Shape memory and elastoplastic materials: from constitutive and numerical to fatigue modeling

Shape memory materials (SMMs) represent an important class of smart materials that have the ability to return from a deformed state to their original shape. Thanks to such a property, SMMs are utilized in a wide range of innovative applications. The increasing number of applications and the consequent involvement of industrial players in the field have motivated researchers to formulate constitutive models able to catch the complex behavior of these materials and to develop robust computational tools for design purposes. Such a research field is still under progress, especially in the prediction of shape memory polymer (SMP) behavior and of important effects characterizing shape memory alloy (SMA) applications. Moreover, the frequent use of shape memory and metallic materials in biomedical devices, particularly in cardiovascular stents, implanted in the human body and experiencing millions of in-vivo cycles by the blood pressure, clearly indicates the need for a deeper understanding of fatigue/fracture failure in microsize components. The development of reliable stent designs against fatigue is still an open subject in scientific literature. Motivated by the described framework, the thesis focuses on several research issues involving the advanced constitutive, numerical and fatigue modeling of elastoplastic and shape memory materials. Starting from the constitutive modeling, the thesis proposes to develop refined phenomenological models for reliable SMA and SMP behavior descriptions. Then, concerning the numerical modeling, the thesis proposes to implement the models into numerical software by developing implicit/explicit time-integration algorithms, to guarantee robust computational tools for practical purposes. The described modeling activities are completed by experimental investigations on SMA actuator springs and polyethylene polymers. Finally, regarding the fatigue modeling, the thesis proposes the introduction of a general computational approach for the fatigue-life assessment of a classical stent design, in order to exploit computer-based simulations to prevent failures and modify design, without testing numerous devices.

Microstructure of epitaxial thin films of the ferromagnetic shape memory alloy Ni 2 MnGa

Gegenstand dieser Arbeit ist die Präparation und die ausführliche Charakterisierung epitaktischer Dünnschicht-Proben der Heusler Verbindung Ni2MnGa. Diese intermetallische Verbindung zeigt einen magnetischen Formgedächtnis-Effekt (MFG), der sowohl im Bezug auf mögliche Anwendungen, als auch im Kontext der Grundlagenforschung äußerst interessant ist. In Einkristallen nahe der Stöchiometrie Ni2MnGa wurden riesige magnetfeldinduzierte Dehnungen von bis zu 10 % nachgewiesen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf einer Umverteilung von kristallographischen Zwillings-Varianten, die eine tetragonale oder orthorhombische Symmetrie besitzen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Zwillingsgrenzen durch den Kristall, was eine makroskopische Formänderung mit sich bringt. Die somit erzeugten reversiblen Längenänderungen können mit hoher Frequenz geschaltet werden, was Ni2MnGa zu einem vielversprechenden Aktuatorwerkstoff macht. rnDa der Effekt auf einem intrinsischen Prozess beruht, eignen sich Bauteile aus MFG Legierungen zur Integration in Mikrosystemen (z.B. im Bereich der Mikrofluidik). rnrnBislang konnten große magnetfeldinduzierte Dehnungen nur für Einkristalle und Polykristalle mit hoher Porosität („foams") nachgewiesen werden. Um den Effekt für Anwendungen nutzbar zu machen, werden allerdings Konzepte zur Miniaturisierung benötigt. Eine Möglichkeit bieten epitaktische dünne Filme, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden sollen. Im Fokus stehen dabei die Optimierung der Herstellungsparameter, sowie die Präparation von freitragenden Schichten. Zudem werden verschiedene Konzepte zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen erprobt. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte die komplizierte Kristallstruktur für verschiedene Wachstumsrichtungen verstanden und die genaue Verteilung der Zwillingsvarianten aufgedeckt werden. In Verbindung mit Mikroskopie-Methoden konnte so die Zwillingsstruktur auf verschiedenen Längenskalen geklärt werden. Die Ergebnisse erklären das Ausbleiben des MFG Effekts in den Proben mit (100) Orientierung. Andererseits wurde für Schichten mit (110) Wachstum eine vielversprechende Mikrostruktur entdeckt, die einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen bietet.rnDurch die spezielle Geometrie der Proben war es möglich, Spektroskopie-Experimente in Transmission durchzuführen. Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Nachweis der Änderungen in der elektronischen Struktur einer metallischen Verbindung während des martensitischen Phasenübergangs dar. Durch Messen des magnetischen Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorption konnten quantitative Aussagen über die magnetischen Momente von Ni und Mn getroffen werden. Die Methode erlaubt überdies die Beiträge von Spin- und Bahn-Moment separat zu bestimmen. Durch winkelabhängige Messungen gelang es, die mikroskopische Ursache der magnetischen Anisotropie aufzuklären. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der komplexen magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Ni2MnGa bei.rn

