Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung physikalisch fundierter, variations-basierter Modelle zur Beschreibung von magneto-aktiven Polymeren bei finiten Deformationen. Die Erarbeitung einer theoretisch und numerisch instruktiven Abhandlung zur Modellierung von nicht-dissipativen sowie dissipativen magneto-mechanischen Systemen stellt dabei einen zentralen Aspekt dieser Arbeit dar. Die konstitutive Modellierung erfolgt in kanonischer Form im Rahmen einer Theorie erster Ordnung auf Basis zweier skalarwertiger Tensorfunktionen -- der totalen Energiedichtefunktion und dem Dissipationspotential -- welche das komplexe konstitutive Verhalten des Systems vollständig charakterisieren. Die Entwicklung fundierter, konstitutiver Makroskalenmodelle für nicht-dissipative sowie dissipative magneto-aktive Polymere erfolgt dabei mikrostrukturgeleitet und im Falle nicht-dissipativer magneto-aktiver Polymere explizit auf Basis eines umfangreichen -- mittels numerischer Homogenisierung erzeugten -- Datensatzes. Das im Rahmen der konstitutiven Modellierung genutzte energie-basierte Setting stellt die natürliche Umgebung für Stabilitätsbetrachtungen dar und erlaubt die Diskussion der materiellen Stabilität der entwickelten konstitutiven Modelle auf Grundlage verallgemeinerter Konvexitätskonzepte. Im Mittelpunkt der numerischen Behandlung der vorliegenden Problemstellungen steht die Konstruktion primaler Variationsprinzipien auf Basis der entwickelten konstitutiven Funktionen in Verbindung mit deren konformen Finite-Elemente-Approximationen. Die zugehörigen diskreten Variationsformulierungen zeichnen sich durch ihre Minimaleigenschaften aus, wodurch diese nicht durch die diskrete inf-sup Stabilitätsbedingung eingeschränkt sind. Die Leistungsfähigkeit und Validität der entwickelten Modelle wird anhand von Benchmark- und Konvergenzstudien im Detail untersucht. Der Fokus weiterer numerischer Studien liegt auf der makrostrukturellen Analyse des magnetostriktiven und magnetorheologischen Effektes. / The present work covers the development of physically motivated, variational-based models for the description of magneto-active polymers at finite deformations. A key aspect of this thesis is to develop a unified theoretical and computational framework for the modeling of non-dissipative and dissipative magneto-active polymers. Within a classical first order theory, a strong emphasis is put on a unifying constitutive modeling framework based on two scalar valued tensor functions, namely the total energy density function and the dissipation potential. This two potential ansatz allows the canonical derivation of thermodynamically consistent constitutive models for a broad spectrum of complex systems in a mathematically elegant manner. The development of a family of constitutive macroscale models for non-dissipative and dissipative magneto-active polymers is based on a microstructure-guided approach, whereby the parametrization of the developed non-dissipative constitutive model is explicitly based on a comprehensive material data set generated via computational homogenization. The energy-based setting provides the natural environment for stability analysis and allows the discussion of the material stability of the developed constitutive models based on generalized notions of convexity. The focus of the variational and computational framework lies on the construction of primal variational principles and their conforming finite element approximations. The associated discrete variational formulations are characterized by their minimization structure and are therefore not restricted by the discrete inf-sup stability condition. The performance and validity of the developed models are investigated in detail by benchmark and convergence studies. The main emphasis of further numerical studies lies on the macrostructural analysis of the magnetostrictive and magnetorheological effect.

