Reactive transport modelling has wide applications in geosciences. In the field of hydrogeology, it has been utilised to simulate the biogeochemical processes that disperse and degrade contaminants in the aquifer. For geotechnical applications, such as geological CO2 sequestration, the reaction of CO2 with the ambient saline aquifer determines the final success of storage. In a radioactive waste repository, scientists rely on reactive transport models to predict the mobilisation of hazardous radionuclides within space and time. In this work, the multi-component mass transport code OpenGeoSys, was coupled with two geochemical solvers, the Gibbs Energy Minimization Selektor (GEM) and the Biogeochemical Reaction Network Simulator (BRNS). Both coupled codes were verified against analytical solutions and simulation results from other numerical models. Moreover, the coupling interface was developed for parallel simulation. Test runs showed that the speed-up of reaction part had a very good linearity with number of nodes in the mesh. However, for three dimensional problems with complex geochemical reactions, the model performance was dominated by solving transport equations of mobile chemical components. OpenGeoSys-BRNS was applied to a two dimensional groundwater remediation problem. Its calculated concentration profiles fitted very well with analytical solutions and numerical results from TBC. The model revealed that natural attenuation of groundwater contaminants is mainly controlled by the mixing of carbon source and electron donor. OpenGeoSys-GEM was employed to investigate the retardation mechanism of radionuclides in the near field of a nuclear waste repository. Radium profiles in an idealised bentonite column was modelled with varying clay/water ratios. When clay content is limited, Ba-Sr-Ra sulfate solid solutions have a very strong retardation effect on the aqueous radium. Nevertheless, when clay mineral is abundant, cation exchange sites also attract Sr and Ba, thus dominates the transport of Ra.

Abrasivity is a characteristic property of rocks. Rock abrasivity has influence on tool wear, energy consumption and construction time and is therefore an important parameter in rock engineering. Over the years, a number of testing methods have been developed to define and quantify the abrasive potential of rocks. Due to simple design and convenient handling, Cerchar abrasivity test and its index, Cerchar abrasivity index, are most commonly used to assess the rock abrasivity. Besides the abrasivity index, various parameters can be derived from the Cerchar test thanks to the development of a special designed testing device. Diverse parameters like scratching force, applied work and specific energy can be used to estimate the cutting efficiency. Moreover, a new composite parameter named Cerchar abrasion ratio is proposed, which considers both, the wear on the stylus tip and the material removal on the rock surface and can be regarded as an indicator to evaluate the cutting effectivity. Since the development of Cerchar abrasivity test, major attentions are focused on the abrasion of the stylus, but minor attentions are paid to investigate the mechanical behavior of rocks against the action of the stylus during the scratching process. The scratch groove produced on the rock surface is observed under a scanning electron microscope. The Cerchar wear mechanism can be explained as follows: mineral grains are detached from damaged surface by fracturing after plastic deformation on stressed surface. Transition from plastic deformation-induced to cracking-induced wear are related to the rock microstructure. For the Cerchar test, various factors affecting the Cerchar abrasivity index have been studied, which can be divided into testing condition-based and geotechnical-based factors. The influence of some dominant testing condition-based factors including surface condition, testing distance and velocity on the test result is investigated by using the new designed testing device, in which the sliding distance and scratching velocity can be exactly controlled during the test. Results show that the surface condition can affect the result of Cerchar index, especially for hard and inhomogeneous rocks, while the testing distance and velocity have no obvious influence on the Cerchar index. As far as it is known, in rock mechanics, anisotropic features of rocks can affect the experimental results significantly. In the original Cerchar specification, testing procedure for stratified or foliated rocks is not specially discussed. Due to this, the influence of rock anisotropy on the Cerchar abrasivity index is investigated based on two intact metamorphic rocks of slate and gneiss. However, no significant dependency is found. Cerchar scratch test is simulated based on a quasi-homogeneous model made of sandstone with respect to its mineralogical-mechanical properties. The numerical simulation is conducted by using the discrete element method-based particle flow code of PFC3D. As a result, the simulated scratching force shows a good agreement with the experimental result. A gap between numerical and experimental studies can be attributed to the testing condition-based factors, such as rock mineralogy and microstructure, scratching velocity and depth of scratch, tool abrasion and temperature. Based on the calibrated sandstone model, numerical simulations of rock cutting are conducted under different testing conditions. The influence of tool geometry like tip shape, tip angle and tip wear, and cutting parameters including cutting velocity, depth of cut and rake angle on the cutting force and crack pattern is studied.

