Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

We consider the solution of nonlinear optimal control problems subject to stochastic perturbations with incomplete observations. In particular, we generalize results obtained by Ito and Kunisch in [8] where they consider a receding horizon control (RHC) technique based on linearizing the problem on small intervals. The linear-quadratic optimal control problem for the resulting time-invariant (LTI) problem is then solved using the linear quadratic Gaussian (LQG) design. Here, we allow linearization about an instationary reference trajectory and thus obtain a linear time-varying (LTV) problem on each time horizon. Additionally, we apply a model predictive control (MPC) scheme which can be seen as a generalization of RHC and we allow covariance matrices of the noise processes not equal to the identity. We illustrate the MPC/LQG approach for a three dimensional reaction-diffusion system. In particular, we discuss the benefits of time-varying linearizations over time-invariant ones.

Spin waves and their quanta, magnons, are the wave-like excitations of a magnetically ordered medium. The technological prospect of utilizing them as low-loss information carriers has driven various research efforts in the field of magnonics. Spin waves arise further interest due to their inherently strong nonlinear behavior which results from their interaction with the surrounding magnetic texture. Hence, magnons are subject to a variety of nonlinear effects and allow for extensive studies of such phenomena. In this work, the propagating spin-waves in micro structured Co25Fe75 conduits have been investigated by means of micro focused Brillouin light scattering spectroscopy. Due to the low intrinsic damping of this metallic compound, spin-wave decay lengths in the order of 20 μm can be observed which have not been reported elsewhere for other ferromagnet thin film materials. Furthermore, nonlinear four-magnon scattering processes can be observed when increasing the spin-wave amplitudes applying a sufficiently strong microwave excitation. This phenomenon introduces additional losses for propagating waves as it diverts energy into the parametric generation of secondary states. It is shown that the reduction of the spin-wave decay lengths reaches up to 50 %. In the second part, a novel approach for the utilization of four-magnon scattering is presented. It is shown that an additional driving signal at a secondary driving frequency can steer the nonlinear process in such a way, that a set of secondary parametric states with a well-defined frequency spacing is populated. This process is referred to as stimulated four-magnon scattering, as it enhances specific nonlinear scattering events. As a result, frequency combs with multiple equidistant modes are observed, which exhibit frequency spacings of 400 MHz up to 2 GHz. These complex spin-wave spectra can actively be tuned in various ways using external parameters such as the driving signals. These results advance the understanding of nonlinear spin waves in general and expands the range of possible technological applications of magnons.:List of Figures List of Tables List of Abbreviations and Acronyms List of Symbols 1 Introduction 2 Theoretical background 2.1 Interactions in microstructured thin film ferromagnets 2.1.1 Exchange interaction 2.1.2 Dipolar interaction and demagnetizing fields 2.2 Magnetization dynamics in ferromagnetic thin films 2.2.1 The Landau-Lifshitz and Gilbert equation 2.2.2 Spin waves 2.3 Nonlinear phenomena 2.3.1 Four-magnon scattering 3 Materials and Methods 3.1 Materials and sample fabrication 3.1.1 The low damping alloy Co25Fe75 3.1.2 Patterning: electron beam and optical lithography 3.1.3 Microwave antenna structures 3.2 Brillouin light scattering 3.2.1 Magnon-photon interaction 3.2.2 The Tandem Fabry Pérot interferometer 3.2.3 BLS microscopy (μBLS) 3.2.4 Phase-resolved BLS (PR-μBLS) 3.2.5 Temporal resolution (TR-μBLS) 3.3 Micromagnetic simulations in MuMax3 3.3.1 Mesh and material parameters 3.3.2 Simulation of magnetization dynamics 4 Results 4.1 Magnon transport in Co25Fe75 micro-conduits 4.1.1 Low external fields and magnetic groundstate 4.1.2 Magnon transport at low driving powers 4.1.3 Impact of nonlinear four-magnon scattering on magnon transport 4.2 Magnon frequency combs 4.2.1 Introduction on stimulated four-magnon scattering 4.2.2 Experimental realization 4.2.3 Amplitude-dependent observations 4.2.4 Tunability of spin-wave frequency combs 4.2.5 Variations of the excitation geometry 5 Summary and outlook Own publications Bibliography 109 Acknowledgement A Appendix A.1 Fabrication of Co25Fe75 microstructures A.2 Atomic Force Microscopy measurement on a 5 μm wide conduit A.3 BLS measurement of spin-wave decay lengths in a 5 μm wide conduit A.4 Calculations: Temporal profile of stimulated four-magnon scattering A.5 Power dependent frequency comb formation measured at positions II & III A.6 Averaged frequency comb mode numbers at reversed magnetic field polarity

