Bezüglich eines hypothetischen Kernschmelzeszenarios in einem Leichtwasserreaktor ist es notwendig, mögliche Versagensformen des Reaktordruckbehälters sowie Versagenszeiträume zu untersuchen, um die Belastung für das Containment bestimmen zu können. Es wurden bereits eine Reihe von Experimenten durchgeführt, welche Erkenntnisse hierüber liefern sollen. Begleitend wurden in Einzelversuchen Materialeigenschaften ermittelt, sowie theoretische und numerische Arbeiten durchgeführt. Für die Simulation von Experimenten zum Versagen der Bodenkalotte, wie OLHF oder FOREVER, ist es notwendig, Kriechen und Plastizität zu berücksichtigen. Gleichzeitig müssen geeignete Modelle das Temperaturfeld in der Behälterwand für die mechanischen Rechnungen bereitstellen. Vom Institut für Sicherheitsforschung des FZR wird ein Finite-Elemente-Modell erstellt, das sowohl die Temperaturfeldberechnung für die Wand als auch die elasto-plastische Mechanik der Behälterwand modelliert. Die bisher durchgeführten Arbeiten werden in diesem Bericht kurz erläutert und mit Beispielen belegt. Am FZR wurde ein Finite-Elemente-Model entwickelt, das die Verwendung von einfachen Kriechgesetzen, die mit ihren angepassten Konstanten nur für begrenzte Spannungs- und Temperaturbereiche gültig sind, umgeht. Stattdessen wird eine numerische Kriechdatenbasis angelegt, in der die Kriechdehnrate in Abhängigkeit von der Gesamtdehnung, der Temperatur und der Vergleichsspannung abgelegt ist. Eine wesentliche Aufgabe für diese Vorgehensweise besteht in der Generierung und Validierung der Kriechdatenbasis. Zusätzlich wurden alle relevanten temperaturabhängigen Materialeigenschaften mit entsprechenden Modellen in den Code eingegeben. Für die Bestimmung der Versagenszeit wurde ein Schädigungsmodel nach einem Vorschlag von Lemaitre implementiert. Die Validierung des numerischen Models erfolgt durch die Simulation von und den Vergleich mit Experimenten. Dies geschieht in 3 Stufen: zunächst werden einzelne einachsige Kriechversuche nachgerechnet, was als 1D-Problem bezeichnet wird. In der nächsten Stufe werden sogenannte "Rohrversagensexperimente" simuliert: das RUPTHER-14 und das "MPA-Meppen"-Experiment. Diese Experimnete werden als 2D-Probleme betrachtet. Schließlich kann das Modell auf skalierte 3D-Versuche angewendet werden, in denen die Bodenkalotte eines Druckwasserreaktors mit ihrer halbkugelförmigen Geometrie wiedergegeben wird. Ein Beispiel hierfür sind die FOREVER-Experimente. In Zusammenarbeit mit den Experimentatoren an der KTH in Stockholm wurden Pre- und Posttest-Rechnungen für diese bisher einzigartigen Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse qualitativ und quantitativ sehr zufriedenstellend sind. Eine wichtige Frage im Rahmen dieser Arbeit ist die Vergleichbarkeit des französischen Reaktordruckbehälterstahls 16MND5 und des deutschen 20MnMoNi5-5, welche chemisch nahezu identisch sind. Da diese beiden Stähle ein ähnliches Verhalten zeigen, sollte es in gewissem Umfang zulässig sein, experimentelle und numerische Daten und Erkenntnisse zwischen beiden zu übertragen.

