine NO-sensorische Funktion der Proteine detektiert werden. Im Weiteren wurde festgestellt, dass die MHYT-Domäne keinen ersichtlichen Einfluss auf die
Enzymaktivität von NbdA und MucR unter aeroben Bedingungen hat. Demzufolge fungiert
die Membrandomäne vermutlich weder als Sensor für Sauerstoff, noch für NO. Anhand heterologer Komplementationstests konnte eine PDE-Aktivität des NbdA-Volllängenproteins
nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass die degenerierte AGDEF-Domäne einen regulatorischen Effekt auf die EAL-Domäne hat, der essentiell für die in-
vivo-Aktivität von NbdA ist. In-vivo-Untersuchungen bestätigten die postulierte DGC-Aktivität von MucR. Weiterhin konnte belegt werden, dass MucR ein bifunktionelles Enzym
ist. Entgegen den Erwartungen scheint es jedoch im Planktonischen als DGC und im
Biofilm als PDE zu fungieren.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Charakterisierung der homologen Überexpression
von nbdA in P. aeruginosa, welche teilweise unerwartete Phänotypen ergab. Anhand
der homologen Überproduktion einer inaktiven NbdA-Variante stellte sich heraus, dass die
Hemmung der Motilität unabhängig von der Aktivität von NbdA auftritt. Massenspektrometrische
Analysen deuteten daraufhin, dass NbdA lokal c-di-GMP hydrolysiert. Diese
Ergebnisse implizieren, dass NbdA eine Trigger-PDE ist, deren primäre Funktion die Regulation
anderer makromolekularer Zielmoleküle ist. In Pseudomonas fluorescens Pf0-1 ist bekannt, dass das NbdA-Homolog Pfl01_1252 mit den Homologen von MucR (Pfl01_2525) und SadC (Pfl01_4451) interagiert. Ergebnisse einer früheren Arbeit lassen eine Interaktion
von NbdA und SadC ebenso in P. aeruginosa vermuten. Daher ist denkbar, dass sich
NbdA im gleichen Netzwerk wie MucR und SadC befindet und deren Aktivität reguliert.
Anwenderunterstützung bei der Nutzung und Überprüfung von optischen 3D-Oberflächenmessgeräten
(2019)
Technische Oberflächen werden mit immer komplexeren, dreidimensionalen Strukturen hergestellt, um gewünschte Funktionseigenschaften zu erhalten. Mit taktilen Rauheitsmessgeräten lassen sich diese allerdings nur schwer charakterisieren. Besser eignen sich hierfür optische Rauheitsmessgeräte, die die Oberfläche flächenhaft erfassen können. Diese unterscheiden sich allerdings in ihren Eigenschaften und Einstellungen von den in der Industrie bekannten und bewährten taktilen Systemen. Daher wird in dieser Arbeit ein Assistenzsystem vorgestellt, das die Anwender unterstützt, ihr optisches Rauheitsmessgerät sicher und normgerecht nach DIN EN ISO 25178 einzusetzen.Das Assistenzsystem führt Schritt für Schritt durch die Planung einer Messaufgabe, durch die Überprüfung zur Kontrolle der korrekten Funktion des Gerätes und der Eignung für die Messaufgabe, und im letzten Schritt durch die normgerechte Auswertung der Messung, um die gewünschten 3D-Oberflächenkennwerte zu erhalten.
In modern algebraic geometry solutions of polynomial equations are studied from a qualitative point of view using highly sophisticated tools such as cohomology, \(D\)-modules and Hodge structures. The latter have been unified in Saito’s far-reaching theory of mixed Hodge modules, that has shown striking applications including vanishing theorems for cohomology. A mixed Hodge module can be seen as a special type of filtered \(D\)-module, which is an algebraic counterpart of a system of linear differential equations. We present the first algorithmic approach to Saito’s theory. To this end, we develop a Gröbner basis theory for a new class of algebras generalizing PBW-algebras.
The category of mixed Hodge modules satisfies Grothendieck’s six-functor formalism. In part these functors rely on an additional natural filtration, the so-called \(V\)-filtration. A key result of this thesis is an algorithm to compute the \(V\)-filtration in the filtered setting. We derive from this algorithm methods for the computation of (extraordinary) direct image functors under open embeddings of complements of pure codimension one subvarieties. As side results we show how to compute vanishing and nearby cycle functors and a quasi-inverse of Kashiwara’s equivalence for mixed Hodge modules.
Describing these functors in terms of local coordinates and taking local sections, we reduce the corresponding computations to algorithms over certain bifiltered algebras. It leads us to introduce the class of so-called PBW-reduction-algebras, a generalization of the class of PBW-algebras. We establish a comprehensive Gröbner basis framework for this generalization representing the involved filtrations by weight vectors.
Linking protistan community shifts along salinity gradients with cellular haloadaptation strategies
(2019)
Salinity is one of the most structuring environmental factors for microeukaryotic communities. Using eDNA barcoding, I detected significant shifts in microeukaryotic community compositions occurring at distinct salinities between brackish and marine conditions in the Baltic Sea. I, furthermore, conducted a metadata analysis including my and other marine and hypersaline community sequence data to confirm the existence of salinity-related transition boundaries and significant changes in alpha diversity patterns along a brackish to hypersaline gradient. One hypothesis for the formation of salinity-dependent transition boundaries between brackish to hypersaline conditions is the use of different cellular haloadaptation strategies. To test this hypothesis, I conducted metatranscriptome analyses of microeukaryotic communities along a pronounced salinity gradient (40 – 380 ‰). Clustering of functional transcripts revealed differences in metabolic properties and metabolic capacities between microeukaryotic communities at specific salinities, corresponding to the transition boundaries already observed in the taxonomic eDNA barcoding approach. In specific, microeukaryotic communities thriving at mid-hypersaline conditions (≤ 150 ‰) seem to predominantly apply the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy by accumulating compatible solutes to counteract osmotic stress. Indications were found for both the intracellular synthesis of compatible solutes as well as for cellular transport systems. In contrast, communities of extreme-hypersaline habitats (≥ 200 ‰) may preferentially use the ‘high-salt-in’ strategy, i. e. the intracellular accumulation of inorganic ions in high concentrations, which is implied by the increased expression of Mg2+, K+, Cl- transporters and channels.
In order to characterize the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy applied by protists in more detail, I conducted a time-resolved transcriptome analysis of the heterotrophic ciliate Schmidingerothrix salinarum serving as model organism. S. salinarum was thus subjected to a salt-up shock to investigate the intracellular response to osmotic stress by shifts of gene expression. After increasing the external salinity, an increased expression of two-component signal transduction systems and MAPK cascades was observed. In an early reaction, the expression of transport mechanisms for K+, Cl- and Ca2+ increased, which may enhance the capacity of K+, Cl- and Ca2+ in the cytoplasm to compensate possibly harmful Na+ influx. Expression of enzymes for the synthesis of possible compatible solutes, starting with glycine betaine, followed by ectoine and later proline, could imply that the inorganic ions K+, Cl- and Ca2+ are gradually replaced by the synthesized compatible solutes. Additionally, expressed transporters for choline (precursor of glycine betaine) and proline could indicate an intracellular accumulation of compatible solutes to balance the external salinity. During this accumulation, the up-regulated ion export mechanisms may increase the capacity for Na+ expulsion from the cytoplasm and ion compartmentalization between cell organelles seem to happen.
The results of my PhD project revealed first evidence at molecular level for the salinity-dependent use of different haloadaptation strategies in microeukaryotes and significantly extend existing knowledge about haloadaptation processes in ciliates. The results provide ground for future research, such as (comparative) transcriptome analysis of ciliates thriving in extreme-hypersaline habitats or experiments like qRT-PCR to validate transcriptome results.
On the Effect of Nanofillers on the Environmental Stress Cracking Resistance of Glassy Polymers
(2019)
It is well known that reinforcing polymers with small amounts of nano-sized fillers is one of the most effective methods for simultaneously improving their mechanical and thermal properties. However, only a small number of studies have focused on environ-mental stress cracking (ESC), which is a major issue for premature failures of plastic products in service. Therefore, the contribution of this work focused on the influence of nano-SiO2 particles on the morphological, optical, mechanical, thermal, as well as envi-ronmental stress cracking properties of amorphous-based nanocomposites.
Polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocom-posites containing different amounts and sizes of nano-SiO2 particles were prepared using a twin-screw extruder followed by injection molding. Adding a small amount of nano-SiO2 caused a reduction in optical properties but improved the tensile, toughness, and thermal properties of the polymer nanocomposites. The significant enhancement in mechanical and thermal properties was attributed to the adequate level of dispersion and interfacial interaction of the SiO2 nanoparticles in the polymer matrix. This situation possibly increased the efficiency of stress transfer across the nanocomposite compo-nents. Moreover, the data revealed a clear dependency on the filler size. The polymer nanocomposites filled with smaller nanofillers exhibited an outstanding enhancement in both mechanical properties and transparency compared with nanocomposites filled with larger particles. The best compromise of strength, toughness, and thermal proper-ties was achieved in PC-based nanocomposites. Therefore, special attention to the influ-ence of nanofiller on the ESC resistance was given to PC.
The ESC resistance of the materials was investigated under static loading with and without the presence of stress-cracking agents. Interestingly, the incorporation of nano-SiO2 greatly enhanced the ESC resistance of PC in all investigated fluids. This result was particularly evident with the smaller quantities and sizes of nano-SiO2. The enhancement in ESC resistance was more effective in mild agents and air, where the quality of the deformation process was vastly altered with the presence of nano-SiO2. This finding confirmed that the new structural arrangements on the molecular scale in-duced by nanoparticles dominate over the ESC agent absorption effect and result in greatly improving the ESC resistance of the materials. This effect was more pronounced with increasing molecular weight of PC due to an increase in craze stability and fibril density. The most important and new finding is that the ESC behavior of polymer-based nanocomposites/ stress-cracking agent combinations can be scaled using the Hansen solubility parameter. Thus allowed us to predict the risk of ESC as a function of the filler content for different stress-cracking agents without performing extensive tests. For a comparison of different amorphous polymer-based nanocomposites at a given nano-SiO2 particle content, the ESC resistance of materials improved in the following order: PMMA/SiO2 < PS/SiO2 < low molecular weight PC/SiO2 < high molecular weight PC/SiO2. In most cases, nanocomposites with 1 vol.% of nano-SiO2 particles exhibited the largest improvement in ESC resistance.
However, the remarkable improvement in the ESC resistance—particularly in PC-based nanocomposites—created some challenges related to material characterization because testing times (failure time) significantly increased. Accordingly, the superposition ap-proach has been applied to construct a master curve of crack propagation model from the available short-term tests at different temperatures. Good agreement of the master curves with the experimental data revealed that the superposition approach is a suitable comparative method for predicting slow crack growth behavior, particularly for long-duration cracking tests as in mild agents. This methodology made it possible to mini-mize testing time.
Additionally, modeling and simulations using the finite element method revealed that multi-field modeling could provide reasonable predictions for diffusion processes and their impact on fracture behavior in different stress cracking agents. This finding sug-gests that the implemented model may be a useful tool for quick screening and mitigat-ing the risk of ESC failures in plastic products.
Die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden werden
in erheblichem Maß durch die Eigenschaften der Grenzfläche bestimmt. Oftmals ist die
Grenzfläche sogar das schwächste Element. Eine zuverlässige Beschreibung der mechanischen
Grenzflächenqualität ist von großer Bedeutung für die Wahl optimaler Werkstoffkombinationen
und Kontaktbildungsverfahren. Bei mechanisch-technologischen Charakterisierungsmethoden
unterliegen die Zielgrößen, wie etwa die Grenzflächenscherfestigkeit, oftmals
einer starken Streuung. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb das Konzept der linearelastischen
Bruchmechanik zur Grenzflächencharakterisierung herangezogen. Für die dazu
notwendige Spannungsanalyse des Prüfkörpers mit einem öffnungsdominierten Grenzflächenriß
werden FE-Modelle erstellt. Im Nachgang zu Experiment und Datenreduktion werden die
Voraussetzungen für die Anwendbarkeit des linear-elastischen Konzeptes verifiziert.
Da die Grenzflächenzähigkeit c G empfindlich von der Zweiachsigkeit ψ des örtlichen Beanspruchungszustandes
abhängt, wird eine Belastungseinrichtung konzipiert, mit der ψ im gesamten,
der linear-elastischen Bruchmechanik zugänglichen Mixed-Mode-Intervall stufenlos
variiert werden kann. Ergänzend zur Bestimmung der (ψ ) c G -Grenzflächenbruchkurve
wurde das Rißwachstum lichtmikroskopisch verfolgt und der Einfluß thermischer Eigenspannungen
abgeschätzt.
An nicht-linearen FE-Modellen wird der Einfluß des Rißuferkontaktes sowie des plastischen
Fließens als Kleinbereichstörung auf die Modenabhängigkeit der Grenzflächenbruchenergie
untersucht. In beiden Beispielen wird durch Annahme von Verzerrungskriterien im Inneren
der jeweiligen Nichtlinearitätszone eine Verbindung zwischen Festigkeitslehre und Bruchmechanik
hergestellt. Für den Fall der Kleinbereichplastizität werden außerdem die Ligamentnormalspannungen
im Rahmen eines weakest-link-Modells für rißbehaftete Körper bewertet.Es zeigt sich, daß die U-Gestalt der (ψ ) c G -Grenzflächenbruchkurve qualitativ nachvollzogen
werden kann, wenn man die Ligamentnormalspannungen als rißtreibende Kraft bewertet.
Für individuelle und nachhaltige Mobilität ist Leichtbau unverzichtbar. Die effiziente
Ressourcennutzung ist dafür eine technische Notwendigkeit. Das Gewicht eines
Fahrzeugs beeinflusst die Auslegung von Antriebsleistung, Speicherkapazität und
Strukturintegrität. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe ermöglichen über die
Kombination von gewichtsbezogen hoher Festigkeit eine Gewichtsreduktion. Durch
das Resin Transfer Molding Verfahren können entsprechende Komponenten in hoher
Stückzahl hergestellt werden. Zur weiteren Verbreitung des Werkstoffs ist eine
Reduktion der Herstellkosten notwendig. In dieser Arbeit werden zu diesem Zweck
werkzeugseitige Fließkanäle untersucht. Diese verkürzen den Fließweg, den das Fluid
durch die niedrigpermeable Verstärkungsstruktur fließen muss. Zur Charakterisierung
der Auswirkung von Fließkanälen auf den Fließfrontverlauf und die Injektionszeit wird
ein Versuchswerkzeug mit transparenten Werkzeughälften verwendet. Dadurch
können Fließfrontverläufe quantitativ mit einer Auflösung von einem Zeitwert pro 0,14
mm2 miteinander verglichen werden. Eine parabolische Querschnittsform ist
hinsichtlich dem Verhältnis von Ersatzpermeabilität und Querschnittsflächengröße
optimal. Eine kontinuierliche Vergrößerung der Fließkanalquerschnittsgröße wirkt sich
degressiv auf die Injektionszeit aus. Dadurch kann der Zusammenhang zwischen
Fließkanalquerschnittsgröße und Permeabilität der Verstärkungsstruktur quantifiziert
werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Reduktion des Fließwegs mit Hilfe von
Fließkanälen auch die Auswirkung von Falten in der Verstärkungsstruktur auf den
Fließfrontverlauf minimiert. Bei der Untersuchung verschiedener, möglicher
Einflussparameter auf die Fasereinschwemmung in Fließkanäle werden die Fließkanalquerschnittsgröße, Durchströmung und die relative Lagenorientierung
identifiziert. Durch die Verwendung von kleinen, schmalen Fließkanalquerschnitten
(Fließkanalbreite < 1,5 mm) kann eine Ondulation der Fasern vermieden werden.
Durch die kleinen Fließkanalquerschnitte kann die Erhöhung des Bauteilgewichts
minimiert werden. Die Versuchsergebnisse werden in Richtlinien zur Auslegung der
Fließkanalquerschnittsform und –größe zusammengefasst. Abschließend werden die
ermittelten Wirkzusammenhänge anhand eines Beispielbauteils, Stirnwand einer
Karosseriestruktur, validiert.
Most modern multiprocessors offer weak memory behavior to improve their performance in terms of throughput. They allow the order of memory operations to be observed differently by each processor. This is opposite to the concept of sequential consistency (SC) which enforces a unique sequential view on all operations for all processors. Because most software has been and still is developed with SC in mind, we face a gap between the expected behavior and the actual behavior on modern architectures. The issues described only affect multithreaded software and therefore most programmers might never face them. However, multi-threaded bare metal software like operating systems, embedded software, and real-time software have to consider memory consistency and ensure that the order of memory operations does not yield unexpected results. This software is more critical as general consumer software in terms of consequences, and therefore new methods are needed to ensure their correct behavior.
In general, a memory system is considered weak if it allows behavior that is not possible in a sequential system. For example, in the SPARC processor with total store ordering (TSO) consistency, all writes might be delayed by store buffers before they eventually are processed by the main memory. This allows the issuing process to work with its own written values before other processes observed them (i.e., reading its own value before it leaves the store buffer). Because this behavior is not possible with sequential consistency, TSO is considered to be weaker than SC. Programming in the context of weak memory architectures requires a proper comprehension of how the model deviates from expected sequential behavior. For verification of these programs formal representations are required that cover the weak behavior in order to utilize formal verification tools.
This thesis explores different verification approaches and respectively fitting representations of a multitude of memory models. In a joint effort, we started with the concept of testing memory operation traces in regard of their consistency with different memory consistency models. A memory operation trace is directly derived from a program trace and consists of a sequence of read and write operations for each process. Analyzing the testing problem, we are able to prove that the problem is NP-complete for most memory models. In that process, a satisfiability (SAT) encoding for given problem instances was developed, that can be used in reachability and robustness analysis.
In order to cover all program executions instead of just a single program trace, additional representations are introduced and explored throughout this thesis. One of the representations introduced is a novel approach to specify a weak memory system using temporal logics. A set of linear temporal logic (LTL) formulas is developed that describes all properties required to restrict possible traces to those consistent to the given memory model. The resulting LTL specifications can directly be used in model checking, e.g., to check safety conditions. Unfortunately, the derived LTL specifications suffer from the state explosion problem: Even small examples, like the Peterson mutual exclusion algorithm, tend to generate huge formulas and require vast amounts of memory for verification. For this reason, it is concluded that using the proposed verification approach these specifications are not well suited for verification of real world software. Nonetheless, they provide comprehensive and formally correct descriptions that might be used elsewhere, e.g., programming or teaching.
Another approach to represent these models are operational semantics. In this thesis, operational semantics of weak memory models are provided in the form of reference machines that are both correct and complete regarding the memory model specification. Operational semantics allow to simulate systems with weak memory models step by step. This provides an elegant way to study the effects that lead to weak consistent behavior, while still providing a basis for formal verification. The operational models are then incorporated in verification tools for multithreaded software. These state space exploration tools proved suitable for verification of multithreaded software in a weak consistent memory environment. However, because not only the memory system but also the processor are expressed as operational semantics, some verification approach will not be feasible due to the large size of the state space.
Finally, to tackle the beforementioned issue, a state transition system for parallel programs is proposed. The transition system is defined by a set of structural operational semantics (SOS) rules and a suitable memory structure that can cover multiple memory models. This allows to influence the state space by use of smart representations and approximation approaches in future work.
In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten von thermoplastischen
Verbundwerkstoffen mittels experimentellen und numerischen Untersuchungen
betrachtet. Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Identifikation und Quantifikation
des Versagensverhaltens und der Energieabsorptionsmechanismen von geschichteten,
quasi-isotropen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden und die Umsetzung
der gewonnenen Einsichten in Eigenschaften und Verhalten eines Materialmodells zur
Vorhersage des Crash-Verhaltens dieser Werkstoffe in transienten Analysen.
Vertreter der untersuchten Klassen sind un- und mittel-vertreckte Rundgestricke und
glasfaserverstärkte Thermoplaste (GMT). Die Untersuchungen an rundgestrickten
glasfaser-(GF)-verstärktem Polyethylentherephthalat (PET) waren Teil eines
Forschungsprojektes zur Charakterisierung sowohl der Verarbeitbarkeit als auch des
mechanischen Verhaltens. Experimente an GMT und Schnittfaser-GMT wurden
ebenfalls zum Vergleich mit dem Gestrick durchgeführt und dienen als Bestätigung
des beobachteten Verhaltens des Gestrickes.
Besonderer Aufmerksamkeit wird der Einfluß der Probengeometrie auf die Resultate
gewidmet, weil die Crash-Charakteristiken wesentlich von der Geometrie des
getesteten Probekörpers abhängen. Hierzu wurde ein Rundhutprofil zur Untersuchung
dieses Einflußes definiert. Diese spezielle Geometrie hat insbesondere Vorteile
hinsichtlich Energieabsorptionsvermögen sowie Herstellbarkeit von thermoplastischen
Verbundwerkstoffen (TPCs). Es wurden Impakt- und Perforationsversuche zur
Untersuchung der Schädigungsausbreitung und zur Charakterisierung der Zähigkeit
der untersuchten Materialien durchgeführt.
Geschichtete TPCs versagen hauptsächlich in einem Laminat-Biegemodus mit
kombiniertem intra- und interlaminaren Schub (transversaler Schub zwischen Lagen und teilweise mit transversalen Schubbrüchen in einzelnen Lagen). Durch eine
Kopplung der aktuellen Versagensmodi und Crash-Kennwerten wie der mittleren
Crash-Spannung, konnten Indikationen über die Relation zwischen Materialparameter
und absoluter Energieabsorption gewonnen werden.
Numerische Untersuchungen wurden mit einem expliziten Finiten Elemente-
Programm zur Simulation von dreidimensionalen, großen Verformungen durchgeführt.
Das Modell besteht bezüglich des Querschnittaufbaus aus einer mesoskopischen
Darstellung, die zwischen Matrix-zwischenlagen und mesoskopischen Verbundwerkstofflagen unterscheidet. Die Modellgeometrie stellt einen vereinfachten
Längsquerschnitt durch den Probekörper dar. Dabei wurden Einflüsse der Reibung
zwischen Impaktor und Material sowie zwischen einzelnen Lagen berücksichtigt.
Auch die lokal herrschende Dehnrate, Energie und Spannungs-Dehnungsverteilung
über die mesoskopischen Phasen konnten beobachtet werden. Dieses Modell zeigt
deutlich die verschiedenen Effekte, die durch den heterogenen Charakter des Laminats
entstehen, und gibt auch Hinweise für einige Erklärungen dieser Effekte.
Basierend auf den Resultaten der obengenannten Untersuchungen wurde ein
phänomenologisches Modell mit a-priori Information des inherenten
Materialverhaltens vorgeschlagen. Daher, daß das Crashverhalten vom heterogenen
Charakter des Werkstoffes dominiert wird, werden im Modell die Phasen separat
betrachtet. Eine einfache Methode zur Bestimmung der mesoskopischen Eigenschaften
wird diskutiert.
Zur Beschreibung des Verhaltens vom thermoplastischen Matrixsystem während
„Crushing“ würde ein dehnraten- und temperaturabhängiges Plastizitätsgesetz
ausreichen. Für die Beschreibung des Verhaltens der Verbundwerkstoffschichten wird
eine gekoppelte Plastizitäts- und Schädigungsformulierung vorgeschlagen. Ein solches
Modell kann sowohl den plastischen Anteil des Matrixsystems als auch das
„Softening“ - verursacht durch Faser-Matrix-Grenzflächenversagen und Faserbrüche -
beschreiben. Das vorgeschlagene Modell unterscheidet zwischen Belastungsfällen für
axiales „Crushing“ und Versagen ohne „Crushing“. Diese Unterteilung ermöglicht
eine explizite Modellierung des Werkstoffes unter Berücksichtigung des spezifischen
Materialzustandes und der Geometrie für den außerordentlichen Belastungsfall, der
zum progressiven Versagen führt.
Der Bevölkerungsrückgang in ländlichen Städten und Dörfern stellt die Gemeinden vor erhebliche Herausforderungen im Bereich der Daseinsvorsorge. So ist die Funktionalität leitungsgebundener Infrastrukturen der Abwasserentsorgung im Zuge einer starken, dispersen demographischen Entdichtung der Siedlungen nur mit betrieblichem Mehraufwand bis hin zu baulichen Systemanpassungen zu gewährleisten. Aktuelle Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel, wie längere Trockenperioden und immer häufiger und stärker auftretende Niederschlagsereignisse, ein gesteigertes Problembewusstsein zur Endlichkeit kostbarer Ressourcen, wie z.B. Wasser oder Phosphor sowie aktuelle energiepolitische Fragestellungen stellen die zentralisierte Systemkonzeption der kommunalen Abwasserentsorgung in dispersen Siedlungsstrukturen zusätzlich zur Disposition.
Die Bereitstellung, Konzeption, Finanzierung und der Betrieb kommunaler Infrastrukturen ist abhängig von den Bedarfsträgern. Im Zuge weitreichender, dynamischer und motivorientierter Migrationsbewegungen sind gerade ländliche Raumstrukturen von starker Abwanderung, insbesondere jüngerer Kohorten und zusätzlich von Überalterung und hohen Sterbeziffern betroffen. In Abhängigkeit der raumstrukturellen Beschaffenheit einzelner Städte und Dörfer und deren Lage im überörtlichen Sinne, können die Nutzungsmischung, Größe der Siedlungen und ebenso die altersstrukturelle Zusammensetzung der Einwohner sowie die Bevölkerungsdichte erheblich schwanken. Aus der Komposition von Bevölkerung, Raumfunktionen und Infrastrukturen ergeben sich ebenso unterschiedliche demographische Entwicklungsperspektiven, die im Rahmen dieser Arbeit szenariobasiert analysiert werden.
Die auf der de facto-Bevölkerung der ländlichen Modellstädte und -dörfer aufbauenden Demographieszenarien bilden die Basis der weiterführenden Untersuchung der kleinräumigen Auswirkungen auf deren Abwasserentsorgungssysteme. Der Untersuchungsansatz stützt sich auf eine umfassende Daten- und Analysebasis aus dem BMBF-Verbundprojekt SinOptiKom (2016). Die Synthese aus der de facto-Bevölkerung, ihrer Entwicklung durch kohortenspezifisches Migrationsverhalten, ihrer natürlichen Entwicklung sowie der SinOptiKom-Analyseergebnisse, zur Transformation der Abwasserentsorgungssysteme in den Modellgemeinden, bilden die Grundlage für die Ableitung und Diskussion möglicher Transformations- und Konsolidierungsstrategien der Gemeinden.
Den methodischen Schwerpunkt der Untersuchung bildet die szenariobasierte Analyse, mit der sich mögliche zukünftige Entwicklungen im betrachteten Themenfeld sowohl quantitativ als auch graphisch abbilden und durch relevante Akteure der örtlichen, überörtlichen und fachlichen Planung diskutieren lassen, um daraus Handlungsstrategien abzuleiten.
Das Crashverhalten energieabsorbierender Strukturen aus faserverstärkten
Kunststoffen, die während ihres Gebrauchs wechselnden Temperaturen ausgesetzt
sind, wurde bislang nur wenig erforscht. Typische Anwendungstemperaturen in der
Automobilindustrie, ausgenommen Bauteile, welche direkt mit dem Motor verbunden
sind, bewegen sich zwischen -40 und 100 °C. Da ein polymeres Matrixsystem in
diesem Temperaturbereich stark veränderliche Festigkeiten und Steifigkeiten
aufweist, variieren auch die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-
Verbundes (FKV). Dies gilt insbesondere bei Druckbelastungen, da gerade hier die
Fasern auf die Stützwirkung der Matrix angewiesen sind.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des
Crashverhaltens gewebeverstärkter Thermoplaste und deren numerischer Simulation
unter dem Einfluss der Umgebungstemperatur. Da Faser-Kunststoff-Verbunde beim
Crashvorgang ein stark von der Belastungsgeschwindigkeit abhängiges Kraftniveau
aufweisen, muss die Crashprüfung im relevanten Geschwindigkeitsbereich oberhalb
ca. 4 km/h durchgeführt werden können. Hierzu wird die Crashanlage der Institut für
Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) um eine Klimatisierungseinrichtung für Crashversuche
erweitert.
Die Versuche werden erstmals an Strukturen aus glas- und kohlenstoffgewebeverstärkten
technischen Thermoplasten (verschiedene Polyamide und Polycarbonat)
im Temperaturbereich zwischen –30 und 90 °C durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass
die Umgebungstemperatur einen deutlichen Einfluss auf das Crashverhalten hat und
bei der Auslegung energieabsorbierender Strukturen berücksichtigt werden muss.
Die hierfür verantwortlichen Materialparameter werden identifiziert, um eine Aussage
über geeignete Faser-Matrix-Kombinationen für temperaturbelastete Bauteile treffen
zu können.
Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind:
• Die Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls der Matrix und die Crashkennwerte des Verbundes (Mittelkraft und spezifisch absorbierte Energie) stehen
in direktem Zusammenhang. Dies gilt insbesondere beim Versagen des FKV im
Laminatbiegemode.
• Teilkristalline Thermoplaste, auch hochtemperaturbeständige Thermoplaste wie
PEEK, eignen sich wegen der starken Abhängigkeit des Schubmoduls von der
Temperatur nur begrenzt als Matrixsystem für crashbelastete Strukturen.
• Amorphe Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur über der Einsatztemperatur
des Absorbers liegt, zeigen nur einen geringen Abfall des Kraftniveaus
bei zunehmender Temperatur und sind daher zu bevorzugen.
Die derzeit in FE-Programmen implementierten Materialmodelle ermöglichen nicht
die gewünschte Prognosefähigkeit bei der Crashsimulation von Strukturen aus
gewebeverstärkten Thermoplasten, da die komplexen Versagensmechanismen nicht
erfasst werden. Am Beispiel von kohlenstoffgewebeverstärktem Polyamid 12 wird
das Versagensverhalten der experimentell untersuchten Crashabsorber analysiert
und die erforderlichen crashrelevanten Kennwerte ermittelt. Dabei ist das Nachversagensverhalten
unter Druckbelastung von besonderer Bedeutung. Um dieses zu
untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Druckversuch definiert und eine
Vorgehensweise zur Bestimmung der erforderlichen Versagensparameter vorgestellt.
Die erzielten Simulationsergebnisse korrelieren mit den experimentell ermittelten
Werten im untersuchten Temperaturbereich sehr gut.
Die Arbeit entstand vor dem Hintergrund, daß bestehende Verschleißmodelle sich nicht
beliebig auf jedes tribologische System übertragen lassen. Aus diesem Grund sollte auf Basis
der finiten Elemente ein Werkzeug zum grundlegenden Verständnis der Gleitverschleißmechanismen
geschaffen werden, welches systemunabhängig einsetzbar ist.
Zur Gleitverschleißmodellierung mit Hilfe der Methode der finiten Elemente (FE) mußte
vorab eine genaue Bestimmung der Verschleißmechanismen sowie der Materialkennwerte zur
Charakterisierung der Kontaktverhältnisse von Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) / Stahl
Reibpaarungen durchgeführt werden. Die Reibungs- und Verschleißeigenschaften des
genannten tribologischen Systems wurden mittels Modellverschleißversuchen nach dem Stift-
Scheibe-Verfahren innerhalb eines Temperaturbereiches von Raumtemperatur bis T=180°C
bestimmt. Eine mechanische Charakterisierung erfolgte anhand von Zug-, Druck- und
Scherversuchen auf einer statischen Prüfmaschine. Die verschlissenen Probenoberflächen
wurden anschließend mit verschiedenen mikroskopischen Verfahren charakterisiert.
Wichtigstes Ergebnis dieser Untersuchungen war die starke Abhängigkeit des
Verschleißbetrages und der wirkenden Verschleißmechanismen von der Faserorientierung
und der Prüftemperatur.
Zur Berechnung der Spannungszustände im Reibkontakt wurde ein dreidimensionaler
anisotroper Kontaktalgorithmus entwickelt. Zur Überprüfung dieses Kontaktalgorithmus
wurden Kugeleindruckversuche an endlos kohlenstoffaserverstärktem PEEK durchgeführt. Es
konnte gezeigt werden, daß die Modellierung sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen
übereinstimmte.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde dieser Algorithmus zur Modellierung der wahren
Kontaktverhältnisse herangezogen. Eine mikromechanische Charakterisierung der Materialien
sowie die Bestimmung der Verschleißmechanismen unter Einzelrauhigkeitsspitzenkontakt wurde mit Hilfe von Mikrohärteversuchen bzw. Kratzversuchen durchgeführt. Die Ergebnisse
der Spannungsanalyse bestätigen die experimentell ermittelten Versagens- bzw.
Verschleißmechanismen unter Belastung einzelner Rauhigkeitsspitzen. Im Falle normaler
Faserorientierung fanden Spannungsüberhöhungen in den Fasern und im Faser/Matrix-
Grenzbereich statt, welche zu Faserbruch und Faser/Matrix-Delamination führen können. Unter paralleler und antiparalleler Faserorientierung wurden die Fasern hauptsächlich
Biegung ausgesetzt. Weiterhin herrschten im Faser/Matrix-Grenzbereich Scherspannungen,
die zu Faser/Matrix-Delamination führen.
Eine Modellierung des thermischen Verhaltens einer CF/PEEK - Stahl - Reibpaarung zeigte,
daß im Kontaktbereich Schmelztemperaturen vorliegen können. Weiterhin war eine starke
Abhängigkeit des Wärmeflusses von der Faserorientierung zu verzeichnen. Anhand der
Definition von Peclet-Nummern für anisotrope Verbundwerkstoffe konnte, abhängig von der
Faserorientierung, zwischen langsam und schnell gleitenden Reibpaarungen unterschieden
werden.
Es konnte gezeigt werden, daß sich mit Hilfe der Methode der finiten Elemente über
herrschende Spannungszustände in sehr guter Annäherung die Gleitverschleißmechanismen
von CF/PEEK - Stahl - Reibpaarungen beschreiben lassen. Letze Aufgabe bleibt nun die
Bestimmung einer Kenngröße zur Abschätzung des Materialverschleißes in Abhängigkeit von
den Spannungszuständen im Mikrobereich.
Fibre Reinforced Composites (FRC) have gained in importance for the past several years. Due
to its high specific strength this material group offers great potentials in weight reduction. Not
only metals, like steel or aluminium, but also wood or plastics can be substituted by FRC. The
advantages of fibre reinforced composites range from low specific weight, chemical and
corrosion resistance, adjustable electrical, acoustic and thermal properties to integration of
functions by integral design.
Composites are separated into thermosets that can be cured, and thermoplastics that can be
melted and thermoformed. Thermosets can not be recycled by preheating and forming,
pressing or injection moulding like thermoplastics. Especially in view of the regulation
concerning the disposal of wrecked cars the possibility to recycle Fibre Reinforced
Thermoplastics (FRT) should increase their applications and sales.
