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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 thesis studies recent trends in logistics that are driven by technological advancements, organizational transformation, and changing customer behavior. Heuristic and Exact Algorithms are developed to solve central vehicle routing problems arising in this context.

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.

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.

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.

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.

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.

Zunehmend strengere Regulierungen der CO2-Emissionen von Neuwagen seitens der europäischen Union erfordern den Einsatz von Leichtbaukonzepten, welche für die Massenproduktion geeignet sind. Dies erfordert den Einsatz leistungsstarker und zugleich kostengünstiger Werkstoffe. Für den breiten Einsatz im Transportbereich werden daher vermehrt kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste zur Substitution klassischer Metallkomponenten eingesetzt. Die geringen Werkstoffkosten, die stetig weiterentwickelten mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit zur Funktionsintegration aufgrund der hohen Formgebungsfreiheit des Spritzgussprozesses sind entscheidende Vorteile dieser Werkstoffgruppe. Der Spritzgussprozess führt zu einer lokal stark variierenden Faserorientierung. Die Werkstoffeigenschaften hängen dabei entscheidend von der Faserorientierung ab. Besitzt der Werkstoff parallel zur Faserrichtung seine höchste Steifig- und Festigkeit, sind diese quer zur Faserorientierung am niedrigsten. Zusätzlich besitzt die thermoplastische Matrix ein ausgeprägt nichtlineares Werkstoffverhalten, wodurch die strukturmechanische Berechnung kurzfaserverstärkter Bauteile deutlich erschwert wird. Eine geeignete Methodik zur Charakterisierung und numerischen Abbildung des nichtlinearen anisotropen Werkstoffverhaltens mit anschließender Lebensdaueranalyse ist zurzeit nicht vorhanden und bildet das Ziel dieser Arbeit. Der untersuchte Werkstoff findet häufig Einsatz in strukturellen Komponenten im Fahrwerks- und Motorbereich. In diesen Einsatzgebieten ist er zusätzlich zu den mechanischen Lasten auch Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit oder Steinschlägen, ausgesetzt. Im Rahmen der durchgeführten experimentellen Arbeiten wird der Einfluss dieser zusätzlichen einsatzbedingten Lasten auf die statischen Eigenschaften und das Lebensdauerverhalten untersucht. Ist ein Fahrwerksbauteil ganzjährig Wasser und Feuchtigkeit ausgesetzt, kann es in Winterzeiten auch zu Kontakt mit Tausalzlösungen kommen. In Auslagerungsversuchen über einen Zeitraum von etwa einem Jahr wird der Werkstoff folgenden Medien ausgesetzt: Wasser, wässrigem Natriumchlorid und wässrigem Calciumchlorid. Zu verschiedenen Expositionszeiten werden Proben entnommen und statischen Zugversuchen unterzogen. Die Auslagerung bewirkt eine deutliche Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften, welche jedoch durch eine Rücktrocknung im Vakuumofen wieder vollständig hergestellt werden kann. Mithilfe eines speziell entwickelten Prüfstandes wird der Einfluss von Wasser und Calciumchlorid auf das zyklische Werkstoffverhalten untersucht. Dieser Prüfstand erlaubt das Besprühen der Proben während eines Dauerschwingversuches. Eine Reduktion der Lebensdauer aufgrund einer Exposition mit Calciumchlorid kann nicht nachgewiesen werden. Zur Simulation von dauerhaften Mikro-Steinschlägen wird die Oberflächenrauheit von Probekörpern künstlich mittels Sandstrahlen erhöht. Sowohl in den statischen als auch zyklischen Versuchen unter Medieneinfluss kann nur eine geringe Festigkeitsreduktion ermittelt werden. Dies ist auf die Duktilität des Werkstoffes und der damit einhergehenden Unempfindlichkeit gegenüber Kerben zurückzuführen. Moderne Prozesssimulationen können die Faserverteilung in Bauteilen komplexer Geometrie noch nicht realitätsnah abbilden, weshalb in dieser Arbeit die experimentelle Orientierungsanalyse im Mikro-Computertomographen verwendet wird. Neben Probekörpern wird auch eine komplette Fahrwerkskomponente im Mikro-Computertomographen analysiert. Die Orientierungsinformationen finden zur numerischen Beschreibung des Werkstoffverhaltens in der Finite-Elemente-Methode Verwendung. Eine vollständige statische Werkstoffcharakterisierung dient als Grundlage für die komplexe Werkstoffmodellierung. Zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens werden umfangreiche Dauerschwing- und Restfestigkeitsversuche für unterschiedliche Faserorientierungen und Spannungsverhältnisse durchgeführt. Selbstentwickelte Programmroutinen importieren den Faserorientierungstensor jedes FE-Elementes und definieren in Abhängigkeit der Faserrichtung sowie der Faseranteile in die jeweilige Richtung das Werkstoffmodell. Eine inkrementelle Lebensdaueranalyse greift ebenfalls auf selbstentwickelte Routinen zurück und berechnet die ertragbare Schwingspielzahl unter Berücksichtigung einer zyklischen Steifigkeitsdegradation hochbelasteter Elemente und damit einhergehenden Spannungsumlagerungen. Die Routine wird an den zyklisch geprüften Standard- Probekörpern kalibriert und an der bereits erwähnten Fahrwerkskomponente validiert. Für unterschiedliche Lastniveaus und Spannungsverhältnisse werden die Versuchsergebnisse sehr gut durch die entwickelte Berechnungsmethodik abgebildet. Sowohl die ertragbare Schwingspielzahl als auch das Schadensbild der Simulation stimmen mit den Versuchen überein.

Das Ziel der Studie war es, die Reaktionen der Protagonisten an den Kinder-und Ju-gendsportschulen der DDR auf die gesellschaftlichen Veränderungen der Wendejahre zu eruieren. Es sollte herausgefunden werden, inwieweit diese Ereignisse die Bildungs-merkmale beeinflussten. Dazu wurden historische Archivdokumente analysiert und in 28 qualitativen Interviews 33 Zeitzeugen befragt. Eine wesentliche Erkenntnis war, dass die Arbeit an den KJS bis in das Jahr 1991 hinein nahezu unverändert fortgeführt wur-de. Durch eine partielle Ausdehnung der Thematik auf die heutigen Eliteschulen des Sports leistet der Text einen Beitrag zur Diskussion über den Leistungssport in Deutsch-land und dessen Spezialschulen. Die Arbeit richtet sich neben Wissenschaftlern an leistungssportlich und bildungspoli-tisch interessierte Eltern, Pädagogen, Trainer und Verantwortungsträger.

Composite materials are used in many modern tools and engineering applications and consist of two or more materials that are intermixed. Features like inclusions in a matrix material are often very small compared to the overall structure. Volume elements that are characteristic for the microstructure can be simulated and their elastic properties are then used as a homogeneous material on the macroscopic scale. Moulinec and Suquet [2] solve the so-called Lippmann-Schwinger equation, a reformulation of the equations of elasticity in periodic homogenization, using truncated trigonometric polynomials on a tensor product grid as ansatz functions. In this thesis, we generalize their approach to anisotropic lattices and extend it to anisotropic translation invariant spaces. We discretize the partial differential equation on these spaces and prove the convergence rate. The speed of convergence depends on the smoothness of the coefficients and the regularity of the ansatz space. The spaces of translates unify the ansatz of Moulinec and Suquet with de la Vallée Poussin means and periodic Box splines, including the constant finite element discretization of Brisard and Dormieux [1]. For finely resolved images, sampling on a coarser lattice reduces the computational effort. We introduce mixing rules as the means to transfer fine-grid information to the smaller lattice. Finally, we show the effect of the anisotropic pattern, the space of translates, and the convergence of the method, and mixing rules on two- and three-dimensional examples. References [1] S. Brisard and L. Dormieux. “FFT-based methods for the mechanics of composites: A general variational framework”. In: Computational Materials Science 49.3 (2010), pp. 663–671. doi: 10.1016/j.commatsci.2010.06.009. [2] H. Moulinec and P. Suquet. “A numerical method for computing the overall response of nonlinear composites with complex microstructure”. In: Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 157.1-2 (1998), pp. 69–94. doi: 10.1016/s00457825(97)00218-1.

