Universität Stuttgart
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Item Open Access Regulation of the catalytic activity and specificity of DNA nucleotide methyltransferase 1(2014) Bashtrykov, Pavel; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)DNA nucleotide methyltransferase 1 (Dnmt1) is mainly responsible for the maintenance of DNA methylation in mammals and plays a crucial role in the epigenetic control of gene expression. Dnmt1 recognizes and methylates hemimethylated CpG sites formed during DNA replication. In the present work, the mechanistic details of the substrate recognition by the catalytic domain of Dnmt1, the possible role of the CXXC and RFTS domains of Dnmt1 in the regulation of specificity and activity of Dnmt1, and the influence of the Ubiquitin-like PHD and RING finger domain-containing 1 (Uhrf1) protein on the enzymatic properties of Dnmt1 was investigated. Using modified substrates, the functional roles of individual contacts of the Dnmt1 catalytic domain with the CpG site of the DNA substrate were analysed. The data show that the interaction with the 5-methylcytosine:guanine pair is required for the catalytic activity of Dnmt1, whereas the contacts to the non-target strand guanine are not important, since its replacement with adenine increased the activity of Dnmt1. It was proposed that the CXXC domain binding to unmethylated CpG sites increases the specificity of Dnmt1 for hemimethylated DNA. Our data showed that the CXXC domain does not influence the enzyme’s specificity in the full-length Dnmt1. In contrast, mutagenesis in the catalytic domain introducing an M1235S exchange resulted in a significant reduction in specificity. Therefore, the readout for the hemimethylated DNA occurs within its catalytic domain. It was observed in a crystal structure that the RFTS domain of Dnmt1 inhibits the activity of the enzyme by binding to the catalytic domain and blocking the entry of the DNA. By amino acid substitution in the RFTS domain its positioning within the catalytic domain was destabilized and a corresponding increase in the catalytic rate was observed, which supports this concept and suggests a possible mechanism to allosterically regulate the activity of Dnmt1 in cells. Uhrf1 has been shown to target Dnmt1 to replicated DNA, which is essential for DNA methylation. Here it is demonstrated that Uhrf1 as well as its isolated SRA domain increase the activity and specificity of Dnmt1 in an allosteric mechanism. The stimulatory effect was independent of the SRA domain’s ability to bind hemimethylated DNA. The RFTS domain of Dnmt1 is required for the stimulation, since its deletion or blocking of its interaction with the SRA domain, significantly reduced the ability of Uhrf1 to increase the activity and specificity of Dnmt1. Uhrf1, therefore, plays multiple roles that support DNA methylation including targeting of Dnmt1, its stimulation and an increase of its specificity.Item Open Access Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Farbbestimmung von Zähnen auf Basis spektraler Daten(2014) Pflüger, Marius; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)In der heutigen Gesellschaft hat das Aussehen einen immer größeren Stellenwert. Entsprechend kritisch werden deshalb unpassende Farbausprägungen beim Zahnersatz gesehen. In der Praxis wird die Zahnfarbe hierfür meist visuell mithilfe von Farbringen bestimmt, was jedoch fehleranfällig ist. