TY - JOUR A1 - Guo, Hongwei A1 - Alajlan, Naif A1 - Zhuang, Xiaoying A1 - Rabczuk, Timon T1 - Physics-informed deep learning for three-dimensional transient heat transfer analysis of functionally graded materials JF - Computational Mechanics N2 - We present a physics-informed deep learning model for the transient heat transfer analysis of three-dimensional functionally graded materials (FGMs) employing a Runge–Kutta discrete time scheme. Firstly, the governing equation, associated boundary conditions and the initial condition for transient heat transfer analysis of FGMs with exponential material variations are presented. Then, the deep collocation method with the Runge–Kutta integration scheme for transient analysis is introduced. The prior physics that helps to generalize the physics-informed deep learning model is introduced by constraining the temperature variable with discrete time schemes and initial/boundary conditions. Further the fitted activation functions suitable for dynamic analysis are presented. Finally, we validate our approach through several numerical examples on FGMs with irregular shapes and a variety of boundary conditions. From numerical experiments, the predicted results with PIDL demonstrate well agreement with analytical solutions and other numerical methods in predicting of both temperature and flux distributions and can be adaptive to transient analysis of FGMs with different shapes, which can be the promising surrogate model in transient dynamic analysis. KW - Wärmeübergang KW - Deep Learning KW - Modellierung KW - physics-informed activation function KW - heat transfer KW - functionally graded materials Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20230517-63666 UR - https://link.springer.com/article/10.1007/s00466-023-02287-x VL - 2023 SP - 1 EP - 12 PB - Springer CY - Berlin ER - TY - CHAP A1 - Kiesel, Gerd A1 - Engels, Merit A1 - Völker, Conrad ED - Kornadt, Oliver ED - Carrigan, Svenja ED - Hofmann, Markus ED - Völker, Conrad T1 - Energetische Transformation im ländlichen Raum – Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells T2 - Schriftenreihe des Fachgebiets Bauphysik/Energetische Gebäudeoptimierung N2 - Kleine Kommunen im ländlichen Raum sind aufgrund ihrer oft eingeschränkten personellen und finanziellen Kapazitäten bisher eher sporadisch in den Themenfeldern Energieeffizienz und Erneuerbare Energien aktiv. Immer wieder stellt sich daher Frage, wie die Klimaschutzstrategien des Bundes und der Länder dort mit dem verfügbaren Personal kostengünstig realisierbar sind. Vor diesem Hintergrund wird ein Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe der aktive Einstieg in diese Thematik mit geringen Aufwand und überwiegend barrierefrei möglich ist. Der Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells zur Erprobung und Umsetzung bezahlbarer Handlungsoptionen für Energieeinsparungen und effizienten Energieeinsatz im überwiegend ländlichen geprägten Raum ist der Schwerpunkt der Softwarelösung. Kommunen werden mit deren Hilfe in die Lage versetzt, in die notwendigen Prozesse der Energie- und Wärmewende einzusteigen. Dabei soll der modulare Aufbau die regulären Schritte notwendiger (integrierter) Planungsprozesse nicht vollständig ersetzen. Vielmehr können innerhalb der Online-Anwendung - überwiegend automatisiert - konkrete Maßnahmenvorschläge erstellt werden, die ein solides Fundament der künftigen energetischen Entwicklung der Kommunen darstellen. Für eine gezielte Validierung der Ergebnisse und der Ableitung potentieller Maßnahmen werden für die Erprobung Modellkommunen in Thüringen, Bayern und Hessen als Reallabore einbezogen. Das Tool steht bisher zunächst nur den beteiligten Modellkommunen zur Verfügung. Die entwickelte Softwarelösung soll künftig Schritt für Schritt allen interessierten Kommunen mit diversen Hilfsmitteln und einer Vielzahl anderer praktischer Bestandteile zur Verfügung gestellt werden. KW - Modellierung KW - Kommune KW - Energiewende KW - Transformation KW - ländlicher Raum Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20220617-46566 SN - 978-3-95974-176-7 SN - 2363-8206 PB - Eigenverlag Technische Universität Kaiserslautern CY - Kaiserslautern ER - TY - JOUR A1 - Legatiuk, Dmitrii T1 - Mathematical Modelling by Help of Category Theory: Models and Relations between Them JF - mathematics N2 - The growing complexity of modern practical problems puts high demand on mathematical modelling. Given that various models can be used for modelling one physical phenomenon, the role of model comparison and model choice is becoming particularly important. Methods for model comparison and model choice typically used in practical applications nowadays are computationbased, and thus time consuming and computationally costly. Therefore, it is necessary to develop other approaches to working abstractly, i.e., without computations, with mathematical models. An abstract description of mathematical models can be achieved by the help of abstract mathematics, implying formalisation of models and relations between them. In this paper, a category theory-based approach to mathematical modelling is proposed. In this way, mathematical models are formalised in the language of categories, relations between the models are formally defined and several practically relevant properties are introduced on the level of categories. Finally, an illustrative example is presented, underlying how the category-theory based approach can be used in practice. Further, all constructions presented in this paper are also discussed from a modelling point of view by making explicit the link to concrete modelling scenarios. KW - Kategorientheorie KW - Modellierung KW - Modellierungsmethode KW - OA-Publikationsfonds2021 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20210817-44844 UR - https://www.mdpi.com/2227-7390/9/16/1946?type=check_update&version=1 VL - 2021 IS - volume 9, issue 16, article 1946 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Legatiuk, Dmitrii A1 - Weisz-Patrault, Daniel T1 - Coupling of Complex Function Theory and Finite Element Method for Crack Propagation