Das Ziel dieser Diplomarbeit ist ein Modell für die Plattendeformationen unter Beachtung großer Verzerrungen sowie die Implementierung einer entsprechenden FE-Simulation. Durch Einsetzen der Kirchhoff-Hypothese in die nichtlineare statische dreidimensionale Elastizitätstheorie wird die Gesamtenergie einer deformierten Platte einzig und allein durch die Verschiebungen ihrer Mittelfläche beschrieben. Minimieren dieser Energie führt auf ein nichtlineares Variationsproblem, welches mit Hilfe des Newton-Verfahrens und der Finiten-Elemente-Methode numerisch gelöst werden kann. Dafür werden die Formeln des Energiefunktionals sowie der notwendigen zwei Linearisierungen angegeben. Mit der weiteren Annahme, dass sich die Normale der Mittelfläche nicht ändert, wird eine FE-Implementierung mit bilinearen Elementfunktionen in der Plattenebene und bikubischen Elementfunktionen, vom Bogner-Fox-Schmidt-Element, in Dickenrichtung hergeleitet. / The aim of this thesis is a model for the plate deformations, under consideration of large strains, and the implementation of a suitable FE simulation. Starting from nonlinear static 3D elasticity theory and introducing the Kirchhoff assumptions, the total energy of a deformed plate is described solely by the displacements of its midsurface. Minimizing this energy leads to a nonlinear variational problem, which can be solved numerically, using Newton's method and the finite element method. For this purpose, the formulae of the energy functional and its necessary two linearizations are provided. With the further assumption that the normal of the midsurface does not change, an FE implementation is derived, with bilinear element functions in the in-plane-direction and bicubic element functions, from the Bogner-Fox-Schmidt-element, in the out-of-plane-direction.

The analytical solution of a given inhomogeneous boundary value problem of a linear, elliptic, inhomogeneous partial differential equation and a set of inhomogeneous mixed Dirichlet- and Neumann-type boundary conditions is derived in the present paper. In the context of elasticity theory, the problem arises for a non-conservative symmetric ansatz and an extended constitutive law shown earlier. For convenient user application, the scalar function expressed in cylindrical coordinates is primarily obtained for the general case before being expatiated on a special case of linear boundary conditions.

Es werden Kontaktprobleme im Rahmen der nichtlinearen Elastizitätstheorie mit Mitteln der Variationsrechnung behandelt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des Selbstkontakts eines nichtlinear elastischen Körpers. Unter Verwendung einer geeigneten Lagrangeschen Multiplikatorenregel wird eine notwendige Bedingung für Minimierer hergeleitet. Weiterhin werden Ergebnisse für den Kontakt zweier elastischer Körper formuliert.

In addition to previous publications, the paper presents the analytical solution of a special boundary value problem which arises in the context of elasticity theory for an extended constitutive law and a non-conservative symmetric ansatz. Besides deriving the general analytical solution, a specific form for linear boundary conditions is given for user convenience.

