Stimuli-sensitive hydrogels are polymeric materials, which are able to reversibly swell in water in response to evironmental changes. Relevant stimuli include variations of pH, temperature, concentration of specific ions etc. Stacked layers composed of multiple thin hydrogels - also referred to as hydrogel-layer composites - combine the distinct sensing properties of different hydrogels. This approach enables the development of sophisticated micro uidic devices such as bisensitive valves or uid-sensitive de ectors. In order to numerically simulate the swelling of a polyelectrolyte hydrogel in response to an ion concentration change the multifield theory is adopted. The set of partial differential equations - including the description of the chemical, the electrical and the mechanical field - are solved using the Finite Element Method. Simulations are carried out on a twodimensional domain in order to capture interactions between the different fields. In the present work, the ion transport is governed by diffusive and migrative uxes. The distribution of ions in the gel and the solution bath result in an osmotic pressure difference, which is responsible for the mechanical deformation of the hydrogel-layer composite. The realized numerical investigation gives an insight into the evolution of the displacement field, the distribution of ions and the electric potential within the bulk material and the interface between gel and solution bath. The predicted behavior of the relevant field variables is in excellent agreement with results available in the literature.

Ionic hydrogels belong to the class of polyelectrolyte gels or ionic gels. Their ability to swell or shrink under different environmental conditions such as change of pH, ion concentration or temperature make them promising materials, e.g. for microsensoric or microactuatoric devices. The hydrogel swelling exhibits nonlinear effects due to the occurrence of different interacting transport phenomena. Numerical simulations are an essential part in the ongoing development of microsensors and microactuators. In order to determine transport effects due to diffusion, migration and convection a multiphase mesoscale model based on the Theory of Porous Media is applied. The governing field equations are solved in the transient regime by applying the Finite Element Method. By means of the derived numerical framework a detailed investigation of the different transport phenomena is carried out. Numerical experiments are performed to characterize the dominating transfer phenomena for ionic gels under chemical stimulation.

Drape simulation of textiles is a field of research, which is known in the clothing sector for a long time. The ongoing development of high-performance composites made of textile reinforcements and matrix materials focus the interests on a serial production in many industrial sectors, such as aviation and automotive industries. Challenges occur mainly in the serial production technologies and in supplying concepts for the preform architecture and shape. Research aims on the acceleration of preform manufacturing and the reduction of expensive pretests. Numerical simulation models can help to improve the composite development chain with structure and process simulation. A special challenge in drape modeling is the bending behavior of textiles. This study introduces a novel approach for modeling single textile layers as laminates to gain a correct mechanical behavior, where all deformation mechanisms are uncoupled. The implementation in the finite element software LS-DYNA® is described. An algorithm is introduced which provides the membrane stiffness for each layer of a laminate to fit the measured cantilever bending stiffness of textiles in every bending direction and bending side. The calculated parameters for the laminate formulation result in the requested bending stiffness for the textile layer. The cantilever bending stiffness can be used directly for dimensioning the model.

Um das Fließverhalten von Granulaten in dünnwandigen Metallsilos auch mikroskopisch detailliert beschreiben zu können, ist es wichtig, beide Kontaktpartner (Granulat und elastische Wand) detailliert abbilden zu können. Granulate können vereinfacht als Kugeln betrachtet werden, weswegen die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) hierfür geeignet ist. Die elastische Verformung der Metallwand kann mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Simulation zu entwickeln, welche für beide Kontaktpartner eine gemeinsame Simulationsumgebung schafft. Dabei sollen zu Beginn einfache Beispiele für den Kontakt von Granulat und Festkörperstrukturen erarbeitet werden, die verschiedene Lastfälle abdecken. Um die Simulationsergebnisse bewerten zu können, sollen die Beispiele so gewählt werden, dass die Simulationen analytisch oder numerisch validiert werden können.

