Kalmar Cargotec is a company offering solutions for container and heavy industrial material handling. One of their products, EC-truck (empty container), lifts objects as heavy as 11 tonnes and sometimes as high as 16 meters vertically up in the air. Lifting very heavy objects high up in the air can cause the pulse to rise if unwanted movement is caused due to strong winds. This thesis was raised by Kalmar Cargotec, to study if the swinging effect of the elevated load could be reduced by increasing the torsional resistance of the truck chassis framework. The project work will be conducted at the engineering consultancy firm Citec AB in Karlstad, whom together with Kalmar Cargotec, offered the opportunity for this thesis. Concepts were generated for the chassis framework to find a new and improved design. The conceptual designs were compared both numerically, through the finite element analysis based program Mechanical, and analytically. The three best performing concepts were studied further with more variables accounted for where one was picked to be implemented in a large scale computational model. It was discovered that it is possible to reduce the swinging effect of the mast by replacing the current U-profiled beams in the chassis framework with hollow rectangular cross-sectional beams. / Kalmar Cargotec är ett företag som erbjuder lösningar till kontainer- och materialhantering i tungviktsindustrin. En av deras produkter, EC-trucken (empty container), lyfter föremål så tunga som 11 ton och ibland s˚a högt som 16 meter vertikalt upp i luften. Att lyfta så tunga föremål, så högt upp i luften kan väcka oro ifall föremålet börjar förflytta sig på grund av starka vindar. Den här masteruppsatsen presenterades av Kalmar Cargotec för att studera om svängningseffekten av det upphöjda föremålet kan reduceras genom att öka vridmotståndet i truckens chassi-ramverket. Projektet kommer att utföras på ingenjörsinriktade konsultfirman Citec AB i Karlstad, som genom Kalmar Cargotec, erbjöd möligheten för att utföra detta examensarbete. Koncept genererades på chassi-ramverket med syfte att hitta nya och förbättrade lösningar. De konceptuella utformningarna jämfördes både numeriskt, genom det finita element-baserade programmet Mechanical, och analytiskt. De tre koncept som presterade bäst valdes för vidare studier med fler variabler inräknade, där en till slut valdes för att implementeras i en större beräkningsmodell. Det visade sig vara möjligt att reducera den svängande effekten av stativet med lasten genom att byta ut de befintliga U-profil balkarna i chassi-ramverket mot balkar med rektangulärt ihåliga tvärsnitt.

Les propriétés des polymères sont intéressantes pour des applications pneumatiques, de verres organiques, de joints, … Leurs propriétés mécaniques sont néanmoins mal comprises. Dans ce manuscrit, le comportement mécanique du PMMA et du CR39 est étudié en fonction du temps.Il en résulte des courbes maîtresses à partir d’expérience de relaxation de contrainte et de fluage d’indentation. D'autre part, le comportement mécanique au contact est analysé sur des expériences de fluage et recouvrance d’indentation et de rayures analysées pour la première fois dans cette thèse. Finalement, des lois de comportements sont construites, leurs précisions sont comparées grâce à des calculs par éléments finis aux expériences en contact. / Polymer's low weight, deformability and easy manufacturing make them attractive materials for tire, organic glasses, sealing applications … Their mechanical properties are nonetheless poorly understood. In particular, two fields are searched over this thesis: time dependency and contact behavior for two transparent polymer: PMMA and CR39. The mechanical behavior time dependency is observed by the construction of stress relaxation and contact master curves. The mechanical contact behavior is analyzed by indentation creep and recovery experiments. Moreover the immediate scratch recovery is measured in the thesis. Finally, the uniaxial data is used to build constitutive laws, which accuracy is compared by Finite Element Modeling to contact tests.

