<div>This body of work examines analytical and numerical models to simulate the response of structures in shock absorption applications. Specifically, the work examines the prediction of cushion curves of polymer foams, and a topological examination of a $\chi$ shape unit cell found in architected mechanical elastomeric metamaterials. The $\chi$ unit cell exhibits the same effective stress-strain relationship as a closed cell polymer foam. Polymer foams are commonly used in the protective packaging of fragile products. Cushion curves are used within the packaging industry to characterize a foam's impact performance. These curves are two-dimensional representations of the deceleration of an impacting mass versus static stress. The main drawback with cushion curves is that they are currently generated from an exhaustive set of experimental test data. This work examines modeling the shock response using a continuous rod approximation with a given impact velocity in order to generate cushion curves without the need of extensive testing. In examining the $\chi$ unit cell, this work focuses on the effects of topological changes on constitutive behavior and shock absorbing performance. Particular emphasis is placed on developing models to predict the onset of regions of quasi-zero-modulus (QZM), the length of the QZM region and the cushion curve produced by impacting the unit cell. The unit cell's topology is reduced to examining a characteristic angle, defining the internal geometry with the cell, and examining the effects of changing this angle.</div><div>However, the characteristic angle cannot be increased without tradeoffs; the cell's effective constitutive behavior evolves from long regions to shortened regions of quasi-zero modulus. Finally, this work shows that the basic $\chi$ unit cell can be tessellated to produce a nearly equivalent force deflection relationship in two directions. The analysis and results in this work can be viewed as new framework in analyzing programmable elastomeric metamaterials that exhibit this type of nonlinear behavior for shock absorption.</div>

In this thesis a new frequency domain approach for the analysis of time delay systems is presented. After linearization of a nonlinear delay differential equation (DDE) with constant distributed delay around a constant or periodic reference solution the so-called Hill-Floquet method can be used for the analysis of the resulting linear DDE. In addition, systems with fast or slowly time-varying delays, systems with variable transport delays originating from a transport with variable velocity, and the corresponding spatially extended systems are presented, which can be also analyzed with the presented method. The newly introduced Hill-Floquet method is based on the Hill’s infinite determinant method and enables the transformation of a system with periodic coefficients to an autonomous system with constant coefficients. This makes the usage of a variety of existing methods for autonomous systems available for the analysis of periodic systems, which implies that the typical calculation of the monodromy matrix for the time evolution of the solution over the principle period is no longer required. In this thesis, the Chebyshev collocation method is used for the analysis of the autonomous systems. Specifically, in this case the periodic part of the solution is expanded in a Fourier series and the exponential behavior of the solution is approximated by the discrete values of the Fourier coefficients at the Chebyshev nodes, whereas in classical spectral or pseudo-spectral methods for the analysis of linear periodic DDEs the complete solution is expanded in terms of basis functions. In the last part of this thesis, new results for three applications with time delay effects are presented, which were analyzed with the presented methods. On the one hand, the occurrence of diffusion-driven instabilities in reaction-diffusion systems with delay is investigated. It is shown that wave instabilities are possible already for single-species reaction diffusion systems with distributed or time-varying delay. On the other hand, the stability of metal cutting vibrations at machine tools is analyzed. In particular, parallel orthogonal turning processes with multiple discrete delays and turning processes with a time-varying delay due to a spindle speed variation are studied. Finally, the stability of the synchronized solution in networks with heterogeneous coupling delays is studied. In particular, the eigenmode expansion for synchronized periodic orbits is derived, which includes an extension of the classical master stability function to networks with heterogeneous coupling delays. Numerical results are shown for a network of Hodgkin-Huxley neurons with two delays in the coupling.:1. Introduction 2. System definition and equivalent systems 3. Analysis of nonlinear time delay