Ionic hydrogels belong to the class of polyelectrolyte gels or ionic gels. Their ability to swell or shrink under different environmental conditions such as change of pH, ion concentration or temperature make them promising materials, e.g. for microsensoric or microactuatoric devices. The hydrogel swelling exhibits nonlinear effects due to the occurrence of different interacting transport phenomena. Numerical simulations are an essential part in the ongoing development of microsensors and microactuators. In order to determine transport effects due to diffusion, migration and convection a multiphase mesoscale model based on the Theory of Porous Media is applied. The governing field equations are solved in the transient regime by applying the Finite Element Method. By means of the derived numerical framework a detailed investigation of the different transport phenomena is carried out. Numerical experiments are performed to characterize the dominating transfer phenomena for ionic gels under chemical stimulation.

Die dreidimensionale Formgebung von vliesstoffkaschierten Furnieren als Oberflächen von Zierteilen im Fahrzeug-Innenraum erfolgt über einen Umformprozess. Aufgrund der spröden, anisotropen und variablen mechanischen Eigenschaften von Holz sind Abschätzungen der Umformbarkeit bei neuen Geometrien eine große Herausforderung. Die Auslegung des Umformprozesses erfordert bisher umfangreiche Absicherungsversuche anhand von Prototypen-Werkzeugen. In der vorliegenden Dissertation werden daher numerische Methoden zur Vorhersage der Umformbarkeit von vliesstoffkaschierten Furnieren zur Reduzierung von Material- und Zeitaufwand im Fahrzeugentwicklungsprozess vorgestellt. Die Simulation der Umformung setzt die Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der kaschierten Furnierstruktur voraus. Der Materialverbund aus Eschenholz-Furnier und Vliesstoffkaschierung wurde dafür zunächst im Zug- und im Scherversuch charakterisiert. Im Nakajima-Versuch wurde das dreidimensionale Deformationsverhalten analysiert, um die Verformungsgrenzen und die wesentlichen Einflussgrößen zu identifizieren. Dies sind vor allem die hohe Anisotropie, die Inhomogenität sowie die Abhängigkeit von den Temperatur- und Feuchtebedingungen. Die Experimente zeigten, dass das lokale Verformungs- und Versagensverhalten von der individuellen Verteilung der Jahrringstruktur abhängt. Auf Basis der Experimente wurden konstitutive Beziehungen und ein Materialmodell abgeleitet. Zur Abbildung von lokalem Versagensverhalten wurde eine Methode zur diskreten Berücksichtigung der Eigenschaften von Früh- und Spätholz in Finite-Elemente-Modellen entwickelt. Dazu wurde ein Zuordnungs-Schema für das Mapping-Tool Envyo eingerichtet, das auf Basis von Grauwertbildern Früh- und Spätholzzonen unterscheidet und auf finite Elemente überträgt. Zur Generierung lokaler Materialparameter wurden über einen Optimierungs-Algorithmus Simulationen des Zug- und des Scherversuchs mit den entsprechenden Kraft-Verschiebungskurven der Experimente kalibriert. Der eingeführte Modellierungsprozess wurde anhand des Versuchsprogramms validiert. Die stochastische Analyse der Verteilungen von Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Simulationen des Zugversuchs, mit variierenden Jahrringstrukturen, lieferte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Experiments. In Simulationen des Nakajima-Tests konnten charakteristische Dehnfelder und Risse sehr gut erfasst werden. Des Weiteren wurde ein Umformprozess eines Bauteils nach dem gängigen Verfahren der Serienfertigung durchgeführt. Dazu wurden Furnierproben mit unterschiedlichen Verteilungen von Früh- und Spätholzzonen ausgewählt und umgeformt. Mit der eingeführten Übertragungsmethode auf Basis von Grauwertbildern dieser Proben wurden Simulationen der Umformung durchgeführt. Die Simulationen zeigten dabei die Faltenbildung, die sich auch im Versuch über die individuelle Verteilung der Frühholzzonen einstellte. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Dissertation stellen damit die vollständige Prozesskette zur virtuellen Auslegung des Umformprozesses vliesstoffkaschierter Furniere, unter Berücksichtigung von dessen individuellen wachstumsbedingten Eigenschaften, bereit.