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Zahnfarbe mit Hilfe spektraler Messdaten sowie der Integration in den spektralen Smart-Sensor VITA Easyshade. Kernelement ist die Entwicklung eines mehrstufigen Prognosemodells für die Zahnfarbe auf Basis von künstlichen Neuronalen Netzen, welches anhand realer Messdaten trainiert wird. Als vorgelagertes Verfahren wurde ausserdem eine Methode entwickelt, um die realen Messdaten hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für das Modelltraining automatisch zu bewerten und inkonsistente Daten ausschleusen zu können. Zur Steigerung der Ergebnisqualität wurde für die Prognoseergebnisse zudem einePlausibilitätsprüfung durch Nachbarschaften im Farbraum konzipiert und umgesetzt. Zur Evaluierung der ausgewählten Lösungsansätze konnte im Rahmen der Arbeit auf fast 4000 spektrale Messungen an Zähnen von Probanden zurückgegriffen werden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass anhand definierter Kriterien die Prognosegüte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um knapp 40% gesteigert werden konnte.Item Open Access Molecular modeling of hydrophobic effects in complex biomolecular systems : from simple mixtures to protein-interface aggregation(2014) Benson, Sven P.; Pleiss, Jürgen (Prof. Dr.)Hydrophobicity is a term commonly used to discuss the formation of molecular structures in aqueous solution, and since water is ubiquitous in cellular systems, it may be applied in virtually every biomolecular context. Hydrophobicity is not a first-principle parameter but an abstract concept to describe the “behavior” of molecules in aqueous environments. The terminology of hydrophobicity is misleading, because it implies repulsion or a lack of attraction between nonpolar groups and water, when in fact attractive interactions persist due to atom dipoles. Although it has long been recognized that the driving force of structure formation in aqueous environments is founded in water’s “narcissism”, i.e., water self-preference, rather than in a general “fear of water”, the term hydrophobicity has established itself ever since Kautzmann related protein stability to hydrophobic interactions. Due to its false implications, hydrophobicity can be a cause of confusion and the culprit of misleading deductions. Presented in this dissertation is the author’s work on the structural and dynamical characterization of hydrophobic effects in biomolecular systems in the broadest sense, whereby molecular systems on three different size scales are covered: binary mixtures of methanol and water, aggregation of triglyceride droplets in aqueous solution and enzymes that interact with triglyceride-water interfaces of large-scale triglyceride aggregates.Item Open Access Biochemical characterisation of tRNA-Asp methyltransferase Dnmt2 and its physiological significance(2014) Shanmugam, Raghuvaran; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)Methylation of tRNA plays important roles in the stabilisation of tRNAs and accurate protein synthesis in cells. In eukaryotes various tRNA methyltransferases exist, among them DNMT2 which methylates tRNAAsp at position C38 in the anticodon loop. It is also called tRNA-aspartate methyltransferase 1 (Trdmt1) and the enzyme is highly conserved among eukaryotes. In this work, I investigated the mechanism of DNMT2 interaction with tRNAAsp, characterised the function of the only prokaryotic Dnmt2 homolog found in G. sulfurreducens and studied the physiological importance of the C38 methylation of tRNAAsp in mammalian cells. The molecular details of the interaction of DNMT2 and tRNAAsp are unknown due to lack of the co-crystal structure. Here, I characterised the important residues in DNMT2 required for the tRNA binding and catalysis. By site-directed mutagenesis of 20 conserved lysine and arginine residues in DNMT2, I show that 8 of them have a strong effect on the catalytic activity of the enzyme. They map to one side of the enzyme where the catalytic pocket of DNMT2 is located. The binding of most of the mutant enzymes to tRNA was unaffected suggesting a role of these residues in transition state stabilisation. Manual docking of tRNAAsp into the surface cleft decorated by the 8 residues suggested that DNMT2 interacts mainly with the anticodon stem/loop of tRNAAsp. In my second project, I characterised the function of Dnmt2 homolog found in