We give an alternate description of the usual shell equation that does not depend on the special mid surface coordinates, but uses differential operators defined on the mid surface.:1 Introduction 2 Basic differential geometry 3 The strain tensor and its simplifications 4 The resulting shell energy 5 Introducing the Kirchhoff-Hypothesis towards Koiter-shell

Pressverbindungen gehören zu den klassischen Maschinenelementen und werden insbesondere in der Antriebstechnik häufig eingesetzt. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung derartiger Verbindungen unter zyklischen Lasten fehlen generell gültige sowie abgesicherte normative Vorgaben bzw. Richtlinien für den Anwender. Insbesondere ist dies dann zutreffend, wenn Geometrien vorkommen, für welche keine Tabellen- bzw. Erfahrungswerte existieren. In dieser Arbeit werden ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von Pressverbindungen einer Standardgeometrie vorgestellt. Im Fokus der Untersuchungen steht die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit der biege- sowie torsionsbelasteten Verbindung. Auf Basis der erzielten Festigkeiten und Lebensdauerwerte erfolgt die Ableitung normspezifischer Kennwerte für die Praxis. Weiterhin steht die Übertragung der erzielten Ergebnisse auf andere Pressverbindungs-Geometrien, wie beispielsweise die Verbindung mit Wellenabsatz, im Vordergrund. Hierbei wird das Verhalten hinsichtlich der Kerbwirkung im Vergleich zu gekerbten Wellen sowie zu anderen reibdauerbeanspruchten Verbindungen untersucht. Zudem erfolgt eine ausführliche Analyse simulationsspezifischer Einflussgrößen auf die Beanspruchungshöhe der Pressverbindung. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein neues Auslegungskonzept erarbeitet und an Ergebnissen aus der Literatur gespiegelt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein gemischtes Element gegen Locking-Effekte untersucht. Dazu wird ein Fünf-Feld-Hu-Washizu-Funktional (CoFEM-Element) für lineare und quadratische Hexaeder-Elemente unter einer hyperelastischen, isotropen, polykonvexen sowie einer transversal-isotropen Materialformulierung implementiert. Die resultierenden nichtlinearen Gleichungen werden mithilfe eines Mehrebenen-NEWTON-RAPHSON-Verfahren unter Beachtung einer konsistenten Linearisierung gelöst. Als repräsentatives Beispiel der numerischen Untersuchungen dient der einseitig eingespannte Cook-Balken mit einer quadratischen Druckverteilung am Rand. Zur Beurteilung des CoFEM-Elements wird das räumliche Konvergenzverhalten für unterschiedliche Polynomgrade und für verschiedene Netze unter Beachtung der algorithmischen Effizienz untersucht. / This paper presents a mixed finite element formulation of Hu-Washizu type (CoFEM) designed to reduce locking effects with respect to a linear and quadratic approximation in space. We consider a hyperelastic, isotropic, polyconvex material formulation as well as transverse isotropy. The resulting nonlinear algebraic equations are solved with a multilevel NEWTON-RAPHSON method. As a numerical example serves a cook-like cantilever beam with a quadratic distribution of in-plane load on the Neumann boundary. We analyze the spatial convergence with respect to the polynomial degree of the underlying Lagrange polynomials and with respect to the level of mesh refinement in terms of algorithmic efficiency.