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG / In automotive manufacturing, laminated veneer sheets are being formed into a 3D geometry for the production of trim parts with wood surfaces. Estimations of the formability are challenging due to the brittle, anisotropic and inhomogeneous nature of wood. During the vehicle development process, the design of the forming process requires extensive tests with prototype tools. The present thesis introduces numerical methods for the prediction of the formability of veneers with nonwoven backings in order to reduce expenses for the usage of prototype tools and to rapid the development process. The simulation of the forming process requires adequate modelling of the deformation and failure behavior of the laminated veneer structure. Therefore, ash wood veneers with nonwoven backings were characterized in their principal mechanical properties, in tensile and shear tests. In the Nakajima test the material was analyzed under three-dimensional load to identify the forming limits and the influencing factors on the forming process. These are mainly the anisotropy, the inhomogeneity and the temperature and moisture boundaries. The experimentally obtained data was used to derive constitutive laws and a material model. As found in the experiments, failure and deformation behavior of veneer laminates vary with the individual arrangement of early- and latewood zones over a veneer sheet. Therefore, a discretization method is presented, where local failure and damage modes are considered for finite element models. Within the tool Envyo, a mapping scheme was realized for the transfer of early- and latewood zones from ash wood veneer surfaces to finite element meshes, based on gray scale images. In combination to the separate consideration of early- and latewood zones in the model, a set of material input parameters for both zones was created using numerical optimization methods. The force-displacement response of tensile and shear test simulations was calibrated with the corresponding experimental curves. The introduced modelling procedure was validated with the experimental program. In a stochastic, numerical analysis the same distribution of tensile strength and ultimate strain values with varying early- and latewood arrangements was achieved, compared to the experimental tensile test results. Local fracture as well as the characteristic strain distribution were captured in the model in a very good agreement with results of the Nakajima test. Additionally, a conventional forming process of an interior trim part surface was carried out, using veneer samples with different individual textures originating from the growth ring structure. Gray scale images of those samples were mapped to finite element models to perform the same process numerically. Those forming simulations show the wrinkling behavior, depending on the individual arrangement of earlywood zones, as observed in the hardware forming tests. In summary, the research output of the present thesis provides the whole process chain for the virtual design of the forming process of veneers with nonwoven backings, with consideration of the individual growth-related properties of the veneer structure.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG

Um die wirtschaftliche Relevanz und die Flexibilität des Formdrückens zu erweitern, ist ein Maschinen- und Steuerungskonzept entwickelt worden, dass auch die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen erlaubt. Neben experimentellen Untersuchungen zur Verfahrensentwicklung wurde ebenfalls eine numerische Verfahrensoptimierung des neu entwickelten Prozesses „Unrunddrücken“ durchgeführt, um unrunde Bauteile falten- und rissfrei sowie mit geringer Blechdickenreduktion herstellen zu können. In ersten experimentellen Untersuchungen wurden die technologischen Haupteinflussgrößen auf die Versagensformen Falten- und Rissbildung sowie die Blechausdünung ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist ein kalibriertes Simulationsmodell erarbeitet worden, mit dem es möglich ist, das Prozessverständnis zu erhöhen und somit die Versagensfälle ganzheitlich über den Prozess zu betrachten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für das Unrunddrücken abzuleiten. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl die Falten- und Rissbildung als auch die Blechdickenreduktion durch die Optimierungsmaßnahmen deutlich reduziert werden können. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren des Unrunddrückens stellt einen effizienten, kostengünstigen und vor allem flexiblen Fertigungsprozess für die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen mit nahezu konstantem Blechdickenverlauf dar.