systems 4. Analytical solution of linear time delay systems 5. Frequency domain approach 6. Hill-Floquet method 7. Applications 8. Concluding remarks A Appendix / In dieser Dissertation wird ein neues Verfahren zur Analyse von Systemen mit Totzeiten im Frequenzraum vorgestellt. Nach Linearisierung einer nichtlinearen retardierten Differentialgleichung (DDE) mit konstanter verteilter Totzeit um eine konstante oder periodische Referenzlösung kann die sogenannte Hill-Floquet Methode für die Analyse der resultierende linearen DDE angewendet werden. Darüber hinaus werden Systeme mit schnell oder langsam variierender Totzeit, Systeme mit einer variablen Totzeit, resultierend aus einem Transport mit variabler Geschwindigkeit, und entsprechende räumlich ausgedehnte Systeme vorgestellt, welche ebenfalls mit der vorgestellten Methode analysiert werden können. Die neu eingeführte Hill-Floquet Methode basiert auf der Hillschen unendlichen Determinante und ermöglicht die Transformation eines Systems mit periodischen Koeffizienten auf ein autonomes System mit konstanten Koeffizienten. Dadurch können zur Analyse periodischer Systeme auch eine Vielzahl existierender Methoden für autonome Systeme genutzt werden und die Berechnung der Monodromie-Matrix für die Lösung des Systems über eine Periode entfällt. In dieser Arbeit wird zur Analyse des autonomen Systems die Tschebyscheff-Kollokationsmethode verwendet. Im Speziellen wird bei diesem Verfahren der periodische Teil der Lösung in einer Fourierreihe entwickelt und das exponentielle Verhalten durch die Werte der Fourierkoeffizienten an den Tschebyscheff Knoten approximiert, wohingegen bei klassischen spektralen Verfahren die komplette Lösung in bestimmten Basisfunktionen entwickelt wird. Im Anwendungsteil der Arbeit werden neue Ergebnisse für drei Beispielsysteme präsentiert, welche mit den vorgestellten Methoden analysiert wurden. Es wird gezeigt, dass Welleninstabilitäten schon bei Einkomponenten-Reaktionsdiffusionsgleichungen mit verteilter oder variabler Totzeit auftreten können. In einem zweiten Beispiel werden Schwingungen an Werkzeugmaschinen betrachtet, wobei speziell simultane Drehbearbeitungsprozesse und Prozesse mit Drehzahlvariationen genauer untersucht werden. Am Ende wird die Synchronisation in Netzwerken mit heterogenen Totzeiten in den Kopplungstermen untersucht, wobei die Zerlegung in Netzwerk-Eigenmoden für synchrone periodische Orbits hergeleitet wird und konkrete numerische Ergebnisse für ein Netzwerk aus Hodgkin-Huxley Neuronen gezeigt werden.:1. Introduction 2. System definition and equivalent systems 3. Analysis of nonlinear time delay systems 4. Analytical solution of linear time delay systems 5. Frequency domain approach 6. Hill-Floquet method 7. Applications 8. Concluding remarks A Appendix

Dynamische Systeme mit Gedächtnis spielen in verschiedensten Anwendungen und Forschungsgebieten eine wesentliche Rolle. Gedächtnis bedeutet dabei, dass das zukünftige Systemverhalten nicht nur durch den aktuellen Zustand festgelegt wird, sondern im Allgemeinen auch durch vergangenen Zustände. Ein prominenter Vertreter für dieses Verhalten ist die Hysterese. Aufgrund der unterschiedlichen Mechanismen, welche zum Auftreten von Hysterese führen können, haben sich eine Vielzahl an Modellen etabliert, um diese zu beschreiben und zu modellieren. Zwei häufig verwendete Modelle sind dabei das Random Field Ising-Model und das Preisach-Model. Beide Modelle unterscheiden sich grundlegend in der Art, wie es zu Hysterese kommt. Während beim Random Field Ising-Model Hysterese aufgrund der Wechselwirkung benachbarter Spins auftritt, benutzt das Preisach-Model hingegen eine Vielzahl an elementaren bistabilen Relais, um komplexes hysteretisches Verhalten abzubilden. Trotz dieser Unterschiedlichkeit zeigen beide Modelle ähnliche Eigenschaften wie return point memory und wipe-out. Wir wollen in dieser Arbeit das dynamische Verhalten eines einfachen harmonischen Oszillators untersuchen, welcher mithilfe eines Feedback-Loops an ein hysteretisches Spinsystem gekoppelt wird. Es soll das Verhalten dieses Hybrid-Systems, das sowohl aus kontinuierlichen als auch aus diskreten Variablen besteht, für verschieden große Spinsysteme untersucht werden. Wir konzentrieren uns dabei auf drei vereinfachte Spinkonfigurationen. Dies ermöglicht uns, unter Verwendung der Preisach-Theorie, den Limes eines unendlich großen Spinsystems analytisch zu beschreiben. Wir zeigen, dass sich das Verhalten von dynamischen Systemen gekoppelt an ein endliches Spinsystem im Allgemeinen von Systemen gekoppelt an ein unendliches Spinsystem unterscheidet. Im Zuge dessen werden wir eine Methode vorstellen, um Lyapunov Spektren für dynamische Systeme mit preisachartiger Hysterese und glatter Dichte zu bestimmen. Wir zeigen weiterhin, dass bestimmte relevante Größen wie fraktale Dimension und Magnetisierung im Allgemeinen kein selbstmittelndes