This thesis focuses on data-driven methods, specifically artificial neural networks, to identify material model parameters in high density polyethylene (HDPE) for finite element (FE) simulations. The study thoroughly examines the anisotropy in HDPE by testing different material orientations with digital image correlation (DIC) during uniaxial tensile tests. DIC enabled precise measurement of strain distribution,unveiling both diffuse and local necking strain. Two hardening models,the Swift-Hockett-Sherby (S/HS) and a custom model, were explored to characterize HDPE’s plastic behaviour in FE simulations. In consistencies between predicted outcomes using the SHS model and experimental results prompt the consideration of custom equations forenhanced accuracy. The Hill48 yield model was introduced for the FE model to cover the anisotropic properties of the material. Large datasets were generated from these simulations to cover a wide range of different material configurations. The datasets were used to train neural networks so that a wide range of different HDPE grades can later be fed to the network to determine the associated material parameters. An Abaqus-Isight model was developed to automate parameter variation, simulation, and data extraction, thus streamlining the process and saving time. Data extracted from simulations, including force displacement and strain, are leveraged for neural network training. The study evaluated two types of neural networks: feed forward neural networks (FFNN) and long short-term memory neural networks(LSTM). It was found that FFNN performed better than LSTM for this task. Therefore, the research focused more on refining the FFNN approach. Overall, the implementation of the custom hardening modelin combination with the Hill48 yield model was successful, but showed weaknesses in CD orientation

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Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

Part 1: Theoretic background information - Review of Hooke’s law for linear elastic materials - The strain energy density of linear elastic materials - Hyperelastic material - Material laws for hyperelastic materials - About selecting the material model and performing tests - Implementation of hyperelastic material laws in Mechanica - Defining hyperelastic material parameters in Mechanica - Test set-ups and specimen shapes of the supported material tests - The uniaxial compression test - Stress and strain definitions in the Mechanica LDA analysis Part 2: Application examples - A test specimen subjected to uniaxial loading - A volumetric compression test - A planar test - Influence of the material law Appendix - PTC Simulation Services Introduction - Dictionary Technical English-German / Teil 1: Theoretische Hintergrundinformation - Das Hookesche Gesetz für linear-elastische Werkstoffe - Die Dehnungsenergiedichte für linear-elastische Materialien - Hyperelastisches Material - Materialgesetze für Hyperelastizität - Auswählen des Materialgesetzes und Testdurchführung - Implementierung der hyperelastischen Materialgesetze in Mechanica - Definieren der hyperelastischen Materialparameter in Mechanica - Testaufbauten und Prüfkörper der unterstützten Materialtests - Der einachsige Druckversuch - Spannungs- und Dehnungsdefinition in der Mechanica-Analyse mit großen Verformungen Teil 2: Anwendungsbeispiele - Ein einachsig beanspruchter Prüfkörper - Ein volumetrischer Drucktest - Ein planarer Test - Einfluss des Materialgesetzes Anhang: - Kurzvorstellung der PTC Simulationsdienstleistungen - Wörterbuch technisches Englisch-Deutsch

With increasing emphasis and regulations on the environmental footprint in industries, the integration of reduced carbon dioxide equivalent (CO2eq) plastic materials is desirable. Fiber-reinforced plastic materials mechanical properties differ with varying fiber orientations. Similarly, the welding line phenomenon, commonly present in more complex injection molded parts, decreases the mechanical performance. This thesis aims to experimentally investigate tensile behavior on reduced CO2eq reinforced plastics in different fiber orientations and weld line configurations.  Ten materials with reduced CO2eq are investigated, the types of materials are as follows: PA6 (Polyamide6), PP (Polypropylene), and PA6/PP blend materials. Both short fiber-reinforced polymers (SFRP) and long fiber-reinforced polymers (LFRP) are investigated. The screening resulted in three selected materials for further investigation: one recycled PA6, one bio-based PA6/PP, and one alternative PP. The further investigation involves tensile testing in the five directions and three weld line configurations with non-standardized geometry specimens punched out from an injection molded plate with controlled fiber orientation. Two types of uniform fiber orientation plates are manufactured for the testing conditions, one with holes for weld line testing and one without for testing of orientation. The evaluated fiber orientations are 0° (fibers parallel to load direction), 22.5°, 45°, 67.5°, and 90° (fibers transverse to load direction). The weld line configuration consists of three consecutive holes with 96.5, 146.5, and 196.5 mm distances from the gating system. Three weld line test specimens are generated from each plate, they are denoted W1, W2, and W3 from their respective distance from the gating system, with W1 being closest to the gate. Optical microscopy of fiber orientation and failure modes for the test specimens are performed to investigate and validate the testing conditions.  Varying fiber orientation was found to greatly affect the stress-strain behavior in all four materials investigated. The tensile strength was reduced from longitudinal to transverse fiber orientation, with the most significant reduction near flow direction. High variations were present for the brittle materials supposedly from their weakness to stress concentrations. Strain tended to increase from the lowest at 0° to the maximum at 45°, from which it again decreased to a mid-value at 90° for all materials. The weld line strength reduced significantly for the brittle materials, whereas the ductile materials experienced a much smaller reduction. The three weld line cases failed at similar stresses, while having different stiffness.