Das Verhalten adhärenter Zellen hängt stark von den chemischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab. Experimentelle Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass adhärente Zellen aktiv die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung erkunden, indem sie an dieser ziehen. Der resultierende Kraftaufbau hängt von den elastischen Eigenschaften der Umgebung ab und wird an den Adhäsionskontakten in entsprechende biochemische Signale umgewandelt, die zelluläre Programme wie Wachstum, Differenzierung, programmierten Zelltod und Zellbewegung mitbestimmen. Im Allgemeinen sind Kräfte wichtige Einflussgrößen in biologischen Systemen. Weitere Beispiele dafür sind Hör- und Tastsinn, Wundheilung sowie die rollende Adhäsion von weißen Blutkörperchen auf den Wänden der Blutgefäße. In der Habilitationsschrift von Ulrich Schwarz werden mehrere theoretische Projekte vorgestellt, die die Rolle von Kräften und Elastizität in der Zelladhäsion untersuchen.<br /> (1) Es wurde eine neue Methode entwickelt, um die Kräfte auszurechnen, die Zellen an den Kontaktpunkten auf mikro-strukturierte elastische Substrate ausüben. Das Hauptergebnis ist, dass Zell-Matrix-Kontakte als Mechanosensoren funktionieren, an denen interne Kräfte in Proteinaggregation umgewandelt werden.<br /> (2) Eine Ein-Schritt-Master-Gleichung, die die stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern als Funktion von Clustergröße, Rückbindungsrate und Kraft beschreibt, wurde sowohl analytisch als auch numerisch gelöst. Zudem wurde dieses Modell auf Zell-Matrix-Kontakte, dynamische Kraftspektroskopie sowie die rollende Adhäsion angewandt.<br /> (3) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie und mit Hilfe des Konzepts der Kraftdipole wurde ein Modell formuliert und gelöst, das die Positionierung und Orientierung von Zellen in weicher Umgebung vorhersagt. Diese Vorhersagen sind in guter Übereinstimmung mit zahlreichen experimentellen Beobachtungen für Fibroblasten auf elastischen Substraten und in Kollagen-Gelen. / The behaviour of an adhering cell is strongly influenced by the chemical, topographical and mechanical properties of the surface it attaches to. During recent years, it has been found experimentally that adhering cells actively sense the elastic properties of their environment by pulling on it through numerous sites of adhesion. The resulting build-up of force at sites of adhesion depends on the elastic properties of the environment and is converted into corresponding biochemical signals, which can trigger cellular programmes like growth, differentiation, apoptosis, and migration. In general, force is an important regulator of biological systems, for example in hearing and touch, in wound healing, and in rolling adhesion of leukocytes on vessel walls. In the habilitation thesis by Ulrich Schwarz, several theoretical projects are presented which address the role of forces and elasticity in cell adhesion.<br /> (1) A new method has been developed for calculating cellular forces exerted at sites of focal adhesion on micro-patterned elastic substrates. The main result is that cell-matrix contacts function as mechanosensors, converting internal force into protein aggregation.<br /> (2) A one-step master equation for the stochastic dynamics of adhesion clusters as a function of cluster size, rebinding rate and force has been solved both analytically and numerically. Moreover this model has been applied to the regulation of cell-matrix contacts, to dynamic force spectroscopy, and to rolling adhesion.<br /> (3) Using linear elasticity theory and the concept of force dipoles, a model has been introduced and solved which predicts the positioning and orientation of mechanically active cells in soft material, in good agreement with experimental observations for fibroblasts on elastic substrates and in collagen gels.

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Die Dissertation beschäftigt sich mit Parameteridentifikationsproblemen, wie sie häufig in Fragestellungen der Festkörpermechanik zu finden sind. Hierbei betrachten wir die Identifikation von Materialparametern -- die typischerweise die Eigenschaften der zugrundeliegenden Materialien repräsentieren -- aus gemessenen Verformungen oder Belastungen eines Testkörpers. In mathematischem Sinne entspricht dies der Lösung von Identifikationsproblemen, die eine spezielle Klasse von inversen Problemen bilden. Der Inhalt der Dissertation ist folgendermaßen gegliedert. Nach dem einführenden Abschnitt 1 wird in Abschnitt 2 ein Überblick von Optimierungs- und Regularisierungsverfahren zur stabilen Lösung nichtlinearer inverser Probleme diskutiert. In Abschnitt 3 betrachten wir die Identifikation von skalaren und stückweise konstanten Parametern in linearen elliptischen Differentialgleichungen. Hierbei werden zwei Testprobleme erörtert, die Identifikation von Diffusions- und Reaktionsparameter in einer allgemeinen elliptischen Differentialgleichung und die Identifikation der Lame-Konstanten in einem Modell der linearisierten Elastizität. Die zugrunde liegenden PDE-Modelle und Lösungszugänge werden erläutert. Insbesondere betrachten wir hier Newton-artige Algorithmen, Gradientenmethoden, Multi-Parameter Regularisierung and den evolutionären Algorithmus CMAES. Abschließend werden Ergebnisse einer numerischen Studie präsentiert. Im Abschnitt 4 konzentrieren wir uns auf die Identifikation von verteilten Parametern in hyperelastischen Materialmodellen. Das nichtlineare Elastizitätsproblem wird detailiert erläutert und verschiedene Materialmodelle werden diskutiert (linear elastisches St.-Venant-Kirchhoff Material und nichtlineare Neo-Hooke, Mooney-Rivlin und Modified-Fung Materialien. Zur Lösung des resultierenden Parameteridentifikationsproblems werden Lösungsansätze aus der optimalen Steuerung in Form eines Newton-Lagrange SQP Algorithmus verwendet. Die Resultate einer numerischen Studie werden präsentiert, basierend auf einem zweidimensionales Testproblem mit einer sogenannten Cook-Mebran. Abschließend wird im Abschnitt 5 die Verwendung adaptiver FEM für die Lösung von Parameteridentifikationsproblems kurz erörtert. / The dissertation is focussed on parameter identification problems arising in the context of structural mechanics. At this, we consider the identification of material parameters - which typically represent the properties of an underlying material - from given measured displacements and forces of a loaded test body. In mathematical terms such problems denote identification problems as a special case of general inverse problems. The dissertation is organized as follows. After the introductive section 1, section 2 is devoted to a survey of optimization and regularization methods for the stable solution of nonlinear inverse problems. In section 3 we consider the identification of scalar and piecewise constant parameters in linear elliptic differential equations and examine two test problems, namely the identification of diffusion and reaction parameters in a generalized linear elliptic differential equation of second order and the identification of the Lame constants in the linearized elasticity model. The underlying PDE models are introduced and solution approaches are discussed in detail. At this, we consider Newton-type algorithms, gradient methods, multi-parameter regularization, and the evolutionary algorithm CMAES. Consequently, numerical studies for a two-dimensional test problem are presented. In section 4 we point out the identification of distributed material parameters in hyperelastic deformation models. The nonlinear elasticity boundary value problem for large deformations is introduced. We discuss several material laws for linear elastic (St.-Venant-Kirchhoff) materials and nonlinear Neo-Hooke, Mooney-Rivlin, and Modified-Fung materials. For the solution of the corresponding parameter identification problem, we focus on an optimal control solution approach and introduce a regularized Newton-Lagrange SQP method. The Newton-Lagrange algorithm is demonstrated within a numerical study. Therefore, a simplified two-dimensional Cook membrane test problem is solved. Additionally, in section 5 the application of adaptive methods for the solution of parameter identification problems is discussed briefly.

