Orientador: Gustavo Silva Wiederhecker / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T10:33:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luiz_GustavoDeOliveira_D.pdf: 5507367 bytes, checksum: 506db63a5a93a33d67a84dbb1f7b33ce (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nas últimas décadas a optomecânica de microcavidades chamou a atenção de cientistas e engenheiros, que encontraram na interação entre luz e ondas acústicas aplicações que variam de sensores de massa com resolução atômica, até a preparação de estados quânticos de osciladores harmônicos mesoscópicos, passando por simuladores quânticos, filtros ópticos controláveis opticamente, criação de estados topológicos para luz e fônons, apenas citando alguns exemplos. Apesar das diversas demonstrações de vários dispositivos, sendo discos e cristais fotônicos os formatos mais comuns, há ainda um grande esforço no sentido de aperfeiçoá-los reduzindo perdas ópticas e mecânicas e suprimindo outros fenômenos de óptica não-linear, como absorção de dois fótons, que podem impedir seu funcionamento apropriado. Como ressonadores ópticos e mecânicos tipicamente compartilham a mesma estrutura nestes dispositivos, seus projetos são acoplados, dificultando o aprimoramento independente de cada um. Nesta tese usamos dispositivos optomecânicos de campo próximo, cuja interação entre modos mecânicos e ópticos se dá através do campo evanescente do último, para desacoplar o projeto mecânico do óptico, o que nos permitiu estudar a otimização do ressonador mecânico sem qualquer efeito sobre a cavidade óptica. Com um ressonador mecânico de silício composto por dois osciladores acoplados, pudemos demonstrar que o correto equilíbrio das massas de cada oscilador é um método simples e eficiente para suprimir as perdas devido à radiação de energia mecânica para o substrato na escala de frequência de 50 MHz. Este processo permitiu que fatores de qualidade limitados por perdas relacionadas ao material e à superfície, da ordem de 10 mil à temperatura ambiente e de 50 mil a aproximadamente 25 K, fossem obtidos. Também observamos nestes dispositivos o fenômeno de auto-pulsação, que apresenta uma dinâmica própria tão interessante quanto a optomecânica, apesar de impedir a operação apropriada dos osciladores optomecânicos. Estudamos este fenômeno separadamente e demonstramos que estes pulsos, ocorrendo em duas cavidades ópticas acopladas por seus campos evanescentes, podem sincronizar com o campo óptico sendo o único intermediador. Ambas as demonstrações têm implicações importantes, abrindo caminho para o desenvolvimento de novas plataformas de interesse tanto científico quanto tecnológico, como estruturas para o estudo de estados topológicos para a luz e para ondas acústicas e geradores de sinal de radio-frequência de alto desempenho. Além disso, os dispositivos foram todos produzidos em uma fábrica comercial, o que também demonstra que sua fabricação está pronta para ser escalada para produção em massa / Abstract: Cavity optomechanics in the micro-scale has attracted the attention of scientists and engineers on the last few decades, who encountered applications to the interaction of light and acoustic waves ranging from atomic resolution mass sensors to the preparation of quantum states of mesoscopic harmonic oscillators, passing by quantum simulators, optically controllable optical filters, formation of topological states for both photons and phonons, just to mention a few examples. Although various devices have been demonstrated, with disks and photonics crystals being the most common designs, there is still a large effort to improve them by reducing optical and mechanical losses and suppressing other non-linear phenomena, such as two-photon absorption, that may affect their proper operation. Because optical and mechanical resonators typically share the same structure in these devices, their designs are coupled, which complicates the independent improvement of each one. In this thesis we used near-field optomechanical devices, whose mechanical modes interact with the optical through the latter¿s evanescent field, to decouple the mechanical design from the optical, what allowed us to focus all attention on the mechanical resonator. With a silicon mechanical resonator composed of two coupled oscillators, we could demonstrate that the correct balance of the masses of the oscillators is an efficient and simple way to suppress losses due to energy radiation to the substrate at the 50 MHz frequency range. This strategy led to material and surface limited quality factors close to 10k at room temperature and 50k at approximately 25 K. We also observed the phenomenon of self-pulsing in these devices, which presents dynamics as interesting as the optomechanical interactions do, in spite of being a problem for the proper operation of the optomechanical devices. We studied this phenomenon separately and demonstrated that these pulses, when occurring in two evanescently coupled optical cavities, may synchronize with the optical field being the sole intermediary. These two demonstrations have important implications, paving the way for new platforms of scientific and technological interest, such as structures for the study of topological states for both light and acoustic weaves as well as high efficiency radio-frequency signal generators. Moreover, these devices were all fabricated in a commercial foundry, which also demonstrates that the fabrication of such technology is ready to be scaled up to mass production / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 153044/2013-6 / CNPQ