Selon leur formulation et leur mise en forme et grâce à leur complexité microstructurale induite, les polymères thermoplastiques bénéficient d’une grande diversité de propriétés thermomécaniques. Cependant, l’évolution de la microstructure de ces matériaux au cours de leur utilisation reste difficile à identifier. Afin de mieux comprendre les modifications microstructurales ayant lieu au cours de sollicitations thermomécaniques, différentes techniques non destructives de caractérisation en temps réel et in situ ont été développées. Dans ce contexte, un Poly (Ethylène Téréphtalate) (PET) amorphe et semi-cristallin a été étudié afin de mettre en évidence l’effet de la microstructure sur les propriétés macroscopiques du matériau. Pour ce faire, plusieurs couplages de techniques expérimentales de caractérisation ont été mis en œuvre tels que la spectroscopie Raman et la diffraction/diffusion des rayons X couplées au système de VidéoTraction™ ou la spectroscopie Raman couplée à la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) pour une caractérisation des micromécanismes de déformation et du comportement thermique du matériau respectivement. Le suivi de différentes bandes vibrationnelles judicieusement identifiées a permis d’établir un nouveau critère robuste et capable de mesurer avec exactitude le taux de cristallinité du matériau ou de remonter aux températures caractéristiques de sa morphologie (Tg, Tc, Tcc, Tf) grâce aux informations extraites d’un spectre Raman. De plus, un système de caractérisation relaxationnelle par un couplage de la spectroscopie diélectrique dynamique avec un essai de traction a été utilisé afin de mettre en évidence l’effet de la mobilité moléculaire sur la déformation élasto-visco-plastique du PET. D’un point de vue mécanique, les principaux micromécanismes de déformation ont été étudiés en temps réel pendant un essai de traction à différentes températures et vitesses de déformation vraies constantes : l’orientation macromoléculaire, l’endommagement volumique, le développement de mésophase et la cristallisation induite sous contrainte, ont été observés et quantifiés in situ en utilisant les couplages précédents au synchrotron Petra III de Hambourg et au synchrotron Elettra de Trieste. En parallèle, une étude de la mobilité moléculaire (paramètre déterminant à la prédominance de tel ou tel micromécanisme de déformation) a été menée via des analyses relaxationnelles réalisées au cours de la déformation du matériau. En complément, des expériences en temps réel, des études post mortem par les techniques précédemment citées et par radiographie X, microscopie électronique à balayage et tomographie X ont été réalisées afin d’apprécier l’influence de la relaxation mécanique du PET. / According to their formulations and forming processes and thanks to the complexity of their induced microstructure, thermoplastic polymers show a wide range of thermomechanical properties. However, the identification of the evolution of the microstructure of these materials during their use remains difficult. To better understand the microstructural changes occurring during thermomechanical loadings, various in situ and non-destructive techniques of characterization have been used. In this context, a Poly (Ethylene Terephthalate) (PET) amorphous and semi-crystalline was studied in order to highlight the effect of the microstructure on the macroscopic properties of the material. This way, different coupling systems combining several experimental characterization techniques have been implemented such as Raman spectroscopy and X-rays diffraction/scattering coupled to the VidéoTraction™ system or Raman spectroscopy coupled with differential scanning calorimetry (DSC) for the characterization of the deformation micro-mechanisms and the thermal behavior of the material respectively. Monitoring specific vibrational bands thoroughly identified allowed the establishment of a new robust criterion which enables to accurately measure the crystallinity ratio of the material and the identification of the characteristic temperatures of its morphology (Tg, Tc, Tcc, Tm). In addition, a relaxational characterization system by coupling dynamic dielectric spectroscopy to a tensile test has been used in order to highlight the effect of molecular mobility on the elasto-visco-plastic deformation of PET. From a mechanical point of view, the main deformation micro-mechanisms have been studied in real time during a tensile test at different temperatures and constant true strain rates: macromolecular orientation, volume damage, development of mesophase and strain induced crystallization were observed and quantified in situ using the coupled characterization technics presented previously at Petra III (Hambourg) and Elettra (Trieste) synchrotrons. In parallel, a study of the molecular mobility (a determining parameter for the predominance of one deformation micromechanism to another) was conducted via relaxational analysis performed during the deformation of the material. In addition to in situ experiments, post mortem analysis by the previously mentioned technics and by X radiography, scanning electron microscopy and X tomography were performed to assess the influence of the mechanical relaxation of the polymer.