G. sulfurreducens (GsDnmt2). Here, I show that GsDnmt2 methylates tRNAGlu more efficiently than tRNAAsp. I also report the molecular basis for the swapped substrate specificity of GsDnmt2 and show that the variable loops of G.sulfurreducens tRNAAsp and tRNAGlu of eukaryotes contain a -GG- dinucleotide which is not preferred by Dnmt2. Exchange of the variable loop of mouse tRNAAsp to that tRNAGlu led to dramatic decrease in the activity of human DNMT2. This identifies the variable loop of tRNA as a specificity determinant in the recognition by Dnmt2. In my final project, I investigated the physiological importance of the tRNAAsp C38 methylation in aminoacylation and cellular protein synthesis. Here, I report that C38 methylation enhances the rate of aspartylation on tRNAAsp by 4-5 folds. Concomitant with this, a decrease in the charging levels of tRNAAsp was observed in Dnmt2 knockout MEF cells, which also showed a reduced efficiency in the synthesis of proteins containing poly-Asp sequences. A gene ontology searches for proteins with poly-Asp sequences showed that a significant number of these proteins are associated with transcriptional regulation and gene expression functions. With this I propose that the mild phenotype observed with the Dnmt2 KO cells under stress condition could be correlated to a disregulation of protein synthesis.Item Open Access Dynamisches und risikobasiertes Fahrwerksverbund-Testverfahren(2014) Kiefner, Dominique Xavier; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.)Die verstärkte Automatisierung bei der Absicherung der Fahrerassistenzfunktionen durch Tests führt dazu, dass das richtige Testen immer wichtiger wird. Nur wenn der Test Fehler findet, ist dieser erfolgreich. Die Qualitätsaussage eines nicht erfolgreichen Tests ist aufgrund des Testraums sehr gering. Erst das Verwenden einer Teststrategie, die eine große Anzahl an Testfällen umfasst, führt zu einer belastbaren Qualitätsaussage. Ein wichtiger Aspekt einer guten Teststrategie ist eine Priorisierung der Fehler, insbesondere im Automobil, wo die Bandbreite der Auswirkungen einer fehlerhaften Funktion von einem störenden Innengeräusch bis hin zu einer fehlerhaften Regelung, die zu schweren Personenschäden führt, reicht. Deswegen sollte der Test zuerst in den Bereichen durchgeführt werden, die ein hohes Risiko bzgl. Personenschäden haben. Solche Bereiche werden durch eine Risiko- und Gefährdungsanalyse des Autos gefunden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich die automatisierte Absicherung mit Ergebnissen einer Risiko- und Gefährdungsanalyse verbessern lässt. Der Fahrer wird im heutigen Automobil bei gefährlichen Fahrsituationen durch eine Vielzahl von Fahrerassistenzfunktionen unterstützt. Natürlich ist ein Fehler in diesen Funktionen sehr gefährlich, deswegen müssen diese Funktionen intensiv getestet werden. Die Funktionen verteilen sich auf die Lenkung, die Bremse und das aktive Fahrwerk. Die endgültige Absicherung der verteilten Funktionen kann erst nach der Integration der drei Systeme im Fahrwerksverbund erfolgen. Zur Absicherung stehen unterschiedliche Testplattformen zur Verfügung. Die Arbeit geht auf die folgenden drei Testplattformen ein: den Fahrzeugprototyp, den Fahrsimulator und den Verbunds-HiL. Der modellbasierte Test wird zur automatisierten Absicherung der Funktionen verwendet. Die verschiedenen Verfahren des modellbasierten Tests werden daraufhin untersucht, ob sie erweiterbar sind bzgl. des Einsatzes von Kontextwissen in Form der Ergebnisse der Risiko- und Gefährdungsanalyse. Für das ausgewählte syntaxbasierte Testverfahren wird eine Strategie entwickelt, um das Kontextwissen zu nutzen. Das Testmodell wird durch UML-Zustandsautomaten grafisch modelliert, damit diese Informationen zur Reportdarstellung wiederverwendet werden können. Es stellt sich heraus, dass zwei Modelle übersichtlicher sind und die Testfallerstellung