In der nichtlinearen Datenreihenanalyse hat sich seit etwa 10 Jahren eine Monte-Carlo-Testmethode etabliert, die Theiler-surrogatmethode, mit Hilfe derer entschieden werden kann, ob eine Datenreihe nichtlinearen Ursprungs sei. Diese Methode wird kritisiert, modifiziert und verallgemeinert. Das, was Theiler untersuchen will braucht andere Surrogatmethoden, die hier konstruiert werden. Und das, was Theiler untersucht braucht gar keine Monte-Carlo-Methoden. Mit Hilfe des in der Arbeit eingeführten Begriffs des Phasensignals werden Testmöglichkeiten dargelegt und Beziehungen zwischen den nichtlinearen Eigenschaften der Zeitreihe und deren Phasenspektrum erforscht. Das Phasensignal wird aus dem Phasenspektrum der Zeitreihe hergeleitet und registriert außerordentliche Geschehnisse im Zeitbereich sowie Phasenkopplungen im Frequenzbereich. <br /> <br /> Die gewonnenen Erkenntnisse werden auf das Problem der Polbewegung angewendet. Die Hypothese einer nichtlinearen Beziehung zwischen der atmosphärischen Erregung und der Polbewegung wird untersucht. Eine nichtlineare Behandlung wird nicht für nötig gehalten. / In the nonlinear data analysis there is a popular Monte Carlo Test method due to Theiler (it was established about 10 years ago), the Theiler surrogate method, which tests whether a time series is of a linear origin. This method is being criticized, modified and generalized in this thesis. What Theiler wants to test, needs other surrogate methods, which are constructed here. And what Theiler really tests, does not need Monte Carlo methods. With the help of the concept of the phase signal, that is introduced here, other test options are possible. The phase signal helps also in investigating the relations between the nonlinear characteristics of the time series and their phase spectrum. The phase signal is derived from the phase spectrum of the time series and registers extraordinary events in the time domain as well as phase couplings in the frequency domain. <br /> <br /> These theoretical approches are applied to the problem of polar motion. The hypothesis of a nonlinear relationship between the atmospheric excitation and the pole movement is examined. A nonlinear treatment is not considered necessary.

This Thesis focuses on different aspects of quantum computation theory: adiabatic quantum algorithms, decoherence during the adiabatic evolution and quantum simulators. After an overview on the area of quantum computation and setting up the formal ground for the rest of the Thesis we derive a general error estimate for adiabatic quantum computing. We demonstrate that the first-order correction, which has frequently been used as a condition for adiabatic quantum computation, does not yield a good estimate for the computational error. Therefore, a more general criterion is proposed, which includes higher-order corrections and shows that the computational error can be made exponentially small – which facilitates significantly shorter evolution times than the first-order estimate in certain situations. Based on this criterion and rather general arguments and assumptions, it can be demonstrated that a run-time of order of the inverse minimum energy gap is sufficient and necessary. Furthermore, exploiting the similarity between adiabatic quantum algorithms and quantum phase transitions, we study the impact of decoherence on the sweep through a second-order quantum phase transition for the prototypical example of the Ising chain in a transverse field and compare it to the adiabatic version of Grover’s search algorithm. It turns out that (in contrast to first-order transitions) the impact of decoherence caused by a weak coupling to a rather general environment increases with system size (i.e., number of spins/qubits), which might limit the scalability of the system. Finally, we propose the use of electron systems to construct laboratory systems based on present-day technology which reproduce and thereby simulate the quantum dynamics of the Ising model and the O(3) nonlinear sigma model.