This thesis reports recent numerical investigation of the rheological behavior of fresh concrete using the Distinct Element Method (DEM). Some relevant questions of the concrete rheology e.g. the influence of the concrete composition on the rheological behavior of the fresh concrete, the experimental determination of the Bingham rheological constants as well as the use of these constants in the numerical simulation were discussed thoroughly. An important topic of the performed investigation was the development of the numerical model for fresh concrete which enables simple, fast and stable predictive simulation of different technological operations with fresh concrete. Firstly, in a literature survey, the state-of-the-art of the numerical simulation of fresh concrete was presented and critically discussed in order to show advantages and disadvantages of other methods and modeling approaches. Open (unsolved) questions were highlighted and the basis for their investigation is created within this thesis. Fundamental concepts of the rheology were then presented and the basic rheological models of viscoelastic materials were considered; the rheological behaviors of different types of concretes were presented and its influencing factors were discussed. Additionally main methods for scientific investigation and testing of the fresh concrete were shown. The test methods were critically discussed in order to select the test, which has been used as a reference experimental test for the numerical simulations. Chosen reference experimental test was the slump flow test. The slump flow test was thoroughly analyzed and an analytical solution was developed which helps to interpret the results of measurements and provides a link between rheological constants and measured quantities. In a further step an extensive experimental program was carried out in order to investigate the rheological behavior of fresh concrete and get the input data for numerical simulation. Firstly, the experiments on macrolevel were performed. Here the rheological behavior of the fresh concrete flow in different tests was investigated (slump and slump flow tests, L-Box). Further, the experiments on mesolevel with polymer on Carbopol basis and mortar were developed and performed in order to investigate the interaction between distinct particles suspended in a fluid matrix. The necessary material parameters, especially those representative of the fluid suspension micromechanical behavior, i.e. the force-displacement relationship, yield force and bond strength, were determined by these experiments. The slump flow test was used as the basic test to calibrate the model for fresh concrete (key data: slump value, slump flow diameter (for concretes with a soft consistency) and the time of spreading). Thus, the decisive phenomena of the fresh concrete flow were highlighted, control points for a contact model were selected and the initial input data for the development of the contact model was obtained. Next, the user-defined contact model was developed and implemented into the Particle Flow Code ITASCA. The contact model was completely described and its limitations discussed. Then, the set of numerical tools was developed, which enable simplified and stable numerical simulation of the fresh concrete with particular behavior, i.e. automatic generation of the concrete with given particle grading, amount of fibers and air, automatic recalculation of the micromechanical parameters of the contact model from given initial yield stress and plastic viscosity. The model was calibrated by slump flow test simulations and validated by corresponding analytical approach. Further, the role of different model parameters was investigated by simulating the slump flow test. Furthermore, for verification of the model several additional experiments were simulated, i.e. L-Box and LCPC-box test. The results of modeling were compared with experimental results and discussed in detail. All numerical simulations provide qualitatively as well as quantitatively correct results and hence adequately represent the phenomena observed in real experiments. The thesis closes with general conclusions and outlook of the work. In the future, the developed contact model and tools of the “Virtual concrete laboratory” could be modified in order to extend the potential of the laboratory to cover such properties as thixotropic behavior of fresh concrete or simulating hardening of the concrete and behavior of the hardened concrete.

Konische Mikro- und Nanostrukturen besitzen spezifische magnetische, superhydrophobe und elektrokatalytische Eigenschaften und sind deshalb von hohem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen. Eine einfache und kostengünstige Methode zur Synthese dieser strukturierten Schichten ist die elektrochemische Abscheidung. Neben dem Einsatz von Capping-Reagenzien (engl. Capping agents) könnten Magnetfelder das lokale Konuswachstum auf einer planaren Elektrode unterstützen. In der vorliegenden Dissertation wird die Elektroabscheidung an konisch strukturierten Metallschichten in Magnetfeldern untersucht. Je nach Ausrichtung und Stärke des Magnetfeldes können die Lorentzkraft und die magnetische Gradientenkraft die Strömung des mit Metallionen angereicherten Elektrolyts in Richtung der Konusspitze gezielt antreiben. Folglich erhöht das Magnetfeld die lokale Abscheidungsrate und fördert das Konuswachstum. Für ein grundlegendes Verständnis des Effektes werden systematische numerische und theoretische Untersuchungen für die Elektroabscheidung