La fabrication additive (FA) est devenue une nouvelle alternative pour la fabrication des pièces dans l'industrie. Cependant, il existe encore des limites pour ce procédé, en particulier la forme finale défavorable et les propriétés macroscopiques indésirables des pièces métalliques construites dans les systèmes de FA. La distorsion ou la fissure due à la contrainte résiduelle de ces pièces pose généralement de graves problèmes pour certains types de technologie de la FA métallique. Dans un système de FA, la qualité finale d'une pièce métallique dépend de nombreux paramètres de procédé, qui sont normalement optimisés par une série d'expériences sur des machines de FA. La simulation macroscopique dédiée au procédé de FA est une alternative potentielle pour les pièces métalliques fabriquées par la fabrication additive. Dans cette thèse, nous étudions d'abord le pré-processing de la simulation de FA par la méthode des éléments finis (FEM). Le procédé de fabrication additive est un phénomène multi-physique des champs couplés (champs thermique, mécanique et métallurgique). La simulation macroscopique est réalisée à deux niveaux différents. Au niveau de la couche, la reconstruction du modèle 3D est effectuée à partir du fichier de chemin de balayage de la machine de FA, basée sur la manipulation inverse de l'algorithme d'offsetting-clipping. Au niveau de la pièce, le modèle 3D de CAO est reconstruit dans un maillage des voxels, ce qui est pratique pour une pièce avec une géométrie complexe. Avec les températures de préchauffage différentes et les paramètres du procédé différents, la contrainte résiduelle d'une pièce est analysée. Ces simulations impliquent la technique potentielle pour réduire la contrainte résiduelle par l'optimisation des paramètres du procédé, au lieu de moyens traditionnels par augmenter la température de préchauffage. Basées sur la plateforme de simulation de FEM ci-dessus, deux simulations au niveau de ligne sont également étudiées dans cette thèse, visant à la relation entre le procédé de FA et la qualité finale de la pièce. Ces exemples démontrent la possibilité d'utiliser des simulations macroscopiques pour améliorer le contrôle de la qualité pendant le procédé de FA. Dans la première tâche, l'ensemble de données des paramètres de chauffage et la contrainte résiduelle sont générés par la simulation de FA. La corrélation entre eux est étudiée en utilisant des algorithmes de régression, tel que le réseau neuronal artificiel. Dans la deuxième tâche, un contrôleur de PID pour la boucle de rétroaction puissance-température est intégré dans la simulation de procédé de FA et l'auto-réglage de PID est numériquement étudié au lieu d'utiliser la machine de FA. Les deux tâches montrent le rôle important de la simulation de procédé macroscopique de FA, qui peut remplacer ou combiner les nombreuses expériences essai-erreur dans la fabrication additive métallique. / Additive manufacturing (AM) has become a new option for the fabrication of metallic parts in industry. However, there are still some limitations for this application, especially the unfavourable final shape and undesired macroscopic properties of metallic parts built in AM systems. The distortion or crack due to the residual stress of these parts leads usually to severe problems for some kinds of metal AM technology. In an AM system, the final quality of a metallic part depends on many process parameters, which are normally optimized by a series of experiments on AM machines. In order to reduce the considerable time consumption and financial expense of AM experiments, the numerical simulation dedicated to AM process is a prospective alternative for metallic part fabricated by additive manufacturing. Because of the multi-scale character in AM process and the complex geometrical structures of parts, most of the academic researches in AM simulation concentrated on the microscopic melting pool. Consequently, the macroscopic simulation for the AM process of a metallic part becomes a current focus in this domain. In this thesis, we first study the pre-processing of AM simulation on Finite Element Method (FEM). The process of additive manufacturing is a multi-physics problem of coupled fields (thermal, mechanical, and metallurgical fields). The macroscopic simulation is conducted in two different levels with some special pre-processing work. For the layer level, the reconstruction of 3D model is conducted from the scan path file of AM machine, based on the inverse manipulation of offsetting-clipping algorithm. For the part level, the 3D model from CAD is reconstructed into a voxel-based mesh, which is convenient for a part with complex geometry. The residual stress of a part is analysed under different preheat temperatures and different process parameters. These simulations imply the potential technique of reducing residual stress by the optimisation of process parameters, instead of the traditional way by increasing preheat temperature. Based on the FEM simulation platform above, two simulations at line level are also studied in this thesis, aiming at the relation between the AM process and part's final quality. These examples demonstrate the feasibility of using macroscopic simulations to improve the quality control during the AM process. In the first task, dataset of heating parameters and residual stress are generated by AM simulation. The correlation between them is studied by using some regression algorithm, such as artificial neural network. In the second task, a PID controller for power-temperature feedback loop is integrated into AM process simulation and the PID auto-tuning is numerically investigated instead of using AM machine. Both of the two tasks show the important role of AM macroscopic process simulation, which may replace or combine with the numerous trial and error of experiments in metal additive manufacturing.