The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials. Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a diameter of 300nm). In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite, PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated. The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular, this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribologicalperformance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials. The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6 composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme sliding conditions. A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible. The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions. Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications.Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm). Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern (SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren. Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen, speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen. Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI) insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt, um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen. Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen erklärt. Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungsund Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische) Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online- Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.

Die konventionelle Verarbeitung naturfaserverstärkter, thermoplastischer Kunststof-fe zu Bauteilen erfolgt derzeit in einem aufwändigen, mehrstufigen Pressverfahren, welches mit hohen Investitionskosten und hohem Platzbedarf verbunden ist. Aus-gangsmaterial bilden Hybridvliese aus Naturfasern und thermoplastischen Schmelzfasern, welche eine Straße mit mindestens zwei Pressen durchlaufen müssen. In der Heizpresse wird das Vlies unter Wärmezufuhr und Druck kompak-tiert und die Naturfasern dabei imprägniert. Anschließend erfolgt die Formgebung in einer Umformpresse. Das Verfahren hat den wirtschaftlich großen Nachteil, dass die Imprägnierung und die Formgebung zeitlich wie räumlich direkt aneinander ge-koppelt sind, da es keine Alternative zur Erwärmung der Hybridvliese mit gleichzeiti-ger Imprägnierung gibt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiger Aufheizprozess für naturfaserverstärkte Thermoplaste auf Basis von Infrarotstrahlung entwickelt, der diese Probleme auf-greift. Als Ausgangsmaterial hierfür werden bereits imprägnierte und vorkompaktier-te Naturfasermatten verwendet, mit denen die hocheffizienten Thermoform-Prozessketten genutzt werden sollen, wie sie beispielsweise bei glas- oder kohlen-stofffaserverstärkten Thermoplasten zum Einsatz kommen. Aufgrund der thermi-schen Restriktionen von Naturfasern bei der Verarbeitung wird eine materialselekti-ve Infrarot-Erwärmungsmethode konzipiert und untersucht, deren Ziel eine optimier-te, maximierte Absorption der Strahlung durch das Polymer darstellt. Es wird ge-währleistet, dass die Absorption durch Naturfasern auch bei der Variation der Roh-stoffqualität minimal ist. So können auch geringfügig kompaktierte Naturfaser-Halbzeuge mit hohem Porengehalt mithilfe des Aufheizprozesses auf eine ausrei-chende Umformtemperatur erwärmt werden, ohne die Verstärkungsfasern thermisch zu schädigen. Die Untersuchung des Prozesseinflusses im Hinblick auf mechani-sche Eigenschaften sowie Geruch und Emissionen validiert die Großserientaug-lichkeit des entwickelten Aufheizverfahrens. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden in Richtlinien für die Verarbeitung thermoplas-tischer, vorimprägnierter und kompaktierter, naturfaserverstärkter Kunststoffe zu-sammengefasst und sollen dem Verarbeiter eine gezielte Auswahl von Halbzeugen und die Minimierung der Prozesszykluszeit ermöglichen.

Multiphase materials combine properties of several materials, which makes them interesting for high-performing components. This thesis considers a certain set of multiphase materials, namely silicon-carbide (SiC) particle-reinforced aluminium (Al) metal matrix composites and their modelling based on stochastic geometry models. Stochastic modelling can be used for the generation of virtual material samples: Once we have fitted a model to the material statistics, we can obtain independent three-dimensional “samples” of the material under investigation without the need of any actual imaging. Additionally, by changing the model parameters, we can easily simulate a new material composition. The materials under investigation have a rather complicated microstructure, as the system of SiC particles has many degrees of freedom: Size, shape, orientation and spatial distribution. Based on FIB-SEM images, that yield three-dimensional image data, we extract the SiC particle structure using methods of image analysis. Then we model the SiC particles by anisotropically rescaled cells of a random Laguerre tessellation that was fitted to the shapes of isotropically rescaled particles. We fit a log-normal distribution for the volume distribution of the SiC particles. Additionally, we propose models for the Al grain structure and the Aluminium-Copper (\({Al}_2{Cu}\)) precipitations occurring on the grain boundaries and on SiC-Al phase boundaries. Finally, we show how we can estimate the parameters of the volume-distribution based on two-dimensional SEM images. This estimation is applied to two samples with different mean SiC particle diameters and to a random section through the model. The stereological estimations are within acceptable agreement with the parameters estimated from three-dimensional image data as well as with the parameters of the model.

Filament winding is today a well established production technique for fiber reinforced pressure vessels. Most of the parts are still made using thermosets as matrix material, but parts with thermoplastic matrices are today on the edge to mass production. Usually these parts are made from fully consolidated unidirectional fiber reinforced thermoplastic tapes. During processing the matrix material is molten and the tapes are placed on the substrate where they re-solidify. A wide range of material combinations are available on the market. The materials used in the present investigation are semi-crystalline thermoplastics and glass or carbon fiber i.e. carbon fiber reinforced Polyetheretherketone, glass fiber reinforced Polyetheretherketone and glass fiber reinforced Polypropylene. Applications can be found in the field of medium and high pressure vessels like they are used for natural gas and hydrogen storage or for tubes and pipes for their transport. During the design of such parts mostly idealized properties as for example tensile strength are used. Residual stresses which are inherent for composite materials are only considered as part of the safety factor. The present work investigates the generation of residual stresses for in-situ consolidation during filament winding. Within this process consolidation of the tape material and the substrate takes place immediately after the tapes are placed. This is contrary to the normal curing of thermoset materials and has a large influence on the generation of the residual stress. The impact of these stresses on the behavior of the produced parts during service is one of the topics of this investigation. Therefore the background of thermal residual stresses in semi-crystalline thermoplastic parts is discussed and a closer look on the crystallization behavior of the matrix materials was taken. As the beginning of the crystal growth is a major point in the generation of thermal residual stress. The aim of the present work is to find process parameter combinations that allow to compensate the thermal residual stresses and to generate a residual stress profile that – unlike the thermal residual stresses - brings about structural benefit. Ring samples with a defined geometry were made to measure the generated stresses. The geometry of the samples was chosen in a way that prevents influences of the boundary conditions of the free edges on the measuring point. In the investigations the residual stresses were measured in circumferential direction using a method where the ring samples were cut in radial direction and the deformation was measured using strain gages. From the strain the local stress can be determined. It was tried to minimize the number of experiments. Therefore the influence of filament winding process parameters on the residual stress were investigated using a Design of Experiments approach where the main influences on the residual stress generation can be found from a relatively small number of experiments such as 8 instead of 128. As a result of these experiments it was found that the winding angle, the mandrel temperature, the annealing, the wall thickness and the tape tension have a significant influence on residual stresses. With increasing winding angles the influence on the measured circumferential stresses increase regardless to kind of residual stresses. The mandrel temperature has a large influence on the temperature difference that causes the stress between fiber and matrix. They are caused by different thermal expansion coefficients of fiber and matrix. Structural benefit through annealing is only theoretically possible because the required outside temperatures along with internal cooling of the parts can not be realized within an industrial processes. Increasing wall thickness leads to also increasing residual stress but it can not be the aim to build oversized parts for the sake of residual stresses. The applied tape tension was identified as a parameter that can be used to achieve the desired residual stress state with reasonable efforts. Different ways of varying the tape tension with increasing wall thickness were investigated. The tape tension was increased with every layer to a chosen maximum value or, after half of the layers were placed, in one step to the maximum value. Furthermore a continuously high tape tension and a variant without tape tension was investigated. The experiments led to the conclusion that increasing tape tension with increasing wall thickness is a viable way to have structural benefit from residual stress. The increasing in one step gave the best results. The impact of the thermal history during production is discussed as well. Temperatures must not exceed the softening point of the matrix. Otherwise a part of the tape tension gets lost by relaxation. In a particular case the relaxation reached an amount where the compensation of the thermal stresses failed. Thermodynamic calculations led to the conclusion that the energy transfer into the material by mandrel heating and melt energy caused a temperature above the softening point. The impact of tape tension on material quality is documented. Very low tape tension can not guarantee a proper consolidation. On the other hand excessive tape tension can lead to matrix squeeze out and in particular cases to cracks due to too high residual stresses. Therefore the tape tension profile should be well adapted to work load, the composite and its properties. Investigations on the relaxation behavior of the residual stresses showed that relaxation occurs and that a part of the residual stress relaxes when the samples were exposed to higher temperatures. Test at room temperature showed no significant sign of relaxation. When the temperature was raised – in this case to 80 °C - the samples clearly relaxed. The amount of induced residual stress sank to half of its initial value. Investigations on the structural benefit showed that material savings of up to 23 % of weight are possible for high pressure applications and fiber reinforcements with relatively low fiber volume content. Higher fiber volume contents which also mean higher strengths reduce the benefit. As the strength of the material increases the benefit reduces in relation to it. Nevertheless there is a potential in material saving and one should keep in mind that the costs to establish the equipment to control the tape tension is cheap in comparison to the achievable result.