Large sales volumes are achieved using Glass Mat reinforced Thermoplastics (GMT) or Long
Fibre reinforced Thermoplastics (LFT). This material is utilised in the manufacturing of parts
like front ends and underbody protections for the automotive industry. But GMT and LFT
have lower mechanical properties than fabric reinforced thermoplastics, so-called organic
sheets.
These fully impregnated organic sheets consist of reinforcement up to 50 Vol%. The semifinished
material is manufactured in double belt or static presses. In a second step the sheets
or laminates are formed to the desired shape by heating them in an infrared-heater, then
transferring them into a press for quick forming. After the temperature of the component has
dropped below the recristallisation temperature it can be removed and trimmed. The cycle
time of the forming step is very short and can be reduced to 20 s with a fully automated
manufacturing line. For applications like side tail units a welding or glueing process follows.
Organic sheets have a homogenous thickness. When a part is designed, the logical way is to
have more material in areas of high stresses and less material in areas of no or low stresses.
For material with high specific stiffness and strength, material thickness is also an important
factor for an optimisation of weight and cost reduction. For other processes like Liquid
Composites Moulding (LCM), GMT or Sheet Moulding Compound (SMC) part
manufacturing with differing wall thickness is state of the art.A one step technology to manufacture load and weight optimised parts has been developed by
bringing in stiffened elements locally for force introduced parts like bearing places or inserts.
Plain sheets, profiles or force introducing are practicable as joining parts to increase the
stiffness of the main sheet. This so-called Tailored Blank Technology (TBT) is discussed in
this thesis.
Tailored Blank Technology means forming and joining in one step. Therefore, a special tool
with three beads and four inserts was manufactured. Three of the inserts have the geometry of
plain sheets or L-profiles and one insert has a round shape. Cylinders are fixed within the
female mould, applying pressure to the inserts. The hydraulic pressure system is adjustable.
An insulation is placed between the female mould and the additional sheets or inserts.
Without insulation it is not possible to heat the inserts above melting temperature.
The Tailored Blank Technology works as follows: The organic sheet is positioned in the
transportation frame. The inserts are placed in the female mould. Then the organic sheet is
heated in an external infrared-heater and the inserts are heated by an infrared-heater, which is
positioned in the press between the mould halves. Sheets and inserts are heated at the same
time, but the inserts are heated from the top surface only. After reaching the desired laminate
temperatures the infrared-heater in the press is removed and the organic sheet is transported
into the press. After forming the organic sheet comes in contact with the inserts and is joined
together. During transportation the laminates cool down at the surfaces. While forming the
organic sheet, it contacts the inserts and the laminates reach their contact or bonding
temperature. Then the temperature of the laminates adapts because of the heat flow from one
sheet to another. The whole cycle requires the same amount of time as the simple forming
step without joining.
First, thermodynamical investigation to determine the contact temperatures of the organic sheet and the inserts was made. The following conditions were assumed: The laminate size is
very large compared to the laminate thickness, therefore heat is only transferred into the top
or bottom surface of the laminates. The heat at the sides is negligible. These conditions are
locally constant for the heat flow process. Thus a one dimensional heat flow in direction of
the laminate is considered. For reflection of the transient heat flow the specific heat capacity,
the density and the coefficient of conductivity of the laminates were determined.
Cell migration is essential for embryogenesis, wound healing, immune surveillance, and
progression of diseases, such as cancer metastasis. For the migration to occur, cellular
structures such as actomyosin cables and cell-substrate adhesion clusters must interact.
As cell trajectories exhibit a random character, so must such interactions. Furthermore,
migration often occurs in a crowded environment, where the collision outcome is deter-
mined by altered regulation of the aforementioned structures. In this work, guided by a
few fundamental attributes of cell motility, we construct a minimal stochastic cell migration
model from ground-up. The resulting model couples a deterministic actomyosin contrac-
tility mechanism with stochastic cell-substrate adhesion kinetics, and yields a well-defined
piecewise deterministic process. The signaling pathways regulating the contractility and
adhesion are considered as well. The model is extended to include cell collectives. Numer-
ical simulations of single cell migration reproduce several experimentally observed results,
including anomalous diffusion, tactic migration, and contact guidance. The simulations
of colliding cells explain the observed outcomes in terms of contact induced modification
of contractility and adhesion dynamics. These explained outcomes include modulation
of collision response and group behavior in the presence of an external signal, as well as
invasive and dispersive migration. Moreover, from the single cell model we deduce a pop-
ulation scale formulation for the migration of non-interacting cells. In this formulation,
the relationships concerning actomyosin contractility and adhesion clusters are maintained.
Thus, we construct a multiscale description of cell migration, whereby single, collective,
and population scale formulations are deduced from the relationships on the subcellular
level in a mathematically consistent way.
In jüngerer Vergangenheit wurden Konzepte zur Bestimmung der erforderlichen
Bewehrung zur Begrenzung der Rissbreite in dicken Bauteilen erarbeitet und in den
aktuellen Bemessungsnormen des Stahlbeton- und Spannbetonbaus verankert. Mit
Hilfe dieser Konzepte ist es möglich, dicke Bauteile gegenüber den bislang
angewendeten Bemessungsverfahren sinnvoll zu bewehren.
Stahlbetonhochbaudecken zählen jedoch in der Regel zu den schlanken Bauteilen und
somit nicht zu der Kategorie von Bauteilen, für die die neuen Bemessungsansätze
entwickelt wurden. Dennoch sind sie es, die den Massenverbrauch in den Tragwerken
von Hochbauten dominieren. Die Auslegung von Stahlbetondecken spielt somit eine
entscheidende Rolle im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und die Umweltfreundlichkeit
von Hochbauten.
Stahlbetonhochbaudecken sind im Regelfall einer kombinierten Beanspruchung aus
Last und Zwang unterworfen. Die hierbei für die Bemessung erforderliche Größe der
Zwangkraft kann angesichts ihrer direkten Verknüpfung mit der Steifigkeit nur mit Hilfe
von physikalisch nichtlinearen Finite-Elemente-Berechnungen mit ausreichender
Genauigkeit abgeschätzt werden. Für Tragwerksplaner wäre ein solches Vorgehen im
Rahmen von realen Bauprojekten jedoch mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand
verbunden. In der Praxis ist es daher derzeit üblich, an jeder Stelle eines Bauteils den
größeren Wert derjenigen Bewehrungsquerschnitte einzulegen, die sich aus Last oder
aus Zwang ergeben. Die zur Aufnahme der Zwangbeanspruchungen erforderliche
Bewehrung wird hierbei basierend auf der Risskraft des jeweiligen Bauteils gewählt.
Dieses Vorgehen ist aber in vielen Fällen unwirtschaftlich und kann auch auf der
unsicheren Seite liegen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher die Frage nach einer geeigneten
Bewehrung für Hochbaudecken unter einer kombinierten Beanspruchung aus Last und
zentrischem Zwang experimentell und numerisch untersucht. Auf Basis der
gewonnenen Erkenntnisse aus den experimentellen und numerischen
Untersuchungen wird ein Näherungsverfahren ausgearbeitet, welches eine
wirklichkeitsnahe Abschätzung der Zwanglängskraft und somit eine wirtschaftliche und
sichere Wahl der Bewehrung zur Begrenzung der Rissbreite bei einachsig gespannten
Stahlbetonhochbaudecken erlaubt.
In der vorliegenden Arbeit wird die methodische Anwendung der Harzinjektionssimulation
beschrieben. Hierzu werden drei Hauptaspekte betrachtet.
Zunächst werden die im verwendeten Simulationsmodell getroffenen Vereinfachungen
auf ihre Auswirkung auf die Anwendung der Simulation untersucht. Für geringe
Fließgeschwindigkeiten bis zu 3 cm/s konnte das Gesetz von D’Arcy als grundlegendes
Fließmodell in kommerziell verfügbaren Simulationsprogrammen verifiziert werden.
Die Vereinfachung eines Punktangusses als ein Ein-Knoten-Modell ist hingegen
nicht zulässig, da dadurch eine Singularität im Modell entsteht. Durch ein vierknotiges
Angussmodell kann dieses Problem beseitigt werden.
Im zweiten Teil wird die Beschaffung der Eingabeparameter für die Simulation diskutiert.
Für die besonders schwierig zu messende ungesättigte Permeabilität in Dickenrichtung
wurde ein Modell entwickelt, um diese Permeabilität aus den gesättigten
Werten zu bestimmen, die in der Regel wesentlich einfacher zu ermitteln sind.
Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der methodischen Modellauswahl zur
Optimierung des Zeit- und Kostenaufwandes bei der Simulation. Es werden Kriterien
für die Modellauswahl entwickelt und diese anhand zweier sehr unterschiedlicher
Beispiele angewendet. Hierfür wird an einer PKW-Stirnwand für das RTM-Verfahren
und einem Hilfsspant eines Flugzeuges für das RFI-Verfahren die methodische Vorgehensweise
bei einer Harzinjektionssimulation demonstriert.
In this thesis the methodical application of liquid composite molding simulation is
discussed. The main focus is on three aspects: In the first part simplifications of the
simulation model and its influence on the application of the simulation will be shown.
The determination of the input parameters is the topic of the next part. The third section
deals with the methodical choice of simulation models to optimize cost and time
schedule. Using two quite different examples the proceeding in liquid composite
molding simulation is explained.
Basically the simulation could be verified. For both the unidirectional and the two
directional flow for lower and middle flow velocities a good correlation of simulation
and experiment was found. At velocities above 3 cm/s the fit of the simulation results
is significantly reduced. It can be assumed that increasing inertia and friction effects
influence the experimental results and therefore the creeping flow assumption in
D’Arcys law cannot be assumed to be valid. At higher flow velocities of the injected
fluid the simulation model has only a limited validity.
An interesting field was identified modeling an injection point in flow simulation. Using
the FEM it should not be described by a single node as one will obtain a singularity
and therefore unstable simulation results. To avoid this problem the injection port can
be modeled by using four nodes. This description of the injection gate provides sufficient
results.
A challenge in simulation technique is the determination of input parameters. Beside
some very easily obtained parameters such as injection pressure, viscosity of resin
or thermal properties of the used components the permeability of the reinforcement is
a key value. Especially in through thickness direction the for simulation very important
unsaturated permeability of the fiber preform is very difficult to measure due to
the short flow length and the complicated access to the flow front. However, the saturated permeability is comparatively easy to determine.
For unidirectional preforms a model was developed which is able to predict unsaturated
permeability derived by its saturated value. The model is based on an simple
parallel and serial set-up of single permeabilities of flow channel and fiber tows. The
different values of permeabilities in a saturated as well as an unsaturated case are resulting thereby from a compression of the fiber tow due to the surrounding liquid
pressure which leads to an expansion of the inter tow space. In order to describe this
effect a dimensionless compression factor κ is introduced which relates the volume of
the compressed tow to the initial state. When the flow occurs in fiber direction this
effect leads to a raising permeability due to the dominance of the flow channels in the
total permeability while in the case of flow in the perpendicular direction a reduction
can be observed because of the overall reduction of the permeability caused by the
reduction of the fiber tow permeability due to compression. This is due to the fact that
in this case the flow channels do not help the spread of the fluid in flow direction. The
model prediction for saturated and unsaturated flow could be verified in the experiment.
Under the assumption that for the flow in thickness direction we have a similar
flow mechanism as for the in-plane flow of the material perpendicular to the fiber
direction, the values for the unsaturated permeability can be calculated from the
values for the saturated permeability with this model.
A critical parameter of this model is the compression factor κ, which is a function of
the fiber volume fracture and the fluid pressure. For further developments of the
model this dependence has to be analyzed. The aim is here to find a model for the
compression of the fiber tow, so that the experimental determination can be replaced
by a calculation model.
In order to simplify the decision for the dimension of the Finite-Element-Model, an
analytic formula has been developed for the approximated error between the used
2D model and the 3D model. As parameters in this formula we have the relative flow
path (flow path related to the part thickness) and the ratio of the in-plane permeability
and the permeability in thickness direction. The formula is valid for an injection line
with impregnation in thickness direction of the perform.
In further works these results will have to be verified and adjusted for injection points.
A problematic aspect is the computation time as a complete three dimensional model
is required.
Finally the methodical optimization of two injection processes will be demonstrated
on two examples taken from practice. In the first one (front wall of a car) the aspect of
an error tolerant simulation will be discussed. While the simulation seemingly yields an optimal solution under the assumption of constant input values, significant short
comings can be shown for the necessary variation of the parameters due to measurement
errors or qualitative oscillations. Only when the range of all input parameters
is considered in simulation a reliable statement about the stability of the process can
be made. Furthermore, the possibilities of the injection system layout and of the
process optimization by adjustment of the process control will be discussed.
In the second example possibilities are shown to make statements about process
optimization via simulation despite unfavorable boundary conditions. The filling behavior
of a center fuselage side skin of a plane, which was produced with the RFItechnique,
was calculated with the use of a 2D calculation. For this a customized
algorithm was programmed which takes into account a simplified model of RFI. With
the help of this optimization the filling time could be reduced from 168 s to 5.3 s.
All in all the process simulation of resin injection techniques will be able to contribute
fundamentally to process optimization. The major shortcomings still exist in the determination
of parameters, especially in the determination of the permeability. In
order to establish the simulation in industry it will be necessary to do more research
on methods for determination of permeabilities without experiments in the preliminary
stages of the simulation. Only under these requirements the simulation will be attractive
for the user.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Steigerung der Nutzung von SMC als Werkstoff für Strukturbauteile in Pkw zu leisten. Zunächst wird der Stand des Wis- sens der SMC-Technologie dargestellt. Ebenso sind der aktuelle Stand der Crashsi- mulation aufgearbeitet und die verfügbaren Tools zur Berechnung des Verhaltens von Faserverbundkunststoffen beschrieben.
Aus diesem Zusammenhang erfolgt die Ableitung des Entwicklungsbedarfs zur Nut- zung von SMC als Werkstoff für Strukturbauteile. Zunächst werden das Crashver- halten und das Energieabsorptionsvermögen von SMC-Materialien verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Konfiguration untersucht: Standard-SMC- Materialien, SMC mit unidirektionaler Faserverstärkung, Leicht-SMC, Recyclat-SMC, flexibles SMC. Dabei werden verschiedene Probengeometrien (Rechteckrohr mit/ohne Flansch) bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten geprüft und die Ergebnisse analysiert. Diese Untersuchungen belegen, dass sich mit SMC Energie- absorptionskennwerte erreichen lassen, die über den Kennwerten klassischer Stähle liegen.
Als Fügeverfahren ist für Faserverbundstrukturen die Klebetechnik anzustreben. Aufgrund der Empfindlichkeit von Klebeverbindungen gegen schlagartige Beanspru- chung und der Bestätigung dieses Sachverhaltes bei den durchgeführten Crashver- suchen wurden die Klebeverbindungen der Rechteckrohrproben mit Flansch detail- liert untersucht. Da das Crashverhalten einer solchen Probe in starkem Maße von der Festigkeit der Verbindung abhängt, wurde eine Methode entwickelt, um die Crashtauglichkeit mit einem einfachen Versuch zu prüfen. Das Gesamtsystem (Fü- gepartner und Klebstoff) wurde hinsichtlich seiner Crasheignung bewertet.
lm Rahmen der Arbeiten zur Erstellung eines Modells zur numerischen Beschrei- bung des Materialverhaltens von SMC wurde ausgehend von Materialmodell MT54 in LS-DYNA ein modifiziertes Materialmodell für diesen Werkstoff entwickelt. Dazu erfolgte die Anpassung sowohl des Versagenskriteriums als auch des Nach- versagensverhaltens für SMC. Die Modellierung der Proben geschah nach Richtli- nien, die auch zukünftig bei größeren Strukturen Anwendung finden können. Die Va- lidierung des Materialmodells erfolgte anhand einfacher Rohrproben unter axialer Crashbelastung durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. ln den typi- schen Energieabsorptionskennwerten wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erreicht. lm Folgenden wurden die Anwendbarkeit des Modells im Rahmen der Crashanalyse eines SMC-Längsträgers getestet und Richtli- nien zur Auslegung von crashoptimierten Bauteilen aus SMC abgeleitet. Im letzten Kapitel werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst.
The aim of this thesis is the experimental investigation and numerical simulation of the crash behaviour of Sheet Moulding Compound (SMC) structures. The report is organised in three sections. The first section focuses on the experimental investiga- tion of the crash behaviour of rectangular SMC tubes with and without flange. The second section presents a test method to estimate the crash performance of adhe- sive joints of SMC. The third section deals with the development and use of a mate- rial model established for the crash simulation of SMC structures. All aspects focus on the fulfilment of typical requirements expected for materials with use in structural application of vehicles.
The experimental investigation included the measurement of standard material prop- erties and crash properties of eleven different SMC materials: six standard types with different fibre content, SMC with unidirectional reinforcement, flexible SMC, low den- sity SMC, natural fibre SMC and SMC with included recycled material. The crash specimen were rectangular tubes with and without flange with the following geomet- ric data: length 250 mm, wall thickness 3 mm, cross section of the tube 50x50 mm (with flange) or 50x25 mm (without flange). Both parts of each specimen were bonded with two different adhesives: a flexible PUR and a brittle EP adhesive. These adhesives were chosen in accordance with the pre-testing results. All crash speci- men were tested in quasistatic (100 mm/min) and dynamic (10 m/s) experimental set-up. All of them failed by progressive crushing with very homogeneous force- deformation curves. The energy absorption reached values up to 30 kJ/kg, which is a higher level than standard metals are able to provide. Special tests with an non axial impact demonstrated the crash capability of a non-optimised specimen up to a slope of 10°. Temperature and humidity reduce the crash performance with an maximum amount of about 17 % compared to vehicle specific boundary conditions.
The crash tests demonstrated the importance of a high quality bonding. The pro- gressive crushing of the rectangular tubes with flange is mainly influenced by the quality of the bonding areas. Some tests of this tubes - performed with other adhe- sives - led to a global and sudden failure of the whole bonding area. This experience led to the development of a new testing method for bonded fibre reinforced polymers (FRP). Literature study led to a transfer of the double cantilever beam testing of FRP to bonding testing of SMC. The state-of-the-art focuses on quasistatic testing. The method is extended to dynamic testing in a drop tower in experimental and theoreti- cal aspects, which allows to observe the crack growth in the adhesive joint while the specimen is under load. The analysis of the test results led to information about the crack-growth velocity, crack initiation energy and energy release rate. The compari- son of test results allows a ranking of adhesives concerning their capability for crashapplication. Different adhesives were included in this investigation. The results sup- ported the former choice of the fixed adhesives.
As mentioned before, today's design process requires the use of standard CAE methods such as crash simulation. The available simulation tools were not capable to consider any FRP-typical material properties. They focus on FRP laminates and need an alignment for each application of the tool. To improve the SMC crash simu- lation a standard material model (MT54 of LS-DYNA) was modified and adapted to SMC. The material is considered to be isotropic in plane. The maximum stress crite- rion proved to be valid for SMC failure in an axial loaded crash structure. The post failure behaviour is adapted to SMC under consideration of numerical based element deletion. The simulation results correspond very well with the test data from experi- ments with rectangular tube with and without flange. The force-deformation curves are quite similar. The used input parameters gave the same accuracy of results for all SMC with randomly distributed glass fibres. The modified simulation tool was veri- fied by the simulation of a longitudinal crash member made of SMC. This conical structure showed in the experiment an increase of the load level during progressive crushing. For the crash simulation of this structure the identical material set up was used as for the rectangular tubes. The results correspond very well with the experi- mental data. To support future development of crash loaded SMC parts an overview of rules to optimise such structures is given in a short summary.
A final conclusion in relation to the requirements for structural SMC parts leads to the following statements: SMC reaches a specific energy absorption level higher than standard metals. The developed test method allows the ranking of bonded SMC specimen concerning their crash performance. The new material model for the crash simulation of axial loaded SMC structures leads to a high level of conformity to ex- perimental data and appears to be very useful to design realistic structures.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde ein Lernzirkel entwickelt, der die Schulfächer Biologie und Erdkunde miteinander verknüpft. Er thematisiert die Angepasstheit von Pflanzen an klimatische Faktoren und stützt sich somit auf die Geobotanik als integrative Wissenschaft. Der Lernzirkel mit seinen 16 Stationen nutzt den außerschulischen Lernort „Botanischer Garten“ und ist in den Gewächshäusern des Fachbereichsgarten der Biologie der Technischen Universität Kaiserslautern verortet. Zielgruppe sind Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe der Biologie- und Erdkunde-Kurse. Eine Lehrplanpassung in beiden Fächern fundiert den fächerverbindenden Ansatz.
An den handlungsorientierten Stationen werden spezifische Fragestellungen anhand des Originals sowie mittels experimenteller Lernformen unter Anwendung fachwissenschaftlicher Arbeitsweisen in Partnerarbeit gelöst. Dabei erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die Stationen mittels einer Applikation auf einem Tablet-PC, die Informationen (Text-, Bild- und Videomaterial) bietet, sowie die interaktive Arbeit der Schülerinnen und Schüler an den Stationen sichert und dokumentiert. Neben dieser digitalen Umsetzung sorgen weitere methodische Unterrichtsprinzipien wie Realbezug und Primärerfahrung sowie ein Aufbau der Stationen vom Einfachen zum Komplexen für einen effektiven Wissenstransfer.
Durch die digitale Umsetzung kommt dem Instruktionsdesign und mediendidaktischen Entscheidungen bei der Entwicklung der Web-Applikation zum Lernzirkel entscheidende Bedeutung zu. Nach der Konzeption der Web-App auf Basis lerntheoretischer Grundlagen wurde im Rahmen der Erprobung des Lernzirkels ein schülerorientierter Ansatz zur Optimierung verfolgt. Unterstützt durch Videographie konnte der Lernzirkel weiterentwickelt werden und hat gezeigt, dass die Schülerinnen und Schüler die Inhalte motiviert und zielführend eigenständig erarbeiten.
Hardware Contention-Aware Real-Time Scheduling on Multi-Core Platforms in Safety-Critical Systems
(2019)
While the computing industry has shifted from single-core to multi-core processors for performance gain, safety-critical systems (SCSs) still require solutions that enable their transition while guaranteeing safety, requiring no source-code modifications and substantially reducing re-development and re-certification costs, especially for legacy applications that are typically substantial. This dissertation considers the problem of worst-case execution time (WCET) analysis under contentions when deadline-constrained tasks in independent partitioned task set execute on a homogeneous multi-core processor with dynamic time-triggered shared memory bandwidth partitioning in SCSs.
Memory bandwidth in multi-core processors is shared across cores and is a significant cause of performance bottleneck and temporal variability of multiple-orders in task’s execution times due to contentions in memory sub-system. Further, the circular dependency is not only between WCET and CPU scheduling of others cores, but also between WCET and memory bandwidth assignments over time to cores. Thus, there is need of solutions that allow tailoring memory bandwidth assignments to workloads over time and computing safe WCET. It is pragmatically infeasible to obtain WCET estimates from static WCET analysis tools for multi-core processors due to the sheer computational complexity involved.
We use synchronized periodic memory servers on all cores that regulate each core’s maximum memory bandwidth based on allocated bandwidth over time. First, we present a workload schedulability test for known even-memory-bandwidth-assignment-to-active-cores over time, where the number of active cores represents the cores with non-zero memory bandwidth assignment. Its computational complexity is similar to merge-sort. Second, we demonstrate using a real avionics certified safety-critical application how our method’s use can preserve an existing application’s single-core CPU schedule under contentions on a multi-core processor. It enables incremental certification using composability and requires no-source code modification.
Next, we provide a general framework to perform WCET analysis under dynamic memory bandwidth partitioning when changes in memory bandwidth to cores assignment are time-triggered and known. It provides a stall maximization algorithm that has a complexity similar to a concave optimization problem and efficiently implements the WCET analysis. Last, we demonstrate dynamic memory assignments and WCET analysis using our method significantly improves schedulability compared to the stateof-the-art using an Integrated Modular Avionics scenario.
Large-scale distributed systems consist of a number of components, take a number of parameter values as input, and behave differently based on a number of non-deterministic events. All these features—components, parameter values, and events—interact in complicated ways, and unanticipated interactions may lead to bugs. Empirically, many bugs in these systems are caused by interactions of only a small number of features. In certain cases, it may be possible to test all interactions of \(k\) features for a small constant \(k\) by executing a family of tests that is exponentially or even doubly-exponentially smaller than the family of all tests. Thus, in such cases we can effectively uncover all bugs that require up to \(k\)-wise interactions of features.
In this thesis we study two occurrences of this phenomenon. First, many bugs in distributed systems are caused by network partition faults. In most cases these bugs occur due to two or three key nodes, such as leaders or replicas, not being able to communicate, or because the leading node finds itself in a block of the partition without quorum. Second, bugs may occur due to unexpected schedules (interleavings) of concurrent events—concurrent exchange of messages and concurrent access to shared resources. Again, many bugs depend only on the relative ordering of a small number of events. We call the smallest number of events whose ordering causes a bug the depth of the bug. We show that in both testing scenarios we can effectively uncover bugs involving small number of nodes or bugs of small depth by executing small families of tests.
We phrase both testing scenarios in terms of an abstract framework of tests, testing goals, and goal coverage. Sets of tests that cover all testing goals are called covering families. We give a general construction that shows that whenever a random test covers a fixed goal with sufficiently high probability, a small randomly chosen set of tests is a covering family with high probability. We then introduce concrete coverage notions relating to network partition faults and bugs of small depth. In case of network partition faults, we show that for the introduced coverage notions we can find a lower bound on the probability that a random test covers a given goal. Our general construction then yields a randomized testing procedure that achieves full coverage—and hence, find bugs—quickly.
In case of coverage notions related to bugs of small depth, if the events in the program form a non-trivial partial order, our general construction may give a suboptimal bound. Thus, we study other ways of constructing covering families. We show that if the events in a concurrent program are partially ordered as a tree, we can explicitly construct a covering family of small size: for balanced trees, our construction is polylogarithmic in the number of events. For the case when the partial order of events does not have a "nice" structure, and the events and their relation to previous events are revealed while the program is running, we give an online construction of covering families. Based on the construction, we develop a randomized scheduler called PCTCP that uniformly samples schedules from a covering family and has a rigorous guarantee of finding bugs of small depth. We experiment with an implementation of PCTCP on two real-world distributed systems—Zookeeper and Cassandra—and show that it can effectively find bugs.
Im Rahmen der Energiewende werden eine Neustrukturierung des Energiesektors und eine grundlegende Transformation der elektrischen Energieversorgung erforderlich. Die volatile Erzeugung von Strom aus Wind und Sonne erfordert mit stetig steigendem Anteil an der Gesamtenergieproduktion einen immer höheren Bedarf an Flexibilität zur Stabilisierung der Stromnetze. Aus energetischer Sicht zeichnen sich Kläranlagen durch eine Vielfalt an Prozessen aus, bei denen Energie umgewandelt, gespeichert, bezogen und produziert wird.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis und vertieften Erkenntnissen an der Schnittstelle zwischen der Abwasser- und der Energiewirtschaft liefern, indem die Vereinbarkeit zwischen den Belangen der Abwasserreinigung und einem flexiblen Anlagenbetrieb sowie die Stromerzeugungs- und Flexibilitätspotenziale kommunaler Kläranlagen in Deutschland umfassend untersucht wurden.
Vor diesem Hintergrund wurden Erkenntnisse gewonnen, die zur Auswahl, Bewertung und möglichst sicheren Implementierung von typischen Aggregaten auf Kläranlagen herangezogen werden können, um durch einen anpassungsfähigen Anlagenbetrieb Flexibilität bereit zu stellen. Die zugrundeliegende Methodik wurde im Wesentlichen am Beispiel der Kläranlage Radevormwald entwickelt. Dabei wurden relevante Kennzahlen erarbeitet, die die klärtechnischen Anforderungen sowohl mit den technisch-physikalischen als auch energiemarktbedingten Anforderungen an die Aggregate in Einklang bringen. Ein wesentlicher Fokus liegt auf den abgeleiteten Restriktionen und Kontrollparametern, um einen sicheren Reinigungsbetrieb zu gewährleisten.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit konnte eine Vielzahl von Erkenntnissen an der Schnittstelle von Energie- und Abwasserwirtschaft gewonnen, bestätigt und zur Ableitung von Anwendungsempfehlungen genutzt werden. Die vorhandene Flexibilität auf Kläranlagen kommt für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten in Betracht. Damit können sie bereits heute und zukünftig verstärkt an Produkten der Energieversorgung und neuen Geschäftsmodellen teilhaben. Die untersuchten Aggregate weisen dabei je nach Verwendungszweck unterschiedliche Eignungen auf und nicht jedes Aggregat ist für jede Nutzungsoption einsetzbar. Die Ergebnisse belegen, dass Kläranlagen mit ihren Leistungsgrößen und verschiebbaren Energiemengen relevante Beiträge zur Energiewende leisten können und zu mehr in der Lage sind als, weitgehend losgelöst vom Energiemarkt und den sich dort abzeichnenden Änderungen, elektrische Energie nur zur eigenen Nutzung zu verwenden.
In the last decade, injection molding of long-fiber reinforced thermoplastics
(LFT) has been established as a low-cost, high volume technique for manufacturing
parts with complex shape without any post-treatment [1–3]. Applications
are mainly found in the automotive industry with a volume annually
growing by 10% to 15% [4].
While first applications were based on polyamide (PA6 and PA6.6), the market
share of glass fiber reinforced polypropylene (PP) is growing due to cost savings
and ease of processing. With the use of polypropylene, different processing
techniques such as gas-assisted injection molding [5] or injection compression
molding [6] have emerged in addition to injection molding [7, 8].
In order to overcome or justify higher materials costs when compared to short
fiber reinforced thermoplastics, the manufacturing techniques for LFT pellets
with fiber length greater than 10mm have evolved starting from pultrusion by
improving impregnation and throughput [9] or by direct addition of fiber strands
in the mold [10–12].
The benefit of long glass fiber reinforcement either in PP or PA is mainly due
to the enhanced resistance to fiber pull-out resulting in an increase in impact
properties and strength [13–19], even at low temperature levels [20]. Creep
and fatigue resistance are also substantially improved [21, 22].
The performance of fiber reinforced thermoplastics manufactured by injection
molding strongly depends on the flow-induced microstructure which is
driven by materials composition, processing conditions and part geometry.
The anisotropic microstructure is characterized by fiber fraction and dispersion,
fiber length and fiber orientation.
Facing the complexity of this processing technique, simulation becomes a precious
tool already in the concept phase for parts manufactured by injection
molding. Process simulation supports decisions with respect to choice of concepts
and materials. The part design is determined in terms of mold filling
including location of gates, vents and weld lines. Tool design requires the
determination of melt feeding, logistics and mold heating. Subsequently, performance
including prediction of shrinkage and warpage as well as structural
analysis is evaluated [23].
While simulation based on two-dimensional representation of three-dimensional
part geometry has been extensively used during the last two decades, the
complexity of the parts as well as the trend towards solid modelling in CAD
and CAE demands the step towards three-dimensional process simulation. The scope of this work is the prediction of flow-induced microstructure during
injection molding of long glass fiber reinforced polypropylene using threedimensional
process simulation. Modelling of the injection molding process in
three dimensions is supported experimentally by rheological characterization
in both shear and extensional flow and by two- and three-dimensional evaluation
of microstructure.
In chapter 2 the fundamentals of rheometry and rheology are presented with
respect to long fiber reinforced thermoplastics. The influence of parameters
on microstructure is described and approaches for modelling the state of microstructure
and its dynamics are discussed.
Chapter 3 introduces a rheometric technique allowing for rheological characterization
of polymer melts at processing conditions as encountered during
manufacturing. Using this rheometer, both shear and extensional viscosity of
long glass fiber reinforced polypropylene are measured with respect to composition
of materials, processing conditions and geometry of the cavity.
Chapter 4 contains the evaluation of microstructure of long glass fiber reinforced
polypropylene in terms of two-dimensional fiber orientation and its dependence
on materials parameters and processing condition. For the evaluation
of three-dimensional microstructure, a technique based on x-ray tomography
is introduced.
In chapter 5, modelling of microstructural dynamics is addressed. One-way
coupling of interactions between fluid and fibers is described macroscopically.
The flow behavior of fibers in the vicinity of cavity walls is evaluated experimentally.
From these observations, a model for treatment of fiber-wall interaction
with respect to numerical simulation is proposed.
Chapter 6 presents the application of three-dimensional simulation of the injection
molding process. Mold filling simulation is performed using a commercial
code while prediction of 3D fiber orientation is based on a proprietary module.
The rheological and thermal properties derived in chapter 3 are tested by
simulation of the experiments and comparison of predicted pressure and temperature
profile versus recorded results. The performance of fiber orientation
prediction is verified using analytical solutions of test examples from literature.
The capability of three-dimensional simulation is demonstrated based on the
simulation of mold filling and prediction of fiber orientation for an automotive
part.
Within Fibre Reinforced Plastics (FRP) manufacturing technologies, Liquid Composite
Moulding (LCM) describes a group of cost efficient processes that provide an outstanding
variety of possibilities for the manufacture of parts of virtually any size and
complexity. In addition to the classic pressure supported Resin Transfer Moulding
(RTM) process, techniques such as the VARTM (Vacuum Assisted RTM), the ARTM
(Advanced RTM) and the SCRIMP® (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process)
are well established. Each of the different techniques utilizes the same method – a
thermoset resin is injected into a mould containing the reinforcement. The impregnation
of the reinforcing structure by a resin in a closed mould permits the combination of a
wide range of matrix systems and reinforcing materials. With the gelation and curing of
the resin after the completed injection, the finished part is ready to be demoulded.
The overall process is influenced by many parameters including:
• the reinforcing structure,
• the viscosity and curing properties of the thermoset resin,
• the position of inlet and outlet,
• the pressure distribution throughout the mould and
• the geometry and size of the part.
Though the process chain has to be analysed as one – from the raw materials to the
finished part – the key step within that chain is the injection and impregnation of the porous
reinforcing structure within the closed mould. An inherent property of any porous
material characterized by its ability to let a fluid flow through under the driving force of a
pressure gradient, is the material’s permeability. Because it controls the propagation
velocity of the resin system in the mould, the permeability of the reinforcing material is
crucial for both understanding and modeling the RTM-process. Consequently, measurement and determination of the flow front propagation is necessary to further the development
of the LCM-process and to maximize high volume productions while maintaining
overall quality and process control.
The importance of the reinforcing structure and the effects on the RTM-process make it
clear that a separate evaluation of key characteristics such as permeability is the best way to understand the process. As such, characterizing the permeability of fibre structures
can offer valuable information about the general design of the preform structure as
well as the preform structure’s influence on permeability alterations.
Though the importance of an online control of the in-mould flow propagation processes
is recognized as an important tool, existing efforts to describe and control the flow front
position on a continuous basis have severe problems. Apart from others, the high temperatures
and pressures occurring, the thermosetting materials and their chemistry, as
well as the high geometrical complexity of moulds are issues to be taken into account
during the development of new mould integrated sensor systems.