In this thesis a theory for large deformation of plates is presented. Herein aspects of the common 3D-theory for large deformation with the Kirchhoff hypothesis for reducing the dimension from 3D to 2D is combined. Even though the Kirchhoff assumption was developed for small strain and linear material laws, the deformation of thin plates made of isotropic non-linear material was investigated in a numerical experiment. Finally a heavily deformed shell without any change in thickness arises. This way of modeling leads to a two-dimensional strain tensor essentially depending on the first two fundamental forms of the deformed mid surface. Minimizing the resulting deformation energy one ends up with a nonlinear equation system defining the unknown displacement vector U. The aim of this thesis was to apply the incremental Newton technique with a conformal, C^1-continuous finite element discretization. For this the computation of the second derivative of the energy functional is the key difficulty and the most time consuming part of the algorithm. The practicability and fast convergence are demonstrated by different numerical experiments.:1 Introduction 2 The deformation problem in the three-dimensional space 2.1 General differential geometry of deformation in the three-dimensional space 2.2 Equilibrium of forces 2.3 Material laws 2.4 The weak formulation 3 Newton’s method 3.1 The modified Newton algorithm 3.2 Second linearization of the energy functional 4 Differential geometry of shells 4.1 The initial mid surface 4.2 The initial shell 4.3 The plate as an exception of a shell 4.4 Kirchhoff assumption and the deformed shell 4.4.1 Differential geometry of the deformed shell 4.4.2 The Lagrangian strain tensor of the deformed plate 5 Shell energy and boundary conditions 5.1 The resulting Kirchhoff deformation energy 5.2 Boundary conditions 5.3 The resulting weak formulation 6 Newton’s method and implementation 6.1 Newton algorithm 6.2 Finite Element Method (FEM) 6.2.1 Bogner-Fox-Schmidt (BFS) elements 6.2.2 Hsiegh-Clough-Tocher (HCT) elements 6.3 Efficient solution of the linear systems of equation 6.4 Implementation 6.5 Newton’s method and mesh refinement 7 Numerical examples 7.1 Plate deflection 7.1.1 Approximation with FEM using BFS-elements 7.1.2 Approximation with FEM using reduced HCT-elements 7.2 Bending-dominated deformation 7.2.1 Approximation with FEM using BFS-elements 7.2.1.1 1st example: Cylinder 7.2.1.2 2nd example: Cylinder with further rotated edge normals 7.2.1.3 3rd example: Möbiusstrip 7.2.1.4 4th example: Plate with twisted edge 7.2.2 Approximation with FEM using reduced HCT-elements 7.2.2.1 1st example: Partly divided annular octagonal plate 7.2.2.2 2nd example: Divided annulus with rotated edge normals 8 Outlook and open questions Bibliography Notation Theses List of Figures List of Tables

Der Vortrag beschreibt numerische Singularitäten bei der h- und p-FEM, wie sie erkannt werden und welche Lösungen möglich sind bzw. was nicht vermieden werden kann.

Let us consider the singularly perturbed model problem Lu := -epsilon laplace u-bu_x+cu = f with homogeneous Dirichlet boundary conditions on the unit-square (0,1)^2. Assuming that b > 0 is of order one, the small perturbation parameter 0 < epsilon << 1 causes boundary layers in the solution. In order to solve above problem numerically, it is beneficial to resolve these layers. On properly layer-adapted meshes we can apply finite element methods and observe convergence. We will consider standard Galerkin and stabilised FEM applied to above problem. Therein the polynomial order p will be usually greater then two, i.e. we will consider higher-order methods. Most of the analysis presented here is done in the standard energy norm. Nevertheless, the question arises: Is this the right norm for this kind of problem, especially if characteristic layers occur? We will address this question by looking into a balanced norm. Finally, a-posteriori error analysis is an important tool to construct adapted meshes iteratively by solving discrete problems, estimating the error and adjusting the mesh accordingly. We will present estimates on the Green’s function associated with L, that can be used to derive pointwise error estimators.