This thesis is concerned with nonlinear analyses of BWR stability behaviour, contributing to a deeper understanding in this field. Despite negative feedback-coefficients of a BWR, there are operational points (OP) at which oscillatory instabilities occur. So far, a comprehensive and an in-depth understanding of the nonlinear BWR stability behaviour are missing, even though the impact of the significant physical parameters is well known. In particular, this concerns parameter regions in which linear stability indicators, like the asymptotic decay ratio, lose their meaning. Nonlinear stability analyses are usually carried out using integral (system) codes, describing the dynamical system by a system of nonlinear partial differential equations (PDE). One aspect of nonlinear BWR stability analyses is to get an overview about different types of nonlinear stability behaviour and to examine the conditions of their occurrence. For these studies the application of system codes alone is inappropriate. Hence, in the context of this thesis, a novel approach to nonlinear BWR stability analyses, called RAM-ROM method, is developed. In the framework of this approach, system codes and reduced order models (ROM) are used as complementary tools to examine the stability characteristics of fixed points and periodic solutions of the system of nonlinear differential equations, describing the stability behaviour of a BWR loop. The main advantage of a ROM, which is a system of ordinary differential equations (ODE), is the possible coupling with specific methods of the nonlinear dynamics. This method reveals nonlinear phenomena in certain regions of system parameters without the need for solving the system of ROM equations. The stability properties of limit cycles generated in Hopf bifurcation points and the conditions of their occurrence are of particular interest. Finally, the nonlinear phenomena predicted by the ROM will be analysed in more details by the system code. Hence, the thesis is not focused on rendering more precisely linear stability indicators like DR. The objective of the ROM development is to develop a model as simple as possible from the mathematical and numerical point of view, while preserving the physics of the BWR stability behaviour. The ODEs of the ROM are deduced from the PDEs describing the dynamics of a BWR. The system of ODEs includes all spatial effects in an approximated (spatial averaged) manner, e.g. the space-time dependent neutron flux is expanded in terms of a complete set of orthogonal spatial neutron flux modes. In order to simulate the stability characteristics of the in-phase and out-of-phase oscillation mode, it is only necessary to take into account the fundamental mode and the first azimuthal mode. The ROM, originally developed at PSI in collaboration with the University of Illinois (PSI-Illinois-ROM), was upgraded in significant points: • Development and implementation of a new calculation methodology for the mode feedback reactivity coefficients (void and fuel temperature reactivity) • Development and implementation of a recirculation loop model; analysis and discussion of its impact on the in-phase and out-of-phase oscillation mode • Development of a novel physically justified approach for the calculation of the ROM input data • Discussion of the necessity of consideration of the effect of subcooled boiling in an approximate manner With the upgraded ROM, nonlinear BWR stability analyses are performed for three OPs (one for NPP Leibstadt (cycle7), one for NPP Ringhals (cycle14) and one for NPP Brunsbüttel (cycle16) for which measuring data of stability tests are available. In this thesis, the novel approach to nonlinear BWR stability analyses is extensively presented for NPP Leibstadt. In particular, the nonlinear analysis is carried out for an operational point (OP), in which an out-of-phase power oscillation has been observed in the scope of a stability test at the beginning of cycle 7 (KKLc7_rec4). The ROM predicts a saddle-node bifurcation of cycles, occurring in the linear stable region, close to the KKLc7_rec4-OP. This result allows a new interpretation of the stability behaviour around the KKLc7_rec4-OP. The results of this thesis confirm that the RAM-ROM methodology is qualified for nonlinear BWR stability analyses. / Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zum tieferen Verständnis des nichtlinearen Stabilitätsverhaltens von Siedewasserreaktoren (SWR). Trotz der Tatsache, dass in diesem technischen System nur