Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.

Der Begriff ¨Parameteridentifikation¨ bedeutet die Berechnung von Parametern eines (i. a. nichtlinearen) Modells eines physikalischen Prozesses durch Minimierung eines Fehlerquadratfunktionals aus gemessenen und mit Hilfe des Modells berechneten Vergleichswerten. Unter einer ¨Parameterschätzung¨ wird zusätzlich die Bestimmung von Konfidenzintervallen der optimalen Parameter und von Korrelationskoeffizienten der Parameter untereinander verstanden. In der vorliegenden Untersuchung wurde eine Parameterschätzung am Beispiel elastisch-plastischer Deformationsgesetze für kleine Verzerrungen vorgenommen, wobei als experimentelle Vergleichswerte sowohl lokale Größen (Spannungen) als auch globale Größen (Biegemoment und Längskraft) zur Verfügung standen. Die Integration des nichtlinearen Deformationsgesetzes erfolgte mit Hilfe des impliziten Euler-Verfahrens. Die Sensitivitätsanalyse zur Bestimmung der für die anschließende Optimierung benötigten Ableitungen der Vergleichsgrößen nach den Parametern ist eingebettet in den Integrationsalgorithmus. Zur Optimierung der Zielfunktion wurde das Levenberg-Marquardt-Verfahren verwendet. Anhand von Berechnungsergebnissen für unterschiedliche Modellfunktionen bei Einbeziehung verschiedenartiger Versuche werden Beispiele für erfolgreiche Parameterschätzungen sowie für das Auftreten systematischer Fehler und überparametrisierter Modelle angegeben. / The aim of the ``parameter identification'' is the calculation of parameters of a (generally nonlinear) model of a physical process by minimization of a least squares functional containing differences between measured and numerical calculated comparative quantities. ``Parameter estimation'' includes additionally the determination of confidence intervals of the optimal parameters and the calculation of correlation coefficients of the parameters to each other. The present investigation deals with the parameter estimation in case of an elastic-plastic deformation law for small strains considering both local quantities (stresses) and global quantities (bending moment and longitudinal force) as experimental values. The integration of the nonlinear deformation law has been done by the implicit Euler method. The sensitivity analysis to determine the derivatives of the comparative quantities with respect to the parameters needed for the optimization process is embedded into the integration algorithm.The optimization of the objective function has been carried out using the Levenberg-Marquardt algorithm. Numerical results of the successful parameter estimation in case of different models and analyzing various experiments are presented. Some examples detecting the occurance of systematic errors and overparameterized models are given.

Werden Fertigungsprozesse, insbesondere aus dem Bereich der Zerspanungsund Umformtechnik, auf kleine Abmessungen angewendet, können Größeneffekte auftreten und zu einer nichtproportionalen Änderung von Prozessparametern führen. Infolge der zunehmenden Miniaturisierung von Bauteilen und Komponenten sowie der wachsenden Komplexität und Funktionsdichte der eingesetzten Systeme lässt sich demnach ein verstärktes Interesse an Größeneffekten beobachten. Ziel der Untersuchungen war es, Größenabhängigkeiten in für reale Fertigungsporzesse relevanten Beanspruchungsbereichen zu untersuchen. Dabei wurden für das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit der eingesetzten Probengeometrie und -größe sowie der Mikrostruktur Größeneffekte für verschiedene Werkstoffe gefunden. Durch die mathematische Beschreibung der Ergebnisse wurde eine Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse in den Bereich der Zerspanung ermöglicht, der den Zusammenhang zwischen der spezifischen Schnittkraft und dem dynamischen Werkstoffverhalten herstellt. Durch die Einbeziehung von Skalierungseffekten wurde eine Beschreibung der Prozesskräfte in einem weiten Parameterbereich von Schnittgeschwindigkeiten und Spanungsdicken ermöglicht.

Ni electrodeposition is a suitable process for producing thick deposits and thick metallic microstructures, especially for producing relatively deep micromoulds in Microsystems industry. Ni-P deposits, due to their better properties compared to Ni deposits – particularly high mechanical properties (hardness, wear resistivity), corrosion resistance, magnetic properties, a higher fatigue limit and lower macroscopic deformation – can be a very good alternative for producing Microsystems, especially for MEMS or Microengines. According to few limited literature and our primary investigations, dispersion coating and adding particle into the electrolyte can be considered as an approach in order to decrease the stress and ease the deposition of Ni-P galvanically. Although in the last decades the influence of particles embedment in the matrix by electroplating techniques have attracted the scientific interest, there are still contradictions among the research community concerning the influence of codeposited particles on the microstructure and strengthening properties of Ni-based composites coatings. In many cases, it is believed that the enhanced mechanical performance of the coatings is mainly caused by a change in the microstructure of the metal matrix and not so much by the presence of the particles themselves. In other words, the role of particle characteristics - like their nature, size and concentration - on the layer features and strengthening mechanism of electrodeposited Ni-based composite coating with different matrix is not cleared well. Furthermore, the incorporation of particles into the deposit is mainly considered as a key factor for determining the composite coatings properties. Despite of existing models of ECD, the mechanism of particle incorporation into the film under influence of different particle characteristics has not been well understood yet. Therefore, the main aim of this study is to shed light on the effect of particle characteristics (size, concentration, type) on the codeposition process, microstructure and strengthening mechanisms in Ni and Ni-P electrodeposited composite coatings.

