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With the need for stealth in defense applications steadily increasing, noise reduction continues to play an important role in the world of aeronautics. With the ever increasing number of small UAV flight vehicle designs and their stringent weight requirements, acoustic solutions become progressively more complex. This thesis investigates the use of refractory foam, a new class of porous material, for designing effective silencers for small IC engines. The solution must be lightweight, compact, conformable, and capable of handling the rigors of flight. Throughout the course of this research, many silencer designs were fabricated to take advantage of refractory foam technology. These silencer designs were then tested against existing designs using both anechoic and outdoor testing techniques. These results proved refractory foam to be a superior broadband noise absorber that can survive harsh flight environment. Silencer designs using this material showed overall improvements in the areas of noise reduction, weight, size, and backpressure, compared to commercial designs. The final silencer design boasted an Aweighted overall sound pressure level that was 12.1 dBA lower than the reference case. This result was accomplished using nearly half the volume required by other designs to attain similar results. / Master of Science

Un fondu de polymères est un liquide complexe constitué de chaînes macromoléculaires. Ces chaînes présentent la particularité d'offrir une distribution de temps caractéristiques extrêmement importante. L'ensemble de ces différentes échelles représente donc un défi pour la simulation numérique de polymères longs et sont bien au-delà des capacités des ordinateurs actuels. Un thème actuel de recherche porte donc sur le développement de modèles mésoscopiques (modèle gros grains). La construction d'un tel modèle consiste à éliminer les degrés de liberté rapide en regroupant un certain nombre d'atomes en un monomère. Ce monomère est représenté par une sphère molle évoluant dans un bain thermique créé par les degrés de liberté rapides éliminés au cours du processus de nivellement. La dynamique des particules créées est donc stochastique. La dynamique particulaire dissipative qui intègre ces idées est une combinaison de dynamique moléculaire, de Lattice Gas Automata ainsi que de dynamique Brownienne. Le champ de force DPD est constitué d'une interaction molle et d'un thermostat (force dissipative et bruit) et les paramètres de ce champ de force sont généralement calibrés sur des données expérimentales (compressibilité et diffusion). Cette approche est difficilement applicable aux mélanges de polymères. Pour surmonter cette difficulté, l'intégralité du champ de force DPD est construit à partir d'une dynamique moléculaire pour des corps purs ainsi que pour des mélanges. Nous montrons également que pour calculer correctement la force dissipative, la dynamique moléculaire doit être altérée en contraignant la position des monomères. Les coefficients de transport sont calculés par DPD et comparés à ceux obtenus par dynamique moléculaire. Ce travail s'achève par une étude de la transferabilité du champ de force du monomère vers toute une chaîne de polymères. / A molten polymer is a complex liquid consisting of macromolecular chains. These chains have many different time scales. All these scales present a real challenge to numerical simulations and exceed the computational capabilities of today's computers. A current topic of research therefore focuses on the development of mesoscopic models. The main idea behind coarse-graining is to eliminate fast degrees of freedom grouping atoms or molecules into clusters (or monomers). This monomer is represented by a soft sphere operating in a thermal bath generated by the fast degrees of freedom eliminated during the coarse-graining. Particle dynamics is therfore stochastic. Dissipative particle dyna-mics, which includes these ideas, is a combination of molecular dynamics, Lattice Gas Automata and Brownian dynamics. DPD force field consist of a soft interaction and a thermostat (dissipative and random force) and parameters of DPD interaction are generally optimized to match some macroscopic properties like compressibility or self-diffusion coefficient. This approach is difficult to apply to polymer melt. To overcome this problem, we apply an operational procedure available in the literature to the cons-truction of conservative and dissipative forces of DPD force field for pure substances and mixtures. We also show that in order to calculate the dissipative forces, the underlying molecular dynamics must be altered by constraining the position of the mo-nomers. Transport coefficients are calculated by DPD and compared with those obtained by molecular dynamics. This work concludes with a study of the transferability of the force field of the monomer to a chain of polymers.

