The internal combustion engine is synonyms with the automobile since its invention in late 19th century. The internal combustion engine today is far more advanced and efficient compared to its early predecessors. An intense competition exists today amongst the automotive OEMs in various countries and regions for stepping up sales and increasing market share. The pressure on automotive OEMs to reduce fuel consumption and emission is enormous which has lead to innovations of many variations in engine and engine-related technologies. However, IC engines are in existence for well more than a century and hence have already evolved to a highly refined state. Changes in IC engine are therefore largely incremental in nature. A deterrent towards development of an engine configuration that is significantly different from its predecessor is the phenomenal cost involved in prototyping. Thus, the only viable alternative in exploring new engine concepts and even optimizing designs currently in operation is through extensive use of CAE. In light of published work in the field of analysis of IC engines, current research effort is directed towards development of a rational methodology for arriving at a weight-optimized engine design, which simultaneously meets performance of various attributes such as thermal, durability, vehicle dynamics and NVH. This is in contrast to the current methodology adopted in industry, according to which separate teams work on aspects of engine design such as combustion, NVH (Noise, Vibration and Harshness), acoustics, dynamics, heat transfer and durability. Because of the involvement of heterogeneous product development groups, optimization of an engine for weight, which can have a significant impact on its power-to-weight ratio, becomes a slow process beset with manual interventions and compromise solutions. Thus, following the traditional approach, it is quite difficult to claim that an unambiguous weight-optimized design has been achieved. As a departure from the practiced approach, the present research effort is directed at the deployment of a single multi-physics explicit analysis solver, viz. LS-DYNA - generally known for its contact-impact analysis capabilities, for simultaneously evaluating a given engine design for heat transfer, mechanical and thermal loading, and vibration. It may be mentioned that only combustion analysis is carried out in an uncoupled manner, using proven phenomenological thermodynamic relations, to initially arrive at mechanical and thermal loading/boundary conditions for the coupled thermo-mechanical analysis. The proposed methodology can thus be termed as a semi-integrated technique and its efficacy is established with the case study of designing a single cylinder air-cooled diesel engine from scratch and its optimization.

[EN] Concrete filled steel tubular columns have many advantages in terms of bearing capacity, aesthetics, execution and fire resistance, thanks to the collaborative work of both materials steel and concrete. The effort made in the last decades to rise a high understanding of their behaviour subjected to different loads and assuming multiple variations has resulted in the wide spread of its use between the designers. Nonetheless, how to solve the connection with I-beams is still a handicap and requires a specific study. One of the most common and popular solution to connect open section steel beams (I-beams) to open section steel columns are endplate connections. In the cases of columns with hollow section, special fastenings are needed, which are able to be tightened from one external side and are denominated blind-bolts. Nowadays, there are several fastener systems that allow these types of connections. The characterization of their response and their capacity to support different loads is the objective of several investigations, where the geometrical definition and the material properties are crucial parameters. Despite the promising results of these connections at room temperature regarding their capability to resist bending moments, their performance is un-known at high temperatures. Therefore, the aim of this thesis is the study of the tensile behaviour of blind-bolts in endplate connections to concrete filled tubular columns at elevated temperatures and subjected to bending moment. Primarily, the research comprises the understanding of the pure thermal transfer problem. The temperature distribution through the connection section is obtained experimental and numerically. The thermal parameters that characterize the connections response are determined through the calibration of the numerical models with the experiments. Secondly, the blind-bolt capacity under pull out and at high temperatures is under analysis. During the fire the temperature increases while connection transmits loads from the beam to the column, the objective of this dissertation is to know how the mechanical response of the pulled blind-bolts changes under these conditions. Thus, the study of the material properties dependent on the temperature and their effect on the connection response is covered by the investigation. Furthermore, the influence of the concrete and the type of fastener is a highlighted aspect through the thermal and the fire