Using valuation theory we associate to a one-dimensional equidimensional semilocal Cohen-Macaulay ring \(R\) its semigroup of values, and to a fractional ideal of \(R\) we associate its value semigroup ideal. For a class of curve singularities (here called admissible rings) including algebroid curves the semigroups of values, respectively the value semigroup ideals, satisfy combinatorial properties defining good semigroups, respectively good semigroup ideals. Notably, the class of good semigroups strictly contains the class of value semigroups of admissible rings. On good semigroups we establish combinatorial versions of algebraic concepts on admissible rings which are compatible with their prototypes under taking values. Primarily we examine duality and quasihomogeneity. We give a definition for canonical semigroup ideals of good semigroups which characterizes canonical fractional ideals of an admissible ring in terms of their value semigroup ideals. Moreover, a canonical semigroup ideal induces a duality on the set of good semigroup ideals of a good semigroup. This duality is compatible with the Cohen-Macaulay duality on fractional ideals under taking values. The properties of the semigroup of values of a quasihomogeneous curve singularity lead to a notion of quasihomogeneity on good semigroups which is compatible with its algebraic prototype. We give a combinatorial criterion which allows to construct from a quasihomogeneous semigroup \(S\) a quasihomogeneous curve singularity having \(S\) as semigroup of values. As an application we use the semigroup of values to compute endomorphism rings of maximal ideals of algebroid curves. This yields an explicit description of the intermediate rings in an algorithmic normalization of plane central arrangements of smooth curves based on a criterion by Grauert and Remmert. Applying this result to hyperplane arrangements we determine the number of steps needed to compute the normalization of a the arrangement in terms of its Möbius function.

Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder Grundkenntnisse noch nicht realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid 12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern, die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit, sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde die Abzugskraft analysiert. Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht. Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet. Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt. Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah zufriedenstellende Ergebnisse. Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode. Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.

The complexity of modern real-time systems is increasing day by day. This inevitable rise in complexity predominantly stems from two contradicting requirements, i.e., ever increasing demand for functionality, and required low cost for the final product. The development of modern multi-processors and variety of network protocols and architectures have enabled such a leap in complexity and functionality possible. Albeit, efficient use of these multi-processors and network architectures is still a major problem. Moreover, the software design and its development process needs improvements in order to support rapid-prototyping for ever changing system designs. Therefore, in this dissertation, we provide solutions for different problems faced in the development and deployment process of real-time systems. The contributions presented in this thesis enable efficient utilization of system resources, rapid design & development and component modularity & portability. In order to ease the certification process, time-triggered computation model is often used in distributed systems. However, time-triggered scheduling is NP-hard, due to which the process of schedule generation for complex large systems becomes convoluted. Large scheduler run-times and low scalability are two major problems with time-triggered scheduling. To solve these problems, we present a modular real-time scheduler based on a novel search-tree pruning technique, which consumes less time (compared to the state-of-the-art) in order to schedule tasks on large distributed time-triggered systems. In order to provide end-to-end guarantees, we also extend our modular scheduler to quickly generate schedules for time-triggered network traffic in large TTEthernet based networks. We evaluate our schedulers on synthetic but practical task-sets and demonstrate that our pruning technique efficiently reduces scheduler run-times and exhibits adequate scalability for future time-triggered distributed systems. In safety critical systems, the certification process also requires strict isolation between independent components. This isolation is enforced by utilizing resource partitioning approach, where different criticality components execute in different partitions (each temporally and spatially isolated from each other). However, existing partitioning approaches use periodic servers or tasks to service aperiodic activities. This approach leads to utilization loss and potentially leads to large latencies. On the contrary to the periodic approaches, state-of-the-art aperiodic task admission algorithms do not suffer from problems like utilization loss. However, these approaches do not support partitioned scheduling or mixed-criticality execution environment. To solve this problem, we propose an algorithm for online admission of aperiodic tasks which provides job execution flexibility, jitter control and leads to lower latencies of aperiodic tasks. For safety critical systems, fault-tolerance is one of the most important requirements. In time-triggered systems, modes are often used to ensure survivability against faults, i.e., when a fault is detected, current system configuration (or mode) is changed such that the overall system performance is either unaffected or degrades gracefully. In literature, it has been asserted that a task-set might be schedulable in individual modes but unschedulable during a mode-change. Moreover, conventional mode-change execution strategies might cause significant delays until the next mode is established. In order to address these issues, in this dissertation, we present an approach for schedulability analysis of mode-changes and propose mode-change delay reduction techniques in distributed system architecture defined by the DREAMS project. We evaluate our approach on an avionics use case and demonstrate that our approach can drastically reduce mode-change delays. In order to manage increasing system complexity, real-time applications also require new design and development technologies. Other than fulfilling the technical requirements, the main features required from such technologies include modularity and re-usability. AUTOSAR is one of these technologies in automotive industry, which defines an open standard for software architecture of a real-time operating system. However, being an industrial standard, the available proprietary tools do not support model extensions and/or new developments by third-parties and, therefore, hinder the software evolution. To solve this problem, we developed an open-source AUTOSAR toolchain which supports application development and code generation for several modules. In order to exhibit the capabilities of our toolchain, we developed two case studies. These case studies demonstrate that our toolchain generates valid artifacts, avoids dirty workarounds and supports application development. In order to cope with evolving system designs and hardware platforms, rapid-development of scheduling and analysis algorithms is required. In order to ease the process of algorithm development, a number of scheduling and analysis frameworks are proposed in literature. However, these frameworks focus on a specific class of applications and are limited in functionality. In this dissertation, we provide the skeleton of a scheduling and analysis framework for real-time systems. In order to support rapid-development, we also highlight different development components which promote code reuse and component modularity.

Das virtuelle, optische Messen wird in der industriellen Anwendung häufig vernachlässigt. Um optische Messergebnisse jedoch vorhersehbar und zuverlässig zu machen, ist es erforderlich, Sensoren zu modellieren und die Resultate, sogenannte virtuelle Messergebnisse, zu analysieren. Die zulässigen Modellvereinfachungen sind dabei vom zugrunde liegenden, physikalischen Messprinzip abhängig. In dieser Arbeit werden zwei virtuelle, optische Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien unter paraxialen Annahmen modelliert. Zudem werden Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren angestellt. Beim ersten Sensor handelt es sich um einen winkelauflösenden Streulichtsensor zur Messung der statistischen Verteilung von Gradienten geometrischer Oberflächen. Der zweite Sensor ist ein kurzkohärentes Interferometer zur vertikal hochauflösenden Messung von Topographien. Während dem winkelauflösenden Messprinzip ein inkohärenter Modellansatz zugrunde liegt, werden beim Interferometer kohärente Annahmen getroffen. Mithilfe der Sensormodelle ist es möglich, geometrische Oberflächen virtuell anzutasten und, basierend auf generierten oder real gemessenen Topographiedaten, virtuelle Messungen anzustellen. Auf diese Weise werden umfangreiche Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren ermöglicht. Darüber hinaus wird ein eigens entwickeltes, VTK-basiertes Programm vorgestellt, das die nichtsequentielle Berechnung optischer Sensoren ermöglicht. Dieses Programm nutzt Ray Tracing zur Simulation nichtsequentieller, optischer Systeme. Des Weiteren werden Ansätze für die parallele Datenverarbeitung mit CUDA® vorgestellt. Der paraxial modellierte, winkelauflösende Streulichtsensor wird demnach zusätzlich nichtsequentiell simuliert und die Ergebnisse der paraxialen und der nichtsequentiellen Berechnung werden gegenübergestellt.