A customized Capacitive Condensator Reading System (CCRS) provides the ability to
incorporate the above features with a continuous online determination of the flow-front
position in closed moulds. The condensator is integrated within the mould surface and is
able to measure the spreading of the resin by the differentiation of the complex dielectric
constant of air and resin. This system resolves the particularly difficult problem of
gathering data concerning the permeability of conductive fabrics (i.e. of carbon fibre
fabrics), which cannot be measured by a standard capacity sensor. Investigation and
experimental work lead to the result that (although exhibiting a ‘Faraday’s cage’) by
using an insulated sensor and a newly developed and customized electronic data
acquisition system the propagation of a fluid can be determined.
As a result, the newly developed capacitive sensor system allows the online determination
of the flow front propagation of liquid systems in both non electric conducting and
conducting reinforcing structures throughout the injection processes in closed moulds.
When compared to existing measurement methods, the benefits of the Capacitive Condensator
Reading System are:
• online continuous determination of flow front propagation,
• online data acquisition for permeability calculations,
• online fibre volume fraction control,
• online cavity height control,
• online curing documentation
and the ability to • allow high volume fractions and injection pressures,
• withstand high tool and resin temperatures,
• allow any geometry within the tool.
With the understanding that the process chain is a complex production cycle with its
various interacting elements and the possibility to document these completely in an
overall quality and process control, the realization of the potentials of the LCMtechnologies
will perform even more outstanding manufacturing possibilities for high
quality and high volume productions in the future.
Solid particle erosion is usually undesirable, as it leads to development of cracks and
holes, material removal and other degradation mechanisms that as final
consequence reduce the durability of the structure imposed to erosion. The main aim
of this study was to characterise the erosion behaviour of polymers and polymer
composites, to understand the nature and the mechanisms of the material removal
and to suggest modifications and protective strategies for the effective reduction of
the material removal due to erosion.
In polymers, the effects of morphology, mechanical-, thermomechanical, and fracture
mechanical- properties were discussed. It was established that there is no general
rule for high resistance to erosive wear. Because of the different erosive wear
mechanisms that can take place, wear resistance can be achieved by more than one
type of materials. Difficulties with materials optimisation for wear reduction arise from
the fact that a material can show different behaviour depending on the impact angle
and the experimental conditions. Effects of polymer modification through mixing or
blending with elastomers and inclusion of nanoparticles were also discussed.
Toughness modification of epoxy resin with hygrothermally decomposed polyesterurethane
can be favourable for the erosion resistance. This type of modification
changes also the crosslinking characteristics of the modified EP and it was
established the crosslink density along with fracture energy are decisive parameters
for the erosion response. Melt blending of thermoplastic polymers with functionalised
rubbers on the other hand, can also have a positive influence whereas inclusion of
nanoparticles deteriorate the erosion resistance at low oblique impact angles (30°).
The effects of fibre length, orientation, fibre/matrix adhesion, stacking sequence,
number, position and existence of interleaves were studied in polymer composites.
Linear and inverse rules of mixture were applied in order to predict the erosion rate of
a composite system as a function of the erosion rate of its constituents and their
relative content. Best results were generally delivered with the inverse rule of mixture
approach.
A semi-empirical model, proposed to describe the property degradation and damage
growth characteristics and to predict residual properties after single impact, was
applied for the case of solid particle erosion. Theoretical predictions and experimental
results were in very good agreement.
Strahlerosionsverschleiß (Erosion) entsteht beim Auftreffen von festen Partikel
auf Oberflächen und zeichnet sich üblicherweise durch einen Materialabtrag aus, der
neben der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel stark vom jeweiligen
Werkstoff abhängt. In den letzten Jahren ist die Anwendung von Polymeren und
Verbundwerkstoffen anstelle der traditionellen Materialien stark angestiegen.
Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe weisen eine relativ hohe Erosionsrate
(ER) auf, was die potenzielle Anwendung dieser Werkstoffe unter erosiven
Umgebungsbedingungen erheblich einschränkt.
Untersuchungen des Erosionsverhaltens anhand ausgewählter Polymere und
Polymer-Verbundwerkstoffe haben gezeigt, dass diese Systeme unterschiedlichen
Verschleißmechnismen folgen, die sehr komplex sind und nicht nur von einer
Werkstoffeigenschaft beeinflusst werden. Anhand der ER kann das
Erosionsverhalten grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: sprödes und duktiles
Erosionsverhalten. Das spröde Erosionsverhalten zeigt eine maximale ER bei 90°,
während das Maximum bei dem duktilen Verhalten bei 30° liegt. Ob ein Material das
eine oder das andere Erosionsverhalten aufweist, ist nicht nur von seinen
Eigenschaften, sondern auch von den jeweiligen Prüfparametern abhängig.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, das grundsätzliche Verhalten von
Polymeren und Verbundwerkstoffen unter dem Einfluss von Erosion zu
charakterisieren, die verschiedenen Verschleißmechanismen zu erkennen und die
maßgeblichen Materialeigenschaften und Kennwerte zu erfassen, um Anwendungen
dieser Werkstoffe unter Erosionsbedingungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
An einer exemplarischen Auswahl von Polymeren, Elastomeren, modifizierten Polymeren und Faserverbundwerkstoffen wurden die wesentlichen Einflussfaktoren
für die Erosion experimentell bestimmt.
Thermoplastische Polymere und thermoplastische- und vernetzte- Elastomere
Die Versuche, den Erosionswiderstand ausgewählter Polymere (Polyethylene
und Polyurethane) mit verschiedenen Materialeigenschaften zu korrelieren, haben
gezeigt, dass es weder eine klare Abhängigkeit von einzelnen Kenngrößen noch von
Eigenschaftskombinationen gibt. Möglicherweise führt die Bestimmung der
Materialeigenschaften unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie bei den Erosionsversuchen zu einer besseren Korrelation zwischen ER und
Materialkenngröße.
Modifiziertes Epoxidharz
Am Beispiel eines modifizierten Epoxidharzes (EP) mit verschiedener
Vernetzungsdichte wurde eine Korrelation zwischen Erosionswiderstand und
Bruchenergie bzw. Erosionswiderstand und Vernetzungsdichte gefunden. Die
Modifizierung erfolgte mit verschiedenen Anteilen von einem hygrothermisch
abgebauten Polyurethan (HD-PUR). Der Zusammenhang zwischen ER und
Vernetzungsparametern steht im Einklang mit der Theorie der Kautschukelastizität.
Modifizierungseffizienz in Duromeren, Thermoplasten und Elastomeren
Des weiteren wurde der Einfluss von Modifizierungen von Polymeren und
Elastomeren untersucht. Mit dem obenerwähnten System (d.h. EP/HD-PUR) läßt sich
auch der Einfluss der Zähigkeitsmodifizierung des Epoxidharzes (EP) auf das
Erosionsverhalten untersuchen. Es wurde gezeigt, dass für HD-PUR Anteile von
mehr als 20 Gew.% diese Modifizierung einen positiven Einfluss auf die
Erosionsbeständigkeit hat. Durch Variation der HD-PUR-Anteile können für dieses
EP Materialeigenschaften, die zwischen den Eigenschaften eines üblichen
Duroplasten und eines weniger elastischen Gummis liegen, erzeugt werden.
Deswegen stellt der modifizierte EP-Harz ein sehr gutes Modellmaterial dar, um den
Einfluss der experimentellen Bedingungen zu studieren, und zu untersuchen, ob
verschiedene Erodenten zu gleichen Erosionsmechanismen führen. Der Übergang
vom duroplastischen zum zähen Verhalten wurde anhand von vier Erodenten
untersucht. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein solcher Übergang auftritt, wenn
sehr feine, kantige Partikel (Korund) als Erodenten dienen. Die Partikelgröße und -form ist von entscheidender Bedeutung für die jeweiligen Verschleißmechanismen.
Die Effizienz neuartiger thermoplastischer Elastomere mit einer cokontinuierlichen
Phasenstruktur, bestehend aus thermoplastischem Polyester und
Gummi (funktionalisierter NBR und EPDM Kautschuk), wurde in Bezug auf die
Erosionsbeständigkeit untersucht. Große Anteile von funktionalisiertem Gummi (mehr
als 20 Gew.%) sind vorteilhaft für den Erosionswiderstand. Weiterhin wurde
untersucht, ob sich die herausragende Erosionsbeständigkeit von Polyurethan (PUR)
durch Zugabe von Nanosilikaten eventuell noch steigern läßt. Das Ergebnis war,
dass die Nanopartikel sich vor allem bei einem kleinen Verschleißwinkel (30°) negativ
auswirken. Die schwache Adhäsion zwischen Matrix und Partikeln erleichtert den
Beginn und das Wachsen von Rissen. Dies führt zu einem schnelleren
Materialabtrag von der Materialoberfläche.
Faserverbundwerkstoffe
Ferner wurden Faserverbundwerkstoffe (FVW) mit thermoplastischer und
duromerer Matrix auf ihr Verhalten bei Erosivverschleiß untersucht. Es war von
großem Interesse, den Einfluss von Faserlänge und -orientierung zu untersuchen.
Kurzfaserverstärkte Systeme haben einen besseren Erosionswiderstand als die
unidirektionalen (UD) Systeme. Die Rolle der Faserorientierung kann man nur in
Verbindung mit anderen Parametern, wie Matrixzähigkeit, Faseranteil oder Faser-
Matrix Haftung, berücksichtigen. Am Beispiel von GF/PP Verbunden weisen die
parallel zur Verstreckungsrichtung gestrahlten Systeme den geringsten Widerstand
auf. Andererseits findet bei einem GF/EP System die maximale ER in senkrechter
Richtung statt. Eine Verbesserung der Grenzflächenscherfestigkeit beeinflusst die
Erosionsverschleißrate nachhaltig. Wenn die Haftung der Grenzfläche ausreichend
ist, spielt die Erosionsrichtung eine unbedeutende Rolle für die ER. Weiterhin wurde
gezeigt, dass die Präsenz von zähen Zwischenschichten zu einer deutlichen
Verbesserung des Erosionswiderstands von CF/EP- Verbunden führt.
Eine weitere Aufgabenstellung war es, die Rolle des Faservolumenanteils zu
bestimmen. „Lineare, inverse und modifizierte Mischungsregeln“ wurden
angewendet, und es wurde festgestellt, dass die inversen Mischungsregeln besser
die ER in Abhängigkeit des Faservolumenanteils beschreiben können.
Im Anwendungsbereich von Faserverbundwerkstoffen ist nicht nur die Kenntnis
der ER, sondern auch die Kenntnis der Resteigenschaften erforderlich. Ein
halbempirisches Modell für die Vorhersage des Schlagenergieschwellwertes (Uo) für den Beginn der Festigkeitsabnahme und der Restzugfestigkeit nach einer
Schlagbelastung wurde bei der Untersuchung des Erosionsverschleißes
angewendet. Experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen stimmten
nicht nur für duromere CF/EP-Verbundwerkstoffe, sondern auch für
Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix (GF/PP) sehr gut überein.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig die Verarbeitungstechnik zur
Entwicklung und Herstellung von Microfibrillaren Composites (MFCs) im Bereich der
resorbierbaren Polymeren angewandt. Ziel war die Herstellung eines polymeren
MFC-Knochennagel-Implantats aus den zwei biodegradierbaren Werkstoffen
Polylaktid und Polyglykolid, um eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
gegenüber den Ausgangswerkstoffen zu erzielen. Die biodegradierbaren MFCs
wurden schließlich bzgl. ihres mechanischen Leistungspotentials gegenüber der
alternativen Herstellungstechnik „Solid-State-Extrusion“ bewertet.
Die vier verschiedenen Polylaktide, Poly-L-laktid (PLLA), Polylaktid (PLA), Poly-DLlaktid
(PLDLA), Poly-LDL-laktid (PLDLLA) und der Werkstoff Polyglykolid (PGA)
bildeten vier Werkstoffpaarungen für die MFC-Versuchsreihen. Für die Solid-State-
Extrusion standen die vier Polylaktide aus der MFC-Serie sowie mehrere kompatible
Polylaktidmischungen zur Verfügung.
Innerhalb der Untersuchungen wurde zuerst das Verfahren der Solid-State-Extrusion
optimiert, da es hier auch Überschneidungen in den MFC-Verarbeitungsetappen gab.
Um den MFC-Prozess optimieren zu können, wurden theoretische Überlegungen
und schematische Modellansätze aufgestellt, die dann durch mikroskopische
Beobachtungen bestätigt und verifiziert wurden. Aus der entwickelten
Modellvorstellung konnten Lösungsansätze hergeleitet werden, welche die von
Fakirov et al. aufgestellten MFC-Bedingungen erweiterten und eine Herstellung von
resorbierbaren Microfibrillaren Composites ermöglichten.
Die 3-Punkt-Biegeuntersuchungen der MFC-Werkstoffpaarung zeigten für eine PGA/PLA 30:70-Mischung eine Erhöhung der mechanischen Steifigkeit um 30 % und
der Festigkeit um 20 % gegenüber dem reinen Polylaktid. Die initiale
Leistungssteigerung mittels der Solid-State-Extrusion fällt mit über 120 % Steigerung
deutlich stärker aus als die der MFCs, jedoch reduziert sich der Gewinn unter
Berücksichtigung eines Umformprozesses auf ca. 50 %. Weiterhin konnten die MFCs
mittels dem Spritzgießverfahren in komplexe Geometrien geformt werden.
Abschließend wurde für den MFC-Prozeß ein Verarbeitungsfenster hergeleitet.
This thesis aimed at developing and producing bioresorbable Microfibrillar
Composites (MFCs) for polymer bone nails. The main goal was to create a complete
resorbable Microfibrillar Composite made from the two common commercial
polymers polylactide (PLA) and polyglycolide (PGA). The mechanical strength and
stiffness of this new composite should be significantly higher in comparison to the
native materials. To evaluate their mechanical potential, the produced MFCs were
compared to the alternative technique of solid-state-extrusion.
Four different polymer blends in different component ratios were developed and
investigated for the MFC series. These blends werde made of four different
polylactides, two amorphous and two partially crystalline polylactides, together with
polyglycolide as the reinforcing material. For the solid-state-extrusion, four native
polylactides from the MFC series and several miscible polylactide blends were
produced.
Following the experimental studies, the process of solid-state-extrusion was
optimized first. Furthermore a theoretical model was developed for optimizing the
MFC process. This model was prooved by experimental data and microscopy
investigations. Due to the model it was possible to develop solutions for the MFCprocessing.
In addition the basic rules developed by Fakirov et al. were extended.
The mechanical properties were evaluated by 3 point bending tests. An increase of
30 % for the stiffness and 20 % for the bending strength in comparison to the native
polylactide was reached by a MFC-PGA/PLA 30:70. For the solid-state-extrusion, a
significant increase of 120 % was possible. But considering an additional forming
process, the mechanical properties dropped to 50 % of the initial values.
Furthermore, regarding the MFC-process, it was possible to get complex shapes like
the bone nails by injection molding. In conclusion a processing window was
established for the MFC-process.
Wine and alcoholic fermentations are complex and fascinating ecosystems. Wine aroma is shaped by the wine’s chemical compositions, in which both microbes and grape constituents play crucial roles. Activities of the microbial community impact the sensory properties of the final product, therefore, the characterisation of microbial diversity is essential in understanding and predicting sensory properties of wine. Characterisation has been challenging with traditional approaches, where microbes are isolated and therefore analyzed outside from their natural environment. This causes a bias in the observed microbial composition structure. In addition, true community interactions cannot be studied using isolates. Furthermore, the multiplex ties between wine chemical and sensory compositions remain evasive due to their multivariate and nonlinear nature. Therefore, the sensorial outcome arising from different microbial communities has remained inconclusive.
In this thesis, microbial diversity during Riesling wine fermentations is investigated with the aim to understand the roles of microbial communities during fermentations and their links to sensory properties. With the advancement of high-throughput tools based ‘omic methods, such as next-generation sequencing (NGS) technologies, it is now possible to study microbial communities and their functions without isolation by culturing. This developing field and its potential to wine community is reviewed in Chapter 1. The standardisation of methods remains challenging in the field. DNA extraction is a key step in capturing the microbial diversity in samples for generating NGS data, therefore, DNA extraction methods are evaluated in Chapter 2. In Chapter 3, machine learning is utilized in guiding raw data mining generated by the untargeted GC-MS analysis. This step is crucial in order to take full advantages of the large scope of data generated by ‘omic methods. These lay a solid foundation for Chapters 4 and 5 where microbial community structures and their outputs - chemical and sensory compositions are studied by using approaches and tools based on multiple ‘omics methods.
The results of this thesis show first that by using novel statistical approaches, it is possible to extract meaningful information from heterogeneous biological, chemical and sensorial data. Secondly, results suggest that the variation in wine aroma, might be related
to microbial interactions taking place not only inside a single community, but also the
IV
interactions between communities, such as vineyard and winery communities. Therefore, the true sensory expression of terroir might be masked by the interaction between two microbial communities, although more work is needed to uncover this potential relationship. Such potential interaction mechanisms were uncovered between non- Saccharomyces yeast and bacteria in this work and unexpected novel bacterial growth was observed during alcohol fermentation. This suggests new layers in understanding of wine fermentations. In the future, multi-omic approaches could be applied to identify biological pathways leading to specific wine aroma as well as investigate the effects upon specific winemaking conditions. These results are relevant not just for the wine industry, but also to other industries where complex microbial networks are important. As such, the approaches presented in this thesis might find widely use in the food industry.
Ranking lists are an essential methodology to succinctly summarize outstanding items, computed over database tables or crowdsourced in dedicated websites. In this thesis, we propose the usage of automatically generated, entity-centric rankings to discover insights in data. We present PALEO, a framework for data exploration through reverse engineering top-k database queries, that is, given a database and a sample top-k input list, our approach, aims at determining an SQL query that returns results similar to the provided input when executed over the database. The core problem consist of finding selection predicates that return the given items, determining the correct ranking criteria, and evaluating the most promising candidate queries first. PALEO operates on subset of the base data, uses data samples, histograms, descriptive statistics, and further proposes models that assess the suitability of candidate queries which facilitate limitation of false positives. Furthermore, this thesis presents COMPETE, a novel approach that models and computes dominance over user-provided input entities, given a database of top-k rankings. The resulting entities are found superior or inferior with tunable degree of dominance over the input set---a very intuitive, yet insightful way to explore pros and cons of entities of interest. Several notions of dominance are defined which differ in computational complexity and strictness of the dominance concept---yet, interdependent through containment relations. COMPETE is able to pick the most promising approach to satisfy a user request at minimal runtime latency, using a probabilistic model that is estimating the result sizes. The individual flavors of dominance are cast into a stack of algorithms over inverted indices and auxiliary structures, enabling pruning techniques to avoid significant data access over large datasets of rankings.
Function of two redox sensing kinases from the methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans
(2019)
MsmS is a heme-based redox sensor kinase in Methanosarcina acetivorans consisting of alternating PAS and GAF domains connected to a C-terminal kinase domain. In addition to MsmS, M. acetivorans possesses a second kinase, MA0863 with high sequence similarity. Interestingly, MA0863 possesses an amber codon in its second GAF domain, encoding for the amino acid pyrrolysine. Thus far, no function of this residue has been resolved. In order to examine the heme iron coordination in both proteins, an improved method for the production of heme proteins was established using the Escherichia coli strain Nissle 1917. This method enables the complete reconstitution of a recombinant hemoprotein during protein production, thereby resulting in a native heme coordination. Analysis of the full-length MsmS and MA0863 confirmed a covalently bound heme cofactor, which is connected to one conserved cysteine residue in each protein. In order to identify the coordinating amino acid residues of the heme iron, UV/vis spectra of different variants were measured. These studies revealed His702 in MsmS and the corresponding His666 in MA0863 as the proximal heme ligands. MsmS has previously been described as a heme-based redox sensor. In order to examine whether the same is true for MA0863, redox dependent kinase assays were performed. MA0863 indeed displays redox dependent autophosphorylation activity, which is independent of heme ligands and only observed under oxidizing conditions. Interestingly, autophosphorylation was shown to be independent of the heme cofactor but rather relies on thiol oxidation. Therefore, MA0863 was renamed in RdmS (redox dependent methyltransferase-associated sensor). In order to identify the phosphorylation site of RdmS, thin layer chromatography was performed identifying a tyrosine as the putative phosphorylation site. This observation is in agreement with the lack of a so-called H-box in typical histidine kinases. Due to their genomic localization, MsmS and RdmS were postulated to form two-component systems (TCS) with vicinal encoded regulator proteins MsrG and MsrF. Therefore, protein-protein interaction studies using the bacterial adenylate two hybrid system were performed suggesting an interaction of RdmS and MsmS with the three regulators MsrG/F/C. Due to these multiple interactions these signal transduction pathways should rather be considered multicomponent system instead of two component systems.
Zur nähtechnischen Konfektion von textilen Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbunde
(2002)
The further exploitation of Liquid-Composite-Moulding Technologies (LCM) for the
manufacture of Fiber-Reinforced-Plastics (FRP) relies on an eligible preforming
process. Preforming of fibrous reinforcements aspires the manufacture of dry
skeletons of the fiber assembly with the desired fiber orientation based on a predefined
fiber type. The LCM processing must be maintained by the preforming
technique. However, FRP part properties - given from fiber orientations - should not be
affected.
Sewing technologies, in all their varieties, can be applied as very flexible preforming
methods. Analogies between making-up dry reinforcement structures and the classical
field of sewing, e.g. garment manufacture, led to a substantial progress in technologies
available for preforimg as well as to increased economical benefits through the
application of sew-preforming.
A comprehensive understanding of the application of sewing technologies for FRP –
from the treatment of a semi-finished product to the infusion of a stitched preform – is
the basis for the design of an all new process chain.
The present work classifies this new preforming method within the existing
technologies. Furthermore, critical sewing machine elements are evaluated regarding
FRP compatibility. Stitching parameters and their impact on the reinforcement quality
as well as the FRP processing (LCM) are discussed.
Focusing on the economic efficiency of the sewing preforming technology, the critical
number of parts for selecting the right preform technology is discussed. The new
process chain enables the selection of the critical vertical range of preform
manufacture.
The large variety of preform design parameters, e. g. stitch density, needle thread
tension, seam type, sub-preform-structures etc., requires a “Preform-Engineering”,
covering an interface between preform manufacturing and FRP-part design. This
parallel engineering of part-, preform- and process-design leads to a global reflection
of the LCM technology. Thus, FRP part quality can be raised.
Endless fibre reinforced thermoplastic sheets (organic sheets) are significantly gaining
in importance due to their outstanding characteristics. In comparison to common
thermoplastic press moulding composites with random reinforcement like GMT and
LFRT they offer remarkably better specific mechanical properties (stiffness, strength).
And different from endless fibre reinforced thermosets, they also possess high
toughness and show good impact behaviour. Furthermore, they enable welding and
have an appreciable recycling potential.
The manufacturing steps, beginning from impregnation and consolidation of the
semi-finished sheets up to thermoforming and welding to obtain the final part, represent
a closed processing chain. This results in short cycle times and the potential for
mass production.
However, this material class is rarely used because of its cost and surface quality
problems. Therefore, only a few applications exist as demanding functional or structural
parts.
High costs emerge in consequence of either expensive raw materials (carbon fibres,
technical thermoplastics) or the sophisticated processing technique concerning the
impregnation and consolidation step (double belt press). The surface quality problem
is mainly caused by the print-through of reinforcing fibres, which therefore precludes
applications in visible regions, especially in the field of automotive exterior panels.
The aim of the thesis was to enhance the chances of application by improving the
surface quality of endless fibre reinforced thermoplastics. Thus the surface characteristics
and possibilities for reproducible quantitative measuring were identified. Surface
roughness, gloss rate, profile amplitude and wavelength as well as short (sw)
and long term (lw) waviness were chosen as appropriate values. By varying the type of fibre, matrix, fabric and coating the influence of material parameters on the surface
appearance could then be investigated.
It became obvious that the fibre print-through is a result of the significantly higher
volume shrinkage of the thermoplastic resin (higher coefficient of linear thermal expansion)
in comparison to that of the reinforcement during the cooling process, combined
with an uneven distribution of resin and fibres. Thus, amorphous matrices that
have no shrinkage due to crystallisation and a preferably small thermal induced density
growth lead to significantly better surface qualities (from lw = 60 to lw = 20). Qualitatively the texture is dominated by the reinforcing architecture. The kind of textile
weaving and fineness of the fibre bundles determine the wavelength of the profile
deflection.
It was found that the coating has the largest influence on the surface appearance. A
common varnish layer with a thickness of only 40 μm enhances the gloss of the substrate
which makes the surface waviness even more clearly visible. However, optimising
the varnish system with additional base coat or filling layers drastically reduced
the waviness but did not raze it completely (lw = 10). Only the application of a
thermoplastic varnish layer could diminish the waviness to the desired range below
10 (lw = 4).
Besides the experimental work a theoretical analysis of the consolidation and solidification
step was carried out. A finite element model has been created representing a
semi-finished sheet with four layers of a 2/2 twill textile reinforcement. Based on this
geometry various matrix characteristics as well as alterations of the global reinforcement
structure (more or less horizontal ply off-set) have been analysed.
The simulations supported the experimental results. They indicated the strong influence
of the matrix and showed that the off-set of the reinforcing layers plays an important
role concerning the resulting surface profile. Because the off-set of the plies
can not be controlled in the real material and therefore is at random, the profile
depths show a remarkable standard deviation (30 %). In the example considering a
2/2-twill reinforcement the optimum off-set could reduce the profile depth up to 40 %.
Furthermore, the influence of the process parameters (pressure and cooling rate)during the consolidation process was experimentally and theoretically investigated. In
addition to the non-isotropic characteristics of the textile, the time and temperature
dependent mechanical behaviour of the thermoplastic matrix had to be ascertained
and transferred into the model.
A rapid cooling rate was identified to reduce the surface profile of the substrate. The
profile depth of the simulated GF-PC could be decreased from 5 - 3 μm. However,
experimental tests concerning temperature changes and weathering showed that this
advantageous effect decreases with time due to the viscoelastic behaviour of the
polymer and resetting forces of the reinforcement.
The pressure can influence the texture phenomenon only by affecting the fibre volume
content of the sample. In case of static isobaric press processing a certain matrix
flow across the margins of the tool can not be totally averted. With a rising pressure the outflow becomes stronger and leads to a growing fibre volume content and
stronger surface waviness.
By carrying out several simulations with systematically varying material data a nomogram
could be created that represents a tool to predict the surface profile of comparable
composites (2/2 twill reinforcement, FVC around 50 %) just in dependence of
the matrix. It takes into account the specific matrix volume shrinkage and the pitch
from its solidification to usage temperature. Thus, the possibilities but also limitations
of a certain material combination concerning surface waviness can easily be estimated.
In order to reduce the heterogeneity of the fibre matrix distribution common textile
fabrics were substituted by unidirectional (UD) non-crimped structures and UD fabrics.
A newly established processing method was used to manufacture a noncrimped
and non-sewed endless fibre reinforced thermoplastic sheet by direct combination
of a multiaxial weft insertion machine and a continuous rotocure press. The
resulting product proved the potential for an improved surface quality. Despite the
use of relatively heavy rovings and not yet optimised fibre placement the surface profile
of this new kind of organic sheets is comparable with the one of those samples
having the fine 8-H-satin fabric reinforcement (lw = 20).
Finally it could be shown that the method of thermoplastic varnish layer lamination
which has successfully been used for semi-finished parts can also be integrated in a
thermoforming step to create three-dimensional components. The best results of this trial (lw = 10, sw = 14) do not reach the level of the flat sheets but almost meet the
requirements of the automotive “Class A” standard. With regard to economical and
weight saving aspects this material option can be considered a competitive alternative
to common car body panels.
In conclusion the investigations showed a notable feasibility to improve the surface
quality of endless fibre reinforced thermoplastic sheets. Therefore, this thesis represents
a contribution to amplify the application potential of this material class, particularly
in the fields of leisure and sports goods, and in the range of commercial vehicles.
Wearable activity recognition aims to identify and assess human activities with the help
of computer systems by evaluating signals of sensors which can be attached to the human
body. This provides us with valuable information in several areas: in health care, e.g. fluid
and food intake monitoring; in sports, e.g. training support and monitoring; in entertainment,
e.g. human-computer interface using body movements; in industrial scenarios, e.g.
computer support for detected work tasks. Several challenges exist for wearable activity
recognition: a large number of nonrelevant activities (null class), the evaluation of large
numbers of sensor signals (curse of dimensionality), ambiguity of sensor signals compared
to the activities and finally the high variability of human activity in general.
This thesis develops a new activity recognition strategy, called invariants classification,
which addresses these challenges, especially the variability in human activities. The
core idea is that often even highly variable actions include short, more or less invariant
sub-actions which are due to hard physical constraints. If someone opens a door, the
movement of the hand to the door handle is not fixed. However the door handle has to
be pushed to open the door. The invariants classification algorithm is structured in four
phases: segmentation, invariant identification, classification, and spotting. The segmentation
divides the continuous sensor data stream into meaningful parts, which are related
to sub-activities. Our segmentation strategy uses the zero crossings of the central difference
quotient of the sensor signals, as segment borders. The invariant identification finds
the invariant sub-activities by means of clustering and a selection strategy dependent on
certain features. The classification identifies the segments of a specific activity class, using
models generated from the invariant sub-activities. The models include the invariant
sub-activity signal and features calculated on sensor signals related to the sub-activity. In
the spotting, the classified segments are used to find the entire activity class instances in
the continuous sensor data stream. For this purpose, we use the position of the invariant
sub-activity in the related activity class instance for the estimation of the borders of the
activity instances.
In this thesis, we show that our new activity recognition strategy, built on invariant
sub-activities, is beneficial. We tested it on three human activity datasets with wearable
inertial measurement units (IMU). Compared to previous publications on the same
datasets we got improvement in the activity recognition in several classes, some with a
large margin. Our segmentation achieves a sensible method to separate the sensor data in
relation to the underlying activities. Relying on sub-activities makes us independent from
imprecise labels on the training data. After the identification of invariant sub-activities,
we calculate a value called cluster precision for each sensor signal and each class activity.
This tells us which classes can be easily classified and which sensor channels support
the classification best. Finally, in the training for each activity class, our algorithm selects
suitable signal channels with invariant sub-activities on different points in time and
with different length. This makes our strategy a multi-dimensional asynchronous motif
detection with variable motif length.
Die Einmischung von Altgummipartikeln aus zerkleinerten Altreifen in Thermoplast-,
Elastomer- und Duromer-Matrizes im Sinne einer stofflichen Wiederverwertung führt
zu erheblichen Eigenschaftsverschlechterungen der altgummipartikelmodifizierten
Polymerblends. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Modifizierung der Altgummipartikel
für eine Verbesserung der Verträglichkeit mit den Matrixmaterialien
zunehmend an Bedeutung.
Zur Modifizierung der Altgummipartikel wurden photochemische Pfropfungsreaktionen
mit Glycidylmethacrylat (GMA) und Methacrylsäure (MAA) nach einem
radikalischen Polymerisationsmechanismus durchgeführt.
Um Altgummipartikel erfolgreich chemisch modifizieren zu können, ist ein fundiertes
Wissen über die entscheidenden Parameter des Pfropfungsprozesses erforderlich.
So haben beispielsweise die Art und Konzentration der Pfropfungschemikalien wie
Monomer und Photoinitiator, die Art des Spülgases, die Temperatur sowie die
Bestrahlungszeit einen entscheidenden Einfluss auf das Pfropfungsergebnis. Der
Nachweis der Oberflächenmodifizierung erfolgte mit Hilfe chemischer Analytikmethoden
sowie mittels Kontaktwinkelmessungen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Herstellung von altgummipartikelmodifizierten
Thermoplast-, Duromer- und Elastomer-Blends. Polyamid-6
(PA-6) und Polybutylenterephthalat (PBT) wurden als thermoplastische Matrixmaterialien
ausgewählt. Als Vertreter der Duromere wurde beispielhaft ein
Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH) angewendet und als elastomeres
Matrixmaterial kam ein Polyurethan-Gießelastomer (PUR) zur Anwendung.
Bei höheren Gummipartikel-Konzentrationen zeigte sich, dass durch die Pfropfung
die Verträglichkeit zwischen Gummipartikeln und den o. g. Matrixmaterialien verbessert
wurde. Die Modifizierung von PA-6 und VEUH mit feinverteilten
Gummipartikeln bewirkte bei geringfügigen Einbußen an Festigkeit und Steifigkeit
deutliche Zähigkeitssteigerungen. Dieser Effekt war bei den GMA modifizierten
Gummipartikeln stärker ausgeprägt.
Bei der Anwendung von 10 Gew.% MAA gepfropften Gummipartikeln in PURElastomeren
konnten sehr gute mechanische Kennwerte erzielt werden. Damit
stellen altgummipartikelmodifizierte PUR-Blends eine interessante Recyclingoption für Altreifen und Altgummiabfälle dar.
Study 1 (Chapter 2) is an empirical case study that concerns the nature of teaching–learning transactions that facilitate self-directed learning in vocational education and training of young adults in England. It addresses in part the concern that fostering the skills necessary for self-directed learning is an important endeavor of vocational education and training in many contexts internationally. However, there is a distinct lack of studies that investigate the extent to which facilitation of self-directed learning is present within vocational education and training in different contexts. An exploratory thematic qualitative analysis of inspectors’ comments within general Further Education college Ofsted inspection reports was conducted to investigate the balance of control of the learning process between teacher and learner within vocational education and training of young adults in England. A clear difference between outstanding and inadequate provision is reported. Inadequate provision was overwhelmingly teacher-directed. Outstanding provision reflected a collaborative relationship between teacher and learner in directing the learning process, despite the Ofsted framework not explicitly identifying the need for learner involvement in directing the learning process. The chapter offers insight into the understanding of how an effective balance of control of learning between teacher and learner may be realized in vocational education and training settings and highlights the need to consider the modulating role of contextual factors.
Following the further research directions outlined in Chapter 2, study 2 (Chapter 3) is a theoretical chapter that addresses the issue that fostering adult learners’ competence to adapt appropriately to our ever-changing world is a primary concern of adult education. The purpose of the chapter is novel and examines whether the consideration of modes of learning (instruction, performance, and inquiry) could assist in the design of adult education that facilitates self-directed learning and enables learners to think and perform adaptively. The concept of modes of learning originated from the typology of Houle (1980). However, to date, no study has reached beyond this typology, especially concerning the potential of using modes of learning in the design of adult education. Specifically, an apparent oversight in adult learning theory is the foremost importance of the consideration of whether inquiry is included in the learning process: its inclusion potentially differentiates the purpose of instruction, the nature of learners’ performance, and the underlying epistemological positioning. To redress this concern, two models of modes of learning are proposed and contrasted. The reinforcing model of modes of learning (instruction, performance, without inquiry) promotes teacher-directed learning. A key consequence of employing this model in adult education is that learners may become accustomed to habitually reinforcing patterns of perceiving, thinking, judging, feeling, and acting—performance that may be rather inflexible and represented by a distinct lack of a perceived need to adapt to social contextual changes: a lack of motivation for self-directed learning. Rather, the adapting model of modes of learning (instruction, performance, with inquiry) may facilitate learners to be adaptive in their performance—by encouraging an enhanced learner sensitivity toward changing social contextual conditions: potentially enhancing learners’ motivation for self-directed learning.