analysis. Finally, the reliability of these connections to comply with requirements of 30 minutes fire exposure before the collapse is evaluated. As a result, valuable Finite Element models able to simulate the thermal and thermo-mechanical behaviour of the connection are developed, providing useful behavioural patterns of the blind-bolts. Among the main conclusions, it is noted the temperature reduction due to concrete core in concrete filled columns compared to hollow sections, in the exposed bolt surface means 100ºC less. Conversely, a longer bolt shank of the fastener system embedded in concrete has a negligible effect on the temperature of the resistant part of the bolt. Regarding the fire capacity, the concrete core in the steel tube columns presents significant benefits in terms of fire resistance time and connection stiffness. Besides, the bolt anchorage enhances the stiffness at elevated temperatures, however, the failure of the shank next to the bolt head causes that the anchorage does not mean an improvement on the fire time resistance. / [ES] Las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón presentan múltiples ventajas en términos de capacidad de carga, estética, ejecución y resistencia al fuego, gracias a la acción combinada de acero y hormigón. El esfuerzo realizado en las últimas décadas por conocer su comportamiento frente a diferentes cargas y bajo distintos parámetros ha dado lugar a una amplia difusión de su uso entre los diseñadores. No obstante, la forma de resolver la conexión con vigas de sección en I sigue siendo un hándicap y requiere un estudio específico. Una de las soluciones más comunes y populares para conectar las vigas de acero de sección abierta (vigas I) a columnas de acero de sección abierta es la conexión con chapa de testa, que en el caso de sección hueca requiere de tornillos especiales denominados tornillos ciegos, puesto que reciben el par de apriete desde una cara de la sección. En la actualidad existen diversos sistemas de fijación que permiten este tipo de conexiones y cuya respuesta y caracterización es objeto de numerosas investigaciones. En este sentido, la definición geométrica de la unión y las propiedades de los materiales son parámetros cruciales en el rendimiento de la conexión. La presente tesis analiza el comportamiento de los tornillos ciegos en el área traccionada de conexiones de placa de testa a columnas tubulares de acero rellenas de hormigón sometidas a momentos de flexión y a elevadas temperaturas. Las prestaciones de esta solución constructiva para la unión viga-columna tubular, junto con la ausencia de datos relacionados con su comportamiento en situación de incendio la convirtió en el objetivo del trabajo. En primer lugar, la investigación aborda el problema de transferencia de calor, analizando experimental y numéricamente la distribución de temperaturas en la sección de la conexión. En esta parte del estudio se obtienen los parámetros térmicos que caracterizan la respuesta térmica de la conexión a través de la calibración de los modelos numéricos con los datos experimentales. En segundo lugar, se realiza el estudio de la capacidad de los tornillos ciegos para soportar cargas de tracción en situación de incendio, es decir, se analiza cómo cambia el comportamiento de la conexión con sus características alteradas debido a las altas temperaturas. El estudio de las propiedades del material en función de la temperatura y su efecto sobre la respuesta de la conexión constituyen una parte importante de la investigación. Además, se evalúa la influencia del hormigón y el tipo de elemento de sujeción tanto en el comportamiento mecánico como termo-mecánico de la conexión. Por último, se estudia la capacidad de las uniones para cumplir con requerimientos de exposición al fuego de 30 minutos previamente al colapso. Como resultado de este trabajo se obtuvieron modelos de elementos finitos capaces de simular la conexión térmica y termo-mecánicamente, proporcionando patrones de comportamiento de gran utilidad en el diseño de las mismas. Entre las principales conclusiones, se observó la reducción de la temperatura en los tornillos gracias al núcleo de hormigón en columnas de hormigón lleno en comparación con secciones huecas, que ya en la superficie expuesta del tornillo se cuantificaba en 100ºC menos. Por el contrario, los elementos de fijación que presentaban mayor longitud de vástago de tornillo embebida en el hormigón, no generaban un efecto significativo sobre la temperatura de la parte resistente del perno. En cuanto a la capacidad resistente frente a fuego, el núcleo de hormigón supuso una mejora en términos de rigidez y de tiempo de resistencia al fuego. Sin embargo, el fallo de los pernos en una sección próxima a la superficie expuesta redujo el efecto esperado del anclaje del tornillo, que si bien implicaba una mayor rigidez de la conexión, no parecía mejorar el tiempo de resistencia a fuego. Finalmente se planteó la necesidad de / [CAT] Els pilars tubulars d'acer omplerts de formigó (CFT) presenten molts avantatges en termes de capacitat de carrega, estètica, execució i resistència al foc, gràcies a l'acció combinada de l'acer i el formigó. L'esforç realitzat en les darreres dècades per conèixer el seu comportament enfront