vereinfachen. Das eine Testmodell erzeugt die Testfälle, während das andere Testmodell die Testfälle bewertet und zur Reportdarstellung verwendet wird. Diese Aufteilung ermöglicht auch eine Anwendbarkeit des zweiten Modells auf alle drei Testplattformen.Item Open Access Adaptive Methoden zur Pfadverfolgung bei Entfestigung(2014) Pohl, Tanja; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung robuster und effizienter numerischer Kontrollmethoden zur Ermittlung statischer Gleichgewichtspfade. Insbesondere bei entfestigenden Strukturen versagen konventionelle Pfadverfolgungsmethoden häufig nach Erreichen von Traglastpunkten. Der Fokus der Arbeit liegt auf Adaptivitätskriterien, die den Auswertungsort eines Kontrollparameters in Abhängigkeit des Entfestigungsprozesses in jedem Lastschritt festlegen. Diese selbst-adaptierende Kontrollregion liefert die Grundlage für die Auswertung der Kontrollparameter der adaptiven Verzerrungskontrolle und der adaptiven Verschiebungskontrolle in der Prozesszone. Hierfür werden die äquivalenten Verzerrungen aller Gaußpunkte überwacht und mit Kriterien zur Bestimmung einer aktiven Prozesszone abgeglichen. Der identifizierte Gaußpunkt beziehungsweise das zugehörige Element bildet dann die Kontrollregion im aktuellen Lastschritt. In der adaptiven Verzerrungskontrolle sind die Kontrollgröße und der Parameter zur Identifikation der Kontrollregion identisch und direkt mit dem Schädigungsprozess verbunden. Die adaptive Verschiebungskontrolle in der Prozesszone beschreibt eine Verschiebungskontrolle des maximalen Inkrements der Elementverschiebungen in der Kontrollregion. Die Formulierung ist bis auf das Auswahlkriterium der Kontrollregion vom Schädigungsprozess entkoppelt. Die neu entwickelten Methoden weisen in den numerischen Beispielen wesentliche Verbesserungen im Bezug auf die Rechengeschwindigkeit gegenüber vergleichbar einsatzfähigen Methoden auf und vermeiden ungewollte künstliche Entlastungen.Item Open Access Vortex-Kern-Korrelation in gekoppelten Systemen(2014) Jüllig, Patrick; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurden strukturierte ferromagnetische Dreischichtsysteme zum einen auf ihre statische in-plane- sowie out-of-plane-Magnetisierungsverteilung als auch auf deren dynamisches Verhalten hin untersucht. Die sowohl quadratischen als auch kreisförmigen Strukturen bestanden aus zwei ferromagnetischen Lagen mit einer Dicke von jeweils 50nm, welche durch eine nicht magnetische Cu-Zwischenschicht getrennt waren. Die Dicke dieser Zwischenschicht variierte schrittweise von t(Cu)=3nm bis 15nm. Als Magnetmaterialien kamen für die untere Schicht Kobalt (Co) und für die obere Schicht das magnetisch isotrope Permalloy (Ni80Fe20) zum Einsatz. Die lateralen Abmessungen sowie das Aspektverhältnis der beiden Einzelschichten wurden so gewählt, dass der Vortexzustand die stabile Domänenkonfiguration ist. Somit resultierten zwei vertikal übereinander angeordnete Vortexkonfigurationen, sodass deren Wechselwirkung sowohl im statischen als auch im dynamischen Fall untersucht werden konnte. Aufgrund der gewählten Cu-Schichtdicke von mindestens 3nm war gewährleistet, dass die Kopplung der in-plane-Schichtmagnetisierung hauptsächlich durch die elektrostatische Streufeldenergie beeinflusst wurde und somit der Beitrag der Oszillatorischen Zwischenschichtaustauschwechselwirkung vernachlässigt werden konnte. Im Falle zweier vertikal übereinander angeordneter Vortexstrukturen kann man bezüglich der Zirkulation C (beschreibt die Orientierung der in-plane-Magnetisierung) und der Polarisation P (beschreibt die Orientierung der out-of-plane-Komponente des Vortexkerns) unter Berücksichtigung der Symmetrie vier verschiedene Konfigurationen voneinander unterscheiden: Die beiden Fälle, bei denen C und P jeweils bzw. orientiert sind, sowie die beiden Fälle, bei denen lediglich C oder P parallel ausgerichtet ist. Der erste Schritt dieser Arbeit