In line with the further research directions highlighted in Chapter 3, concerning the need to consider the nature and treatment of educational experiences that are conductive to learner growth and development, study 3 (Chapter 4) presents a systematic review of the experiential learning theory; a theory that perhaps cannot be uncoupled from self-directed learning theory, especially in regard to understanding the cognitive aspect of self-directed learning, which represents an important direction for further research on self-directed learning. D. A. Kolb’s (1984) experiential learning cycle is perhaps the most scholarly influential and cited model regarding experiential learning theory. However, a key issue in interpreting Kolb’s model concerns a lack of clarity regarding what constitutes a concrete experience, exactly. A systematic literature review was conducted in order to examine: what constitutes a concrete experience and what is the nature of treatment of a concrete experience in experiential learning? The analysis revealed five themes: learners are involved, active, participants; knowledge is situated in place and time; learners are exposed to novel experiences, which involves risk; learning demands inquiry to specific real-world problems; and critical reflection acts as a mediator of meaningful learning. Accordingly, a revision to Kolb’s model is proposed: experiential learning consists of contextually rich concrete experience, critical reflective observation, contextual-specific abstract conceptualization, and pragmatic active experimentation. Further empirical studies are required to test the model proposed. Finally, in Chapter 5 key findings of the studies are summarized, including that the models proposed in Chapters 3 and 4 (Figures 2 and 4, respectively) may be important considerations for further research on self-directed learning.
In this thesis, we deal with the worst-case portfolio optimization problem occuring in discrete-time markets.
First, we consider the discrete-time market model in the presence of crash threats. We construct the discrete worst-case optimal portfolio strategy by the indifference principle in the case of the logarithmic utility. After that we extend this problem to general utility functions and derive the discrete worst-case optimal portfolio processes, which are characterized by a dynamic programming equation. Furthermore, the convergence of the discrete worst-case optimal portfolio processes are investigated when we deal with the explicit utility functions.
In order to further study the relation of the worst-case optimal value function in discrete-time models to continuous-time models we establish the finite-difference approach. By deriving the discrete HJB equation we verify the worst-case optimal value function in discrete-time models, which satisfies a system of dynamic programming inequalities. With increasing degree of fineness of the time discretization, the convergence of the worst-case value function in discrete-time models to that in continuous-time models are proved by using a viscosity solution method.
Graphs and flow networks are important mathematical concepts that enable the modeling and analysis of a large variety of real world problems in different domains such as engineering, medicine or computer science. The number, sizes and complexities of those problems permanently increased during the last decades. This led to an increased demand of techniques that help domain experts in understanding their data and its underlying structure to enable an efficient analysis and decision making process.
To tackle this challenge, this work presents several new techniques that utilize concepts of visual analysis to provide domain scientists with new visualization methodologies and tools. Therefore, this work provides novel concepts and approaches for diverse aspects of the visual analysis such as data transformation, visual mapping, parameter refinement and analysis, model building and visualization as well as user interaction.
The presented techniques form a framework that enriches domain scientists with new visual analysis tools and help them analyze their data and gain insight from the underlying structures. To show the applicability and effectiveness of the presented approaches, this work tackles different applications such as networking, product flow management and vascular systems, while preserving the generality to be applicable to further domains.
The tape placement technique is of particular importance for the production of large
and weight optimized structural components especially in the aeronautic industry.
The components are produced independently of size and load directions by placing
single unidirectional fiber reinforced tapes automatically. Moreover, very large component
dimensions enable a reduction of joining processes.
In comparison to the thermoset tape placement, additional potentials can be set up
through the usage of thermoplastic semi-finished materials, as beside the high degree
of integration und the defined laminate construction less material specific problems
and a non-autoclave production can be realized. This thesis follows an allembracing
analyses and development of the thermoplastic tape placement process
to provide knowledge to overcome the deficits concerning semi-finished materials,
systems engineering and available models for the process description.
First, the process is described and differentiated. Within the scope of a strategic
process analyses, the potentials and strength of this process are worked out.
Through a succeeding operational process analyses, the process is pictured in detail
and further developments of the process and the control are made possible.
All aspects of the process in terms of quality of the semi-finished material, systems
engineering, process control, and quality assurance are considered for the process
development. Innovative concepts to solve the first layer problem and a new tape
placement head are worked out.
A new model is developed to support strategic decisions on basis of component specific
cycle times. A measure for the component shape complexity is derived and integrated
into a continuous approach. The model is based on the process physics and
can be applied to any component without a need for empiric data.
Finally, new process potentials are presented through a combination of thermoforming
and thermoplastic tape placement.
Styrene is most commonly used in Vinylester resins (VERs) and is the co-monomer
best described regarding VERs. However, there is little knowledge about the
influence of other co-monomers on properties of resins and castings. Because of
some unfavorable properties styrene provides in resins, e. g. the relatively low flash
point, public interest in the usage of styrene-free resins in chemically bonded anchors
has increased in the last couple of years.
To develop styrene-free VERs and to examine their qualifications when used in
chemically bonded anchors was one of the main purposes of this thesis. Properties
of several castings were examined and described and correlations between these
properties and those of co-monomers were investigated to find a pattern that would
allow facilitation for further examinations. One styrenated and seven styrene-free
resins were synthezised and compared to each other in several investigations.
Using these different co-monomers a great variety of fracture-mechanical and
mechanical properties of the castings can be achieved. Compared to the styrenecontaining
resin it is possible to get either higher, lower or equal strength, stiffness
and elongation. Castings containing HPMA and PEG200DMA proved to be of special
interest. VER/HPMA achieved highest results regarding modulus and strength.
Elongation was equal to that of the resin containing styrene. VER/PEG200DMA
showed the best results regarding elongation and had the lowest tensile modulus.
Tensile and flexural elongations were as high as those of the styrene reference
sytem.
Styrenefree systems showed a lower thermal resistance compared to the styrenated
resin and absorbed more water. There were significant differences in alkali
resistance as well. Only THFMA and PEG200DMA could deliver values similar to the
styrene system. The different amount of ester groups in the networks could not
explain these results but a correlation was found between residual strength and the
sum of hydroxy- and ester group concentrations.A method was deduced from these test results to allow assumptions on hydrophilicity
properties of castings by considering the molecular structure and the amount of comonomer
used.
Chemical bonding anchors containing the synthesised styrene-free resins were
produced. These showed high pull-out loads and little displacements under
permanent loading. Adhesive properties of the resins showed no direct correlation to
the bond strength of anchors. A tendency was found that resins with high stiffness
provide anchors with higher bond strength. Alkali resistance of the bonding material
was examined in slice tests. Even bonding materials containing resins that were
almost completely destroyed during a boiling test with NaOH showed good residual
strength here.
DSC-analysis of anchor grout samples collected from pulled out anchors showed low
glass transition temperature and locally inconsistent cure degrees. The possibility of
thermal postcure of anchor grouts after setting was examined to be able to better
compare the different systems when almost completely cured. Two methods were
considered: heating of the anchor rod using hot air and electromagnetic induction.
Based on a thermodynamical calculation model the heat loss proved to be high when
using hot air. Results of the induction method were promising, however. The degree
of cure and the glass transition temperature could be improved almost over the
complete embedment depth. A more homogenous network was achieved with a
reduced content of residuals and better chemical resistance.
Die effektive Nutzung der attraktiven Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen,
insbesondere die der langfaserverstärkten Polymere in Großserienbauteilen, macht
nicht nur die Entwicklung entsprechender Fertigungsverfahren sondern einhergehend
prognosefähige Berechnungsmethoden für Werkstoff und Bauweise notwendig.
Praxistaugliche Berechnungsmodelle beschränken sich in der Regel auf bewusst einfach
gehaltene analytische Modelle zur Grobdimensionierung oder auf Finite-Elemente-
Analysen. Letztere erlauben, lokale Konstruktionsaspekte darzustellen und
detaillierte Einsicht in das Strukturverhalten zu nehmen.
Am Beispiel von mit der Wickeltechnik hergestellter zylindrischer Vollkunststoff-
Druckbehälter wurden Auslegungsmethoden für unidirektional verstärkte FKV-Strukturen
erörtert, experimentell validiert und zusammen mit analytisch formulierten
Randbedingungen bzw. Modellen zu Geometrie, Werkstoff und Fertigung in ein vollparamtrisches,
dreidimensionales FE-Auslegungsmodul implementiert. Durch die
Auflösung der tragenden Tankstruktur in die einzelnen Wickellagen und der parametrischen
Variation von Lagenaufbau und Domgeometrie gestattet dieses eine effektive
Bauweisenoptimierung hinsichtlich Gewicht und Werkstoffausnutzung. Insbesondere
die neuartige, experimentell verifizierte Beschreibung der einzelnen Wickellagendicken
im Behälterdom erlaubt eine der Fertigung entsprechende, im jeweiligen
Wicklungslagenende wulstfreie Behältermodellgenerierung.
Gewebeverstärkte thermoplastische Halbzeuge können oberhalb ihrer Verformungstemperatur
wiederholt mittels Stempelumformprozess in aufeinander abgestimmten
Werkzeughälften umgeformt werden. Für eine effektivere Auslegung solcher Bauweisen
durch Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird erstmalig die Prozesssimulation
mit der Strukturanalyse gekoppelt. Die hierfür entwickelte Schnittstelle vollzieht neben der Datenübersetzung die automatisierte Aufbereitung des Simulationsschalennetzes
zum voluminösen Strukturmodell nebst Modellbeschneidung und beinhaltet
erste Ansätze zur Abschätzung der Werkstoffkennwerte des infolge der Drapierung
nicht mehr orthogonal gewebeverstärkten FKV. Die Berücksichtigung von
Fadenorientierung, Dickenverteilung und auftretenden Falten durch Übertragung des
Simulationsnetzes erlaubt eine im Vergleich zum Stand der Technik realitätsnähere,
durch Bauteilprüfungen validierte Abbildung des mechanischen Strukturverhaltens.
The effective use of the attractive material properties of fiber reinforced plastics
(FRP), especially of long fiber reinforced polymers in mass production, requires an
advanced development of suitable manufacturing processes and prognostic design
and analysis methods for the material and structural behavior. This paper resulted
out of two research projects, accompanied by industrial, close to series development
tasks. The objective was to increase the efficiency of the material, structure and
manufacturing aspects of the prototype development through improved modeling
methods in analysis and simulation in close relationship with the design, material
development and testing facilities.
Mass production capability of thermoforming processing in combination with weight
saving potentials on the one hand and thermal and electrical insulation advantages of
thermoplastics in comparison to steel on the other hand was the motivation for the
development of a safety toe cap for safety shoes made of canvas reinforced thermoplastics.
An innovative analysis method for structures made of canvas reinforced
plastics which was initiated by this development program focus on a realistic
reproduction of the non-orthogonal fiber reinforcement of the woven fabric after the
thermoforming process. Canvas reinforced thermoplastics can be simplified as an
alignment of small unidirectional fiber reinforced sections in weft and warp direction.
The underlying design theories for unidirectional FRP were rehashed and advanced
in the framework of a full plastic high pressure vessel development program. To
improve the effectiveness of the pressure vessel design work, the mentioned design
theories and further specific manufacturing models were implemented in an innovative,
full-parametric design module validated by burst pressure vessel tests.
Of importance for the dimensioning and wide application of FRP-structures is the
ability to forecast the material behavior, particularly with regard to the frequent lack of measured material properties in practical design work. The conceptual formulation
was augmented for the quality assessment of the accomplished design work with a
systematic evaluation of the most well known estimations in regards to stiffness and
strength properties of unidirectional and canvas reinforced plastics. For non-orthogonal
canvas reinforced FRP, as in case of thermoformed components, no appropriate material model is available. A relative easy handling material model for orthogonal
canvas reinforced FRP known in literature was augmented to non-orthogonal.
This paper is not dealing with lightweight construction methods but in fact with the
objective to improve the praxis relevant design methods of unidirectional and bidirectional
fiber reinforced plastics; i.e. including estimations for material properties
and manufacturing influences.
The fundamentals of the presented analyses are the consideration of fiber orientation
and ply thickness close to reality by analytical models implemented in the FEA like
the description of the fiber deposition in a filament winding process.
A significant improvement of the design and analyses methods for unidirectional FRP
exemplarity in the case of high pressure vessels made of full plastic has been done
by the comprehension of relevant manufacturing parameters, especially through the
improved description of the ply thickness in the vessel domes. This was achieved by
combining two models, each separately known in literature, to level the bulges at the
end of each ply due to increasing fiber coverage and their mathematical description.
This leveling meets the practical corrections that also have to be done in a filament
winding program in the manufacturing process. Validating measurements on pressure
vessel prototypes were performed and showed excellent accordance.
Beyond it, the developed parametric FE analysis tool for cylindrical pressure vessels
produced with the filament winding technique enables a time efficient design optimization vessels in the analysis tool were set back to future work due to the unsufficient amount of vessel tests and for the benefit of a challenging design
analysis concept for canvas reinforced FRP.
For thermoformed canvas reinforced FRP the fiber orientation and play thickness can
be determined by process simulation. Interfaces to the structural analysis that particularly
include the theoretical estimation of material properties and the material
modeling are not available in the commercial market. Hence, even the structural
analysis of such constructions can not be assumed to be state of the art. Previous
analyses of thermoformed constructions depend on material isotropy or neglect the
canvas shearing during draping; i.e. the thermoformed woven fabric material is
modeled with orthogonal fiber orientation and constant ply thickness. The objective of
this paper is to combine forming simulation and structural analysis in a way, that
beside the pure data translation, the interface performs an automated transformation
of the shell based process simulation FE net to a volumetric structure model including
the model trimming and the estimation of the non-orthogonal material properties.
The consideration of fiber orientation, thickness distribution and eventually occurring
crinkles transferred with the FE net of the process simulation into the structural
analysis allows a much more reliable reproduction of the mechanical structure behavior
as in comparison to the traditional state of the art analysis which has been
validated by extensive prototype tests.
The static, non-linear analysis of the toe cap made of canvas reinforced thermoplastic
is accompanied by very successful prototype tests, which in turn pushed this
toe cap design ahead. This series are closely linked to material development, as well
as new manufacturing technology.
and analysis because of it's automated model generation. The analysis or
evaluation of variants of the load bearing FRP lay-up, the influence of different valve
geometry and dome contours necessitates now solely the modification of the input
parameters.
For a specific forecast of the achievable burst pressure of a pressure vessel design
additional work has to be done. A degradation model has to be implemented in the
analysis tool to evaluate the increasing local ply failures until the vessel burst. The
main objective for the unidirectional FRP essay of the paper was to improve the
model generation and to increase the time effectiveness of the design analysis,
which has been achieved. The originally planed implementation of a strength evaluation
of pressure
The simulation of physical phenomena involving the dynamic behavior of fluids and gases
has numerous applications in various fields of science and engineering. Of particular interest
is the material transport behavior, the tendency of a flow field to displace parts of the
medium. Therefore, many visualization techniques rely on particle trajectories.
Lagrangian Flow Field Representation. In typical Eulerian settings, trajectories are
computed from the simulation output using numerical integration schemes. Accuracy concerns
arise because, due to limitations of storage space and bandwidth, often only a fraction
of the computed simulation time steps are available. Prior work has shown empirically that
a Lagrangian, trajectory-based representation can improve accuracy [Agr+14]. Determining
the parameters of such a representation in advance is difficult; a relationship between the
temporal and spatial resolution and the accuracy of resulting trajectories needs to be established.
We provide an error measure for upper bounds of the error of individual trajectories.
We show how areas at risk for high errors can be identified, thereby making it possible to
prioritize areas in time and space to allocate scarce storage resources.
Comparative Visual Analysis of Flow Field Ensembles. Independent of the representation,
errors of the simulation itself are often caused by inaccurate initial conditions,
limitations of the chosen simulation model, and numerical errors. To gain a better understanding
of the possible outcomes, multiple simulation runs can be calculated, resulting in
sets of simulation output referred to as ensembles. Of particular interest when studying the
material transport behavior of ensembles is the identification of areas where the simulation
runs agree or disagree. We introduce and evaluate an interactive method that enables application
scientists to reliably identify and examine regions of agreement and disagreement,
while taking into account the local transport behavior within individual simulation runs.
Particle-Based Representation and Visualization of Uncertain Flow Data Sets. Unlike
simulation ensembles, where uncertainty of the solution appears in the form of different
simulation runs, moment-based Eulerian multi-phase fluid simulations are probabilistic in
nature. These simulations, used in process engineering to simulate the behavior of bubbles in
liquid media, are aimed toward reducing the need for real-world experiments. The locations
of individual bubbles are not modeled explicitly, but stochastically through the properties of
locally defined bubble populations. Comparisons between simulation results and physical
experiments are difficult. We describe and analyze an approach that generates representative
sets of bubbles for moment-based simulation data. Using our approach, application scientists
can directly, visually compare simulation results and physical experiments.
Economics of Downside Risk
(2019)
Ever since establishment of portfolio selection theory by Markowitz (1952), the use of Standard deviation as a measure of risk has heavily been criticized. The aim of this thesis is to refine classical portfolio selection and asset pricing theory by using a downside deviation risk measure. It is defined as below-target semideviation and referred to as downside risk.
Downside efficient portfolios maximize expected payoff given a prescribed upper bound for downside risk and, thus, are analogs to mean-variance efficient portfolios in the sense of Markowitz. The present thesis provides an alternative proof of existence of downside efficient portfolios and identifies a sufficient criterion for their uniqueness. A specific representation of their form brings structural similarity to mean-variance efficient portfolios to light. Eventually, a separation theorem for the existence and uniqueness of portfolios that maximize the trade-off between downside risk and return is established.
The notion of a downside risk asset market equilibrium (DRAME) in an asset market with finitely many investors is introduced. This thesis addresses the existence and uniqueness Problem of such equilibria and specifies a DRAME pricing formula. In contrast to prices obtained from the mean-variance CAPM pricing formula, DRAME prices are arbitrage-free and strictly positive.
The final part of this thesis addresses practical issues. An algorithm that allows for an effective computation of downside efficient portfolios from simulated or historical financial data is outlined. In a simulation study, it is revealed in which scenarios downside efficient portfolios
outperform mean-variance efficient portfolios.
Die Luftfahrtindustrie und die meeresgestützte ölfördernde Industrie, die so genannte
Off-Shore Industrie, streben die Einführung bzw. Weiterverbreitung von faserverstärkten
Kunststoffen mit thermoplastischer Matrix an. Sowohl Leistungsverbesserung
aber auch Kosten- und Gewichtsreduktion sind die Treiber für diese Entwicklung.
Der sehr hohe Anspruch an die Qualität der Bauteile bedingt die Verfügbarkeit
geeigneter Herstellungsverfahren. Beispiele hierfür sind das Tapelege- und das Wickelverfahren.
Beide Prozesse sind allerdings bis heute nur in den Varianten für die
Verarbeitung duroplastischer Matrizes industriell umgesetzt und etabliert. Die Bauteilherstellung
geschieht bei Anwendung von Duroplasten für Hochtemperatur- oder
Primärstrukturanwendungen durch eine, dem formgebenden Prozess nachgeschaltete
Aushärtung im Ofen oder Autoklav. Thermoplaste bieten jedoch die Möglichkeit
zur Einsparung dieses Prozessschrittes durch die in-situ Konsolidierung, d.h. endkonturnahes,
formgebendes Ablegen und Verschweißen in einem Schritt. Die Komplexität
der Thermoplastprozesse ist jedoch durch die simultane Durchführung zweier
Aufgaben erhöht. Deshalb besteht ein großer Bedarf, die theoretischen Hintergründe,
das physikalische, thermodynamische und chemische Prozessverständnis stetig
grundlegend zu erarbeiten bzw. zu verbessern. Die rein experimentelle Prozessentwicklung
an Anlagen industriellen Maßstabs ist aus Kostengründen und dem Problem
der mangelhaften Auflösung einzelner Prozessphänomene dafür ungeeignet.
Daher wird seit vielen Jahren am Verständnis, der Abstraktion und der Simulation
dieser Prozesse gearbeitet. Die dabei entstandenen theoretischen Modellierungen
können allerdings nur selten einen Bezug zum realen Prozess nachweisen.Die vorliegende Arbeit schließt deshalb die Lücke zwischen Simulation und experimenteller
Prozessentwicklung. Auf Basis einer vielfach verwendeten mathematischen
Beschreibung der thermodynamischen Verhältnisse im Prozess, einer Energiebilanzgleichung,
die erstmals in diesem Zusammenhang um die Möglichkeit zur
Berechnung von Strahlungsrandbedingungen erweitert wird, beschreibt die Arbeit die
Entwicklung eines Prozesssimulationssystems. Das dazu neu entwickelte Finite-
Elemente-Methode Programm ProSimFRT, das auf der nicht-linearen Diskretisierung
der Energiebilanzgleichung basiert, bildet der Kern eines modularen Prozesssimulationspaketes, welches die ganzheitliche parametrische Berechnung der Temperatur
während des gesamten Prozesses und für alle Prozessteilnehmer erlaubt. Thermodynamische
Teilaspekte der Verfahren und somit auf rein theoretischem Weg unzugängliche
Prozessparameter, wie z.B. konvektive Randbedingungen oder durch eine
Wasserstoff-Sauerstoffflamme erzeugte Wärmeströme können mit ProSimFRT semiempirisch
ermittelt werden. Die hierfür angewandte Methodik der Simulationskalibrierung
bedarf jedoch einer experimentellen Verifikationsmöglichkeit. Daher wird eine
neu entwickelte Experimentalplattform vorgestellt. Ein spezieller Thermodynamikprüfstand
erlaubt die Ermittlung der Prozessparameter und eine flexible Möglichkeit
zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Simulation. Die Integration dieser Parameter
zu einem ganzheitlichen Prozessmodell am Beispiel des Thermoplasttapelegens
mit kohlenstofffaserverstärktem Polyetheretherketon und die ableitbaren Hinweise für
die Prozessentwicklung bilden abschließend die Grundlage für die zukünftige Integration
der Simulation in die Gesamtprozesskette.
The aerospace industry and the off-shore oil industry are facing the introduction and
evolution of fiber reinforced thermoplastics. Performance enhancements as well as
cost and weight savings are the drivers behind this development. The high level of
requirements concerning the quality of components leads to a need for applicable
manufacturing technologies. Filament winding and tape placement are examples for
such processes. Both have been successfully industrialized for thermoset materials.
Thermoset components for high temperature or primary structure applications are
typically manufactured in a multi-step approach. After a geometry determining step
consolidation and curing are introduced as further processing steps towards the final
component, often using ovens or autoclaves. Being weldable, thermoplastics give the
possibility to integrate this multi-step thermoset processes. Hence the complexity of
thermoplastic processing is increased, but the potential of saving manufacturing time
is obvious. This leads to the need of theoretic background know how about the
physical, thermodynamical and chemical phenomena behind the thermoplastic
manufacturing technologies. Due to that, since many years worldwide efforts are carried
out concerning the understanding, abstraction and simulation of this processes.
But, the developed models hardly have a direct relation to real processes.
The present work overcomes the gap between simulation and experimental process
development. Based on a widely used mathematical description of the thermodynamics
within the processes, an energy balance equation, which is enhanced with radiative
boundary conditions for the first time in this context, the present work describes
the development of a process simulation tool. The newly developed finite-element
program ProSimFRT, which is based on a non-linear discretization of the energy balance
equation, serves as kernel of a modular process simulation environment. This
package allows the parametric calculation of the temperature fields throughout the whole process and for all process participants. Thermodynamic aspects, hardly
available by analytical theory as convective boundary conditions or heat fluxes generated
by oxygen-hydrogen flames can be determined semi-empirically with
ProSimFRT. The method used for that needs a possibility for experimental investigations.
Hence, a thermodynamic test rig is introduced.This test rig allows the determination of process parameters and delivers a flexible
possibility for the validation and verification of the simulation. The integration of this
parameters into an overall process model for the thermoplastic tape placement process
using carbon fiber reinforced polyetheretherketone and derivable hints for the
process development conclude the present work. They are a baseline for the future
integration of the simulation into the manufacturing process.
Continuous fibre reinforced thermoplastics are a high competitive material class for
diversified applications because of their inherent properties like light-weight construction
potential, integral design, corrosion resistance and high energy absorption level.
Using these materials, one approach towards a large volume scaled part production
rate is covered by an automated process line, consisting of a pressing process for
semi-finised sheet material production, a thermoforming step and some additional
joining technologies. To allow short cycle times in the thermoforming step, the utilised
semi-finished sheet materials, which are often referred to as “organic sheets”, have
to be fully impregnated and consolidated.
Nowadays even this combination of outstanding physical and chemical material
properties combined with the economic processing technology are no guarantee for
the break-through of continuous fibre reinforced thermoplastics, mainly because of
the high material costs for the semi-finished sheet materials. These costs can be attributed
to a non adapted material selection or choice of process parameters, as well
as by unfavourable pressing process type itself.
Therefore the aim of the present investigations was to generate some alternatives
regarding the choice of raw materials, the set-up or the selection of the pressing
process line and to provide some theoretical tools for the determination of process
parameters and dimensions.
Concerning raw material aspects, the use of the blending technology is one promising
approach towards cost reduction for the matrix component. Novel characteristics
related to the fibre structure are CF-yarns with high filament numbers (e.g. 6K or 12K instead of 3K) or multiaxial fibre orientations. These two approaches were both conducted
for sheet materials with carbon fibre reinforcement and high temperature
thermoplastics.
Two new developed ternary blend matrices consisting of PEEK and PEI as the main
ingredients were tested in comparison with neat PEEK. PES and PSU were used as
the third blend component, which provides a cost reduction potential of approximately
30 % compared to the basis PEEK polymer. The results of the static pressing experiments
pointed out that the processing behaviour of the new blends is similar to
the neat PEEK matrix. A maximum process temperature of 410 °C should not be surpassed, otherwise thermal degradation will occur and will have a negative influence
on mechanical laminat properties. To accelerate the impregnation progress a
process pressure of 25 bar in combination with a sidewise opened tooling concept is
helpful. No differences were identified if film-stacking technique was substituted by
powder-prepreg-technology or vice versa. By increasing the yarn filament number
from 3K over 6K to 12K, which is equal to an increase in bundle diameter and therefore
transverse flow distance, the impregnation time has to be extended. If unspread
yarns are used, the risk of void entrapment rises tremendously, especially with 12K
and UD-structures. To reach full impregnation with a woven 6K-fabric, an increase of
process time of 20 to 30 % compared to a 3K textile structure is required. Furthermore,
it was shown that if only transverse flow is used for the impregnation of a UDstructure,
a maximum area weight of 300-400 g/m² should not be exceeded. Additionally,
the transport of air is strictly affected by the fibre orientation, because the
main amount of displaced air runs in longitudinal fibre direction. These facts play an
important role in the design of a multaxial laminat or an impregnation process for
such a structure and have to be taken into account.
Apart from these static pressing experiments the semi-continuous (stepwise compression
moulding) and continuous (double belt press processing) processing technology
were investigated and compared to each other. The first basic processing
trails on the stepwise compression moulding equipment were carried out with the material
system GF/PA66. Whereas the processing behaviour of this material combination
in a double belt press is known quite well, there is only little information about
semi-continuous processing. The performed trials pointed out that the resulting laminate
quality for both technologies only differs in the achievable local surface quality.
Mechanical laminate properties like three point bending stiffness and strength are
directly comparable. Due to the fact that there is only small experience with the stepwise
compression moulding process, potential improvements regarding surface Quality are feasible by adapting the step procedure and the temperature distribution within
the tooling concept. If laminates, produced by semi-continuous processing, are deployed
in a thermoforming process or in a non visible structural application, the surface
appearance only plays an inferior role.
The present results with high temperature thermoplastic matrices and CF do confirm
the positive assessment for the stepwise compression moulding technology, even though the mechanical laminate values have only reached 90 % of the data received
by static press processing. In comparison to the data from literature, 90 % is already
a high mechanical performance level. The results are quite promising for the use of
the semi-continuous technology, despite the process set-up and processing parameters
not being optimised. Furthermore there are tremendous advantages in processing
equipment costs.
Finally a process model was developed based on the experimental data pool. This
model can be characterised as a tool, which provides useful boundary conditions and
dimension values for the selection of a certain pressing process depending on the
desired material combination, laminate thickness and production output. The applicability
and accuracy of the model was proofed by a direct comparison between experimental
and calculated data.
First of all the temperature profile of the pressing process was generalised by a very
common structure. This profile reflects the main characteristics for the processing of
a thermoplastic composite material. Depending on the material combination, the
laminate thickness and the occurring heat transfers, several process- and processing-
portfolios were calculated. For a defined combination of the aforementioned parameters,
these portfolios directly provide the periods of time for heating and cooling
of the laminate structure. The last step is to convert these information into an equipment
dimension and to decide which machinery configuration fulfils these requirements.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Chemorheologie von Duromeren mit
hybrider und interpenetrierender Struktur. Als Duromere werden fünf verschiedene
Harze untersucht: ein Vinylester-Harz (VE-Harz), ein Vinylester-Urethan-Hybridharz
(VEUH-Harz), ein schlagzähmodifiziertes VEUH-Harz (VEUH/ETBN-Harz), ein Vinylester-
Epoxid-Harz (VE/EP-Harz) und das reine aminhärtende Epoxid (EP-Harz), das
kommerziell als Reinstoff nicht eingesetzt wird, sondern als Verdünnungsmittel dient.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Chemorheologie der genannten Harze zu messen
und zu modellieren.
Einige der untersuchten Harze sind bekannt, aber ihre Kombination, besonders in der
Form des VE/EP-Harzes sind völlig neu, so dass die Harze im Rahmen dieser Arbeit
zunächst untersucht und charakterisiert werden. Im experimentellen Teil der Arbeit
werden zur in situ Messung der Vernetzung die Thermogravimetrie, die Differenz-
Kalorimetrie, die Infrarot-Spektroskopie, die Rheometrie und die Dielektrometrie angewendet.
Es wird nachgewiesen, dass das VE-Harz radikalisch polymerisiert, das
VEUH-Harz und auch das schlagzähmodifizierte VEUH/ETBN-Harz in einer Kombination
aus Polyaddition und radikalischer Polymerisation vernetzen, das VE/EP-Harz in
einer Polyaddition mit überlagerten geringen Anteilen der radikalischen Polymerisation
und das EP-Harz in einer Polyaddition mit einer autokatalytischen Komponente zu Beginn
der Reaktion vernetzt. Anschließend werden die Netzwerke mit Hilfe von Wasseraufnahme,
Dynamisch-Mechanischer Thermoanalyse (DMTA) und Dichtebestimmungen
charakterisiert. Die Wasseraufnahme gibt einen ersten Hinweis auf die Netzwerkstruktur
und zeigt, dass das VE-, das VEUH- und das VEUH/ETBN-Harz sehr ähnliche
Netzwerke zu haben scheinen. Aus den Ergebnissen kann man weiterhin schließen,
dass das VE/EP-Harz ein deutlich weitmaschigeres Netzwerk im Vergleich zu den anderen
untersuchten Harzen hat. Da das EP-Harz während des Versuchs hydrolytisch
degradiert, kann keine Aussage über das Netzwerk getroffen werden. Aus den DMTAMessungen
erkennt man, dass die Glasübergangstemperatur des VE/EP-Harzes wie
erwartet zwischen denen der beiden reinen Komponenten liegt. Der Peak des Verlusttangens
ist deutlich breiter als die Peaks der anderen Harze. Die Dichtemessungen
zeigen, dass die Dichte sowohl des flüssigen als auch des festen VE/EP-Harzes am geringsten ist, die prozentuale Dichtezunahme vom flüssigen zum festen Harz jedoch
am größten ist.
Da die Schrumpfmessung von Harzen während der Vernetzung eine für die Praxis
sehr interessante Größe darstellt, jedoch kein kommerzielles Messgerät zur Verfügung
steht, wird diese Messgröße gesondert behandelt und mit einem in dieser Arbeit entwickelten
Gerät bestimmt. Es wird erfolgreich die Änderung des chemischen Schrumpfes
der Harzproben wie auch ihre thermische Volumenausdehnung gemessen. Abschließend wird ein mathematisches Modell aufgestellt, das die Chemorheologie
des VE-, EP-, und VE/EP-Harzes erfolgreich vorhersagt. Die Entwicklung der Modellgleichungen
beruht auf einer einheitlichen, systematischen Strategie und setzt ausschließlich
bekannte Komponenten ein. Der systematische Einsatz der einzelnen Komponenten
ist neu. Insgesamt ist das Modell in der Lage, die Viskositätsänderung der
Harze, die sie während ihrer Härtung erfahren, sowohl unter isothermen als auch dynamischen
Temperaturbedingungen zu berechenen.
The thesis at hand deals with chemorheology of duromeric materials having hybrid and
interpenetrating structures. Five different resins are investigated: a vinylester resin (VEresin),
a vinylester-urethane resin (VEUH-resin), a toughness modified VEUH-resin
(VEUH/ETBN-resin), a vinylester-epoxy resin (VE/EP-resin) and the pure amin-curing
epoxy (EP-resin). Commercially, the latter is not used on its own but only as solvent.
The aim of this work is to measure the crosslinking behaviour of these resins experimentally
and to simulate it mathematically.
Some of the resins named above are known but their combination, especially in the
form of VE/EP-resin, is completely new. Therefore the resins have to be characterised
first. Thermogravimetry, differential calorimetry, infrared spectroscopy, rheometry and
dielectrometry are used in the experimental part for in situ measurements of the crosslinking.
It is seen that the VE-resin crosslinks by radical polymerisation, the VEUH-resin
and the toughness modified VEUH/ETBN-resin by a combination of polyaddition and
radical polymerisation, the VE/EP-resin by polyaddition with small overlapping effects
caused by radical polymerisation whereas the EP-resin crosslinks by polyaddition with
autocatalytic components in the beginning of the reaction. Thereafter the crosslinked
resins are characterised with the help of water penetration, dynamic mechanical thermoanalysis
(DMTA) and density measurements. Water penetration gives first information
about the network structure; the VE-, the VEUH- and the VEUH/ETBN-resin seem to
have very similar networks. Moreover, it can be concluded from these experiments that
the network of the VE/EP-resin is wider compared to the other resins. Since the EPresin
degradates hydrolytically during the experiment its network cannot be analysed
by this method. The DMTA-experiments show that the glass transition temperature of
the VE/EP-resin is inbetween the glass transition temperatures of its pure components.