a diferents càrregues i sota distints paràmetres ha donat lloc a una amplia difusió del seu ús entre el dissenyadors. No obstant això, la manera de resoldre la connexió amb bigues de secció en I, continua sent un handicap i requereix d'un estudi específic. Una de les solucions més comuns i populars per a connectar les bigues d'acer de secció oberta (bigues I) a columnes d'acer de secció oberta és la connexió amb 'chapa de testa', que en el cas de la secció buida requereix de perns especials denominats perns cecs perquè es rosquen des d'una cara de la secció. En l'actualitat existeixen diversos sistemes de fixació que permeten aquest tipus de connexions, la resposta i caracterització dels quals es l'objectiu de nombroses recerques. En aquest sentit, la definició geomètrica de la unió i les propietats dels materials son paràmetres crucials en el rendiment de la connexió. Aquesta tesi analitza el comportament dels perns cecs en l'àrea traccionada de connexions de 'chapa de testa', a pilars tubulars d'acer omplerts de formigó, sotmeses a moments de flexió i a elevades temperatures. Les prestacions d'aquesta solució constructiva per a la unió biga-pilar tubular junt amb l'absència de dades relacionades amb el comportament en situació d'incendi, la van convertir en l'objectiu d'aquest treball. En primer lloc, la recerca aborda el problema de transferència de calor, analitzant tant experimental com numèricament la distribució de temperatures en la secció de la connexió. En aquesta part de l'estudi, s'obtenen el paràmetres tèrmics que caracteritzen la resposta tèrmica de la connexió mitjançant el calibratge del models numèrics amb les dades experimentals. En segon lloc, es realitza l'estudi de la capacitat dels perns cecs per a suportar càrregues de tracció en situació d'incendi, es a dir, s'analitza com canvia el comportament de la connexió amb les seues característiques alterades degut a les altes temperatures. L'estudi de les propietats del material en funció de la temperatura i el seu efecte en la resposta de la connexió formen també part de la recerca. Un contingut important d'aquest treball consisteix en determinar l'influencia del formigó i el tipus d'element de fixació tant en el comportament mecànic com termo-mecànic de la connexió. Per últim, s'estudia la capacitat de les unions per a complir amb els requeriments d'exposició al foc de 30 minuts prèviament al col·lapse. Com a resultat d'aquest treball s'obtingueren models d'elements finits amb capacitat per a simular el comportament tèrmic i termo-mecànic de la connexió, proporcionant patrons de comportament de gran utilitat en el disseny. Entre les principals conclusions, es va observar la reducció de la temperatura en els perns gràcies al nucli de formigó en pilars omplerts de formigó en comparació amb el pilars buits, on ja en la superfície esposada del cargol es quantificava en 100 ºC menys. Pel contrari, els elements de fixació que presentaven major longitud de embeguda en el formigó, no generaven un efecte significatiu en la temperatura de la part resistent del pern. En quant a la capacitat resistent davant del foc, el nucli de formigó va suposar una millora en termes de rigidesa i de temps de resistència al foc. Tanmateix, la fallada dels perns en una secció pròxima a la superfície esposada va reduir l'efecte esperat de la fixació del pern, que si be implicava una major rigidesa de la connexió, no semblava millorar el temps de resistència al foc. Finalment, es va plantejar la necessitat de aprofundir en l'anàlisi incorporant un major rang de paràmetres. / Pascual Pastor, AM. (2015). Fire behaviour of blind-bolted connections to concrete filled tubular columns under tension [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53240 / TESIS

Tato diplomová práce se zabývá posouzením tepelně-mechanické únavy výfukového potrubí. Nejprve byla provedena rešeršní studie, ve které je rozebrán fenomén tepelně-mechanické únavy. Byly prezentovány hlavní mechanismy poškození a přístupy k jejich modelování. Diskutována byla i specifická chování materiálu vystavenému tepelně-mechanickému zatěžování. Byl vypracován přehled vhodných modelů materiálu a modelů únavové životnosti společně s algoritmem predikce tepelně-mechanické únavy komponenty. Poté byl tento teoretický základ aplikován na praktický případ výfukového potrubí podléhajícího tepelně-mechanickému zatěžování. Dva tepelně závislé elasto-plastické modely materiálu byly nakalibrovány a validovány na základě experimentálních dat. Byl vytvořen diskretizovaný konečnoprvkový model sestavy výfukového potrubí. Model tepelných okrajových podmínek byl předepsán na základě výpočtů ustáleného sdruženého přestupu tepla. Slabě sdružená tepelně-deformační úloha byla vyřešena metodou konečných prvků pro oba modely materiálů. Bylo použito paradigma nesvázaného modelu únavy, které je vhodné pro nízkocyklovou únavu. Životnost byla tedy vyhodnocena jako součást post-procesoru. Použity byly dva modely únavové životnosti – energeticky založený model a deformačně založený model. Získané hodnoty životnosti byly porovnány vzhledem k použitým modelům materiálu a modelům únavové životnosti. Nakonec jsou diskutovány závěry této práce, oblasti dalšího výzkumu a navrženy možnosti na zlepšení použitých přístupů.