negative innere Rückkopplungskoeffizienten auftreten, können in bestimmten Arbeitspunkten oszillatorische Instabilitäten auftreten. Obwohl relativ gute Kenntnisse über die signifikanten physikalischen Einflussgrößen vorliegen, fehlt bisher ein umfassendes Verständnis des SWR-Stabilitätsverhaltens. Das betrifft insbesondere die Bereiche der Systemparameter, in denen lineare Stabilitätsindikatoren, wie zum Beispiel das asymptotische Decay Ratio (DR), ihren Sinn verlieren. Die nichtlineare Stabilitätsanalyse wird im Allgemeinen mit Systemcodes (nichtlineare partielle Differentialgleichungen, PDG) durchgeführt. Jedoch kann mit Systemcodes kein oder nur ein sehr lückenhafter Überblick über die Typen von nichtlinearen Phänomenen, die in bestimmten System-Parameterbereichen auftreten, erhalten werden. Deshalb wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neuartige Methode (RAM-ROM Methode) zur nichtlinearen SWR-Stabilitätsanalyse erprobt, bei der integrale Systemcodes und sog. vereinfachte SWR-Modelle (ROM) als sich gegenseitig ergänzende Methoden eingesetzt werden, um die Stabilitätseigenschaften von Fixpunkten und periodischen Lösungen (Grenzzyklen) des nichtlinearen Differentialgleichungssystems, welches das Stabilitätsverhalten des SWR beschreibt, zu bestimmen. Das ROM, in denen das dynamische System durch gewöhnliche Differentialgleichungen (GDG) beschrieben wird, kann relativ einfach mit leistungsfähigen Methoden aus der nichtlinearen Dynamik, wie zum Beispiel die semianalytische Bifurkationsanalyse, gekoppelt werden. Mit solchen Verfahren kann, ohne das DG-System explizit lösen zu müssen, ein Überblick über mögliche Typen von stabilen und instabilen oszillatorischen Verhalten des SWR erhalten werden. Insbesondere sind die Stabilitätseigenschaften von Grenzzyklen, die in Hopf-Bifurkationspunkten entstehen, und die Bedingungen, unter denen sie auftreten, von Interesse. Mit dem Systemcode (RAMONA5) werden dann die mit dem ROM vorhergesagten Phänomene in den entsprechenden Parameterbereichen detaillierter untersucht (Validierung des ROM). Die Methodik dient daher nicht der Verfeinerung der Berechnung linearer Stabilitätsindikatoren (wie das DR). Das ROM-Gleichungssystem entsteht aus den PDGs des Systemcodes durch geeignete (nichttriviale) räumliche Mittelung der PDG. Es wird davon ausgegangen, dass die Reduzierung der räumlichen Komplexität die Stabilitätseigenschaften des SWR nicht signifikant verfälschen, da durch geeignete Mittlungsverfahren, räumliche Effekte näherungsweise in den GDGs berücksichtig werden. Beispielsweise wird die raum- und zeitabhängige Neutronenflussdichte nach räumlichen Moden entwickelt, wobei für eine Simulation der Stabilitätseigenschaften der In-phase- und Out-of-Phase-Leistungsoszillationen nur der Fundamentalmode und der erste azimuthale Mode berücksichtigt werden muss. Das ROM, welches ursprünglich am Paul Scherrer Institut (PSI, Schweiz) in Zusammenarbeit mit der Universität Illinois (USA) entwickelt wurde, ist in zwei wesentlichen Punkten erweitert und verbessert worden: • Entwicklung und Implementierung einer neuen Methode zur Berechnung der Rückkopplungsreaktivitäten • Entwicklung und Implementierung eines Modells zur Beschreibung der Rezirkulationsschleife (insbesondere wurde der Einfluss der Rezirkulationsschleife auf den In-Phase-Oszillationszustand und auf den Out-of-Phase-Oszillationszustand untersucht) • Entwicklung einer physikalisch begründeten Methode zur Berechnung der ROM-Inputdaten • Abschätzung des Einflusses des unterkühlten Siedens im Rahmen der ROM-Näherungen Mit dem erweiterten ROM wurden nichtlineare Stabilitätsanalysen für drei Arbeitspunkte (KKW Leibstadt (Zyklus 7) KKW Ringhals (Zyklus 14) und KKW Brunsbüttel (Zyklus 16)), für die Messdaten vorliegen, durchgeführt. In der Dissertationsschrift wird die RAM-ROM Methode ausführlich am Beispiel eines Arbeitspunktes (OP) des KKW Leibstadt (KKLc7_rec4-OP), in dem eine aufklingende regionale Leistungsoszillation bei einem Stabilitätstest gemessen worden ist, demonstriert. Das ROM sagt die Existenz eines Umkehrpunktes (saddle-node bifurcation of cycles, fold-bifurcation) voraus, der sich im linear stabilen Gebiet nahe der Stabilitätsgrenze befindet. Mit diesem ROM-Ergebnis ist eine neue Interpretation der Stabilitätseigenschaften des KKLc7_rec4-OP möglich. Die Resultate der in der Dissertation durchgeführten RAM-ROM Analyse bestätigen, dass das weiterentwickelte ROM für die Analyse des Stabilitätsverhaltens realer Leistungsreaktoren qualifiziert wurde.