Optical Character Recognition (OCR) system plays an important role in digitization of data acquired as images from a variety of sources. Although the area is very well explored for Latin languages, some of the languages based on Arabic cursive script are not yet explored. It is due to many factors: Most importantly are the unavailability of proper data sets and complexities posed by cursive scripts. The Pashto language is one of such languages which needs considerable exploration towards OCR. In order to develop such an OCR system, this thesis provides a pioneering study that explores deep learning for the Pashto language in the field of OCR. The Pashto language is spoken by more than $50$ million people across the world, and it is an active medium both for oral as well as written communication. It is associated with rich literary heritage and contains huge written collection. These written materials present contents of simple to complex nature, and layouts from hand-scribed to printed text. The Pashto language presents mainly two types of complexities (i) generic w.r.t. cursive script, (ii) specific w.r.t. Pashto language. Generic complexities are cursiveness, context dependency, and breaker character anomalies, as well as space anomalies. Pashto specific complexities are variations in shape for a single character and shape similarity for some of the additional Pashto characters. Existing research in the area of Arabic OCR did not lead to an end-to-end solution for the mentioned complexities and therefore could not be generalized to build a sophisticated OCR system for Pashto. The contribution of this thesis spans in three levels, conceptual level, data level, and practical level. In the conceptual level, we have deeply explored the Pashto language and identified those characters, which are responsible for the challenges mentioned above. In the data level, a comprehensive dataset is introduced containing real images of hand-scribed contents. The dataset is manually transcribed and has the most frequent layout patterns associated with the Pashto language. The practical level contribution provides a bridge, in the form of a complete Pashto OCR system, and connects the outcomes of the conceptual and data levels contributions. The practical contribution comprises of skew detection, text-line segmentation, feature extraction, classification, and post-processing. The OCR module is more strengthened by using deep learning paradigm to recognize Pashto cursive script by the framework of Recursive Neural Networks (RNN). Proposed Pashto text recognition is based on Long Short-Term Memory Network (LSTM) and realizes a character recognition rate of $90.78\%$ on Pashto real hand-scribed images. All these contributions are integrated into an application to provide a flexible and generic End-to-End Pashto OCR system. The impact of this thesis is not only specific to the Pashto language, but it is also beneficial to other cursive languages like Arabic, Urdu, and Persian e.t.c. The main reason is the Pashto character set, which is a superset of Arabic, Persian, and Urdu languages. Therefore, the conceptual contribution of this thesis provides insight and proposes solutions to almost all generic complexities associated with Arabic, Persian, and Urdu languages. For example, an anomaly caused by breaker characters is deeply analyzed, which is shared among 70 languages, mainly use Arabic script. This thesis presents a solution to this issue and is equally beneficial to almost all Arabic like languages. The scope of this thesis has two important aspects. First, a social impact, i.e., how a society may benefit from it. The main advantages are to bring the historical and almost vanished document to life and to ensure the opportunities to explore, analyze, translate, share, and understand the contents of Pashto language globally. Second, the advancement and exploration of the technical aspects. Because, this thesis empirically explores the recognition and challenges which are solely related to the Pashto language, both regarding character-set and the materials which present such complexities. Furthermore, the conceptual and practical background of this thesis regarding complexities of Pashto language is very beneficial regarding OCR for other cursive languages.

Nowadays, the increasing demand for ever more customizable products has emphasized the need for more flexible and fast-changing manufacturing systems. In this environment, simulation has become a strategic tool for the design, development, and implementation of such systems. Simulation represents a relatively low-cost and risk-free alternative for testing the impact and effectiveness of changes in different aspects of manufacturing systems. Systems that deal with this kind of data for its use in decision making processes are known as Simulation-Based Decision Support Systems (SB-DSS). Although most SB-DSS provide a powerful variety of tools for the automatic and semi-automatic analysis of simulations, visual and interactive alternatives for the manual exploration of the results are still open to further development. The work in this dissertation is focused on enhancing decision makers’ analysis capabilities by making simulation data more accessible through the incorporation of visualization and analysis techniques. To demonstrate how this goal can be achieved, two systems were developed. The first system, viPhos – standing for visualization of Phos: Greek for light –, is a system that supports lighting design in factory layout planning. viPhos combines simulation, analysis, and visualization tools and techniques to facilitate the global and local (overall factory or single workstations, respectively) interactive exploration and comparison of lighting design alternatives. The second system, STRAD - standing for Spatio-Temporal Radar -, is a web-based systems that considers the spatio/attribute-temporal analysis of event data. Since decision making processes in manufacturing also involve the monitoring of the systems over time, STRAD enables the multilevel exploration of event data (e.g., simulated or historical registers of the status of machines or results of quality control processes). A set of four case studies and one proof of concept prepared for both systems demonstrate the suitability of the visualization and analysis strategies adopted for supporting decision making processes in diverse application domains. The results of these case studies indicate that both, the systems as well as the techniques included in the systems can be generalized and extended to support the analysis of different tasks and scenarios.

The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related aspects were addressed. For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures. Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing (as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism differs from that of the sulfur curing. The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations) developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or their orientation in the rubber matrix (order parameter).

Collaboration aims to increase the efficiency of problem solving and decision making by bringing diverse areas of expertise together, i.e., teams of experts from various disciplines, all necessary to come up with acceptable concepts. This dissertation is concerned with the design of highly efficient computer-supported collaborative work involving active participation of user groups with diverse expertise. Three main contributions can be highlighted: (1) the definition and design of a framework facilitating collaborative decision making; (2) the deployment and evaluation of more natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple decision makers in virtual reality environments; and (3) the integration of novel techniques into a single proof-of-concept system. Decision making processes are time-consuming, typically involving several iterations of different options before a generally acceptable solution is obtained. Although, collaboration is an often-applied method, the execution of collaborative sessions is often inefficient, does not involve all participants, and decisions are often finalized with- out the agreement of all participants. An increasing number of computer-supported cooperative work systems (CSCW) facilitate collaborative work by providing shared viewpoints and tools to solve joint tasks. However, most of these software systems are designed from a feature-oriented perspective, rather than a human-centered perspective and without the consideration of user groups with diverse experience and joint goals instead of joint tasks. The aim of this dissertation is to bring insights to the following research question: How can computer-supported cooperative work be designed to be more efficient? This question opens up more specific questions like: How can collaborative work be designed to be more efficient? How can all participants be involved in the collaboration process? And how can interaction interfaces that support collaborative work be designed to be more efficient? As such, this dissertation makes contributions in: 1. Definition and design of a framework facilitating decision making and collaborative work. Based on examinations of collaborative work and decision making processes requirements of a collaboration framework are assorted and formulated. Following, an approach to define and rate software/frameworks is introduced. This approach is used to translate the assorted requirements into a software’s architecture design. Next, an approach to evaluate alternatives based on Multi Criteria Decision Making (MCDM) and Multi Attribute Utility Theory (MAUT) is presented. Two case studies demonstrate the usability of this approach for (1) benchmarking between systems and evaluates the value of the desired collaboration framework, and (2) ranking a set of alternatives resulting from a decision-making process incorporating the points of view of multiple stake- holders. 2. Deployment and evaluation of natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple diverse decision makers. A user taxonomy of industrial corporations serves to create a petri network of users in order to identify dependencies and information flows between each other. An explicit characterization and design of task models was developed to define interfaces and further components of the collaboration framework. In order to involve and support user groups with diverse experiences, smart de- vices and virtual reality are used within the presented collaboration framework. Natural and intuitive interaction techniques as well as advanced visualizations of user centered views of the collaboratively processed data are developed in order to support and increase the efficiency of decision making processes. The smartwatch as one of the latest technologies of smart devices, offers new possibilities of interaction techniques. A multi-modal interaction interface is provided, realized with smartwatch and smartphone in full immersive environments, including touch-input, in-air gestures, and speech. 3. Integration of novel techniques into a single proof-of-concept system. Finally, all findings and designed components are combined into the new collaboration framework called IN2CO, for distributed or co-located participants to efficiently collaborate using diverse mobile devices. In a prototypical implementation, all described components are integrated and evaluated. Examples where next-generation network-enabled collaborative environments, connected by visual and mobile interaction devices, can have significant impact are: design and simulation of automobiles and aircrafts; urban planning and simulation of urban infrastructure; or the design of complex and large buildings, including efficiency- and cost-optimized manufacturing buildings as task in factory planning. To demonstrate the functionality and usability of the framework, case studies referring to factory planning are demonstrated. Considering that factory planning is a process that involves the interaction of multiple aspects as well as the participation of experts from different domains (i.e., mechanical engineering, electrical engineering, computer engineering, ergonomics, material science, and even more), this application is suitable to demonstrate the utilization and usability of the collaboration framework. The various software modules and the integrated system resulting from the research will all be subjected to evaluations. Thus, collaborative decision making for co-located and distributed participants is enhanced by the use of natural and intuitive multi-modal interaction interfaces and techniques.

