Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

No description available.

No description available.

<p dir="ltr">To decrease the use of fossil fuels that generate greenhouse gases, there has been a push to find alternative processes for electricity generation. An attractive renewable alternative is to use solar-thermal energy for grid level electricity production. One method used to generate electricity from the conversion of solar-thermal energy is concentrated solar power (CSP) via the power tower paradigm, which involves an array of mirrors that concentrate sunlight to a spot on a tower. The light heats up a heat transfer fluid which later transfers the thermal energy to a working fluid that expands so as to spin a turbine to generate electricity. Current CSP plants have a peak operation temperature of 550℃, but improvements to the heat exchanger are integral to increasing the peak operation temperature of such plants to a 750℃ target. Ceramic/metal composites (cermets) have been proposed for use as heat exchangers in these CSP plants due to the creep resistance of the ceramic component and toughness of the metal component. One potential material that has an attractive combination of properties for this application is the alumina/chromium (Al2O3/Cr) cermet, given the rigidity and creep resistance of the Al2O3 component and the high-temperature toughness of the Cr phase. Compared to other oxidation-resistant oxide/metal cermets, the Al2O3 and Cr components of this cermet have a relatively close average linear thermal expansion match from 25℃ to 750℃, which is advantageous due to the thermal gradients and thermal cycling of the heat exchanger during operation.</p><p dir="ltr">In this dissertation, the Al2O3/Cr cermet was produced via reaction forming (RF) or reactive melt infiltration (RMI). The RF method involves the reaction of Cr2O3 and Al constituent powder mixtures at high temperature and modest pressures to obtain dense Al2O3/Cr plates. The RMI method involves immersing a shaped porous Cr2O3 preform into an Al or Al-Cr alloy bath to infiltrate and react to form Al2O3/Al-Cr plates. For both methods, the plate microstructure was analyzed for the various reaction conditions. The adiabatic temperature increase for the reaction between Cr2O3 and Al liquid or Al-Cr liquid alloys was calculated. Thermal properties (linear coefficient of thermal expansion, heat capacity, thermal diffusivity, thermal conductivity) and mechanical properties for the RF Al2O3/Cr plates were also measured. Lastly, the reaction kinetics between dense, polycrystalline Cr2O3 and a liquid Al-35at% Cr alloy were experimentally determined at various temperatures and compared to models based on different rate-limiting steps.</p>

No description available.

No description available.

No description available.

Dynamic testing provides valuable insight into the behavior of materials undergoing fast deformation. During Split-Hopkinson Pressure Bar testing, stress waves are measured using strain gauges as voltage variations that are usually very small. Therefore, an amplifier is required to amplify the data and analyze it. One of the few available amplifiers designed for this purpose is provided by Vishay Micro-Measurements which limits the user’s options when it comes to research or industry. Among the challenges of implementing the Hopkinson technology in the industry are the size and cost of the amplifier. In this work, we propose a novel design of a signal conditioning amplifier that provides the following functionalities: voltage excitation for strain gauges, wide gain range (1-1000), signal balancing, shunting, and filtering. The main objective is to make a smaller and cheaper amplifier that provides equivalent or better performance allowing larger application of the Hopkinson technology in the industry.