bestand in der Probenpräparation. Als Strukturierungsverfahren kamen zum einen das Ionenstrahlätzen und zum anderen die Elektronenstrahllithographie zum Einsatz. Anhand von Röntgenbeugungsexperimenten konnte herausgefunden werden, dass beide Schichtmaterialien, sowohl das Permalloy als auch das Kobalt, eine polykristalline, fasertexturierte Schichtstruktur mit einer fcc-Gitterstruktur aufwiesen. Diese Erkenntnisse waren vor allem für die korrekte Parameterwahl für die nachfolgend durchgeführten mikromagnetischen Simulationen von großer Bedeutung. Messungen der Oberflächenrauigkeiten mittels des AFM ließen darauf schließen, dass neben dem Beitrag der Streufeldenergie ebenso korrelierte bzw. unkorrelierte Zwischenschichtrauigkeiten zur gegenseitigen Ausrichtung der in-plane-Schichtmagnetisierungen beitrugen. Mit Hilfe von SQUID-Messungen bei T=40K an unstrukturierten Co/Cu/Py-Dreischichtsystemen konnte nachgewiesen werden, dass erst für Proben mit Cu-Schichtdicken ab t(Cu)=2,0nm beide ferromagnetische Materialien chemisch voneinander getrennt vorlagen und keine direkte ferromagnetische Kopplung aufgrund von sogenannten Pinholes auftrat. Somit konnte geschlussfolgert werden, dass erst ab einer Dicke von t(Cu) größer gleich 2,0nm eine vollständig geschlossene Cu-Schicht vorlag. Die ersten statischen in-plane-Messungen am STXM zeigten, dass Proben, welche im as-sputtered Zustand eine undefinierte metastabile Mehrdomänenkonfigurationen aufwiesen, durch einen Entmagnetisierungsprozess in den stabilen Vortexzustand überführt werden konnten. Neben antiparallel gekoppelten Systemen bezüglich der Zirkulation C wurden mit einer ähnlich hohen Wahrscheinlichkeit Proben mit einer parallelen Ausrichtung der in-plane-Magnetisierung gefunden. Dies zeigte, dass die Kopplung der Schichtmagnetisierungen nicht allein durch die Streufelder realisiert wurde, sondern ein weiterer Beitrag hinzukam, dessen Ursache mit hoher Wahrscheinlichkeit in den Zwischenschichtrauigkeiten zu finden war. Statische mikromagnetische Simulationen an quadratischen Co/Spalt/Py-Strukturelementen haben gezeigt, dass die in-plane-Magnetisierungsverteilung der Systeme mit C=parallel eine merklich verzerrte Landaustruktur aufwies. Zudem lag bei Konfigurationen mit P=antiparallel ein lateraler Shift bezüglich der Gleichgewichtspositionen der Kerne vor, was aufgrund der Interaktion der out-of-plane-Streufelder zu erwarten war. Dies spiegelte sich auch in der Energiebetrachtung wieder, wobei die beiden Systeme mit der Konfiguration C=parallel deutlich höhere Gesamtenergien aufwiesen als diejenigen mit C=antiparallel. Allgemein lagen im Falle von parallelen Kernpolarisationen die Energiewerte etwas niedriger als bei antiparallel ausgerichteten Kernen. Die dynamische Anregung der ferromagnetischen Schichtsysteme wurde experimentell mittels eines in-plane-Magnetfeldpulses realisiert, welcher durch die lineare Stripline generiert wurde. Die Pulsdauer betrug je nach Element 0,5 bis 1,6ns, und bezüglich der Pulsamplitude mussten Feldstärken von B(Puls)=3,1mT bis zu 6,0mT angelegt werden, um eine Gyrationsbewegung beobachten zu können.Item Open Access Interactive parallel post-processing of simulation results on unstructured grids(2014) Niebling, Florian; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Numerical simulations and the assessment of their results are constantly gaining importance in product design and optimization workflows in many different fields of engineering. The availability of massively parallel manycore computing resources enables simulations to be executed with accuracies posing very high requirements on the methods for interactive post-processing of the simulation results. A traditional post-processing of such large-scale simulation datasets on single workstations is often no longer possible due to the limited resources such as main memory, the low number of compute cores and the