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Die komplexen Strukturen von MEMS-Drehratensensoren führen immer wieder zu Herausforderungen bei der Systembeschreibung. Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile steigert den Einfluss von mechanischen Nichtlinearitäten und AVT-Einflüssen. Daher sind ein tiefer gehendes Verständnis dieser Effekte und verbesserte Simulationsmethoden zur effizienten Entwicklung neuer Sensoren von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die TPWL-Methode, ein Ansatz für ein transientes nichtlineares ROM, vorgestellt und erfolgreich auf MEMS-Drehratensensoren angewendet. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Implementierung der Methode und die Zeitersparnis gegenüber FE-Simulationen - diese beträgt bis zu 3 Größenordnungen. Weiterhin finden sich Untersuchungen der ROM-Daten, mit einem Schwerpunkt auf deren Interpretation, in den Ausführungen. Hierdurch werden Limitierungen, Rahmenbedingungen und Aussagekraft der Methodik aufgezeigt. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, zukünftige Simulationen durch geeignet gewählte Parameter und Trainingsdaten effektiv aufzusetzen. Es werden TPWL-Ansätze auf Basis von POD und modaler Superposition verglichen, um systematische Vorteile der POD zu erklären. Die Validierung der Modelle erfolgt qualitativ sowie mit Messungen, analytischen und FE-Rechnungen. Bestehende Ansätze zur Simulation von AVT-Einflüssen, mit einem Schwerpunkt auf mechanischen Stresswirkpfaden, auf MEMS-Drehratensensoren werden untersucht und erweitert. Als Basis für Package- und statische Struktursimulationen dienen FE-Modelle und für die transiente Systemsimulation ein ROM. Es stehen Verständnis und Analyse der Wirkpfade im Vordergrund. Die resultierenden Erkenntnisse werden erfolgreich in die Modelle eingebracht. Ein einfacher, dennoch aussagekräftiger Ansatz zur Abschätzung des Drehraten-Offsets gestresster Sensoren wird vorgestellt. Zudem wird ein vielversprechendes neuartiges FE-Modell zur Simulation von Die-attach- und Lötsimulationen hergeleitet. Oberflächen- und Signalmessungen von durch eine Leiterplattenbiegung gestressten Sensoren dienen zur Validierung. Die vorgestellten Modelle werden erfolgreich validiert und können zukünftig zur Optimierung des Entwicklungsprozesses von MEMS-Drehratensensoren verwendet werden.:Abkürzungen und Symbole I. Einführung, Grundlagen und Methoden 1. Einleitung 1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung 1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit 1.3. Struktur der Arbeit 2. Grundlagen MEMS 2.1. Definition der Mikrosystemtechnik 2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen 2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen 3. Rechenmodelle für mechanische Systeme 3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie 3.2. Finite-Elemente-Methode 3.3. Ordnungsreduktionsverfahren 3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation II. Mechanische Nichtlinearitäten 4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen 4.1. Einleitung und Motivation 4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope 4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen 5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten 5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung 5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization 5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation 5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren 6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis 6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD 6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers 6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages 7. Messungen und Simulationen in der AVT 7.1. Einleitung und Motivation 7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie 7.3. Schema einer Stresssimulation 7.4. Experimentelles Setup 7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation 8. FE-Package Simulationen 8.1. Annahmen 8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation 8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung 8.4. Prozesssimulationen 8.5. Biegesimulation 8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie 9. FE-Modelle von MEMS Strukturen 9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen 9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen 10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen 10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss 10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix 10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems 10.4. Simulation des Dreikanalsensors IV. Abschluss 11.Zusammenfassung 11.1. Mechanische Nichtlinearitäten 11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik 12.Fazit und Ausblick V. Anhang A. Faktoren der Newmark-Integration B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1 D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung D.1. Aufbau des Systems D.2. Systemtraining D.3. Systemsimulation und Auswertung D.4. Fazit E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2 F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften G. Modellbeispiel Schwingungsform H. Mathematische Ergänzungen I. Einfluss von