Zwei wesentliche Vorrausetzungen zum Aufbau mechanischer Verhaltensprognosen auf Basis der finiten-Element-Methode (FEM) sind die Verfügbarkeit von Materialmodellen sowie zugehörige Messverfahren zur Parameterbestimmung. Gegenstand dieser Abhandlung ist die Vorstellung einer neuartigen Messmethodik zur Erhebung des plastischen Biege- und Faltverhaltens von faserbasierten Verbundmaterialien und dessen Anwendung zum vereinfachten Aufbau von numerischen Struktursimulationen. Als besonderes Merkmal sei dabei der Ansatz einer äußeren, integralen Verhaltensbeschreibung der vielfältigen Vorgänge auf der Mikrostrukturebene des Materials genannt. Damit wird es möglich das mechanische Strukturverhalten komplexer Makrostrukturen, wie komplette Verpackungen auf Basis von Karton-Verbundmaterial, zu untersuchen und damit Optimierungen hinsichtlich Versagensverhalten und Materialeffizienz durchzuführen.

Ziel dieser Arbeit ist die Simulation der Deformation von Bauteilen, welche aus nahezu inkompressiblem Material bestehen. Dabei soll sich das Material sowohl linear als auch nichtlinear elastisch verhalten können. Zusätzlich soll die Belastung des Bauteils beliebig gewählt werden können, das heißt, es sollen kleine als auch große Deformationen möglich sein.:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Aufgabenstellung für linear elastisches Material unter kleinen Deformationen 4. Gemischte Methode der finiten Elemente 5. Herleitung der Fehlerschätzung 6. Aufgabenstellung für nichtlinear elastisches Material unter großen Deformationen 7. Lösungsstrategie A. Anhang

With flow forming – an incremental forming process – the final geometry of a component is achieved by a multitude of minor sequential forming steps. Due to this incremental characteristic associated with the variable application of the tools and kinematic shape forming, it is mainly suitable for small and medium quantities. For the extensive use of the process it is necessary to have appropriate simulation tools. While the Finite-Element-Analysis (FEA) is an acknowledged simulation tool for the modeling and optimization of forming technology, the use of FEA for the incremental forming processes is associated with very long computation times. For this reason a simulation method called FloSim, based on the upper bound method, was developed for cylindrical flow forming processes at the Chair of Virtual Production Engineering, which allows the simulation of the process within a few minutes. This method was improved by the work presented with the possibility of geometry computation during the process.:Introduction FEM-Simulation The FloSim Model Computation of the Workpiece length Results Conclusion

Modeling the interaction of a silicon (Si) surface with a pointed asperity is a crucial step towards the understanding of several phenomena related to machining of this important semiconductor. If subjected to pressure or contact loading, Si undergoes a series of stress-driven phase transitions accompanied by large volume changes. We developed a finite deformation constitutive model that captures the semiconductor-to-metal (cd-Si ➙ β-Si) and metal-to-amorphous (β-Si ➙ a-Si) transitions within the framework of thermodynamics with internal variables. The model was implemented as a user material subroutine for the finite element code Abaqus/Std. in analogy to pressure sensitive, rate independent, non-associated, non-smooth multisurface plasticity. Material parameters were identified from indentation load-displacement curves in (111)-Si using a Berkovich indenter tip. The constitutive model was verified by successfully predicting the load-displacement curves for different indenters, the residual surface profile, as well as the size and shape of the transformation zone under the indenter tip as compared to TEM results.