La tension interfaciale est une grandeur physico-chimique d'intérêt pour de nombreuses industries et notamment l'industrie pétrolière. Cette grandeur est l'un des paramètres qui permet d'optimiser le rendement d'un puits de pétrole. La difficulté liée à sa mesure dans les conditions réservoirs a amené à étudier les systèmes eau/tensioactif/huile par simulation moléculaire. Ce travail a permis de montrer que la Dynamique Particulaire Dissipative (DPD) était un outil adapté pour l’étude de systèmes eau/tensioactif/huile sous différents aspects, de la caractérisation de la structure des interfaces au calcul de la tension interfaciale. Cette thèse a permis la démonstration de l’influence non-négligeable de la variation des paramètres de la force harmonique, l’amplitude K et la distance d’équilibre r0 , sur le calcul de la tension interfaciale et sur la structure des interfaces à forte concentration en tensioactif. En effet, la structure des tensioactifs aux interfaces est le résultat d’une balance subtile entre les forces intra et inter moléculaire. L’étude d’une population modèle de tensioactifs non chargés a permis de montrer que la DPD reproduit bien l'évolution de la tension interfaciale en fonction de la concentration en tensioactif en solution et en fonction du coefficient de partage de tensioactifs modèles non chargés. Une méthodologie est proposée pour caractériser les systèmes contenant des interfaces et où la tension interfaciale est calculée.Des travaux prospectifs ont permis de montrer que la DPD permettait d'étudier des phénomènes liés à la tension interfaciale comme le mûrissement d'Ostwald dans les émulsions d'huile dans l'eau. Ces derniers travaux ouvrent la voie à l’étude d’autres systèmes d’intérêt pour le milieu pétrolier comme le décollement de gouttes de pétroles adsorbées sur des parois ou l’étude d’émulsions pétrolières. / The interfacial tension is a physical-chemical property that numerous industrial areas have an interest of especially the petroleum industry. This property is one of the many which helps to optimize production wells' rate of return. Measuring that property in reservoir's conditions (high pressure and temperature) is highly difficult and led to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. The difficulty to measure that specific physical-chemical property linked to the pressure and temperature conditions in the reservoirs led the scientists to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. This thesis establishes that the Dissipative Particle Dynamics (DPD) is able to study water/surfactant/oil systems. The study of the effect of the variation of the harmonic force's parameters, namely the force constant K and the equilibrium distance r0, demonstrated that their variation can heavily influence the interfacial tension computation. Actually, a subtle balance exists between the intra and inter-molecular interactions, which influences the local structure of the surfactants at the oil-water interface, modifies the interfacial tension and influences the interface stability. It was demonstrated that DPD reproduces the variation of interfacial tension with the bulk surfactant concentration and the effect of the variation of hydrophobicity of models of un-charged surfactants on interfacial tension by mean of their coefficient partition. We established a method to properly study systems containing interfaces where interfacial tension is computed. Prospective work showed that DPD was a good tool to study microscopic phenomenon which can be observed macroscopically like the Ostwald ripening in oil in water emulsions. This is a first step before studying others systems of interest for the petroleum industry such as oil/water emulsion or the adsorption of oil droplets on rock wall.

In der vorliegenden Arbeit wird eine einheitliche und allumfassende Theorie der Nicht-linearen Polarisationsspektroskopie in der Frequenzdomäne (NLPF) aufgestellt. Dies Methode basiert auf der in einer isotropen Farbstofflösung durch ein polarisiertes, monochromatisches Laserfeldes (pump) erzeugten Anisotropie, die mittels eines weiteren monochromatischen Laserfeldes (probe), mit einer um 45° gegenüber dem Pumpfeld gedrehten Polarisationsrichtung geprobt wird. Ausgehend von den grundlegenden Gleichungen für den nichtlinearen Respons molekularer Systeme auf elektromagnetische Felder wird das zweidimensional NLPF-spektrum hergeleitet, und zwar sowohl in der niedrigsten Ordnung Störungstheorie als auch unter Verwendung eines selbstkonsistenten Ansatzes für beliebige Pumpfeldstärken. In der niedrigsten Ordnung Störungstheorie können drei in ihrer Frequenzabhängigkeit sich unterscheidende Arten von Ausdrücke explizit angegeben werden. Diese sind drei Areten von Peaks im NLPF-spektrum zuzuordnen: Den T2-peaks, dem T1-peaks und den Zweiphotonen-peaks. Letztere sind unter Normalbedingungen im allgemeinen nicht beobachtbar und wurden daher nicht weiter behandelt. Die in dieser Arbeit erstmals gelungene, allgemeine und einheitliche theoretische Beschreibung der T1- und T2-peaks in NLPF-spektren von Mehrniveausystemen stellt einen Durchbruch hin zu einer allumfassenden Subbandenanalyse mittels