Mit dem Einzug numerischer Verfahren zur Dimensionierung von Verkehrskonstruktionen, im Speziellen für Asphaltbefestigung, werden charakteristische Materialkenngrößen benötigt. Des Weiteren wird mit der fortschreitenden Entwicklung von FEM-Programmen, die in Zusammenhang mit Strukturanalysen und Simulationsrechnungen ihren Einsatz finden, die Kenntnis detaillierter Materialkennwerte essentiell. Dass Asphalte mit ihrem charakteristischen Materialverhalten eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit aufweisen, ist anerkannter Stand von Wissenschaft und Technik. In Bezug auf weitere Einflussgrößen existieren nur sehr begrenzte Erkenntnisse. Im Besonderen gilt dies für Abhängigkeiten der Materialkenngrößen von aus der äußeren Beanspruchung resultierenden Spannungszuständen in der Asphaltbefestigung. Ein wesentliches Ziel der Arbeit war die Untersuchung von möglichen Spannungsabhängigkeiten der charakteristischen Materialkenngrößen von Asphalt. In diesem Zusammenhang wurden auch Fragestellungen zu anisotropen Effekten im Materialverhalten aufgegriffen. Die Untersuchungen erfolgten an zwei ausgewählten Asphaltdeckschichtmaterialien, die sich in ihrer Zusammensetzung und granularen Struktur grundlegend voneinander unterscheiden. Zum einen wurden ein Splittmastixasphalt (SMA11S mit PmB 25/55-55A) und zum anderen ein offenporiger Asphalt (PA8 mit PmB 40/100-65A) in das Versuchsprogramm aufgenommen. Die Ansprache des Materialverhaltens erfolgte versuchstechnisch mittels uniaxialer und triaxialer Versuche. Im Ergebnis der Untersuchungen zur Anisotropie von Asphaltmaterialien konnte festgestellt werden, dass die in der Regel gerichtete Verdichtung von Asphalt anisotrope Materialeigenschaften nach sich zieht, unabhängig von der Kornform der verwendeten Gesteinskörnungen und der Ausprägung der Mörtelphase. Des Weiteren war ein wesentliches Ergebnis, dass Asphaltmaterialien in weiten Bereichen der Gebrauchstemperatur ein ausgeprägtes spannungsabhängiges Materialverhalten aufweisen. Erst bei sehr tiefen Temperaturen nähert sich das Materialverhalten von Asphalt einem linear elastischen Festkörperverhalten an. Die granulare Struktur des Asphaltmaterials sowie die Ausprägung der Mörtelphase und der damit verbundenen Bindemittelfilmdicken haben maßgebenden Einfluss auf die Art und Größe der charakteristischen Materialeigenschaften sowie auf die Auswirkungen der jeweiligen Spannungsabhängigkeiten. Als Schlussfolgerung bzw. Ausblick der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bleibt festzuhalten, dass für die Erweiterung der Kenntnisse des grundlegenden Materialverhaltens von Asphalt weiterführende Untersuchungen speziell in Bezug auf die Eigenschaften der Einzelbestandteile sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Asphaltstruktur essentiell sind. / Characteristic material parameters especially for asphalt pavements are required due to the introduction of numerical pavement design methods. Furthermore, the continuous development of FEM programs, which are used for structural analysis and simulation calculations, also requires the knowledge of detailed material properties. It is state of the art that asphalt shows a significant temperature and frequency dependent behavior. The knowledge regarding additional impact parameters is very limited. This is especially valid for the stress dependency of the material parameters resulting from the stress state within the asphalt pavement based on the external loads. The main aim of this work was the investigation of the possible stress dependencies of the characteristic material parameters of asphalt. In this context, questions related to the anisotropic effects of the material behavior have also been taken up. Two asphalt surface layer materials, which have significant differences in the material composition and the granular structure were investigated in this context. On the one hand a stone mastic asphalt (SMA11S with PmB 25/55-55A) and on the other hand a porous asphalt (PA8 with PmB 40/100-65A) were included in the testing scheme. Uniaxial and triaxial tests were selected to determine the material behavior at the laboratory. Within the determination of the anisotropic material behavior of asphalt, it could be proven that the usually vertical compaction direction during the compaction process effects anisotropic material properties. This behavior can be determined independent from the particle shape, the used aggregate material and the specification of the asphalt mastic. Another essential result is, that asphalt materials show a significant stress dependent material behavior in a wide range of the performance temperature. Only on very low temperatures the material behavior of asphalt can be assumed to be linear elastic. The granular structure of asphalt material as well as the specification of the asphalt mastic and the thickness of the binder between the particles have a significant influence on the type and size of the characteristic material properties and the effect of stress dependency. Finally, it can be concluded, that it is essential to investigate the material behavior of each ingredient and their interaction within the asphalt structure to expand the knowledge regarding the fundamental material behavior of asphalt.