an mm-großen Konen unterschiedlicher Materialien, Formen und Anordnungen unter verschiedenen elektrochemischen und magnetischen Bedingungen durchgeführt. Ein parallel zur Konusachse ausgerichtetes homogenes externes Magnetfeld erzeugt durch die Magnetisierung der ferromagnetischen Konen eine magnetische Gradientenkraft, die zu einer starken Unterstützung für das Konuswachstum führt. Dabei überwiegt sie oft gegenüber der Lorentzkraft und der Auftriebskraft, die durch Elektrodenreaktionen entsteht. Diese unterstützende Wirkung wird nur geringfügig abgeschwächt, wenn sich benachbarte Konusse einander annähern. Die numerischen Ergebnisse werden durch experimentelle Daten für verschiedene Konfigurationen und Abscheidungsparameter validiert. Um den Effekt der Magnetfelder zur Unterstützung des Wachstums kleinerer konischer Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu ermitteln, werden die Skalengesetze für die Geschwindigkeiten der magnetisch angetriebenen lokalen Strömungen beim Verkleinern der Konusgröße aus numerischen Simulationen abgeleitet und durch eine analytische Lösung bestätigt. Obwohl die magnetische Gradientenkraft eine günstige Strömung bei ferromagnetischen Konussen erzeugt, limitieren die kleine Größe der Strömungsregion und die nahezu konstant verbleibende Dicke der Konzentrationsgrenzschicht die Unterstützung der Magnetfelder. Diese kann jedoch durch die Anwendung gepulster Ströme sowie moderat auch durch den Einsatz stärkerer Magnetfelder weiter erhöht werden. Weiterhin wird eine einfache Modellierung entwickelt, um den Einfluss von Capping-Reagenzien bei der Abscheidung von Nano-Strukturen numerisch zu simulieren. Experimentelle Resultate der von Partnern in Krakau durchgeführten Elektroabscheidung von nanostrukturierten Ni-Schichten in magnetischen Feldern werden mittels Simulationen sowohl globalen Zellströmung als auch der lokalen Strömung analysiert. Die Betrachtung beider Aspekte liefert eine Interpretation der experimentellen Ergebnisse und ermöglicht ein besseres Verständnis der Wirkung des capping agents. Zum Schluss wird der Einfluss der Wasserstoff-Nebenreaktion einbezogen. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass an der Konusspitze sitzende Wasserstoffblasen das Konuswachstum verringern können. Gleichzeig wird die durch die magnetischen Kräfte getriebene Strömung die Ablösung der Wasserstoffblase geringfügig verzögern. / Micro- and nano-sized conical structures possess specific magnetic, superhydrophobic and electrocatalytic properties and are therefore attractive for numerous applications. Among the various methods of manufacturing such structured layers, electrodeposition appears a simple and inexpensive method. Beside the use of capping agents, the application of magnetic fields could support the local growth of cones on a non-templated planar electrode. This dissertation investigates electrodeposition at conically structured metal layers in external magnetic fields. Depending on the direction and the intensity of the magnetic field, the Lorentz force and the magnetic gradient force can generate electrolyte flow and bring electrolyte enriched with metal ions towards the cone tips. As a result, the local deposition rate is increased and conical growth is promoted. In order to obtain a basic understanding of the magnetic field effects, systematic numerical and theoretical investigations are performed for electrodeposition at mm-sized cones of different materials, shapes and arrangements under different electrochemical and magnetic conditions. If a uniform external magnetic field is oriented parallel to the cone axis, the magnetic gradient force enabled by the magnetization of ferromagnetic cones provides a strong support for conical growth, thereby often dominating over the Lorentz force and the buoyancy force arising from electrode reactions. This supporting effect is only slightly mitigated when neighboring cones are getting closer. The numerical results shown are validated by experimental data for different configurations and deposition parameters. In order to explore the prospects of magnetic fields to enhance the growth of smaller, micro- and nanometer sized conical structures, scaling laws of the local flows driven by the magnetic forces are derived numerically and confirmed analytically for shrinking cone sizes. Although the magnetic gradient force can generate a beneficial flow at ferromagnetic cones, the small flow region and the nearly constant thickness of the concentration boundary layer limit the support of the magnetic field. Enhancements of the structuring effect are observed for pulsed deposition and, despite only moderately, at higher magnetic field intensities. Furthermore, a simplified modeling approach is developed to simulate the growth mechanism of nano-cones with respect to the influence of capping agents. Experimental results of the electrodeposition of Ni cones in magnetic fields obtained by partners in Krakow are analyzed by performing simulations of both the global cell flow and the local flows generated by magnetic fields of different orientations. This two-step approach provides an interpretation of the experimental results, and gives a deeper insight on how the capping agent influences the local growth. Finally, the impact of the hydrogen side reaction on the electrodeposition in magnetic fields is considered. The numerical results indicate that hydrogen bubbles sitting at the cone tips may damp conical growth, while the magnetic-field-driven flow imposes a weak stabilizing force on the bubble.