Die Nanoindentation ist ein inzwischen etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Materialkennwerte Härte und Elastizitätsmodul in kleinen Größendimensionen. Eine zusätzliche Bestimmung der Fließspannung aus solchen Nanoindentationsexperimenten würde deren Einsatzmöglichkeiten deutlich erweitern und zum Beispiel für die Bauteilauslegung kleiner Strukturen, Schichtcharakterisierung und die Beschaffung von Simulationseingangsdaten einen großen Fortschritt bedeuten. Diese Gründe machen das Thema zu einem aktuellen Forschungsgegenstand. In der vorliegenden Arbeit steht deswegen die Bewertung von Fließspannungsbestimmungsverfahren für Massivmaterialien in der Nanoindentation mittels einer Kombination aus Finite-Elemente-Simulationen und umfangreichen Experimentaldaten im Zentrum. Im Speziellen wird dabei das Konzept des effektiv geformten Indenters mit dem erweiterten Hertzschen Ansatz und dessen Anwendung zur Fließspannungsbestimmung aus Eindringversuchen mit selbstähnlichen Berkovichpyramiden betrachtet. Zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung wurden unter anderem drei Referenzverfahren zur Fließspannungsbestimmung (die Expanding cavity-Modelle, das Loading partial unloading-Verfahren und Minidruckversuche) ausführlich charakterisiert. Damit konnten dann im Weiteren belastbare Referenzfließspannungen für die umfangreiche Experimentaldatenbasis zur Verfügung gestellt werden. Außerdem wurden die untersuchten Materialien auf den Einfluss der Größenabhängigkeit der Fließspannungen, den Indentation size effect, hin untersucht. Dabei wurden die vorliegenden physikalischen Vorgänge in den Proben beschrieben, dahingehende Unterschiede bei den betrachteten Referenzverfahren charakterisiert und den Fließspannungswerten die Fließzonendimensionen zugeordnet. Mit den damit zur Verfügung stehenden Informationen konnte das Konzept des effektiv geformten Indenters in seiner Anwendung zur Fließspannungsbestimmung grundlegend bewertet werden. Alle Untersuchungen wurden dabei stets parallel mit Hilfe von Simulations- und Experimentaldaten durchgeführt, um tiefere Einblicke in die zu Grunde liegende Mechanik der Fließprozesse zu gewinnen.

The combination of modern self-assembly techniques with well-established top-down processing methods pioneered in the electronics industry is paving the way for increasingly sophisticated devices in the future[1]. Nanomembranes, made from a variety of materials, can provide the necessary framework for a diverse range of device structures incorporating wrinkling, buckling, folding, and rolling of thin films[2, 3]. Over the past decade, an elegant symbiosis of bottom-up and top-down methods has been developed, allowing the fabrica- tion of hybrid layer systems via the controlled release and rearrangement of inherently strained layers [4]. Self-assembled rolled-up structures[4, 5] have become increasingly at- tractive in a number of fields including micro/nano uidics[6], optics[7](including metama- terial optical fibers[8]), Lab on a Chip applications[9], and micro- and nanoelectronics[10]. The use of such structures for microelectronic applications has been driven by the versatility in contacting geometries and the abundance of material combinations that these devices offer. By allowing devices to expand in the third dimension, certain obstacles that inhibit 2D structuring can be overcome in elegant ways. Similarly, recent progress in nanostructured superconducting electronic structures has been receiving increased attention[11]. The advancement of such devices has been mo- tivated by their use in quantum computation[12], high sensitivity radiation sensors[13], precision voltage standards[14] and superconducting spintronics[15] to name a few. Combining semiconductor with superconductor materials to create new hybrid geometries is advantageous because it adds the functionalities of the semiconductor, including high charge carrier mobilities, gating possibilities, and refined processing technologies. The main focus of the work presented in this thesis is the development of new methods for controlling strain behavior and its applications toward novel semiconduc- tor/superconductor heterostructures based on nanomembranes. More specifically, the goal is to integrate inherently strained semiconductor layer structures with superconducting materials to create innovative electronic devices by the controlled releasing and rearrangement of thin films. By rolling up pre-patterned semiconductor/superconductor layers, device geometries have been realized that are not feasible using any other technique. In this way, superconducting hybrid junctions, or Josephson junctions, have been created and their basic properties investigated. The Josephson effect, and junctions