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.

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.

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.

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.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein glasfaserverstärkter Rotor für einen Elektromotor entwickelt, welcher bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden soll. Ziel ist eine kostengünstige Serienversion des Motors auf Basis eines bereits bestehenden Baumusters. Im Wesentlichen waren dabei zwei Anforderungsfelder zu erfüllen. Als erstes mussten Verformungsrestriktionen unter Betriebslast eingehalten werden. Es wurde ein Finite-Elemente-(FE-) Modell erstellt, wobei eine Schnittstelle zwischen der Prozesssimulation der Fertigung und dem FE-Modell geschrieben wurde, um die Informationen zum Lagenaufbau zu transferieren. Sowohl in der Analytik als auch in der numerischen Simulation hat sich gezeigt, dass bei der im Betrieb auftretenden Fliehkraft die gewünschte Verformung nur mit Hilfe der zu verwendenden Glasfaser nicht eingehalten werden kann. Daraufhin wurde ein Konzept entwickelt, um die Verformung mittels einer adaptiven Steuerung mit Formgedächtnislegierungen zu begrenzen. Zunächst wurden Konzepte entwickelt, wie die Formgedächtnislegierung in Drahtform an den Rotor angebunden werden kann. Die Konzepte wurden experimentell überprüft, wobei gleichzeitig das Verhalten der Formgedächtnislegierung ermittelt wurde, um daraus ein numerisches Simulationsmodell zu entwickeln, welches mit dem Modell des Rotors verknüpft wurde. Dabei zeigte sich, dass dieses Konzept das Verformungsverhalten positiv beeinflusst und in Abhängigkeit von der verwendeten Menge die Verformungsrestriktion eingehalten werden kann. Als zweites Anforderungsfeld wurde die Lasteinleitung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle ausgelegt. Dafür wurde ein Konzept für eine Verschraubung als Sonderform einer Bolzenverbindung erarbeitet, bei denen ein Gewinde in der dickwandigen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK-) Struktur des Rotors mittels insitu- Herstellung eingebracht wird. Um die Vor- und Nachteile eines solchen geformten Gewindes gegenüber einer geschnittenen Variante zu ermitteln, wurden umfangreiche quasistatische Versuche und zyklische Lebensdauerversuche an zwei verschiedenen Laminaten und zwei verschiedenen Gewindetypen durchgeführt. Gemessen wurde jeweils die (Ermüdungs-) Festigkeit bei axialer Kraft und bei Scherkraft. Dabei zeigte sich, dass bei quasistatischer axialer Belastung die geformten Gewinde im Mittel eine geringere Festigkeit aufweisen als die geschnittene Variante.Bei der für den Anwendungsfall relevanteren Scherbelastung konnten im Mittel jedoch Festigkeitssteigerungen gemessen werden. Bei der Ermüdungsfestigkeit waren die Vorteile abhängig von dem geprüften Lastniveau. Die Wöhlerlinien bei den geformten Gewinden haben im Mittel einen deutlich flacheren Verlauf. Für die meisten Vergleichspaare bedeutet dies, dass die geschnittene Variante bei sehr hohen Lastniveaus beim Einstufenversuch eine größere Versagensschwingspielzahl erreicht als die geformte Variante. Bei Verringerung der Last haben ab einem individuellen Kreuzungspunkt jedoch die geformten Gewinde eine größere Schwingspielzahl erreicht. Abschließend wurde ein voll parametrisches numerisches Einheitszellen-Modell erstellt, welches sowohl die geformten als auch die geschnittenen Gewinde abbilden kann. Hierbei wurden auch Degradationsmodelle integriert, die ein verändertes Werkstoffverhalten nach dem Auftreten insbesondere von Zwischenfaserbrüchen und Delaminationen abbilden sollen. Validiert wurden die Modelle, indem die quasistatischen Versuche nachgebildet wurden und die globale Verformung mit den optischen Messungen aus den Versuchsreihen verglichen wurden. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung bis relativ nah an die Schraube heran. In diesem Bereich war die Simulation minimal zu steif, was auf eine noch nicht ausreichende Degradation in der Simulation hindeutet. In this study a GFRP rotor of an electric engine is developed. The engine shall be used in electric drive trains in cars. Major aim of the study is to develop a low-cost version of an existing prototype for serial production with a relatively high output of at least 50.000 units per annum. Two main aims must be achieved. First of all, the structural deformation must be limited under operating load. To predict the deformation, a finite element model was set up. To import the lay-up information from a filament winding process simulation software into the FE-model, a compilertool was written. The numerical simulation and an analytical calculation have shown that the GFRP-laminate alone is not able to limit the radial deformation caused by centrifugal force under rotation. So a different approach was developed, using an adaptive control with shape memory alloys. For this, a concept was investigated, how the shape memory alloy wires can be attached on the GFRP structure. The strengths of the different concepts were measured experimentally and simultaneously the force-temperature behavior of the wire was investigated. Out of these empirical studies, a material model of the shape memory alloys for the numerical simulation was developed and combined with the existing simulation model of the rotor. The simulation showed that the shape memory alloys can be used to decrease the radial deformation below the given limits. The second main requirement was to develop a proper load transfer from the metallic output shaft into the GFRP rotor. For serial rotor production with a high output, the direct forming of threads in the thick-walled GFRP was investigated. The direct forming of threads reduces the manufacturing costs by avoiding wear of drilling and cutting tools, although with a slight increase of tooling costs which are less relevant due to the economies of scale of high output manufacturing processes as the filament winding process. In this study the mechanical behavior of directly formed threads was compared to conventionally tapped threads. Two different GFRP laminate layups were investigated, a cross-ply-laminate and a quasi-isotropic laminate, both with a thickness of approximately 12 mm, impregnated with epoxy resin. A standard metrical thread and a more coarse thread were also compared, both with an outer diameter of 8 mm. Two different tests were investigated: a pullout test of the screw perpendicular to the laminate and a bearing-pull-through-test in the laminate plane. The quasi static test results show differences in fracture behavior, but in general very good strength and stiffness behavior compared to conventionally cut threads in thickwalled GFRP. The deformations of the surface of the GFRP laminates during the tests were measured with a three dimensional digital image correlation system. The measured deformations were used to validate the numerical simulations of the tests. These simulations were parametrical built up in order to adapt them easily to other application cases. They use a degradation mechanism to simulate the connection behavior very close to the total fraction and show a very good correlation to the experimental results. As a second step, the fatigue behavior of the connection was also investigated. To compare the cyclic performance of the formed and cut threads for both kinds of tests, for both laminates and both threads - the metric and the coarse ones -, Woehler diagrams with a load aspect ratio of R=0.1 were measured. Especially the high cycle fatigue behavior with a relatively low maximum load, as commonly used in a real structure, improves a lot when forming the threads. At last a full parametrical numerical model of the laminate with both the formed and the cut thread was generated. Also algorithms for material degradation were integrated. They can represent the behavior of the material after the appearance of inter fiber failures or delamination. The validation of the numerical model was achieved by remodeling the experimental tests and comparing the global deformation of the model with the optical measurement of the quasi static tests. The deformation of the simulation was very congruent to the tests, only very close to the screw the simulation shows a slightly more stiff behavior. This indicates a not sufficient degradation of the simulation due to damage effects in the material.