Due to the steadily growing flood of data, the appropriate use of visualizations for efficient data analysis is as important today as it has never been before. In many application domains, the data flood is based on processes that can be represented by node-link diagrams. Within such a diagram, nodes may represent intermediate results (or products), system states (or snapshots), milestones or real (and possibly georeferenced) objects, while links (edges) can embody transition conditions, transformation processes or real physical connections. Inspired by the engineering sciences application domain and the research project “SinOptiKom: Cross-sectoral optimization of transformation processes in municipal infrastructures in rural areas”, a platform for the analysis of transformation processes has been researched and developed based on a geographic information system (GIS). Caused by the increased amount of available and interesting data, a particular challenge is the simultaneous visualization of several visible attributes within one single diagram instead of using multiple ones. Therefore, two approaches have been developed, which utilize the available space between nodes in a diagram to display additional information. Motivated by the necessity of appropriate result communication with various stakeholders, a concept for a universal, dashboard-based analysis platform has been developed. This web-based approach is conceptually capable of displaying data from various data sources and has been supplemented by collaboration possibilities such as sharing, annotating and presenting features. In order to demonstrate the applicability and usability of newly developed applications, visualizations or user interfaces, extensive evaluations with human users are often inevitable. To reduce the complexity and the effort for conducting an evaluation, the browser-based evaluation framework (BREF) has been designed and implemented. Through its universal and flexible character, virtually any visualization or interaction running in the browser can be evaluated with BREF without any additional application (except for a modern web browser) on the target device. BREF has already proved itself in a wide range of application areas during the development and has since grown into a comprehensive evaluation tool.

In this thesis we integrate discrete dividends into the stock model, estimate future outstanding dividend payments and solve different portfolio optimization problems. Therefore, we discuss three well-known stock models, including discrete dividend payments and evolve a model, which also takes early announcement into account. In order to estimate the future outstanding dividend payments, we develop a general estimation framework. First, we investigate a model-free, no-arbitrage methodology, which is based on the put-call parity for European options. Our approach integrates all available option market data and simultaneously calculates the market-implied discount curve. We illustrate our method using stocks of European blue-chip companies and show within a statistical assessment that the estimate performs well in practice. As American options are more common, we additionally develop a methodology, which is based on market prices of American at-the-money options. This method relies on a linear combination of no-arbitrage bounds of the dividends, where the corresponding optimal weight is determined via a historical least squares estimation using realized dividends. We demonstrate our method using all Dow Jones Industrial Average constituents and provide a robustness check with respect to the used discount factor. Furthermore, we backtest our results against the method using European options and against a so called simple estimate. In the last part of the thesis we solve the terminal wealth portfolio optimization problem for a dividend paying stock. In the case of the logarithmic utility function, we show that the optimal strategy is not a constant anymore but connected to the Merton strategy. Additionally, we solve a special optimal consumption problem, where the investor is only allowed to consume dividends. We show that this problem can be reduced to the before solved terminal wealth problem.

In this thesis, we deal with the finite group of Lie type \(F_4(2^n)\). The aim is to find information on the \(l\)-decomposition numbers of \(F_4(2^n)\) on unipotent blocks for \(l\neq2\) and \(n\in \mathbb{N}\) arbitrary and on the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(2^n)\). S. M. Goodwin, T. Le, K. Magaard and A. Paolini have found a parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), a Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(q)\), of \(F_4(p^n)\), \(p\) a prime, for the case \(p\neq2\). We managed to adapt their methods for the parametrization of the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup for the case \(p=2\) for the group \(F_4(q)\), \(q=p^n\). This gives a nearly complete parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), namely of all irreducible characters of \(U\) arising from so-called abelian cores. The general strategy we have applied to obtain information about the \(l\)-decomposition numbers on unipotent blocks is to induce characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\) and Harish-Chandra induce projective characters of proper Levi subgroups of \(F_4(q)\) to obtain projective characters of \(F_4(q)\). Via Brauer reciprocity, the multiplicities of the ordinary irreducible unipotent characters in these projective characters give us information on the \(l\)-decomposition numbers of the unipotent characters of \(F_4(q)\). Sadly, the projective characters of \(F_4(q)\) we obtained were not sufficient to give the shape of the entire decomposition matrix.

European economic, social and territorial cohesion is one of the fundamental aims of the European Union (EU). It seeks to both reduce the effects of internal borders and enhance European integration. In order to facilitate territorial cohesion, the linkage of member states by means of efficient cross-border transport infrastructures and services is an important factor. Many cross-border transport challenges have historically existed in everyday life. They have hampered smooth passenger and freight flows within the EU. Two EU policies, namely European Territorial Cooperation (ETC) and the Trans-European Transport Networks (TEN-T), promote enhancing cross-border transport through cooperation in soft spaces. This dissertation seeks to explore the influence of these two EU policies on cross-border transport and further European integration. Based on an analysis of European, national and cross-border policy and planning documents, surveys with TEN-T Corridor Coordinators and INTERREG Secretariats and a high number of elite interviews, the dissertation will investigate how the objectives of the two EU policies were formally implemented in both soft spaces and the EU member states as well as which practical implementations have taken place. Thereby, the initiated Europeanisation and European integration processes will be evaluated. The analysis is conducted in nine preliminary case studies and two in-depth case studies. The cases comprise cross-border regions funded by the ETC policy that are crossed by a TEN-T corridor. The in-depth analysis explores the Greater Region Saar-Lor-Lux+ and the Brandenburg-Lubuskie region. The cases are characterised by different initial situations. The research determined that the two EU policies support cross-border transport on different levels and, further, that they need to be better intertwined in order to make effective use of their complementarities. Moreover, it became clear that the EU policies have a distinct influence on domestic policy and planning documents of different administrative levels and countries as well as on the practical implementation. The final implementation of the EU objectives and the cross-border transport initiatives was strongly influenced by the member states’ initial situations – particularly, the regional and local transport needs. This dissertation concludes that the two EU policies cannot remove the entirety of the cross-border transport-related challenges. However, in addition to their financial investments in concrete projects, they promote the importance of cross-border transport and facilitate cooperation, learning and exchange processes. These are all of high relevance to cross-border transport development, driven by member states, as well as to further European integration. The dissertation recommends that the transport planning competences of the EU in addition to the TEN-T network should not be enlarged in the future, but rather further transnational transport development tasks should be decentralised to transnational transport planning committees that are aware of regional needs and can coordinate a joint transport development strategy. The latter should be implemented with the support of additional EU funds for secondary and tertiary cross-border connections. Moreover, the potential complementarities of the transnational regions and transport corridors as well as the two EU policy fields should be made better use of by improving communication. This means that soft spaces, the TEN-T and ETC Policy as well as the domestic transport ministries and the domestic administrations that are responsible for the two EU policies need to intensify their cooperation. Furthermore, a focus of future ETC projects on topics that are of added value for the whole cross-border region or else that can be applied in different territorial contexts is recommended rather than investing in small-scale scattered expensive infrastructures and services that are only of benefit for a small part of the region. Additionally, the dissemination of project results should be enhanced so that the developed tools can be accessed by potential users and benefits become more visible to a wider society, despite the fact that they might not be measurable in numbers. In addition, the research points at another success factor for more concrete outputs: the frequent involvement of transport and spatial planners in transnational projects could increase the relation to planning practice. Besides that, advanced training regarding planning culture could reduce cooperation barriers.