Mit dem Einzug numerischer Verfahren zur Dimensionierung von Verkehrskonstruktionen, im Speziellen für Asphaltbefestigung, werden charakteristische Materialkenngrößen benötigt. Des Weiteren wird mit der fortschreitenden Entwicklung von FEM-Programmen, die in Zusammenhang mit Strukturanalysen und Simulationsrechnungen ihren Einsatz finden, die Kenntnis detaillierter Materialkennwerte essentiell. Dass Asphalte mit ihrem charakteristischen Materialverhalten eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit aufweisen, ist anerkannter Stand von Wissenschaft und Technik. In Bezug auf weitere Einflussgrößen existieren nur sehr begrenzte Erkenntnisse. Im Besonderen gilt dies für Abhängigkeiten der Materialkenngrößen von aus der äußeren Beanspruchung resultierenden Spannungszuständen in der Asphaltbefestigung. Ein wesentliches Ziel der Arbeit war die Untersuchung von möglichen Spannungsabhängigkeiten der charakteristischen Materialkenngrößen von Asphalt. In diesem Zusammenhang wurden auch Fragestellungen zu anisotropen Effekten im Materialverhalten aufgegriffen. Die Untersuchungen erfolgten an zwei ausgewählten Asphaltdeckschichtmaterialien, die sich in ihrer Zusammensetzung und granularen Struktur grundlegend voneinander unterscheiden. Zum einen wurden ein Splittmastixasphalt (SMA11S mit PmB 25/55-55A) und zum anderen ein offenporiger Asphalt (PA8 mit PmB 40/100-65A) in das Versuchsprogramm aufgenommen. Die Ansprache des Materialverhaltens erfolgte versuchstechnisch mittels uniaxialer und triaxialer Versuche. Im Ergebnis der Untersuchungen zur Anisotropie von Asphaltmaterialien konnte festgestellt werden, dass die in der Regel gerichtete Verdichtung von Asphalt anisotrope Materialeigenschaften nach sich zieht, unabhängig von der Kornform der verwendeten Gesteinskörnungen und der Ausprägung der Mörtelphase. Des Weiteren war ein wesentliches Ergebnis, dass Asphaltmaterialien in weiten Bereichen der Gebrauchstemperatur ein ausgeprägtes spannungsabhängiges Materialverhalten aufweisen. Erst bei sehr tiefen Temperaturen nähert sich das Materialverhalten von Asphalt einem linear elastischen Festkörperverhalten an. Die granulare Struktur des Asphaltmaterials sowie die Ausprägung der Mörtelphase und der damit verbundenen Bindemittelfilmdicken haben maßgebenden Einfluss auf die Art und Größe der charakteristischen Materialeigenschaften sowie auf die Auswirkungen der jeweiligen Spannungsabhängigkeiten. Als Schlussfolgerung bzw. Ausblick der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bleibt festzuhalten, dass für die Erweiterung der Kenntnisse des grundlegenden Materialverhaltens von Asphalt weiterführende Untersuchungen speziell in Bezug auf die Eigenschaften der Einzelbestandteile sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Asphaltstruktur essentiell sind. / Characteristic material parameters especially for asphalt pavements are required due to the introduction of numerical pavement design methods. Furthermore, the continuous development of FEM programs, which are used for structural analysis and simulation calculations, also requires the knowledge of detailed material properties. It is state of the art that asphalt shows a significant temperature and frequency dependent behavior. The knowledge regarding additional impact parameters is very limited. This is especially valid for the stress dependency of the material parameters resulting from the stress state within the asphalt pavement based on the external loads. The main aim of this work was the investigation of the possible stress dependencies of the characteristic material parameters of asphalt. In this context, questions related to the anisotropic effects of the material behavior have also been taken up. Two asphalt surface layer materials, which have significant differences in the material composition and the granular structure were investigated in this context. On the one hand a stone mastic asphalt (SMA11S with PmB 25/55-55A) and on the other hand a porous asphalt (PA8 with PmB 40/100-65A) were included in the testing scheme. Uniaxial and triaxial tests were selected to determine the material behavior at the laboratory. Within the determination of the anisotropic material behavior of asphalt, it could be proven that the usually vertical compaction direction during the compaction process effects anisotropic material properties. This behavior can be determined independent from the particle shape, the used aggregate material and the specification of the asphalt mastic. Another essential result is, that asphalt materials show a significant stress dependent material behavior in a wide range of the performance temperature. Only on very low temperatures the material behavior of asphalt can be assumed to be linear elastic. The granular structure of asphalt material as well as the specification of the asphalt mastic and the thickness of the binder between the particles have a significant influence on the type and size of the characteristic material properties and the effect of stress dependency. Finally, it can be concluded, that it is essential to investigate the material behavior of each ingredient and their interaction within the asphalt structure to expand the knowledge regarding the fundamental material behavior of asphalt.