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η κατασκευή, η πειραματική και θεωρητική μελέτη πολυμερικών μίκρο- και νάνο- συνθέτων υλικών. Μελετήθηκε η επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά τους φθοροποιών παραγόντων όπως η απορρόφηση υγρασίας και κατασκευαστικών παραμέτρων όπως η γεωμετρία και η μέθοδος διασποράς της ενίσχυσης. Επίσης, έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με την πρόβλεψη των αναλυτικών μοντέλων MPM όσον αφορά το μέτρο Ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση και RPM όσον αφορά την εναπομένουσα θραυστομηχανικής συμπεριφοράς μετά από υγροθερμική γήρανση. Τέλος, έγινε μικρομηχανική μοντελοποίηση της ελαστικής και βισκοελαστικής διεπιφανειακής συμπεριφοράς με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης νανοσυνθέτων σε συστήματα νανοσωλήνων άνθρακα-εποξειδικής ρητίνης και νανοσωλήνων TiO2-οστεοκυττάρων. Στο πρώτο μέρος έγινε πειραματική μελέτη πολυμερικών μίκρο-συνθέτων υλικών. Για τη μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας της ενίσχυσης στη μηχανική και θραυστομηχανική συμπεριφορά κατασκευάστηκαν σύνθετα εποξικής μήτρας ενισχυμένα με μίκρο-σωματίδια γυαλιού ινώδους, σφαιρικής και γεωμετρίας φυσαλίδας και πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων και compact tension αντίστοιχα. Για τους τρεις παραπάνω τύπους ενίσχυσης προκύπτει ότι τα σύνθετα ενισχυμένα με μικροσφαιρίδια γυαλιού υπερτερούν από πλευράς καμπτικής δυσκαμψίας και μηχανικής αντοχής. Ο λόγος είναι η δυνατότητα να παραλαμβάνουν τόσο εφελκυστικά όσο και θλιπτικά φορτία σε αντίθεση με τις ίνες και τις φυσαλίδες. Από άποψη στερρότητας, ΚIC υπερτερούν τα σύνθετα με μικροϊνίδια λόγω της αντίστασης στη διάδοση ρωγμών μέσω της εξόλκυσης τους και της γεφύρωσης ρωγμών, ενώ τα σύνθετα με φυσαλίδες γυαλιού παρουσιάζουν αυξημένη ενέργεια θραύσης λόγω της αυξημένης ένδοσης και άρα της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η συμπεριφορά των υλικών είναι όλκιμη. Η έναρξη της ρωγμής ακολουθείται από ευσταθή διάδοσή της πριν την καταστροφική αστοχία υπό την επίδραση μηχανισμών διάχυσης ενέργειας και ανάσχεσης της ρωγμής. Αντίθετα, μετά από μία κρίσιμη περιεκτικότητα η θραύση του υλικού γίνεται ψαθυρή λόγω του βαθμού συσσωμάτωσης των εγκλεισμάτων. Η ασταθής διάδοση της αρχικής ρωγμής συμβαίνει αμέσως μετά την εκκίνηση αυτής. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από μικροφωτογραφίες SEM και οπτικού στερεομικροσκοπίου. Σε επόμενο στάδιο μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στη θραυστομηχανική συμπεριφορά των συνθέτων ενισχυμένων με σφαιρίδια γυαλιού. Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθηκαν πειράματα compact tension σε δοκίμια μετά από υγροθερμική γήρανση για χρονικά διαστήματα που υπερβαίνουν το χρόνο κορεσμού απορρόφησης υγρασίας. Προέκυψε ότι για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η δυσθραυστότητα των υλικών ακολουθεί μάλλον εκθετική μείωση. Αντίθετα για υλικά με μεγάλη περιεκτικότητα σε ενίσχυση τα οποία παρουσιάζουν ψαθυρή θραύση, αρχικά παρατηρείται αύξηση ή έναρξη της υποβάθμισης του της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς από κάποιο κρίσιμο χρόνο εμβάπτισης. Τέλος, από την εφαρμογή σε αυτά των θεωρητικών του μοντέλων MPM και RPM προέκυψε πολύ ικανοποιητική σύγκλιση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος έγινε πειραματική μελέτη της επίδρασης του τρόπου διασποράς των νανοσωλήνων στη μηχανική και θερμομηχανική συμπεριφορά καθώς και στη δομή νανοσυνθέτων. Για την ανάμειξη των νανοσωλήνων χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι της υπερήχησης και της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλών στροφών. Έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός της στατικής και της δυναμικής θερμομηχανικής συμπεριφοράς τους, από όπου επιβεβαιώθηκε ο κρίσιμος ρόλος που διαδραματίζει η ποιότητα της διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στις μακροσκοπικές ιδιότητες του νανοσυνθέτου. Παρατηρήθηκε ότι τα νανοσύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης πλεονεκτούν από πλευράς στατικής και δυναμικής μηχανικής συμπεριφοράς έναντι αυτών που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της μηχανικής ανάμειξης με μόνη εξαίρεση τη μείωση της Tg. Παρ’ όλα εγείρεται το ζήτημα της καταστροφής της δομής της μήτρας λόγω της μεγάλης ισχύος των υπερήχων που εστιάζεται σε μικρή περιοχή, καθώς και της μειωμένη ικανότητα αποδοτικής διασποράς νανοσωλήνων σε μεγαλύτερη ποσότητα ρητίνης. Επιπλέον, ελήφθησαν φάσματα υπερύθρου της καθαρής ρητίνης και των νανοσυνθέτων που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης από όπου παρατηρήθηκε αύξηση της πυκνότητας των σταυροδεσμών στην περίπτωση των νανοσυνθέτων, γεγονός που αποδίδεται στη θερμική συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν σε πλήρη συμφωνία με τα συμπεράσματα από τις μικροφωτογραφίες SEM των επιφανειών θραύσης των νανοσυνθέτων. Ήταν δυνατό να φανεί ξεκάθαρα η ποιότητα της διασποράς των νανοσωλήνων καθώς και οι μηχανισμοί αστοχίας και ενίσχυσης του υλικού σε νάνο-κλίμακα. Στην περίπτωση της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλής ταχύτητας υπήρχε συσσωμάτωση των νανοσωλήνων, ενώ στην περίπτωση της ανάμειξης με υπερήχηση επιτεύχθηκε καλή ποιότητα διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στη μήτρα χωρίς την ύπαρξη συσσωματωμάτων μεγέθους άνω των 5-10 νανοσωλήνων. Από πειράματα compact tension που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση κατά 58,51% στον KIC και 55,25% στον GIC σε σχέση με την καθαρή ρητίνη για περιεκτικότητα μόλις 0,1wt% σε νανοσωλήνες άνθρακα. Η βελτιωμένη θραυστομηχανική συμπεριφορά σχετίζεται με τη μικρή απόσταση ανάμεσα στα νανοσωματίδια και το εξαιρετικά μεγάλο αριθμό νανοσωλήνων σε δεδομένο όγκο συνθέτου. Παρ, όλα αυτά από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετά από υγροθερμική γήρανση έδειξαν ότι η απορρόφηση υγρασίας επιφέρει απώλεια της ενισχυτικής ικανότητας των νανοσωλήνων για χρόνους εμβάπτισης μεγαλύτερους των 24 ωρών. Δεδομένου ότι η περιοχή της ενδιάμεσης φάσης επηρεάζει σημαντικά τη μακροσκοπική συμπεριφορά ενός συνθέτου υλικού έγινε εφαρμογή των αναλυτικών μοντέλων της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης και της βισκοελαστικής υβριδικής ενδιάμεσης φάσης σε συστήματα εποξειδικής ρητίνης – νανοσωλήνων άνθρακα και οστεοκυττάρων - νανοσωλήνων TiO2. Για τα νανοσύνθετα που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης υπολογίστηκε η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης k=0,90 , ενώ για αυτά που κατασκευάστηκαν με μηχανική ανάμειξη σε αναμείκτη υψηλών στροφών η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης υπολογίστηκε k=0,20. Η κακή ποιότητα πρόσφυσης έχει ως συνέπεια τη μη αποτελεσματική μεταφορά των φορτίων από τη μήτρα στα εγκλείσματα. Επίσης, έγινε πρόβλεψη της μεταβολής του πάχους της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης συναρτήσει του χρόνου υπό την επίδραση σταθερής φόρτισης. Από τη μοντελοποίηση του συστήματος νανοσωλήνων TiO2-οστεοβλαστών με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης προκύπτει ότι υπάρχει αλληλοκάλυψη των ενδιάμεσων φάσεων που αναπτύσσονται μεταξύ γειτονικών νανοσωλήνων, ακόμα και για καλή ποιότητα πρόσφυσης. Το γεγονός εξηγεί την ελλιπή ανάπτυξη των κυττάρων, καθώς λόγω της αγκύρωσης στην επιφάνεια των νανοσωλήνων και του μικρού διακένου, η ένδοση στην περιοχή μεταξύ των