Bezüglich eines hypothetischen Kernschmelzeszenarios in einem Leichtwasserreaktor ist es notwendig, mögliche Versagensformen des Reaktordruckbehälters sowie Versagenszeiträume zu untersuchen, um die Belastung für das Containment bestimmen zu können. Es wurden bereits eine Reihe von Experimenten durchgeführt, welche Erkenntnisse hierüber liefern sollen. Begleitend wurden in Einzelversuchen Materialeigenschaften ermittelt, sowie theoretische und numerische Arbeiten durchgeführt. Für die Simulation von Experimenten zum Versagen der Bodenkalotte, wie OLHF oder FOREVER, ist es notwendig, Kriechen und Plastizität zu berücksichtigen. Gleichzeitig müssen geeignete Modelle das Temperaturfeld in der Behälterwand für die mechanischen Rechnungen bereitstellen. Vom Institut für Sicherheitsforschung des FZR wird ein Finite-Elemente-Modell erstellt, das sowohl die Temperaturfeldberechnung für die Wand als auch die elasto-plastische Mechanik der Behälterwand modelliert. Die bisher durchgeführten Arbeiten werden in diesem Bericht kurz erläutert und mit Beispielen belegt. Am FZR wurde ein Finite-Elemente-Model entwickelt, das die Verwendung von einfachen Kriechgesetzen, die mit ihren angepassten Konstanten nur für begrenzte Spannungs- und Temperaturbereiche gültig sind, umgeht. Stattdessen wird eine numerische Kriechdatenbasis angelegt, in der die Kriechdehnrate in Abhängigkeit von der Gesamtdehnung, der Temperatur und der Vergleichsspannung abgelegt ist. Eine wesentliche Aufgabe für diese Vorgehensweise besteht in der Generierung und Validierung der Kriechdatenbasis. Zusätzlich wurden alle relevanten temperaturabhängigen Materialeigenschaften mit entsprechenden Modellen in den Code eingegeben. Für die Bestimmung der Versagenszeit wurde ein Schädigungsmodel nach einem Vorschlag von Lemaitre implementiert. Die Validierung des numerischen Models erfolgt durch die Simulation von und den Vergleich mit Experimenten. Dies geschieht in 3 Stufen: zunächst werden einzelne einachsige Kriechversuche nachgerechnet, was als 1D-Problem bezeichnet wird. In der nächsten Stufe werden sogenannte "Rohrversagensexperimente" simuliert: das RUPTHER-14 und das "MPA-Meppen"-Experiment. Diese Experimnete werden als 2D-Probleme betrachtet. Schließlich kann das Modell auf skalierte 3D-Versuche angewendet werden, in denen die Bodenkalotte eines Druckwasserreaktors mit ihrer halbkugelförmigen Geometrie wiedergegeben wird. Ein Beispiel hierfür sind die FOREVER-Experimente. In Zusammenarbeit mit den Experimentatoren an der KTH in Stockholm wurden Pre- und Posttest-Rechnungen für diese bisher einzigartigen Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse qualitativ und quantitativ sehr zufriedenstellend sind. Eine wichtige Frage im Rahmen dieser Arbeit ist die Vergleichbarkeit des französischen Reaktordruckbehälterstahls 16MND5 und des deutschen 20MnMoNi5-5, welche chemisch nahezu identisch sind. Da diese beiden Stähle ein ähnliches Verhalten zeigen, sollte es in gewissem Umfang zulässig sein, experimentelle und numerische Daten und Erkenntnisse zwischen beiden zu übertragen.