Verhalten aufweisen. Diese Resultate können erhebliche Auswirkungen auf die Vergleichbarkeit und Interpretation von Theorie und Experiment bei dynamischen Systemen mit Hysterese haben. / Dynamical systems with memory play a huge role in technical applications as well as in different research fields. In general memory means, the systems' behavior is not only determined by its last state, but also by the history of previous states. One prominent example of such behavior is the hysteresis. Caused by the many reasons for hysteretic behavior, multiple models for hysteresis have been developed over the past hundred years. Two commonly used models are the Random Field Ising Model and the Preisach model. Both models differ in the way, how the memory is build into the system. Whereas, the Random Field Ising Model shows hysteresis because of the interaction between nearby spins, the complex hysteresis of the Preisach model is build by a superposition of elementary bi-stable relays. Besides these differences, both models show similar hysteric behavior like return point memory and wipe-out. In this work, we want to investigate the dynamical behavior of a simple harmonic oscillator coupled to Ising spins in a closed loop way, showing hysteresis. The system consists of discrete and continuous degrees of freedom, and therefore it has a hybrid character. Concentrating on three simplified spin interactions, on one hand we investigate the dynamical properties of the system for a varying finite number of spins and on the other hand we use the Preisach model to calculate the limit of an infinite number of spins. We find, that dynamical systems coupled to a finite and infinite number of spins, respectively, in general behave differently. Thereby, we develop a method to determine the whole Lyapunov spectrum for systems with Preisach like hysteresis and a smooth density. Furthermore, we show that some dynamical properties like the fractal dimension and the magnetization in general do not show self-averaging. These findings could have a huge impact on the comparability and interpretation of theoretical and experimental results in the context of dynamical systems with hysteresis.

No description available.

Der Vortrag beschreibt wie sich mittels der unterschiedlichen Berechnungsverfahren zur Lösung dynamischer Strukturpobleme der Einschlag eines idealisierten Bruchstücks in eine Schutzwand berechnen lässt. Dies wird mittels zweier kommerzieller FEM-Programme beschrieben: a.) Creo Simulate nutzt zur Lösung die Methode der modalen Superposition, d.h., es können nur lineare dynamische Systeme mit rein modaler Dämpfung berechnet werden. Kontakt zwischen zwei Bauteilen lässt sich damit nicht erfassen. Die unbekannte Kraft-Zeit-Funktion des Einschlagvorganges muss also geeignet abgeschätzt und als äußere Last auf die Schutzwand aufgebracht werden. Je dynamischer der Einschlagvorgang, desto eher wird der Gültigkeitsbereich des zugrunde liegenden linearen Modells verlassen. b.) Abaqus/Explicit nutzt ein direktes Zeitintegrationsverfahren zur schrittweisen Lösung der zugrunde liegenden Differentialgleichung, die keine tangentiale Steifigkeitsmatrix benötigt. Damit können sowohl Materialnichtlinearitäten als auch Kontakt geeignet erfasst und damit die Kraft-Zeit-Funktion des Einschlages ermittelt werden. Auch bei extrem hochdynamischen Vorgängen liefert diese Methode ein gutes Ergebnis. Es müssen dafür jedoch weit mehr Werkstoffdaten bekannt sein, um das nichtlineare elasto-plastische Materialverhalten mit Schädigungseffekten korrekt zu beschreiben. Die Schwierigkeiten der Werkstoffdatenbestimmung werden in den Grundlagen erläutert. / The presentation describes how to analyze the impact of an idealized fragment into a stell protective panel with different dynamic analysis methods. Two different commercial Finite Element codes are used for this: a.) Creo Simulate: This code uses the method of modal superposition for analyzing the dynamic response of linear dynamic systems. Therefore, only modal damping and no contact can be used. The unknown force-vs.-time curve of the impact event cannot be computed, but must be assumed and applied as external force to the steel protective panel. As more dynamic the impact, as sooner the range of validity of the underlying linear model is left. b.) Abaqus/Explicit: This code uses a direct integration method for an incremental (step by step) solution of the underlying differential equation, which does not need a tangential stiffness matrix. In this way, matieral nonlinearities as well as contact can be obtained as one result of the FEM analysis. Even for extremely high-dynamic impacts, good results can be obtained. But, the nonlinear elasto-plastic material behavior with damage initiation and damage evolution must be characterized with a lot of effort. The principal difficulties of the material characterization are described.