Field-effect transistor (FET) sensors and in particular their nanoscale variant of silicon nanowire transistors are very promising technology platforms for label-free biosensor applications. These devices directly detect the intrinsic electrical charge of biomolecules at the sensor’s liquid-solid interface. The maturity of micro fabrication techniques enables very large FET sensor arrays for massive multiplex detection. However, the direct detection of charged molecules in liquids faces a significant limitation due to a charge screening effect in physiological solutions, which inhibits the realization of point-of-care applications. As an alternative, impedance spectroscopy with FET devices has the potential to enable measurements in physiological samples. Even though promising studies were published in the field, impedimetric detection with silicon FET devices is not well understood. The first goal of this thesis was to understand the device performances and to relate the effects seen in biosensing experiments to device and biomolecule types. A model approach should help to understand the capability and limitations of the impedimetric measurement method with FET biosensors. In addition, to obtain experimental results, a high precision readout device was needed. Consequently, the second goal was to build up multi-channel, highly accurate amplifier systems that would also enable future multi-parameter handheld devices. A PSPICE FET model for potentiometric and impedimetric detection was adapted to the experiments and further expanded to investigate the sensing mechanism, the working principle, and effects of side parameters for the biosensor experiments. For potentiometric experiments, the pH sensitivity of the sensors was also included in this modelling approach. For impedimetric experiments, solutions of different conductivity were used to validate the suggested theories and assumptions. The impedance spectra showed two pronounced frequency domains: a low-pass characteristic at lower frequencies and a resonance effect at higher frequencies. The former can be interpreted as a contribution of the source and double layer capacitances. The latter can be interpreted as a combined effect of the drain capacitance with the operational amplifier in the transimpedance circuit. Two readout systems, one as a laboratory system and one as a point-of-care demonstrator, were developed and used for several chemical and biosensing experiments. The PSPICE model applied to the sensors and circuits were utilized to optimize the systems and to explain the sensor responses. The systems as well as the developed modelling approach were a significant step towards portable instruments with combined transducer principles in future healthcare applications.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten teilsignalisierter Knotenpunkte. An diesen sind nicht sämtliche, sondern nur bestimmte Verkehrsströme signaltechnisch geregelt. Erste Ansätze, sich dieses Verfahren zu Nutze zu machen, existieren seit den 1950er Jahren. Sie wurden ständig weiterentwickelt und schließlich nach Abschluss eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Nutzen, Kosten und Sicherheit Bestandteil der Richtlinien für Lichtsignalanlagen der FGSV (Neuauflage 2010). Der Stand in Wissenschaft und Umsetzung im In- und Ausland weist dennoch bis heute Lücken auf. Für eine flächendeckende, praktische Realisierung fehlt es weiterhin an gesicherten Kenntnissen. Hier setzt diese Arbeit mit ihrem mehrstufigen Ansatz aus Literaturrecherche, Empirie, Mikrosimulation und konkreten Umsetzungsempfehlungen an. Auf Basis der Literatur über signalisierte und unsignalisierte Knoten wurden Überlegungen zum Verkehrsablauf an teilsignalisierten Lösungen angestellt. Die Vermutung, dass sich dieser aus Elementen beider Grundverfahren zusammensetzt, die jedoch anderen Randbedingungen unterliegen, konnte verifiziert werden. In einem ersten Schritt wurden teilsignalisierte Knotenpunkte hinsichtlich der Anzahl und Lage der Signalgeber bzw. der signaltechnisch gesicherten Verkehrsbeziehungen typisiert. Es konnten an Einmündungen und Kreuzungen drei empfehlenswerte Fälle der Teilsignalisierung identifiziert werden: - Teilsignalisierung ohne Fußgängerfurten - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der linken Zufahrt - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der rechten Zufahrt Diese bilden mit zuvor definierten Ausbaustandards, die Fahrstreifenaufteilungen – insbesondere das Vorhandensein von Linksabbiegestreifen in den Zufahrten – am Knotenpunkt berücksichtigen, die Grundlage für die Erstellung von Modellknoten, die in der weiteren Arbeit relevant sind. Da keine empirischen Untersuchungen über den Verkehrsablauf derartiger Knoten vorlagen, wurden in zwei Feldversuchen hierzu wichtige Kenngrößen an Einmündungen ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass lange Wartezeiten vor allem für Linkseinbieger reduziert werden konnten. In der Gesamtbilanz wiegen diese Zeit- und Sicherheitsgewinne die leicht gestiegenen Wartezeiten in der Hauptrichtung auf. Der Fahrzeugabfluss in der Nebenrichtung konnte signifikant gesteigert werden, auch wenn die Zeitbedarfswerte einer Vollsignalisierung nicht erreicht wurden. Dies lag an einem Zögern der Verkehrsteilnehmer an der Haltlinie. Die Zeitlückenverteilung im Hauptstrom entspricht nicht mehr der sonst angenommenen negativen Exponentialverteilung, da durch die Signalisierung eine starke Pulkbildung entsteht. Es kommt zu so genannten Überzufälligkeiten mit vermehrt kleineren Lücken. Während der Mikrosimulation wurde nach dem „ceteris paribus“ Prinzip pro Ablauf immer nur eine Variable verändert. Somit konnten detailliert die Effekte der gewählten Einflussgrößen abgebildet werden. Es erfolgte eine Untersuchung der definierten Modellknotenpunkte mit der Software VISSIM bezüglich der Einflussfaktoren: - Ausbaustandard (Linksabbiegestreifen) - Fälle der Teilsignalisierung - Signalprogramme - Verkehrsstärken Es wurden Diagramme zur Bestimmung der mittleren Verlustzeiten in Abhängigkeit der Verkehrsstärken in Haupt- und Nebenrichtung sowie Matrizen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen entwickelt. Für Kreuzungen konnten im Gegensatz zu Einmündungen nur geringe positive Effekte ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind maßgeblich abhängig vom Ausbaustandard, Teilsignalisierungsfall und Signalprogramm. Die Teilsignalisierung deckt wie vermutet den Übergangsbereich zwischen konventioneller Vorfahrtregelung und Vollsignalisierung ab. Hierfür wurde der wissenschaftliche Beweis erbracht. Ergänzt werden die Betrachtungen durch die Möglichkeiten zur Integration des Fußverkehrs. In der Hauptrichtung ist eine gesicherte Fußgängerführung in Abhängigkeit vom gewählten Teilsignalisierungsfall nur in jeweils einem Ast realisierbar. Die Nebenrichtung lässt allerdings keine gesicherte Querung zu. Diese Problematik verstärkt sich an Kreuzungen durch das Vorhandensein von zwei Nebenrichtungen, so dass in diesen Fällen eine Teilsignalisierung aus Sicherheitsüberlegungen ebenfalls nicht empfohlen werden kann. Es wurden prinzipielle Führungsmöglichkeiten aufgezeigt und mittels eines Entscheidungsbaumes visualisiert, der die Auswahl geeigneter Teilsignalisierungsformen am Knotenpunkt unterstützt. An Kreisverkehren kann eine Teilsignalisierung unter bestimmten Konstellationen sinnvoll sein, um einerseits die Kapazität einzelner Zufahrten zu erhöhen oder andererseits eine gesicherte Fußgängerführung zu realisieren. Als problematisch haben sich nahezu ungehinderte Zuflüsse erwiesen. Diese treten auf, wenn der Zustrom nur selten durch andere Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn unterbrochen wird. Sie führen zu starker Kolonnenbildung. Die Installation einer LSA kann hier die mangelnden Unterbrechungen künstlich schaffen. Abgerundet wird die Arbeit durch weitere Einsatzmöglichkeiten von Teilsignalisierungen zur Priorisierung von Einzelfahrzeugen oder bestimmter Fahrzeuggruppen im ÖV und Rettungswesen oder zur Räumung von Bahnübergängen.

