The rapid growth of plastic waste from food packaging around the world demands renewable substitutes, such as natural fibers and biocomposites. Wood fibers are natural fibers extracted from trees and are commonly used in packaging. In order for renewable alternatives to compete against plastics and other non-renewable materials, a better understanding of the mechanical properties of single fibers at the micro-scale are necessary. A great deal of previous research into the mechanical properties of single wood fibers has focused on their tensile behavior, however, little work has been published about their compressive behavior. It is difficult to measure the compressive strength of single fibers directly due to fiber buckling. The purpose of this study is to investigate how post-buckling of single wood pulp fibers affects the mechanical properties of fibers in tension. Two alternative hypotheses were tested through experiments in The Odqvist Laboratory for Experimental Mechanics at KTH. The major part of the thesis process has been invested in developing components called grippers, and testing methods for the Single Fiber Testing System, in order to be able to perform the experiments. The existing grippers were tested and alternative grippers were developed, as well as an alternative testing method without grippers, called the Paper frame method (PFM). PFM was used in the final experimental work to test the hypotheses. The main finding from this study is that there is not enough evidence to suggest that the tensile strength or tensile stiffness of single wood fibers are significantly reduced by post-buckling damage. This finding is mostly relevant in the research and development of fibrous material with larger distances between individual fibers, such as low-density fiber network materials. The main findings from the single fiber testing methods development were that the existing grippers cannot prevent fiber slippage. Furthermore, the alternative gripper 22A with its arc design generates higher grip force than previous grippers but lacks surface friction in the contact region in order to prevent fiber slippage. PFM has an experimental success rate of over 80 % for trained users and easy usage for the operator. The testing equipment Single Fiber Testing System displays several systematic errors occurring in the post-processing process of tests with cyclic loads. / Den snabba tillväxten av plastavfall från livsmedelsförpackningar runt om i världen kräver förnybara alternativ, såsom förpackningar gjorda av naturfibrer och biokompositer. Träfibrer är naturliga fibrer som utvinns från trä och används ofta i förpackningar. För att dessa förnybara alternativ ska kunna konkurrera mot plast och andra icke-förnybara material krävs en bättre förståelse av de mekaniska egenskaperna hos enskilda fibrer på mikronivå. Det finns en omfattande forskning om de mekaniska egenskaperna i drag hos enskilda träfibrer. Däremot existerar det lite publicerad forskning om träfibrers kompressionsegenskaper. Kompressionsegenskaperna är svåra att mäta direkt på grund av fiberknäckning. Syftet med denna studie är att undersöka hur skadan som uppstår efter knäckning av enskilda träfibrer påverkar de mekaniska egenskaperna hos fibrer i drag. Två alternativa hypoteser testades genom experiment i Odqvistlaboratoriet för experimentell mekanik vid KTH. Huvuddelen av examensarbetet har investerats i att utveckla grepparmar och testmetoder för testmaskinen Single Fiber Testing System, för att kunna utföra experiment. De befintliga grepparmarna testades och nya grepparmar utvecklades, och även en alternativ testmetod utan grepparmar som kallas Paper frame method (PFM) utvecklades. PFM användes i det sista experimentella arbetet för att pröva hypoteserna. Huvudslutsatsen från denna studie är att det inte finns tillräckligt med bevis för att stödja hypotesen att enskilda träfibrers draghållfasthet eller dragstyvhet reduceras av skada som uppstår efter knäckning. Detta resultat är mest relevant för forskning och utveckling av fibernätverks material med större avstånd mellan fibrerna, såsom fibermaterial med låg densitet. Huvudslutsatserna från utvecklingen av testmetoder var att de befintliga grepparmarna inte kunde förhindra fiberglidning. Den alternativa grepparmen 22A med sin bågkonstruktion genererade högre greppkraft än tidigare grepparmar men saknar rätt beläggning i kontaktområdet för att förhindra glidning av fiber. PFM har en hög test framgångsgrad med över 80 % för erfarna användare och den är enkel att arbeta med. Testmaskinen Single Fiber Testing System visar flera systematiska fel som blir märkbar under dataanalys av tester med cykliska belastningar.