Dünnwandige Strukturen erreichen bei richtiger Gestaltung ein sehr gutes Masse-Steifigkeitsverhältnis und besitzen damit großes Potential für effektiven Strukturleichtbau. In ebenen und schwach gekrümmten Bereichen weisen diese jedoch eine geringe Biegesteifigkeit auf, welche häufig nicht den gestellten Anforderungen entspricht. Zur Formversteifung werden hier Sicken eingesetzt. Diese rinnenartigen oder flächigen Vertiefungen werden mithilfe einer Blechumformung, wie Tiefziehen, in das jeweilige Bauteil eingebracht. Damit ein Sickenfeld die maximale Versteifungswirkung erreicht, muss es beanspruchungsgerecht ausgelegt werden. In der Praxis werden Sicken häufig erfahrungsbasiert oder mit den Erkenntnissen aus Sickenkatalogen in ein Bauteil eingebracht. Allerdings bleibt hier die Frage nach einer beanspruchungsgerechten Auslegung der Sickenparameter, wie Position und Ausrichtung, offen. Bei komplexeren Bauteilen generiert die FE-Netz basierte Formoptimierung hingegen ein deutlich besseres Ergebnis. Allerdings muss dieses für ein fertigungsgerechtes Sickenbild manuell im CAD rekonstruiert werden. Dieser Prozess ist im CAD-System zeitaufwändig und fehleranfällig. Ziel dieser Arbeit ist es, die FEM gestützte Sickenauslegung effektiver zu gestalten. Eine Teilaufgabe ist die Verbesserung der Ergebnisinterpretation von formoptimierten FE-Netzen. Weiterhin werden neue Methoden gezeigt, welche ohne Interpretation verzerrter FE-Netze eine CAD-integrierte Sickenauslegung ermöglichen. / Thin-walled structures are used within various products, due to their optimal relation between mass and stiffness. Nevertheless those structures have a low bending stiffness in areas with less curvature. To bypass this disadvantage channels or flattened areas, so called beads, are embossed. To maximize the stiffening effect the position and orientation of the bead is essential. One of the latest methods for bead creation is based on the experience of the designer supported with construction catalogues. They offer predefined bead patterns, tested on simple plate structures and various load cases. The adoption of the predefined bead pattern on complex real live parts is often impossible. A second method uses FEM based optimization algorithms. They are more effective but the actual workflow of interpreting the distorted FEM meshes in CAD and resulting adoption on manufacturing constrains lead to non-optimal results, too. The aim of this thesis is to represent new methods for bead creation with a high CAD integration level. As a result, three new methods are developed. At first, the workflow for the interpretation of bead patterns created by a FEM based optimization algorithm was simplified using tailor made CAD features for the reverse engineering process. The designer is now able to recreate tangency steady CAD geometry with the provided deformed FE mesh. The second method focuses on channel shaped beads. Herefore, the stress distribution is calculated within the FE-shell first and then analyzed. With this information the direction of a bead profile can be estimated in every FE-node and displayed to the user as vector field. In the second step guidelines similar to streamlines are created using the vector field. These guidelines are the basic elements for channels shaped beads represented as CAD features. This approach enables the designer to create load step depending bead patterns without distorted FE-Meshes in CAD. The last scheme represents a semi-analytical approach to create the guidelines without Finite Elements Analyses for simple plate like structures. The vector field is calculated with the stresses using Kirchoff-Love's theory of plates. The investigation shows that the resulting guidelines can be approximated with superellipse. All methods are tested with parts of the automotive industry and academic examples.

Dünnwandige Strukturen erreichen bei richtiger Gestaltung ein sehr gutes Masse-Steifigkeitsverhältnis und besitzen damit großes Potential für effektiven Strukturleichtbau. In ebenen und schwach gekrümmten Bereichen weisen diese jedoch eine geringe Biegesteifigkeit auf, welche häufig nicht den gestellten Anforderungen entspricht. Zur Formversteifung werden hier Sicken eingesetzt. Diese rinnenartigen oder flächigen Vertiefungen werden mithilfe einer Blechumformung, wie Tiefziehen, in das jeweilige Bauteil eingebracht. Damit ein Sickenfeld die maximale Versteifungswirkung erreicht, muss es beanspruchungsgerecht ausgelegt werden. In der Praxis werden Sicken häufig erfahrungsbasiert oder mit den Erkenntnissen aus Sickenkatalogen in ein Bauteil eingebracht. Allerdings bleibt hier die Frage nach einer beanspruchungsgerechten Auslegung der Sickenparameter, wie Position und Ausrichtung, offen. Bei komplexeren Bauteilen generiert die FE-Netz basierte Formoptimierung hingegen ein deutlich besseres Ergebnis. Allerdings muss dieses für ein fertigungsgerechtes Sickenbild manuell im CAD rekonstruiert werden. Dieser Prozess ist im CAD-System zeitaufwändig und fehleranfällig. Ziel dieser Arbeit ist es, die FEM gestützte Sickenauslegung effektiver zu gestalten. Eine Teilaufgabe ist die Verbesserung der Ergebnisinterpretation von formoptimierten FE-Netzen. Weiterhin werden neue Methoden gezeigt, welche ohne Interpretation verzerrter FE-Netze eine CAD-integrierte Sickenauslegung ermöglichen. / Thin-walled structures are used within various products, due to their optimal relation between mass and stiffness. Nevertheless those structures have a low bending stiffness in areas with less curvature. To bypass this disadvantage channels or flattened areas, so called beads, are embossed. To maximize the stiffening effect the position and orientation of the bead is essential. One of the latest methods for bead creation is based on the experience of the designer supported with construction catalogues. They offer predefined bead patterns, tested on simple plate structures and various load cases. The adoption of the predefined bead pattern on complex real live parts is often impossible. A second method uses FEM based optimization algorithms. They are more effective but the actual workflow of interpreting the distorted FEM meshes in CAD and resulting adoption on manufacturing constrains lead to non-optimal results, too. The aim of this thesis is to represent new methods for bead creation with a high CAD integration level. As a result, three new methods are developed. At first, the workflow for the interpretation of bead patterns created by a FEM based optimization algorithm was simplified using tailor made CAD features for the reverse engineering process. The designer is now able to recreate tangency steady CAD geometry with the provided deformed FE mesh. The second method focuses on channel shaped beads. Herefore, the stress distribution is calculated within the FE-shell first and then analyzed. With this information the direction of a bead profile can be estimated in every FE-node and displayed to the user as vector field. In the second step guidelines similar to streamlines are created using the vector field. These guidelines are the basic elements for channels shaped beads represented as CAD features. This approach enables the designer to create load step depending bead patterns without distorted FE-Meshes in CAD. The last scheme represents a semi-analytical approach to create the guidelines without Finite Elements Analyses for simple plate like structures. The vector field is calculated with the stresses using Kirchoff-Love\'s theory of plates. The investigation shows that the resulting guidelines can be approximated with superellipse. All methods are tested with parts of the automotive industry and academic examples.