Während heutzutage zuverlässige Simulationsmodelle zur Beschreibung der Verbundsteifigkeit kurzfaserverstärkter, thermoplastischer Kunststoffe existieren, bietet der Stand der Technik kein robustes Materialmodell zur Beschreibung der Verbunddämpfung. Zur Beschreibung der Verbunddämpfung werden einfache Ersatzmodelle genutzt, welche iterativ angepasst werden. Zur zuverlässigen Prognose vom Übertragungsverhalten des Körperschalls von Kunststoffkomponenten in der Simulation ist dies nicht ausreichend. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Prognose der Strukturdynamik von Kunststoffkomponenten im Motor-Getriebe-Verbund vorgestellt. Dabei wird das Arbitrary-Reconsidered-Double-Inclusion (ARDI) Modell zur Beschreibung der Verbunddämpfung dargestellt. Dieses basiert auf einer Homogenisierung aus den Dämpfungen der Matrix, Fasern und Interphasen als kristalliner Bereich zwischen Faser und Matrix. Die Interphasendämpfung wird im Abgleich zwischen Experimenten und Simulationen invers bestimmt. Unter der Berücksichtigung rekonstruierter Faserverteilungsfunktionen werden Materialdatenbanken bestehend aus Verbundsteifigkeiten und Verbunddämpfungen erzeugt. Die Berechnung der numerischen Faserorientierung erlaubt die richtungsabhängige Beschreibung der linearen Viskoelastizität in der strukturdynamischen Simulation. Anhand experimenteller und simulativer Untersuchungen von Proben und Komponenten wird in Abhängigkeit des Matrixwerkstoffes, Fasergehaltes, der Faserorientierung, Temperatur und Feuchtigkeit eine Verifizierung des entwickelten Materialmodells durchgeführt. Die Untersuchungen an Proben und Komponenten zeigen, dass das ARDI-Materialmodell im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Beschreibung der Verbunddämpfung kurzfaserverstärkter, teilkristalliner Thermoplaste gewährleistet. Dies ist in der Berücksichtigung der Dämpfung der Interphasen begründet. Dadurch wird die Prognosegüte der Amplituden der Übertragungsfunktionen von den strukturdynamischen Simulationen zuverlässig. Demgegenüber zeigt die Simulation der Strukturdynamik unter Anregung durch Betriebsschwingungen, dass ausschließlich der Einfluss der Verbunddämpfung der Kunststoffkomponente im Vergleich zur gesamten Dämpfung des Motor-Getriebe-Verbundes bewertbar ist.

Membranes act as smart structures in respect to their permeation abilities. Control of particle and fluid permeation through a synthetic membrane can be achieved by using different effects like size-exclusion or electromagnetic interactions that occur between the particles and membrane pores. The simulation of controlled permeability provides an insight into the smart behavior of membranes for chemical signal processing, sensing interfaces or lab-on-a-chip devices. In the current work, we model the underlying physical processes on a microfluidic level using the engineer’s approach of laminar flow through pipes. Different pore geometries inside a composite membrane system consisting of a polyethylene terephthalate support membrane and a poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel-layer are investigated. Simulations for different states of thermally induced pore opening are performed for free and blocked states. From the results we derive paradigms for the design of a membrane system for microfluidic cell-size profiling considering stimulus-range, pore shape and measurement setup.

Structural frames have been established in many technical applications and typically consist of interconnected profiles. The profiles are commonly joined with node elements. For lightweight structures, the use of composite node elements is expedient. Due to the anisotropic mechanical properties of the fibers, high demands are placed on the orientation of the fibers in the textile reinforcement structure. A continuous fiber course around the circumference and at the junctions is necessary for an excellent force transmission. A special binding and forming process was developed based on the weaving technology. It allows the production of near-net-shaped node elements with branches in any spatial direction, which meet the requirements of load-adjusted fiber orientation. The principles by which these three-dimensional (3D) node elements are converted into a suitable geometry for weaving as a net shape multilayer fabric are reported. The intersections of the branches are described mathematically and flattened to a plane. This is the basis for the weave pattern development. Forming simulations on the macro- and meso-scales complement the analyses. A macro-scale model based on the finite element method (FEM) is used to verify the general formability and the accuracy of the flattenings. Since yarns are pulled through the textile structure in the novel forming process, the required tensile forces and the pulling lengths of the individual yarns are analyzed with a meso-scale FEM model. The flattening for two different node structures is realized successfully, and the simulation proves formability. Furthermore, the necessary forming forces are determined. Finally, the developed method for flattening the 3D geometry is suitable for the design of a variety of spatial node structures and the simulation supports the design of automated forming processes.

Galvanic corrosion is a destructive process between dissimilar metals. The present paper presents a constructed numerical test case to simulate galvanic corrosion of two dissimilar metals. This test case is used to study the accuracy of different implementations to track the dissolving anode boundary. One technique is to numerically simulate a mesh displacement based on the prescribed displacement at the anode boundary. The second method is to adjust only the boundary elements. Re-meshing after a certain number of time steps is applied to both implementations. They produce similar results for an electrical and electrochemical field problem. This work shows that mesh smoothing does not result in higher accuracy when modeling a moving anode front. Adjusting only the boundary elements is sufficient when frequent re-meshing is used.