In Zeiten rasant ansteigender Energiepreise wird die Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung bewegter Massen, z. B. im Automobilbau, zunehmend wichtiger. In immer mehr Bereichen des Automobilbaues werden Faser-Kunststoff- Verbunde (FKV) aufgrund ihrer geringen Dichte eingesetzt. Positive Aspekte einer Faserverstärkung von Kunststoffen sind Verbesserungen der Steifigkeit und der Festigkeit. Negativ wirkt sich die Faserverstärkung hingegen auf die Bruchdehnung aus. Je nach eingesetztem FKV kann durch die geringe Bruchdehnung bei einem Crash nur wenig Energie absorbiert werden und es kommt zum strukturellen Versagen. Wegen der günstigen Material- und Verarbeitungskosten werden im Auto- mobilbau häufig langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) verwendet. Diese können allerdings aufgrund ihrer suboptimalen Crasheigenschaften in vielen Bereichen des Fahrzeugbaues nicht eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Verbesserung der Crasheigenschaften von LFT durch eine Verstärkung mit Metalltextilien. Ziel ist es, den Anwendungsbereich von LFT im Auto- mobilbau zu erweitern. Aufgrund der Erfahrungen in vorangegangenen Arbeiten liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den Eigenschaften eines mit Edelstahl- schweißgitter (ESG) verstärkten LFT. Das Material wurde mit einer Vielzahl an Versuchen einer eingehenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Vor der Probenentnahme wurde die herstellungsbedingte Faserorientierung in Plattenebene untersucht. Dies geschah durch die Auswertung von Röntgen- und Durchlicht- aufnahmen. Es wurde eine hochgradige Faserausrichtung in Fließrichtung fest- gestellt. Mit Hilfe der Computertomographie war eine qualitative Untersuchung der lokalen Faserorientierung möglich. Weiterhin konnte die Beeinflussung der Faser- orientierung durch die Metalltextilverstärkung beobachtet werden. Aufgrund der Be- deutung der Interfaceeigenschaften zwischen Stahl und LFT für den ESG-LFT- Verbund wurden die Scher- und Normalfestigkeit mit Hilfe von Drahtauszug- und Stirnabzugversuchen bestimmt. Die Interfaceeigenschaften wurden für verschiedene Vorbehandlungsmethoden der metallischen Oberfläche untersucht. Eine Vorbehand- lung durch Druckluftstrahlen der Oberfläche führte zu den besten Haftungs- eigenschaften. Als Strahlmittel wurden Korundpartikel eingesetzt. Neben metall- textilverstärkten LFT-Proben wurden auch unverstärkte LFT-Proben als Referenzuntersucht. Es wurden quasistatische Versuche unter Zug- und Schubbelastung durchgeführt. Wegen der Crashanwendung wurden die Zugversuche auch unter kurzzeitdynamischer Belastung durchgeführt. Zusätzlich wurden Durchstoßversuche durchgeführt, um den Einfluss auf die Energieabsorption beobachten zu können. Um die Verbesserung der strukturellen Integrität zu demonstrieren, wurden einfache Demonstratorbauteile unter Zugbelastung getestet. Dabei konnte neben einer Bestimmung wichtiger Materialparameter eine erhöhte Energieaufnahme und eine verbesserte strukturelle Integrität nachgewiesen werden. Zur Erweiterung der experimentellen Erkenntnisse wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell auf Mikroebene entwickelt. Anhand des Mikromodells gelang es, einen detaillierten Einblick in den Spannungszustand und das Versagensverhalten von ESG-LFT zu erhalten. Des Weiteren war es damit möglich, den Einfluss verschiedener Geometrieund Haftungsparameter auf die Verbundeigenschaften zu untersuchen. Die vorliegenden Erkenntnisse wurden zur Programmierung eines makromechanischen Simulationsmodells genutzt. Dieses zeigte, trotz der vorgenommenen Vereinfachungen, bereits gute Übereinstimmungen von Simulation und Experiment und konnte Hinweise für weiterführende Arbeiten liefern. Das entwickelte makromechanische Modell kann damit als Basis für die Weiterentwicklung dieses Materialmodells genutzt werden.

A popular model for the locations of fibres or grains in composite materials is the inhomogeneous Poisson process in dimension 3. Its local intensity function may be estimated non-parametrically by local smoothing, e.g. by kernel estimates. They crucially depend on the choice of bandwidths as tuning parameters controlling the smoothness of the resulting function estimate. In this thesis, we propose a fast algorithm for learning suitable global and local bandwidths from the data. It is well-known, that intensity estimation is closely related to probability density estimation. As a by-product of our study, we show that the difference is asymptotically negligible regarding the choice of good bandwidths, and, hence, we focus on density estimation. There are quite a number of data-driven bandwidth selection methods for kernel density estimates. cross-validation is a popular one and frequently proposed to estimate the optimal bandwidth. However, if the sample size is very large, it becomes computational expensive. In material science, in particular, it is very common to have several thousand up to several million points. Another type of bandwidth selection is a solve-the-equation plug-in approach which involves replacing the unknown quantities in the asymptotically optimal bandwidth formula by their estimates. In this thesis, we develop such an iterative fast plug-in algorithm for estimating the optimal global and local bandwidth for density and intensity estimation with a focus on 2- and 3-dimensional data. It is based on a detailed asymptotics of the estimators of the intensity function and of its second derivatives and integrals of second derivatives which appear in the formulae for asymptotically optimal bandwidths. These asymptotics are utilised to determine the exact number of iteration steps and some tuning parameters. For both global and local case, fewer than 10 iterations suffice. Simulation studies show that the estimated intensity by local bandwidth can better indicate the variation of local intensity than that by global bandwidth. Finally, the algorithm is applied to two real data sets from test bodies of fibre-reinforced high-performance concrete, clearly showing some inhomogeneity of the fibre intensity.

In this thesis, we focus on the application of the Heath-Platen (HP) estimator in option pricing. In particular, we extend the approach of the HP estimator for pricing path dependent options under the Heston model. The theoretical background of the estimator was first introduced by Heath and Platen [32]. The HP estimator was originally interpreted as a control variate technique and an application for European vanilla options was presented in [32]. For European vanilla options, the HP estimator provided a considerable amount of variance reduction. Thus, applying the technique for path dependent options under the Heston model is the main contribution of this thesis. The first part of the thesis deals with the implementation of the HP estimator for pricing one-sided knockout barrier options. The main difficulty for the implementation of the HP estimator is located in the determination of the first hitting time of the barrier. To test the efficiency of the HP estimator we conduct numerical tests with regard to various aspects. We provide a comparison among the crude Monte Carlo estimation, the crude control variate technique and the HP estimator for all types of barrier options. Furthermore, we present the numerical results for at the money, in the money and out of the money barrier options. As numerical results imply, the HP estimator performs superior among others for pricing one-sided knockout barrier options under the Heston model. Another contribution of this thesis is the application of the HP estimator in pricing bond options under the Cox-Ingersoll-Ross (CIR) model and the Fong-Vasicek (FV) model. As suggested in the original paper of Heath and Platen [32], the HP estimator has a wide range of applicability for derivative pricing. Therefore, transferring the structure of the HP estimator for pricing bond options is a promising contribution. As the approximating Vasicek process does not seem to be as good as the deterministic volatility process in the Heston setting, the performance of the HP estimator in the CIR model is only relatively good. However, for the FV model the variance reduction provided by the HP estimator is again considerable. Finally, the numerical result concerning the weak convergence rate of the HP estimator for pricing European vanilla options in the Heston model is presented. As supported by numerical analysis, the HP estimator has weak convergence of order almost 1.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue katalytische Methoden zur Aktivierung von Kohlenstoffdioxid und dessen Derivate entwickelt, die eine abfallfreie Nutzung von CO2 als C1-Baustein in C-C-Bindungsknüpfungen erlauben. Die Entwicklung einer abfallfreien Hydroxymethylierung terminaler Alkine demonstriert ein innovatives Konzept zur nachhaltigen Nutzung von CO2 als C1-Baustein, ohne die damit einhergehende Salzabfallbildung konventioneller Verfahren. Hierbei wurden terminale Alkine in einem ersten Schritt in Gegenwart der milden Aminbase 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin katalytisch C-H-carboxyliert. Durch eine anschließende katalytische Hydrierung der Ammoniumpropiolate zu den korrespondierenden Alkoholen unter Freisetzung der eingesetzten Aminbase stellt Wasser das einzige Abfallprodukt dieser Umsetzung dar. Die industrielle Anwendbarkeit dieses neuen Konzepts wurde in einem Kooperationsprojekt mit der BASF SE durch die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Verfahrens zur Darstellung von 1,4-Butandiol aus Acetylen und CO2 gezeigt. Essentieller Schritt bei diesem Verfahren ist die Veresterung des Dikaliumsuccinats unter CO2-Druck mit Methanol, wobei je zwei Äquivalente KHCO3 und HK2PO4 anfallen. Durch thermische Behandlung lässt sich aus diesem Gemisch die ursprüngliche Base K3PO4 regenerieren, sodass wiederum kein Salzabfall anfällt. Darüber hinaus wurde durch die Entwicklung einer hocheffizienten Methode zur stereoselektiven Darstellung biologisch aktiver (E)-beta-Alkoxyacrylate ausgehend von terminalen Alkinen und Dialkylcarbonaten die nachhaltige Nutzung eines Kohlensäurederivats demonstriert. Diese Alkoxid-katalysierte Transformation zeichnet sich durch eine vollständige Atomeffizienz und einen hervorragenden E-Faktor von 5.2 aus. Des Weiteren konnte ein Protokoll zur Darstellung langkettiger unsymmetrischer Alkylether mittels einer reduktiven Veretherung aus nachwachsenden Rohstoffen ausgearbeitet werden. Die entwickelte Methode erlaubt auch Umsetzungen von Fettsäure-/ester-Gemischen wie Rapsölmethylester (RME) oder Tallöl. Hierdurch lassen sich komplexe Stoffgemische aus nachwachsenden Rohstoffen in einheitliche Produkte überführen. Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit wurde eine effiziente und minutenschnelle Methode zur Spaltung von 8-Aminochinolinamiden (Daugulis-Amide) unter Mikrowellen-Bedingungen entwickelt. In Kombination mit der vorab von Herrn Katayev und Herrn Pfister entwickelten Methode zur ortho-C-H-Nitrierung aromatischer 8-Aminochinolinamide erlaubt diese den Einsatz von 8-Aminochinolin (Q-NH2) als temporäre dirigierende Schutzgruppe.