displaying this quantum coherent behavior, have found many essential uses in diverse areas of science and technology. Many research groups around the world are involved in finding new materials and fabrication methods to tune the properties and structure of such Josephson devices further[11]. The inclusion of semi- conductors, for example, allows for a greater control of the charge carrier density within the junction area, thus allowing for "transistor-like" behavior in these superconducting devices. By rolling up the superconductor contacts using a strained semiconductor as scaffolding, the fabrication of hybrid nano-junctions is simplified drastically, removing the need for complicated processing steps such as electron-beam or nano-imprint lithography. Furthermore, the technique allows many nanometer-sized devices to be created in parallel on a single chip which has the advantage that it can be scaled up to full-wafer processing. First, post-growth processing techniques of epitaxial layers are developed in order to extend the control of hybrid device fabrication. Here, three unique concepts for controlling the rolling behavior of strained semiconductor nanomembranes are presented. First an optical method for inhibiting the rolling of the strained layers is described. Next, a selective etching method for destroying the inherent strain within the semiconductor layer is introduced. Finally, a method by which the strain gradient across a trilayer stack is altered in situ during rolling is presented. Next, the fabrication of a hybrid nanomembrane-based superconducting device is presented. Various experimental details of the fabrication process are analyzed, and the electronic properties of the completed device are investigated. The devices created here highlight the fabrication process in which nanometer-sized structures are created using self-assembly techniques and standard microelectronics fabrication methods, presenting a new method to circumvent more complicated processing techniques. References [1] G. M. Whitesides and B. Grzybowski. Self-assembly at all scales. Science 295, 2418{2421 (2002). [2] Y. G. Sun, W. M. Choi, H. Q. Jiang, Y. G. Y. Huang and J. A. Rogers. Controlled buckling of semiconductor nanoribbons for stretchable electronics. Nature Nanotechnology 1, 201{207 (2006). [3] O. G. Schmidt and K. Eberl. Nanotechnology - Thin solid films roll up into nanotubes. Nature 410, 168 (2001). [4] O. G. Schmidt, C. Deneke, Y. Nakamura, R. Zapf-Gottwick, C. Mller and N. Y. Jin-Phillipp. Nanotechnology { Bottom-up meets top-down. Advanced Solid State Physics 42, 231 (2002). [5] V. Ya. Prinz, V. A. Seleznev, A. K. Gutakovsky, A. V. Chehovskiy, V. V. Preobrazhenskii, M. A. Putyato and T. A. Gavrilova. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E 6, 828 (2000). [6] D. J. Thurmer, C. Deneke, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Process integration of microtubes for uidic applications. Applied Physics Letters 89, 223507 (2006). [7] R. Songmuang, A. Rastelli, S. Mendach and O. G. Schmidt. SiOx/Si radial superlattices and microtube optical ring resonators. Applied Physics Letters 90, 091905 (2007). [8] E. J. Smith, Z. W. Liu, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Combined surface plasmon and classical waveguiding through metamaterial fiber design. Nano Letters 10, 1{5 (2010). [9] G. S. Huang, Y. F. Mei, D. J. Thurmer, E. Coric and O. G. Schmidt. Rolled-up transparent microtubes as two-dimensionally confined culture scaffolds of individual yeast cells. Lab on a Chip 9, 263{268 (2009). [10] C. C. B. Bufon, J. D. C. Gonzalez, D. J. Thurmer, D. Grimm, M. Bauer and O. G. Schmidt. Self-assembled ultra-compact energy storage elements based on hybrid nanomembranes. Nano Letters 10, 2506{2510 (2010). [11] G. Katsaros, P. Spathis, M. Stoffel, F. Fournel, M. Mongillo, V. Bouchiat, F. Lefloch, A. Rastelli, O. G. Schmidt and S. De Franceschi. Hybrid superconductor-semiconductor devices made from self-assembled SiGe nanocrystals on silicon. Nature Nanotechnology 5, 458{464 (2010). [12] Y. J. Doh, J. A. van Dam, A. L. Roest, E. P. A. M. Bakkers, L. P. Kouwenhoven and S. De Franceschi. Tunable supercurrent through semiconductor nanowires. Science 309, 272{275 (2005). [13] F. Giazotto, T. T. Heikkila, G. P. Pepe, P. Helisto, A. Luukanen and J. P. Pekola. Ultrasensitive proximity Josephson sensor with kinetic inductance readout. Applied Physics Letters 92, 162507 (2008). [14] S. P. Benz. Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards. Applied Physics Letters 67, 2714{2716 (1995). [15] Y. C. Tao and J. G. Hu. Superconducting spintronics: Spin-polarized transport in superconducting junctions with ferromagnetic semiconducting contact. Journal of Applied Physics 107, 041101 (2010).

