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Zugl.: Hannover, Universiẗat, Diss. V. Doege, S. Martini, 2008.

Zugl.: Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2008.

Au cours de ces travaux de thèse, la résolution de problèmes non-linéaires en interaction forte entre une structure et un fluide a été étudiée par une approche partitionnée. La stabilité, la convergence et les performances de différents schémas de couplages explicites et implicites ont été explorées. L'approche partitionnée autorise la réutilisation des codes existants dans un contexte plus général. Un des objectifs de nos travaux est de les utiliser comme des boites noires, dont on n'a pas le besoin de connaitre le fonctionnement interne. A cette fin, la technologie des composants et le middleware CTL ont été utilisés. Ainsi, deux composants basés sur des codes existants pour le fluide et la structure ont été développés puis couplés par une approche de type code maître.Les performances de différentes architectures de composants aussi bien que la communication entre composants parallélisés sont décrites dans ce document. La réutilisation de codes existants permet de profiter au plus vite des modèles avancés développés de manière spécifique pour nos sous-problèmes. Pour la partie solide, par exemple, il est possible d'utiliser différents modèles éléments finis en grandes déformations avec des matériaux non-linéaires. Pour la partie fluide, nous avons choisi une approche arbitrairement Lagrangienne-Eulérienne, et la résolution par volumes finis. Différents régimes d'écoulements instationnaires aussi bien incompressibles (modélisés alors par les équations de Navier-Stokes) qu'à surfaces libres sont ici considérés. La description de phénomènes tels que le déferlement des vagues et leur impact sur des structures est ainsi rendu possible / A partitioned approach is studied to solve strongly coupled nonlinear fluid structure interaction problems. The stability, convergence and performance of explicit and implicit coupling algorithms are explored. The partitioned approach allows to re-use existing codes in a more general context. One purpose of this work is to be able to couple them as black-boxes. To that end, the scientific software component framework CTL is considered. Therefore a fluid and a structure component based on existing software are developed and coupled with a master code approach. Computational performance of different remote calls and parallel implementation of components are also depicted herein. The re-use of existing software allows to couple advanced models developed for both sub-problems. In this work, the structure part is solved by the Finite Element Method, with the possibility to use different non-linear and large deformation behaviors. For the fluid part, examples modeled with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation are considered, solved with a finite volume method. The models used are first transient incompressible flows described by the Navier-Stokes equation, then free surface flows. With the latter, the impact of sloshing and breaking waves on model structures can be computed / In dieser Doktorarbeit wird ein partiotionierter Ansatz zur Lösung nichlinearer stark gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktionsprobleme behandelt. Dabei werden die Stabilität, die Konvergenz und die Performanz expliziter und impliziter Kopplungsalgorithmen untersucht. Der partitionierte Ansatz ermöglicht die Wiederverwendung von existierender Software in einem allgemeineren Kontext. Ein Ziel dieser Arbeit ist hierbei die Nutzung dieser Software als Blackboxen. Hierzu verwenden wir das komponentenbasierte Framework CTL. Die existierenden Simulationscodes für das Strömungs- und das Strukturproblem werden als CTL Komponenten umgesetzt und über einen Mastercode gekoppelt. Die Performanz des Gesamtsystems wird hinsichtlich unterschiedlicher Komponentenbindungen und der parallelen Implementierungen der Simulationskomponenten analysiert. Existierende Simulationscodes weisen mitunter viele Mannjahre Entwicklungszeit auf, bieten auf die einzelnen Probleme abgestimmte numerische Verfahren und unterstützen unterschiedliche Modelle des betrachteten physikalischen Fachgebietes. Daher ist eine Wiederverwendung erstrebenswert. Der Strukturteil wird über die Finite Elemente Methode approximiert, wobei groé Deformationen und verschiedene nicht-lineare Materialmodelle unterstützt werden. Auf der Strömungsseite werden Beispielprobleme (von instationären inkompressiblen Strömungen zu Strömungen mit freier Oberäche) herangezogen, die mit der Arbitrary Lagrangian Eulerian Methode formuliert und der Finite Volumen Methode diskretisiert werden

