https://opendata.uni-halle.de//handle/541532/3153 2026-04-04T08:03:47Z 2026-04-04T08:03:47Z Knape, Katharina https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123657 2026-02-02T06:29:21Z 2025-01-01T00:00:00Z

Title: Modeling the inelastic behavior of high-temperature steels exerted to variable loading conditions Author(s): Knape, Katharina Abstract: Tempered martensitic steels are widely applied in power plant components operating at high temperatures, reaching up to 650°C. These components experience not only creep deformation due to mechanical loads at elevated temperatures but also endure cyclic loading as a result of highly frequent start-up and shut-down operations. Because of their robust mechanical and thermal properties, tempered martensitic steels are able to withstand such demanding service conditions. However, these steels are prone to softening under both constant creep and cyclic loads. During the past years, a main focus of this research field was to model the inelastic material behavior of these steels at elevated temperatures. For the alloys X20CrMoV12-1 and X12CrMoWVNbN10-1-1, the phase mixture rule was employed to derive the constitutive equations including an evolution equation for the inelastic strain, the backstress and the softening variable. The material models were calibrated through numerous experiments in order to be able to depict the material’s response realistically. However, conventional implementations suffer from high computational costs due to the extremely small time steps required for cycle-by-cycle simulations. To overcome this, the present work introduces a two-time-scale multiscaling approach, which reduces computation time by approximately 80% while preserving accuracy, as validated against experimental data and finite element simulations. Therefore, a fast or micro time scale as well as a slow, so-called macro time scale are defined allowing for a decomposition and decoupling of the problem. The approach is based on the asymptotic series expansion of the constitutive equations with respect to a scaling parameter representing the ratio of the two scales. The implementation of the approach requires the periodicity of the loading condition which is met by the low cyle and real-life thermo-mechanical fatigue profiles power plant components are subjected to. Within this work, the explicit ADAMS-BASHFORTH as well as the EULER FORWARD method serves for the implementation of the governing equations in a python code where the two-time-scale approach is then applied. The time averaging is done by the trapezoidal rule in order to be able to evaluate the functions for a defined finite integral. The results of the multiscaling procedure are compared to and validated with results from the finite element software ABAQUS together with experimental data. Furthermore, the influence of different scaling parameters as well as time step sizes for the macro scale are examined. In the final part, the same numerical technique is applied to calculate a material parameter from the long time response. Therefore, the evolution equation for the softening behavior is adapted in order to improve the simulation results especially in the range of N = 10² − 10⁶ cycles since the decrease of the maximum and minimum values is not well captured by the existing model. The experimental data with respect to a large number of cycles is fitted and inserted into the python code. The simulation is carried out with one unknown exponent so that the optimal value can be found to predict the material’s response more realistically. This work represents a validated implementation of a two-time-scale multiscaling strategy for high-temperature martensitic steels, setting it apart from conventional simulation approaches especially with respect to the calculation times. In future applications, these results could serve as a foundation for estimating cyclic fatigue damage, enabling accurate predictions of the operational