NLPF dar. Durch Einbeziehung der teilweise bereits bekannten Auswirkungen homogener und inhomogener Linienverbreiterung und spektraler Diffusion auf NLPF-spektren, sowie deren Verallgemeinerung im Ramen der Theorie nichtmarkowscher Dissipationsprozesse, konnte eine Methodik entwickelt werden, die es erlaubt, NLPF-spektren molekularer und supramolekularer Systeme in Bezug auf das ihnen zugrundeliegende Termschema mit Übergangsfrequenzen und -dipolen, die homogenen und inhomogenen Linienbreiten, sowie dem zugeordneten Energierelaxations- und -transferpfad mitsamt zugehörigen Raten zu analysieren. Die in dieser Arbeit vorgestellte und über frühere rudimentäre Ansätze weit hinausgehende Theorie der NLPF bei starken Pumpfeldern, die auf einem selbstkonsistenten Ansatz für den Fourier-transformierten statistischen Operator beruhen, eröffnet ein komplett neues Feld von Anwendungen der NLPF. Für Zweiniveausysteme konnten die selbstkonsistenten Gleichung vollständig analytisch gelöst werden. Dabei konnten die Querverbindungen zur nichtlinearen Absorption und zum optischen Starkeffekt aufgezeigt werden. Aus der resultierenden Sättigungskurve für das NLPF-signal kann die Sättigungsintensität mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Diese kann unter Heranziehen der aus Analyse des T1-peaks bei niedrigen Intensitäten gewonnen Energierelaxationsrate und der analog aus T2-peakanalyse erhaltenen homogenen Linienbreite zur Bestimmung der Dipolstärke des Übergangs ohne Bestimmung der Farbstoffkonzentration verwendet werden. Dies erweist sich insbesondere bei der Analyse molekularer Aggregation als vorteilhaft. Durch Abbildung auf das gelöste Zweiniveauproblem konnte die Methodik auch auf spezielle Mehrniveausysteme übertragen werden. Eine analytische Lösung für allgemeine Mehrniveausysteme scheiterte jedoch an der komplizierten Orientierungsmittelung über die isotrope Verteilung der Übergangsdipole. Beide oben beschriebenen Methoden, Subbandanalyse bei niedrigen und Bestimmung der Übergangsdipolstärke bei hohen Pumpintensitäten, wurden in der vorliegenden Arbeit zur Untersuchung der Natur der angeregten Zustände in photosynthetischen Antennen von Purpurbakterien und höheren Pflanzen eingesetzt. Für die periphere lichtsammelnde Antenne LH2 des Purpurbakteriums Rhodobacter sphaeroides ergab die T2-peakanalyse der B850-absorptionsbande überraschenderweise zwei Subbanden, die im Absorptionsspektrum selbst bei tiefsten Temperaturen nicht aufzufinden gewesen wären. Eine Erklärung für die in Bezug auf die Oszilatorstärke asymmetrische Aufspaltung der B850-bande konnte allerdings nicht gefunden werden. Für den LH2 des sehr ähnliche Purpurbakterium Rhodospirillium molischianum konnte keine Aufspaltung der B850-bande festgestellt werden. Vielmehr liegt eine überwiegend homogen verbreiterte Bande mit einer homogener Linienbreite (FWHM) von 474±10 cm-1 und einem oberen limit für die inhomogene Linienbreite von 120 cm-1 vor. Daher wurde Rhodospirillium molischianum ausgewählt, um Delokalisation der Anregung im B850-aggregat mittels pumpintensitätsabhängiger NLPF zu untersuchen. Die Frage nach der Delokalisationslänge im B850-aggregat gab und gibt teilweise immer noch Anlass zu hitzigen Debatten. Das Ergebnis einer Ausdehnung der Anregung über 3-4 Bakteriochlorophylle des B850-aggregats der vorliegenden Arbeit unterstützt die aus Exciton-Exciton gewonnen Resultate. Weder eine vollständig lokalisierte noch vollständig delokalisierte Beschreibung war mit dem hier präsentierten Ergebnis in Übereinstimmung zu bringen. Auch im Hauptlichtsammelkomplex höherer Pflanzen LHC II konnte mittels pumpintensitätsabhängiger NLPF-spektren Delokalisation der Anregung über mindestens ein Chlì¥Á / In the work be presented a standard theory of non-linear polarization spectroscopy in the frequency domain (NLPF) will be established. The NLPF technique based on anisotropy induced in a dye-solution, which is isotropic elsewhere, by a polarized monochromatic pump laser field. This is probed by a second laser field, which polarization direction is turned of 45 degree in respect to that of the pump. From the fundamental equations describing the non-linear response of molecular systems on electromagnetic fields, the two-dimensional NLPF spectrum is deduced for arbitrary pump-intensities. At low pump-intensities a subband analysis by NLPF has been established. This allows one to study the term scheme and energy relaxation path of molecular and supra-molecular systems by their NLPF-spectra. This includes the determination of transition-frequencies and -dipole orientations, homogeneous and inhomogeneous linewidths, as well as energy relaxation rates. Furthermore, using a self-connsistent approach, the pump-fieled dependence of the NLPF-spectrum has been deduced for the two-level system in general and also for specific multi-level systems. This method allows one to determine the oscillator strength without knowledge of the concentration, what is quite useful for studying molecular aggregates. Applications are presented to the peripheral light harvesting antenna LH2 of purple bacteria and the light harvesting complexes LHC II and CP 29 of higher plants.