The main focus of this work lies in the simulation of the deformation of mechanical components which consist of nonlinear elastic, incompressible material and that are subject to large deformations. Starting from a nonlinear formulation one can derive a discrete problem by using linearisation techniques and an adaptive mixed finite element method. This turns out to be a saddle point problem that can be solved via a Bramble-Pasciak conjugate gradient method. With some modifications the simulation can be improved.:1. Introduction 2. Basics 3. Mixed variational formulation 4. Solution method 5. Error estimation 6. LBB conditions 7. Improvement suggestions

Lightweight structures became more and more important over the last years. One special class of such structures are short fibre reinforced composites, produced by injection moulding. To avoid expensive experiments for testing the mechanical behaviour of these composites proper material models are needed. Thereby, the stochastic nature of the fibre orientation is the main problem. In this thesis it is looked onto the simulation of such materials in a linear thermoelastic setting. This means the material is described by its heat conduction tensor κ(p), its thermal expansion tensor T(p), and its stiffness tensor C(p). Due to the production process the internal fibre orientation p has to been understood as random variable. As a consequence the previously mentioned material quantities also become random. The classical approach is to average these quantities and solve the linear hermoelastic deformation problem with the averaged expressions. Within this thesis the incorpora- tion of this approach in a time and memory efficient manner in an existing finite element software is shown. Especially for the time and memory efficient improvement several implementation aspects of the underlying software are highlighted. For both - the classical material simulation as well as the time efficient improvement of the software - numerical results are shown. Furthermore, the aforementioned classical approach is extended within this thesis for the simulation of the thermal stresses by using the stochastic nature of the heat conduc tion. This is done by developing it into a series w.r.t. the underlying stochastic. For this series known results from uncertainty quantification are applied. With the help of these results the temperature is developed in a Taylor series. For this Taylor series a suitable expansion point is chosen. Afterwards, this series is incorporated into the computation of the thermal stresses. The advantage of this approach is shown in numerical experiments.

The Mindlin-Reissner plate model is widely used for the elastic deformation simulation of moderately thick plates. Shear locking occurs in the case of thin plates, which means slow convergence with respect to the mesh size. The Kirchhoff plate model does not show locking effects, but is valid only for thin plates. One would like to have a method suitable for both thick and thin plates. Several approaches are known to deal with the shear locking in the Mindlin-Reissner plate model. In addition to the well-known MITC elements and other approaches based on a mixed formulation, hierarchical methods have been developed in the recent years. These are based on the Kirchhoff model and add terms to account for shear deformations. We present some of these methods and develop a new hierarchic plate formulation. This new model can be discretised by a combination of C0 and C1 finite elements. Numerical tests show that the new formulation is locking-free and numerically efficient. We also give an extension of the model to a hierarchical Naghdi shell based on a Koiter shell formulation with unknowns in Cartesian coordinates.:1 Introduction 2 Plate theory 3 Shell theory 4 Conclusion