lifetime of power plant components.; Martensitische Stähle werden häufig in Kraftwerkskomponenten eingesetzt, die bei hohen Temperaturen bis zu 650°C betrieben werden. Diese Komponenten erfahren nicht nur Kriechverformungen aufgrund mechanischer Lasten bei erhöhten Temperaturen, sondern sind auch zyklischen Belastungen ausgesetzt, die durch häufige Hoch- und Herunterfahrvorgänge entstehen. Dank ihrer robusten mechanischen und thermischen Eigenschaften sind wärmebehandelte martensitische Stähle in der Lage, solchen anspruchsvollen Betriebsbedingungen standzuhalten. Allerdings neigen diese Stähle unter Kriechbeanspruchung und zyklischen Lasten zur Entfestigung. In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung auf die Modellierung des inelastischen Materialverhaltens dieser Stähle bei erhöhten Temperaturen. Für die Legierungen X20CrMoV12-1 und X12CrMoWVNbN10-1-1 wurde die Phasenmischungsregel verwendet, um die konstitutiven Gleichungen einschließlich einer Evolutionsgleichung für die inelastische Verformung, die Rückspannung und die Entfestigungsvariable abzuleiten. Die Materialmodelle wurden durch zahlreiche Experimente kalibriert, um das Materialverhalten realitätsnah abbilden zu können. Konventionelle Implementierungen leiden jedoch unter hohen Rechenkosten, da für die Zyklus-für-Zyklus-Simulationen extrem kleine Zeitschritte erforderlich sind. Zur Lösung dieses Problems wird in der vorliegenden Arbeit ein Zwei-Zeitskalen-Ansatz vorgestellt, der die Rechenzeit um etwa 80% reduziert und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit bewahrt, wie durch experimentelle Daten und Finite-Elemente-Simulationen validiert wurde. Hierfür werden eine schnelle oder Mikrozeitskala sowie eine langsame, sogenannte Makrozeitskala definiert, die eine Zerlegung und Entkopplung des Problems ermöglichen. Der Ansatz basiert auf der asymptotischen Reihenentwicklung der konstitutiven Gleichungen in Bezug auf einen Skalierungsparameter, der das Verhältnis der beiden Skalen darstellt. Die Implementierung des Ansatzes beruht auf der Periodizitätsbedingung des Lastprofils, die durch das Langzeitdehnverhalten und das thermomechanische Belastungskollektiv von Kraftwerkskomponenten erfüllt wird. Im Rahmen dieser Arbeit dient das explizite ADAMS-BASHFORTH- sowie das explizite EULER-Verfahren zur Implementierung der grundlegenden Gleichungen in einem Python-Code, auf den dann der Zwei-Zeitskalen-Ansatz angewendet wird. Die Homogenisierung erfolgt nach der Trapezregel, um die Funktionen für ein definiertes Integral auswerten zu können. Die Ergebnisse des Multiskalierungsverfahrens werden mit Ergebnissen aus der Finite-Elemente-Software ABAQUS sowie mit experimentellen Daten verglichen und validiert. Zudem wird der Einfluss verschiedener Skalierungsparameter sowie Zeitschrittgrößen für die Makroskala untersucht. Im letzten Teil wird die gleiche numerische Technik verwendet, um einen Materialparameter aus dem Langzeitverhalten zu berechnen. Hierfür wird die Evolutionsgleichung für das Entfestigungsverhalten angepasst, um die Simulationsergebnisse insbesondere im Bereich von N = 10² − 10⁶ Zyklen zu verbessern, da die Abnahme des Maximal- und Minimalwerts pro Zyklus im bestehenden Modell nicht ausreichend erfasst bzw. abgebildet wird. Die experimentellen Daten bezüglich einer großen Anzahl von Zyklen werden in den Python-Code eingefügt, um die Simulation mit einem unbekannten Exponenten durchzuführen, sodass dessen Wert bestimmt werden kann, um die Materialantwort realistischer vorherzusagen. Die Arbeit stellt die validierte Anwendung eines Zwei-Zeitskalen-Ansatzes für hochtemperaturbeständige martensitische Stähle dar und hebt sich damit vor allem in Hinblick auf die Rechenzeiten von bisherigen Simulationsmethoden ab. In zukünftigen Anwendungen könnten diese Ergebnisse als Grundlage zur Abschätzung von zyklischen Ermüdungsschäden dienen und damit eine präzisere Vorhersage der Lebensdauer von Kraftwerkskomponenten ermöglichen.