Zur Realisierung des neuartigen und keramischen Gleitlagers unter den Einsatzbedingungen hoher und stoßartiger Belastungen wird auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) zurückgegriffen, um ein keramikgerechtes Design abzuleiten. Unter Einbeziehung der umgebenden Strukturen, wie der Einbettung und dem Bolzen, werden mit Hilfe der FEM konstruktive und werkstoffliche Parameterstudien durchgeführt. Als Basis der Untersuchungen dienen typische Arm- und Koppelstangenverbindungen aus dem Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen. Oberstes Ziel der Studien ist die Minimierung der Zugbeanspruchungen im keramischen Werkstoff unter Last nach dem Kriterium des „Spannungsminimums“. Daneben werden optimierte Einbettungsbauformen untersucht, die eine geringe Zugbeanspruchung garantieren und gleichzeitig einen geringen Massebedarf aufweisen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Parameterstudien ist eine analytische Berechnungsvorschrift abgeleitet sowie die statische und dynamische Tragfähigkeit des keramischen Gleitlagers experimentell nachgewiesen worden. Im Ergebnis der Forschungsarbeit steht die mechanische Einsatzfähigkeit des keramischen Gleitlagers auf Basis von Siliziumnitrid (Si3N4). Sowohl die statische als auch die dynamische Tragfähigkeit konnte bis zu einer Flächenpressung von mindestens 150 N/mm² und bei einer Lastfrequenz von 12,5 Hz nachgewiesen werden.