The objective of this master’s thesis is to simulate thermo-mechanical behaviour of nuclear fuel in a pressurized water reactor during a reactivity initiated accident. An important part of this work is focused on examination of processes which occur during such accident and on creation of a detailed overview of material properties of nuclear fuel and fuel cladding which are necessary for simulations that closely reflect reality. Simulations in this thesis examine cases of fresh or irradiated nuclear fuel for two types of fuel cladding, Zircaloy-4, a material that is currently used in nuclear reactors, and ceramic matrix composite material made of SiC. The thesis also presents comparison of results with a corresponding international benchmark and an assessment of the influence of selected input parameters on obtained results.

Ce travail de recherche a pour objectif de présenter la conception de tunnels au moyen de la méthode hyperstatique aux coefficients de réaction (HRM). Les modèles développés par la méthode HRM sont tout d'abord proposés pour étudier le comportement de tunnels en forme de fer à cheval inversée dans différentes conditions, par exemple en considérant deux cas de charge, deux géométries différentes de revêtement de tunnel, deux cas de coefficients de réaction différents, changement de la rigidité des coefficients de réaction, conditions de sol multicouches, surcharges en surface et sol saturés. Les modèles présentés permettent d’aboutir à des prévisions qualitatives avec une efficacité de calcul élevée par rapport à la modélisation numérique en différences finies. Une analyse paramétrique est ensuite réalisée pour estimer le comportement du revêtement de tunnel en forme de fer à cheval dans un grand nombre de cas couvrant les conditions généralement rencontrées dans la pratique. Ensuite, en prenant comme exemple un tunnel métropolitain à deux voies, une série de fonctions mathématiques est déduite et utilisée dans le processus d'optimisation d’un tunnel de forme complexe, ce qui offre aux concepteurs de tunnels un support théorique leur permettant de choisir la forme optimale du tunnel à mettre en oeuvre. L’effet de différents paramètres, tels que le coefficient des terres au repos, le module d’Young du sol, la profondeur du tunnel, les surcharges en surface, sur les efforts internes et la forme du tunnel. Dans la dernière partie du manuscrit, l’influence d’un changement de température sur les efforts dans le revêtement d’un tunnel circulaire au moyen de la méthode HRM est étudiée en tenant compte de différents facteurs, tels que l’épaisseur du revêtement de tunnel, le module d’élasticité du revêtement et le coefficient de dilatation thermique du sol. / This research work aims to present the design of tunnel by means of the Hyperstatic Reaction Method (HRM). The models developed by the HRM method are firstly proposed for investigating the behaviour of U-shaped tunnels under different conditions, considering two load cases, two different geometries of U-shaped tunnel lining, two different cases of springs, change of the spring stiffness, multi-layered soil conditions, surcharge loading, and saturated soil masses. The presented models permit to obtain good predictions with a high computational efficiency in comparison to finite difference numerical modelling. Then a parametric analysis has permitted to estimate the U-shaped tunnel lining behaviour in a large number of cases which cover the conditions that are generally encountered in practice. Thereafter, taking a twin-lane metro tunnel as an example, a series of mathematical functions used in the optimization progress of sub-rectangular tunnel shape is deduced, which gives to tunnel designers a theoretical support to choose the optimal sub-rectangular tunnel shape. The effect of different parameters, like the lateral earth pressure factor, soil Young’s modulus, tunnel depth, surface loads, on the internal forces and shape of sub-rectangular tunnel is then given. In the last part of the manuscript, the influence of a temperature change on the lining forces of circular tunnel by means of the HRM method is investigated, considering different factors, such as the tunnel lining thickness, lining elastic modulus and ground coefficient of thermal expansion.