This thesis endeavors towards developing various concepts employed in analysis and design of acoustic filters for varied applications ranging from combination mufflers for automobiles to complex networks of gas carrying ducts to multiply connected complex automotive silencing devices to the noise control coatings for underwater applications. A two-dimensional wave modeling approach has been proposed to evaluate sound attenuation characteristics of dissipative mufflers of finite length with/without extended inlet and outlet tubes including very large mufflers. The correctness of the method has been validated through comparison with experimental results from literature. Two other frequently used approximate schemes have been discussed briefly with reference to the available literature. These three approaches have then been weighed against each other to show the effectiveness and limitations of each one. A thorough comparison study has been performed to investigate each one’s extent of applicability. A parametric study with different parameters suggests some useful design guidelines that can be put to use while designing such mufflers. Benefits and drawbacks of reactive and dissipative mufflers have been discussed with an intention of striking a compromise between them to achieve a better transmission quality over a broad frequency range. This has been accomplished by combining these two types of mufflers/filters explicitly. These combination mufflers are analyzed using a transfer matrix based approach by extending the aforesaid concept of two-dimensional wave modeling for finite dissipative ducts. The present approach has been used to analyze axi-symmetric circular lined plenum chambers also. The effectiveness of the bulk reaction assumption to model absorptive lining is illustrated. A parametric study has been carried out to investigate the effects of different thicknesses and placements of the absorptive lining. The contributions of reflective and absorptive portion of the combination mufflerto overall attenuation performance have been investigated from the designer’s point of view A generalized algorithm has been developed for studying the plane sound wave propa- gation in a system of interconnected rigid-walled acoustic filter elements. Interconnection between various elements is represented by a connectivity matrix. Equations of volume velocity continuity and pressure equilibrium at the interconnections are generated using this connectivity matrix and are solved using the Gauss-Jordan elimination scheme to get the overall transfer matrix of the system. The algorithm used for generalized labeling of the network and computation of Transmission Loss has also been discussed. The algorithm has been applied to investigate a multiply connected automobile mufflers as a network of acoustic elements which guides the way to a specialized application discussed next. Results for some configurations have been compared with those from the FEM analysis and experiments. A parametric study with respect to some geometric variables is carried out. The acoustical similarity between apparently different networks is discussed. The approach is flexible to incorporate any other acoustic elements, provided the acoustic variables at the junctions of the element can be related by a transfer matrix a priori. Commercial automotive mufflers are often too complex to be broken into a cascade of one dimensional elements with predetermined transfer matrices. The one dimensional (1-D) scheme presented here is based on an algorithm that uses user friendly visual volume elements to generate the system equations which are then solved using a Gauss-Jordan elimination scheme to derive the overall transfer matrix of the muffler. This work attempts and succeeds to a great extent in exploiting the speed of the one dimensional analysis with the flexibility, generality and user friendliness of three dimensional analysis using geometric modeling. A code based on the developed algorithm has been employed to demonstrate the generality of the proposed method in analyzing commercial muffers by considering three very diverse classes of mufflers with different kinds of combinations of reactive, perforated and absorptive elements. Though the examples presented in the thesis are not very complex for they are meant to be just representative cases of certain classes of mufflers, yet the algorithm can handle a large domain of commercial mufflers of high degree of complexity. Results from the present algorithm have been validated through comparisons with both the analytical and the more general, three-dimensional FEM based