Constraining mass and shape of galaxy clusters through large scale structures

The mass estimation of galaxy clusters is a crucial point for modern cosmology, and can be obtained by several different techniques. In this work we discuss a new method to measure the mass of galaxy clusters connecting the gravitational potential of the cluster with the kinematical properties of its surroundings. We explore the dynamics of the structures located in the region outside virialized cluster, We identify groups of galaxies, as sheets or filaments, in the cluster outer region, and model how the cluster gravitational potential perturbs the motion of these structures from the Hubble fow. This identification is done in the redshift space where we look for overdensities with a filamentary shape. Then we use a radial mean velocity profile that has been found as a quite universal trend in simulations, and we fit the radial infall velocity profile of the overdensities found. The method has been tested on several cluster-size haloes from cosmological N-body simulations giving results in very good agreement with the true values of virial masses of the haloes and orientation of the sheets. We then applied the method to the Coma cluster and even in this case we found a good correspondence with previous. It is possible to notice a mass discrepancy between sheets with different alignments respect to the center of the cluster. This difference can be used to reproduce the shape of the cluster, and to demonstrate that the spherical symmetry is not always a valid assumption. In fact, if the cluster is not spherical, sheets oriented along different axes should feel a slightly different gravitational potential, and so give different masses as result of the analysis described before. Even this estimation has been tested on cosmological simulations and then applied to Coma, showing the actual non-sphericity of this cluster.

Probing quantum chromodynamics with the ATLAS detector : charged-particle event shape variables and the dijet cross-section

Die Quantenchromodynamik ist die zugrundeliegende Theorie der starken Wechselwirkung und kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Harte Streuprozesse, wie zum Beispiel die Zwei-Jet-Produktion bei hohen invarianten Massen, können störungstheoretisch behandelt und berechnet werden. Bei Streuprozessen mit niedrigen Impulsüberträgen hingegen ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar und phänemenologische Modelle werden für Vorhersagen benutzt. Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider am CERN ermöglicht es, QCD Prozesse bei hohen sowie niedrigen Impulsüberträgen zu untersuchen. In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt, die jeweils ihren Schwerpunkt auf einen der beiden Regime der QCD legen:rnDie Messung von Ereignisformvariablen bei inelastischen Proton--Proton Ereignissen bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s} = unit{7}{TeV}$ misst den transversalen Energiefluss in hadronischen Ereignissen. rnDie Messung des zweifachdifferentiellen Zwei-Jet-Wirkungsquerschnittes als Funktion der invarianten Masse sowie der Rapiditätsdifferenz der beiden Jets mit den höchsten Transversalimpulsen kann genutzt werden um Theorievorhersagen zu überprüfen. Proton--Proton Kollisionen bei $sqrt{s} = unit{8}{TeV}$, welche während der Datennahme im Jahr 2012 aufgezeichnet wurden, entsprechend einer integrierten Luminosität von $unit{20.3}{fb^{-1}}$, wurden analysiert.rn

Statistical shape modeling of pathological scoliotic vertebrae: A comparative analysis

Statistical shape models (SSMs) have been used widely as a basis for segmenting and interpreting complex anatomical structures. The robustness of these models are sensitive to the registration procedures, i.e., establishment of a dense correspondence across a training data set. In this work, two SSMs based on the same training data set of scoliotic vertebrae, and registration procedures were compared. The first model was constructed based on the original binary masks without applying any image pre- and post-processing, and the second was obtained by means of a feature preserving smoothing method applied to the original training data set, followed by a standard rasterization algorithm. The accuracies of the correspondences were assessed quantitatively by means of the maximum of the mean minimum distance (MMMD) and Hausdorf distance (H(D)). Anatomical validity of the models were quantified by means of three different criteria, i.e., compactness, specificity, and model generalization ability. The objective of this study was to compare quasi-identical models based on standard metrics. Preliminary results suggest that the MMMD distance and eigenvalues are not sensitive metrics for evaluating the performance and robustness of SSMs.

Validation of statistical shape model based reconstruction of the proximal femur - A morphology study

Seventeen bones (sixteen cadaveric bones and one plastic bone) were used to validate a method for reconstructing a surface model of the proximal femur from 2D X-ray radiographs and a statistical shape model that was constructed from thirty training surface models. Unlike previously introduced validation studies, where surface-based distance errors were used to evaluate the reconstruction accuracy, here we propose to use errors measured based on clinically relevant morphometric parameters. For this purpose, a program was developed to robustly extract those morphometric parameters from the thirty training surface models (training population), from the seventeen surface models reconstructed from X-ray radiographs, and from the seventeen ground truth surface models obtained either by a CT-scan reconstruction method or by a laser-scan reconstruction method. A statistical analysis was then performed to classify the seventeen test bones into two categories: normal cases and outliers. This classification step depends on the measured parameters of the particular test bone. In case all parameters of a test bone were covered by the training population's parameter ranges, this bone is classified as normal bone, otherwise as outlier bone. Our experimental results showed that statistically there was no significant difference between the morphometric parameters extracted from the reconstructed surface models of the normal cases and those extracted from the reconstructed surface models of the outliers. Therefore, our statistical shape model based reconstruction technique can be used to reconstruct not only the surface model of a normal bone but also that of an outlier bone.