FDS (Fire Dynamics Simulator) använder en version av Navier-Stokes ekvationerna för att göra noggranna beräkningar av värme- och gastransport genom brandbelastade utrymmen. Utvecklarna av programmet arbetar kontinuerligt med att validera det allteftersom nya funktioner tillförs för att öka noggrannheten och bredda tillämpningsområdena. Väldigt lite av detta arbete fokuserar dock på FDS:s konduktionsmodell, den endimensionella Crank-Nicolson metoden. Det här examensarbetet ämnar därför undersöka noggrannheten i FDS:s konduktionsmodell genom jämförelse mot beräkningar med FEM (Finita elementmetoden). En FDS-modell skapades för att tillåta undersökning av en vägg och dess randvillkor med så liten påverkan från andra faktorer som möjligt. Detta för att skapa en kontrollerad omgivning som enkelt kunde replikeras i efterföljande FE-beräkningar av det konduktiva värmeflödet genom den solida obstruktionen. Tre väggar (10 cm betong, 20 cm betong och 1 mm stål) vardera med tre randvillkor (Exposed, Void och Insulated) utsattes för tre temperaturer (100 °C, 500 °C och 1000 °C) vilket ger 27 FDS simuleringar. Den adiabatiska yttemperaturen mättes i varje simulering och användes som indata till motsvarande FE-beräkningar. Resultatet påvisade inga signifikanta motsägelser vad gäller randvillkoren, med tillräcklig tid för termisk penetrering påverkade de den resulterande temperaturen som väntat. Undantaget var en mindre avvikelse i stålväggarna som utsattes för 100 °C och 500 °C med randvillkoren Exposed och Void där FDS aningen underskattade temperaturen relativt FE-beräkningarna. Gastemperaturerna i gridcellerna närmast väggen visade sig vara opålitliga. De tenderade att genomgå substantiella fluktuationer, troligen som ett resultat av hur FDS hanterar diskretiseringen av icke-solida volymer för Navier-Stokes beräkningarna. Dessa fluktuationer påverkade dock inte de resulterande solida temperaturerna eftersom medelgastemperaturen var korrekt. FDS påvisades även ha en tendens att aningen överskatta yttemperaturen under de första minuterna av simuleringarna relativt FE-beräkningarna. Temperaturerna från de två beräkningsmetoderna konvergerade dock efter några få minuter i samtliga tester. Dessa avvikelser ansågs ha för liten påverkan på de solida temperaturerna för att påvisa onoggrannhet i FDS. Därmed drogs slutsatsen att FDS:s beräkningar av temperaturer i solida material är tillräckligt noggranna inom dessa avgränsningar. / FDS (Fire Dynamics Simulator) uses a version of the Navier-Stokes equations to make accurate calculations of heat and gas flow through enclosures exposed to fire. The developers of FDS have, and continue to, validate it as new features get added in an attempt to increase its accuracy and broaden its potential applications. However, little of this effort is focused on FDS’ conductive heat transfer model, based on the one-dimensional Crank-Nicolson method. Thus, this study aims to test the accuracy of FDS’ conduction model by comparing it to calculations using FEM (Finite Element Method). FDS simulations were created so as to facilitate the study of a wall and its boundary conditions with as little interference from other factors as possible. This to create a controlled environment which easily could be replicated in the subsequent FE-calculations of the conductive heat flow through the solid obstructions. Three different walls (10 cm concrete, 20 cm concrete and 1 mm steel), each with the three different boundary conditions for the rear surface (Exposed, Void and Insulated), were exposed to three different temperatures (100 °C, 500 °C and 1000 °C) for a total of 27 FDS simulations. The adiabatic surface temperature was measured in each simulation in FDS and used as input for the corresponding FE-calculations. The results showed no clear inconsistencies in the boundary conditions, given enough time for thermal penetration they affected the resulting temperatures as expected. Save a slight deviation in the steel walls exposed to 100 °C and 500 °C with boundary conditions Exposed and Void where FDS slightly underestimated the temperature relative to the FE-calculations. The gas temperatures in the grid cells closest to the wall were found to be unreliable as they tended to undergo substantial fluctuations, likely as a result of how FDS handles the discretization of non-solid space for the Navier-Stokes calculations. These fluctuations were however not found to affect the solid temperatures as the mean gas temperature was accurate. FDS was also found to have a tendency to slightly overestimate the surface temperature in the first few minutes of the simulations relative to the FE-calculations. Though the resulting temperatures from the two methods converged after a few minutes at most in all tests. These deviations were considered to have too minor an impact on the solid temperature to justify claims of inaccuracy in FDS. Thus, the general conclusion of this study is that FDS’ predictions of solid phase temperatures are sufficiently accurate within these delimitations.