νανοσωλήνων είναι στην πραγματικότητα σημαντικά μικρότερη από αυτή που έχει αρχικά υποτεθεί. / The current master thesis was realized during the years 2010-2012 under the supervision of Prof G.Papanicolaou at the Composite Materials Group, in the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at University of Patras, Greece. The aim of the thesis was the experimental and analytical study of polymer micro- and nano- composites. There was investigated the effect of damage through hygrothermal ageing as well as the effect of manufacturing parameters such as the fillers’ dispersion method and geometry upon the composites’ mechanical and fracture behavior. Experimental findings were compared with the predictions of the RPM and MPM models, concerning the materials response after hygrothermal ageing and the composites’ elastic modulus as a function of filler’s weight fraction, respectively. Also, the interphasial elastic and viscous behavior was investigated by application of the elastic and viscoelastic hybrid interphase models which were both developed by Prof. G.Papanicolaou et al. The two different composite systems considered were Carbon nanotubes- Epoxy and TiO2 nanotubes osteoblast cells. The first part of the study involved the manufacturing, the experimental characterization and analytical modeling of polymer microcomposites. The effect of fillers geometry upon the mechanical and fracture behavior of composites reinforced with spherical, fibrous and hollow bubble E-glass microinclusions was investigated by the means of three point bending and compact tension tests. It was observed that the composites reinforced with spherical inclusions demonstrated superior stiffness and flexural strength, which was attributed to the ability to take up both tensile and compressive loadings, unlike the other two types of fillers. However, glass fibril reinforced composites showed increased fracture toughness in effect of the mechanisms of fiber pull out and crack closure were considered to be fracture toughness. Finally there was observed increased fracture energy in the case of and glass bubble filled composites due to the inclusions increased compliance and thus ability to store more elastic energy prior to crack propagation. SEM microphotographs obtained confirmed experimental findings of ductile fracture and energy dissipation mechanisms for low vf and brittle fracture after a critical volume fraction. Next, the effect of environmental parameters upon the materials fracture behavior was investigated. For low volume fractions in glass microspheres the materials residual fracture toughness was found to decrease exponentially as a function of immersion time in water. On the contrary, for higher volume fractions the there can be observed an increase in toughness or initiation of damage after a critical immersion time. In any case, experimental findings were in close convergence with the predictions analytical models applied: MPM concerning the elastic modulus as a function of vf, and RPM concerning the residual KIC and GIC as a function of ageing time. The thesis’ second part involved the experimental and analytical investigation of the effect of the fillers dispersion method in epoxy nanocomposites. There were applied two dispersion methods of carbon nanotubes in the resin, namely ultrasonication and high speed shearing. From the three point bending characterization and DMTA tests it was concluded that except for the Tg, all static and dynamic properties of nanocomposites manufactured by the ultrasonication method, are superior to the ones of nanocomposites manufactured by the shearing method. This was confirmed by SEM micrographs observations from which there was a clear indication that