Das mittlere Lebensalter stellt für Frauen eine biologisch instabile Phase dar, der Wechsel von der fruchtbaren zur unfruchtbaren Lebensspanne wird vollzogen. Der Anstieg kardiovaskulärer Risiken in dieser Zeit, wie sie epidemiologische Untersuchungen beschreiben, läßt neben medizinischen Untersuchungen, die ihren Schwerpunkt auf die hormonellen Veränderungen legen, auch die gesundheitspsychologische Untersuchung dieser Lebensphase notwendig erscheinen. Vor dem Hintergrund arbeitspsychologischer, gesundheitspsychologischer und medizinischer Überlegungen wird eine Untersuchung an Frauen im mittleren Lebensalter vorgestellt. Es interessiert, wie sich das Bild der psychischen und kardiovaskulären Gesundheit unter der Beachtung von sowohl Belastungen im Arbeits- und im Privatbereich, als auch der situativen und personalen Ressourcen über die diese Frauen verfügen, gestaltet, wobei die soziale Schichtzugehörigkeit als Rahmenbedingung von Interesse ist. Als Arbeitsgrundlage diente das von Rimann und Udris beschriebene Ressourcenmodell (Udris et al. 1992; Rimann und Udris, 1998, 1993), daß das Salutogenesekonzept von Antonovsky (1988) aufgreift. Stichprobe/ Methoden: Es wurden 301 Frauen aus Dresden der Jahrgänge 1940 - 1950 untersucht. Dabei kamen ein psychologischer Fragebogen, ein psychologisches Interview und Laboruntersuchungen (einschließlich Fragebogenscreening) zum Einsatz. Es wurden Belastungsparameter aus dem Bereich der Erwerbsarbeit und aus dem Privatbereich; situative und personale Ressourcenvariablen und psychologische und labormedizinische (kardiovaskuläre) Gesundheits-/ Risikoparameter erhoben. Univariate und Multivariate Auswertungsmethoden (Korrelations-, Partialkorrelations-, Regressions-, Varianz- und Clusteranalysen) kamen bei der Ergebnisauswertung zur Anwendung. Ergebnisse: Die Ergebnisauswertung erfolgte zunächst getrennt für die Bereiche Erwerbsarbeit und Privatbereich. Daran anschließend wurde eine Gesamtbetrachtung durchgeführt und die Ergebnisse untereinander verglichen. Die Funktion personaler Ressourcen erscheint als abhängig vom Belastungskontext. Im Kontext der Erwerbstätigkeit erscheinen sie eher als Moderatoren bei Belastungen im Privatbereich eher als Mediatoren. Das Kohärenzerleben spielt bei der Vorhersage des psychischen Befindens eine zentrale Rolle. Am besten gelingt die Vorhersage beim Einbeziehen aller Belastungs- und Ressourcenvariablen. Für die Vorhersage kardiovaskulärer Laborparameter sind ressourcenseitig in erster Linie Handlungsvariablen relevant. Die Vorhersage dieser Parameter gelang am besten durch Belastungen aus der Erwerbsarbeit und personalen Ressourcen. Es werden darüber hinaus Belastungs-Ressourcen-Muster gefunden, die sehr deutlich vermögen, zwischen Frauen mit hohem und geringem kardiovaskulären Risiko zu trennen.

Nanoindentations-Messungen haben in den letzten Jahrzehnten als Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten stark an Bedeutung gewonnen. Für die Gewinnung eines tiefergreifenden Verständnisses des mechanischen Verhaltens dieser Schichten ist die Kenntnis des Elastizitätsmoduls und der Fließgrenze von essentieller Bedeutung – nicht zuletzt, da diese auch als Eingabeparameter für Simulationen des Materialverhaltens gefordert sind. Eine noch nicht im Detail verstandene Forschungsfrage bei der Kennwertermittlung ist die Berücksichtigung des Dünnschichtcharakters der Proben, deretwegen diese Untersuchungen im Wesentlichen immer noch einen Grundlagencharakter tragen und derzeit Gegenstand intensiver weltweiter Forschung sind. Auswege für eine solche Berücksichtigung existieren bisher nur für wenige Anwendungsfälle. Das Konzept des effektiven Indenters stellt eine Erweiterung der Auswerteansätze und damit neue Möglichkeit für die mechanische Charakterisierung der Dünnschichteigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit dieses Konzept zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls dünner Schichten geeignet ist. Ebenso werden die Untersuchungen auf die Fließgrenze ausgeweitet. Beispielhaft kommen unterschiedliche Schichtmaterialien zum Einsatz, mit denen der Unterschied zwischen den Schicht-Substrat-Eigenschaften – Elastizitätsmodul und Fließgrenze – variiert werden kann. Durch Vergleich der für die BERKOVICH-Eindrücke erhaltenen Ergebnisse zu den mittels der Kugeleindrucksversuche bestimmten Werte – als etabliertes Messverfahren – wird festgestellt, dass o. g. Konzept prinzipiell für die oben angeführten Fragestellungen geeignet ist, insofern die erreichten Eindringtiefen im Vergleich zur Schichtdicke relativ gering sind. Physikalische Ursachen für dieses Verhalten