Systeme mit Zeitverzögerung sind dadurch charakterisiert, dass deren zukünftige Entwicklung durch den Zustand zum aktuellen Zeitpunkt nicht eindeutig festgelegt ist. Die Historie des Zustands muss in einem Zeitraum bekannt sein, dessen Länge Totzeit genannt wird und die Gedächtnislänge festlegt. In dieser Arbeit werden fundamentale Effekte untersucht, die sich ergeben, wenn die Totzeit zeitlich variiert wird. Im ersten Teil werden zwei Klassen periodischer Totzeitvariationen eingeführt. Da diese von den dynamischen Eigenschaften einer eindimensionalen iterierten Abbildung abgeleitet werden, die über die Totzeit definiert wird, werden die Klassen entsprechend der zugehörigen Dynamik konservativ oder dissipativ genannt. Systeme mit konservativer Totzeit können in Systeme mit konstanter Totzeit transformiert werden und besitzen gleiche charakteristische Eigenschaften. Dagegen weisen Systeme mit dissipativer Totzeit fundamentale Unterschiede z.B. in der Tangentialraumdynamik auf. Im zweiten Teil werden diese Ergebnisse auf Systeme angewendet, deren Totzeit im Vergleich zur internen Relaxationszeit des Systems groß ist. Es zeigt sich, dass ein durch dissipative Totzeitvariationen induzierter Mechanismus, genannt resonanter Dopplereffekt, unter anderem zu neuen Arten chaotischer Dynamik führt. Diese sind im Vergleich zur bekannten chaotischen Dynamik in Systemen mit konstanter Totzeit sehr niedrig-dimensional. Als Spezialfall wird das so genannte laminare Chaos betrachtet, dessen Zeitreihen durch nahezu konstante Phasen periodischer Dauer gekennzeichnet sind, deren Amplitude chaotisch variiert. Im dritten Teil dieser Arbeit wird auf der Basis experimenteller Daten und durch die Analyse einer nichtlinearen retardierten Langevin-Gleichung gezeigt, dass laminares Chaos robust gegenüber Störungen wie zum Beispiel Rauschen ist und experimentell realisiert werden kann. Es werden Methoden zur Zeitreihenanalyse entwickelt, um laminares Chaos in experimentellen Daten ohne Kenntnis des erzeugenden Systems zu detektieren. Mit diesen Methoden ist selbst dann eine Detektion möglich, wenn das Rauschen so stark ist, dass laminares Chaos mit bloßem Auge nur schwer erkennbar ist.:1. Introduction 2. Dissipative and conservative delays in systems with time-varying delay 3. Laminar Chaos and the resonant Doppler effect 4. Laminar Chaos: a robust phenomenon 5. Summary and concluding remarks A. Appendix / In systems with time-delay, the evolution of a system is not uniquely determined by the state at the current time. The history of the state must be known for a time period of finite duration, where the duration is called delay and determines the memory length of the system. In this work, fundamental effects arising from a temporal variation of the time-delay are investigated. In the first part, two classes of periodically time-varying delays are introduced. They are related to a specific dynamics of a one-dimensional iterated map that is defined by the time-varying delay. Referring to the related map dynamics the classes are called conservative or dissipative. Systems with conservative delay can be transformed into systems with constant delay, and thus have the same characteristic properties as constant delay systems. In contrast, there are fundamental differences, for instance, in the tangent space dynamics, between systems with dissipative delay and systems with constant delay. In the second part, these results are applied to systems with a delay that is considered large compared to the internal relaxation time of the system. It is shown that a mechanism induced by dissipative delays leads to new kinds of regular and chaotic dynamics. The dynamics caused by the so-called resonant Doppler effect is fundamentally different from the behavior known from systems with constant delay. For instance, the chaotic attractors in systems with