nanocomposites produced by the shearing method, were characterized by a limited aggregation while those manufactured by the ultrasonication method showed that individual nanotubes are scattered in the matrix and no aggregation was observed. Moreover, results of FTIR analysis indicated increased crosslink density in the nanocomposites compared to the neat resin, however, the decrease in Tg and increase in damping are an indication of damage of the epoxy and nanotubes structure during the ultrasonication procedure. Compact tension tests indicated an increase by 58.51% in the fracture toughness and by 55.25% in the fracture energy of the nanocomposites reinforced with 0.1wt% in MWCNT’s with respect to the neat resin. However, experimental findings indicated that the toughening of nanotubes is lost after hygrothermal ageing of the nanocomposites. The RPM prediction concerning the nanocomposites residual fracture behavior was in close agreement with experimental results. Given that the interphasial phenomena affect the global behavior of a composite, the hybrid interphase model was applied to the carbon nanotubes-epoxy system. For the nanocomposites that were manufactured with the ultrasonication method the adhesion efficiency coefficient value was calculated k=0.70 while for the ones manufactured by high speed shearing the respective value was k=0.20. For the two given adhesion conditions the variation of the viscoelastic interphase thickness was also predicted as a function of loading time. The hybrid interphase model was also applied in order to investigate the interphasial elastic and viscoelastic behavior in a human osteoblast cells-TiO2 nanotubes system. The interphase overlapping was considered to be leading to TiO2 nanotube arrays mediocre biocompatibility due to the anchoring of cells to nanotubes and increased stiffness in the area between nanotubes.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt zur Untersuchung der Funktionalität von Sportgeräten konzipiert und vorgestellt. Die mechanische Simulation ist die gegenständliche Nachbildung spezieller Teilaspekte des Sportlers, z.B. der Körperform, der Trägheitseigenschaften, der Masse, der Interaktionskräfte zur Umwelt oder charakteristischer Bewegungsabläufe zum Zweck der Durchführung gezielter Experimente zur Untersuchung des dynamischen Systemverhaltens Sportler-Sportgerät-Umwelt. Dazu werden drei Fallbeispiele aus der Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe HLST an der Technischen Universität Chemnitz mit Methoden zur Verifikation von Simulationsmodellen – dem strukturierten Durchgehen, der Validierung im Dialog und dem Schreibtischtest – analysiert. Die Analyseergebnisse werden in eine Grobstruktur eingebettet, die aus relevanten Vorarbeiten zur Anwendung der Allgemeinen Modelltheorie abgeleitet ist. Die in den jeweiligen Fallbeispielen verwendeten Prozessschritte, Methoden und Werkzeuge werden dargestellt und die Entwicklungsergebnisse erörtert. Im Abschluss jedes Fallbeispiels wird der Entwicklungsprozess anhand von einheitlichen Kriterien bewertet. In einem abschließenden Schritt erfolgt die Zusammenführung der im Stand der Technik dargelegten Grundlagen und der in den drei Fallbeispielen gewonnenen Informationen zu einer strukturieren und kommentierten Methodik.:1 Einleitung 8 1.1 Definitionen 8 1.2 Einsatzgebiete der mechanischen Simulation 11 1.2.1 Überblick 11 1.2.2 Sicherheit gegen Versagen 12 1.2.3 Konformität 14 1.2.4 Funktionalität 15 1.3 Motivation und Zielsetzung 16 1.4 Aufbau der Arbeit 16 2 Theoretische Grundlagen 18 2.1 Experimentelle Methoden der Sportgeräteentwicklung 18 2.1.1 Einordnung nach Odenwald (2006) 18 2.1.2 Einordnung nach Witte (2013) 19 2.1.3 Einordnung nach Senner (2001) 20 2.1.4 Eigene Systematisierung 23 2.2 Allgemeine Modelltheorie 26 2.3 Existierende Ansätze für die Applikation der Allgemeinen Modelltheorie 29 2.3.1 Anwendung der AMT in der Chemie 29 2.3.2 Anwendung der AMT in der Biomechanik 30 2.3.3 Anwendung der AMT in Logistik und Produktion 32 2.3.4 Fazit 37 3 Präzisierung der Problemstellung 38 4 Methodik 39 5 Fallbeispiel Schwimmanzug – Strömungswiderstand 41 5.1 Vorbemerkungen 41 5.2 Aufgabenanalyse 42 5.