The peak of the loss modulus tanδ is clearly wider compared to the other resins. Density
measurements show, that the density of the liquid as well as of the solid VE/EP-resin
is the lowest, whereas the percentage of the density increase during solidification is
highest.
Since shrinkage measurements during crosslinking are very interesting from the industrial
point of view and there is no commercially available instrument at hand, an
instrument is developed within this thesis and shrinkage measurements are discussed
separately. The chemical shrinkage of the resins is successfully measured with this
new method. Also their thermal volume expansion is measured.
Finally, a mathematical modell is presented that simulates the chemorheology of the
VE-, EP-, and VE/EP-resin. The modell for the chemorheology is based on a unified
and systematical approach and uses well known components only. The combination
of the components is new. The modell is able to predict the resins’ viscosity during isothermal and dynamic experiments at the same time. The target of modelling the viscosity
of a resin independent from the time-temperature-profile is still discussed in the
open literature and the results of this thesis provide a contribution to this discussion.
Furthermore the mathematical approach of the chemorheological modell is simple and
only a small number of isothermal experiments is needed to determine the modell’s
parameters. Thus its handling is easy, even in a commercial environment.
Liquid composite moulding (LCM) is an efficient process for manufacturing polymer
composite structures. During LCM a liquid thermoset resin is injected into the mould
cavity containing a pre-placed dry fabric preform. In the last step of the process the
resin cures and afterwards the part can be removed from the mould. Due to relative
low injection pressure applied in processing this technique is expected to offer
potential for cost reduction in the fabrication of large parts of complex shape.
However, in practice, much time is spent for optimising processing parameters and
properly designing the mould in order to avoid problems such as void formation and
dry spots. The common trial and error tactic to determine optimised parameters
increases time and costs for an optimal process configuration. Thus simulation will
help to speed up the development process saving cost and time.
When producing double curved parts the angles between warp and weft fibres of the
fabrics change and influence the permeability of the fabric as well as the preferred
direction of flow through the fabric during the injection phase. Further on these
shearing effects increase the fibre volume fractions and therefore less resin is
available in the correspondent areas. This leads to different results of the curing
process in the sheared areas compared to the curing process in the unsheared
areas.
Opposite to the current LCM simulation technique where only the injection process is simulated, this work presents the simulation of the three single processes and
combines them in an appropriate way to improve the simulation results.
First draping simulations are performed. Therefore, the shear behaviour is
investigated. These results are used in the draping simulation in order to obtain the
fibre orientations of the warp and weft fibres. The draping results are verified by
comparing them with the corresponding parameters of parts formed.
In order to use the results of the draping simulation in the flow simulation an interface
is developed that transforms the result files obtained from the draping simulation into
a file format suitable for the flow simulation. The mode of operation of this interface is
illustrated. First a standard file format is generated to combine the shearing angles
and the node locations delivered by PamForm™. A programme is developed that reads the node locations, the shear angles and the fibre orientations at the end of the
draping simulation and creates a new file usable for the flow simulations. Further on
several features are implemented in the new model as for example the automatic
generation of a circular inlet with a defined diameter and the adjustment of the
draping model to the model for the flow simulation concerning the fitting of the
geometry model. In order to consider the changes of permeability and fibre volume
fraction in sheared areas, zones are defined which represent areas of the same fibre
volume fractions and the same permeability. Flow experiments on sheared fabrics
are performed to get information about the flow behaviour. The permeability values of
the sheared fabric are calculated by observing the position of the flow front over time
and the application of Darcy’s law. This material behaviour is implemented into a
commercially available LCM-simulation software which is verified first using a simple
plate with a sheared fabric, then using a double curved structure (hemisphere) with
draped fabric. After the verification based on the hemisphere another part is chosen
to show the ability of the interface to deal with more complicated geometries.
To obtain the input parameters for the cure kinetic model of Kamal-Sourour an epoxy
resin is characterised using DSC. The validity of this model is verified by comparing
the cure process of a flat sheet with a rib with the corresponding simulation results.
To determine the influence of the fibre volume fraction on the maximum temperature,
a cure simulation of the hemisphere with the zone distribution is performed. Cure
Simulation on a flat plate are done to quantify the influence of the thickness of the
part on the maximum temperature in the part.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulation der Prozesskette der
Harzinjektionsverfahren vorgestellt. Dazu wird der Gesamtprozess in drei
unterschiedliche Einzelprozesse unterteilt: Drapierung, Injektion und Aushärtung.
Die für die gesamte Prozesskette grundlegende Simulation stellt die
Drapiersimulation dar. Diese liefert die Faserorientierungen des drapierten Bauteils,
die für die im Anschluss durchzuführende Injektionssimulation entscheidend sind.
Um die Ergebnisse der Drapiersimulation zur Simulation der Fließvorgänge zu
nutzen, wird eine Schnittstelle entwickelt. Diese wandelt die Ergebnisse der
Drapiersimulation in ein für die Injektionssimulation nutzbares Format um und
berücksichtigt deren spezielle Anforderungen an das Simulationsmodell.
Zur möglichst effizienten Durchführung der Harzinjektionssimulation wird das Modell
in einzelne Zonen mit gleichen Permeabilitätswerten und Faservolumengehalten
unterteilt. Um den Einfluss der Gewebescherung auf das Fließverhalten von Fluiden
zu ermitteln, werden Fließversuche mit gescherten Geweben durchgeführt und
verifiziert.
Die Funktionsweise der Schnittstelle und die Anwendbarkeit der gemessenen
Materialkennwerte werden an einer Kugelhalbschale demonstriert und durch
Versuche verifiziert. Anhand einer Armaturentafel wird der Nutzen der Schnittstelle
für die Fließsimulation komplexer Bauteile gezeigt.
Die Prozesskette wird mit der Simulation der Aushärtevorgänge abgeschlossen.
Dazu wird ein reaktionskinetisches Modell nach Kamal-Sourour für ein ausgewähltes
Epoxidharz erstellt. Anhand einer Rippenstruktur wird die Aushärtesimulation
verifiziert. Durch die Aushärtesimulationen kann der Einfluss des Faservolumengehalts
sowie der Bauteildicke auf die während des Aushärtevorgangs erreichbaren
Maximaltemperaturen ermittelt werden.
Liquid Composite Moulding (LCM) has become an economic technique for the manufacture
of advanced composite lightweight structures in many cases. Meanwhile the
acronym LCM represents more than a dozen of varying process types, which all have
the principle in common that a liquid monomer is firstly injected into a cavity filled with
a reinforcing fibre preform and secondly it forms the part by chemically reacting to a
solid polymer network. A distinctive feature of the LCM process variations is their
applicability to the fabrication of a variety of different part sizes and shapes. Within
this development numerical process simulation has become an important engineering
tool for mould design and process control. Thereby the research focuses on the
simulation of resin flow through a fibrous reinforcement, because this turned out to be
the most critical process within the manufacture of composites by applying LCMTechnologies.
With the software commercially available the mould-filling pattern can
be simulated depending on the locations and number of inlet and outlet gates, resin
rheology, injection rate and pressure, thermal effects and the physics of liquid flow
through fibre preforms. Hereby the standard flow modelling bases on a proportional
relationship between the flow rate and the applied pressure gradient, which is known
as D´Arcy’s law. The describing proportional factor is called the permeability. Its
value depends on the considered flow direction because of a non-isotropic structural
arrangement of the fibre reinforcement. It becomes clear that the permeability affects
the injection process crucially and so the knowledge about it is indispensable for the
realistic prediction of a filling pattern by flow simulation.
Due to the complexity of the inner structure of a textile reinforcement the resulting
multiphase flow cannot be described adequately by an analytical model at the current
stage of research, so that the permeabilities of planar textile reinforcements like woven or non-crimped fabrics is usually obtained from flow measurements. A variety
of experimental set-ups were developed, which allow the tracking of the fluid flow
through the textile reinforcement. The permeability is derived from the flow data by
applying D´Arcy´s law. Most of these test-rigs allow the determination of the in-plane
flow characteristics only, because they are dominant in the most classical processing
techniques. But the simulation of these processes produces still significant errors,
which result from neglecting the out-of-plane flow. Since new liquid composite moulding
processes like SCRIMP™ or resin film infusion were developed, the knowledge of
the permeability in thickness direction becomes as important as the in-plane charac teristics so that researchers started to measure flow in thickness direction and developed
flow models which include the principle permeability in thickness direction. The
main arising difficulties are the measuring and the modelling for the calculation of the
permeability from flow front data. The objective of this work is to overcome these
problems by the development of a test-rig for the measure of the flow in thickness
direction and by determining a transformation rule, which addresses the unsolved
geometric boundary condition at the injection port.
After investigating the existing instrumentation for measuring flow in thickness direction
a new sensor concept is developed on the basis of ultrasound transmission,
which enables a steady collection of the actual position of a flow front. The applicability
of this test-rig was tested within the measure of the flow through different woven
and non-crimped fabrics. The permeability values, which were obtained from the flow
data with the aid of the improved analytic model, were validated by two-dimensional
radial flow experiments.
Carotenoids are organic lipophilic tetraterpenes ubiquitously present in Nature and found across the three domains of life (Archaea, Bacteria and Eukaryotes). Their structure is characterized by an extensive conjugated double-bond system, which serves as a light-absorbing chromophore, hence determining its colour, and enables carotenoids to absorb energy from other molecules and to act as antioxidant agents. Humans obtain carotenoids mainly via the consumption of fruits and vegetables, and to a smaller extent from other food sources such as fish and eggs. The concentration of carotenoids in the human plasma and tissues has been positively associated with a lower incidence of several chronic diseases including, cancer, diabetes, macular degeneration and cardiovascular conditions, likely due to their antioxidant properties. However, an important aspect of carotenoids, namely β- and α-carotene and β-cryptoxanthin, in human health and development, is their potential to be converted by the body into Vitamin A.
Yet, bioavailability of carotenoids is relatively low (< 30%) and dependent, among others, on dietary factors, such as amount and type of dietary lipids and the presence of dietary fibres. One dietary factor that has been found to negatively impact carotenoid bioaccessibility and cellular uptake in vitro is high concentrations of divalent cations during simulated gastro-intestinal digestion. Nevertheless, the mechanism of action of divalent cations remains unclear. The goal of this thesis was to better understand how divalent cations act during digestion and modulate carotenoid bioavailability. In vitro trials of simulated gastro-intestinal digestion and cellular uptake were run to investigate how varying concentrations of calcium, magnesium and zinc affected the bioaccessibility of both pure carotenoids and carotenoids from food matrices. In order to validate or refute results obtained in vitro, a randomized and double blinded placebo controlled cross-over postprandial trial (24 male participants) was carried out, testing the effect of 3 supplementary calcium doses (0 mg, 500 mg and 1000 mg) on the bioavailability of carotenoids from a spinach based meal. In vitro trials showed that addition of the divalent cations significantly decreased the bioaccessibility of both pure carotenoids (P < 0.001) and those from food matrices (P < 0.01). This effect was dependent on the type of mineral and its concentration. Strongest effects were seen for increasing concentrations of calcium followed by magnesium and zinc. The addition of divalent cations also altered the physico-chemical properties, i.e. viscosity and surface tension, of the digestas. However, the extent of this effect varied according to the type of matrix. The effects on bioaccessibility and physico-chemical properties were accompanied by variations of the zeta-potential of the particles in solution. Taken together, results from the in vitro trials strongly suggested that divalent cations were able to bind bile salts and other surfactant agents, affecting their solubility. The observed i) decrease in macroviscosity, ii) increase in surface tension, and the iii) reduction of the zeta-potential of the digesta, confirmed the removal of surfactant agents from the system, most likely due to precipitation as a result of the lower solubility of the mineral-surfactant complexes. As such, micellarization of carotenoids was hindered, explaining their reduced bioaccessibility. As for the human trial, results showed that there was no significant influence of supplementation with either 500 or 1000 mg of supplemental calcium (in form of carbonate) on the bioavailability of a spinach based meal, as measured by the area-under curve of carotenoid concentrations in the plasma-triacylglycerol rich fraction, suggesting that the in vitro results are not supported in such an in vivo scenario, which may be explained by the initial low bioaccessibility of spinach carotenoids and the dissolution kinetics of the calcium pills. Further investigations are necessary to understand how divalent cations act during in vivo digestion and potentially interact with lipophilic nutrients and food constituents.
The fact that long fibre reinforced thermoplastic composites (LFT) have higher tensile
strength, modulus and even toughness, compared to short fibre reinforced
thermoplastics with the same fibre loading has been well documented in literature.
These are the underlying factors that have made LFT materials one of the most
rapidly growing sectors of plastics industry. New developments in manufacturing of
LFT composites have led to improvements in mechanical properties and price
reduction, which has made these materials an attractive choice as a replacement for
metals in automobile parts and other similar applications. However, there are still
several open scientific questions concerning the material selection leading to the
optimal property combinations. The present work is an attempt to clarify some of
these questions. The target was to develop tools that can be used to modify, or to
“tailor”, the properties of LFT composite materials, according to the requirements of
automobile and other applications.
The present study consisted of three separate case studies, focusing on the current
scientific issues on LFT material systems. The first part of this work was focused on
LGF reinforced thermoplastic styrenic resins. The target was to find suitable maleic
acid anhydride (MAH) based coupling agents in order to improve the fibre-matrix
interfacial strength, and, in this way, to develop an LGF concentrate suitable for
thermoplastic styrenic resins. It was shown that the mechanical properties of LGF
reinforced “styrenics” were considerably improved when a small amount of MAH
functionalised polymer was added to the matrix. This could be explained by the better fibre-matrix adhesion, revealed by scanning electron microscopy of fracture surfaces.
A novel LGF concentrate concept showed that one particular base material can be
used to produce parts with different mechanical and thermal properties by diluting the
fibre content with different types of thermoplastic styrenic resins. Therefore, this
concept allows a flexible production of parts, and it can be used in the manufacturing
of interior parts for automobile components.The second material system dealt with so called hybrid composites, consisting of
long glass fibre reinforced polypropylene (LGF-PP) and mineral fillers like calcium
carbonate and talcum. The aim was to get more information about the fracture
behaviour of such hybrid composites under tensile and impact loading, and to
observe the influence of the fillers on properties. It was found that, in general, the
addition of fillers in LGF-PP, increased stiffness but the strength and fracture
toughness were decreased. However, calcium carbonate and talcum fillers resulted
in different mechanical properties, when added to LGF-PP: better mechanical
properties were achieved by using talcum, compared to calcium carbonate. This
phenomenon could be explained by the different nucleation effect of these fillers,
which resulted in a different crystalline morphology of polypropylene, and by the
particle orientation during the processing when talc was used. Furthermore, the
acoustic emission study revealed that the fracture mode of LGF-PP changed when
calcium carbonate was added. The characteristic acoustic signals revealed that the
addition of filler led to the fibre debonding at an earlier stage of fracture sequence
when compared to unfilled LGF-PP.
In the third material system, the target was to develop a novel long glass fibre
reinforced composite material based on the blend of polyamide with thermoset
resins. In this study a blend of polyamide-66 (PA66) and phenol formaldehyde resin
(PFR) was used. The chemical structure of the PA66-PFR resin was analysed by
using small molecular weight analogues corresponding to PA66 and PFR
components, as well as by carrying out experiments using the macromolecular
system. Theoretical calculations and experiments showed that there exists a strong
hydrogen bonding between the carboxylic groups of PA66 and the hydroxylic groups
of PFR, exceeding even the strength of amide-water hydrogen bonds. This was
shown to lead to the miscible blends, when PFR was not crosslinked. It was also
found that the morphology of such thermoplastic-thermoset blends can be controlled
by altering ratio of blend components (PA66, PFR and crosslinking agent). In the
next phase, PA66-PFR blends were reinforced by long glass fibres. The studies
showed that the water absorption of the blend samples was considerably decreased,
which was also reflected in higher mechanical properties at equilibrium state.
Wie man aus zahlreichen Untersuchungen und Anwendungsbeispielen entnehmen
kann, besitzen langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) eine bessere Zugfestigkeit,
Biege- und Schlagzähigkeit im Vergleich zu kurzfaserverstärkten Thermoplasten. Die
Vorteile in den mechanischen Eigenschaften haben die LFT zu einem
schnellwachsenden Bereich in der Kunststoffindustrie gemacht. Neue Entwicklungen
in Bereich der Herstellung von LFT haben für zusätzliche Verbesserungen der
mechanischen Eigenschaften sowie eine Preisreduzierung der Materialien in den
vergangenen Jahren gesorgt, was die LFT zu einer attraktiven Wahl u.a. als Ersatz
von Metallen in Automobilteilen macht. Es stellen sich allerdings immer noch einige
offene wissenschaftliche Fragen in Bezug auf z.B. die Materialbeschaffenheit, um
optimale Eigenschaftskombinationen zu erreichen. Die vorliegende Arbeit versucht,
einige dieser Fragen zu beantworten. Ziel war es, Vorgehensweisen zu entwickeln,
mit denen man die Eigenschaften von LFT gezielt beeinflussen und so den
Anforderungen von Automobilen oder anderen Anwendungen anpassen oder
„maßschneidern“ kann.
Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen, welche sich auf unterschiedliche
Materialsysteme, angepasst an den aktuellen Bedarf und das Interesse der Industrie,
konzentrieren.
Der erste Teil der Arbeit richtet sich auf die Eigenschaftsoptimierung von
langglasfaserverstärkten (LGF) thermoplastischen Styrolcopolymeren und von
Blends aus diesen Materialien. Es wurden passende, auf Maleinsäureanhydride
(MAH) basierende Kopplungsmittel gefunden, um die Faser-Matrix-Haftung zu
optimieren. Weiterhin wurde ein LGF Konzentrat entwickelt, welches mit
verschiedenen thermoplastischen Styrolcopolymeren kompatibel ist und somit als
„Verstärkungsadditiv“ eingesetzt werden kann.Das Konzept für ein neues LGF-Konzentrat auf Basis des kompatiblen
Materialsystems konzentriert sich insbesondere darauf, dass ein Basismaterial für
die Herstellung von Bauteilen bereit gestellt werden kann, mit dessen Hilfe gezielt
verschiedene mechanische und thermomechanischen Eigenschaften durch das
Zumischen von verschiedenen Styrolcopoylmeren und Blends verbessert werden
können. Dieses Konzept ermöglicht eine sehr flexible Produktion von Bauteilen und
wird seine Anwendung bei der Herstellung von Bauteilen u.a. im Interieur von Autos
finden.
Das zweite Materialsystem basiert auf sogenannten hybriden Verbundwerkstoffen,
welche aus Langglasfasern und mineralischen Füllstoffen wie Kalziumkarbonat und
Talkum in einer Polypropylen (PP) - Matrix zusammengesetzt sind. Ziel war es, durch
detaillierte bruchmechanische Analysen genaue Informationen über das
Bruchverhalten dieser hybriden Verbundwerkstoffe bei Zug- und Schlagbelastung zu
bekommen, um dann die Unterschiede zwischen den verschiedenen Füllstoffen in
Bezug auf ihre Eigenschaften zu dokumentieren. Es konnte beobachtet werden, dass
bei Zugabe der Füllstoffe zum LGF-PP normalerweise die Steifigkeit weiter
verbessert wurde, jedoch die Festigkeit und Schlagzähigkeit abnahmen. Weiterhin
zeigten die verschiedenen Füllstoffe wie Kalziumkarbonat und Talkum
unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf, wenn sie zusammen mit LGF
Verstärkung eingesetzt wurden: Bei der Zugabe von Talkum wurde u.a. eine deutlich
bessere Schlagzähigkeit als bei der Zugabe von Kalziumkarbonat festgestellt. Dieses
Phänomen konnte durch das unterschiedliche Nukleierungsverhalten des PPs erklärt
werden, welches in einer unterschiedlichen Kristallmorphologie von Polypropylen
resultierte. Weiterhin konnte man durch Messungen der akustischen Emmissionen
während der Zugbelastung eines bruchmechanischen Versuchskörpers aufzeigen,
dass die höhere Bruchzähigkeit von LGF-PP ohne Füllstoffe daraus resultiert, dass
Faser-Pullout schon bei geringeren Kräften vorhanden war.
Magnetoelastic coupling describes the mutual dependence of the elastic and magnetic fields and can be observed in certain types of materials, among which are the so-called "magnetostrictive materials". They belong to the large class of "smart materials", which change their shape, dimensions or material properties under the influence of an external field. The mechanical strain or deformation a material experiences due to an externally applied magnetic field is referred to as magnetostriction; the reciprocal effect, i.e. the change of the magnetization of a body subjected to mechanical stress is called inverse magnetostriction. The coupling of mechanical and electromagnetic fields is particularly observed in "giant magnetostrictive materials", alloys of ferromagnetic materials that can exhibit several thousand times greater magnitudes of magnetostriction (measured as the ratio of the change in length of the material to its original length) than the common magnetostrictive materials. These materials have wide applications areas: They are used as variable-stiffness devices, as sensors and actuators in mechanical systems or as artificial muscles. Possible application fields also include robotics, vibration control, hydraulics and sonar systems.
Although the computational treatment of coupled problems has seen great advances over the last decade, the underlying problem structure is often not fully understood nor taken into account when using black box simulation codes. A thorough analysis of the properties of coupled systems is thus an important task.
The thesis focuses on the mathematical modeling and analysis of the coupling effects in magnetostrictive materials. Under the assumption of linear and reversible material behavior with no magnetic hysteresis effects, a coupled magnetoelastic problem is set up using two different approaches: the magnetic scalar potential and vector potential formulations. On the basis of a minimum energy principle, a system of partial differential equations is derived and analyzed for both approaches. While the scalar potential model involves only stationary elastic and magnetic fields, the model using the magnetic vector potential accounts for different settings such as the eddy current approximation or the full Maxwell system in the frequency domain.
The distinctive feature of this work is the analysis of the obtained coupled magnetoelastic problems with regard to their structure, strong and weak formulations, the corresponding function spaces and the existence and uniqueness of the solutions. We show that the model based on the magnetic scalar potential constitutes a coupled saddle point problem with a penalty term. The main focus in proving the unique solvability of this problem lies on the verification of an inf-sup condition in the continuous and discrete cases. Furthermore, we discuss the impact of the reformulation of the coupled constitutive equations on the structure of the coupled problem and show that in contrast to the scalar potential approach, the vector potential formulation yields a symmetric system of PDEs. The dependence of the problem structure on the chosen formulation of the constitutive equations arises from the distinction of the energy and coenergy terms in the Lagrangian of the system. While certain combinations of the elastic and magnetic variables lead to a coupled magnetoelastic energy function yielding a symmetric problem, the use of their dual variables results in a coupled coenergy function for which a mixed problem is obtained.
The presented models are supplemented with numerical simulations carried out with MATLAB for different examples including a 1D Euler-Bernoulli beam under magnetic influence and a 2D magnetostrictive plate in the state of plane stress. The simulations are based on material data of Terfenol-D, a giant magnetostrictive materials used in many industrial applications.
Long fiber reinforced plastics with thermoplastic resin were steadily growing with an
ongoing success over many industries mainly automotive. Even during economically
difficult periods, they increased their output and their market share.
In addition to flow compression molding, semi-finished LFRT in form of granules were
introduced to new processes like injection molding.
This work covers two major topics to enlarge the performance of LFRTs. Firstly, it
shows a material development, which leads to flame retarded LFRT. Secondly, it
presents a new process method to improve especially dynamic mechanical properties
by laminating two compression molded sheets with no additional equipment.
One major restriction for further applications is represented by flammability of thermoplastics.
This thesis gains for a new potential. Encountering future legislative restrictions
a combination of halogen-free flame retardant and LFRT based on polypropylene
has been developed. Test results match the requirements in accordance to
flammability test UL 94 V0 (2.6 mm). Furthermore the mechanical properties
achieved a similar performance as standard-LFRTs. The polymer flow in compression
molding provokes a fiber orientation parallel to the direction of the flow front development.
A x-ray analysis in combination with a fiber orientation analysis show, that
rheology has a strong influence on the flow front development, fiber orientation and
compression work needed.
One advantage of flow compression molding is the free option in placing the polymer
melts in the cavity. The common mold design with male and female mold without slides
allows changing part thickness by different polymer melt volumes charged in the
cavity. This allows to proceed the compression molding process twice without demolding the first part. On a flat panel, the process of laminating two sheets by compression
molding is demonstrated. A first panel gets over molded by a second polymer
melt. This laminate provides a better performance than a singular molded panel
of the same thickness.
The higher substrate’s temperature the better is the adhesion of the first to the second
layer. Additionally, the best adhesion is achieved in the area of the second polymer
melt cavity placement. Furthermore an optimum in mechanical properties can be
obtained utilizing the same resin for the first and the second layer. A more advanced
material is shown with the combination of a standard-LFRT layer and a flame retarded
layer.
Calculations show, that the flame retardancy of LFRT on polypropylene can be economically
advantageous in comparison to the utilization of higher flame resistant polymer
for large parts. Nevertheless for each specific geometry as well as for certain
mechanical demands an evaluation on the best material to fit has to be carried out.
This work shows economically reasonable options either to improve the mechanical
performance and to enlarge materials properties by flame retardancy or to combine
both.
Materials in general can be divided into insulators, semiconductors and conductors,
depending on their degree of electrical conductivity. Polymers are classified as
electrically insulating materials, having electrical conductivity values lower than 10-12
S/cm. Due to their favourable characteristics, e.g. their good physical characteristics,
their low density, which results in weight reduction, etc., polymers are also
considered for applications where a certain degree of conductivity is required. The
main aim of this study was to develop electrically conductive composite materials
based on epoxy (EP) matrix, and to study their thermal, electrical, and mechanical
properties. The target values of electrical conductivity were mainly in the range of
electrostatic discharge protection (ESD, 10-9-10-6 S/cm).
Carbon fibres (CF) were the first type of conductive filler used. It was established that
there is a significant influence of the fibre aspect ratio on the electrical properties of
the fabricated composite materials. With longer CF the percolation threshold value
could be achieved at lower concentrations. Additional to the homogeneous CF/EP
composites, graded samples were also developed. By the use of a centrifugation
method, the CF created a graded distribution along one dimension of the samples.
The effect of the different processing parameters on the resulting graded structures
and consequently on their gradients in the electrical and mechanical properties were
systematically studied.
An intrinsically conductive polyaniline (PANI) salt was also used for enhancing the
electrical properties of the EP. In this case, a much lower percolation threshold was
observed compared to that of CF. PANI was found out to have, up to a particular
concentration, a minimal influence on the thermal and mechanical properties of the
EP system.
Furthermore, the two above-mentioned conductive fillers were jointly added to the EP
matrix. Improved electrical and mechanical properties were observed by this
incorporation. A synergy effect between the two fillers took place regarding the
electrical conductivity of the composites.
The last part of this work was engaged in the application of existing theoretical
models for the prediction of the electrical conductivity of the developed polymer composites. A good correlation between the simulation and the experiments was
observed.
Allgemein werden Materialien in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit in Isolatoren,
Halbleiter oder Leiter unterteilt. Polymere gehören mit einer elektrischen Leitfähigkeit
niedriger als 10-12 S/cm in die Gruppe der Isolatoren. Aufgrund vorteilhafter
Eigenschaften der Polymere, wie z.B. ihren guten physikalischen Eigenschaften,
ihrer geringen Dichte, welche zur Gewichtsreduktion beiträgt, usw., werden Polymere
auch für Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen ein gewisser Grad an
Leitfähigkeit gefordert wird. Das Hauptziel dieser Studie war, elektrisch leitende
Verbundwerkstoffe auf der Basis von Epoxidharz (EP) zu entwickeln und deren
elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften zu studieren. Die Zielwerte
der elektrischen Leitfähigkeit lagen hauptsächlich im Bereich der Vermeidung
elektrostatischer Aufladungen (ESD, 10-9-10-6 S/cm).
Bei der Herstellung elektrisch leitender Kunststoffen wurden als erstes
Kohlenstofffasern (CF) als leitfähige Füllstoffe benutzt. Bei den durchgeführten
Experimenten konnte man beobachten, dass das Faserlängenverhältnis einen
bedeutenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der fabrizierten
Verbundwerkstoffe hat. Mit längeren CF wurde die Perkolationsschwelle bereits bei
einer niedrigeren Konzentration erreicht. Zusätzlich zu den homogenen CF/EP
Verbundwerkstoffen, wurden auch Gradientenwerkstoffe entwickelt. Mit Hilfe einer
Zentrifugation konnte eine gradierte Verteilung der CF entlang der Probenlängeachse
erreicht werden. Die Effekte der unterschiedlichen Zentrifugationsparameter
auf die resultierenden Gradientenwerkstoffe und die daraus
resultierenden, gradierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften wurden
systematisch studiert.
Ein intrinsisch leitendes Polyanilin-Salz (PANI) wurde auch für das Erhöhen der
elektrischen Eigenschaften des EP benutzt. In diesem Fall wurde eine viel niedrigere
Perkolationsschwelle verglichen mit der von CF beobachtet. Der Einsatz von PANI hat bis zu einer bestimmten Konzentration nur einen minimalen Einfluß auf die
thermischen und mechanischen Eigenschaften des EP Systems.
In einem dritte Schritt wurden die zwei oben erwähnten, leitenden Füllstoffe
gemeinsam der EP Matrix hinzugefügt. Erhöhte elektrische und mechanische
Eigenschaften wurden in diesem Fall beobachtet, wobei sich ein Synergie-Effekt
zwischen den zwei Füllstoffen bezogen auf die elektrische Leitfähigkeit der
Verbundwerkstoffe ergab.
Im letzten Teil dieser Arbeit fand die Anwendung von theoretischen Modelle zur
Vorhersage der elektrischen Leitfähigkeit der entwickelten Verbundwerkstoffe statt.
Dabei konnte eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen
festgestellt werden .
This thesis addresses several challenges for sustainable logistics operations and investigates (1) the integration of intermediate stops in the route planning of transportation vehicles, which especially becomes relevant when alternative-fuel vehicles with limited driving range or a sparse refueling infrastructure are considered, (2) the combined planning of the battery replacement infrastructure and of the routing for battery electric vehicles, (3) the use of mobile load replenishment or refueling possibilities in environments where the respective infrastructure is not available, and (4) the additional consideration of the flow of goods from the end user in backward direction to the point of origin for the purpose of, e.g., recapturing value or proper disposal. We utilize models and solution methods from the domain of operations research to gain insights into the investigated problems and thus to support managerial decisions with respect to these issues.
Die Versorgungsaufgaben für Niederspannungsnetze werden sich in den kommenden Jahrzehnten durch die weitere Verbreitung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpenheizungen und Elektroautomobilen gegenüber denen des Jahres 2018 voraussichtlich stark ändern. In der Praxis verbreitete Planungsgrundsätze für den Neubau von Niederspannungsnetzen sind veraltet, denn sie stammen vielfach in ihren Grundzügen aus Zeiten, in denen die neuen Lasten und Einspeisungen nicht erwartet und dementsprechend nicht berücksichtigt wurden. Der Bedarf für neue Planungsgrundsätze fällt zeitlich mit der Verfügbarkeit regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) zusammen, die zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse im Netz eingesetzt werden können. Die hier entwickelten neuen Planungsgrundsätze erfordern für ländliche und vorstädtische Versorgungsaufgaben (nicht jedoch für städtische Versorgungsaufgaben) den rONT-Einsatz, um die hohen erwarteten Leistungen des Jahres 2040 zu geringen Kosten beherrschen zu können. Eine geeignete rONT-Standardregelkennlinie wird angegeben. In allen Fällen werden abschnittsweise parallelverlegte Kabel mit dem Querschnitt 240 mm² empfohlen.
Entwurf und Optimierung neuer Versuchsanordnungen zur Charakterisierung der Haftung an Grenzflächen
(2004)
Die Beurteilung der mechanischen Haftungsqualität an Grenzflächen ist eine entscheidende Voraussetzung zur aktiven Gestaltung von heterogenen Werkstoffen. Die vorliegende Arbeit zeigt neue Wege für den Entwurf und die Optimierung der dazu nötigen Testverfahren auf. Ausgehend von der zu messenden Größe muß eine Versuchsanordnung
oder eine Probengeometrie entworfen werden, die aufgrund ihrer Konzeption die zu einer verläßlichen Messung notwendigen Voraussetzungen schafft. Mit Hilfe von numerischen Verfahren können auch komplizierte Probengeometrien analysiert und optimiert und die Anwendbarkeit von einfachen Auswerteverfahren überprüft werden.
Ziel ist eine einfache Formel zur Auswertung, die die komplizierte Geometrie nur in Form von einmalig zu bestimmenden Formfaktoren enthält.
Diese Grundidee wird in der vorliegenden Arbeit anhand von drei verschiedenen Versuchsanordnungen ausgeführt, jede wird umfassend analysiert und auch experimentell auf ihre Durchführbarkeit überprüft.
Ausgehend vom BROUTMAN-Versuch (Faser-Matrix-Grenzfläche) beschreibt Kapitel 2 eine Probengeometrie, die eine homogene Grenzflächenbelastung durch eine geeignete Kerbung der Probe aus der äußeren Zugbelastung erzeugt. Die gleichförmige Zugbelastung ist die Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Festigkeitskonzeptes.
Zur Berechnung der Festigkeit aus den experimentellen Daten wird eine Näherungsformel abgeleitet, die die Probengeometrie nur als Formfaktoren enthält. Die optimale Probengeometrie und die zugehörigen Formfaktoren folgen aus einer Parameterstudie mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente.
Ein experimenteller Vergleich des ursprünglichen BROUTMAN-Versuchs mit dem vorgeschlagenen Zugversuch zeigt die prinzipielle Anwendbarkeit der Versuchsanordungen und des Festigkeitskonzeptes. Der Vergleich stützt weiterhin das Gesamtkonzept, denn die Herstellung der Probenkörper beider Versuchstypen erfolgt sehr ähnlich,während die Grenzflächenbelastung auf sehr unterschiedliche Weise erzeugt wird. Sie stellen deshalb zwei verschiedene Methoden zur Messung derselben Größe dar. In einer zweiseitig gekerbten Zugprobe entsteht durch die Kerbe eine Zugspannung quer zur Hauptbelastungsrichtung. Besteht der Probenkörper aus zwei einseitig gekerbten, beispielsweise durch Kleben zusammengefügten Hälften, so entsteht ebenfalls eine gleichförmige Zugbelastung eines ausgedehnten Bereiches der Grenzfläche.
Diese Idee wird im Kapitel 3 anhand einer Meßreihe aus gleichen Hälften untersucht.
Ein Finite-Elemente-Modell dient außerdem dazu, die optimale Geometrie für einen Probenkörper aus zwei einseitig gekerbten Teilen verschiedenen Materials zu ermitteln.