werden vorgeschlagen und diskutiert. Ebenso wird eine spezielle Vorgehensweise des Konzepts des effektiven Indenters für die Charakterisierung von porösen sowie nichtporösen Low-k-Schichtmaterialien untersucht. Zusätzlich werden Finite-Elemente-Simulationen für grundlegende Betrachtungen zur Wirkungsweise des o. g. Konzepts anhand von massiven Proben herangezogen. / Considerable research effort has focused on measuring the mechanical properties of thin films via nanoindentation. To characterize the mechanical behavior of thin films, accurate determination of Young’s modulus and yield strength is required. For the purpose of modeling and dimensioning, these quantities serve as input parameters as well. An existing major challenge in the context of (nanoindentation) data analysis is the complete consideration of the layered structure of the specimen. In the literature, a few experimental and theoretical-based approaches have been developed to extract actual film properties. However, those approaches are only applicable under specific conditions and, hence, the problem is not satisfyingly solved to date. Therewith, investigations of accurately assessing mechanical properties of thin films, in general, or Young’s modulus and yield strength, in detail, are still part of ongoing research in the field of mechanical testing in materials research and development. The concept of the “effective indenter” is an extension of the current and established analysis of nanoindentation data and is a new possibility to determine mechanical properties of thin films. In this work, an investigation is given concerning the suitability of the model, in a specific approximation, for determining Young’s modulus of thin films. In a second step, the investigations are focused on the determination of yield strength. Film/substrate composites having a varying ratio of modulus and yield strength between film and substrate are chosen; BERKOVICH indentations are analyzed and spherical indentation experiments are used as second and independent technique. It is shown that the model is suitable to deliver Young’s modulus of thin films. However, a critical ratio of indentation depth to film thickness is identified; for ratios above this critical value, the model, in the present approximation, can no longer be used. Physical mechanisms that explain this finding are suggested and discussed. Moreover, the above-mentioned model is used to characterize the very specific class of materials of non-porous and porous low-k dielectric thin films in terms of yield strength and Young’s modulus. Finally, finite element modeling is used to study critical issues in applying the model of the “effective indenter” and its specific approximation used here for analysis of nanoindentation data for bulk materials.

One of the challenges for Airbus preparing a new freighter development process was the design of a solid freighter barrier, which separates the courier area from the cargo compartment. The major task of such a barrier is to protect the passengers against all risks caused due to cargo impact by a justifiable design. These risks may result from all kind of survivable incident and accident scenarios. Real aircraft crashes were analyzed to get away from a static book-case and come to a more realistic dynamic crash scenario. A reduced-order simulation model was built up to investigate and simulate the dynamic effects during crash. The simulation model considers the highly nonlinear stiffness and damping characteristics of all critical cargo types and also includes their energy absorption potentials. A series of full scale container crash tests have been performed at accredited car crash facilities. The test campaigns were complemented by numerous component tests to study also general crash principles. The critical simulation parameters were identified and implemented into the simulation model. The subsequent validation process showed a close agreement between simulation and test. The simulation environment has turned out to be a reliable basis to simulate all critical barrier loads with respect to the specific aircraft loading distributions. The essence of this investigation is an adequate understanding of the real crash effects. The proposed dynamic crash approach is more realistic than the static condition and results in an optimized safety barrier wall concept. This dynamic approach provides equivalent safety compared to the existing devices and is accepted by FAA and EASA.:Contents 1 Scope of the Work 1 1.1 State-of-the-Art Barrier Design 1 1.2 General Crash Justification Requirement 2 1.3 Barrier Protection Criterion 3 1.4 Proposed Dynamic