2025-01-01T00:00:00Z Müller, Marcel https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123455 2026-02-02T06:19:50Z 2025-01-01T00:00:00Z

Title: Multi-agent reinforcement learning for deadlock handling among autonomous mobile robots Author(s): Müller, Marcel Abstract: This dissertation explores the application of multi-agent reinforcement learning (MARL) for handling deadlocks in intralogistics systems that rely on autonomous mobile robots (AMRs). AMRs enhance operational flexibility but also increase the risk of deadlocks. Existing approaches often neglect deadlock handling in the planning phase and rely on rigid control rules that cannot adapt to dynamic operational conditions. To address these shortcomings, this work develops a methodology for integrating MARL into logistics planning. It introduces reference models that explicitly consider deadlocks in multi-agent pathfinding (MAPF) problems. The thesis compares traditional deadlock handling strategies with MARL-based solutions, focusing on PPO and IMPALA under different training and execution modes. Findings reveal that MARL-based strategies, particularly when combined with centralized training and decentralized execution (CTDE), outperform rule-based methods in complex, congested environments.; Diese Dissertation untersucht die Anwendung von Multi-Agenten-Reinforcement-Learning (MARL) zur Behandlung von Deadlocks in Intralogistiksystemen, die auf autonomen mobilen Robotern (AMRs) basieren. AMRs erhöhen die operative Flexibilität, steigern jedoch gleichzeitig das Risiko von Deadlocks. Bestehende Ansätze vernachlässigen häufig die Deadlock-Behandlung in der Planungsphase und stützen sich auf starre Steuerungsregeln, die sich nicht an dynamische Betriebsbedingungen anpassen können. Zur Behebung dieser Schwächen wird in dieser Arbeit eine Methodik zur Integration von MARL in die Logistikplanung entwickelt. Sie führt Referenzmodelle ein, die Deadlocks in Multi-Agenten-Pfadfindungsproblemen (MAPF) explizit berücksichtigen. Die Dissertation vergleicht traditionelle Strategien zur Deadlock-Behandlung mit MARL-basierten Lösungen und konzentriert sich dabei auf PPO und IMPALA unter verschiedenen Trainings- und Ausführungsmodi.

2025-01-01T00:00:00Z Sukhanova, Olha https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/122901 2026-02-02T06:29:18Z 2025-01-01T00:00:00Z

Title: Deformation and strength analysis of glass structures by classical continuum mechanics and peridynamics Author(s): Sukhanova, Olha Abstract: Das dynamische Verhalten und die Festigkeit von Glasstrukturen stellen aufgrund der spröden Natur des Glases sowie seiner Empfindlichkeit gegenüber Mikrorissen und Verarbeitungsdefekten eine modellierungstechnische Herausforderung dar. Diese Herausforderungen sind in verschiedenen Anwendungsbereichen von praktischer Relevanz – darunter Architektur, Bau- und Fahrzeugtechnik, sicherheitskritische Infrastrukturen, Luft- und Raumfahrt sowie Photovoltaikmodule –, bei denen Zuverlässigkeit unter dynamischer und statischer Belastung essenziell ist. Dies motiviert das Ziel der vorliegenden Dissertation, das darin besteht, das Verständnis und die Prognosefähigkeit des Verformungs- und Schädigungsverhaltens von laminierten und monolithischen Glasstrukturen zu verbessern. Ziel ist es, die strukturelle Integrität durch eine vertiefte Analyse des Einflusses geometrischer Parameter, Materialeigenschaften und Fertigungsfehler zu erhöhen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Untersuchung der Initiierung und Ausbreitung von Schädigungen, dem Einfluss von Defekten sowie den Rissmustern, die in Glaskomponenten auftreten. Zur Untersuchung dieser Phänomene wird eine Kombination aus klassischer Kontinuumsmechanik und nichtlokaler Peridynamiktheorie eingesetzt. Während das elastische Verhalten von Glas mit der traditionellen Finite-Elemente-Methode analysiert werden kann, erfordert die Modellierung der Schädigungsinitiierung und -ausbreitung die Anwendung der Peridynamik. Für die numerische Untersuchungen des Glaslaminats bei einer Stoßbeanspruchung werden dreidimensionale Finite-Elemente-Modelle eingesetzt. Dabei dient die Modalanalyse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen, während explizite dynamische Simulationen das zeitabhängige Verhalten bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten erfassen. Netzkonvergenzanalysen und parametrische Studien werden durchgeführt, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. In einer systematischen Parameterstudie wird der Einfluss geometrischer und materialbezogener Eigenschaften – einschließlich der Plattenkrümmung und der Dicke der Zwischenschicht – auf die Verformung und Spannungsverteilung untersucht. Die Studie konzentriert sich zudem auf die Initiierung und Entwicklung von Schädigungen in monolithischen Glasplatten unter quasi-statischer Belastung. Hierzu werden Peridynamik-Modelle entwickelt und mit Finite-Elemente-Simulationen verglichen, um die