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität des Sportgeräts 42 5.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 42 5.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 43 5.2.4 Identifikation des Originals 47 5.3 Modellformulierung 48 5.3.1 Modellansatz 48 5.3.2 Modellsynthese 50 5.4 Modellimplementierung 53 5.4.1 Herstellung des Strömungskörpers 53 5.4.2 Simulation der Fortbewegung im Wasser 54 5.5 Modellanwendung 57 5.6 Modellüberprüfung 60 5.6.1 Abgleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und dem theoretischen Modell 60 5.6.2 Vergleich mit dem Original 62 5.7 Fazit 67 6 Fallbeispiel Laufschuh – Stoßabsorption 69 6.1 Vorbemerkungen 69 6.2 Aufgabenanalyse 69 6.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 69 6.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 71 6.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 71 6.2.4 Definition des Originals 72 6.3 Modellformulierung 72 6.3.1 Modellansatz 72 6.3.2 Systemanalyse 72 6.3.3 Modellsynthese 77 6.4 Modellimplementierung 78 6.4.1 Krafterzeugung 78 6.4.2 Kraftübertragung 79 6.5 Modellanwendung 81 6.6 Modellüberprüfung 82 6.6.1 Soll-Istwert-Vergleich 82 6.6.2 Reliabilität 83 6.6.3 Korrelation zu Stoßbelastungsvariablen 85 6.6.4 Ereignisvaliditätstest: Sohlentemperatur 86 6.6.5 Ereignisvaliditätstest: Sohlendeformation 88 6.7 Fazit 91 7 Fallbeispiel Fußballschuh – Traktionseigenschaften 94 7.1 Vorbemerkungen 94 7.2 Aufgabenanalyse 94 7.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 94 7.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 95 7.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 96 7.2.4 Definition des Originals 97 7.3 Modellformulierung 98 7.3.1 Modellansatz 98 7.3.2 Systemanalyse 98 7.3.3 Modellsynthese 106 7.4 Modellimplementierung 107 7.5 Modellanwendung 110 7.6 Modellüberprüfung 114 7.6.1 Reliabilität 114 7.6.2 Sensitivitätsanalyse: Normalkraft 114 7.6.3 Sensitivitätsanalyse: Kraftanstieg horizontal 116 7.6.4 Vergleich mit der Realität 116 7.7 Fazit 117 8 Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt 119 8.1 Schematische Darstellung 119 8.2 Erläuterung der Vorgehensempfehlung 120 8.2.1 Klärung der Problemstellung 120 8.2.2 Modellbildung 122 8.2.3 Modellanwendung 124 9 Schlussbetrachtung 126 Literaturverzeichnis 128 Tabellenverzeichnis 133 Abbildungsverzeichnis 135 Danksagung 138 Selbstständigkeitserklärung 139 Lebenslauf 140 / In this dissertation a methodology is conceived that aims to structure the development process of test arrangements that mechanically simulate the interaction of athlete, sports equipment and environment. Mechanical simulation in this context is defined as the physical replication of specific properties of the athlete (e.g. the shape of the human body, body weight, joint kinematics, inertia, external forces in specific movements) in order to conduct experiments to investigate the dynamic behavior of the system athlete-equipment-environment. Therefore, three case studies of mechanical simulation models that have been developed at Technische Universität Chemnitz are analyzed by applying the validation and verification methods “structured walkthrough”, “face validity” and “desk checking”. The results of that analysis are embedded into a framework that is derived by literature review on