[pt] Estruturas com elementos de seção aberta e paredes delgadas são amplamente utilizados em estruturas metálicas. Estes elementos têm, em geral, baixa rigidez a torção. Para seções monosimétricas e assimétricas, quando o centro de cisalhamento não coincide com o centro de gravidade, pode ocorrer acoplamento entre flexão e torção. Devido à baixa rigidez à torção, podem ocorrer grandes rotações das seções transversais da viga. Assim, uma análise do comportamento de tais elementos estruturais, levando em consideração a não linearidade geométrica, é desejável. Com este objetivo, equações diferenciais parciais de movimento que descrevem o acoplamento flexão-flexão-torção são utilizadas, em conjunto com o método de Galerkin, para se obter um conjunto de equações discretizadas de movimentos, que é resolvido pelo método Runge-Kutta. A partir das equações linearizadas, obtêm-se as frequências naturais, cargas críticas axiais e a relação entre carga axial e frequência para vigas com diferentes condições de contorno. A seguir, estudam-se as oscilações não lineares e bifurcações de uma viga engastada-livre submetida a cargas laterais harmônicas. Uma análise paramétrica detalhada, usando várias ferramentas de dinâmica não linear, investiga o comportamento dinâmico não linear e não planar da viga nas três primeiras regiões de ressonância e a influência da não linearidade, posição do carregamento, restrições à torção e parâmetros de controle do carregamento na estabilidade dinâmica da estrutura. / [en] Structural elements with open and thin-walled section are widely used in metal structures. These elements have, in general, low torsional stiffness. For monosymmetric and asymmetric sections, when the shear center does not coincide with the center of gravity coupling between bending and torsion may occur. Due to the low torsional stiffness, large twist beam cross sections may arise. Thus, an analysis of the behavior of such structural elements, taking into account the geometric nonlinearity, is desirable. For this purpose, partial differential equations describing the flexural-flexural-torsional coupling are used in conjunction with the Galerkin method to obtain a set of discretized equations of motion, which is solved by the Runge-Kutta method. From the linearized equations, we obtain the natural frequencies, axial critical loads, and the axial load and frequency relationship for beams with different boundary conditions. Next, we study the nonlinear oscillations and bifurcations of a clamped-free beam subjected to harmonic lateral loads. A detailed parametric analysis, using various nonlinear dynamics tools, investigates the nonlinear dynamic behavior and nonplanar motions of the beam for the first three regions of resonance and the influence of the non-linearity, loading position, torsional restraints and load control parameters on the dynamic stability of the structure.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-10Bitstream added on 2014-06-13T19:06:28Z : No. of bitstreams: 1 brtka_m_dr_ift.pdf: 1102252 bytes, checksum: 1a7b66f943a95b6ff94475b02062691c (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Estudamos as oscilações não-lineares de um condensado de Bose-Einstein em três dimensões numa armadilha com simetria esférica e com comprimento de espalhamento periódico no tempo. Usamos o método variacional dependente do tempo e deduzimos a equação para a largura do condensado. A partir desta equação, analisaremos as características das ressonâncias não-lineares e o efeito de bi-estabilidade em oscilações da largura do condensado. Previsões teóricas são confirmadas pelas simulações numéricas da equação de Gross-Pitaevskii. / Nonlinear oscillations of a 3D radial symmetric Bose-Einstein condensate (BEC) under periodic variation in time of the atomic scattering length have been studied. The time-dependent variational approach is used for analysis of the characteristics of nonlinear resonances in the oscillations of the condensate. The bistability in oscillations of the BEC width is investigated. Predictions of the theory are confirmed by numerical simulations of the full Gross-Pitaevskii equation.