Bestärkt durch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Formen des Bauens gewinnen Holzkonstruktionen wieder unverkennbar an Bedeutung. Mit dieser Entwicklung bilden sich neue Konstruktionsprinzipien und Materialkombinationen im Bauwesen heraus, zu deren ingenieurtechnischer Beurteilung zum Teil keine ausreichenden Erkenntnisse vorliegen. Verbundkonstruktionen aus Holz und Glas sind eine innovative Bauweise, die zu einer höheren Materialeffizienz in Fassaden beiträgt, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend hinterfragt wurde. Werden Holz und Glas durch eine tragende Klebung verbunden, lässt sich das vielfach ungenutzte Tragpotenzial ausschöpfen, das eine in Scheibenebene belastete Verglasung aufweist. Die Qualität der Klebung entscheidet dabei über die Eigenschaften und das Leistungsvermögen des Bauteils. Die üblicherweise an dieser Schnittstelle eingesetzten Silikonklebstoffe weisen eine hohe Nachgiebigkeit und eine vergleichsweise geringe Festigkeit auf. Wenn die Verbundelemente als Aussteifung mitwirken sollen, bleibt ihr Einsatz deswegen auf Gebäude mit höchstens zwei Geschossen limitiert. Die vorliegende Arbeit trägt entscheidend zur Erweiterung der baulichen Möglichkeiten bei, indem sie der Anwendbarkeit von hochfesten Klebstoffen, die für den Einsatz im Bauwesen nur wenig erforscht sind, auf vielschichtige Weise nachgeht. Im Fokus stehen aussteifende Holz-Glas-Verbundelemente für die Fassade. Weder die Bauart noch das Bauprodukt Klebstoff sind derzeit in Deutschland in einer Norm erfasst. Das Klären der baurechtlichen Rahmenbedingungen ist daher unerlässlich und erfolgt mit engem Bezug zum konstruktiven Glasbau. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Interpretation wird dadurch eine praxisnahe Bewertung der Versuchsergebnisse möglich, was ein Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit darstellt. Das Verformungsvermögen des Klebstoffs spielt eine zentrale Rolle bei der Materialauswahl und Gestaltung der Holz-Glas-Verbundelemente. Der Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf das Tragverhalten eines Einzelelements und auf dessen Interaktion mit den anderen Bestandteilen des Tragwerks wird an einem Modellgebäude untersucht. Auf Basis dieser Parameterstudie lassen sich drei Steifigkeitsbereiche definieren, auf die sich die Klebstoffauswahl für die weiteren Untersuchungen stützt. Der experimentelle Teil der Arbeit beginnt mit der ausführlichen Charakterisierung von sieben Klebstoffen. Davon werden zwei höherfeste Klebstoffe als geeignet identifiziert. Ein Silikonklebstoff wird als Referenzmaterial zur aktuellen Anwendungspraxis festgelegt. Das Hauptaugenmerk der folgenden Experimente richtet sich auf Aspekte der Alterungsbeständigkeit und des zeitabhängigen Materialverhaltens unter langandauernder mechanischer Beanspruchung. In labormaßstäblichen Alterungsprüfungen werden die Klebstoffproben unterschiedlichen Schadeinwirkungen ausgesetzt, die im Glas- und Fassadenbau relevant sind. Darüber hinaus erfolgen Kriechversuche an kleinen und großen Scherprüfkörpern. Letztere stellen einen besonderen Mehrwert dar, da sie eine realistische Klebfugengeometrie aufweisen und die Ergebnisse dadurch dem tatsächlichen Bauteilverhalten nahekommen. Für diese Zeitstandversuche wurde eine bislang einzigartige Versuchsanlage aus sechs Prüfrahmen mit Gasdruckfederbelastung entwickelt. Im Ergebnis zeigt sich, dass mit den gewählten höherfesten Klebstoffen die Festigkeit der nicht gealterten Klebschichten erwartungsgemäß gesteigert werden kann. Der Bruch des Fügepartners Holz wird zum maßgebenden Versagenskriterium. Die Verformungen des Verbundelements reduzieren sich gegenüber einer Silikonklebung deutlich. Allerdings offenbaren sich in einzelnen Alterungsszenarien und unter langandauernder Belastung auch Schwachstellen dieser Klebstoffe. Ihre Verwendung kann daher nur mit konstruktiven Kompensationsmaßnahmen oder durch Abschirmen der kritischen Einwirkungsgrößen empfohlen werden. Entsprechende Vorschläge werden bei der abschließenden Bewertung der Ergebnisse unterbreitet. Verfahren und Beurteilungsmethoden, die in dieser Arbeit angewendet und entwickelt werden, erleichtern die zukünftige Bewertung weiterer aussichtsreicher Klebstoffe für den Holz-Glas-Verbund. / Wooden constructions are on the rise again – encouraged by a strong public and economic trend towards sustainable and resource efficient buildings. Spurred by this growing interest novel design principles and material assemblies in architecture and the building industry evolve. These developments require further research due to the absence of evaluation tools and insufficient knowledge about their design. Load-bearing timber-glass composite elements could contribute to a more efficient use of materials in façade constructions. In this case a linear adhesive bond connects the glass pane to the timber substructure. This enables an in-plane loading of the glass whose capacity is not used to its full potential