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents.:1 Introduction 1.1 General 1.2 Lumpy soils as landfills 1.3 Clay mixtures as landfills 1.4 Objectives of this work 1.4.1 Lumpy granular structure 1.4.2 Lumpy composite structure 1.4.3 Clay mixtures 1.5 Structure of this study 2 Literature review 2.1 Fresh-lumpy soils 2.1.1 Structure of fresh-lumpy soils 2.1.2 Mechanical behaviour of fresh lumpy soils 2.2 Lumpy composite soils 2.2.1 Basic theory of inhomogeneous soils 2.2.2 Mechanical properties of stiff lumps with low stress level 2.2.3 Numerical and theoretical investigation 2.2.4 Consolidation behaviour of lumpy soils 3 Laboratory investigation of artificial lumpy materials 3.1 Introduction 3.2 Material properties and preparation of lumpy sample 3.3 Test procedures 3.3.1 Triaxial tests 3.3.2 Oedometer tests 3.4 Initial specific volume 3.5 Behaviour of the reconstituted soil 3.6 Behaviour of the lumpy material 3.6.1 Isotropic compression 3.6.2 Oedometer tests 3.6.3 Error analysis of the initial specific volume 3.6.4 Shear strength 3.6.5 Structure transition of lumpy material 3.7 Conclusions 4 Laboratory investigation of a natural lumpy soil 4.1 Introduction 4.2 Material properties and preparation of lumpy sample 4.3 Analysis of the test results 4.3.1 Reconstituted soil 4.3.2 Natural soil 4.3.3 Natural lumpy soil 4.3.4 Discussions on the shear strength of natural lumpy soil 4.4 Conclusions 5 Structure transition of lumpy materials 5.1 Introduction 5.2 Experimental investigation 5.2.1 Material properties and preparation of lumpy samples 5.2.2 Test results and data from literature 5.2.3 Structure transition of the lumpy material in oedometer test 5.2.4 Evolution of inter-lump voids of fresh lumpy soils 5.3 Interpretation of the structure transition of clayfills in the field 5.4 Conclusions 6 Two basic configurations for inhomogeneous soils 6.1 Introduction 6.2 Materials and sample preparation 6.3 Homogeneous soil 6.4 Inhomogeneous samples 6.5 Comparison between inhomogeneous and homogeneous samples 6.6 Numerical homogenization 6.7 Model application 6.8 Conclusions 7 Numerical simulation of lumpy composite soils 113 7.1 Introduction 7.2 Multiparticle generation and model calibration 7.2.1 Geometric model 7.2.2 Constitutive model for the constituents and its calibration 7.3 Numerical simulations 7.3.1 Stress distribution 7.4 A homogenization law for the stiffness of lumpy soils 7.4.1 One-dimensional model 7.4.2 General model 7.5 Homogenization law using the tangent stiffnesses under isotropic compression load 7.6 Conclusion 8 Compression behaviour of lumpy composite materials 8.1 Introduction 8.2 Experimental investigation 8.2.1 Material properties and preparation of lumpy sample 8.2.2 Test results 8.3 A compression model for lumpy soils 8.3.1 Volume divisions 8.3.2 Definitions of stresses and strains 8.3.3 Constitutive equations for the constituents 8.3.4 A homogenization law for the tangent stiffness of lumpy composite soil 8.3.5 Compression model for the lumpy composite soil 8.4 Application of the model to experimental data 8.4.1 Model parameters 8.4.2 Simulation of oedometric compression 8.4.3 Evaluation of model predictions 8.4.4 An improvement of the model 8.5 Conclusions 9 Consolidation behaviour of lumpy composite soils 9.1 Introduction 9.2 Basic components for the model 9.2.1 Volume groups of the lumpy soil 9.2.2 Stress and