Resumo: Estudamos as oscilações não-lineares de um condensado de Bose-Einstein em três dimensões numa armadilha com simetria esférica e com comprimento de espalhamento periódico no tempo. Usamos o método variacional dependente do tempo e deduzimos a equação para a largura do condensado. A partir desta equação, analisaremos as características das ressonâncias não-lineares e o efeito de bi-estabilidade em oscilações da largura do condensado. Previsões teóricas são confirmadas pelas simulações numéricas da equação de Gross-Pitaevskii. / Abstract: Nonlinear oscillations of a 3D radial symmetric Bose-Einstein condensate (BEC) under periodic variation in time of the atomic scattering length have been studied. The time-dependent variational approach is used for analysis of the characteristics of nonlinear resonances in the oscillations of the condensate. The bistability in oscillations of the BEC width is investigated. Predictions of the theory are confirmed by numerical simulations of the full Gross-Pitaevskii equation. / Orientador: Roberto A. Kraenkel / Coorientador: Arnaldo Gammal / Banca: Felipe Barbedo Rizzato / Banca: Lauro Tomio / Banca: Emerson José Veloso dos Passos / Doutor

Dans cette thèse, nous étudions les équations d’ondes non-linéaires discrètes dans des réseaux finis arbitraires. C’est un modèle général, où le Laplacien continu est remplacé par le Laplacien de graphe. Nous considérons une telle équation d’onde avec une non-linéarité cubique sur les nœuds du graphe, qui est le modèle φ4 discret, décrivant un réseau mécanique d’oscillateurs non-linéaires couplés ou un réseau électrique où les composantes sont des diodes ou des jonctions Josephson. L’équation d’onde linéaire est bien comprise en termes de modes normaux, ce sont des solutions périodiques associées aux vecteurs propres du Laplacien de graphe. Notre premier objectif est d’étudier la continuation des modes normaux dans le régime non-linéaire et le couplage des modes en présence de la non-linéarité. En inspectant les modes normaux du Laplacien de graphe, nous identifions ceux qui peuvent être étendus à des orbites périodiques non-linéaires. Il s’agit des modes normaux dont les vecteurs propres du Laplacien sont composés uniquement de {1}, {-1,+1} ou {-1,0,+1}. Nous effectuons systématiquement une analyse de stabilité linéaire (Floquet) de ces orbites et montrons le couplage des modes lorsque l’orbite est instable. Ensuite, nous caractérisons tous les graphes pour lesquels il existe des vecteurs propres du Laplacien ayant tous leurs composantes dans {-1,+1} ou {-1,0,+1}, en utilisant la théorie spectrale des graphes. Dans la deuxième partie, nous étudions des solutions périodiques localisées spatialement. En supposant une condition initiale de grande amplitude localisée sur un nœud du graphe, nous approchons l’évolution du système par l’équation de Duffing pour le nœud excité et un système linéaire forcé pour le reste du réseau. Cette approximation est validée en réduisant l’équation φ4 discrète à l’équation de Schrödinger non-linéaire de graphes et par l’analyse de Fourier de la solution numérique. Les résultats de cette thèse relient la dynamique non-linéaire à la théorie spectrale des graphes. / In this thesis, we study the discrete nonlinear wave equations in arbitrary finite networks. This is a general model, where the usual continuum Laplacian is replaced by the graph Laplacian. We consider such a wave equation with a cubic on-site nonlinearity which is the discrete φ4 model, describing a mechanical network of coupled nonlinear oscillators or an electrical network where the components are diodes or Josephson junctions. The linear graph wave equation is well understood in terms of normal modes, these are periodic solutions associated to the eigenvectors of the graph Laplacian. Our first goal is to investigate the continuation of normal modes in the nonlinear regime and the modes coupling in the presence of nonlinearity. By inspecting the normal modes of the graph Laplacian, we identify which ones can be extended into nonlinear periodic orbits. They are normal modes whose Laplacian eigenvectors are composed uniquely of {1}, {-1,+1} or {-1,0,+1}. We perform a systematic linear stability (Floquet) analysis of these orbits and show the modes coupling when the orbit is unstable. Then, we characterize all graphs for which there are eigenvectors of the graph Laplacian having all their components in {-1,+1} or {-1,0,+1}, using graph spectral theory. In the second part, we investigate periodic solutions that are spatially localized. Assuming a large amplitude localized initial condition on one node of the graph, we approximate its evolution by the Duffing equation. The rest of the network satisfies a linear system forced by the excited node. This approximation is validated by reducing the discrete φ4 equation to the graph nonlinear Schrödinger equation and by Fourier analysis. The results of this thesis relate nonlinear dynamics to graph spectral theory.