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mechanischen Untersuchung des menschlichen Fersenfettpolsters (FP) in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht. Das menschliche FP stellt evolutionsgeschichtlich eine Anpassung an den aufrechten Gang dar. Durch Aufrichtung des Oberkörpers im Zweibeingang kam es zur Ganglinienverlängerung in Richtung Ferse und folglich zu einer Mehrbelastung des Rückfußes. Sie prägten die Funktion des FP, die Kräfte beim Aufsetzen der Ferse zu reduzieren. Das FP, das ein spezielles Unterhautfettgewebe ist und sich aus straffem und lockerem Bindegewebe zusammensetzt, kann die Kräfte durch Verteilen und Absorbieren vermindern. Bekannt ist, dass sich das mechanische Verhalten der Haut zwischen Mann und Frau unterscheidet. Da das FP ein Bestandteil der Haut ist, stellt sich als ein Schwerpunkt dieser Arbeit die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Mann und Frau? Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist Altern ein natürlicher Mechanismus, der die Lebenskraft des Organismus durch Zellalterung und –tod reduziert. Aus evolutionärer Sicht wurde zugelassen, dass sich bestimmte Zellen bzw. Gewebe, welche hohen endogenen und exogenen Faktoren ausgesetzt sind, vollständig aber begrenzt regenerieren dürfen. Es wird als primäres Altern gekennzeichnet. Das primäre Altern kann positiv oder negativ durch äußere Einwirkungen auf den Organismus („Sekundäres Altern“) beeinflusst werden. Bindegewebe, welches hohen exogenen Faktoren ausgesetzt ist, sind insbesondere Schnittstellen zwischen „Biologischem System“ und „Umwelt“ (z.B. beim Menschen das Gewebe der Hautinnenfläche oder der Fußsohle). Es wird erwartet, dass das FP dem Alterungsprozess stark unterworfen ist, da es alltäglich mechanisch beansprucht wird. Folglich kann es zu einem mechanischen Funktionsverlust des FP kommen, das sich negativ auf die Belastbarkeit des Rückfußes auswirken kann. Die Entwicklung von altersbedingten Verschleißerkrankungen kann nicht ausgeschlossen werden. Als ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit stellt sich die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Jung und Alt? Es gibt hinsichtlich der Thematik dieser Dissertation wenige Untersuchungen. Die Autoren kommen zum Teil zu unterschiedlichen Ergebnissen und Schlussfolgerungen, dass möglicherweise auf die unterschiedlich verwendete Methodik zurückzuführen ist. Die Vor- und Nachteile der bisher durchgeführten Experimente machen es schwierig, Stellungnahme zu beziehen, welche der Tests die zuverlässigsten Ergebnisse liefern. Seit den letzten 10-15 Jahren wurde immer häufiger Ultraschall als zusätzliche Informationsquelle in mechanischen Messplätzen integriert, um innere Kenndaten zum mechanischen Verhalten des FP abzuleiten. Allerdings waren die quasi-statischen Messungen und die geringen Kontaktkräfte der limitierende Faktor um das mechanische Verhalten valide zu charakterisieren. Mit einem eigens entwickelten Messplatz sollte dieser methodische Ansatz überholt werden. Der instrumentierte Belastungsschlitten ermöglicht die Aufnahme von dynamischen Ultraschallbildsequenzen unter mindestens 10-fach höheren Kontaktkräften bei fast doppelter Fersenkontaktgeschwindigkeit gegenüber den bisher bekannten Ultraschallexperimenten in der Literatur. Mögliche geschlechts- und altersspezifische Unterschiede im mechanischen Verhalten des FP sind grundlegend für die Orthopädie-Technik, die klinische Forschung und die Biogerontologie. Die Orthopädie-Technik benötigt insbesondere die Erkenntnisse zum mechanischen Verhalten der Haut an unterschiedlichen Stellen der unteren Extremität in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht, um den Tragekomfort und die Bewegungseffizienz von Prothesen und Orthesen zu bessern. In der klinischen Forschung zeigt sich das Interesse an den altersspezifischen mechanischen Kenndaten, um im Zusammenhang zu klinischen Parametern die Entwicklung von orthopädischen Erkrankungen zu erforschen. Für die Biogerontologie wäre diese Art von Forschung relevant, um Zusammenhänge zu histologischen Parametern zu überprüfen, die direkt am Alterungsprozess des Bindegewebes beteiligt sind. Sie könnten zur Entschlüsselung des Mechanismus „Altern“ beitragen.