results. The forte of the proposed method is its power to construct the system matrix consistent with the boundary conditions from the geometrical model to evaluate the four pole parameters of the entire muffer and thence its transmission loss,etc. Thus, the algorithm can be used in conjunction with the transfer matrix based muffler programs to analyze the entire exhaust system of an automobile. A different kind of acoustic filter than the above mentioned cases is then taken up for investigation. These refer to the specialized underwater acoustic filters laid as linings on submerged bodies. These kind of underwater noise control linings have three different types of objectives, namely, Echo Reduction, Transmission Reduction (TL maximization) and a combination thereof. These coatings have been shown to be behaving very differently with different shape, size and number of air channels present in the layer. In this regard, a finite element model based methodology has been followed. An hybrid type finite element based on the Pian and Tong formulation has been modified and used so as to make the computational efforts less demanding as compared to the original one. The developed finite element has been shown to be immune to the difficulties that arise due to the near incompressible characteristics of the viscoelastic materials used and the high distortion of the elements of the FE mesh. The adequacy of this formulation has been shown by comparing its results with the analytical, FE based, and experimental results. Then, this methodology has been used to analyze and generate design curves to control various geometrical parameters for proper designing of these linings. Different unit cell representations for different types of distributions of air cavities on the linings have been discussed. Four different types of layers have been introduced and analyzed to address different objectives mentioned above. They have been termed as the Anechoic layer, Insulation layer and Combination Layer of coupled and decoupled type in this thesis. The first two layers have been designed to achieve very dissimilar characteristics and the next two layers have been designed to balance their disparities. A thorough parametric study has been carried out on the geometrical parameters of all the layers to come up with the design guidelines. For anechoic and the insulation layers, different distributions have been analyzed with different unit cell geometries and their usability in specific situations has been outlined. Effect of static pressure has also been studied by using an approximate finite element method. This method can be used to simulate deep-sea testing environment.

Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige Methode zur Charakterisierung der Deformationseigenschaften sowie des Rissverhaltens von Elastomeren unter komplexer mehrachsiger Belastung dar. Dazu wurden experimentelle und theoretischen Arbeiten durchgeführt, die einen Deformationsvorgang unter einer mehrachsigen Belastung sowie das Risswachstumsverhalten aus der energetischen Sicht beschreiben. Für die Untersuchungen wurde zunächst ein neues Klemmsystem für die Prüfmaschine „Biaxial-Tester“ von Fa. Coesfeld GmbH & Co. KG (Dortmund, Germany) entworfen und realisiert, um die experimentellen Untersuchungen in einem erweiterten Amplituden-Frequenz-Bereich zu ermöglichen. Zuerst wurden die bekannten Analysemethoden für die Untersuchungen von Materialien unter mehrachsiger Belastung durchgeführt. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen an verschiedenen Elastomeren wurden mit dem „Erweiterten Röhrenmodell“ parametrisiert. Für die Analyse des Risswachstumsverhaltens unter multiaxialer Belastung wurde das Konzept des „J-Integral“ angewendet. Die Methode kann durch einen wesentlichen Beitrag an im Bulk dissipativer Energie in verformten Elastomeren nur sehr bedingt angewendet werden. Der Großteil der Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung und Beschreibung des Materialverhaltens aus energetischer Sicht. Mit Hilfe von mehrachsigen dynamischen Untersuchungen wurde herausgearbeitet, dass, unabhängig vom Verformungszustand, die gleiche Energiemenge dissipiert wird, wenn der Betrag der von-Mises-Vergleichsdehnung gleich ist. Damit konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedliche Höhe der dissipativen Effekte eine Funktion des Verformungszustandes ist. Diese Effekte beeinflussen auch die Situation an der Rissspitze bei zyklischer Belastung. Die Zusammenhänge zwischen der von-Mises-Dehnung, der dissipativen Erwärmung und der Rissausbreitung wurden analysiert und zur Charakterisierung des Materialverhaltens an der Rissspitze verwendet. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war Bestimmung der Spannungs- bzw. Dehnungssituation an der Rissspitze, sowie der Weiterreißenergie für das Risswachstum. Die dissipierte Energie in den homogen belasteten Bereichen einer gekerbten Probe und in der Nähe der Rissspitze korrelieren mit dem Risswachstumsverhalten. Die Abhängigkeit der Risswachstumsgeschwindigkeit und des thermischen Zustands an der Rissspitze von der von-Mises-Dehnung wurden sowohl für den Fall eines stabilen Riss¬wachstums (für gefüllten Lösungs-Styrol-Butadien-Kautschuk) und auch für Doppelrissbildung bzw. Rissverzweigung (gefüllter Naturkautschuk) bestimmt. Ein physikalisch motiviertes Modell wurde dargestellt zur Bestimmung der Dehnung an der Rissspitze. Damit wurde der Zusammenhang zwischen Dehnung, Energiedissipation und Temperatur des Elastomers in der Nähe der Rissspitze bestimmt. Bei der Auswertung des Risswachstums im Fall einer Doppelrissbildung wurde festgestellt, dass das Auftreten von Doppelrissen in dem Material vom Belastungszustand abhängt und sich die in dem homogen gedehnten Probenbereich gespeicherte elastische Energie auf die Rissspitzen verteilt. Dabei müssen die Länge und Winkel des Risses bzw. der Risse berücksichtigt werten. Die dargestellte Methode für die Auswertung der Weiterreißenergie über den Zusammenhang zwischen Energiedissipation und von-Mises-Dehnung oder Gleichgewichts-temperaturdifferenzen, wurde mit der klassischen Methode von Rivlin & Thomas verglichen, dabei wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Mit dem entwickelten Ansatz zur Erfassung des dissipativen Materialverhaltens bei komplexen Belastungssituationen durch eine, z. B. mittels Bildkorrelationsanalyse ermittelte, von-Mises-Dehnung oder eine ortsaufgelöste Temperaturmessung lässt sich das lokale Dissipationsverhalten des Materials abzuschätzen. Dadurch können sowohl die Materialeigenschaften als auch das Risswachstums in einem komplexen Belastungszustand unabhängig von der Art der Belastung und unabhängig davon, ob es einen einzelnen oder mehrere Risse gibt, analysiert werden.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis ix 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufgaben und Ziele der Arbeit 2 2 Stand der Technik und theoretische Grundlagen 5 2.1 Elastomere Werkstoffe 5 2.1.1 Elastomermatrix 6 2.1.2 Füllstoffe 7 2.2 Eigenschaften unter einer multiaxialen Belastung 8 2.2.1 Multiaxiale Spannung und Deformation 8 2.1.1 Vergleichsdehnung und Vergleichsspannung 12 2.2.2 Biaxialität 14 2.3 Materialmodelle 14 2.3.1 Hyperelastizität 15 2.3.2 Viskoelastizität 21 2.4 Globale Energiebilanz bei der Verformung 25 2.4.1 Verformungsenergie und Hystereseverhalten 25 2.4.2 Thermodynamik und Entropieelastizität 26 2.4.3 Entropie- und energieelastische Anteile der inneren Energie und dissipative Erwärmung 30 2.5 Bruchmechanische Konzepte 31 2.5.1 Mechanik des Risswachstums 31 2.5.2 Charakteristisches Bruchverhalten von Elastomeren. Globale Methode 33 2.5.3 Invariantes J-Integral. Lokale Methode 34 2.5.4 Ermüdungsrissverhalten von Elastomeren 35 3 Geräte und Materialien 39 3.1 Erweiterter Biaxial-Tester 39 3.1.1 Prüfkörper 40 3.1.2 Optisches System 40 3.1.3 Thermographie 41 3.2 Weitere Prüfsysteme 43 3.3 Untersuchte Materialien 43 4 Deformations- und Bruchverhalten bei multiaxialer Belastung 45 4.1 Konstitutive Beschreibung der Materialeigenschaften 45 4.1.1 Mullins Effekt. Einfluss auf die Parametrisierung 45 4.1.2 Untersuchung der Eigenschaften im quasistatischen multiaxialen Belastungszustand 50 4.2 Charakterisierung des Bruchverhaltens. Pfadabhängigkeit der lokalen Methode 53 4.2.1 Vergleich der globalen und lokalen Methoden zur Berechnung der Weiterreißenergie 54 4.2.2 J-Integral für multiaxiale Belastung 55 4.2.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 58 5 Energetische Charakterisierung des Deformationsprozesses 59 5.1 Energiebilanz bei der homogenen Deformation 59 5.2 Dehnungsbestimmung an der Rissspitze 62 5.3 Experimentelles Vorgehen für die Bestimmung der Energiebeiträge 62 5.3.1 Durchführung der multiaxialen Untersuchungen 63 5.3.2 Experimenteller Ablauf 63 5.4 Materialverhalten unter einer homogenen Verformung 65 5.4.1 Gleichgewichtszustand 65 5.4.2 Mechanische Charakterisierung des mehrachsigen Spannungszustandes 68 5.4.3 Wärmeentwicklung und energetische Beiträge 73 5.5 Materialverhalten von SBR50 unter inhomogener Belastung 82 5.5.1 Risswachstumsgeschwindigkeit bei einem kontinuierlichen Risswachstum 83 5.5.2 Maximaltemperatur in der Nähe der Rissspitze 84 5.5.3 Dehnung und Temperatur an der Rissspitze 88 5.6 Inhomogene Belastung und instabiles Risswachstum bei NR20 93 5.6.1 Doppelrissbildung 93 5.6.2 Temperaturentwicklung bei Doppelrissbildung 95 5.6.3 Risswachstumsgeschwindigkeit 99 5.6.4 Globale Energie und Risswachstum 101 5.6.5 Weiterreißenergie bei einer Doppelrissbildung 102 5.7 Zusammenfassung der energetischen Untersuchungen 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 6.1 Zusammenfassung 107 6.2 Bedeutung der Ergebnisse für die praktische Nutzung 110 7 Literaturverzeichnis 111 8 Eidesstattliche Erklärung 119 9 Anhang 121