Auswirkungen der Modelldiskretisierung und der Gitterkonfiguration im Rahmen elastischer quasi-statischer Verformungen zu untersuchen. Der Einfluss der kritischen Dehnungswerts der Bindungen wird auf das Bruchverhalten von Glas unter koaxialer Doppelring-Biegung untersucht. Dabei werden sowohl homogenisierte Modelle mit einheitlichen kritischen Dehnungswerten als auch Modelle berücksichtigt, die Oberflächenschwächungseffekte einbeziehen. Bei einer Abminderung des kritischen Dehnungswerts an der Oberfläche zeigt sich eine Veränderung des Schädigungsmusters: von ausgeprägten radialen Rissen hin zu einer verteilten Zone von Oberflächenmikrorissen. Das dynamische Bruchverhalten von Glasstrukturen wird mittels peridynamikbasierter Simulationen von Stahlkugel-Falltests untersucht. Die Empfindlichkeit des Schadensverhaltens gegenüber Eigenschaften geschwächter Schichten wird bewertet. Der Einfluss technologischer Defekte (Oberflächenfehler) auf Bruchkraft, Schadensmuster und Rissausbreitung in Glasplatten wird untersucht. Die Auswirkungen von Defektgröße, -position und -dichte werden analysiert und mit experimentellen Daten aus der Literatur verglichen. Zufällig verteilte Defekte werden im peridynamischen Modell eingeführt und untersucht, um realistische Fertigungsschwankungen abzubilden. Die rechnerischen Fortschritte dieser Arbeit liefern Richtlinien für die Modellierung von Verbundglas und erhöhen die Zuverlässigkeit der Bewertung unter quasi-statischen und dynamischen Belastungen.; The dynamic behavior and fracture performance of glass structures represent modeling challenges due to the brittle nature of glass and its sensitivity to micro-cracks and technological imperfections. These challenges are of practical relevance across various applications, including architecture, structural and automotive engineering, safety-critical infrastructure, aerospace, and photovoltaic panels, where reliability under dynamic and static loads is essential. The mentioned motivates the current thesis aim, which focuses on improving the understanding and predictive capabilities of how laminated and monolithic glass structures deform and damage. The scope is to enhance structural integrity through a deeper analysis of the influence of geometric parameters, material properties, and manufacturing flaws. Special focus is given to studying the initiation and propagation of damage, the influence of flaws, and the cracking patterns occurring in glass components. A combination of classical continuum mechanics and nonlocal peridynamic theory is employed to address these phenomena. While the elastic behaviour of glass can be analyzed using the traditional finite element method, modeling the initiation and propagation of damage requires the application of peridynamic theory. An analysis of laminates subjected to impact loading, employing the finite element method in a three-dimensional framework, is carried out. Modal analysis is conducted to extract natural frequencies and eigenmodes, while explicit dynamic simulations capture the transient response under varying impact velocities. Mesh convergence studies and parametric analyses are performed to ensure the accuracy of the results. A systematic parametric study evaluates the influence of geometric and material properties, including plate curvature and interlayer thickness, on deformation and stress distribution. The study also focuses on the initiation and evolution of damage in monolithic glass plates subjected to quasi-static loading. Peridynamic models are developed and compared with finite element simulations to examine the effects of model discretization and lattice configuration within the framework of elastic quasi-static deformation. The influence of critical bond stretch value on glass fracture behavior under coaxial doublering bending is studied. Homogenized models with uniform critical bond stretches and models accounting for surface weakening effects are considered. With the reduction of the critical bond stretch on the surface, a change in the damage pattern from distinct radial cracks to distributed region of surface micro-cracking with an almost smooth damaged zone is observed. The dynamic fracture behavior of glass structures is analyzed using peridynamic-based simulations of steel ball drop tests. The sensitivity of weakened layer properties on damage behavior is evaluated. The influence of technological flaws (surface defects) on fracture force, damage patterns, and crack propagation of glass plates is examined. The effect of flaw size, location, and density is analyzed and compared with experimental data from the literature. Randomly distributed imperfections are introduced and studied in the peridynamic framework to reflect realistic manufacturing variability. The computational advancements of this work provide guidelines for modeling laminated glass, enhancing impact resistance, improves the reliability assessment under quasi-static and impact loads.