The dissertation details work aimed toward the development and implementation of a 3-D impact fragmentation module to perform rock fall analysis by taking into account impact fragmentation. This fragmentation module is based on a database of a large set of impact simulations using a fully calibrated discrete element model (DEM), and is employed to predict impact fragmentation processes in rockfall analysis by either training a neural network model or linearly interpolating the database. A DEM was employed to model impact fragmentation in the study. A DEM code was developed from scratch. The model was first calibrated and verified with experimental results to demonstrate the capability of modeling both quasi-static and dynamic material behavior. Algorithms to calibrate the model’s micro-parameters against triaxial tests on rocks were presented. Sensitivity analyses were used to identify the deformability micro-parameters by obtaining relationships between microscopic and macroscopic deformability properties. The strength model parameters were identified by a global optimization process aimed at minimizing the difference between computed and experimental failure envelopes. When applied to the experimental results of tested granite, this calibration process produced a good agreement between simulated and experimental results for both deformability and strength properties. Dynamic compression and SHPB tests were performed to verify the dynamic model. A strain-rate-dependent dynamic strength was observed in the experimental results. This strain-rate-dependent dynamic strength was also confirmed by the numerical results. No rate-dependent constitutive model was used in the DEM to simulate dynamic behavior. This simulated rate-dependent dynamic strength can be attributed to material inertia because the inertia inhibits crack growth. Some fundamental mechanisms of impact fragmentation associated with rockfalls were then numerically investigated. The developed DEM code was coupled with a simplified impact model inspired by the theory of dynamic foundations. It has been shown that the magnitude of impact velocity, the angle of the incidence, the ground condition all play very important roles in impact fragmentation. Several case studies were performed to validate the developed impact fragmentation module in rock fall analysis. It has been demonstrated that the developed fragmentation module can reasonably predict impact fragmentation and perform some risk analysis in rock fall analysis. / text