Motivated by the sustained interest in Bose Einstein condensates and the recent progress in the understanding of topological phases in condensed matter systems, we study quantum condensates and possible topological phases of bosons in coupled light-matter excitations, so-called polaritons. These bosonic quasi-particles emerge if electronic excitations (excitons) couple strongly to photons. In the first part of this thesis a polariton Bose Einstein condensate in the presence of disorder is investigated. In contrast to the constituents of a conventional condensate, such as cold atoms, polaritons have a finite life time. Then, the losses have to be compensated by continued pumping, and a non-thermal steady state can build up. We discuss how static disorder affects this non-equilibrium condensate, and analyze the stability of the superfluid state against disorder. We find that disorder destroys the quasi-long range order of the condensate wave function, and that the polariton condensate is not a superfluid in the thermodynamic limit, even for weak disorder, although superfluid behavior would persist in small systems. Furthermore, we analyze the far field emission pattern of a polariton condensate in a disorder environment in order to compare directly with experiments. In the second part of this thesis features of polaritons in a two-dimensional quantum spin Hall cavity with time reversal symmetry are discussed. We propose a topological invariant which has a nontrivial value if the quantum spin Hall insulator is topologically nontrivial. Furthermore, we analyze emerging polaritonic edge states, discuss their relation to the underlying electronic structure, and develop an effective edge state model for polaritons.

High strength, light weight and flexibility have made fabrics the preferred material for personal body armor and other impact protection applications such as passenger airbags, turbine blade containment systems, military and motorcycle helmets, and space debris shields. Recently, a shear thickening fluid has been used to treat a Kevlar fabric for an additional enhancement to the ballistic resistance of the neat fabric. Motivated by this technique of dissipation augmentation to high strength fabrics, this research aims at investigating the incorporation of other energy-dissipative materials into high strength fabrics. Specifically, two magnetic field-responsive materials (a magnetorheological fluid and Terfenol-D) have been used as a dissipation augmentation of Kevlar fabrics. No previous work has reported either experimental or computational research on the impact dynamics of Kevlar fabric treated with magnetorheological fluids or magnetostrictive solids. This research has investigated both computational modeling and experimental evaluation of the impact dynamics of textile composite armor, treated with magnetic field-responsive materials. Fragment simulating projectile impact tests have been conducted for the fabricated composite targets under an applied magnetic field. A computational model based on a hybrid particle-element method has been developed, to simulate the impact dynamics of composite fabric targets embodying magnetorheological fluids. This model is a mesoscale multiphysics model which can simulate impact dynamics including complex magneto-thermo-mechanical coupling effects as well as interactions among a projectile, fabric yarns, and magnetorheological fluid particles. Computer simulations have been performed to validate the hybrid particle-element method against experimental results. The computational method developed in this research has shown good agreement with the experimental data, in terms of the ballistic limit and residual velocity of a striking projectile. As fabric impact protection systems become more complex, and more expensive materials are introduced, computation may play a more important role in design. Therefore, the hybrid particle-element model in this dissertation may contribute to the improvement of the computational capability for virtual prototyping of fabric-interstitial fluid composites. / text