Approach for an Optimized Safety Barrier Design 4 2 Simulation 6 2.1 About this Chapter 6 2.2 Simulation environment Matlab/Simulink 7 2.3 Simulation Model 7 2.4 Differential Equation 11 2.5 Stiffness and Damping 14 2.6 Crash Pulses 17 2.7 Dynamic Latch Behavior 21 2.8 Model Implementation 21 2.8.1 Derivation of the Equation Set Up for One Cargo Unit 22 2.9 Simulation Environment 25 3 Full Scale ULD Crash Tests 33 3.1 About this Chapter 33 3.2 Objectives 33 3.3 Test Setup 34 3.3.1 Cargo Configuration 34 3.3.2 Test Configuration 38 3.3.3 Test Equipment 39 4 Analysis of ULD Crash Tests 41 4.1 Test Results 41 4.1.1 Test with frangible Cargo 41 4.1.2 Test with rigid Cargo 45 4.2 Measurement Quality 47 4.3 Load Principles 50 4.4 Load Propagation on Barrier 52 5 Parameter Identification and Results 53 5.1 About this Chapter 53 5.2 Identification Process 53 5.3 Stiffness and Damping Identification 56 5.3.1 Identification of first ULD characteristic 57 5.3.2 Identification of second and aft ULDs 58 5.3.3 Identified Load-De ection Characteristics 59 5.4 Model Validation 60 6 Barrier Protection against Rigid Cargo Impact 63 6.1 About this Chapter 63 6.2 Excitation Pulse 64 6.3 State-of-the-Art Consideration 65 VIII CONTENTS 6.4 Simulation Model based on Energy Method 67 6.5 Reduced Crushable Cargo owing to Rigid Cargo Tests 70 7 Full Scale Latch Rupture Test 74 7.1 About this Chapter 74 7.2 Objectives 75 7.3 Test Setup 76 7.3.1 Tested Cargo 78 7.3.2 Test Measurement 80 8 Analysis of Latch Rupture Test 82 8.1 About this Chapter 82 8.2 Results and Physical Effects 83 8.2.1 Energy Flow Consideration 83 8.2.2 Pulse Consideration 86 8.2.3 Load and Velocity Consideration 86 8.2.4 Summary 91 9 Consolidation of the Two Crash Requirements 92 9.1 Integration of Frangible and Rigid Simulation Model 92 9.2 Linked Simulation Results 92 9.3 Dynamic Impact Loads on Safety Barrier Wall 93 9.4 Minimal Barrier Loads for Safety Barrier Wall Protection 96 9.5 Safety Barrier Wall Design Loads 99 10 Summary and Outlook 101

Polyzyklische organische Moleküle und deren Derivate sind eine Klasse von Nanostrukturen, die wegen diverser möglicher Anwendungen in molekularer und organischer Elektronik viel Aufmerksamkeit in der Wissenschaft erregt haben. Um ihre einzigartigen Eigenschaften in vollem Umfang auszunutzen, muss man das Verhalten von molekularen Systemen auf der Nanoskala verstehen und eine Reihe von Herstellungsverfahren entwickeln. In dieser Arbeit werden molekulare Nanostrukturen durch den Bottom-Up-Ansatz der Oberflächensynthese erzeugt. Als Untersuchungsmethode gilt Rastertunnelmikroskopie (STM) bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum als Werkzeug der Wahl. Drei verschiedene molekulare Systeme werden ausführlich erforscht, mit dem Ziel organische Nanostrukturen mit gewünschten Eigenschaften und atomarer Präzision zu erzeugen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Cyclodehydrierungsreaktion erfolgreich für die Synthese von asymmetrischen Starphen verwendet. Es wird dann gezeigt, dass dieses Molekül als unimolekulares NAND-Logikgatter fungieren kann. Dabei wird die Positionierungsänderung der elektronischen Resonanz nach der Zufügung einzelner Goldatome an die Inputs des Moleküls gemessen. Eine Kombination aus atomarer und molekularer Lateralmanipulation mithilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops sowie Rastertunnelspektroskopie wird verwendet, um dieses Verhalten zu demonstrieren. Die steuerbare Verschiebung von molekularen Resonanzen entsteht wegen der asymmetrischen Form des Starphens und wurde theoretisch vorhergesagt. Molekulare Drähte werden im zweiten Teil der Arbeit durch die oberflächenassistierte Ullmann-Kupplung hergestellt. Ihr Baustein besteht aus abwechselnden Donor- und Akzeptorgruppen und wurde speziell vorgesehen, um leitfähige flexible molekulare Drähte herzustellen. Die Leitfähigkeit wird durch Ziehen einzelner Drähten von der Oberflächen mit der STM-Spitze gemessen. Theoretische Berechnungen der komplexen Bandstruktur der molekularen Drähte bestätigen die experimentellen Ergebnisse und unterstützen dabei die Wichtigkeit der Balance zwischen Akzeptor- und Donorgruppen für die Leitfähigkeit der Drähte. Basierend auf diesen Resultaten werden neue Strukturen zur Herstellung vorgeschlagen. Der letzte Teil befasst sich schließlich mit einer unimolekularen Reaktion, die zur Erzeugung einer anomalen Kombination von Pentagon- und Heptagonringen in einem einzelnen organischen Molekül führt. Solche 5-7-Einheiten sind analog zu Stone-Wales-Defekten in Graphen und können elektronische Eigenschaften beachtlich ändern. Die exakte intramolekulare Struktur der