Es zeigt auch einen weiteren Vorteil dieser Probenform, denn plastische Deformationen beginnen stets im Kerbgrund, nicht an der Grenzfläche. Plastizität beeinflußt die Ergebnisse deshalb weniger, sie bleiben vergleichbar, auch wenn bei einigen Materialsystemen
teilweise plastische Deformationen auftreten.
Treten dagegen vor dem Grenzflächenversagen ausgedehnte plastische Deformationen in der Umgebung der Grenzfläche auf, so entsteht dadurch ein komplexer Spannungszustand, dem das Festigkeitskonzept kaum Rechnung tragen kann. Weiterhin erfolgt Versagen dann zumeist als fortschreitender Riß, so daß ein bruchmechanisches Konzept unumgänglich ist. In dieser Situation wird bei Proben aus homogenem Material mit Anfangsriß das Konzept der realen Brucharbeit bereits erfolgreich angewendet.
Dieses Konzept beschreibt aber auch zufriedenstellend das Versagen von Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien, wie anhand einer Versuchsreihe und umfangreichen numerischen Rechnungen im Kapitel 4 gezeigt wird. Das numerische Modell umfaßt ein elastisch-plastisches Materialgesetz mit Verfestigung, Rißausbreitung unter Belastung und ein an die Energiefreisetzungsrate angelehntes Energie-Kriterium
zur Simulation des Rißwachstums. Es geht damit weit über die meisten aus der Literatur bekannten Simulationen hinaus.
The work presented here supports the industrial use of natural fibre reinforced composite
materials under mass production circumstances. Potentials for optimising the
materials’ properties are offered and evaluated with regard to their effect on the
process chain material – coupling agent – processing. The possibility to use these
materials in mass production applications are improved by optimising each partial
stage.
Throughout the world there exists a great variety of suitable applications for this
group of composites affecting the raw materials choice. The Europe’s market is
stamped by the requirements of the automotive industry, the important markets of
Japan and the USA are dominated by civil engineering and landscaping applications.
A yearly increase of 18 % in Europe, 25 % in Japan and 14 % in the US is expected.
The US market offers the largest market volume of more than 480000 t exceeding
the European Market for nearly five times.
To enhance the fields of application for natural fibre reinforced thermoplastics the
common techniques of the film-stacking and the compression moulding process are
used to manufacture optimised composites based on polypropylene and bast (hemp,
flax) as well as leaf (sisal) and wood (spruce) fibres. Therefore new semi finished
parts for the compression moulding process had to be developed.
Within the manufacturing of natural fibre reinforced polypropylene using the filmstacking
process material and process parameters were identified to transfer the
gathered knowledge to the compression moulding process. It has been seen that
most problems are caused by the organic origin of the fibres. Especially the addiction
of the fibres to decompose when treated with higher temperatures under pressure
hampers their use in thermoplastic composites.
By investigating wood fibres as reinforcements, which differ from bast fibres in their
chemical composition the influence of the process parameters temperature and pressure
on the composite properties were evaluated and verified for hemp fibre reinforced
polypropylene. The minimum process time was observed and in order to enhance
the fibre-matrix-adhesion by using coupling agents the diffusion of the coupling
agent molecules was determined theoretically. Therefore a model was evaluated dealing with the maximum mass flow of coupling agent being transferred in the
fibre-matrix-interface because of mass transfer mechanisms.
In order to optimise the wetting of the fibres with the matrix different possibilities to
modify the fibres were investigated. Drying the fibres prior to the manufacturing of the
composite is an easy and effective way to improve the fibre-matrix-adhesion. The
tensile strength of all composites rose conspicuously. The removal of dust and water
soluble substances by washing led to a higher tensile strength only with the sisal fibre
reinforced composite. Washing the other fibres led to decreasing fibre wetting.
Fibre substances like lignin and pectin were removed using the mercerisation technique.
Composites made from these chemically retted fibres show the more disintegrated
fibre structure and a worse wet ability of the fibre surface with the polypropylene.
Hence the tensile and bending strength was not enhanced. The Charpy impact
strength of the composite raised distinctly.
The use of coupling agents based on maleic acid crafted polypropylene led to an increasing
tensile strength up to 58 % compared to the composite manufactured with
pre-dried fibres. The bending strength raised about 109 %. The Charpy decreased
about 60 to 80 %. Flax fibre reinforced composites showed the highest tensile
strength, sisal fibre reinforced composites offered the highest Charpy. No differences
between copolymeric and homopolymeric polypropylene when using PP-MAH as
coupling agents were determined.
The kind of application of the coupling agent in the compound has an major effect on
the amount of coupling agent to be added. The closer the coupling agent is brought
to the fibres surface at the beginning of the impregnation step the less amount has to
be used. If using an aqueous suspension the least amount had to be added as the
coupling agent remains directly on the fibre surface after drying. Mixing the coupling
agent with the polypropylene hinders the well dispersed PP-MAH to act in the fibrematrix-
interface effectively, so the amount of coupling agent has to be increased.
The comparison of coupling agent containing compounds which differ in the amount
of coupling agent and the molar mass distribution showed the amount of coupling
agent related to the mass of fibres to be the important parameter to dose the PPMAH.
The mean molar mass distribution had no effect on the compounds’ properties.Transferring the knowledge gained from the film-stacked composites to the compression
moulding process offered the possibility to use jute long fibre reinforced granules
(LFT) under optimised processing conditions. The composites gained from the molten
and pressed granules showed the highly dependency of the mechanical properties
to the fibre direction in the part. If the fibres are able to flow along the cavity and
direct themselves into parallelism the tensile and bending strength increases in the
main flow direction and decreases perpendicular to this direction. The impact
strength decreases with raising orientation of the fibres. The jute fibre surface presents
a better adhesion to the polypropylene as the surfaces of the hemp, flax and
sisal fibres, which could be improved by adding PP-MAH as coupling agent.
A newly developed pelletised semi finished part with sisal fibre reinforcement and the
development of a direct impregnation process using solely a horizontal plasticating
unit completes the work. Using an established plasticating extruder offers the possibility
for the compression moulding industry to process natural fibre reinforced polypropylene
with less investment. The compression moulded sisal fibre reinforced polypropylene showed varying fibre directions and disproportionate fibre-matrixadhesion.
As a result of the plasticating process in some parts bended fibres are still
visible after compression moulding. Hence the used single-screw plasticator is not
able to equalize the molten material. Increasing the compaction pressure was not
possible as some parts showed beginning fibre degradation. Adding PP-MAH improved
the fibre-matrix-adhesion but the positive effect of the materials’ strength was
not as clear as found for the film-stacked composites. Regarding the additional expenditures
for compounding and the coupling agent costs the use of PP-MAH in
compression moulded parts seems not to be useful.
Compared to the compression moulded glass fibre reinforced polypropylene from
GMT and LFT-materials the natural fibre reinforced composites cannot reach the
high level of material properties. Optimising the fibre-matrix-interface increases the
properties but they are still lower than the properties of the glass fibre reinforced composites. Therefore the natural fibre reinforced materials are not able to substitute
the traditional GMT and LFT, they rather should be used in new applications with
lower demands.
Sozioökonomische Trends mit hoher Raumrelevanz bilden die Grundlage für die Zukunftsfragen von Regionen und Kommunen. Zugleich bedingen ein anhaltender Verstädterungsprozess sowie zunehmend differenziert und zum Teil stark divergent ablaufende Entwicklungsdynamiken eine Zunahme regionaler Ungleichgewichte. Eben diese Entwicklung wirft Fragen nach der Sicher-stellung der Leitvorstellung gleichwertiger Lebensverhältnisse auf. Insbesondere Mittelstädten werden in diesem Zusammenhang gerade für strukturschwache und periphere Regionen als Anker im Raum angesehen. Zugleich stehen Mittelstädte ländlich-peripherer Regionen in einer zunehmenden Diskrepanz hinsichtlich ihrer Funktionszuordnung sowie der an sie gestellten Her-ausforderungen. Einerseits ist ihnen aus raumordnungspolitischer Sicht neben ihrer Rolle als regionale Versorgungs-, Arbeitsmarkt- und Wirtschaftszentren eine stabilisierende Funktion des Umlandes sowie eine Trägerfunktion der ländlichen Entwicklungsdynamik zugeschrieben. Ande-rerseits weisen sie gleichzeitig selbst eine erhöhte Betroffenheit bezüglich des infrastrukturellen Anpassungsdrucks an sozioökonomische Veränderungsprozesse auf, den es zu bewältigen gilt.
Entsprechend gilt der Erhalt und der Ausbau der Leistungsfähigkeit der Mittelstädte außerhalb von Verdichtungsräumen als ein wesentlicher Beitrag zur zukünftigen, flächendeckenden Siche-rung der Grunddaseinsvorsorge in ländlich-peripheren Regionen.
Vorliegende Arbeit widmet sich somit erstens einer Untersuchung der regionalen Stabilisierungs-funktion von Mittelstädten für ländlich-periphere Räume einschließlich einer Analyse der Mög-lichkeiten und Grenzen deren Aufrechterhaltung unter den Einflüssen sozioökonomischer Trans-formationsprozesse und den damit verbundenen Anpassungsbedarfen. Darauf aufbauend um-fasst sie zweitens eine Analyse zur Identifikation von Erfolgsfaktoren, die mittelstädtische Stabili-sierungsfunktionen in ländlich-peripheren Räumen zukünftig sicherstellen.
Hierzu widmet sich die Arbeit zunächst einer definitorischen Einordnung des Stabilisierungsbe-griffs in den Regionalwissenschaften. Eng verknüpft ist damit einhergehend die Analyse landes- und regionalplanerischer sowie regionalökonomischer Ansätze unter dem Blickwinkel ihres Sta-bilisierungsgedankens sowie die Untersuchung von bestehenden Strategien zum Umgang mit regionalen Strukturwandelprozessen.
Daran anknüpfend erfolgt eine indikatorenbasierte beziehungsweise funktionale Typisierung des Stadttypus Mittelstadt im Kontext des ländlich-peripheren Raumtypus. Damit einhergehend wird fünf ausgewählten Fallstudien eine vertiefende Evaluation zugeführt. Hierdurch ergeben sich ergänzende Erkenntnisse insbesondere im Hinblick auf Verflechtungen zwischen Kreisregion und Mittelstadt, auf den Bedeutungsgrad der Mittelstadt bezüglich ihrer Wohn-, Arbeitsplatz- und Versorgungszentralität sowie insbesondere im Hinblick auf bestehende Handlungserfordernisse sowie Entwicklungsstrategien und Handlungsansätze zur Stärkung der Funktion und Rolle der Mittelstadt in und für ihr ländlich-peripheres Umfeld.
Daraus abgeleitet wird dargelegt, welche Handlungserfordernisse sich hieraus für die Regional-entwicklung ergeben und welche zukunftsfähigen Ansätze und Strategien auf der kommunalen, regionalen sowie landesplanerischen Ebene sich besonders eignen, um die Anker- und Stabilisie-rungsfunktion der Mittelstädte ländlicher-peripherer Räume zu stärken und somit letztlich die Daseinsvorsorge in ländlich-peripheren Regionen auch zukünftig gesichert zu wissen.
Die Nähtechnik in Verbindung mit Harzinfusions- und -injektionstechniken eröffnet
ein erhebliches Gewichts- und Kosteneinsparpotential primär belasteter
Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. Dabei ist es unter
bestimmten Voraussetzungen möglich, durch Vernähungen gezielte Steigerungen
mechanischer Eigenschaften zu erreichen. Ein genaues Verständnis wirksamer
Zusammenhänge bezüglich der Änderung mechanischer Kennwerte verglichen mit
dem unvernähten Verbund ist unverzichtbar, um einen Einsatz dieser Technologie im
zivilen Flugzeugbau voranzubringen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine breit angelegte experimentelle Parameterstudie
zum Einfluss verschiedener Nähparameter auf Scheiben-Elastizitäts- und
Festigkeitseigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzverbunden unter
Zug- und Druckbelastung durchgeführt. Neben der Stichrichtung, der Garnfeinheit,
dem Nahtabstand und der Stichlänge wurde auch die Belastungsrichtung variiert. Bei
einigen Parametereinstellungen konnten keine Änderungen des Elastizitätsmoduls
oder der Festigkeit in der Laminatebene festgestellt werden, wohingegen in anderen
Fällen Reduktionen oder Steigerungen um bis zu einem Drittel des Kennwerts des
unvernähten Laminats beobachtet wurden. Dabei ist vor allem der Einfluss der
Garnfeinheit dominierend.
Die Fehlstellenausbildung infolge eines Stichs in Abhängigkeit der gewählten
Parameter und der Orientierung der Einzelschicht wurde anhand von Schliffbildern in
der Laminatebene untersucht. Ein erheblicher Einfluss der einzelnen Parameter auf
die Fehlstellenausbildung ist festzustellen, wobei wiederum die Garnfeinheit
dominiert. Anhand der Ergebnisse der Auswertung der Fehlstellenausbildung in den
Einzelschichten wurde ein empirisches Modell generiert, womit charakteristische
Fehlstellengröße n wie die Querschnittsfläche, die Breite und die Länge in
Abhängigkeit der genannten Parameter berechnet werden können.
Darauf aufbauend wurde ein Finite-Elemente-Elementarzellenmodell generiert, mit
welchem Scheiben-Elastizitätsgrößen vernähter Laminate abgeschätzt werden
können. Neben der Berücksichtigung der genannten Nähparameter ist der zentrale
Aspekt hierbei die Beschreibung eines Stichs in Form von Reinharzgebiet und
Faserumlenkungsbereich in jeder Einzelschicht.
Stitching technology in combination with Liquid Composite Molding techniques offers
a possibility to reduce significantly weight and costs of primarily loaded structural
parts made of Fiber Reinforced Polymers. Thereby, it is possible to enhance
mechanical properties simultaneously. It is essential to understand effective
correlations of all important parameters concerning changes in mechanical
characteristics due to additional stitching if stitching technologies have to be
established in the civil aircraft industry.
In this thesis, a broad experimental study on the influence of varying stitching
parameters on the membrane tensile and compressive modulus and strength of
carbon fiber reinforced epoxy laminates is presented. The direction of stitching,
thread diameter, spacing and pitch length as well as the direction of testing had been
varied. In some cases, no changes in modulus and strength could be found due to
the chosen parameters, whereas in other cases reductions or enhancements of up to
30 % compared to the unstitched laminate were observed. Thereby, the thread
diameter shows significant influence on these changes in mechanical properties.
In addition, the stitch and void formation in the thickness direction due to the stitching
parameters was investigated by evaluating micrographs in each layer of the laminate.
Again, the thread diameter showed an outstanding influence on the characteristics of
matrix pure area (void) and fiber disorientation. A mathematical model was evaluated
in order to predict in-plane characteristics of stitches and voids, from which the cross
sectional area, the width and the length of a void due to the chosen stitching
parameters can be derived.
Finally, a Finite Element based unit cell model was established to calculate elastic
constants of stitched FRP laminates. With this model it is possible to consider a stitch
as a matrix pure region and additionally an area of in-plane fiber disorientation
depending on the stitching parameters as introduced above. The model was
validated using the experimental data for tensile and compressive loading.
The outstanding flexibility of this FE unit cell approach is shown in a parametric
study, where different void formations as well as stitching parameters were varied in
a stitched, unidirectional laminate. It was found that three different aspects influence
significantly the in-plane elastic constants of stitched laminates. First of all, the
stitching parameters as well as the laminate characteristics define the shape of the
unit cell including the areas of the stitch and the fiber disorientation. Secondly,
stitching changes the fiber volume fraction in all layers, which causes changes in
elastic properties as well. Thirdly, the type and the direction of loading has to be
considered, because each change in the architecture of the laminate results in
different effects on the in-plane elastic constants namely tensile, compressive or
shear moduli as well as the Poisson´s ratios.
The demand of sustainability is continuously increasing. Therefore, thermoplastic
composites became a focus of research due to their good weight to performance
ratio. Nevertheless, the limiting factor of their usage for some processes is the loss of
consolidation during re-melting (deconsolidation), which reduces the part quality.
Several studies dealing with deconsolidation are available. These studies investigate
a single material and process, which limit their usefulness in terms of general
interpretations as well as their comparability to other studies. There are two main
approaches. The first approach identifies the internal void pressure as the main
cause of deconsolidation and the second approach identifies the fiber reinforcement
network as the main cause. Due to of their controversial results and limited variety of
materials and processes, there is a big need of a more comprehensive investigation
on several materials and processes.
This study investigates the deconsolidation behavior of 17 different materials and
material configurations considering commodity, engineering, and performance
polymers as well as a carbon and two glass fiber fabrics. Based on the first law of
thermodynamics, a deconsolidation model is proposed and verified by experiments.
Universal applicable input parameters are proposed for the prediction of
deconsolidation to minimize the required input measurements. The study revealed
that the fiber reinforcement network is the main cause of deconsolidation, especially
for fiber volume fractions higher than 48 %. The internal void pressure can promote
deconsolidation, when the specimen was recently manufactured. In other cases the
internal void pressure as well as the surface tension prevents deconsolidation.
During deconsolidation the polymer is displaced by the volume increase of the void.
The polymer flow damps the progress of deconsolidation because of the internal
friction of the polymer. The crystallinity and the thermal expansion lead to a
reversible thickness increase during deconsolidation. Moisture can highly accelerate
deconsolidation and can increase the thickness by several times because of the
vaporization of water. The model is also capable to predict reconsolidation under the
defined boundary condition of pressure, time, and specimen size. For high pressure
matrix squeeze out occur, which falsifies the accuracy of the model.The proposed model was applied to thermoforming, induction welding, and
thermoplastic tape placement. It is demonstrated that the load rate during
thermoforming is the critical factor of achieving complete reconsolidation. The
required load rate can be determined by the model and is dependent on the cooling
rate, the forming length, the extent of deconsolidation, the processing temperature,
and the final pressure. During induction welding deconsolidation can tremendously
occur because of the left moisture in the polymer at the molten state. The moisture
cannot fully diffuse out of the specimen during the faster heating. Therefore,
additional pressure is needed for complete reconsolidation than it would be for a dry
specimen. Deconsolidation is an issue for thermoplastic tape placement, too. It limits
the placement velocity because of insufficient cooling after compaction. If the
specimen after compaction is locally in a molten state, it deconsolidates and causes
residual stresses in the bond line, which decreases the interlaminar shear strength. It
can be concluded that the study gains new knowledge and helps to optimize these
processes by means of the developed model without a high number of required
measurements.
Aufgrund seiner guten spezifischen Festigkeit und Steifigkeit ist der
endlosfaserverstärkte Thermoplast ein hervorragender Leichtbauwerkstoff. Allerdings
kann es während des Wiederaufschmelzens durch Dekonsolidierung zu einem
Verlust der guten mechanischen Eigenschaften kommen, daher ist Dekonsolidierung
unerwünscht. In vielen Studien wurde die Dekonsolidierung mit unterschiedlichen
Ergebnissen untersucht. Dabei wurde meist ein Material und ein Prozess betrachtet.
Eine allgemeine Interpretation und die Vergleichbarkeit unter den Studien sind
dadurch nur begrenzt möglich. Aus der Literatur sind zwei Ansätze bekannt. Dem
ersten Ansatz liegt der Druckunterschied zwischen Poreninnendruck und
Umgebungsdruck als Hauptursache der Dekonsolidierung zu Grunde. Beim zweiten
Ansatz wird die Faserverstärkung als Hauptursache identifiziert. Aufgrund der
kontroversen Ergebnisse und der begrenzten Anzahl der Materialien und
Verarbeitungsverfahren, besteht die Notwendigkeit einer umfassenden Untersuchung
über mehrere Materialien und Prozesse. Diese Studie umfasst drei Polymere
(Polypropylen, Polycarbonat und Polyphenylensulfid), drei Gewebe (Köper, Atlas und
Unidirektional) und zwei Prozesse (Autoklav und Heißpressen) bei verschiedenen
Faservolumengehalten.
Es wurde der Einfluss des Porengehaltes auf die interlaminare Scherfestigkeit
untersucht. Aus der Literatur ist bekannt, dass die interlaminare Scherfestigkeit mit
der Zunahme des Porengehaltes linear sinkt. Dies konnte für die Dekonsolidierung
bestätigt werden. Die Reduktion der interlaminaren Scherfestigkeit für
thermoplastische Matrizes ist kleiner als für duroplastische Matrizes und liegt im
Bereich zwischen 0,5 % bis 1,5 % pro Prozent Porengehalt. Außerdem ist die
Abnahme signifikant vom Matrixpolymer abhängig.
Im Falle der thermisch induzierten Dekonsolidierung nimmt der Porengehalt
proportional zu der Dicke der Probe zu und ist ein Maß für die Dekonsolidierung. Die
Pore expandiert aufgrund der thermischen Gasexpansion und kann durch äußere
Kräfte zur Expansion gezwungen werden, was zu einem Unterdruck in der Pore
führt. Die Faserverstärkung ist die Hauptursache der Dickenzunahme
beziehungsweise der Dekonsolidierung. Die gespeicherte Energie, aufgebaut während der Kompaktierung, wird während der Dekonsolidierung abgegeben. Der
Dekompaktierungsdruck reicht von 0,02 MPa bis 0,15 MPa für die untersuchten
Gewebe und Faservolumengehalte. Die Oberflächenspannung behindert die
Porenexpansion, weil die Oberfläche vergrößert werden muss, die zusätzliche
Energie benötigt. Beim Kontakt von benachbarten Poren verursacht die
Oberflächenspannung ein Verschmelzen der Poren. Durch das bessere Volumen-
Oberfläche-Verhältnis wird Energie abgebaut. Der Polymerfluss bremst die
Entwicklung der Dickenzunahme aufgrund der erforderlichen Energie (innere
Reibung) der viskosen Strömung. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger ist die
Viskosität des Polymers, wodurch weniger Energie für ein weiteres Porenwachstum
benötigt wird. Durch den reversiblen Einfluss der Kristallinität und der
Wärmeausdehnung des Verbundes wird während der Erwärmung die Dicke erhöht
und während der Abkühlung wieder verringert. Feuchtigkeit kann einen enormen
Einfluss auf die Dekonsolidierung haben. Ist noch Feuchtigkeit über der
Schmelztemperatur im Verbund vorhanden, verdampft diese und kann die Dicke um
ein Vielfaches der ursprünglichen Dicke vergrößern.
Das Dekonsolidierungsmodell ist in der Lage die Rekonsolidierung vorherzusagen.
Allerdings muss der Rekonsolidierungsdruck unter einem Grenzwert liegen
(0,15 MPa für 50x50 mm² und 1,5 MPa für 500x500 mm² große Proben), da es sonst
bei der Probe zu einem Polymerfluss aus der Probe von mehr als 2 % kommt. Die
Rekonsolidierung ist eine inverse Dekonsolidierung und weist die gleichen
Mechanismen in der entgegengesetzten Richtung auf.
Das entwickelte Modell basiert auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und
kann die Dicke während der Dekonsolidierung und der Rekonsolidierung
vorhersagen. Dabei wurden eine homogene Porenverteilung und eine einheitliche,
kugelförmige Porengröße angenommen. Außerdem wurde die Massenerhaltung
angenommen. Um den Aufwand für die Bestimmung der Eingangsgrößen zu
reduzieren, wurden allgemein gültige Eingabeparameter bestimmt, die für eine
Vielzahl von Konfigurationen gelten. Das simulierte Materialverhalten mit den
allgemein gültigen Eingangsparametern erzielte unter den definierten
Einschränkungen eine gute Übereinstimmung mit dem tatsächlichen
Materialverhalten. Nur bei Konfigurationen mit einer Viskositätsdifferenz von mehr als 30 % zwischen der Schmelztemperatur und der Prozesstemperatur sind die
allgemein gültigen Eingangsparameter nicht anwendbar. Um die Relevanz für die
Industrie aufzuzeigen, wurden die Effekte der Dekonsolidierung für drei weitere
Verfahren simuliert. Es wurde gezeigt, dass die Kraftzunahmegeschwindigkeit
während des Thermoformens ein Schlüsselfaktor für eine vollständige
Rekonsolidierung ist. Wenn die Kraft zu langsam appliziert wird oder die finale Kraft
zu gering ist, ist die Probe bereits erstarrt, bevor eine vollständige Konsolidierung
erreicht werden kann. Auch beim Induktionsschweißen kann Dekonsolidierung
auftreten. Besonders die Feuchtigkeit kann zu einer starken Zunahme der
Dekonsolidierung führen, verursacht durch die sehr schnellen Heizraten von mehr als
100 K/min. Die Feuchtigkeit kann während der kurzen Aufheizphase nicht vollständig
aus dem Polymer ausdiffundieren, sodass die Feuchtigkeit beim Erreichen der
Schmelztemperatur in der Probe verdampft. Beim Tapelegen wird die
Ablegegeschwindigkeit durch die Dekonsolidierung begrenzt. Nach einer scheinbar
vollständigen Konsolidierung unter der Walze kann die Probe lokal dekonsolidieren,
wenn das Polymer unter der Oberfläche noch geschmolzen ist. Die daraus
resultierenden Poren reduzieren die interlaminare Scherfestigkeit drastisch um 5,8 %
pro Prozent Porengehalt für den untersuchten Fall. Ursache ist die Kristallisation in
der Verbindungszone. Dadurch werden Eigenspannungen erzeugt, die in der
gleichen Größenordnung wie die tatsächliche Scherfestigkeit sind.
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.
Ultrahochfester Beton (UHB oder aus dem Englischen Ultra High Performance Concrete, kurz UHPC) weist eine Druckfestigkeit im Bereich von 150 bis 250 MPa auf. Eine gesteigerte Zugfestigkeit und ein duktiles Verhalten werden durch die Zugabe von Mikrostahlfasern erzielt (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete, UHPFRC). Der Fasergehalt ist in der Regel höher als bei normalfestem Faserbeton, sodass aufgrund der Fasern ein „Strain-hardening“ Verhalten erreicht werden kann: in einem Biegezugversuch kann die Last nach der Erstrissbildung weiter gesteigert werden bis zur Ausbildung mehrerer feiner Risse. Da der Beitrag der Fasern zum Zugtragverhalten des UHPFRC ein wesentlicher ist, müssen die Bauteile im gerissenen Zustand bemessen werden. Während der statische und dynamische Widerstand bereits umfangreich untersucht wurde, liegen nur wenige Untersuchungen bezüglich das Dauerstandzugverhaltens von gerissenem ultrahochfestem Beton vor. Untersuchungen an normalfestem faserverstärktem Beton haben gezeigt, dass die zeitabhängigen Zugverformungen im gerissenen Zustand größer sind als die in ungerissenem Material.
Um die zu erwartenden Verformungen abschätzen zu können und um das Kriechverhalten des Materials bis zum Versagen zu analysieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt. Über 60 uniaxiale Zug- und Biegezugprobekörper wurden unter Dauerlast über einen Zeitraum von bis zu 15 Monaten beansprucht. Davon wurden 22 Probekörper nach vier Monaten hinsichtlich ihrer Resttragfähigkeit getestet. Die restlichen Probekörper befinden sich für Langzeit-Messungen weiterhin in den Dauerlastprüfständen. Es wurden dabei verschiedene Parameter untersucht: u.a. das Belastungsniveau, Art und Umfang der Nachbehandlung des Betons, das Betonalter zu Beginn der Belastung, der Fasergehalt und die Faserschlankheit. Das Schwinden der unbelasteten Probekörper sowie das Druckkriechen belasteter Probekörper wurden an der verwendeten Mischung gemessen.
Der UHPFRC wies im Allgemeinen ein sehr stabiles Verhalten auf und es zeigte sich keine unkontrollierte Zunahme der Verformungen infolge eines Faserauszugs. Lediglich bei einem Probekörper kam es bei einer Last von 79% der aufgebrachten Last am Ende der Vorbelastung zum Versagen. Der Autor sieht dabei eine ungünstige Faserausrichtung als mögliche Ursache des frühzeitigen Versagens des Probekörpers an, was auf einen bedeutenden Einfluss dieses Parameters auf die Tragfähigkeit schließen lässt. Hinsichtlich der Bemessung von gerissenen UHPFRC-Bauteilen unter Dauerlast wurde ein Vorschlag für die Bemessung der Dauerstandfestigkeit ausgearbeitet.
Darüber hinaus wurden Faserauszugversuche durchgeführt und das Verbund-Schlupfverhalten der verwendeten Fasern ermittelt. Einige Probekörper wurden nach uniaxialen Zugversuchen per Computertomographie gescannt, um den Zusammenhang der Fasern im Versagensquerschnitt zur Zugfestigkeit der Probekörper zu untersuchen. Die untersuchten Probekörper wiesen unterschiedliche Zugfestigkeiten auf. Diese konnten durch die verschiedenen Faseranzahlen im Versagensquerschnitt gut abgebildet werden.
The focus of this work is to provide and evaluate a novel method for multifield topology-based analysis and visualization. Through this concept, called Pareto sets, one is capable to identify critical regions in a multifield with arbitrary many individual fields. It uses ideas found in graph optimization to find common behavior and areas of divergence between multiple optimization objectives. The connections between the latter areas can be reduced into a graph structure allowing for an abstract visualization of the multifield to support data exploration and understanding.
The research question that is answered in this dissertation is about the general capability and expandability of the Pareto set concept in context of visualization and application. Furthermore, the study of its relations, drawbacks and advantages towards other topological-based approaches. This questions is answered in several steps, including consideration and comparison with related work, a thorough introduction of the Pareto set itself as well as a framework for efficient implementation and an attached discussion regarding limitations of the concept and their implications for run time, suitable data, and possible improvements.
Furthermore, this work considers possible simplification approaches like integrated single-field simplification methods but also using common structures identified through the Pareto set concept to smooth all individual fields at once. These considerations are especially important for real-world scenarios to visualize highly complex data by removing small local structures without destroying information about larger, global trends.
To further emphasize possible improvements and expandability of the Pareto set concept, the thesis studies a variety of different real world applications. For each scenario, this work shows how the definition and visualization of the Pareto set is used and improved for data exploration and analysis based on the scenarios.
In summary, this dissertation provides a complete and sound summary of the Pareto set concept as ground work for future application of multifield data analysis. The possible scenarios include those presented in the application section, but are found in a wide range of research and industrial areas relying on uncertainty analysis, time-varying data, and ensembles of data sets in general.
Diese Arbeit beinhaltet die Synthese zweier cyclischer Amidat-Liganden und die Untersuchung des Koordinationsverhaltens dieser Makrocyclen. Dabei wurden die strukturellen, elektrochemischen und spektroskopischen Eigenschaften der entstandenen Komplexverbindungen untersucht. Um höhere Oxidationsstufen am Metallion besser zu stabilisieren als durch neutrale Liganden, wurden die Liganden H\(_2\)L-Me\(_2\)TAOC und HL-TAAP-\(^t\)Bu\(_2\) hergestellt. Es sind zwölfgliedrige makrocyclische Ringe mit vielen sp\(^2\)-hybridisierten Atomen, die eine sterische Rigidität bedingen. Gleichzeitig besitzen sie zwei trans-ständige, sp\(^3\)-hybridisierte Amin-Donoratome, die eine Faltung entlang der N\(_{Amin}\)-N\(_{Amin}\)-Achse ermöglichen. Die äquatorialen Stickstoffdonoratome werden durch deprotonierte Amid-Gruppen bzw. durch das Stickstoffatom eines Pyridinrings zur Verfügung gestellt. Für beide Liganden konnte eine zufriedenstellende Syntheseroute, mit passablen Ausbeuten etabliert werden. In der Kristallstruktur des Makrocyclus HL-TAAP-\(^t\)Bu\(_2\) wird eine Wanne-Wanne-Konformation beobachtet. Die für eine cis-oktaedrische Koordination an Metallionen benötigte Konformation wird bereits im metallfreien Zustand des Liganden wegen der intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen verwirklicht. Die freie Rotation um die C-C-Bindungen ist bei diesem Liganden nur leicht gehindert, da die diastereotopen H-Atome der Methylengruppen im \(^1\)H-NMR-Spektrum als breite Singuletts in Erscheinung treten. Die Makrocyclen konnten erfolgreich mit Nickel(II)-, Kupfer(II)- und Cobalt(II)-Ionen komplexiert und kristallisiert werden. Dabei wurden zufriedenstellende Ausbeuten erhalten. Ohne weiteren zweifach koordinierenden Coliganden bildet der Ligand H\(_2\)L-Me\(_2\)TAOC stets fünffach koordinierte Mono-chloro-Komplexe. Der Ligand HL-TAAP-\(^t\)Bu\(_2\) bildet sechsfach koordinierte Verbindungen. Durch die Verwendung von zweizähnigen Coliganden wurde für den Makrocyclus H\(_2\)L-Me\(_2\)TAOC eine sechsfache Koordination erzwungen. Wie alle sechsfach koordinierte Verbindungen in dieser Arbeit liegen sie in einer cis-oktaedrischen Koordinationsumgebung vor. Um Vergleichskomplexe zu erhalten, wurden auch mit den Diazapyridinophan-Liganden L-N\(_4\)Me\(_2\) und L-N\(_4\)\(^t\)Bu\(_2\) die entsprechenden Kupfer- und Nickelkomplexe mit den jeweiligen Coliganden synthetisiert. In den Kristallstrukturen sind die entsprechenden Verbindungen der Diazapyridinophan-Liganden generell stärker gefaltet als die der Amidat-Liganden. Durch die starken \( \sigma\)-Donoreigenschaften der Amidatgruppen werden im Allgemeinen kürzere äquatoriale Bindungen zu den Metallionen verursacht. Durch den Vergleich der Bindungslängen mit ähnlichen bekannten high- und low-spin-Cobalt(II)-Komplexen hat sich gezeigt, dass für die Länge der Co-N\(_{Amid}\)-Bindung im high-spin-Zustand Werte von 1,95 bis 1,97 Å gefunden werden. Für den low-spin-Zustand werden Werte zwischen 1,92 und 1,95 Å gefunden. Durch die elektrochemischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass beim überwiegenden Teil der Verbindungen das Potential der Oxidationen deutlich in der Reihenfolge der Makrocyclen H\(_2\)L-Me\(_2\)TAOC < HL-TAAP-\(^t\)Bu\(_2\) < L-N\(_4\)Me\(_2\) < L-N\(_4\)\(^t\)Bu\(_2\) ansteigt. Das belegt eindeutig die leichtere Oxidierbarkeit der Komplexe mit den negativ geladenen Liganden, die damit höhere Oxidationsstufen besser stabilisieren. Durch die Energie der ersten Anregung in den UV/Vis-Spektren der Nickel(II)-Komplexe ergibt sich die Ligandenfeldstärke der makrocyclischen Liganden etwa in der Reihenfolge H\(_2\)L-Me\(_2\)TAOC ≈ L-N\(_4\)Me\(_2\) > L-N\(_4\)\(^t\)Bu\(_2\) ≈ HL-TAAP-\(^t\)Bu\(_2\).