[pt] Há um interesse crescente na aplicação de vigas e colunas de paredes finas de materiais compostos em vários campos da engenharia. No entanto, pouco se sabe sobre seu comportamento não linear local e global sob cargas estáticas e dinâmicas. Aqui se apresenta a análise local e global de um perfil com seção canal de polímero reforçado com fibras. Na análise global, as equações não lineares de movimento da coluna de parede fina são derivadas em termos dos dois deslocamentos de flexão e do ângulo de torção, levando em consideração grandes deslocamentos, efeitos de empenamento e encurtamento. As equações de movimento não lineares governantes são discretizadas no espaço usando o método de Galerkin. Para a análise local, a seção do canal é discretizada em três placas, que são modeladas usando duas teorias não lineares de placas: a teoria clássica e a teoria de deformação por cisalhamento de primeira ordem. O sistema contínuo é discretizado usando o método de Ritz. Inicialmente são determinados analiticamente, através da resolução dos respectivos problemas de autovalor, a carga e modo crítico, as frequências naturais de vibração, bem como a relação carga-frequência do perfil em função da sua geometria e das propriedades do material. A seguir são obtidos, usando o método de Newton-Raphson e técnicas de continuação, os caminhos pós-críticos da estrutura perfeita e os caminhos não lineares de equilíbrio da estrutura imperfeita e investiga-se a sensibilidade a imperfeições, considerando diversos tipos de imperfeições geométricas. Finalmente, investigam-se as oscilações não lineares e a instabilidade paramétrica da coluna sob cargas axiais harmônicas. As equações de movimento não lineares são resolvidas numericamente pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem. As regiões de instabilidade paramétrica são determinadas como uma função dos parâmetros do material ortotrópico, amortecimento e geometria da seção transversal. Os diagramas de bifurcação são obtidos empregando técnicas de continuação e o método da força bruta, e a estabilidade das soluções é posteriormente investigada usando a teoria de Floquet. A análise de bifurcação permite a identificação das bifurcações associadas às fronteiras de instabilidade paramétrica, bem como a existência de soluções coexistentes. Em seguida, a evolução das bacias de atração das soluções coexistentes em função da magnitude da excitação é investigada, a fim de avaliar a integridade dinâmica das soluções. Os resultados demonstram que a coluna pode perder estabilidade em níveis de carga bem abaixo da carga de flambagem estática e, portanto, o projetista deve ter cuidado ao lidar com essas estruturas sujeitas a cargas axiais variáveis no tempo. / [en] The continuous system is discretized using the Ritz method. Initially, the load and critical mode of the profile, its natural frequencies, as well as the load-frequency relation are determined analytically as a function of the column geometry and material properties by solving the respective eigenvalue problems. Next, using the Newton-Raphson method and continuation techniques, the post-critical paths of the perfect structure and the non-linear equilibrium paths of the imperfect structure are obtained and the imperfection sensitivity is investigated, considering several types of geometric imperfections. Finally, the nonlinear oscillations and parametric instability of the column under harmonic axial loads are investigated. Non-linear equations of motion are solved numerically by the fourth-order Runge-Kutta method. The regions of parametric instability are determined as a function of the parameters of the orthotropic material, damping ratio and cross-sectional geometry. The bifurcation diagrams are obtained using continuation techniques and the brute force method, and the stability of the solutions is further investigated using Floquet s theory. The bifurcation analysis allows the identification of the bifurcations associated with the boundaries of parametric instability, as well as the existence of coexisting solutions. Then, the evolution of the basins of attraction of the coexisting solutions as a function of the forcing magnitude is investigated, in order to evaluate the dynamic integrity of the solutions. The results demonstrate that the column can lose stability at load levels well below the static buckling load and, therefore, the designer must be careful when dealing with these structures subject to time-varying axial loads.