available network bandwidth to the simulation cluster. In this work, concepts and solutions are presented that enable interactive post-processing of large-scale datasets generated by fluid dynamic simulations on unstructured grids through the use of parallel manycore environments. A software architecture the parallel post-processing and visualization, as well as specific optimizations of frequently used methods for post-processing are introduced that enable the interactive use of parallel manycore resources. The implementation of the methods and algorithms is based on existing manycore devices in the form of programmable graphics hardware, which are no longer solemnly usable for computer graphics applications, but are getting increasingly interesting for general purpose computing. It will be shown, that methods for visualization of fluid simulation data such as the interactive computation of cut-surfaces or particle traces is made possible even for large-scale unstructured data. Additionally, an algorithm for the dense texture-based visualization of flow fields will be introduced that combines the presented methods for the extraction of cut-surfaces, isosurfaces and particle tracing. This algorithm for line integral convolution enables the interactive post-processing of flow fields on partitioned and distributed unstructured grids. The methods introduced in this thesis are evaluated using several large-scale simulation datasets from different fields of engineering in scientific and industrial applications.Item Open Access Einfluss von Grenzflächeneffekten auf den Dichtmechanismus der Radial-Wellendichtung(2014) Schuler, Peter; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Problemstellung und Ansätze Moderne Schmierstoffe, wie Polyglykole und Ester, verursachen beim Abdichten mit Radial-Wellendichtringen (RWDR) Probleme. Neben chemischer Unverträglichkeit mit dem Elastomer kann höherer Verschleiß und schließlich Leckage auftreten. Die Ursache dieser Nachteile gegenüber konventionellen, mineralischen Schmierstoffen wurde in den Benetzungseigenschaften der Schmierstoffe vermutet. Zur Lösung wurden zwei Ansätze gewählt: Erstens, die Bestimmung der Oberflächenenergie der Komponenten der Radial-Wellendichtung (Schmierstoff, Elastomer und Gegenlauffläche). Von der Oberflächenenergie wurde dabei die Aufspaltung in einen polaren und einen dispersen Anteil berücksichtigt. Zweitens, die Untersuchung der Schmierstoffeigenschaften hinsichtlich des Einflusses strömungsmechanischer Instabilitäten. Solche Instabilitäten sind Taylor-Görtler-Wirbel und der Thermokapillareffekt. Untersuchungen Zehn chemisch unterschiedliche Schmierstoffe wurden untersucht: Zwei Mineralöle, drei Polyglykole, ein Poly-α-Olefin, zwei Ester und zwei Silikonöle. Benetzungs- und strömungsrelevante Stoffwerte wurden in Abhängigkeit der Temperatur gemessen. Diese Stoffwerte dienten der Berechnung von Benetzungs- und Strömungskenngrößen. Benetzungsversuche zeigten direkt das Verhalten der Schmierstoffe auf unterschiedlichen Substraten. Dichtungstechnische Versuche wurden hauptsächlich mit Radial-Wellendichtungen durchgeführt. Versuche mit PTFE-Manschetten und Stangendichtungen erweiterten den Blick auf andere Dichtsysteme. Von Radial-Wellendichtungen wurde das Förderverhalten, das Reibverhalten und das Verschleißverhalten bestimmt. Die Ergebnisse der dichtungstechnischen Versuche wurden nach den Benetzungs- und Strömungskenngrößen ausgewertet. Ergebnisse Die wichtigsten Ergebnisse sind: Der Förderwert von Radial-Wellendichtungen hängt, für die untersuchten Schmierstoffe, linear von deren Adhäsionsarbeit auf der Gegenlauffläche ab. Hohe Adhäsionsarbeit bedeutet einen hohen Förderwert. Für den Verschleiß von RWDR und Gegenlauffläche zeigt sich ein Zusammenhang mit der Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und Elastomer- Dichtkante. Unterschritt die Adhäsionsarbeit den Wert der