Ballastfria spår har på senare tid börjat byggas i allt större utsträckning. En anledning till detta är höjda krav på järnvägstransporter. Ett ballastfritt spår är ofta utformat som en långsträckt betongplatta på mark som för ned lasten från rälerna till underbyggnaden. I nuläget saknar Sverige dimensioneringsprinciper för ballastfria spår. Principerna är redan etablerade i andra länder men behöver inordnas för svenska förhållanden. År 2012 gjorde regeringen bedömningen att en ny stambana för snabbtåg bör byggas. För detta ändamål har Trafikverket utarbetat en ny teknisk systemstandard för höghastighetsbanor. De traditionella ballasterade spåren är inte optimerade för höga hastigheter. Trafikverkets nya systemstandard förutsätter därför att stora delar av den nya stambanan utförs med ballastfritt spår. Syftet med detta examensarbete är att studera dimensionering med hänsyn till det statiska beteendet hos ballastfria spår och skapa en grundläggande förståelse för spårreaktioner. Med hjälp av handberäkningar och datorstödda metoder undersöks elementärfall av belastningar samt sambandet mellan plattans erforderliga böjstyvhet och underbyggnadens styvhet. Handberäkningsmodeller som antas i detta arbete är bland annat Winklerbäddmodellen och diverse vedertagna tvärsnittsmodeller. De datorstödda metoderna som används är FEM-programmet BRIGADE/Plus och BEM-programmet BE-platte. I BRIGADE/Plus används en tvådimensionell modell där marken modelleras som ett elastiskt underlag. I BE-platte används en tredimensionell modell med en markmodell enligt Winklerbäddmodellen. Resultaten från de olika metoderna kontrolleras mot varandra för att verifiera erhållna resultat. Sambandet mellan elasticitetsmodul i plattornas underlag, plattjocklek och lastreaktioner åskådliggörs i diagram samt tvärkraftstabell i kapitel 4. Beräkningsmodellernas beteende diskuteras och jämförs i kapitel 5. / Recently slab tracks have been built more frequently, among other things due to an increasing demand on rail transport. A slab track is often designed as a continuous concrete slab on grade that carries down the load from the rails to the substructure. At present, Sweden lacks design principles for slab tracks. Principles are established in other countries but must be adapted to Swedish conditions. In 2012 the Swedish government made the assessment that a new mainline for high-speed trains should be built. For this purpose, the Swedish Transport Administration prepared a new technical standard for high-speed tracks. Traditional ballasted tracks are not optimized for high speed trains and therefore the new standard requires large parts of the new mainline to be built with slab track. The aim of this thesis is to study the design of slab tracks with respect to their static behavior and create a fundamental understanding of force reactions acting on them. For elementary load cases the relation between required slab bending stiffness and the stiffness of the substructure will be investigated using hand calculations and computer-assisted methods. Models for hand calculation adopted in this work include the Winkler-bed model and various conventional cross-sectional models. The computer-assisted methods used are FEM software BRIGADE/Plus and BEM software BE-Platte. In BRIGADE/Plus the models are two-dimensional and the soil is modeled as an elastic base. In BE-Platte the models are three-dimensional and the soil is modeled according to Winkler-bed model. The results of the various methods are cross-checked against each other to verify the results obtained. The relationship between the modulus of elasticity of the subsoil, plate thickness and load reactions is illustrated in charts and a shear force table in Chapter 4. The behavior of the calculation models is discussed and compared in Chapter 5.

Lower leg injury is an important issue in frontal car crash. Although safety in cars has been improved by developments such as seat belts and airbags, lower leg injuries have not been reduced. These injuries are not life threatening but can result in long term disability and cost a lot to society. This study focused on the passenger occupant in offset frontal crashes and aimed at understanding and finding ways to reduce the injury criteria for the lower leg: tibia index. A finite element model was simplified to introduce parameters which influence on tibia index was investigated with a multivariate analysis. The model simplification consisted in removing irrelevant parts and replacing other parts by simple foam blocks. More than 1300 simulations were run with different parameter values. The results were then analysed by calculating correlations and effects of the parameters on tibia index. It was concluded that the presence of a knee bolster decreased tibia index. The results also showed a decrease of tibia index when the toe pan was angled towards the legs of the passenger. Moreover, a correlation between tibia index and the movement of the feet during the crash was found. It was concluded that restrained lower legs also presented decreased tibia indices compared to unrestrained ones. Most of the results proved to be also valid on the initial, unsimplified finite element model. / Underbensskador är ofta förekommande vid frontalkrock. Även om fordonssäkerheten har förbättrats i och med utveckling av bland annat säkerhetsbälte och krockkudde, har antalet underbensskador inte minskat. Denna typ av skada är inte livshotande men kan resultera i långvariga besvär och kan leda till stora kostnader för samhället. Detta examensarbete fokuserar på passageraren vid frontalkrock (offset) och syftet var att skapa förståelse kring skadekriteriet för underben: tibia index, samt hitta lösningar på hur tibia index kan minskas. En finit elementmodell förenklades och parametrar introducerades. Parametrarnas påverkan på tibia index undersöktes med en multivariat analys. Modellen förenklades genom att eliminera några delar och ersätta andra delar med enkla block. Simuleringar med olika värden på parametrarna skapades och ungefär 1300 kördes. Värdena från simuleringarna analyserades genom att beräkna korrelation och effekt på tibia index. Resultaten visade att implementering av ett slags mjukt knäskydd påverkar tibia index positivt. De visade också att tibia index förbättrades när den främre delen av golvet vinklades mot passagerarens ben. Vidare, fanns en korrelation mellan tibia index och fötternas förflyttning under krockförloppet. Slutsatsen var att kontrollerade underben förbättrar tibia index i jämförelse med okontrollerade ben. De flesta resultaten stämde även för den ursprungliga modellen.