[pt] Estruturas reticuladas espaciais com grandes vãos são encontradas em uma variedade de aplicações em engenharia. Muitas dessas estruturas apresentam um comportamento eminentemente não linear, envolvendo tanto não linearidades físicas quanto geométricas, o que leva em muitos casos a múltiplas configurações de equilíbrio. Em particular, estruturas biestáveis estão usualmente sujeitas a instabilidades por ponto limite (snap-through), bifurcações simétrica instável ao longo do caminho não linear de equilíbrio, instabilidade elástica de elementos individuais, devido à plastificação destes elementos ou a interação destes fenômenos. O presente trabalho tem como objetivo a análise detalhada de duas classes de estruturas biestáveis: treliças piramidais (instabilidade indesejada) e estruturas ajustáveis com elementos de tesoura (instabilidade desejada). Ferramentas teóricas e computacionais são desenvolvidas para a investigação da influência das medidas de deformação quadrática e logarítmica, deformações elasto-plásticas e instabilidades na resposta estática e dinâmica não linear de um módulo de treliça piramidal. Uma formulação corrotacional em elementos finitos é proposta para descrever a ligação espacial flexível encontrada nas estruturas ajustáveis biestáveis aqui estudadas. A análise de estruturas com grandes vãos formadas pela junção de módulos de treliças piramidais ou módulos ajustáveis é apresentada. Os resultados obtidos mostram que a presença e interação das diversas fontes de instabilidade têm uma grande influência no comportamento destas estruturas e pode determinar ou não a sua viabilidade em aplicações práticas. / [en] Large span reticulated structures are applied in a variety of engineering applications. Many of these structures present a nonlinear behavior involving both geometric and material nonlinearities with multistable configurations. Particularly, bistable structures are often subjected to instability phenomena, such as snap-through and bifurcations of the whole structure, individual units or single bars. The present work, focuses on two classes of bistable structural systems: pyramidal trusses (undesired instability) and deployable scissor structures (desired design instability). Theoretical and computational tools are developed to investigate the influence of the strain measure, elasto-plastic deformations and instability phenomena on the nonlinear static and dynamic response of bistable pyramidal trusses. A compliant corrotational spatial joint finite element formulation with finite size is developed and applied to study bistable deployable scissor modules. The analysis of bistable large span structures formed by the assembly of modules is also carried out. It s shown that the presence and interaction of the studied buckling sources have deep influence on the systems behavior and can ultimately determine their viability in practical applications.

Dans ce travail, nous étudions deux types de problèmes à retard. Le premier traite des oscillateurs optoélectroniques (OOEs). Un OOE est un système bouclé permettant de délivrer une onde électromagnétique radio-fréquence de grande pureté spectrale et de faible bruit électronique. Le second problème traite du couplage retardé de neurones. Une nouvelle forme de synchronisation est observée où un régime oscillant est une alternative à un état stationnaire stable. Ces deux problèmes présentent des oscillations de type slow-fast. Une grande partie de ma thèse est dévouée à l’analyse de ces régimes. Etant donné qu’il s’agit d’équations nonlinéaires à retard, les techniques asymptotiques classiques ont dû être revues. En plus d’une étude théorique, des expériences ont été effectuées. Le travail sur les OOEs a été rendu possible grâce aux invitations respectives de L. Larger dans son laboratoire à l’Université de Franche-Comté et de D.J. Gauthier à Duke University. Le travail sur le couplage de neurones a bénéficié d’expériences réalisées par L. Keuninckx du groupe « Applied Physics » de la Vrije Universiteit Brussel.<p>Une contribution importante de cette thèse est à la fois l’analyse mathématique mais aussi l’observation expérimentale d’ondes carrées stables asymétriques présentant des longueurs de plateau différentes mais ayant la même période dans un OOE. Une bifurcation de Hopf primaire d’un état stationnaire est le mécanisme menant à ces régimes. Un deuxième phénomène qui a été à la fois observé pour l’OOE et pour les neurones couplés est la coexistence entre plusieurs ondes carrées ayant des périodes différentes. Pour l’OOE, ces oscillations peuvent être reliées à plusieurs bifurcations de Hopf primaires qui sont proches les unes des autres à cause du grand délai. Le mécanisme de stabilité est similaire à celui de "Eckhaus" pour les systèmes spatialement étendus. Pour le couplage de cellules excitables, nous avons étudié des équations couplées de type FitzHugh-Nagumo (FHN) linéaires par morceaux et obtenu des résultats analytiques. Nous montrons que le mécanisme menant à ces régimes périodiques correspond à un point limite d’un cycle-limite. La robustesse de ces régimes par rapport au bruit a ensuite été explorée expérimentalement en utilisant des circuits électroniques couplés et retardés. Ce système peut être modélisé mathématiquement par les mêmes équations de type FHN. Pour terminer, nous montrons que les équations pour l’OOE et le FHN possèdent des propriétés similaires. Ceci nous permet de généraliser nos principaux résultats à une plus grande variété d’équations différentielles à retard. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Die Verwendung von lang kragenden Schaftfräsern im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung birgt besondere Herausforderungen bezüglich der Prozessdynamik. In diesem Zusammenhang werden verschiedene kontinuumsmechanische Berechnungsmodelle für Werkzeuge mit Hohlschaft vorgestellt. Dabei wird eine teilweise Füllung des Schaftes mit einer fließfähigen Ausgleichsmasse zum Zweck des automatischen Wuchtens berücksichtigt. Ausgehend von der Verformungskinematik wird die systembeschreibende Variationsformulierung mit Hilfe des Hamilton'schen Prinzips hergeleitet. Dabei wird auch auf den Einfluss von stochastisch verteilten Unwuchten, geometrischen Nichtlinearitäten und Schubdeformationen eingegangen. Zur Ortsdiskretisierung werden sowohl lokale als auch globale Methoden angewendet und miteinander verglichen. Die Auswertung stellt den Einfluss von verschiedenen geometrischen sowie prozessbedingten Parametern auf die Eigenfrequenzen, stationäre Deformation, Stabilität sowie Zeitlösung dar.:1. Einleitung 1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit 1.2. Stand der Technik 1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen 1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser 1.3. Thema und Aufbau der Arbeit 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe 2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen 2.3. Prinzip von Hamilton 2.4. Lösungstheorie 2.4.1. Anfangswertprobleme 2.4.2. Randwertprobleme 2.5. Stochastische Grundbegriffe 3. Balkenmodelle 3.1. Verformungskinematik des Balkens 3.2. Variationsformulierung 3.3. Modellierung der Unwucht 3.4. Globale Diskretisierung 3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung 3.4.2. Ortsfunktionen 3.5. Lokale Diskretisierung 3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 3.7. Berechnungsergebnisse 3.7.1. Ruhendes Werkzeug 3.7.2. Rotierendes Werkzeug 4. Schalenmodelle 4.1. Verformungskinematik der Schale 4.2. Variationsformulierung 4.3. Globale Diskretisierung 4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung 4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM 4.4.1. Konforme flache Schalenelemente 4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 4.6. Berechnungsergebnisse 4.6.1. Ruhender Schaft 4.6.2. Rotierender Schaft 5. Zusammenfassung und Ausblick 6. Verzeichnisse 6.1. Quellenverzeichnis 6.2. Symbolverzeichnis 6.3. Abbildungsverzeichnis 6.4. Tabellenverzeichnis A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-Schale / The use of long slender end mills for high-speed-cutting (HSC) holds special requirements with respect to the system dynamics. In this context, several tool models in the area of continuum mechanics are presented. Especially hollow tool shafts, with a fluid medium inside, for the purpose of automatic balancing are considered. Starting with the kinematics of deformation, Hamilton's principle is used to evaluate the variational formulation. Therefore, also the influence of a stochastic distributed unbalance, geometrical nonlinearities and shear deformations are discussed. For space discretisation local as well as global approaches are used and compared with each other. Following up on this, results are presented, which show the influence of different geometrical and process-related parameters due to the eigenfrequencies, stationary deformation, stability and time solution.:1. Einleitung 1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit 1.2. Stand der Technik 1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen 1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser 1.3. Thema und Aufbau der Arbeit 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe 2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen 2.3. Prinzip von Hamilton 2.4. Lösungstheorie 2.4.1. Anfangswertprobleme 2.4.2. Randwertprobleme 2.5. Stochastische Grundbegriffe 3. Balkenmodelle 3.1. Verformungskinematik des Balkens 3.2. Variationsformulierung 3.3. Modellierung der Unwucht 3.4. Globale Diskretisierung 3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung 3.4.2. Ortsfunktionen 3.5. Lokale Diskretisierung 3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 3.7. Berechnungsergebnisse 3.7.1. Ruhendes Werkzeug 3.7.2. Rotierendes Werkzeug 4. Schalenmodelle 4.1. Verformungskinematik der Schale 4.2. Variationsformulierung 4.3. Globale Diskretisierung 4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung 4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM 4.4.1. Konforme flache Schalenelemente 4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 4.6. Berechnungsergebnisse 4.6.1. Ruhender Schaft 4.6.2. Rotierender Schaft 5. Zusammenfassung und Ausblick 6. Verzeichnisse 6.1. Quellenverzeichnis 6.2. Symbolverzeichnis 6.3. Abbildungsverzeichnis 6.4. Tabellenverzeichnis A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-Schale

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