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind in der Luftfahrt etabliert, wohingegen andere Branchen diese aufgrund der hohen Kosten nur zögerlich einsetzen. Die hohen Betriebskosten von Flugzeugen, die sich vorrangig durch Leichtbau reduzieren lassen, erlauben kostenintensivere Lösungen als die Kostenstrukturen in anderen Branchen. Die Mehrkosten sind neben dem Leichtbau der entscheidende Faktor für den Einsatz von FKV-Strukturen außerhalb der Luftfahrtbranche. Während in der Luftfahrtbranche üblicherweise Niete zur Krafteinleitung eingesetzt werden und diese nur eine Demontage eines Bauteils durch Aufbohren zulassen, genügen Niete den Ansprüchen anderer Branchen nicht, da ein hoher Demontageaufwand durch das Aufbohren hohe Kosten mit sich zieht. Aus diesem Grund erfordert es preisgünstige und qualitative Lösungen, die eine lösbare Verbindung ermöglichen. In den meisten Branchen werden daher, im Gegensatz zur Luftfahrt, traditionell reibschlüssige Schraubenverbindungen für metallische Bauteile verwendet. Für reibschlüssige Schraubenverbindungen, die zur Krafteinleitung in FKV-Strukturen genutzt werden, sind dem Stand der Forschung nach kaum Erkenntnisse vorhanden. Daher ist es Gegenstand dieser Arbeit aufzuzeigen, wie durch eine Erhöhung des Reibwerts bei reibschlüssigen Krafteinleitungen in FKV-Bauteilen eine Verbesserung der statischen und zyklischen Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann. Um den zuverlässigen Einsatz von reibschlüssigen Schraubenverbindungen zu ermöglichen, werden außerdem die maximal zulässige Flächenpressung und der Vorspannkraftverlust an FKV-Proben ermittelt. Dabei bilden experimentelle Ergebnisse eine Basis, anhand derer aufgezeigt wird, inwieweit analytische Modelle genutzt werden können,um die reibschlüssige Krafteinleitung in FKV abzubilden. Zunächst wird der Haftreibwert zwischen Stahl und FKV experimentell untersucht, um Konzepte zur Steigerung des Reibwerts zu quantifizieren. Durch die experimentelle Ermittlung einer maximal zulässigen Flächenpressung für die verwendeten FKVMaterialien werden Schädigungen infolge zu hoher Vorspannkräfte vermieden. Dazu werden FKV- Proben mit einem Stempel belastet und mit Hilfe der Schallemissionsmethode Schädigungen detektiert, zu dem Zweck eine Belastungsgrenze zu definieren. Versuche zur Bestimmung des Vorspannkraftverlusts an FKV-Proben zeigen, dass die Vorspannkraft durch Setzen und Kriechen zwar reduziert wird, dies aber in vertretbarem Maße. Darüber hinaus lässt sich in den Versuchen beobachten, dass das Setzen deutlich von der Oberflächenbeschaffenheit bestimmt wird. Um die Einflüsse des Matrixwerkstoffs, des Reibwerts, der Passung und der Vorspannkraft auf die Kraftübertragung in der Schraubverbindung zu prüfen, werden außerdem doppellaschige Zugscherversuche durchgeführt. An geklemmten FKV-Bauteilen im Fahrradbau lassen sich Defizite bei der Auslegung dieser Bauteile und ihrer Anbindungstechnologie feststellen. Da der Verbindung zwischen Vorbau und Gabelschaft besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zukommt, wird eine marktübliche Gabelschaft-Vorbau-Klemmung im Rahmen dieser Arbeit experimentell und numerisch auf die Belastungen durch die Montage sowie im Betrieb untersucht. Es kann dargelegt werden, dass ein komplexer Belastungszustand in der genannten Klemmverbindung vorliegt, der numerisch abgebildet werden kann. Auf Basis des validierten Finite-Element-Modells kann gezeigt werden, dass die Steigerung des Reibwerts ein deutliches Potential aufweist um die Werkstoffanstrengung zu reduzieren. Zur experimentellen Absicherung dieser Beobachtung, werden quasistatische und zyklische Untersuchungen an Vorbau-Gabelschaft-Baugruppen durchgeführt, bei denen der Reibwert durch die Applikation von Schmierfett und Carbonmontagepaste variiert wird. Durch die Verwendung von Carbonmontagepaste bzw. bei einem höheren Reibwert steigt sowohl die quasi-statische Festigkeit als auch die Lebensdauer im Vergleich zum Einsatz von Schmierfett deutlich an. Fiber reinforced plastics (FRP) are well established materials in the aviation industry, whereas in other industries these materials are not yet this commonly used due to the comparatively high costs. The high operating costs of aircrafts can be reduced primarily through lightweight design, which allows the choice of more expensive solutions than in other industries. The additional costs are beside the weight savings the deciding factor for the use of FRP structures beyond the aviation sector. Since normally rivets are used in the aviation industry to join components, the dismantling of these riveted structures needs drilling. Hence rivets are insufficient for the demands of other sectors due to the high disassembly costs caused by the high disassembly effort. For this reason affordable solutions that permit an easy disassembly procedure are essential for a wider application of FRP structures. Therefore – in most sectors – preloaded bolted joints are used for the assembly of metallic components, in contrast to aviation. For preloaded bolted joints in combination with FRP structures almost no information is available by the current state of scientific knowledge Therefore in this work it is investigated how an improvement of the static and cyclic connection strength can be achieved by increasing the coefficient of friction at preloaded bolted joints on FRP components. To enable a reliable application of preloaded bolted joints the maximum allowable surface pressure and the loss of the preload force of FRP specimens are determined. Therefore experimental results provide the basis to study if analytical computation can be used to describe bolted joints on FRP structures. The coefficient of friction between steel and FRP is experimentally investigated in order to quantify concepts that aim to increase the coefficient of friction. An experimental determination of the maximum permissible surface pressure of the used FRP materials avoids damage by excessive bolt preload. Therefore FRP specimens are tested and a simultaneous detection of damage is performed by using the acoustic emission method. An experimentalinvestigation of the loss of bolt preload shows that the preload is reduced by embedding and material relaxation but in an acceptable manner. In addition it can be observed that the embedding of the contact surfaces is significantly dependent on the surface condition of the specimens. To analyze the influence of the matrix material, the coefficient of friction, the clearance and the bolt preload to a bolted joint, double lap tensile shear tests are performed. Clamped FRP components used on bicycles show shortcomings in the design of these components and their connection technology. Since the connection between stem and steerer has a significant impact on safety, a standard stem/steerer connection is investigated both experimentally and numerically considering the stresses during the assembling as well as during operation. It can be demonstrated that this connection has a complex load condition and a finite element analysis can describe this connection sufficiently. Based on the validated finite element model it can be shown that an increasing coefficient of friction has a significant potential for the reduction of the material effort of the FRP steerer. To validate these theoretical observations, quasi-static and cyclic tests on stem/steerer assemblies are carried out. Thereby the coefficient of friction is varied by the application of grease and carbon assembly paste. By the use of carbon assembly paste (high coefficient of friction) both the quasi-static strength as well as the operating life increases in comparison to the use of grease (low coefficient of friction).

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.

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.

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.

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.