strain distributions for the lumpy soil 9.2.3 Permeability properties of the constituents 9.3 Derivation of the governing equations 9.3.1 Mass balance equations 9.3.2 Equilibrium differential equation 9.3.3 Simplification of the model 9.4 Finite element analysis 9.5 Model parameters and sensitivity analysis 9.6 Model evaluation 9.7 Conclusions 10 A double logarithmic Hvorslev surface 10.1 Introduction 10.2 Laboratory investigations 10.2.1 Material and test procedures 10.2.2 Test results and analysis 10.3 Double logarithmic Hvorslev surface 10.4 Full constitutive model 10.4.1 Elastic behaviour 10.4.2 The yield and plastic potential surfaces 10.4.3 Hardening parameter 10.5 Analysis of the model and its evaluation 10.5.1 Model parameters 10.5.2 Evaluation of the model 10.6 Conclusions 11 A simple model for natural lumpy composite soils 11.1 Introduction 11.2 Lumpy soil as a composite material 11.2.1 Volume fraction of reconstituted soil in lumpy composite soils 11.2.2 Definitions of stresses and strains 11.3 Constitutive equations for the constituents 11.3.1 Elastic behaviour 11.3.2 Hvorslev surface incorporating structure effect 11.3.3 Yield and Potential surfaces for natural lumps 11.3.4 Hardening rule and full constitutive model for natural lumps 11.3.5 Simplification of the model 11.4 Proposed model for lumpy composite soils 11.4.1 A homogenization law for lumpy composite soil 11.4.2 General model 11.5 Application of the model 11.5.1 Evaluation of nonlinear Hvorslev surface for natural stiff soils 11.5.2 Laboratory investigations of a natural lumpy soil 11.5.3 Model parameters 11.5.4 Model procedures 11.5.5 Model evaluations 11.6 Conclusions 12 Compression and undrained shear strength of remolded clay mixtures 12.1 Introduction 12.2 Materials and sample preparation 12.3 Compression behaviour of the mixed soil 12.4 Remolded shear strength of the clay mixtures 12.5 Conclusions 13 Undrained shear strength and water content distribution 13.1 Introduction 13.2 Structure of a clay mixture 13.3 Proposed model 13.3.1 Water content distribution 13.3.2 Undrained shear strength and liquid limit of a clay mixture 13.4 Model evaluation 14 Compression behaviour of remolded clay mixtures 14.1 Introduction 14.2 Initial water content distribution 14.3 Volume fractions and stress ratios of the constituents 14.4 Reference model for the constituents 14.4.1 A homogenization law for the tangent stiffness of the clay mixtures 14.4.2 Compression model for the clay mixtures 14.5 Validation of the proposed model 14.5.1 Model parameters 14.5.2 Simulation procedure 14.5.3 Evaluation of the model 14.6 Sensitivity analysis 14.7 Summary and conclusions 15 Summary and recommendations 15.1 Lumpy granular soils 15.2 Lumpy composite soils 15.3 Clay mixtures 15.4 Outlook and recommendations Bibliography Notations Appendices A Shear strength of the series specimens A.1 Considering the influence of the shear plane A.2 Considering the influence of nonuniform deformation B Compression curves of soil mixtures / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.:1 Introduction 1.1 General 1.2 Lumpy soils as landfills 1.3 Clay mixtures as landfills 1.4 Objectives of this work 1.4.1 Lumpy granular structure 1.4.2 Lumpy composite structure 1.4.3 Clay mixtures 1.5 Structure of this study 2 Literature review 2.1 Fresh-lumpy soils 2.1.1 Structure of fresh-lumpy soils 2.1.2 Mechanical