Novel image processing techniques have been in development for decades, but most
of these techniques are barely used in real world applications. This results in a gap
between image processing research and real-world applications; this thesis aims to
close this gap. In an initial study, the quantification, propagation, and communication
of uncertainty were determined to be key features in gaining acceptance for
new image processing techniques in applications.
This thesis presents a holistic approach based on a novel image processing pipeline,
capable of quantifying, propagating, and communicating image uncertainty. This
work provides an improved image data transformation paradigm, extending image
data using a flexible, high-dimensional uncertainty model. Based on this, a completely
redesigned image processing pipeline is presented. In this pipeline, each
step respects and preserves the underlying image uncertainty, allowing image uncertainty
quantification, image pre-processing, image segmentation, and geometry
extraction. This is communicated by utilizing meaningful visualization methodologies
throughout each computational step.
The presented methods are examined qualitatively by comparing to the Stateof-
the-Art, in addition to user evaluation in different domains. To show the applicability
of the presented approach to real world scenarios, this thesis demonstrates
domain-specific problems and the successful implementation of the presented techniques
in these domains.
Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf endlosfaser- und langfaserverstärkten
thermoplastischen Materialien. Hierfür wurde das „multilayered hybrid
(MLH)“ Konzept entwickelt und auf zwei Halbzeuge, den MLH-Roving und die MLHMat
angewendet. Der MLH-Roving ist ein Roving (bestehend aus Endlosfasern), der
durch thermoplastische Folien in mehrere Schichten geteilt wird. Der MLH-Roving
wird durch eine neuartige Spreizmethode mit anschließender thermischen Fixierung
und abschließender mehrfacher Faltung hergestellt. Dadurch können verschiedene
Faser-Matrix-Konfigurationen realisiert werden. Die MLH-Mat ist ein
glasmattenverstärktes thermoplastisches Material, das für hohe Fasergehalte bis 45
vol. % und verschiedene Matrixpolymere, z.B. Polypropylen (PP) und Polyamide 6
(PA6) geeignet ist. Sie zeichnet sich durch eine hohe Homogenität in der
Flächendichte und in der Faserrichtung aus. Durch dynamische Crashversuche mit
auf MLH-Roving und MLH-Mat basierenden Probekörpern wurden das
Crashverhalten und die Performance untersucht. Die Ergebnisse der Crashkörper
basierend auf langfaserverstärktem Material (MLH-Mat) und endlosfaserverstärktem
Material (MLH-Roving) waren vergleichbar. Die PA6-Typen zeigten eine bessere
Crashperformance als PP-Typen.
The present work deals with continuous fiber- and long fiber reinforced thermoplastic
materials. The concept of multilayered hybrid (MLH) structure was developed and
applied to the so-called MLH-roving and MLH-mat. The MLH-roving is a continuous
fiber roving separated evenly into several sublayers by thermoplastic films, through
the sequential processes of spreading with a newly derived equation, thermal fixing,
and folding. It was aimed to satisfy the variety of material configuration as well as the
variety in intermediate product. The MLH-mat is a glass mat reinforced thermoplastic
(GMT)-like material that is suitable for high fiber contents up to 45 vol. % and various
matrix polymers, e.g. polypropylene (PP), polyamide 6 (PA6). It showed homogeneity
in areal density, random directional fiber distribution, and reheating stability required
for molding process. On the MLH-roving and MLH-mat materials, the crash behavior
and performance were investigated by dynamic crash test. Long fiber reinforced
materials (MLH-mat) were equivalent to continuous fiber reinforced materials (MLHroving),
and PA6 grades showed higher crash performance than PP grades.
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.
The gas phase infrared and fragmentation spectra of a systematic group of trimetallic oxo-centered
transition metal complexes are shown and discussed, with formate and acetate bridging ligands and
pyridine and water as axial ligands.
The stability of the complexes, as predicted by appropriate ab initio simulations, is demonstrated to
agree with collision induced dissociation (CID) measurements.
A broad range of DFT calculations are shown. They are used to simulate the geometry, the bonding
situation, relative stability and flexibility of the discussed complexes, and to specify the observed
trends. These simulations correctly predict the trends in the band splitting of the symmetric and
asymmetric carboxylate stretch modes, but fail to account for anharmonic effects observed specifically
in the mid IR range.
The infrared spectra of the different ligands are introduced in a brief literature review. Their changes
in different environments or different bonding situations are discussed and visualized, especially the
interplay between fundamental-, overtone-, and combination bands, as well as Fermi resonances
between them.
A new variation on the infrared multi photon dissociation (IRMPD) spectroscopy method is proposed
and evaluated. In addition to the commonly considered total fragment yield, the cumulative fragment
yield can be used to plot the wavelength dependent relative abundance of different fragmentation
products. This is shown to include valuable additional information on the excited chromophors, and
their coupling to specific fragmentation channels.
High quality homo- and heterometallic IRMPD spectra of oxo centered carboxylate complexes of
chromium and iron show the impacts of the influencing factors: the metal centers, the bridging ligands,
their carboxylate stretch modes and CH bend modes, and the terminal ligands.
In all four formate spectra, anharmonic effects are necessary to explain the observed spectra:
combination bands of both carboxylate stretch modes and a Fermi resonance of the fundamental of
the CH stretch mode, and a combination band of the asymmetric carboxylate stretch mode with the
CH bend mode of the formate bridging ligand.
For the water adduct species, partial hydrolysis is proposed to account for the changes in the observed
carboxylic stretch modes.
Appropriate experiments are suggested to verify the mode assignments that are not directly explained
by the ab initio calculations, the available experimental results or other means like deuteration
experiments.
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).
Die Einführung des Internets hat einen stetigen Wandel des täglichen,
sowie beruflichen Alltags verursacht. Hierbei ist eine deutliche Verlagerung
in den virtuellen Raum (Internet) festzustellen. Zusätzlich hat
die Einführung von sozialen Netzwerken, wie beispielsweise Facebook
das Verlangen des Nutzers immer „online“ zu sein, deutlich verstärkt.
Hinzu kommen die kontinuierlich wachsenden Datenmengen, welche beispielsweise
durch Videostreaming (YouTube oder Internet Protocol Television
(IPTV)) oder den Austausch von Bildern verursacht werden.
Zusätzlich verursachen neue Dienste, welche beispielsweise im Rahmen
vom Internet der Dinge und auch Industrie 4.0 eingeführt werden, zusätzliche
Datenmengen. Aktuelle Technologien wie Long Term Evolution
Advanced (LTE-A) im Funkbereich und Very High Speed Digital Subsciber
Line (VDSL) beziehungsweise Glasfaser in kabelgebundenen Netzen,
versuchen diesen Anforderungen gerecht zu werden.
Angesichts der steigenden Anforderungen an die Mobilität des Nutzers,
ist die Verwendung von Funktechnologien unabdingbar. In Verbindung
mit dem stetig wachsenden Datenaufkommen und den ansteigenden
Datenraten ist ein wachsender Bedarf an Spektrum, also freien,
beziehungsweise ungenutzten Frequenzbereichen einhergehend. Für die
Identifikation geeigneter Bereiche müssen allerdings eine Vielzahl von
Parametern und Einflussfaktoren betrachtet werden. Einer der entscheidenden
Parameter ist die entstehende Dämpfung im betrachteten Frequenzbereich,
da diese mit steigender Frequenz größer wird und somit
die resultierende Abdeckung bei gleichbleibender Sendeleistung sinkt.
In aktuellen Funksystemen werden Frequenzen < 6 GHz verwendet, da
diese von den Ausbreitungseigenschaften geeignete Eigenschaften aufweisen.
Des Weiteren müssen vorhandene Nutzungsrechte, Inhaber des
Spektrums, Nutzungsbedingungen und so weiter im Vorfeld abgeklärt
werden. In Deutschland wird die Koordination von der Bundesnetzagentur
vorgenommen.
Aufgrund der Vielfalt der vorhandenen Dienste und Anwendungen ist
es leicht ersichtlich, dass der Frequenzbereich < 6 GHz stark ausgelastet
ist. Neben den kontinuierlich ausgelasteten Diensten wie zum Beispiel
Long Term Evolution (LTE) oder Digital Video Broadcast (DVB), gibt
es spektrale Bereiche, die nur eine geringe zeitliche Auslastung aufweisen.
Markant hierfür sind Frequenzbereiche, welche beispielsweise ausschließlich
für militärische Nutzung reserviert sind. Bei genauerer Betrachtung
fällt auf, dass sich dies nicht ausschließlich auf den zeitlichen Bereich
beschränkt, vielmehr ergibt sich eine Kombination aus zeitlicher und
räumlicher Beschränkung, da die Nutzung meist auf einen räumlichen
Bereich eingrenzbar ist. Eine weitere Einschränkung resultiert aus der
derzeit starren Vergabe von Frequenzbereichen. Die Zuteilung basiert
auf langwierigen Antragsverfahren und macht somit eine kurzfristige variable
Zuteilung unmöglich.
Um diesem Problem gerecht zu werden, erfolgt im Rahmen dieser Arbeit
die Entwicklung eines generischen Spektrum-Management-Systems
(SMSs) zur dynamischen Zuteilung vorhandener Ressourcen. Eine Anforderung
an das System ist die Unterstützung von bereits bekannten
Spektrum Sharing Verfahren, wie beispielsweise Licensed Shared Access
(LSA) beziehungsweise Authorized Shared Access (ASA) oder Spectrum
Load Smoothing (SLS). Hierfür wird eine Analyse der derzeit bekannten
Sharing Verfahren vorgenommen und diese bezüglich ihrer Anwendbarkeit
charakterisiert. DesWeiteren werden die Frequenzbereiche unterhalb
6 GHz hinsichtlich ihrer Verwendbarkeiten und regulatorischen Anforderungen
betrachtet. Zusätzlich wird ein erweiterter Anforderungskatalog
an das Spektrum-Management-System (SMS) entwickelt, welcher
als Grundlage für das Systemdesign verwendet wird. Essentiell ist hierbei,
dass alle (potentiellen) Nutzer beziehungsweise Inhaber eines spektralen
Bereiches die Funktionalität eines derartigen Systems verwenden
können. Hieraus ergibt sich bereits die Anforderung der Skalierbarkeit
des Systems. Zur Entwicklung einer geeigneten Systemarchitektur werden
bereits vorhandene Lösungsansätze zur Verwaltung und Speicherung
von Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit verglichen und bewertet.
Des Weiteren erfolgt die Einbeziehung der geografischen Position.
Um dies adäquat gewährleisten zu können, werden hierarchische Strukturen
in Netzwerken untersucht und auf ihre Verwendbarkeit geprüft.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Spektrum-Management-
Systems (SMSs) durch Adaption bereits vorhandener Technologien und
Verfahren, sowie der Berücksichtigung aller definierten Anforderungen.
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer zentralisierten Broker-
Lösung nicht geeignet ist, da die Verzögerungszeit einen exponentiellförmigen
Verlauf bezüglich der Anzahl der Anfragen aufweist und somit
nicht skaliert. Dies kann mittels einer Distributed Hash Table (DHT)-
basierten Erweiterung überwunden werden ohne dabei die Funktionalität
der Broker-Lösung einzuschränken. Für die Einbringung der Geoinformation
hat sich die hierarchische Struktur, vergleichbar zum Domain
Naming Service (DNS) als geeignet erwiesen.
Als Parameter für die Evaluierung hat sich die resultierende Zugriffszeit,
das heißt die Zeit welche das System benötigt um Anfragen zu
bearbeiten, sowie die resultierende Anzahl der versorgbaren Nutzer herausgestellt.
Für die Simulation wird ein urbanes Areal mit fünf Gebäuden
betrachtet. In der Mitte befindet sich ein sechsstöckiges Firmengebäude,
welches in jedem Stockwerk mit einem Wireless Local Area Network Access
Point (WLAN-AP) ausgestattet ist. Umliegend befinden sich vier
Privathäuser, welche jeweils mit einem WLAN-AP ausgestattet sind.
Das komplette Areal wird von drei Mobilfunkbetreibern mit je einer
Basisstation (BS) versorgt. Als Ausgangspunkt für die Evaluierung erfolgt
der Betrieb ohne SMS. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass
eine Überlastung der Long Term Evolution Basisstationen (LTE-BSen)
vorliegt (im Speziellen bei Betreiber A und B). Im zweiten Durchlauf
wird das Szenario mit einem SMS betrachtet. Zusätzlich kommen in diesem
Fall noch Mikro Basisstationen (Mikro-BSen) zum Einsatz, welche
von der Spezifikation vergleichbar zu einem Wireless Local Area Network
(WLAN) sind. Hier zeigt sich ein deutlich ausgewogeneres Systemverhalten.
Alle BSen und Access Points (APs) befinden sich deutlich
unterhalb der Volllastgrenze.
Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit belegen, dass ein heterogenes,
zeitweise überlastetes Funksystem, vollständig harmonisiert
werden kann. Des Weiteren ermöglicht der Einsatz eines SMSs die effiziente
Verwendung von temporär ungenutzten Frequenzbereichen (sogenannte
White- und Gray-spaces).
Destructive diseases of the lung like lung cancer or fibrosis are still often lethal. Also in case of fibrosis in the liver, the only possible cure is transplantation.
In this thesis, we investigate 3D micro computed synchrotron radiation (SR\( \mu \)CT) images of capillary blood vessels in mouse lungs and livers. The specimen show so-called compensatory lung growth as well as different states of pulmonary and hepatic fibrosis.
During compensatory lung growth, after resecting part of the lung, the remaining part compensates for this loss by extending into the empty space. This process is accompanied by an active vessel growing.
In general, the human lung can not compensate for such a loss. Thus, understanding this process in mice is important to improve treatment options in case of diseases like lung cancer.
In case of fibrosis, the formation of scars within the organ's tissue forces the capillary vessels to grow to ensure blood supply.
Thus, the process of fibrosis as well as compensatory lung growth can be accessed by considering the capillary architecture.
As preparation of 2D microscopic images is faster, easier, and cheaper compared to SR\( \mu \)CT images, they currently form the basis of medical investigation. Yet, characteristics like direction and shape of objects can only properly be analyzed using 3D imaging techniques. Hence, analyzing SR\( \mu \)CT data provides valuable additional information.
For the fibrotic specimen, we apply image analysis methods well-known from material science. We measure the vessel diameter using the granulometry distribution function and describe the inter-vessel distance by the spherical contact distribution. Moreover, we estimate the directional distribution of the capillary structure. All features turn out to be useful to characterize fibrosis based on the deformation of capillary vessels.
It is already known that the most efficient mechanism of vessel growing forms small torus-shaped holes within the capillary structure, so-called intussusceptive pillars. Analyzing their location and number strongly contributes to the characterization of vessel growing. Hence, for all three applications, this is of great interest. This thesis provides the first algorithm to detect intussusceptive pillars in SR\( \mu \)CT images. After segmentation of raw image data, our algorithm works automatically and allows for a quantitative evaluation of a large amount of data.
The analysis of SR\( \mu \)CT data using our pillar algorithm as well as the granulometry, spherical contact distribution, and directional analysis extends the current state-of-the-art in medical studies. Although it is not possible to replace certain 3D features by 2D features without losing information, our results could be used to examine 2D features approximating the 3D findings reasonably well.
Numerical Godeaux surfaces are minimal surfaces of general type with the smallest possible numerical invariants. It is known that the torsion group of a numerical Godeaux surface is cyclic of order \(m\leq 5\). A full classification has been given for the cases \(m=3,4,5\) by the work of Reid and Miyaoka. In each case, the corresponding moduli space is 8-dimensional and irreducible.
There exist explicit examples of numerical Godeaux surfaces for the orders \(m=1,2\), but a complete classification for these surfaces is still missing.
In this thesis we present a construction method for numerical Godeaux surfaces which is based on homological algebra and computer algebra and which arises from an experimental approach by Schreyer. The main idea is to consider the canonical ring \(R(X)\) of a numerical Godeaux surface \(X\) as a module over some graded polynomial ring \(S\). The ring \(S\) is chosen so that \(R(X)\) is finitely generated as an \(S\)-module and a Gorenstein \(S\)-algebra of codimension 3. We prove that the canonical ring of any numerical Godeaux surface, considered as an \(S\)-module, admits a minimal free resolution whose middle map is alternating. Moreover, we show that a partial converse of this statement is true under some additional conditions.
Afterwards we use these results to construct (canonical rings of) numerical Godeaux surfaces. Hereby, we restrict our study to surfaces whose bicanonical system has no fixed component but 4 distinct base points, in the following referred to as marked numerical Godeaux surfaces.
The particular interest of this thesis lies on marked numerical Godeaux surfaces whose torsion group is trivial. For these surfaces we study the fibration of genus 4 over \(\mathbb{P}^1\) induced by the bicanonical system. Catanese and Pignatelli showed that the general fibre is non-hyperelliptic and that the number \(\tilde{h}\) of hyperelliptic fibres is bounded by 3. The two explicit constructions of numerical Godeaux surfaces with a trivial torsion group due to Barlow and Craighero-Gattazzo, respectively, satisfy \(\tilde{h} = 2\).
With the method from this thesis, we construct an 8-dimensional family of numerical Godeaux surfaces with a trivial torsion group and whose general element satisfy \(\tilde{h}=0\).
Furthermore, we establish a criterion for the existence of hyperelliptic fibres in terms of a minimal free resolution of \(R(X)\). Using this criterion, we verify experimentally the
existence of a numerical Godeaux surface with \(\tilde{h}=1\).
The growing computational power enables the establishment of the Population Balance Equation (PBE)
to model the steady state and dynamic behavior of multiphase flow unit operations. Accordingly, the twophase
flow
behavior inside liquid-liquid extraction equipment is characterized by different factors. These
factors include: interactions among droplets (breakage and coalescence), different time scales due to the
size distribution of the dispersed phase, and micro time scales of the interphase diffusional mass transfer
process. As a result of this, the general PBE has no well known analytical solution and therefore robust
numerical solution methods with low computational cost are highly admired.
In this work, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) (Attarakih, M. M., Drumm, C.,
Bart, H.-J. (2009). Solution of the population balance equation using the Sectional Quadrature Method of
Moments (SQMOM). Chem. Eng. Sci. 64, 742-752) is extended to take into account the continuous flow
systems in spatial domain. In this regard, the SQMOM is extended to solve the spatially distributed
nonhomogeneous bivariate PBE to model the hydrodynamics and physical/reactive mass transfer
behavior of liquid-liquid extraction equipment. Based on the extended SQMOM, two different steady
state and dynamic simulation algorithms for hydrodynamics and mass transfer behavior of liquid-liquid
extraction equipment are developed and efficiently implemented. At the steady state modeling level, a
Spatially-Mixed SQMOM (SM-SQMOM) algorithm is developed and successfully implemented in a onedimensional
physical spatial domain. The integral spatial numerical flux is closed using the mean mass
droplet diameter based on the One Primary and One Secondary Particle Method (OPOSPM which is the
simplest case of the SQMOM). On the other hand the hydrodynamics integral source terms are closed
using the analytical Two-Equal Weight Quadrature (TEqWQ). To avoid the numerical solution of the
droplet rise velocity, an analytical solution based on the algebraic velocity model is derived for the
particular case of unit velocity exponent appearing in the droplet swarm model. In addition to this, the
source term due to mass transport is closed using OPOSPM. The resulting system of ordinary differential
equations with respect to space is solved using the MATLAB adaptive Runge–Kutta method (ODE45). At
the dynamic modeling level, the SQMOM is extended to a one-dimensional physical spatial domain and
resolved using the finite volume method. To close the mathematical model, the required quadrature nodes
and weights are calculated using the analytical solution based on the Two Unequal Weights Quadrature
(TUEWQ) formula. By applying the finite volume method to the spatial domain, a semi-discreet ordinary
differential equation system is obtained and solved. Both steady state and dynamic algorithms are
extensively validated at analytical, numerical, and experimental levels. At the numerical level, the
predictions of both algorithms are validated using the extended fixed pivot technique as implemented in
PPBLab software (Attarakih, M., Alzyod, S., Abu-Khader, M., Bart, H.-J. (2012). PPBLAB: A new
multivariate population balance environment for particulate system modeling and simulation. Procedia
Eng. 42, pp. 144-562). At the experimental validation level, the extended SQMOM is successfully used
to model the steady state hydrodynamics and physical and reactive mass transfer behavior of agitated
liquid-liquid extraction columns under different operating conditions. In this regard, both models are
found efficient and able to follow liquid extraction column behavior during column scale-up, where three
column diameters were investigated (DN32, DN80, and DN150). To shed more light on the local
interactions among the contacted phases, a reduced coupled PBE and CFD framework is used to model
the hydrodynamic behavior of pulsed sieve plate columns. In this regard, OPOSPM is utilized and
implemented in FLUENT 18.2 commercial software as a special case of the SQMOM. The dropletdroplet
interactions
(breakage
and
coalescence)
are
taken
into
account
using
OPOSPM,
while
the
required
information
about
the
velocity
field
and
energy
dissipation
is
calculated
by
the
CFD
model.
In
addition
to
this,
the proposed coupled OPOSPM-CFD framework is extended to include the mass transfer. The
proposed framework is numerically tested and the results are compared with the published experimental
data. The required breakage and coalescence parameters to perform the 2D-CFD simulation are estimated
using PPBLab software, where a 1D-CFD simulation using a multi-sectional gird is performed. A very
good agreement is obtained at the experimental and the numerical validation levels.
The Symbol Grounding Problem (SGP) is one of the first attempts to proposed a hypothesis about mapping abstract concepts and the real world. For example, the concept "ball" can be represented by an object with a round shape (visual modality) and phonemes /b/ /a/ /l/ (audio modality).
This thesis is inspired by the association learning presented in infant development.
Newborns can associate visual and audio modalities of the same concept that are presented at the same time for vocabulary acquisition task.
The goal of this thesis is to develop a novel framework that combines the constraints of the Symbol Grounding Problem and Neural Networks in a simplified scenario of association learning in infants. The first motivation is that the network output can be considered as numerical symbolic features because the attributes of input samples are already embedded. The second motivation is the association between two samples is predefined before training via the same vectorial representation. This thesis proposes to associate two samples and the vectorial representation during training. Two scenarios are considered: sample pair association and sequence pair association.
Three main contributions are presented in this work.
The first contribution is a novel Symbolic Association Model based on two parallel MLPs.
The association task is defined by learning that two instances that represent one concept.
Moreover, a novel training algorithm is defined by matching the output vectors of the MLPs with a statistical distribution for obtaining the relationship between concepts and vectorial representations.
The second contribution is a novel Symbolic Association Model based on two parallel LSTM networks that are trained on weakly labeled sequences.
The definition of association task is extended to learn that two sequences represent the same series of concepts.
This model uses a training algorithm that is similar to MLP-based approach.
The last contribution is a Classless Association.
The association task is defined by learning based on the relationship of two samples that represents the same unknown concept.
In summary, the contributions of this thesis are to extend Artificial Intelligence and Cognitive Computation research with a new constraint that is cognitive motivated. Moreover, two training algorithms with a new constraint are proposed for two cases: single and sequence associations. Besides, a new training rule with no-labels with promising results is proposed.
Der Einstieg in ein kommunales Starkregenrisikomanagement muss über eine fundierte Risikoanalyse erfolgen, die mögliche Gefährdungen, Objektbetroffenheiten und Schadenspotenziale identifiziert und bewertet. GIS-basierte Verfahren stellen hierfür vergleichsweise einfache, effiziente Werkzeuge dar, deren Ergebnisse jedoch erheblich von subjektiven Festlegungen, der Qualität der Eingangsdaten und methodischen Einzelaspekten abhängen. Im Gegensatz zur vergleichsweise zuverlässig quantifizierbaren Gefährdung entzieht sich die Objektvulnerabilität bislang mangels Daten noch einer gebietsweiten Beurteilung. Auch die Ersatzgröße Schadenspotenzial lässt sich nur schwer auf mikroskaliger Ebene erfassen.
Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Gesamtkonzept einer GIS-basierten Risikoanalyse widmet sich zum einen einer methodischen Vertiefung der einzelnen Arbeitsschritte und analysiert die Auswirkungen unterschiedlicher Festlegungen auf die generierten Ergebnisse. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einfluss der Eingangsdaten und deren optimaler Verwertung. Parallel dazu werden die Abbildungsdefizite der Vulnerabilität näher untersucht und Vorschläge für eine methodische Verbesserung der gebietsweiten Schadenspotenzialanalyse ausgearbeitet. Beide Schritte münden in Empfehlungen zur Anwendung sowie zur Ergebnisverwertung im Zuge der weiterführenden Risikokommunikation.
Die Untersuchungen zeigen, dass vor allem die Vorglättung des Oberflächenmodells (DOM) das Gefährdungsergebnis prägt und dass für Senken und Fließwege unterschiedliche DOM-Aufbereitungen erforderlich sind. Ferner darf die methodische Berücksichtigung weiterer gefährdungsrelevanter Parameter nicht die Effizienz und Handhabungsvorteile beeinträchtigen. Die Abbildung von Vulnerabilitäten auf Objektebene scheitert vorrangig an mangelnden Angaben zur Objektanfälligkeit und zur Bewältigungskapazität, während sich Schadenspotenziale sehr grob anhand von Nutzungsdaten abschätzen lassen. Eine bessere Objektivierung der Schadenspotenzialanalyse lässt sich erreichen, wenn dieses getrennt nach Vulnerabilitätsdimensionen bewertet wird und wenn dazu charakteristische Schadenstypen als Hilfsgrößen der Bewertung verwendet werden.
Risikobewertungen sind vorrangig vulnerabilitätsbezogen, d. h. mit Fokus auf möglichen Schadensausmaße und Präventionsmaßnahmen durchzuführen. Dies kann jedoch nur auf Objektebene, konkret durch bzw. mit dem potenziell Betroffenen erfolgen. Damit wird die Risikoanalyse zwangsläufig zu einem gemeinsamen Prozess und Dialog zwischen kommunaler Verantwortung zu Information und Aufklärung auf der einen Seite und individueller Eigenverantwortung und Risikoakzeptanz auf der anderen Seite.
In recent years, enormous progress has been made in the field of Artificial Intelligence (AI). Especially the introduction of Deep Learning and end-to-end learning, the availability of large datasets and the necessary computational power in form of specialised hardware allowed researchers to build systems with previously unseen performance in areas such as computer vision, machine translation and machine gaming. In parallel, the Semantic Web and its Linked Data movement have published many interlinked RDF datasets, forming the world’s largest, decentralised and publicly available knowledge base.
Despite these scientific successes, all current systems are still narrow AI systems. Each of them is specialised to a specific task and cannot easily be adapted to all other human intelligence tasks, as would be necessary for Artificial General Intelligence (AGI). Furthermore, most of the currently developed systems are not able to learn by making use of freely available knowledge such as provided by the Semantic Web. Autonomous incorporation of new knowledge is however one of the pre-conditions for human-like problem solving.
This work provides a small step towards teaching machines such human-like reasoning on freely available knowledge from the Semantic Web. We investigate how human associations, one of the building blocks of our thinking, can be simulated with Linked Data. The two main results of these investigations are a ground truth dataset of semantic associations and a machine learning algorithm that is able to identify patterns for them in huge knowledge bases.
The ground truth dataset of semantic associations consists of DBpedia entities that are known to be strongly associated by humans. The dataset is published as RDF and can be used for future research.
The developed machine learning algorithm is an evolutionary algorithm that can learn SPARQL queries from a given SPARQL endpoint based on a given list of exemplary source-target entity pairs. The algorithm operates in an end-to-end learning fashion, extracting features in form of graph patterns without the need for human intervention. The learned patterns form a feature space adapted to the given list of examples and can be used to predict target candidates from the SPARQL endpoint for new source nodes. On our semantic association ground truth dataset, our evolutionary graph pattern learner reaches a Recall@10 of > 63 % and an MRR (& MAP) > 43 %, outperforming all baselines. With an achieved Recall@1 of > 34% it even reaches average human top response prediction performance. We also demonstrate how the graph pattern learner can be applied to other interesting areas without modification.
Though environmental inequality research has gained extensive interest in the United States, it has received far less attention in Europe and Germany. The main objective of this book is to extend the research on environmental inequality in Germany. This book aims to shed more light on the question of whether minorities in Germany are affected by a disproportionately high burden of environmental pollution, and to increase the general knowledge about the causal mechanisms, which contribute to the unequal distribution of environmental hazards across the population.
To improve our knowledge about environmental inequality in Germany, this book extends previous research in several ways. First, to evaluate the extent of environmental inequality, this book relies on two different data sources. On the on hand, it uses household-level survey data and self-reports about the impairment through air pollution. On the other hand, it combines aggregated census data and objective register-based measures of industrial air pollution by using geographic information systems (GIS). Consequently, this book offers the first analysis of environmental inequality on the national level that uses objective measures of air pollution in Germany. Second, to evaluate the causes of environmental inequality, this book applies a panel data analysis on the household level, thereby offering the first longitudinal analysis of selective migration processes outside the United States. Third, it compares the level of environmental inequality between German metropolitan areas and evaluates to which extent the theoretical arguments of environmental inequality can explain differing levels of environmental inequality across the country. By doing so, this book not only investigates the impact of indicators derived by the standard strand of theoretical reasoning but also includes structural characteristics of the urban space.
All studies presented in this book confirm the disproportionate exposure of minorities to environmental pollution. Minorities live in more polluted areas in Germany but also in more polluted parts of the communities, and this disadvantage is most severe in metropolitan regions. Though this book finds evidence for selective migration processes contributing to the disproportionate exposure of minorities to environmental pollution, it also stresses the importance of urban conditions. Especially cities with centrally located industrial facilities yield a high level of environmental inequality. This poses the question of whether environmental inequality might be the result of two independent processes: 1) urban infrastructure confines residential choices of minorities to the urban core, and 2) urban infrastructure facilitates centrally located industries. In combination, both processes lead to a disproportionate burden of minority households.
Tables or ranked lists summarize facts about a group of entities in a concise and structured fashion. They are found in all kind of domains and easily comprehensible by humans. Some globally prominent examples of such rankings are the tallest buildings in the World, the richest people in Germany, or most powerful cars. The availability of vast amounts of tables or rankings from open domain allows different ways to explore data. Computing similarity between ranked lists, in order to find those lists where entities are presented in a similar order, carries important analytical insights. This thesis presents a novel query-driven Locality Sensitive Hashing (LSH) method, in order to efficiently find similar top-k rankings for a given input ranking. Experiments show that the proposed method provides a far better performance than inverted-index--based approaches, in particular, it is able to outperform the popular prefix-filtering method. Additionally, an LSH-based probabilistic pruning approach is proposed that optimizes the space utilization of inverted indices, while still maintaining a user-provided recall requirement for the results of the similarity search. Further, this thesis addresses the problem of automatically identifying interesting categorical attributes, in order to explore the entity-centric data by organizing them into meaningful categories. Our approach proposes novel statistical measures, beyond known concepts, like information entropy, in order to capture the distribution of data to train a classifier that can predict which categorical attribute will be perceived suitable by humans for data categorization. We further discuss how the information of useful categories can be applied in PANTHEON and PALEO, two data exploration frameworks developed in our group.
Computational problems that involve dynamic data, such as physics simulations and program development environments, have been an important
subject of study in programming languages. Recent advances in self-adjusting
computation made progress towards achieving efficient incremental computation by providing algorithmic language abstractions to express computations that respond automatically to dynamic changes in their inputs. Selfadjusting programs have been shown to be efficient for a broad range of problems via an explicit programming style, where the programmer uses specific
primitives to identify, create and operate on data that can change over time.
This dissertation presents implicit self-adjusting computation, a type directed technique for translating purely functional programs into self-adjusting
programs. In this implicit approach, the programmer annotates the (toplevel) input types of the programs to be translated. Type inference finds
all other types, and a type-directed translation rewrites the source program
into an explicitly self-adjusting target program. The type system is related to
information-flow type systems and enjoys decidable type inference via constraint solving. We prove that the translation outputs well-typed self-adjusting
programs and preserves the source program’s input-output behavior, guaranteeing that translated programs respond correctly to all changes to their
data. Using a cost semantics, we also prove that the translation preserves the
asymptotic complexity of the source program.
As a second contribution, we present two techniques to facilitate the processing of large and dynamic data in self-adjusting computation. First, we
present a type system for precise dependency tracking that minimizes the
time and space for storing dependency metadata. The type system improves
the scalability of self-adjusting computation by eliminating an important assumption of prior work that can lead to recording spurious dependencies.
We present a type-directed translation algorithm that generates correct selfadjusting programs without relying on this assumption. Second, we show a
probabilistic-chunking technique to further decrease space usage by controlling the fundamental space-time tradeoff in self-adjusting computation.
We implement implicit self-adjusting computation as an extension to Standard ML with compiler and runtime support. Using the compiler, we are able
to incrementalize an interesting set of applications, including standard list
and matrix benchmarks, ray tracer, PageRank, sparse graph connectivity, and
social circle counts. Our experiments show that our compiler incrementalizes existing code with only trivial amounts of annotation, and the resulting
programs bring asymptotic improvements to large datasets from real-world
applications, leading to orders of magnitude speedups in practice.
Die vorliegende Forschung fokussiert den Fachkräfteerhalt im Gesundheitswesen aus erziehungs- und sozialwissenschaftlicher Perspektive. Dabei geht die Untersuchung den Fragen nach, welche Faktoren den Verbleib im Pflegeberuf beeinflussen, inwieweit die Implementierung gesundheitsfördernder Maßnahmen (BGF) innerhalb des Betrieblichen Gesundheitsmanagements (BGM) zum Erhalt im Pflegeberuf beiträgt und welche gesundheitsfördernden Maßnahmen Pflegefachkräfte benötigen, um (weiterhin) im Beruf arbeiten zu können. Erziehungs- und sozialwissenschafliches Erkenntnisinteresse liegt darin, was zur Vermittlung gesundheitsrelevanter Informationen in der Kindheit beigetragen hat und wie diese Aneignungsprozesse den Begriff der individuellen Gesundheit geprägt haben. Die sozialwissenschaftliche Theoriebasis bildet zum einen das Segment des kulturellen Kapitals der „Habitus/Feld-Theorie“ Bourdieus, der als Aneignung von Kulturkapital die Vermittlung vorschulischer Bildung kennzeichnet, die untrennbar mit dem Individuum verbunden ist. Ein weiteres Teilelement der theoretischen Ausgangsbasis fußt auf autopoietischen Aspekten der „System/Umwelt-Theorie“ Luhmanns, der individuelle Selbststeuerungsprozesse für die Aufnahme und Verarbeitung (gesundheitsrelevanter) Informationen verantwortlich macht. Organisationspädagogische Komponenten bilden den Rahmen des theoretischen Modells, die als Verbindung zwischen Individuum und Organisation fungieren und ädaquate Angebots-strukturen zur Vermittlung einer adressatengerechten Gesundheitsförderung anbieten. Über-einstimmend in allen drei Theorieelementen wird die individuelle Systemgeschichte (Biografie) als relevanter Kernaspekt identifiziert, die sich in der Empirie widerspiegelt.
Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden sowohl quantitative als auch qualitative Methoden der empirsichen Sozialforschung gewählt; mit einer Reichweite der Analyse von Dokumenten über qualitative Interviews bis hin zur Entwicklung von Typen.
Als bedeutsame empirische Kernkategorie kristallisiert sich die Zuschreibung „Wertschät-zung/Anerkennung“ heraus, die sich bereits im Theorieteil wiederfindet.
Da die Studie „PflegeWert“ (2011) in der Altenpflege durchgeführt wurde, nimmt die vorliegende Forschung ausschließlich klinisch tätige Pflegefachkräfte in den Blick.
Schlüsselbegriffe: Kulturelles Kapital; Autopoiesis; Organisationspädagogik; System-geschichte; Typologie; Wertschätzung
Eine Anpassung von Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssystemen im ländlichen Raum kann aufgrund vielfältiger Herausforderungen wie demografischen, siedlungsstrukturellen und klimatischen Veränderungen erforderlich werden. Im Zuge dessen können auch die Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz der bestehenden Systeme gesteigert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Unterstützung der notwendigen Anpassungsprozesse der Abwasserentsorgung ländlicher Gemeinden. Dazu werden verschiedene Transformationspfade für Abwassersysteme aufgezeigt und analysiert.
In dieser Arbeit wird ein softwaregestütztes Entscheidungs- und Optimierungssystem angewendet und evaluiert, dass optimale Anpassungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodell berechnet für jede Gemeinde in Abhängigkeit von dem ausgewählten Szenario und vorgegebenen Zielen den optimalen Transformationspfad mit seiner zeitlichen und räumlichen Umsetzung. In den Szenarien werden zukünftige Entwicklungen der Bevölkerung, der Siedlungsstruktur, des Wasserbedarfs, der Kosten technischer Anlagen und des Klimawandels berücksichtigt. Die Zielfunktion bildet sich aus der gewichteten Summe ökonomischer, ökologischer und sozialer Bewertungskriterien. Die beispielhafte Anwendung des Modells erfolgt für zwei repräsentative ländliche Modellkommunen in Rheinland-Pfalz.
Durch eine detaillierte Auswertung und Evaluierung von ausgewählten Kombinationen von Szenarien und Bewertungskriterien kann das Spektrum an möglichen Transformationspfaden von der Erhaltung des zentralen Systems bis hin zu dezentralen und ressourcenorientierten Systemen aufgezeigt werden. Sensitivitätsbetrachtungen zeigen, dass die Auswahl und Gewichtung der Bewertungskriterien und die lokalen Randbedingungen der Gemeinde einen größeren Einfluss auf die resultierende Transformationspfade haben als die Auswahl der Szenarien.
Der Zustand des Entwässerungssystems wie der Anteil alter Kanäle, ein großer Anteil Mischsystem, große Durchmesser und eine große Kanallänge pro Einwohner sowie eine niedrige Siedlungsdichte fördern dezentrale Strukturen und sind geeignete Voraussetzungen für einen Systemwechsel. Bei der Priorisierung der Ziele Flexibilität, Wasserbilanz und Wasserrecycling wird die Dezentralisierung eines Systems mit Kleinkläranlagen favorisiert. Ein ressourcenorientiertes System mit einer Grau- und Schwarzwassertrennung ist nur zukünftig vorteilhaft, wenn die Ziele Wasserrecycling, Nährstoffrecycling und/oder Energieeffizienz priorisiert werden. Wenn ein Systemwechsel vollzogen werden soll, müssen auch die Auswirkungen auf die Wasserversorgung und Abwasserreinigung untersucht werden.
Es kann gezeigt werden, dass bei einer abnehmenden Bevölkerung dezentrale und ressourcenorientierte Systeme im ländlichen Raum eine Alternative darstellen. Zur Begleitung von Transformationsprozessen ist die Verwendung einer adäquaten Methodik zum Aufzeigen von verschiedenen Systemalternativen (z.B. mathematische Optimierung) zielführend.
The transfer of substrates between to enzymes within a biosynthesis pathway is an effective way to synthesize the specific product and a good way to avoid metabolic interference. This process is called metabolic channeling and it describes the (in-)direct transfer of an intermediate molecule between the active sites of two enzymes. By forming multi-enzyme cascades the efficiency of product formation and the flux is elevated and intermediate products are transferred and converted in a correct manner by the enzymes.
During tetrapyrrole biosynthesis several substrate transfer events occur and are prerequisite for an optimal pigment synthesis. In this project the metabolic channeling process during the pink pigment phycoerythrobilin (PEB) was investigated. The responsible ferredoxin-dependent bilin reductases (FDBR) for PEB formation are PebA and PebB. During the pigment synthesis the intermediate molecule 15,16-dihydrobiliverdin (DHBV) is formed and transferred from PebA to PebB. While in earlier studies a metabolic channeling of DHBV was postulated, this work revealed new insights into the requirements of this protein-protein interaction. It became clear, that the most important requirement for the PebA/PebB interaction is based on the affinity to their substrate/product DHBV. The already high affinity of both enzymes to each other is enhanced in the presence of DHBV in the binding pocket of PebA which leads to a rapid transfer to the subsequent enzyme PebB. DHBV is a labile molecule and needs to be rapidly channeled in order to get correctly further reduced to PEB. Fluorescence titration experiments and transfer assays confirmed the enhancement effect of DHBV for its own transfer.
More insights became clear by creating an active fusion protein of PebA and PebB and comparing its reaction mechanism with standard FDBRs. This fusion protein was able to convert biliverdin IXα (BV IXα) to PEB similar to the PebS activity, which also can convert BV IXα via DHBV to PEB as a single enzyme. The product and intermediate of the reaction were identified via HPLC and UV-Vis spectroscopy.
The results of this work revealed that PebA and PebB interact via a proximity channeling process where the intermediate DHBV plays an important role for the interaction. It also highlights the importance of substrate channeling in the synthesis of PEB to optimize the flux of intermediates through this metabolic pathway.
Im Fokus dieser Promotionsarbeit stand die Synthese neuer kationischer Eisenkomplexe, die
sowohl einen Cyclopentadienyl-, als auch einen Phenylliganden besitzen. Der Sechsringligand
wurde dabei mit stickstoff- oder phosphorhaltigen Substituenten funktionalisiert. Dabei konnten
erstmals Eisenarenkomplexe mit Azidobenzolliganden isoliert und charakterisiert werden. Die
Umsetzung mit heterocyclischen Nucleophilen zeigte bei den 1,2,3-Triazolen die Möglichkeit in
1- und 2-Position eine Bindungsknüpfung einzugehen. Dies konnte durch die Verwendung von
Imidazolidsalzen umgangen werden und so konnte eine Reihe mono- und disubstituierter
Eisenkomplexe mit Methylimidazol und Benzimidazol synthetisiert werden. Durch Alkylierung und
Benzylierung gelang auf diesem Weg der Zugang zu di- und trikationischen Eisenarenkomplexen,
welche die Vorstufe zu NHC-Komplexen bilden. Für die Funktionalisierung mit phosphorhaltigen
Gruppen konnte ein Syntheseweg erarbeitet und auf disubstituierte Komplexe übertragen werden.
Es gelang durch die Koordination von Gold einen kationischen heterobimetallischen Komplex zu
synthetisieren und vollständig zu charakterisieren. Dieser zeigte in mehreren
Cyclisierungsreaktionen hohe katalytische Aktivität, welche über der literaturbekannter
Katalysatoren lag. Mitunter konnten vergleichbare Umsätze unter milderen Bedingungen erzielt
werden.
This thesis consists of five chapters. Chapter one elaborates on the principle of cognitive consistency and provides an overview of what extant research refers to as cognitive consistency theories (e.g., Abelson et al., 1968; Harmon-Jones & Harmon-Jones, 2007; Simon, Stenstrom, & Read, 2015). Moreover, it describes the most prominent theoretical representatives in this context, namely balance theory (Heider, 1946, 1958), congruity theory (Osgood & Tannenbaum, 1955), and cognitive dissonance theory (Festinger, 1957). Chapter one further outlines the role of individuals’ preference for cognitive consistency in the context of financial resource acquisition, the recruitment of employees and the acquisition of customers in the entrepreneurial context.
Chapter two is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum and presents two separate studies in which we empirically investigate the hypothesis that social entrepreneurs face a systematic disadvantage, compared to for-profit entrepreneurs, when seeking to acquire financial resources. Further, our work goes beyond existing research by introducing biased perceptions as a factor that may constrain social enterprise resource acquisition and therefore possibly stall the process of social value creation. On the foundation of role congruity theory (Eagly & Karau, 2002), we emphasize on the question whether social entrepreneurs provide signals which are less congruent with the stereotype of successful entrepreneurs and, in such, are perceived as less competent. We further test whether such biased competency perceptions feed forward into a lower probability to receive funding.
Chapter three is also co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum as well as by Eva Henrich. The aim of this chapter is to further our understanding of the early recruitment phase and to contribute to the current debate about how firms should orchestrate their recruitment channels in order to enhance the creation of employer knowledge. We introduce the concept of integrated marketing communication into the recruitment field and examine how the level of consistency regarding job or organization information affects the recall and the recognition of that information. We additionally test whether information consistency among multiple recruitment channels influences information recognition failure quota. Answering this question is important as by failing to remember the source of recruitment information, job seekers may attribute job information to the wrong firm and thus create an incorrect employer knowledge.
Chapter four, which is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum, introduces customer congruity perceptions between a brand and a reward in the context of customer referral programs as an essential driver of the effectiveness of such programs. More precisely, we posit and empirically test a model according to which the decision-making process of the customer recommending a firm involves multiple mental steps and assumes reward perceptions to be an immediate antecedent of brand evaluation, which then, ultimately shapes the likelihood of recommendation. The level of congruity/incongruity is set up as an antecedent state and affects the perceived attractiveness of the reward. Our work contributes to the discussion on the optimal level of congruity between a prevailing schema in the mind of the customer and a stimulus presented. In addition, chapter four introduces customer referral programs as a strategic tool for brand managers. Chapter four is further published in Psychology & Marketing.
Chapter five first proposes that marketing strategies specifically designed to induce word-of-mouth (WOM) behavior are particular relevant for new ventures. Against the background that previous research suggests that customer perceptions of young firm age may influence customer behavior and the degree to which customers support new ventures (e.g., Choi & Shepherd, 2005; Stinchcombe, 1965), we secondly conduct an experiment to examine the causal mechanisms linking firm age and customer WOM. Chapter five, too, is co-authored by Prof. Dr. Matthias Baum.
Increasing costs due to the rising attrition of drug candidates in late developmental phases alongside post-marketing withdrawal of drugs challenge the pharmaceutical industry to further improve their current preclinical safety assessment strategies. One of the most common reasons for the termination of drug candidates is drug induced hepatotoxicity, which more often than not remains undetected in early developmental stages, thus emphasizing the necessity for improved and more predictive preclinical test systems. One reason for the very limited value of currently applied in vitro test systems for the detection of potential hepatotoxic liabilities is the lack of organotypic and tissue-specific physiology of hepatocytes cultured in ordinary monolayer culture formats.
The thesis at hand primarily deals with the evaluation of both two- and three-dimensional cell culture approaches with respect to their relative ability to predict the hepatotoxic potential of drug candidates in early developmental phases. First, different hepatic cell models, which are routinely used in pharmaceutical industry (primary human hepatocytes as well as the three cell lines HepG2, HepaRG and Upcyte hepatocytes), were investigated in conventional 2D monolayer culture with respect to their ability to detect hepatotoxic effects in simple cytotoxicity studies. Moreover, it could be shown that the global protein expression levels of all cell lines substantially differ from that of primary human hepatocytes, with the least pronounced difference in HepaRG cells.
The introduction of a third dimension through the cultivation of spheroids enables hepatocytes to recapitulate their typical native polarity and furthermore dramatically increases the contact surface of adjacent cells. These differences in cellular architecture have a positive influence on hepatocyte longevity and the expression of drug metabolizing enzymes and transporters, which could be proven via immunofluorescent (IF) staining for at least 14 days in PHH and at least 28 days in HepaRG spheroids, respectively. Additionally, the IF staining of three different phase III transporters (MDR1, MRP2 and BSEP) indicated a bile canalicular network in spheroids of both cell models. A dose-dependent inducibility of important cytochrome P450 isoenzymes in HepaRG spheroids could be shown on the protein level via IF for at least 14 days. CYP inducibility of HepaRG cells cultured in 2D and 3D was compared on the mRNA level for up to 14 days and inducibility was generally lower in 3D compared to 2D under the conditions of this study. In a comparative cytotoxicity study, both PHH and HepaRG spheroids as well as HepaRG monolayers have been treated with five hepatotoxic drugs for up to 14 days and viability was measured at three time points (days 3, 7 and 14). A clear time- and dose-dependent onset of the drug-induced hepatotoxic effects was observable in all conditions tested, indicated by a shift of the respective EC50 value towards lower doses by increasing exposure. The observed effects were most pronounced in PHH spheroids, thus indicating those as the most sensitive cell model in this study. Moreover, HepaRG cells were more sensitive in spheroid culture compared to monolayers, which suggests a potential application of spheroids as long-term test system for the detection of hepatotoxicities with slow onset. Finally, the basal protein expression levels of three antigens (CYP1A2, CYP3A4 and NAT 1/2) were analyzed via Western Blotting in HepaRG cells cultured in three different cell culture formats (2D, 3D and QV) in order to estimate the impact of the cell culture conditions on protein expression levels. In the QV system enables a pump-driven flow of cell culture media, which introduces both mechanical stimuli through shear and molecular stimuli through dynamic circulation to the monolayer. Those stimuli resulted in a clearly positive effect on the expression levels of the selected antigens by an increased expression level in comparison to both 2D and 3D. In contrast, HepaRG spheroids showed time-dependent differences with the overall highest levels at day 7.
The studies presented in this thesis delivered valuable information on the increased physiological relevance in dependence on the cell culture format: three-dimensionality as well as the circulation of media lead to a more differentiated phenotype in hepatic cell models. Those cell culture formats are applicable in preclinical drug development in order to obtain more relevant information at early developmental stages and thus help to create a more efficient drug development process. Nonetheless, further studies are necessary to thoroughly characterize, validate and standardize such novel cell culture approaches prior to their routine application in industry.
Road accidents remain as one of the major causes of death and injuries globally. Several million people die every year due to road accidents all over the world. Although the number of accidents in European region have reduced in the past years, road safety still remains a major challenge. Especially in case of commercial trucks, due to the size and load of the vehicle, even minor collisions with other road users would lead to serious injuries or death. In order to reduce number of accidents, automotive industry is rapidly developing advanced driver assistance systems (ADAS) and automated driving technologies. Efficient and reliable solutions are required for these systems to sense, perceive and react to different environmental conditions. For vehicle safety applications such as collision avoidance with vulnerable road users (VRUs), it is not only important for the system to efficiently detect and track the objects in the vicinity of the vehicle but should also function robustly.
An environment perception solution for application in commercial truck safety systems and for future automated driving is developed in this work. Thereby a method for integrated tracking and classification of road users in the near vicinity of the vehicle is formulated. The drawbacks in conventional multi-object tracking algorithms with respect to state, measurement and data association uncertainties have been addressed with the recent advancements in the field of unified multi-object tracking solutions based on random finite sets (RFS). Gaussian mixture implementation of the recently developed labeled multi-Bernoulli (LMB) filter [RSD15] is used as the basis for multi-object tracking in this work. Measurement from an high-resolution radar sensor is used as the main input for detecting and tracking objects.
On one side, the focus of this work is on tracking VRUs in the near vicinity of the truck. As it is beneficial for most of the vehicle safety systems to also know the category that the object belongs to, the focus on the other side is also to classify the road users. All the radar detections believed to originate from a single object are clustered together with help of density based spatial clustering for application with noise (DBSCAN) algorithm. Each cluster of detections would have different properties based on the respective object characteristics. Sixteen distinct features based on radar detections, that are suitable for separating pedestrians, bicyclists and passenger car categories are selected and extracted for each of the cluster. A machine learning based classifier is constructed, trained and parameterised for distinguishing the road users based on the extracted features.
The class information derived from the radar detections can further be used by the tracking algorithm, to adapt the model parameters used for precisely predicting the object motion according to the category of the object. Multiple model labeled multi-Bernoulli filter (MMLMB) is used for modelling different object motions. Apart from the detection level, the estimated state of an object on the tracking level also provides information about the object class. Both these informations are fused using Dempster-Shafer theory (DST) of evidence, based on respective class probabilities Thereby, the output of the integrated tracking and classification with MMLMB filter are classified tracks that can be used by truck safety applications with better reliability.
The developed environment perception method is further implemented as a real-time prototypical system on a commercial truck. The performance of the tracking and classification approaches are evaluated with the help of simulation and multiple test scenarios. A comparison of the developed approaches to a conventional converted measurements Kalman filter with global nearest neighbour association (CMKF-GNN) shows significant advantages in the overall accuracy and performance.
Mobility has become an integral feature of many wireless networks. Along with this mobility comes the need for location awareness. A prime example for this development are today’s and future transportation systems. They increasingly rely on wireless communications to exchange location and velocity information for a multitude of functions and applications. At the same time, the technological progress facilitates the widespread availability of sophisticated radio technology such as software-defined radios. The result is a variety of new attack vectors threatening the integrity of location information in mobile networks.
Although such attacks can have severe consequences in safety-critical environments such as transportation, the combination of mobility and integrity of spatial information has not received much attention in security research in the past. In this thesis we aim to fill this gap by providing adequate methods to protect the integrity of location and velocity information in the presence of mobility. Based on physical effects of mobility on wireless communications, we develop new methods to securely verify locations, sequences of locations, and velocity information provided by untrusted nodes. The results of our analyses show that mobility can in fact be exploited to provide robust security at low cost.
To further investigate the applicability of our schemes to real-world transportation systems, we have built the OpenSky Network, a sensor network which collects air traffic control communication data for scientific applications. The network uses crowdsourcing and has already achieved coverage in most parts of the world with more than 1000 sensors.
Based on the data provided by the network and measurements with commercial off-the-shelf hardware, we demonstrate the technical feasibility and security of our schemes in the air traffic scenario. Moreover, the experience and data provided by the OpenSky Network allows us to investigate the challenges for our schemes in the real-world air traffic communication environment. We show that our verification methods match all
requirements to help secure the next generation air traffic system.
This research explores the development of web based reference software for
characterisation of surface roughness for two-dimensional surface data. The reference software used for verification of surface characteristics makes the evaluation methods easier for clients. The algorithms used in this software
are based on International ISO standards. Most software used in industrial measuring
instruments may give variations in the parameters calculated due to numerical changes in
calculation. Such variations can be verified using the proposed reference software.
The evaluation of surface roughness is carried out in four major steps: data capture, data
align, data filtering and parameter calculation. This work walks through each of these steps
explaining how surface profiles are evaluated by pre-processing steps called fitting and
filtering. The analysis process is then followed by parameter evaluation according to DIN EN
ISO 4287 and DIN EN ISO 13565-2 standards to extract important information from the
profile to characterise surface roughness.
If gradient based derivative algorithms are used to improve industrial products by reducing their target functions, the derivatives need to be exact.
The last percent of possible improvement, like the efficiency of a turbine, can only be gained if the derivatives are consistent with the solution process that is used in the simulation software.
It is problematic that the development of the simulation software is an ongoing process which leads to the use of approximated derivatives.
If a derivative computation is implemented manually, it will be inconsistent after some time if it is not updated.
This thesis presents a generalized approach which differentiates the whole simulation software with Algorithmic Differentiation (AD), and guarantees a correct and consistent derivative computation after each change to the software.
For this purpose, the variable tagging technique is developed.
The technique checks at run-time if all dependencies, which are used by the derivative algorithms, are correct.
Since it is also necessary to check the correctness of the implementation, a theorem is developed which describes how AD derivatives can be compared.
This theorem is used to develop further methods that can detect and correct errors.
All methods are designed such that they can be applied in real world applications and are used within industrial configurations.
The process described above yields consistent and correct derivatives but the efficiency can still be improved.
This is done by deriving new derivative algorithms.
A fixed-point iterator approach, with a consistent derivation, yields all state of the art algorithms and produces two new algorithms.
These two new algorithms include all implementation details and therefore they produce consistent derivative results.
For detecting hot spots in the application, the state of the art techniques are presented and extended.
The data management is changed such that the performance of the software is affected only marginally when quantities, like the number of input and output variables or the memory consumption, are computed for the detection.
The hot spots can be treated with techniques like checkpointing or preaccumulation.
How these techniques change the time and memory consumption is analyzed and it is shown how they need to be used in selected AD tools.
As a last step, the used AD tools are analyzed in more detail.
The major implementation strategies for operator overloading AD tools are presented and implementation improvements for existing AD tools are discussed.
The discussion focuses on a minimal memory consumption and makes it possible to compare AD tools on a theoretical level.
The new AD tool CoDiPack is based on these findings and its design and concepts are presented.
The improvements and findings in this thesis make it possible, that an automatic, consistent and correct derivative is generated in an efficient way for industrial applications.
The aim of this dissertation is to explain processes in recruitment by gaining a better understanding of how perceptions evolve and how recruitment outcomes and perceptions are influenced. To do so, this dissertation takes a closer look at the formation of fit perceptions, the effects of top employer awards on pre-hire recruitment outcomes, and on how perceptions about external sources are influenced.
Fast Internet content delivery relies on two layers of caches on the request path. Firstly, content delivery networks (CDNs) seek to answer user requests before they traverse slow Internet paths. Secondly, aggregation caches in data centers seek to answer user requests before they traverse slow backend systems. The key challenge in managing these caches is the high variability of object sizes, request patterns, and retrieval latencies. Unfortunately, most existing literature focuses on caching with low (or no) variability in object sizes and ignores the intricacies of data center subsystems.
This thesis seeks to fill this gap with three contributions. First, we design a new caching system, called AdaptSize, that is robust under high object size variability. Second, we derive a method (called Flow-Offline Optimum or FOO) to predict the optimal cache hit ratio under variable object sizes. Third, we design a new caching system, called RobinHood, that exploits variances in retrieval latencies to deliver faster responses to user requests in data centers.
The techniques proposed in this thesis significantly improve the performance of CDN and data center caches. On two production traces from one of the world's largest CDN AdaptSize achieves 30-91% higher hit ratios than widely-used production systems, and 33-46% higher hit ratios than state-of-the-art research systems. Further, AdaptSize reduces the latency by more than 30% at the median, 90-percentile and 99-percentile.
We evaluate the accuracy of our FOO analysis technique on eight different production traces spanning four major Internet companies.
We find that FOO's error is at most 0.3%. Further, FOO reveals that the gap between online policies and OPT is much larger than previously thought: 27% on average, and up to 43% on web application traces.
We evaluate RobinHood with production traces from a major Internet company on a 50-server cluster. We find that RobinHood improves the 99-percentile latency by more than 50% over existing caching systems.
As load imbalances grow, RobinHood's latency improvement can be more than 2x. Further, we show that RobinHood is robust against server failures and adapts to automatic scaling of backend systems.
The results of this thesis demonstrate the power of guiding the design of practical caching policies using mathematical performance models and analysis. These models are general enough to find application in other areas of caching design and future challenges in Internet content delivery.
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.
The simulation of cutting process challenges established methods due to large deformations and topological changes. In this work a particle finite element method (PFEM) is presented, which combines the benefits of discrete modeling techniques and methods based on continuum mechanics. A crucial part of the PFEM is the detection of the boundary of a set of particles. The impact of this boundary detection method on the structural integrity is examined and a relation of the key parameter of the method to the eigenvalues of strain tensors is elaborated. The influence of important process parameters on the cutting force is studied and a comparison to an empirical relation is presented.
In modern algebraic geometry solutions of polynomial equations are studied from a qualitative point of view using highly sophisticated tools such as cohomology, \(D\)-modules and Hodge structures. The latter have been unified in Saito’s far-reaching theory of mixed Hodge modules, that has shown striking applications including vanishing theorems for cohomology. A mixed Hodge module can be seen as a special type of filtered \(D\)-module, which is an algebraic counterpart of a system of linear differential equations. We present the first algorithmic approach to Saito’s theory. To this end, we develop a Gröbner basis theory for a new class of algebras generalizing PBW-algebras.
The category of mixed Hodge modules satisfies Grothendieck’s six-functor formalism. In part these functors rely on an additional natural filtration, the so-called \(V\)-filtration. A key result of this thesis is an algorithm to compute the \(V\)-filtration in the filtered setting. We derive from this algorithm methods for the computation of (extraordinary) direct image functors under open embeddings of complements of pure codimension one subvarieties. As side results we show
how to compute vanishing and nearby cycle functors and a quasi-inverse of Kashiwara’s equivalence for mixed Hodge modules.
Describing these functors in terms of local coordinates and taking local sections, we reduce the corresponding computations to algorithms over certain bifiltered algebras. It leads us to introduce the class of so-called PBW-reduction-algebras, a generalization of the class of PBW-algebras. We establish a comprehensive Gröbner basis framework for this generalization representing the involved filtrations by weight vectors.
Analyzing Centrality Indices in Complex Networks: an Approach Using Fuzzy Aggregation Operators
(2018)
The identification of entities that play an important role in a system is one of the fundamental analyses being performed in network studies. This topic is mainly related to centrality indices, which quantify node centrality with respect to several properties in the represented network. The nodes identified in such an analysis are called central nodes. Although centrality indices are very useful for these analyses, there exist several challenges regarding which one fits best
for a network. In addition, if the usage of only one index for determining central
nodes leads to under- or overestimation of the importance of nodes and is
insufficient for finding important nodes, then the question is how multiple indices
can be used in conjunction in such an evaluation. Thus, in this thesis an approach is proposed that includes multiple indices of nodes, each indicating
an aspect of importance, in the respective evaluation and where all the aspects of a node’s centrality are analyzed in an explorative manner. To achieve this
aim, the proposed idea uses fuzzy operators, including a parameter for generating different types of aggregations over multiple indices. In addition, several preprocessing methods for normalization of those values are proposed and discussed. We investigate whether the choice of different decisions regarding the
aggregation of the values changes the ranking of the nodes or not. It is revealed that (1) there are nodes that remain stable among the top-ranking nodes, which
makes them the most central nodes, and there are nodes that remain stable
among the bottom-ranking nodes, which makes them the least central nodes; and (2) there are nodes that show high sensitivity to the choice of normalization
methods and/or aggregations. We explain both cases and the reasons why the nodes’ rankings are stable or sensitive to the corresponding choices in various networks, such as social networks, communication networks, and air transportation networks.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige Konzepte zur selektiven C-C, C-N, und C-S Bindungsknüpfung erarbeitet. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung katalytischer und ressourcenschonender Prozesse, die auf leicht zugänglichen und kostengünstigen Startmaterialien beruhen.
Im ersten Teilprojekt gelang es, eine abfallminimierte Eintopfsynthese von Amiden ausgehend von den entsprechenden Ammoniumcarboxylaten und einem niedermolekularen Alkin als Aktivator zu entwickeln. Entscheidend hierbei war die Identifikation eines hochaktiven und stabilen Rutheniumkatalysators, mit dem die Addition des Carboxylates an das Alkin selbst in Gegenwart von Aminen möglich ist. Eine Aminolyse der intermediär gebildeten Enolester liefert im Anschluss die gewünschten Amide zusammen mit einer niedermolekularen und leicht abtrennbaren Carbonylverbindung als einzigem Nebenprodukt.
In einem weiteren Projekt gelang es eine carboxylatdirigierte ortho-Arylierung von Benzoesäuren mit kostengünstigen und breit verfügbaren Arylhalogeniden zu entwickeln. Der bei diesem Verfahren eingesetzte Rutheniumkatalysator besticht dabei nicht nur durch seine hohe Aktivität, sondern ist im Vergleich zu bisher genutzten Katalysatoren um ein vielfaches günstiger und erlaubt selbst die Umsetzung von unreaktiveren Arylchloriden. Durch Kombination dieser neu entwickelten Methode mit einer Protodecarboxylierung bzw. einer decarboxylierenden Kreuzkupplung konnte weiterhin die Carboxygruppe als Ankerpunkt für weitere Funktionalisierungsschritte genutzt und so deren Überlegenheit im Vergleich zu anderen dirigierenden Gruppen demonstriert werden.
Daneben gelang in einem dritten Teilprojekt, welches zwei thematisch sehr verwandte Unterprojekte umfasst, die Einführung der pharmakologisch bedeutsamen Trifluormethylthiolgruppe in aliphatische Substrate unter Verzicht auf stöchiometrische Mengen an präformierten Metallspezies. Unter Verwendung der lagerstabilen Me4NSCF3 Vorstufe, welche aus den kommerziell erhältlichen Reagenzien Me4NF, elementarem Schwefel und TMS-CF3 zugänglich ist, konnten -Diazoester erstmals mit katalytischen Mengen eines Kupfersalzes zu den entsprechenden trifluormethylthiolierten Produkten umgesetzt werden. Zusätzlich hierzu gelang es, über eine indirekte Reaktionsführung aliphatische Kohlenstoffelektrophile, wie Halogenide oder Mesylate, in einer Eintopfreaktion zunächst zu thiocyanieren und anschließend über einen Langlois-Austausch mit kostengünstigem TMS-CF3 in die entsprechenden trifluormethylthiolierten Spezies umzuwandeln. Beide Verfahren bestechen mit einer hohen Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und einer deutlichen Reduktion der gebildeten Abfallmengen im Vergleich zu etablierten Verfahren.
Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit konnte eine abfallfreie Hydroxymethylierung terminaler Alkine unter Nutzung von CO2 als nachhaltigem C1-Baustein realisiert werden. Durch den Einsatz der organischen Base 2,2,6-6-Tetramethylpiperidin werden Phenylacetylenderivate in einem sequentiellen Eintopfverfahren zunächst carboxyliert und im Anschluss daran zu den entsprechenden Alkoholen hydriert, wobei die Base nach der Sequenz wieder freigesetzt und als einziges Nebenprodukt Wasser gebildet wird. Analog dazu gelang es durch die Nutzung von Kaliumphosphat als Base dieses Konzept auch auf die anspruchsvolleren aliphatisch substituierten Alkine zu übertragen. Als Schlüsselschritt dieser Reaktionssequenz gilt eine Veresterung der intermediär gebildeten Kaliumcarboxylate in Methanol unter CO2 Druck. Das zusammen mit dem Produkt gebildete Basengemisch aus Kaliumhydrogencarbonat und Dikaliumhydrogenphosphat kann anschließend durch thermische Behandlung wieder in Wasser, Kohlendioxid und die eingesetzte Base Kaliumphosphat umgewandelt werden, sodass in der Gesamtsequenz lediglich Wasser als Nebenprodukt anfällt.
Certain brain tumours are very hard to treat with radiotherapy due to their irregular shape caused by the infiltrative nature of the tumour cells. To enhance the estimation of the tumour extent one may use a mathematical model. As the brain structure plays an important role for the cell migration, it has to be included in such a model. This is done via diffusion-MRI data. We set up a multiscale model class accounting among others for integrin-mediated movement of cancer cells in the brain tissue, and the integrin-mediated proliferation. Moreover, we model a novel chemotherapy in combination with standard radiotherapy.
Thereby, we start on the cellular scale in order to describe migration. Then we deduce mean-field equations on the mesoscopic (cell density) scale on which we also incorporate cell proliferation. To reduce the phase space of the mesoscopic equation, we use parabolic scaling and deduce an effective description in the form of a reaction-convection-diffusion equation on the macroscopic spatio-temporal scale. On this scale we perform three dimensional numerical simulations for the tumour cell density, thereby incorporating real diffusion tensor imaging data. To this aim, we present programmes for the data processing taking the raw medical data and processing it to the form to be included in the numerical simulation. Thanks to the reduction of the phase space, the numerical simulations are fast enough to enable application in clinical practice.
Vor dem Hintergrund einer Häufung schadensträchtiger Ereignisse in den letzten Jahren und einer zukünftig möglichen Zunahme extremer Niederschläge infolge des Klimawandels sind mittlerweile methodische Ansätze des Risikomanagements im Rahmen einer kommunalen Überflutungsvorsorge etabliert. Zu der dafür erforderlichen
ortsbezogenen Analyse konkreter Überflutungsgefährdungen existieren
aktuell verschiedene methodische Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Aussagekraft. Bestehende Anwendungsempfehlungen und vergleichende Untersuchungen stellen die integrale Berechnung des oberirdischen und unterirdischen Abflusses mithilfe bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussmodelle als den methodisch
umfassendsten und aussagekräftigsten Ansatz zur Durchführung entsprechender Analysen dar. Die hohe Komplexität dieser Modelle schlägt sich in einer Vielzahl an Einflussgrößen nieder, welche sich auf die Berechnungsergebnisse auswirken können. Zusätzlich ist die Kalibrierung von Modellen zur Überflutungssimulation aufgrund der oftmals fehlenden „Messdaten“ zum realen Überflutungsgeschehen stark begrenzt. Aufgrund fehlender konkreter Vorgaben und
Empfehlungen zur Anwendung der Methode bzw. zur Modellkonfiguration ist die Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen und Gefährdungsaussagen derzeit nicht gegeben.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Identifizierung und Quantifizierung von Einflussgrößen und die Erarbeitung entsprechender Anwendungsempfehlungen zur Erhöhung der Vergleichbarkeit beim Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2DAbflussmodelle zur überflutungsbezogenen Gefährdungsanalyse.
Für zwei Modellgebiete, die sich hinsichtlich relevanter Gebietseigenschaften stark unterscheiden, wurden bi-direktional gekoppelte 1D/2D-Abflussmodelle mit einer Referenzkonfiguration erstellt und mithilfe von Daten zu historischen Überflutungsereignissen bestmöglich plausibilisiert. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse an den beiden Referenzmodellen wurde eine große Zahl an Zusammenhängen und Auswirkungen durch Auslenkung relevanter Einflussgrößen identifiziert und quantifiziert. Um eine anwendungsbezogene Einschätzung zu gewährleisten wurden
Vergleichsindikatoren entwickelt, die nicht nur die Berücksichtigung berechneter Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten, sondern auch eine Bewertung der Einflussgrößen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Gefährdungsaussage ermöglichen.
Anhand der Ergebnisse wurden gebietsspezifische Anwendungsempfehlungen für den Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussberechnungen zur Gefährdungsanalyse abgeleitet. Die erarbeiteten Anwendungsempfehlungen tragen zu einer Erhöhung der Vergleichbarkeit künftiger Analysen der ortsbezogenen Überflutungsgefährdung bei. Die entwickelte Untersuchungsmethodik kann bei künftigen Ergänzungen oder Konkretisierungen der Anwendungsempfehlungen, z.B. anhand der Untersuchung weiterer Modellgebiete oder neuer Einflussgrößen, eingesetzt werden.