Histological slides are an important tool in the diagnosis of tumors as well as of other diseases that affect cell shapes and distributions. Until now, the research concerning an optimal staining time has been mainly done empirically. In experimental investigations, it is often not possible to stain an already-stained slide with another stain to receive further information. To overcome these challenges, in the present paper a continuum-based model was developed for conducting a virtual (re-)staining of a scanned histological slide. This model is capable of simulating the staining of cell nuclei with the dye hematoxylin (C.I. 75,290). The transport and binding of the dye are modeled (i) along with the resulting RGB intensities (ii). For (i), a coupled diffusion–reaction equation is used and for (ii) Beer–Lambert’s law. For the spatial discretization an approach based on the finite element method (FEM) is used and for the time discretization a finite difference method (FDM). For the validation of the proposed model, frozen sections from human liver biopsies stained with hemalum were used. The staining times were varied so that the development of the staining intensity could be observed over time. The results show that the model is capable of predicting the staining process. The model can therefore be used to perform a virtual (re-)staining of a histological sample. This allows a change of the staining parameters without the need of acquiring an additional sample. The virtual standardization of the staining is the first step towards universal cross-site comparability of histological slides.

Der Small-Punch-Test (SPT) ist eine vielversprechende minimalinvasive mechanische Prüfmethode, wenn nur sehr wenig Material für Proben zur Verfügung steht. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, aus Small-Punch-Kleinstproben wahre Materialparameter der elastisch-plastischen Verformung und des spröden Versagens zu bestimmen. Die Kraft-Verschiebungs-Kurve des Versuchs stellt die nichtlineare Materialantwort der inhomogen beanspruchten Probe dar. Das inverse Problem der Identifikation konstitutiver Materialparameter wird numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen in Verbindung mit einem Response-Surface-Modell und nichtlinearer Optimierungsverfahren gelöst, indem die Abweichung zwischen gemessener und simulierter Kurve minimiert wird. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Kühlapparatur wurden Versuche mit ferritischen Stählen von Raumtemperatur bis hinunter zu -191°C durchgeführt und die temperaturabhängigen Fließkurven identifiziert. Bei tiefen Temperaturen wurden die Weibull-Parameter der zufällig streuenden Sprödbruchfestigkeit bestimmt und die Bruchzähigkeitsverteilung durch Simulation einer CT-Probe vorhergesagt. Für eine Aluminiumoxidkeramik wurden ebenfalls die Weibull-Parameter bestimmt sowie mit Indenterrissen versehene Proben zur Abschätzung der Bruchzähigkeit verwendet. / The small punch test (SPT) is a promising minimally invasive material testing method, especially in cases where only small amounts of material are available. This thesis is aimed at identifying true material parameters of elastic-plastic deformation and brittle fracture. The load-displacement curve of the test represents the non-linear material response of the nonuniformly stressed specimen. The identification of material parameters of constitutive laws is an inverse problem, which is solved numerically. Finite element simulations together with a response surface model and nonlinear optimization techniques are applied to minimize the error between measured and simulated curves. A specially developed cooling apparatus was used to perform tests with ferritic steels from room temperature down to -191°C. The temperature dependent yield stresses and hardening curves were identified. At low temperatures the Weibull parameters of randomly distributed cleavage fracture strength were estimated. The fracture toughness distribution was then predicted by the help of a finite element simulation of a CT specimen. Furthermore the Weibull parameters of an alumina ceramic were determined and its fracture toughness was predicted using specimens prepared with indentation cracks.