Die Anwendung des Verfahrens der inversen Parameteridentifikation auf die Nanoindentation mit einer neuen Materialklasse (amorphe Legierungen) ist Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Methode auf ihre Zuverlässigkeit hin zu überprüfen, werden darüber hinaus die drei Härtevergleichsplatten HV240, HV400 und HV720 sowie das oxidische Glas BK7, deren Nanoindentationsmessungen von Dipl.-Ing. André Clausner schon zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen wurden, zur Berechnung herangezogen. Die Auswahl der Materialien erfolgte so, dass diese einen möglichst großen Bereich von Y abdecken, von BK7 bis hin zu HV240. Damit soll gezeigt werden, dass das Verfahren der inversen Parameteridentifikation für einen großen Bereich von natürlich vorkommenden Materialien genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung des Fließverhaltens, das durch die Parameter Fließgrenze1 Y und Verfestigungsexponent n erfolgt. Ziel ist es, in Zukunft auf weitere Experimente, die bisher zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften genutzt wurden und häufig zur Zerstörung der Proben führten, verzichten zu können. Für viele Gläser, z.B. BK7, sind derartige zerstörende Versuche nicht anwendbar, weil spröde Materialien splittern statt plastisch zu fließen. Dieser Arbeit liegt die Methode der Finiten-Elemente zugrunde, um eine inverse Parameteridentifikation zu realisieren. Sie wird hier eingesetzt, weil es sich bei plastischer Verformung um einen nichtlinearen Prozess2 handelt, der analytisch nicht mehr geschlossen gelöst werden kann. Die Simulationssoftware ANSYS R und ein Optimierungsmodul (SPC-OPT) der Fakultät für Maschinenbau dienen zur Berechnung. Bei der Simulation werden dabei ein zweidimensionales Modell und ein realitätsnahes dreidimensionales Modell eingesetzt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Aufbau und Funktionsweise der betrachteten synthetischen Jet-Aktuatoren 2.2 Grundlagen aus der Mechanik 2.3 Grundlagen aus der Hydrodynamik 2.4 Analytisches Modell für synthetische Jet-Aktuatoren 3 Numerische Grundlagen 3.1 Zur Lösung von Differentialgleichungssystemen 3.2 Grundlagen der Optimierung 4 Beschreibung von Messdaten mit Hilfe des Modells 4.1 Reproduktion der Ergebnisse der Veröffentlichungen von Sharma 4.2 Anpassung des Modells an Messdaten weiterer Aktuatoren 5 Parametervariation und Optimierung 5.1 Separate Variation jedes Parameters 5.2 Brute-force-Optimierung von Luftkammervolumen und Membranresonanzfrequenz 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können. / The full utilization of the light weight potential in the dimensioning of multilayer fiber reinforced composites requires suitable optimization tools, since a large number of design variables has to be taken into account. In this work, optimization algorithms and strategies for the solution of scientific questions for industrial applications are developed and evaluated in the design of corresponding fiber-plastic composites. In order to show the wide range of applications, three different representative topics have been chosen. It will carry out a strength optimization for multilayer composites with regard to a type-related failure criterion, devolop a damping model for material characterization and established a bivalent optimization strategy for the design of wound high-pressure vessels. The developed methods are based on stochastic natural-analog optimization heuristics, since the considered tasks are not convex and such methods can be used in a very flexible manner.