behaviour of fresh lumpy soils 2.2 Lumpy composite soils 2.2.1 Basic theory of inhomogeneous soils 2.2.2 Mechanical properties of stiff lumps with low stress level 2.2.3 Numerical and theoretical investigation 2.2.4 Consolidation behaviour of lumpy soils 3 Laboratory investigation of artificial lumpy materials 3.1 Introduction 3.2 Material properties and preparation of lumpy sample 3.3 Test procedures 3.3.1 Triaxial tests 3.3.2 Oedometer tests 3.4 Initial specific volume 3.5 Behaviour of the reconstituted soil 3.6 Behaviour of the lumpy material 3.6.1 Isotropic compression 3.6.2 Oedometer tests 3.6.3 Error analysis of the initial specific volume 3.6.4 Shear strength 3.6.5 Structure transition of lumpy material 3.7 Conclusions 4 Laboratory investigation of a natural lumpy soil 4.1 Introduction 4.2 Material properties and preparation of lumpy sample 4.3 Analysis of the test results 4.3.1 Reconstituted soil 4.3.2 Natural soil 4.3.3 Natural lumpy soil 4.3.4 Discussions on the shear strength of natural lumpy soil 4.4 Conclusions 5 Structure transition of lumpy materials 5.1 Introduction 5.2 Experimental investigation 5.2.1 Material properties and preparation of lumpy samples 5.2.2 Test results and data from literature 5.2.3 Structure transition of the lumpy material in oedometer test 5.2.4 Evolution of inter-lump voids of fresh lumpy soils 5.3 Interpretation of the structure transition of clayfills in the field 5.4 Conclusions 6 Two basic configurations for inhomogeneous soils 6.1 Introduction 6.2 Materials and sample preparation 6.3 Homogeneous soil 6.4 Inhomogeneous samples 6.5 Comparison between inhomogeneous and homogeneous samples 6.6 Numerical homogenization 6.7 Model application 6.8 Conclusions 7 Numerical simulation of lumpy composite soils 113 7.1 Introduction 7.2 Multiparticle generation and model calibration 7.2.1 Geometric model 7.2.2 Constitutive model for the constituents and its calibration 7.3 Numerical simulations 7.3.1 Stress distribution 7.4 A homogenization law for the stiffness of lumpy soils 7.4.1 One-dimensional model 7.4.2 General model 7.5 Homogenization law using the tangent stiffnesses under isotropic compression load 7.6 Conclusion 8 Compression behaviour of lumpy composite materials 8.1 Introduction 8.2 Experimental investigation 8.2.1 Material properties and preparation of lumpy sample 8.2.2 Test results 8.3 A compression model for lumpy soils 8.3.1 Volume divisions 8.3.2 Definitions of stresses and strains 8.3.3 Constitutive equations for the constituents 8.3.4 A homogenization law for the tangent stiffness of lumpy composite soil 8.3.5 Compression model for the lumpy composite soil 8.4 Application of the model to experimental data 8.4.1 Model parameters 8.4.2 Simulation of oedometric compression 8.4.3 Evaluation of model predictions 8.4.4 An improvement of the model 8.5 Conclusions 9 Consolidation behaviour of lumpy composite soils 9.1 Introduction 9.2 Basic components for the model 9.2.1 Volume groups of the lumpy soil 9.2.2 Stress and strain distributions for the lumpy soil 9.2.3 Permeability properties of the constituents 9.3 Derivation of the governing equations 9.3.1 Mass balance equations 9.3.2 Equilibrium differential equation 9.3.3 Simplification of the model 9.4 Finite element analysis 9.5 Model parameters and sensitivity analysis 9.6 Model evaluation 9.7 Conclusions 10 A double logarithmic Hvorslev surface 