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Cotttaer sandstone is a quite popular material used for sculptures and monuments for almost 1,000 years. Such sculptures and monuments will be damaged after several years. The reasons for that could be different: mechanical damage due to carving by sculptors, expansion stresses due to salt crystallization or temperature change. Damages also happen sometimes after inappropriate consolidation. Cottaer sandstone before and after consolidation was investigated by lab testing and numerical simulations in this thesis. The aim is to develop a simulation strategy which can simulate the thermomechanical coupled damage behavior at grain size level. The main research works of this thesis are as follows: *Uniaxial compression tests, Brazilian tension tests and size effect tests were carried out to investigate the mechanical parameters of original Cottaer sandstone. *Ultrasonic wave velocity measurement and special biaxial flexural tests were carried out to determine how deep the consolidation material penetrates and how much strength of sandstones is increased by using two different injection materials. *A Voronoi-based numerical simulation strategy was developed which considers grain size, grain shape and pore size. Mineral components, intra- and inter-granular contacts and intra- and inter-granular fracturing were considered as well. *Uniaxial compression tests and Brazilian tension tests of unconsolidated sandstone were simulated. This simulation strategy can capture inter- and intra-granular fracturing. *Prediction of thermo-mechanical coupled behavior of consolidated and unconsolidated sandstone samples was performed. The simulation results show that thermal properties of grains and filled pores have influence on temperature distribution and fracture development in the sandstone. Also, thermal induced displacements are strongly influenced by boundary condition.

Die numerische Simulation von Verformungsvorgängen mittels der Finite-Elemente-Methode wird zur Lösung ingenieurtechnischer Probleme in wachsendem Maße eingesetzt und stellt ein erprobtes, leistungsfähiges Werkzeug für die Berechnung von Bauteilen bzw. -gruppen dar. Für eine wirklich- keitsnahe Vorhersage des Werkstoffverhaltens ist es dabei erforderlich, in die Berechnungsprogramme Materialmodelle zu implementieren, welche die realen Bauteileigenschaften richtig charakterisieren. In der vorliegenden Arbeit wird ein Materialmodell zur phänomenologischen Beschreibung anisotropen Verfestigungsverhaltens bei großen elastisch-plastischen Verzerrungen unter Nutzung eines Substruk- turkonzeptes entwickelt. Für allgemeine krummlinige Koordinatensysteme wird eine materielle Formulierung des Deformationsge- setzes als ein Algebro-Differenzialgleichungssystem vorgestellt. Es enthält neben dem hyperelastischen Teildeformationsgesetz die Evolutionsgleichungen für innere Variablen und die Fließbedingung. Seine thermodynamische Konsistenz wird nachgewiesen. Basierend auf einer zweckmäßigen Zeitdiskretisierung dieses Systems wird der vollständige Algorithmus zur numerischen Lösung des Anfangswertproblems entwickelt. Seine erfolgreiche Implementierung in das experimentelle Finite-Elemente-Programm SPC-PMHP der TU Chemnitz wird an ausgewählten Berechnungsbeispielen demonstriert. / The finite element method represents a powerful tool for the numerical simulation of deformation processes in components and structures. To realize a reliable prediction of the material behaviour the implementation of suitable material models into the FE-code is necessary. In the present thesis a material model for a phenomenological description of the anisotropic hardening behaviour in the case of finite elasto-plastic deformations based on a substructure approach is developed. The material model is formulated in terms of a system of differential and algebraic equations (DAE) with respect to the reference configuration. This DAE contains the hyperelastic material model, the evolutional equations for internal variables as well as the yield condition. Its thermodynamic consistency is proven. Based on a suitable time discretization of the DAE a numerical algorithm for solving the initial value problem is presented. Its succesful implementation into the experimental FE-code SPC-PMHP developed at the Chemnitz University of Technology is demonstrated on selected examples.

Die Genauigkeit der Ergebnisse einer numerischen Simulation von Umformvorgängen wird maßgeblich durch die Beschreibung des Materialverhaltens bestimmt. Neben der Auswahl eines geeigneten Stoffgesetzes zur Darstellung einer Klasse von Werkstoffen ist die Identifikation der in den Modellen enthaltenen Materialparameter zur Charakterisierung seiner besonderen Eigenschaften notwendig. In der vorliegenden Arbeit wird die Bestimmung der Materialparameter eines elastisch-plastischen Deformationsgesetzes zur Beschreibung der plastischen Anisotropie auf Basis der Fließbedingung von Hill unter Berücksichtigung großer Deformationen vorgenommen. Die Ermittlung der Parameter erfolgt durch die Lösung einer nichtlinearen Optimierungsaufgabe (Fehlerquadratminimum) basierend auf dem Vergleich von experimentell durchgeführten Eindringversuchen mit Ergebnissen der numerischen Simulation.

Eine nachträgliche Verfestigung von nähgewirkten multiaxialen Gelegen führt zu einer verbesserten Ausnutzung der Verstärkungsfadeneigenschaften. Zu diesem Zweck wurden Lösungsansätze für eine entsprechende Verfestigungseinrichtung gesucht und bewertet. Drei Anlagenvarianten wurden durch die Kombination verschiedener Verfahren (Strahlungswärme, die Kombination aus Wärme und Druck sowie Walzenbeschichtung) und Bindemittel (Thermoplaste in verschiedenen Aufmachungen, Beschichtungsmassen) entworfen. Sie bieten auf die Einsatzzwecke Produktion, Laborbetrieb und geringster Aufwand abgestimmte Eigenschaften. / The additional stabilization of open grid warp knits provides a better exploitation of the reinforcing yarns. To realize such an additional stabilization, various possible methods have been examined and assessed. Three different types of stabilization installations have been developed by combining the most promising technologies (infrared radiation, combination of heat and pressure, roll coater) and binding agents (thermoplastics, liquid agents). These installations offer special fea-tures for different needs: production, laboratory and least expense.