Reaktionsprodukte wird durch hochauflösende STM-Bildgebung mit funktionalisierter Spitze eindeutig zugeordnet und zusätzlich durch DFT-Rechnungen bestätigt. / Polycyclic organic molecules and their derivatives present the class of nanostructures that are currently in the focus of scientific research due to their perspectives for the versatile applications in molecular and organic electronics. To exploit their unique properties to full extent, one has to understand the behavior of molecular systems at the nanoscale and to develop a set of fabrication methods. In this work, molecular nanostructures are fabricated using the bottom-up on-surface synthesis approach, which allows precision of the desired products and control over their properties through careful precursors design. To study the reaction flow and the properties of the formed structures, scanning tunneling microscopy (STM) at low temperature and in ultra-high vacuum is the tool of choice. In this work, three molecular systems are studied in detail, with the focus of fabricating atomically precise nanostructures with tailored properties. A cyclodehydrogenation reaction is successfully applied to synthesize an asymmetric starphene molecule in the first part of the work. It is then shown that this molecule can function as a unimolecular NAND logic gate with its response to the attached single Au atoms measured as the position of the electronic resonance. A combination of the atomic and molecular lateral manipulation with the STM tip and scanning tunneling spectroscopy (STS) is used to demonstrate this behavior. The effect of the controllable shifting of the molecular resonances is due to the asymmetric shape of the starphene molecule and was initially predicted theoretically. More complex structures, molecular wires, are presented in the second part of the work by using the surface-assisted Ullmann coupling reaction. The monomer unit, consisting of the alternant donor and acceptor parts, was specifically designed to achieve highly-conductive flexible molecular wires. The conductance is measured by pulling the single wires with the STM tip off the surface. Theoretical calculations of the complex band structure of the wires confirm the obtained results and support the discussion of the importance of the balance between the strength of acceptor and donor units for the conductance of the resultant wires. Based on this, some model structures are proposed. Finally, the last part deals with a unimolecular reaction to create an anomalous combination of pentagon and heptagon rings in a single organic molecule. Such 5-7 moieties are analogous to the Stone-Wales defects in graphene and may significantly alter the electronic properties. The precise intramolecular structure of the reaction products is unambiguously assigned by high-resolution STM imaging with functionalized tips and further confirmed by DFT calculations.

<div>We consider actions of the current Lie algebras $\gl_{n}[t]$ and $\gl_{k}[t]$ on the space $\mathfrak{P}_{kn}$ of polynomials in $kn$ anticommuting variables. The actions depend on parameters $\bar{z}=(z_{1}\lc z_{k})$ and $\bar{\alpha}=(\alpha_{1}\lc\alpha_{n})$, respectively.</div><div>We show that the images of the Bethe algebras $\mathcal{B}_{\bar{\alpha}}^{\langle n \rangle}\subset U(\gl_{n}[t])$ and $\mathcal{B}_{\bar{z}}^{\langle k \rangle}\subset U(\gl_{k}[t])$ under these actions coincide.</div><div></div><div>To prove the statement, we use the Bethe ansatz description of eigenvectors of the Bethe algebras via spaces of quasi-exponentials. We establish an explicit correspondence between the spaces of quasi-exponentials describing eigenvectors of $\mathcal{B}_{\bar{\alpha}}^{\langle n \rangle}$ and the spaces of quasi-exponentials describing eigenvectors of $\mathcal{B}_{\bar{z}}^{\langle k \rangle}$.</div><div></div><div>One particular aspect of the duality of the Bethe algebras is that the Gaudin Hamiltonians exchange with the Dynamical Hamiltonians. We study a similar relation between the trigonometric Gaudin and Dynamical Hamiltonians. In trigonometric Gaudin model, spaces of quasi-exponentials are replaced by spaces of quasi-polynomials. We establish an explicit correspondence between the spaces of quasi-polynomials describing eigenvectors of the trigonometric Gaudin Hamiltonians and the spaces of quasi-exponentials describing eigenvectors of the trigonometric Dynamical Hamiltonians.</div><div></div><div>We also establish the $(\gl_{k},\gl_{n})$-duality for the rational, trigonometric and difference versions of Knizhnik-Zamolodchikov and Dynamical equations.</div>

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