Die mikromechanische Gleichspannungswandlung basierend auf verschiebungsabhängigen Kapazitäten stellt eine Alternative zu etablierten rein elektronischen Wandlern für den Spezialfall der kapazitiven oder piezoelektrischen Verbraucher dar. Durch ihre kleine Bauform und den Verzicht auf Induktivitäten bietet sie den Vorteil der On-Chip-MEMS- und CMOS-Integration und ermöglicht die Bereitstellung hoher elektrischer Gleichspannungen aus den verfügbaren Grundspannungen der Elektronik (z. B. 3, 5 bzw. 12 V). Von hohen Polarisationsspannungen profitieren nicht nur kapazitive Sensoren und Aktoren, sondern auch piezoelektrische Messverfahren. Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Übersicht und Bewertung der möglichen Bauformen mikromechanischer Gleichspannungswandler sowie die konkrete Umsetzung, Charakterisierung und Modellbildung eines resonant arbeitenden Wandlers vor. Es wird auf Besonderheiten und Probleme im Entwurf eingegangen und ausgehend von den Ergebnissen ein Konzeptentwurf für einen optimierten resonanten Gleichspannungswandler erarbeitet.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick / Micromechanical DC/DC conversion based on variable capacitances is an alternative to established electronic voltage converters, which does not require bulky inductors and is suitable for capacitive and piezoelectric loads. The converters are capable of boosting up the polarization voltage from CMOS and electronic levels (3, 5, 12 V), which is beneficial not only for capacitive sensors and actuators but also for piezoelectric sensing. Advantages of this method are the on-chip- and CMOS-integrability. This thesis introduces a comprehensive overview and evaluation of possible designs as well as the practical application, characterization and modeling of a resonant micromechanical DC/DC converter. Innovative claims include a test board for the characterization of resonant DC/DC converters and a SPICE behavioral model of the device, considering parasitic effects. Characteristics and problems of the design are discussed and the results are used to demonstrate an optimized conceptual design of a resonant DC/DC converter.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick

Der Small-Punch-Test (SPT) ist eine vielversprechende minimalinvasive mechanische Prüfmethode, wenn nur sehr wenig Material für Proben zur Verfügung steht. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, aus Small-Punch-Kleinstproben wahre Materialparameter der elastisch-plastischen Verformung und des spröden Versagens zu bestimmen. Die Kraft-Verschiebungs-Kurve des Versuchs stellt die nichtlineare Materialantwort der inhomogen beanspruchten Probe dar. Das inverse Problem der Identifikation konstitutiver Materialparameter wird numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen in Verbindung mit einem Response-Surface-Modell und nichtlinearer Optimierungsverfahren gelöst, indem die Abweichung zwischen gemessener und simulierter Kurve minimiert wird. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Kühlapparatur wurden Versuche mit ferritischen Stählen von Raumtemperatur bis hinunter zu -191°C durchgeführt und die temperaturabhängigen Fließkurven identifiziert. Bei tiefen Temperaturen wurden die Weibull-Parameter der zufällig streuenden Sprödbruchfestigkeit bestimmt und die Bruchzähigkeitsverteilung durch Simulation einer CT-Probe vorhergesagt. Für eine Aluminiumoxidkeramik wurden ebenfalls die Weibull-Parameter bestimmt sowie mit Indenterrissen versehene Proben zur Abschätzung der Bruchzähigkeit verwendet. / The small punch test (SPT) is a promising minimally invasive material testing method, especially in cases where only small amounts of material are available. This thesis is aimed at identifying true material parameters of elastic-plastic deformation and brittle fracture. The load-displacement curve of the test represents the non-linear material response of the nonuniformly stressed specimen. The identification of material parameters of constitutive laws is an inverse problem, which is solved numerically. Finite element simulations together with a response surface model and nonlinear optimization techniques are applied to minimize the error between measured and simulated curves. A specially developed cooling apparatus was used to perform tests with ferritic steels from room temperature down to -191°C. The temperature dependent yield stresses and hardening curves were identified. At low temperatures the Weibull parameters of randomly distributed cleavage fracture strength were estimated. The fracture toughness distribution was then predicted by the help of a finite element simulation of a CT specimen. Furthermore the Weibull parameters of an alumina ceramic were determined and its fracture toughness was predicted using specimens prepared with indentation cracks.