2025-01-01T00:00:00Z Tomas, Josef https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/122867 2026-02-02T06:16:29Z 2025-01-01T00:00:00Z

Title: Charakterisierung der thermo-mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Komponenten Author(s): Tomas, Josef Abstract: Unter generativer Fertigung (auch als additive Fertigung oder als 3D-Druck bezeichnet) wird ein Fertigungsverfahren verstanden, bei dem die Bauteile durch ein gezieltes Hinzufügen von Material entstehen. Die additive Fertigung wurde vor über 30 Jahren entwickelt und zählt heute zu der Gruppe der Urformverfahren. Additive Fertigung findet immer mehr Anwendung in der Industrie. Um die Ressourceneffizienz zu erhöhen und den Energieeinsatz zu reduzieren sowie Werkstoffe zu optimieren, wird viel an dem Thema der generativen Fertigung geforscht. Die Fertigungsverfahren werden nach Grundwerkstoffarten: Polymere, Keramiken und Metalle sowie nach primären Fertigungsbesonderheiten unterteilt. Die verbreitetsten Verfahren für die additive Fertigung für Metalle sind Pulverbettbasiertes Schmelzen, Auftragschweißen und Freistrahl-Bindemittelauftrag. Beim Pulverbettbasierten Schmelzen wird weiter nach der Energiequelle Laser- oder Elektronenstrahl unterschieden. Das Pulverbettbasiertes Laserschmelzen ist sehr verbreitet aufgrund der einfachen Anwendung. Zudem entstehen Bauteile ohne Zwischenschritte im Vergleich zum Auftragschweißen oder zum Freistrahl-Bindemittelauftrag. In dieser Arbeit werden unidirektionale Proben genutzt, um die Eigenschaften einzelner Schichten zu bestimmen. Dabei werden bekannten Messverfahren eingesetzt, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften zu charakterisieren.; Additive manufacturing (also referred to as additive manufacturing or 3D printing) is a manufacturing process in which components are created by adding material. Additive manufacturing was developed over 30 years ago and today belongs to the group of primary molding processes. Additive manufacturing is being used more and more in industry. In order to increase resource efficiency and reduce energy consumption as well as to optimize materials, a lot of research is being done on the topic of additive manufacturing. Manufacturing processes are divided by basic material types: polymers, ceramics and metals and by primary manufacturing characteristics. The most common additive manufacturing processes for metals are powder bed-based melting, buildup welding and free-jet binder deposition. Powder bed-based melting is further differentiated by the energy source: laser or electron beam. Powder bed based laser melting is very common due to its simpler application and use, in addition to producing parts without intermediate steps compared to buildup welding or free jet binder deposition. In this work, the unidirectional samples are used to determine the properties of individual layers. The known measurement techniques are used to characterize the mechanical and thermal properties.

2025-01-01T00:00:00Z