Kohäsionsarbeit, trat im Versuch Verschleiß auf. Ab einem kritischen Wert der hydrodynamischen Kennzahl ändert sich der Reibungszustand der Radial-Wellendichtung. Das Eintreten der Änderung wurde mit dem Einsetzen thermokapillarer Instabilität erklärt. Fortschritt Eine Erklärung für den Schmierstoffeinfluss auf den Dichtmechanismus wurde gefunden. Adhäsions- und Kohäsionsarbeit der Komponenten der Radial-Wellendichtung haben einen deutlichen Einfluss auf das Förder- und Verschleißverhalten. Der Einfluss axialer (Thermokapillareffekt) und radialer (Görtler-Wirbel) Temperaturgradienten wurde aufgezeigt. Einschränkungen Die erzielten Ergebnisse gelten in erster Linie nur für die untersuchten Kom- ponenten. Trotz der breiten Fächerung an Versuchsteilen kann nicht ohne Weiteres auf andere Polymere und Schmierstoffarten geschlossen werden. Die für die Elastomere ermittelten Oberflächenenergien hängen von der Vorbehandlung der Proben ab. Trotz plausibler Ergebnisse sind diese Oberflächenenergien als Relativwerte zu verstehen. Die dichtungstechnischen Versuche wurden für einen Betriebspunkt durch- geführt. Die gezeigten Zusammenhänge könnten an anderen Betriebspunkten (insbesondere sehr niedrige und sehr hohe Temperatur) durch weitere Effekte überlagert oder egalisiert werden.Item Open Access High velocity impact and fragmentation of concrete : numerical simulation(2014) Irhan, Baris; Ožbolt, Joško (Prof.Dr.-Ing.)In this study load-rate dependent behavior of plain concrete has been investigated by means of numerical methods. To accomplish this, a three dimensional explicit Lagrangian finite element program has been developed for the simulation of contact, impact and fragmentation events based on mixed programming approach. In this respect a graphical user interface (GUI) has been developed using C++ programming language to carry out pre- and post-processing tasks. On the other hand, another program has been developed using FORTRAN programming language to carry out finite element computations. Communication in between GUI and FORTRAN program has been established using standard function import/export mechanism. Microplane material model for concrete has been extended to account for large deformations, rate of loading and thermal effects. Stress locking observed under dominant tensile loading has been addressed by proper relaxation of the kinematical constraint. On the other hand mesh dependency, due to softening behavior present, has been tackled by crack-band regularization. Kinematical contact constraints in normal and tangential directions have been formulated in both total and rate forms. Predictor-corrector type algorithm has been employed as method of constraint enforcement. Requirements for the exact satisfaction of constraints have been discussed. Mohr-Coulomb type frictional constitutive behavior is adopted in tangential direction. Classical radial return mapping algorithm, frequently used for elastic-plastic materials, has been used to perform constitutive update in tangential direction. During high velocity contact-impact events, like projectile penetration, motion function loses its regularity around the impact region due to presence of very large deformations. In order to be able to continue simulations staying within Lagrangian framework, such material is simply removed with a technique based on adaptive element deletion. Maximum principal strain has been used as a deletion criterion. Topological data structures have been implemented to keep track of the evolving contact interface during simulations. Furthermore, to accelerate contact search a procedure based on so-called moving contact sphere has been developed. Predictive capability of the numerical techniques proposed has been assessed by comparisons with some relevant experimental results from literature. Main conclusions have been drawn out and future research directions have been recommended.