in conventional façades as it is solely applied as an infill panel. The quality of the adhesive bond defines the characteristics and the performance of the whole structural component. Structural sealants such as silicones, which are typically used for the joint, provide a high flexibility and only a low load-bearing capacity. Considering such elements being part of a bracing system, the mentioned characteristics limit the application range to buildings with not more than two stories. This thesis widens the scope with an in-depth examination of high-modulus adhesives, which have not yet been evaluated for their use in building constructions. Timber-glass composite elements used as a bracing component in façades are the focus of this work. Neither the full structural component nor the adhesive have yet been included into German building standards. Hence it is essential to assess the general requirements of their application. The relevant aspects are clarified in the context of glass constructions. In addition to the scientific discussion of the results, this approach facilitates also a practical evaluation of the findings, which is a unique feature of this work. The deformability of the adhesive becomes a crucial criterion when selecting the individual materials and designing the timber-glass composite elements. A case study assesses the influence of the adhesive stiffness on the behavior of a single element and its interaction with other members of the structural system. Based on the results, three different stiffness classes are introduced to support the selection process of the adhesives to be examined in further investigations. The experimental part of this work is initiated by a comprehensive characterization of seven shortlisted adhesives. The results enable a further differentiation of suitable materials. Two adhesives qualified as suitable for the main experiments. A silicone adhesive complements the test series to serve as a reference material to the current practice. In the next phase attention is drawn to the ageing stability and on the time-dependent material behavior of the adhesives under long-term loading. Small-scale specimens made from adhesively joint timber and glass pieces are exposed to different ageing scenarios which relate to the impacts typically encountered in façades. Beyond that, creep tests are carried out on small and large shear specimen. The latter provide extra benefit as they comprise long linear adhesive joints resembling virtually the situation in a real-size element. A specific long-term test rig was developed for this purpose comprising a loading unit with gas pressurized springs. Based on the results it can be concluded that joints with adhesives of high and intermediate stiffness enable an increase of characteristic failure loads and a significant reduction of deformation. With the stiffer joint near-surface rupture of timber fibers becomes the prevailing failure mechanism. The timber strength limits further loading of the adhesive joint. However, ageing and creep testing reveal also shortcomings of the adhesives. Their application can only be recommended if redundant compensation measures are taken or the joint is protected against critical environmental impacts. Appropriate solutions are proposed with the final recommendations of this work. Methods and assessment tools that have been developed and tested for this work offer the possibility of a more straight-forward evaluation of further promising adhesives and their use in load-bearing timber-glass composites.

Der Vortrag beschreibt die Grundlagen der Elasto-Plastizität sowie die softwaretechnische Anwendung mit dem FEM-Programm Creo Simulate bzw. Pro/MECHANICA von PTC. Der erste Teil des Vortrages beschreibt die Charakteristika plastischen Verhaltens, unterschiedliche plastische Materialgesetze, Fließkriterien bei mehrachsiger Beanspruchung und unterschiedliche Verfestigungsmodelle. Im zweiten Vortragsteil werden Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung elasto-plastischer Probleme mit der Software dargestellt sowie Anwendungstipps gegeben. Im dritten Vortragsteil schließlich werden verschiedene Beispiele vorgestellt, davon besonders ausführlich das Verhalten einer einachsigen elasto-plastischen Zugprobe vor und nach dem Eintreten der Einschnürdehnung. / This presentation describes the basics of elasto-plasticity and its application with the finite element software Creo Simulate (formerly Pro/MECHANICA) from PTC. The first part describes the characteristics of plastic behavior, different plastic material laws, yield criteria for multiaxial stress states and different hardening models. In the second part, the opportunities and limitations of analyzing elasto-plastic problems with the FEM-code are described and user information is provided. The last part finally presents different examples. Deeply treated is the behavior of a uniaxial tensile test specimen before and after elongation with necking appears.