In der vorliegenden Arbeit wird die Frage untersucht, ob effektive Eigenschaften von Verbunden auch nach dem Auftreten einer Dehnungslokalisierung aufgrund von entfestigendem Materialverhalten noch durch numerische Homogenisierungsmethoden berechnet werden können. Ihr Nutzen für diesen Anwendungsfall wird in der Literatur kritisch beurteilt. Aus diesem Grund werden hier systematisch alle Teilaufgaben betrachtet, die zu diesem Zweck gelöst werden müssen. Die erste dieser Aufgaben ist die Charakterisierung der einzelnen Verbundbestandteile. Zur Demonstration einer experimentell gestützten Charakterisierung wird ein glasfaserverstärktes Epoxidharz als Beispielmaterial gewählt. Neben der Beschreibung von Faser- und Matrixmaterial wird besonderes Augenmerk auf die Charakterisierung der Grenzschicht zwischen beiden gelegt. Die für die Glasfasern vorliegenden Festigkeitsmessungen entsprechen nicht der Kettenhypothese. Daher werden zahlreiche Verallgemeinerungen der Weibull-Verteilung untersucht, um störende Effekte zu erfassen. Schließlich werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen hergeleitet, die Faserbrüche im Bereich der Einspannung einbeziehen. Die Messwerte können von diesen Verteilungen gut wiedergegeben werden. Zusätzlich macht ihre Anwendung das aufwändige Aussortieren und Wiederholen jener Experimente unnötig, bei denen der Faserbruch im Klemmbereich auftritt. Zur Modellierung der Grenzfläche wird ein Kohäsivzonengesetz entwickelt. Die Bestimmung seiner Parameter erfolgt anhand von Daten aus Pullout- und Einzelfaserfragmentierungsversuchen. Aus diesen ermittelte Festigkeiten und Energiefreisetzungsraten weisen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden Versuchen auf. Dabei erfolgt die Parameteridentifikation mithilfe von Finite-Elemente-Modellen anstatt der häufig genutzten vereinfachten analytischen Modelle, welche üblicherweise eine schlechtere Übereinstimmung erreichen. Sobald eine Dehnungslokalisierung auftritt, ist neben der Materialmodellierung auch das Homogenisierungsschema zu verallgemeinern. Zu diesem gehören die Generierung repräsentativer Volumenelemente, Randbedingungen (RB) und ein Mittelungsoperator. Anhand des aktuellen Standes der Literatur werden die Randbedingungen als ein signifikanter Schwachpunkt von Homogenisierungsverfahren erkannt. Daher erfolgt die Untersuchung periodischer RB, linearer Verschiebungsrandbedingungen und minimal kinematischer RB sowie zweier adaptiver RB, nämlich Lokalisierungspfad-ausgerichteter RB und generalisiert periodischer RB. Unter der Bezeichnung Tesselationsrandbedingungen wird ein weiterer Typ adaptiver RB vorgeschlagen. Zunächst erfolgt der Beweis, dass alle drei adaptiven RB die Hill-Mandel-Bedingung erfüllen. Des Weiteren wird mittels einer Modifikation der Hough-Transformation ein systematischer Fehler derselben bei der Bestimmung der Richtung von Lokalisierungszonen eliminiert. Schließlich werden die Eigenschaften aller Randbedingungen an verschiedenen Beispielen demonstriert. Dabei zeigt sich, dass nur Tesselationsrandbedingungen sowohl beliebige Richtungen von Lokalisierungszonen erlauben als auch fehlerhafte Lokalisierungen in Eckbereichen ausschließen. Zusammengefasst können in der Literatur geäußerte grundlegende Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit numerischer Homogenisierungsverfahren beim Auftreten von Dehnungslokalisierungen aufgehoben werden. Homogenisierungsmethoden sind somit auch für entfestigendes Materialverhalten anwendbar. / The thesis at hand is concerned with the question if numerical homogenization schemes can be of use in deriving effective material properties of composite materials after the onset of strain localization due to strain softening. In this case, the usefulness of computational homogenization methods has been questioned in the literature. Hence, all the subtasks to be solved in order to provide a successful homogenization scheme are investigated herein. The first of those tasks is the characterization of the constituents, which form the composite. To allow for an experimentally based characterization an exemplary composite has to be chosen, which herein is a glass fiber reinforced epoxy. Hence the constituents to be characterized are the epoxy and the glass fibers. Furthermore, special attention is paid to the characterization of the interface between both materials. In case of the glass fibers, the measured strength values do not comply with the weakest link hypothesis. Numerous generalizations of the Weibull distribution are investigated, to account for interfering effects. Finally, distributions are derived, that incorporate the possibility of failure inside the clamped fiber length. Application of such a distribution may represent the measured data quite well. Additionally, it renders the cumbersome process of sorting out and repeating those tests unnecessary, where the fiber fails inside the clamps. Identifying the interface parameters of the proposed cohesive zone model relies on data from pullout and single fiber fragmentation tests. The agreement of both experiments in terms of interface strength and energy release rate is very good, where the parameters are identified by means of an evaluation based on finite element models. Also, the agreement achieved is much better than the one typically reached by an evaluation based on simplified analytical models. Beside the derivation of parameterized material models as an input, the homogenization scheme itself needs to be generalized after the onset of strain localization. In an assessment of the current state of the literature, prior to the generation of representative volume elements and the averaging operator, the boundary conditions (BC) are identified as a significant issue of such a homogenization scheme. Hence, periodic BC, linear displacement BC and minimal kinematic BC as well as two adaptive BC, namely percolation path aligned BC and generalized periodic BC are investigated. Furthermore, a third type of adaptive BC is proposed, which is called tesselation BC. Firstly, the three adaptive BC are proven to fulfill the Hill-Mandel condition. Secondly, by modifying the Hough transformation an unbiased criterion to determine the direction of the localization zone is given, which is necessary for adaptive BC. Thirdly, the properties of all the BC are demonstrated in several examples. These show that tesselation BC are the only type, that allows for arbitrary directions of localization zones, yet is totally unsusceptible to spurious localization zones in corners of representative volume elements. Altogether, fundamental objections, that have been raised in the literature against the application of homogenization in situations with strain localization, are rebutted in this thesis. Hence, the basic feasibility of homogenization schemes even in case of strain softening material behavior is shown.