Une approche de simulation numérique multi-échelles EF2 fondée sur la théorie de l'homogénéisation périodique a été développée pour prédire la réponse globale couplée mécanique et thermomécanique fortement non linéaire des structures composites 3D. La stratégie de calcul intègre les effets de la microstructure périodique en introduisant l'architecture des renforts et les lois constitutives locales. Les lois de comportement des constituants utilisées obéissent aux lois de matériaux standards généralisées et sont formulées dans un cadre de la thermodynamique des processus irréversibles (TPI). Les équations caractéristiques (équilibre et lois de la thermodynamique) sont formulées sous l'hypothèse des petites déformations et rotations, et résolues simultanément de façon incrémentale aux deux échelles (microscopique et macroscopique). Sur le plan numérique, une implémentation au moyen de routines UMAT imbriquées (Méta-UMAT) a été développée et combinée à une technique de parallélisation dans le code de calcul Abaqus/Standard. La stratégie de calcul multi-échelles est appliquée pour simuler la réponse globale de structures composites 3D soumises à des trajets de chargement thermomécaniques complexes. Les structures composites sont constituées d’une matrice polymère thermoplastique viscoélastique-viscoplastic avec endommagement ductile et renforcées par différents types de renforcements (fibres courtes ou tissus). L’endommagement anisotrope dans les torons de tissu est modélisé à travers une approche micromécanique permettant de suivre l’évolution de la densité de micro-fissures transverses. Cette stratégie de calcul peut être déployée sur les structures en matériaux composites ayant une microstructure périodique et dont les phases présentent différents types des lois de comportement non linéaires (rhéologie, mécanismes d'endommagement et couplage thermomécanique). Les capacités de l'approche multi-échelles sont démontrées en comparant les prédictions numériques aux résultats expérimentaux en termes de réponse globale et de champs de déformation macroscopiques et microscopiques. Les performances de l'approche sont également illustrées à travers l'accès aux répartitions spatio-temporelles des variables internes à l'échelle de la microstructure ainsi que la dissipation intrinsèque dans les phases constitutives. / A multi-scale FE2 approach based on the periodic homogenization theory is developed to predict the overall response of nonlinear mechanical and fully coupled thermomechanical 3D composite structures. The computational strategy integrates the periodic microstructure effects by introducing the architecture of the reinforcement and the local constitutive laws.The considered constituents' constitutive laws obey generalized standard materials laws and are formulated within the framework of thermodynamics of irreversible processes. The characteristic equations (equilibrium and thermodynamics laws) are formulated under the assumption of small strains and rotations. They are solved simultaneously at both scales (microscopic and macroscopic) using an incremental scheme. For the numerical implementation, an advanced Meta-UMAT subroutine is developed and combined with a parallelization technique in the finite element commercial software Abaqus/Standard. The multi-scale computational strategy is applied to simulate the overall response of 3D composite structures under complex thermomechanical loading paths. The composite structures consist of thermoplastic polymer matrix with viscoelastic-viscoplastic behavior and ductile damage, reinforced by different types of reinforcements (short fibers or woven fabrics). The anisotropic damage within the yarns is modeled through a micromechanical approach to follow the transverse micro-cracks density evolution. This computational strategy is deployed on composite structures having periodic microstructure, whose phases exhibit different types of nonlinear behavior laws (rheology, damage mechanisms and thermomechanical coupling). The capabilities of the multi-scale approach are demonstrated (i) by comparing numerical predictions with experimental results in terms of global response, macroscopic and microscopic strain fields, and (ii) through the access to spatio-temporal distributions of internal variables at the microstructure scale as well as the intrinsic dissipation in the constitutive phases.

More efficiency heavy-duty vehicles are developed with higher range, updated electronic and mechanical parts. The fuel efficiency and pollution of carbon dioxide need to be lower to achieve new EU regulations. The global population increases with an increased number of heavy-duty vehicles. This, in turn, increases the emission. By taking the electrical and mechanical parts to the next step, the global emission problems can be massively reduced. Electrical machines are the next step towards a cleaner future. The main goal of this study to investigate the electrical machine’s insulation system. Thermo-mechanical stresses due to thermal cycling affect the electrical machines and its sub-components. By using a FEM application with simplified models of the electrical machine, results are obtained and discussed. Specifically, if 2D-models are sufficient enough to represent a 3D-model. How good different 2D-models can represent the 3D-model is compared and discussed in this study. A physical experimental analysis is done to verify and calibrate the FE-models. Which one of the less frequent higher amplitude or more frequent, lower amplitude thermal cycling affects the insulation system most is determined. The simulations could be done with either, coupled-temperature displacement analysis or sequentially