Ziel im ersten Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung der offenen und geschlossenen Konformation des Maltose bindende Proteins (MBP) im nativen und Molten-Globule-(MG)-Zustand mit Hilfe der ESR-Spektroskopie. Die komplexen Mechanismen der Proteinfaltung und Proteindynamik bilden schon seit Langem ein wichtiges Forschungsziel in der Untersuchung biochemischer Prozesse und der Enzymkinetik. MBP bietet sich in diesem Zusammenhang als geeignetes Forschungsobjekt an, da die Konformationsunterschiede des MBP gut erkennbar sind und sich der MG-Zustand genügend lang für Untersuchungen stabilisieren lässt. Die Fähigkeit zur reversiblen Faltung ist für ein Protein dieser Größe ebenso wie die Ausbildung eines hoch geordneten MG-Zustands mit hoher Affinität zu seinem Zielsubstrat ungewöhnlich. Der besondere Vorteil der ESR-Spektroskopie ist die geringe Störung der Messung durch das Messsystem, was die Möglichkeit liefert, das Protein unter nativen Bedingungen, selbst innerhalb von Membranen oder biologischen Systemen, zu untersuchen. Die in dieser Arbeit verwendete site-directed spin-labeling (SDSL)-Methode, bei der eine kovalente Bindung von Nitroxid-Spinlabel (NSL) an das Protein eingesetzt wird, löst kaum Störungen im System aus und schränkt die Flexibilität der Proteine kaum ein. Als Grundlage der ESR-spektroskopischen Untersuchungen dienen im Haus durchgeführte cw-ESR-Messungen und DQC-Messungen, welche bei unserem Kooperationspartner Prof. J. Freed im ACERT Institut, Ithaca, New York, durchgeführt wurden. Die double quantum coherence (DQC)-ESR beschreibt eine spezifische Messmethode zur Analyse der dipolaren Elektron-Elektron-Wechselwirkungen durch Isolierung des Elektron- Spin-Echos und somit der Abstandsbestimmung zweier NSL unter Verwendung einer spezifischen Pulsabfolge. Der größte Vorteil dieser Methode ist die Minimierung störender Hintergrundsignale, ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis und die mögliche Bestimmung von Abständen zwischen 10 und 80 °A. Über Molekulare-Dynamik-(MD)-Simulation lässt sich ein guter Einblick in die Struktur von Proteinen gewinnen und ein Model der gelabelten Proteine entwickeln. Die These, dass MBP bereits ohne seinen Liganden beide Konformationen einnimmt, kann durch die DQC-Messungen und die Korrelation mit der MD-Simulation bestätigt werden. Weiterhin kann nachgewiesen werden dass eine Grundstruktur von MBP und ein funktionell ausgebildetes aktives Zentrum bereits im MG-Zustand vorliegt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht freie Radikale in verschiedenen Systemen, auch innerhalb von Zellen, mittels ESR-Spektroskopie zu detektieren und zu analysieren. Die Zielsetzung dabei ist es, die Radikalbildung bei verschiedenen medizinischen Behandlungen zu untersuchen. Die Lebensdauer einer Zelle wird durch das Zusammenspiel von freien Radikalen mit Antioxidantien, Proteinen, Cofaktoren und sonstigen Zellbestandteilen bestimmt. Durch bessere Kenntnis dieses Zusammenspiels können große Fortschritte in Medizin und Gesundheitsvorsorge erreicht werden. Sollte die Bildung der Sauerstoffradikale das natürliche antioxidative Potential der Zelle überschreiten, spricht man von dem “oxidativem Stress” der Zelle. Zu den möglichen Folgen des oxidativen Stresses gehört die Schädigung aller zellulären und extrazellulären Makromoleküle bis hin zur Apoptose, also dem Absterben der Zelle. Die primären Folgen sind vor allem die Lipidperoxidation, die Proteinoxidation und die Schädigung der DNA. Durch die Verwendung von ESR-spektroskopischen Methoden ist es möglich Untersuchungen innerhalb lebender Zellen durchzuführen. Zur Detektion der Radikale wird dabei ein Radikalfänger (Spin trap) eingesetzt, welcher a priori kein ESR-Signal liefert, sondern erst durch den Kontakt mit dem freien Radikal ein ungepaartes Elektron und somit ein ESR-Signal aufweist. Die Verbindung 2-Ethoxycarbonyl-2-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-1-oxid (EMPO) ist ein Derivat des DMPO, in welchem die Nitroxidgruppe zusätzlich stabilisiert wird. Hierdurch kommt es zu einer deutlich längeren Lebensdauer der Spin-Addukte und einer besseren Auflösung der ESR-Messung. Die entstehenden Signale der einzelnen EMPO-Addukte lassen sich mit geeigneten Methoden simulieren. Dies ermöglicht die Analyse der entstandenen Radikale. Während unter der Strahlenbelastung von CT- und MRT-Untersuchungen keine Radikalbildung in den Proben festgestellt werden kann, liefert die Strahlentherapie mittels Linearbeschleuniger ein breites Spektrum gebildeter Radikale. Die Ausbildung dieser Radikale zeigt sich dabei von verschiedenen Faktoren abhängig. So zeigt sich die Ausbildung von H-, OH- und OOH-Addukten durch Luftsauerstoff begünstigt, die Zugabe von NaCl fördert die Ausbildung von Wasserstoffradikalen und organische Pufferbestandteile, wie z.B. Tris oder HEPES, führen zur erhöhten C-Addukt- Bildung.

Following the ideas presented in Dahlhaus (2000) and Dahlhaus and Sahm (2000) for time series, we build a Whittle-type approximation of the Gaussian likelihood for locally stationary random fields. To achieve this goal, we extend a Szegö-type formula, for the multidimensional and local stationary case and secondly we derived a set of matrix approximations using elements of the spectral theory of stochastic processes. The minimization of the Whittle likelihood leads to the so-called Whittle estimator \(\widehat{\theta}_{T}\). For the sake of simplicity we assume known mean (without loss of generality zero mean), and hence \(\widehat{\theta}_{T}\) estimates the parameter vector of the covariance matrix \(\Sigma_{\theta}\). We investigate the asymptotic properties of the Whittle estimate, in particular uniform convergence of the likelihoods, and consistency and Gaussianity of the estimator. A main point is a detailed analysis of the asymptotic bias which is considerably more difficult for random fields than for time series. Furthemore, we prove in case of model misspecification that the minimum of our Whittle likelihood still converges, where the limit is the minimum of the Kullback-Leibler information divergence. Finally, we evaluate the performance of the Whittle estimator through computational simulations and estimation of conditional autoregressive models, and a real data application.