dissipative delay are very low-dimensional compared to typical ones arising in systems with constant delay. An example of this new kind of low-dimensional dynamics is given by the so-called Laminar Chaos. It is characterized by nearly constant laminar phases of periodic duration, where the amplitude varies chaotically. In the third part of this work, it is shown that Laminar Chaos is a robust phenomenon, which survives perturbations such as noise and can be observed experimentally. Therefore experimental data is provided and a nonlinear delayed Langevin equation is analyzed. Using the robust features that characterize Laminar Chaos, methods for time series analysis are developed, which enable us to detect Laminar Chaos without the knowledge of the specific system that has generated the time series. By these methods Laminar Chaos can be detected even for comparably large noise strengths, where the characteristic properties are nearly invisible to the eye.:1. Introduction 2. Dissipative and conservative delays in systems with time-varying delay 3. Laminar Chaos and the resonant Doppler effect 4. Laminar Chaos: a robust phenomenon 5. Summary and concluding remarks A. Appendix

Der Vortrag beschreibt wie sich mittels der unterschiedlichen Berechnungsverfahren zur Lösung dynamischer Strukturpobleme der Einschlag eines idealisierten Bruchstücks in eine Schutzwand berechnen lässt. Dies wird mittels zweier kommerzieller FEM-Programme beschrieben: a.) Creo Simulate nutzt zur Lösung die Methode der modalen Superposition, d.h., es können nur lineare dynamische Systeme mit rein modaler Dämpfung berechnet werden. Kontakt zwischen zwei Bauteilen lässt sich damit nicht erfassen. Die unbekannte Kraft-Zeit-Funktion des Einschlagvorganges muss also geeignet abgeschätzt und als äußere Last auf die Schutzwand aufgebracht werden. Je dynamischer der Einschlagvorgang, desto eher wird der Gültigkeitsbereich des zugrunde liegenden linearen Modells verlassen. b.) Abaqus/Explicit nutzt ein direktes Zeitintegrationsverfahren zur schrittweisen Lösung der zugrunde liegenden Differentialgleichung, die keine tangentiale Steifigkeitsmatrix benötigt. Damit können sowohl Materialnichtlinearitäten als auch Kontakt geeignet erfasst und damit die Kraft-Zeit-Funktion des Einschlages ermittelt werden. Auch bei extrem hochdynamischen Vorgängen liefert diese Methode ein gutes Ergebnis. Es müssen dafür jedoch weit mehr Werkstoffdaten bekannt sein, um das nichtlineare elasto-plastische Materialverhalten mit Schädigungseffekten korrekt zu beschreiben. Die Schwierigkeiten der Werkstoffdatenbestimmung werden in den Grundlagen erläutert. / The presentation describes how to analyze the impact of an idealized fragment into a stell protective panel with different dynamic analysis methods. Two different commercial Finite Element codes are used for this: a.) Creo Simulate: This code uses the method of modal superposition for analyzing the dynamic response of linear dynamic systems. Therefore, only modal damping and no contact can be used. The unknown force-vs.-time curve of the impact event cannot be computed, but must be assumed and applied as external force to the steel protective panel. As more dynamic the impact, as sooner the range of validity of the underlying linear model is left. b.) Abaqus/Explicit: This code uses a direct integration method for an incremental (step by step) solution of the underlying differential equation, which does not need a tangential stiffness matrix. In this way, matieral nonlinearities as well as contact can be obtained as one result of the FEM analysis. Even for extremely high-dynamic impacts, good results can be obtained. But, the nonlinear elasto-plastic material behavior with damage initiation and damage evolution must be characterized with a lot of effort. The principal difficulties of the material characterization are described.