Mit dem Ziel der Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung von sandigen Böden beschäftigt sich diese Arbeit mit aktuellen Methoden zur Bestimmung der Stoffparameter für das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen. Mit seiner Dissertation zu dem Thema „Hypoplastizität und Granulometrie einfacher Korngerüste“ etablierte HERLE (1997) eine bis heute weitestgehend übernommene Methode zur Ermittlung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells aus bodenmechanischen Standardversuchen. In den letzten Jahren wurden weitere Ansätze entwickelt, die auf den Überlegungen von HERLE beruhen [...]. Mit dem Minimalistic Experimental Programme von MAŠÍN (2019) und dem Online-Kalibrierungs-Tool ExCalibre des SOILMODELS-Projekts stehen allen Anwender*innen des Stoffgesetzes zwei Methoden einer solchen vereinfachten Vorgehensweise zur Verfügung. Zudem entspricht die Kalibrierung der Stoffparameter durch Anpassung der Simulationskurven an Messkurven in Element-Test-Simulationen dem Stand der Technik. Eine vergleichende Prüfung der genannten Methoden auf Grundlage der gleichen Versuchsdaten erfolgte bisher nicht. Die unterschiedlichen Parametrisierungsansätze werden in dieser Arbeit am gut dokumentierten und vielfach verwendeten Karlsruhe-Sand getestet. Es werden insgesamt acht Parametersätze ermittelt und dessen Simulationsergebnisse miteinander verglichen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Vorschlag einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells gemacht [...]. Über die Parametrisierung der zusätzlichen fünf Stoffparameter der Erweiterung der intergranularen Dehnungen wird ein aktueller Überblick erarbeitet, da die Durchführung der speziellen erforderlichen bodenmechanischen Laborversuche im Rahmen der Arbeit nicht möglich war.:1 EINFÜHRUNG 2 DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ FÜR NICHTBINDIGE BÖDEN 2.1 MECHANISCHES VERHALTEN VON NICHTBINDIGEN BÖDEN 2.2 HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZE 2.2.1 Allgemeine Formulierung des hypoplastischen Stoffgesetzes nach VON WOLFFERSDORFF 2.2.2 Small Strain Stiffness - Intergranulare Dehnungen nach NIEMUNIS UND HERLE 3 ZUR PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER MIT INTERGRANULAREN DEHNUNGEN 3.1 PARAMETERBESTIMMUNG ANHAND VON LABORVERSUCHEN 3.1.1 Versuche und Methoden zur Parametrisierung der Stoffparameter 3.1.2 Vorschlag eines Prüfprogramms zur Parametrisierung der hypoplastischen Stoffparameter 3.2 PARAMETERKALIBRIERUNG MIT EXCALIBRE 4 BESCHREIBUNG DES NICHTBINDIGEN BODENS UND LABORVERSUCHE 4.1 BESCHREIBUNG DES BODENMATERIALS 4.2 ERLÄUTERUNG DER ERFORDERLICHEN LABORVERSUCHE 4.2.1 Schüttkegelversuch 4.2.2 Ödometerversuch 4.2.3 Triaxialversuch 4.3 LABORVERSUCHE AM KARLSRUHE-SAND 4.3.1 Schüttkegelversuche 4.3.2 Ödometerversuche 4.3.3 Triaxialversuche 5 PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER 5.1 PARAMETRISIERUNG NACH HERLE 5.2 PARAMETRISIERUNG ANHAND VON ELEMENT-TEST-SIMULATIONEN 5.3 PARAMETRISIERUNG MIT EXCALIBRE 5.4 ZUSAMMENFASSUNG DER KALIBRIERTEN PARAMETERSÄTZE 6 VALIDIERUNG DER STOFFPARAMETER 6.1 REFERENZVERSUCHE ZUR VALIDIERUNG DER PARAMETERSÄTZE 6.2 SIMULATIONEN DER REFERENZVERSUCHE 6.3 AUSWERTUNG UND VERGLEICH DER SIMULATIONS- UND MESSKURVEN 6.4 ZUSAMMENFASSUNG DER VALIDIERUNGSERGEBNISSE 7 ENTWICKLUNG DER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG VON SANDIGEN BÖDEN FÜR DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ 7.1 BEURTEILUNG DER UNTERSUCHTEN PARAMETRISIERUNGSANSÄTZE 7.2 VORSCHLAG EINER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG 7.3 FEHLERQUELLEN UND WEITERE UNTERSUCHUNGEN ZUR VALIDIERUNG DES VORSCHLAGS 7.4 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS

We consider reduced Hsieh-Clough-Tocher basis functions with respect to a splitting into subtriangles at the barycenter of the original triangular element. This article gives a proof that the second derivatives of those functions, which in general may jump at the subtriangle boundaries, do not jump at the barycenter.:1 Introduction 2 Shape functions 3 Transformation of second derivatives 4 Second derivatives at the barycenter

Reduced Hsieh-Clough-Tocher elements are triangular C1-elements with only nine degrees of freedom. Simple formulas for the basis functions of reduced Hsieh-Clough-Tocher elements based on the edge vectors of the triangle have been given recently for a barycentric splitting. We generalise these formulas to the case of an arbitrary splitting point.:1 Introduction 2 Basic definitions 3 Mapping to the reference triangle 4 Construction of the rHCT shape functions

We consider reduced Hsieh-Clough-Tocher basis functions with respect to a splitting into subtriangles at an arbitrary interior point of the original triangular element. This article gives a proof that the second derivatives of those functions, which in general may jump at the subtriangle boundaries, do not jump at the splitting point.:1 Introduction 2 Shape functions 3 Transformation of second derivatives 4 Second derivatives at the splitting point

War bisher die Gestalt von Bauteilen und Baugruppen in Konstruktionen sehr stark durch ihre Fertigungsverfahren beeinflusst, so ändern sich diese Vorgaben durch die Verwendung von 3D- Druck auf beinahe revolutionäre Art und Weise. Und somit werden Ansätze salonfähig, die bisher doch eher selten in Anwendung waren, wie z.B. Gitterstrukturen oder Topologieoptimierung. Diese finden nun wieder häufiger ihren Weg in die Bauteil- und Baugruppenstrukturen. Die Verwendung birgt aber auch damit einhergehende Herausforderungen, da sich z.B. die Bauteilgrößen nach einer Topologieoptimierung drastisch vergrößern und z.B. auch die Glättung der Teile für den Druck, sowie die Rückführung in die CAD-Systeme, häufig noch eine ungelöste Aufgabe darstellen. Diese Ansätze müssen bezogen auf den PLM Gedanken, prozesstechnisch durchdacht und entsprechend implementiert werden. Der Vortrag beschäftigt sich mit der dafür notwendigen Prozesskette vom CAD-Model über die Simulationsverfahren wie Topologieoptimierung oder Gitterstrukturen, Glättung von Strukturen u.v.m. sowie deren Rückführung ins CAD/PLM.

Eine effiziente und effektive Technologieentwicklung und –optimierungen im Bereich der Umform- und Fertigungstechnik erfolgt heutzutage fast ausschließlich rechnergestützt auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM) oder der Finiten Differenzen Methode (FDM). Die aktuellen Umformsimulationssysteme sind in der Lage die notwendige Energie der Anlagen, den prozessbedingten Stofffluss des Umformgutes inkl. der resultierenden Temperaturen und die Spannungen des Halbzeuges bzw. Bauteiles als auch der Werkzeuge vorauszuberechnen. Allerdingssind bereits dafür die sehr sensitiven Materialdaten, wie z. B. temperatur- und umformgeschwindigkeitsabhängige Fließkurven, Wärmeleitfähigkeit usw., notwendig. Momentane Forschungsaktivitäten beschäftigen sich damit, den nächsten Schritt der FE-Simulation zu bewältigen, in dem die Gefügeentwicklung und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung etc.) numerisch ermittelt werden können. Auch dafür müssen sehr aufwendige und materialspezifische Materialdaten generiert und modelliert und abschließend in Simulationssysteme über Schnittstellen implementiert werden. Die Vorhersage zu Verschleiß und Versagen von Werkzeugen wird in Zukunft immer mehr in das Interesse von Anwendern von FE-Software rücken, um die kompletten Einflussgrößen der Prozesse abzubilden. Dieser Beitrag soll am Beispiel einer aushärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW 6.xxx) verdeutlichen, wie unterschiedlich das Materialverhalten in Abhängigkeit des Ausgangszustandes (stranggepresst, stranggegossen) und der Erwärmungsmodi (konvektiv, induktiv) sein kann und wie sich diese Variationen für ein und denselben Werkstoff auf die Berechnungsgenauigkeit ausgewählter Warmmassivumformprozesse (Reckwalzen, Gesenkschmieden) auswirkt.