The stretch forming process is frequently used in the automotive industry (outer pan- els, inner panels, stiffeners etc.), the packaging industry and household appliances sector, to manufacture complicated shapes and curvatures. However it requires accurate prediction of tool geometries and manufacturing parameters to avoid the currently used trial and error approach. Metal forming is also associated with cer- tain defects like local thinning, wrinkling, tearing etc. Avoiding such defects and prediction of spring back presumably requires a thorough understanding of the de- formation mechanics and material behavior beyond the elastic range. In the stretch forming operation, material essentially passes through the elastic, yield point and plastic states. Elastic behavior can be explained based on classical theory of elasticity wherein linear trend of infinitesimal deformation is expressed by generalized Hooke’s law. In the plastic range, the theory is based on certain exper- imental observations of the macroscopic behavior of metals in the uniform state of combined stresses. Experimentally observed results are idealized into mathematical formulation to describe the complex behavior of metals under combined state of stress. These formulations are based on some assumptions like material behavior is time independent, strain rate effects could be neglected, hysteresis loop and Bauschinger effects which arise from the non-uniformity of the microscopic scale could be disregarded etc. The thermal effects are neglected and material is assumed to be isotropic. Supposedly because of these assumptions existing theory of plastic- ity does not accurately predict the phenomenon of stretch forming occurring during plastic deformation. Theories are being developed like that of Rao and Shrinivasa [2002], which consider stresses during deformation as resistance due to shape change, volume change, rate of shape change and rate of volume change. Such theories need variation of material parameters like bulk modulus (K), shear modulus (G), bulk viscosity (µ’) and shear viscosity (µ) as deformation progreses. Therefore uni-axial tension exper- iments have been conducted to find out the strains at the corresponding loads. Mild steel and aluminum have been chosen for the experiments. Chemical and physical properties of the materials are chosen such that they are very similar to those used in the automotive industry for stretch forming. A procedure is developed using uni-axial tension test results to calculate the material parameters for the entire range of material deformation. For mild steel, bulk modulus and shear modulus decrease and become almost zero as the material deforms from elastic to transition region. After transition zone, both moduli increase and then decrease as material deforms in the strain-hardening region. For aluminum both bulk and shear moduli decrease non-linearly as material deforms from elastic to plastic region. The behavior of bulk modulus and shear modulus are consistent with the stress-strain behavior of the materials. For mild steel as well as aluminum, the bulk and shear viscosities are positive in the elastic region and in the large deformation region the values are small compared to elastic region. We can separate the various stresses, hydrostatic, deviatoric and viscous stresses, associated with (µ) and (µ’) and contribution of each to the total stresses can be obtained. It is observed that contribution from the viscous stresses is as high as 5 % when the material is subjected to large strain rate tests. The strain rate in stretch forming operation may be different from the strain rate at which the material parameters are calculated. Knowing the material para- meters at one strain rate, the stress-strain curves at different strain rates can be predicted. The repeatability of computation of the material parameters and contributions from the viscous and non-viscous stresses for large deformation has been ascertained by using different test samples. The material parameters obtained from one set of samples have been applied to different samples and experimental versus predicted stresses have been found to match fairly well. A lot more work needs to be done to reach the goal of accurately predicting the behavior during stretch forming. Test data on different materials need to be generated and the new theories need to be validated for compression as well as loading and unloading cases.

Aus der Einleitung: "Die Vorteile von Dehnschrauben ergeben sich aus der großen Verformung, die bei der Montage eingestellt und mit Hilfe eines taillierten Schafts ermöglicht wird. Zusätzlich zu dem geringeren Schaftdurchmesser erhöht eine größere Länge die Nachgiebigkeit und damit die Längenänderung. Aufgrund dieser hohen Längenänderung benötigen Dehnschrauben keine Schraubensicherung und sind unempfindlicher gegenüber Setzverlusten."

Aus der Einleitung: "Die Vorteile von Dehnschrauben ergeben sich aus der großen Verformung, die bei der Montage eingestellt und mit Hilfe eines taillierten Schafts ermöglicht wird. Zusätzlich zu dem geringeren Schaftdurchmesser erhöht eine größere Länge die Nachgiebigkeit und damit die Längenänderung. Aufgrund dieser hohen Längenänderung benötigen Dehnschrauben keine Schraubensicherung und sind unempfindlicher gegenüber Setzverlusten."

Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt. / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.

Ziel der Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln, mit der das zeitabhängige Verformungsverhalten von Hochtemperaturbauteilen unter thermomechanischer Beanspruchung (TMF) im Vorrissstadium besser vorhergesagt werden kann, ohne dass sich der Aufwand gegenüber anderen bekannten Konzepten erhöht.

Cette thèse présente les trois approches : analytique, expérimentale et numérique développées pour étudier le comportement d'une hydrolienne à membrane ondulante. Cette technologie, portée par l'entreprise EEL Energy, est basée sur les déformations périodiques d'une structure flexible pré-contrainte. Des convertisseurs d'énergie, positionnés de part et d'autre du système, sont actionnés par le mouvement d'ondulation.Analytiquement, la membrane est représentée par un modèle linéaire de poutre à une dimension et l'écoulement par un fluide potentiel 3D. L'action du fluide sur la membrane est évaluée par la théorie des corps élancés. L'énergie est dissipée de façon continue sur la longueur de la membrane. Expérimentalement, un prototype à l'échelle 1/20ième a été développé, des micro-vérins permettent de simuler l'énergie produite. Les essais avec le prototype1/20ième ont permis de valider le concept d'hydrolienne à membrane ondulante et le mode de récupération d'énergie. Un modèle numérique 2D éléments finis a été mis au point. Chaque élément constitutif de la membrane y est reproduit, la dissipation d'énergie est réalisée par des éléments dissipatifs mais la loi d'amortissement est limitée à un amortissement linéaire en vitesse.La comparaison des résultats issus de ces trois modèles a permis de valider leur bonne capacité à reproduire le comportement de la membrane sans conversion d'énergie. La dissipation d'énergie appliquée avec le modèle analytique se distingue clairement des deux autres modèles de part sa localisation mais aussi par la loi d'amortissement utilisée. Les autres modèles sont cohérents entre eux et si on ne parvient pas à corréler les résultats de puissance dissipée, le comportement du système et la répartition de la puissance dissipée le long de la membrane sont semblables. Ces trois approches ont permis de mettre en avant les paramètres clés dont dépend le comportement de la membrane et l'étude paramétrique démontre la complémentarité et l'intérêt du développement conjoint des modèles dans un souci industriel d'optimisation du système. Le développement d'un prototype à l'échelle supérieure (1/6ème), devant faire le lien entre les essais en bassin et les essais en mer, a permis de travailler sur les effets d'échelle. Des différences de comportements sont observées entre ces deux prototypes mais elles sont dues en partie à des différences de conditions aux limites et en partie à des effets de confinements très importants. Pour évaluer la tenue sur le long terme du prototype, ses composants (composite, élastomère) ont été caractérisés précisément et des essais de vieillissement accéléré par température ainsi que des essais de fatigue ont été mis en place sur des échantillons de matière. / This manuscript presents three approaches : analytical, experimental and numerical, to study the behavior of a flexible membrane tidal energy convertor. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy convertors, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion.In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20th scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy convertor concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity.Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behavior without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behavior and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. These three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behavior of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems.To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6th prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behavior of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behavior at sea, a method of aging accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples immerged in sea water.

Polyethylene is a widely-used material in package industries. The fracture behavior of this material has not been studied in the plastic region in many years. In this thesis work, the J-Integral which is one material property used to represent the plastic material strength is calculated through the numerical analysis. To build a correct numerical model, the material behavior is summarized from previous uniaxial tensile test. The result from the fracture experiment for variable initial crack length is used to validate the reliability of the numerical model. The numerical analysis is done by the software ABAQUS which has the function to get the value of J-Integral directly. The final result contains the comparison between experiments and numerical analysis and the value of J-Integral at the crack initiation.