coupled analysis. Coupled-temperature displacement is the fastest method to use in the simulation models. A 3D-model is the best way to describe an object and is therefore implemented. Two additional 2D-models are developed for faster computation and to investigate if the models can represent the three-dimensional geometry. All the models have specific boundary conditions to make the models more simplified. Sensitivity studies have been done to determine which parameter affects the induced thermo-mechanical stresses the most. A physical experimental setup is also implemented to validate and calibrate the simulation model. The result of the 3D-model is most accurate when simulating a three-dimensional object. Simulation results have shown that epoxy, one of the main components in the insulation system, is most critical in terms of reaching breakdown first, followed by paper insulation and copper coating. This is a typical result of all three simulation models. Whereas it is concluded that some 2D-models can present the 3D-model, others can’t. The dependent factor is the different cross-section of the electrical machine. The physical experiment shows similar results between simulation in terms of strain at a lower temperature, and the deviation gets larger as the temperature increases. The 3D-model is the model that has the best representation of a real electrical machine as it accounts for all the normal and shear stress components in all directions, but also because it has better boundary conditions compared to the 2D-models. The 2D-model in XY-plane has shown similar results to the 3D-model. One of the main insulation system components, epoxy, is exposed to the highest stresses compared to its yield and ultimate strength, followed by the paper insulation and copper coating. The sensitivity study has concluded that the axial length of the stator does not affect the stress amplitudes. The most critical parameter that affects the thermo-mechanical stresses is the temperature amplitude, the materials CTE and the thickness of the jointed layer. All maximum stress amplitudes of all the components are located at the free end. / Mer effektiva tunga fordon utvecklas med högre räckvidd, uppdaterade elektroniska och mekaniska delar. Bränsleeffektiviteten och föroreningen av koldioxid måste vara lägre för att uppnå nya EU-förordningar. Antalet tunga fordon ökar i takt med att den globala befolkningen ökar, detta leder i sin tur till ökad utsläpp av bland annat koldioxid. Genom att ta de elektriska och mekaniska delarna till nästa steg kan de globala utsläppsproblemen minskas massivt. Elektriska maskiner för framdrivning är nästa steg mot en renare framtid. Studiens huvudmål för att undersöka den elektriska maskinens isoleringssystem. Termomekaniska påfrestningar på grund av termisk cykling påverkar de elektriska maskinerna och dess delkomponenter. Genom att använda en FEM-applikation med förenklade modeller av den elektriska maskinen erhålls och diskuteras resultat. Specifikt om 2D-modeller är tillräckliga för att representera en 3D-modell. Hur tillräckligt de olika 2D-modeller kan representera 3D-modellen jämförs och diskuteras i denna studie. Ett fysiskt experiment utförs för att validera och kalibrera FEA-modellerna. Vilken av de mindre frekventa cykler med högre amplitud eller mer frekventa cyckler med lägre amplitud påverkar isoleringssystemet mest har undersökts. Simuleringarna kan göras med antingen, temperatur kopplad förskjutnings analys eller sekventiellt kopplad analys. Temperatur kopplad kopplad förskjutning är den snabbaste metoden att använda i simuleringsmodellerna. En 3D-modell är det bästa sättet att beskriva ett objekt och har därför implementerats. Ytterligare två, 2Dmodeller är framtagna i FEM-miljö för snabbare beräkning och för att undersöka om 2D-modellerna kan representera den tredimensionella geometrin. Samtliga tre modeller har specifika randvillkor för att förenkla modellerna. Känslighetsstudier görs för att bestämma vilken parameter som påverkar de inducerade termomekaniska spänningarna mest. Ett fysiskt experiment har utförsts för att validera och kalibrera simuleringsmodellerna. Resultatet visar att 3D-modellen representerar ett tre dimensonellt objekt bäst. Simuleringsresultat har visat att epoxy, som är en av huvudkomponenterna i isoleringssystemet, är mest kritisk när det gäller att först nå brott- och sträckgräns, följt av pappersisolering och koppar beläggningen. Detta är ett typiskt resultat av alla tre simuleringsmodeller. Slutsatsen visar att vissa 2D-modeller kan presentera 3D-modellen, andra kan inte. Den beroende faktorn beror på ur vilket tvärsnitt man tittar på den elektriska maskinen. Det fysiska experimentet visar liknande resultat jämfört med simuleringen när det gäller belastning vid en lägre temperatur, och avvikelsen blir större när temperaturen ökar. 3D-modellen, är den modell som har den bästa representationen av en riktig elektrisk maskin eftersom den inkluderar normal- och skjuvspänningskomponenter i alla riktningar. Anledningen är att den har bättre randvillkor jämfört med 2Dmodellerna. 2D-modellen i XY-planet har visat liknande resultat som 3D-modellen. En av huvudkomponenterna i isoleringssystemet, epoxy, utsätts för de högsta spänningarna jämfört med dess sträck- och den brottgräns, följt av pappersisolering och koppar beläggning. Känslighetsstudien har kommit fram till att statorns axiella längd inte påverkar spänningsamplituderna. Den mest kritiska parametern som påverkar de termomekaniska spänningarna är temperatur amplituden, materialens CTE och tjockleken på det skarvade skiktet. Alla maximala spänningsamplituder för samtliga tre komponenter är belägna i den fria änden.