10.1 Introduction 10.2 Laboratory investigations 10.2.1 Material and test procedures 10.2.2 Test results and analysis 10.3 Double logarithmic Hvorslev surface 10.4 Full constitutive model 10.4.1 Elastic behaviour 10.4.2 The yield and plastic potential surfaces 10.4.3 Hardening parameter 10.5 Analysis of the model and its evaluation 10.5.1 Model parameters 10.5.2 Evaluation of the model 10.6 Conclusions 11 A simple model for natural lumpy composite soils 11.1 Introduction 11.2 Lumpy soil as a composite material 11.2.1 Volume fraction of reconstituted soil in lumpy composite soils 11.2.2 Definitions of stresses and strains 11.3 Constitutive equations for the constituents 11.3.1 Elastic behaviour 11.3.2 Hvorslev surface incorporating structure effect 11.3.3 Yield and Potential surfaces for natural lumps 11.3.4 Hardening rule and full constitutive model for natural lumps 11.3.5 Simplification of the model 11.4 Proposed model for lumpy composite soils 11.4.1 A homogenization law for lumpy composite soil 11.4.2 General model 11.5 Application of the model 11.5.1 Evaluation of nonlinear Hvorslev surface for natural stiff soils 11.5.2 Laboratory investigations of a natural lumpy soil 11.5.3 Model parameters 11.5.4 Model procedures 11.5.5 Model evaluations 11.6 Conclusions 12 Compression and undrained shear strength of remolded clay mixtures 12.1 Introduction 12.2 Materials and sample preparation 12.3 Compression behaviour of the mixed soil 12.4 Remolded shear strength of the clay mixtures 12.5 Conclusions 13 Undrained shear strength and water content distribution 13.1 Introduction 13.2 Structure of a clay mixture 13.3 Proposed model 13.3.1 Water content distribution 13.3.2 Undrained shear strength and liquid limit of a clay mixture 13.4 Model evaluation 14 Compression behaviour of remolded clay mixtures 14.1 Introduction 14.2 Initial water content distribution 14.3 Volume fractions and stress ratios of the constituents 14.4 Reference model for the constituents 14.4.1 A homogenization law for the tangent stiffness of the clay mixtures 14.4.2 Compression model for the clay mixtures 14.5 Validation of the proposed model 14.5.1 Model parameters 14.5.2 Simulation procedure 14.5.3 Evaluation of the model 14.6 Sensitivity analysis 14.7 Summary and conclusions 15 Summary and recommendations 15.1 Lumpy granular soils 15.2 Lumpy composite soils 15.3 Clay mixtures 15.4 Outlook and recommendations Bibliography Notations Appendices A Shear strength of the series specimens A.1 Considering the influence of the shear plane A.2 Considering the influence of nonuniform deformation B Compression curves of soil mixtures

Basierend auf den physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen ölintrinsischen und injizierten Ladungsträger wird ein neues Leitfähigkeitsmodell für Isolieröl und -papier für die Belastung mit hoher Gleichspannung aufgestellt. Das Modell wird mit der Wahl geeigneter Randbedingungen für das elektrische Feld und der Teilchenströme auf die Poisson-Nernst-Planck-Gleichung übertragen. Es steht damit ein Werkzeug zur Verfügung, das dielektrische Verhalten der Öl-Papier-Isolierung zu modellieren, dessen Parameter auf den physikalischen Ladungsträgereigenschaften wie Mobilität und Diffusion basieren. Mit dessen Hilfe werden sowohl die nichtlineare Leitfähigkeit als auch das Durchschlagverhalten als deren Extrapolation feldstärkeabhängig erklärt.

