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.

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.

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.

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.