applied model theory. For each of the three development processes the procedure model is identified and main tools and methods are discussed. Every case study is finally assessed by using standardized evaluation criterions. Finally, the main findings of the analysis of the case studies as well as knowledge obtained by reviewing the state of the art in model theory and simulation methods are used to build up a structured and commentated guideline.:1 Einleitung 8 1.1 Definitionen 8 1.2 Einsatzgebiete der mechanischen Simulation 11 1.2.1 Überblick 11 1.2.2 Sicherheit gegen Versagen 12 1.2.3 Konformität 14 1.2.4 Funktionalität 15 1.3 Motivation und Zielsetzung 16 1.4 Aufbau der Arbeit 16 2 Theoretische Grundlagen 18 2.1 Experimentelle Methoden der Sportgeräteentwicklung 18 2.1.1 Einordnung nach Odenwald (2006) 18 2.1.2 Einordnung nach Witte (2013) 19 2.1.3 Einordnung nach Senner (2001) 20 2.1.4 Eigene Systematisierung 23 2.2 Allgemeine Modelltheorie 26 2.3 Existierende Ansätze für die Applikation der Allgemeinen Modelltheorie 29 2.3.1 Anwendung der AMT in der Chemie 29 2.3.2 Anwendung der AMT in der Biomechanik 30 2.3.3 Anwendung der AMT in Logistik und Produktion 32 2.3.4 Fazit 37 3 Präzisierung der Problemstellung 38 4 Methodik 39 5 Fallbeispiel Schwimmanzug – Strömungswiderstand 41 5.1 Vorbemerkungen 41 5.2 Aufgabenanalyse 42 5.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität des Sportgeräts 42 5.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 42 5.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 43 5.2.4 Identifikation des Originals 47 5.3 Modellformulierung 48 5.3.1 Modellansatz 48 5.3.2 Modellsynthese 50 5.4 Modellimplementierung 53 5.4.1 Herstellung des Strömungskörpers 53 5.4.2 Simulation der Fortbewegung im Wasser 54 5.5 Modellanwendung 57 5.6 Modellüberprüfung 60 5.6.1 Abgleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und dem theoretischen Modell 60 5.6.2 Vergleich mit dem Original 62 5.7 Fazit 67 6 Fallbeispiel Laufschuh – Stoßabsorption 69 6.1 Vorbemerkungen 69 6.2 Aufgabenanalyse 69 6.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 69 6.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 71 6.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 71 6.2.4 Definition des Originals 72 6.3 Modellformulierung 72 6.3.1 Modellansatz 72 6.3.2 Systemanalyse 72 6.3.3 Modellsynthese 77 6.4 Modellimplementierung 78 6.4.1 Krafterzeugung 78 6.4.2 Kraftübertragung 79 6.5 Modellanwendung 81 6.6 Modellüberprüfung 82 6.6.1 Soll-Istwert-Vergleich 82 6.6.2 Reliabilität 83 6.6.3 Korrelation zu Stoßbelastungsvariablen 85 6.6.4 Ereignisvaliditätstest: Sohlentemperatur 86 6.6.5 Ereignisvaliditätstest: Sohlendeformation 88 6.7 Fazit 91 7 Fallbeispiel Fußballschuh – Traktionseigenschaften 94 7.1 Vorbemerkungen 94 7.2 Aufgabenanalyse 94 7.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 94 7.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 95 7.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 96 7.2.4 Definition des Originals 97 7.3 Modellformulierung 98 7.3.1 Modellansatz 98 7.3.2 Systemanalyse 98 7.3.3 Modellsynthese 106 7.4 Modellimplementierung 107 7.5 Modellanwendung 110 7.6 Modellüberprüfung 114 7.6.1 Reliabilität 114 7.6.2 Sensitivitätsanalyse: Normalkraft 114 7.6.3 Sensitivitätsanalyse: Kraftanstieg horizontal 116 7.6.4 Vergleich mit der Realität 116 7.7 Fazit 117 8 Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt 119 8.1 Schematische Darstellung 119 8.2 Erläuterung der Vorgehensempfehlung 120 8.2.1 Klärung der Problemstellung 120 8.2.2 Modellbildung 122 8.2.3 Modellanwendung 124 9 Schlussbetrachtung 126 Literaturverzeichnis 128 Tabellenverzeichnis 133 Abbildungsverzeichnis 135 Danksagung 138 Selbstständigkeitserklärung 139 Lebenslauf 140