In the present thesis the crack propagation in the ductile-brittle transition region is studied on two scales with deterministic models. In the macroscopic model the ductile failure is described by a non-local Gurson-model whereas the discrete void microstructure is resolved around the crack tip in the microscopic model. The failure by cleavage is not evaluated by means of a post-processing criterion but is modeled equivalently using a cohesive zone model on both scales. Thus, cleavage is not a priori identified with unstable crack propagation but the transition between stable and unstable mode of propagation is a result of the simulation. The problem of handling completely failed material within the framework of non-local damage models is pointed out. A method to overcome this problem is proposed and successfully applied. The case of contained plastic yielding at the crack tip is addressed with a modified-boundary layer model. The macroscopic simulations reproduce many features which are known from experiments like the formation of stretch zones, cleavage after initial ductile tearing, pop-ins with crack arrest, among others. The microscopic simulations substantiate the understanding of the macroscopically observed behavior. Systematic parameter studies are performed. Starting with considerations on the limit cases like pure ductile failure or the lower-ductile brittle transition region allows to separate the effects of the different constitutive parameters. Based on these results, a methodology is proposed to extract the macroscopic material parameters from experiments. This scheme is successfully applied to experimental data from literature. The results show that the behavior of a low-constraint specimen can be reliably predicted with the parameters extracted from a high-constraint specimen. / In der vorliegenden Arbeit wird die Rissausbreitung im spröd-duktilen Übergangsbereich auf zwei Skalen mittels deterministischer Modelle untersucht. Das duktile Versagen wird im makroskopischen Modell durch ein nichtlokales Gurson-Modell beschrieben, während im mikroskopischen Modell die Porenmikrostruktur im Bereich um die Rissspitze diskret aufgelöst wird. Das mögliche Versagen durch Spaltbruch wird nicht, wie üblich, nachträglich durch ein spannungsbasiertes Kriterium bewertet. Stattdessen wird der Spaltbruch auf beiden Skalen durch ein Kohäsivzonenmodell abgebildet. Somit wird die Spaltbruchinitiierung nicht a priori mit instabiler Rissausbreitung gleichgesetzt. Vielmehr ist die Stabilität der Rissausbreitung ein Ergebnis der Simulationen. Außerdem wird das Problem der der Handhabung vollständig ausgefallenen Materials im Rahmen nichtlokaler Schädigungsmodelle herausgestellt. Es wird eine Methode vorgestellt, dieses Problem zu behandeln und erfolgreich angewendet. In den Simulationen wird der Fall vollständig eingebetteten, plastischen Fließens untersucht. Die Simulationen mit dem makroskopischen Modell geben viele Effekte wieder, die aus Experimenten bekannt sind. Dazu zählen die Ausbildung von Stretchzonen, die Spaltbruchinitiierung nach anfänglichem, duktilem Reißen oder lokale Instabilitäten mit Rissarrest. Die mikroskopischen Simulationen tragen zum Verständnis des makroskopisch beobachteten Verhaltens bei. In der vorliegenden Arbeit werden systematische Parameterstudien durchgeführt. Zunächst werden Grenzfälle wie das rein duktile Versagens oder der Spaltbruch in Abwesenheit der Mikroporen untersucht, um die Einflüsse der einzelnen Materialparameter abzugrenzen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird eine Prozedur vorgeschlagen, die Materialparameter des makroskopischen Modells Schritt für Schritt aus Experimenten zu bestimmen. Diese Prozedur wird erfolgreich auf experimentelle Daten aus der Literatur angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass es das entwickelte Modell erlaubt, das Verhalten einer Bruchmechanikprobe mit geringer Dehnungsbehinderung an der Rissspitze mit denjenigen Materialparametern vorherzusagen, die an Proben mit einer hohen Dehnungsbehinderung ermittelt wurden.

In dieser Arbeit wurde das elektrochemische Korrosionsverhalten von zwei Nietverbindungen in Hybridbauweise untersucht. Auf der Grundlage von elektrochemischen Polarisationsversuchen der Nietkomponenten sowie durch Simulation mit der Methode der Finiten Elemente konnte das Korrosionsverhalten für den gefügten Zustand abgeleitet werden. Das Korrosionsverhalten für den gefügten Zustand wurde aus der grafischen Analyse der erhaltenen Stromdichte-Potential-Kurven abgeleitet. Zudem wurde in der Simulation ein kritischer Abstand für galvanisch induzierte Lochkorrosion auf der Aluminiumlegierung berechnet. Das grafisch abgeleitete sowie das berechnete Korrosionsverhalten wurden für beide Nietverbindungen im Experiment bestätigt. Weiterhin wurde ein systemspezifischer Werkstoffparameter mit einer neuentwickelten Analysemethode extrahiert und dessen Abhängigkeit von der Expositionszeit der Nietverbindungen in dem Klimawechseltest nach VDA 621-415 und dem VDA 621-414 Freibewitterungstest untersucht.