In der Arbeit wird das thermo-mechanische Verhalten eines in der optischen Industrie oft verwendeten Klebstoffs zur Klebung opto-mechanischer Bauteile experimentell untersucht und für numerische Anwendungen hinreichend genaue mathematisch und physikalisch geeignet modelliert (Linse, Spiegel, etc.). Durch die Tatsache das diese Klebstoffe bei Raumtemperatur ihre Glasübergangstemperatur besitzen zeigen die Untersuchungen eine äußerst starke Veränderung der Materialeigenschaften über der Temperatur. Hervorzuheben sind die Zug-/Druckasymmetrie des elastischen Modul und die hydrostatisch abhängige Plastizität. Abgerundet werden diese Untersuchungen mit der Ermittlung der temperaturabhängigen thermischen Ausdehnung und des rein mechanisch wirksamen chemischen Schrumpf beim Abbinde-Prozess. Zu Beachten ist dass diese Untersuchungen bei Dehnraten konstanten Experimenten erfolgten. Kriech- bzw. Relaxationseffekte wurde aus dem Umfang dieser Arbeit ausgeschlossen. In erster Linie ist es von Interesse die Basis zu schaffen quasistatische thermisch und mechanische beanspruchte Klebungen untersuchen zu können. Die angesprochenen vernachlässigten Effekte können auf dieser Basis zukünftig untersucht und damit in der Modellierung berücksichtigt werden. Durch die im Rahmen der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse werden Empfehlungen zur Auslegung solcher geklebter opto-mechanischer Baugruppen mit Standardmaterialmodellen wie das VON-MISES Plastizitätsmodell gegeben. Zusätzlich wird die Entwicklung eines zukünftigen Materialmodells, dass die genauere Modellierung der zuvor genannten Effekte gestattet, skizziert.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis IV Mathematische Operatoren und Notationen V Symbolverzeichnis VI 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Stand der Technik 1.4 Aufbau von Klebungen und Klebstoffen 1.5 Mechanisches Verhalten von Klebungen 2 Grundlagen der Kontinuumsmechanik 2.1 Deformation und Verzerrung 2.2 Bilanzgleichungen 2.3 Konstitutive Gleichungen 2.3.1 Elastisches Materialverhalten 2.3.2 Invarianten des Spannungstensors und -deviators 2.3.3 Plastizität mit isotroper Verfestigung 2.3.4 Plastizitätsmodell nach VON MISES 2.3.5 Lineares DRUCKER-PRAGER-Modell 2.3.6 Weiterentwickelte DRUCKER-PRAGER-Modelle 2.4 Randwertproblem 2.5 Schwache Form der lokalen Impulsbilanz 3 Experimente zur Materialcharakterisierung 3.1 Uniaxialer Zugversuch 3.1.1 Prüfmaschine und -aufbau 3.1.2 Festlegung der Prüfgeschwindigkeit 3.1.3 Auswertung des Zugversuchs 3.1.4 Temperaturabhängige Zugversuche 3.2 Uniaxialer Druckversuch 3.2.1 Prüfmaschine und Auswertung Inhaltsverzeichnis II 3.2.2 Ergebnisse aus dem Druckversuch 3.3 Dreipunktbiegeversuch 3.3.1 Probenform und Prüfaufbau 3.3.2 Auswertungen beim Dreipunktbiegeversuch 3.3.3 Dehnratenkonstanten Prügeschwindigkeit 3.3.4 Temperaturabhängige Dreipunktbiegeexperimente 3.4 Zugscherversuch für dicke Fügeteile 3.4.1 Prüfmaschine und -aufbau 3.4.2 Probenform und Herstellung 3.4.3 Prüfgeschwindigkeit 3.4.4 Verschiebungsmessung 3.4.5 Auswertungen beim Zugscherversuch 3.4.6 Ergebnisse der Zugscherversuche 3.5 Temperaturabhängiger Ausdehnungskoeffizient 3.6 Messung des chemischen Schrumpfs 3.7 Invariantendarstellung bei Raumtemperatur 3.8 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse 4 Simulationen 4.1 Finite-Elemente-Methode 4.1.1 LS-DYNA und MSC.Marc 4.1.2 Nichtlineare Optimierung 4.2 Parameteridentifikation aus den Experimenten 4.2.1 Einachsiger Zugversuch 4.2.2 Einachsiger Druckversuch 4.2.3 Dreipunktbiegeversuch 4.2.4 Zugscherversuch für dicke Fügeteile 5 Demonstratorexperimente und -simulationen 5.1 Zugscherverbund von Überlappungsklebungen 5.2 Demonstrator für chemischen Schrumpf 5.2.1 Einfluss einer reduzierten Klebelänge 5.3 Demonstrator für thermische Ausdehnung 6 Zusammenfassung und Ausblick