Prozessparametern Quellenangaben Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Versicherung Thesen / The complex structures of MEMS yaw-rate sensors continuously lead to challenges in their system description. The continuing miniaturization of the components increases the effects of mechanical nonlinearities and packaging influences. Therefore, a deeper understanding of these effects and improved simulation methods are of great importance for the efficient development of new sensors. In this work the TPWL-method, an approach for a transient nonlinear ROM, is introduced and successfully applied to MEMS yaw-rate sensors. The focal points of the study, are the implementation of the method, and the time savings compared to FE-simulations; which are up to 3 magnitudes. Furthermore, the analysis of the ROM-data with a focus on its interpretation is included. This highlights limits, boundary conditions and the informative value of the method. These insights enable the future set up of simulations effectively with appropriately chosen parameters and training data. TPWL-approaches with POD and modal superposition are compared to highlight systematic advantages of the POD. The validation of the models is realized qualitatively as well as with measurements, analytical and FE-calculations. Existing approaches for the simulation of packaging influences with a focal point on mechanical stress root causes are studied and extended. As a baseline for package and static structure simulations FE-models are used, and for transient system simulations a ROM is used. Understanding and analysis of the root causes stand in the foreground. The resulting insights are successfully implemented into the models. A simple but significant approach for an estimation of the yaw-rate offset of stressed sensors is introduced. Additionally, a promising and new FE-model for the simulation of die attach and solder simulations is derived. Surface and signal measurements of sensors, stressed by the bending of a printed circuit board, serve for validation. The introduced models were validated successfully and can be used in the future to optimize the development process of MEMS yaw-rate sensors.:Abkürzungen und Symbole I. Einführung, Grundlagen und Methoden 1. Einleitung 1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung 1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit 1.3. Struktur der Arbeit 2. Grundlagen MEMS 2.1. Definition der Mikrosystemtechnik 2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen 2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen 3. Rechenmodelle für mechanische Systeme 3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie 3.2. Finite-Elemente-Methode 3.3. Ordnungsreduktionsverfahren 3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation II. Mechanische Nichtlinearitäten 4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen 4.1. Einleitung und Motivation 4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope 4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen 5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten 5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung 5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization 5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation 5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren 6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis 6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD 6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers 6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages 7. Messungen und Simulationen in der AVT 7.1. Einleitung und Motivation 7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie 7.3. Schema einer Stresssimulation 7.4. Experimentelles Setup 7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation 8. FE-Package Simulationen 8.1. Annahmen 8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation 8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung 8.4. Prozesssimulationen 8.5. Biegesimulation 8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie 9. FE-Modelle von MEMS Strukturen 9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen 9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen 10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen 10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss 10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix 10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems 10.4. Simulation des Dreikanalsensors IV. Abschluss 11.Zusammenfassung 11.1. Mechanische Nichtlinearitäten 11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik 12.Fazit und Ausblick V. Anhang A. Faktoren der Newmark-Integration B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1 D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung D.1. Aufbau des Systems D.2. Systemtraining D.3. Systemsimulation und Auswertung D.4. Fazit E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2 F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften G. Modellbeispiel Schwingungsform H. Mathematische Ergänzungen I. Einfluss von Prozessparametern Quellenangaben Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Versicherung Thesen

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.