One of the most important steps in the numerical simulation of a hydrogeological system is the precise definition of initial and boundary conditions. The better these are characterized, the more efficient the calculation and the more accurate are the simulation result. In case of simulating processes in the unsaturated soil zone, the water retention curve, the relationship between volumetric water content and matric potential, is of great importance. However, the retention parameters determined locally by different standard methods often do not represent the whole soil system under consideration due to heterogeneities in the soil body caused by variability or different compaction of the soil. Resulting over- or underestimation of the parameters is leading to a worse performance of simulations of the water balance including to a higher calibration effort. Therefore, it is more favorable to identify these soil parameters by a method representing the whole soil system to avoid uncertainties. For this reason, a dike experiment was performed to investigate how soil parameters determined locally and globally can represent the properties of the whole soil system. When comparing the simulation results of the numerical models, a better agreement of measured and simulated water contents as well as a lower effort for calibration is observed by using the soil parameters determined globally.

ANSYS ® AIMTM verbindet die Simulation mechanischer, strömungsmechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften in einer neuen, intuitiven Oberfläche und einem über alle physikalischen Disziplinen gleichen Arbeitsprozess. Auf diese Weise kann die volle Breite physikalischer Fragestellungen nun auch direkt in der Produktentwicklung durch Konstrukteure und Entwicklungsingenieure genutzt werden, um ein ganzheitliches Produktverständnis zu erzielen. Wie dieser Zugang zur Produktsimulation für jeden Ingenieur mit ANSYS ® AIMTM erreicht wird, stellt der Vortrag unter folgenden Themenüberschriften heraus: - Paradigmenwechsel in der Produktentwicklung - Integriert Funktionen: • Multiphysics Simulation • Variantenanalysen • Geometriemodellierung • Prozessautomatisierung - ANSYS® AIMTM live in der Anwendung Das Produkt ANSYS® AIMTM ist seit Anfang 2015 als kommerzielles Produkt verfügbar. In den Versionen für Forschung und Lehre wird den Zugang mit der nächsten Softwareversion ermöglicht. Daher wird die Vorgehensweise in der Live Vorführung auch vielen langjährigen ANSYS ® Anwendenden neue Eindrücke geben. Im letzten Jahr wurde von CADFEM auf der SAXSIM Tagung ein allgemeiner Einblick in Möglichkeiten der gekoppelten Simulation mit ANSYS Workbench gegeben. Mittlerweile sind viele der dort genannten Anwendungsbeispiele einfacher in ANSYS ® AIMTM lösbar.

The time-independent and -dependent damage characteristics of brittle rocks inside the pre-failure range have been investigated using numerical simulations and lab testing. Grain-based discrete element models have been developed to simulate both, time-independent and -dependent damage evolution leading to ultimate failure of sandstone and granite, respectively. The models take into account elastic grain and elasto-plastic contact deformation, inter- and intra-granular fracturing and lifetime prediction on the basis of subcritical crack growth. The time-independent mechanical behavior of Coconino sandstone and Lac du Bonnet granite during uniaxial compression tests, Brazilian splitting tests and fracture toughness tests was simulated. Triaxial compression tests and fracture toughness tests for Kirchberg II granite and fracture patterns tests for Eibenstock II granite were carried out in laboratory to perform time-independent damage and failure criterion analysis. The corresponding simulations showed reasonable damage phenomena compared with experimental results. Damage indices were deduced and were applied for different time-independent simulations. Based on calibrations of the time-independent damage simulations of selected brittle rocks, Charles equation and Hillig-Charles equation, which are generally used to describe subcritical crack growth, were implemented into the numerical code to simulate time-dependent damage. One-edged crack growth in Coconino sandstone specimen due to stress corrosion has been analyzed theoretically and numerically. Uniaxial compressive creep tests for Lac du Bonnet granite were simulated and time-dependent behavior in terms of the damage process during primary, secondary and tertiary creep until final failure characterized by macroscopic fracturing was discussed in detail. Subsequent to this, the time-dependent Mode-I crack growth tests and uniaxial compressive creep tests for Kirchberg II granite were carried out and the corresponding simulations were performed. Simulation results are in good agreement with experimental observations. In addition, damage indices and time-dependent fracture development were monitored and illustrated. The developed approach was applied to two potential practical applications: the damage analysis of a sandstone landscape arch and a tunnel. Finally, the results are summarized and recommendations for future work are proposed.