Carbon fiber (CF) must be protected from thermal oxidation for high temperature application because of its low thermo-oxidative stability above 450°C in air. CF is now increasingly being used as a reinforcing material in the construction industry. A thermal and oxidation resistant coating is necessary for CF-reinforced concrete (CFRC) composites in order to satisfy a high level of safety standard in the case of fire. New types of pre-ceramic coatings, such as Tyranno® polymer (Si–Ti based pre-ceramic) and SiO₂ sol–gel, have been deposited on CF filament yarn by means of a wet chemical continuous dip coating method. The results of surface analyses, e.g. scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and infrared spectroscopy, showed the changes in topographical properties of CF caused by the coatings. Thermogravimetric analysis proved that the high temperature (up to 800°C) oxidation stability of CF was considerably improved due to the coatings. Tensile test results indicated that the strength of CF yarn at 20°C was increased by up to 80% with the coatings. Thermo-mechanical properties were also enhanced up to 600°C. CF yarn retains its original strength and elasticity modulus, i.e. the stiffness at 700°C, with a Tyranno® polymer coating.

Le comportement des alliages à mémoire de forme (AMF) et des alliages à mémoire de forme magnétiques (AMFM) est régi par les mécanismes de transformation martensitique à l'échelle de la microstructure, à l'origine de leurs propriétés remarquables (mémoire de forme, superélasticité, grandes déformations associées à la réorientation martensitique sous champ magnétique). Les mécanismes de transformation et de réorientation martensitique peuvent être induits par des sollicitations thermiques, magnétiques et / ou mécaniques et de manière couplée. La mise au point d'outils de conception fiables nécessite une meilleure prédictibilité du comportement réel des alliages à mémoire de forme sous sollicitations thermo - magnéto - mécaniques complexes.Le choix d'une modélisation multiaxiale et multi échelle est pertinent. Le modèle reporté présente une formulation unifiée, permettant de simuler aussi bien le comportement des AMF que celui des AMFM.Parallèlement au développement de ce modèle, une étude expérimentale est nécessaire afin d'une part d'identifier les propriétés intrinsèques des matériaux étudiés, et d'autre part de valider les estimations de la modélisation. A cette fin, des mesures de fractions volumiques de phase par diffraction des rayons X in situ ont été entreprises lors de sollicitations thermiques (cycles de chauffage-refroidissement), mécaniques (traction, compression, essais biaxiaux) et magnétiques (champ magnétique unidirectionnel). L'exploitation des résultats de diffractométrie permet une analyse quantitative des fractions volumiques des phases en présence. Celles-ci sont comparées aux estimations du modèle à des fins de validation. / The behavior of shape memory alloys (SMA) and magnetic shape memory alloys (MSMA) is governed by the martensitic transformation mechanisms at the scale of the microstructure. This transformation is at the origin of their remarkable properties (memory effect, superelasticity, large deformations associated with the martensitic reorientation under magnetic field). The martensitic transformation and reorientation mechanisms can be induced by thermal, magnetic and / or mechanical stresses and in a coupled manner. The development of reliable design tools requires a better predictability of the actual behavior of shape memory alloys under complex thermal-magneto-mechanical loading.The choice of multiaxial and multiscale modeling is relevant. The model proposed in this work presents a unified formulation, making possible to simulate both the behavior of SMA and MSMA.In parallel with the development of this model, an experimental study is necessary in order to identify the intrinsic properties of the materials studied and to validate the estimates of the modeling. For this purpose, measurements of phase fractions by in-situ X-ray diffraction were carried out during thermal (heating-cooling cycles), mechanical (tensile, compressive, biaxial) and magnetic (unidirectional magnetic field) loadings. The diffraction patterns allow a quantitative estimation of the volume fractions of the phases. These are compared to model estimates for validation purposes.