Through Energetic Formulation: Conformal Mapping Approach and Reduction to a Riemann–Hilbert Problem JF - Computational Methods and Function Theory N2 - In this paper we present a theoretical background for a coupled analytical–numerical approach to model a crack propagation process in two-dimensional bounded domains. The goal of the coupled analytical–numerical approach is to obtain the correct solution behaviour near the crack tip by help of the analytical solution constructed by using tools of complex function theory and couple it continuously with the finite element solution in the region far from the singularity. In this way, crack propagation could be modelled without using remeshing. Possible directions of crack growth can be calculated through the minimization of the total energy composed of the potential energy and the dissipated energy based on the energy release rate. Within this setting, an analytical solution of a mixed boundary value problem based on complex analysis and conformal mapping techniques is presented in a circular region containing an arbitrary crack path. More precisely, the linear elastic problem is transformed into a Riemann–Hilbert problem in the unit disk for holomorphic functions. Utilising advantages of the analytical solution in the region near the crack tip, the total energy could be evaluated within short computation times for various crack kink angles and lengths leading to a potentially efficient way of computing the minimization procedure. To this end, the paper presents a general strategy of the new coupled approach for crack propagation modelling. Additionally, we also discuss obstacles in the way of practical realisation of this strategy. KW - Angewandte Mathematik KW - Finite-Elemente-Methode KW - Rissausbreitung KW - Modellierung KW - Bruchmechanik KW - fracture mechanics KW - crack propagation KW - coupling KW - energetic approach Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20210805-44763 UR - https://link.springer.com/article/10.1007/s40315-021-00403-7 VL - 2021 SP - 1 EP - 23 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Chan, Chiu Ling T1 - Smooth representation of thin shells and volume structures for isogeometric analysis N2 - The purpose of this study is to develop self-contained methods for obtaining smooth meshes which are compatible with isogeometric analysis (IGA). The study contains three main parts. We start by developing a better understanding of shapes and splines through the study of an image-related problem. Then we proceed towards obtaining smooth volumetric meshes of the given voxel-based images. Finally, we treat the smoothness issue on the multi-patch domains with C1 coupling. Following are the highlights of each part. First, we present a B-spline convolution method for boundary representation of voxel-based images. We adopt the filtering technique to compute the B-spline coefficients and gradients of the images effectively. We then implement the B-spline convolution for developing a non-rigid images registration method. The proposed method is in some sense of “isoparametric”, for which all the computation is done within the B-splines framework. Particularly, updating the images by using B-spline composition promote smooth transformation map between the images. We show the possible medical applications of our method by applying it for registration of brain images. Secondly, we develop a self-contained volumetric parametrization method based on the B-splines boundary representation. We aim to convert a given voxel-based data to a matching C1 representation with hierarchical cubic splines. The concept of the osculating circle is employed to enhance the geometric approximation, where it is done by a single template and linear transformations (scaling, translations, and rotations) without the need for solving an optimization problem. Moreover, we use the Laplacian smoothing and refinement techniques to avoid irregular meshes and to improve mesh quality. We show with several examples that the method is capable of handling complex 2D and 3D configurations. In particular, we parametrize the 3D Stanford bunny which contains irregular shapes and voids. Finally, we propose the B´ezier ordinates approach and splines approach for C1 coupling. In the first approach, the new basis functions are defined in terms of the B´ezier Bernstein polynomials. For the second approach, the new basis is defined as a linear combination of C0 basis functions. The methods are not limited to planar or bilinear mappings. They allow the modeling of solutions to fourth order partial differential equations (PDEs) on complex geometric domains, provided that the given patches are G1 continuous. Both methods have their advantages. In particular, the B´ezier approach offer more degree of freedoms, while the spline approach is more computationally efficient. In addition, we proposed partial degree elevation to overcome the C1-locking issue caused by the over constraining of the solution space. We demonstrate the potential of the resulting C1 basis functions for application in IGA which involve fourth order PDEs such as those appearing in Kirchhoff-Love shell models, Cahn-Hilliard phase field application, and biharmonic problems. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2020,2 KW - Modellierung KW - Isogeometrische Analyse KW - NURBS KW - Geometric Modeling KW - Isogeometric Analysis KW - NURBS Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200812-42083 ER - TY - THES A1 - Salavati, Mohammad T1 - Multi-Scale Modeling of Mechanical and Electrochemical Properties of 1D and 2D Nanomaterials, Application in Battery Energy Storage Systems N2 - Material properties play a critical role in durable products manufacturing. Estimation of the precise characteristics in different scales requires complex and expensive experimental measurements. Potentially, computational methods can provide a platform to determine the fundamental properties before the final experiment. Multi-scale computational modeling leads to the modeling of the various time, and length scales include nano, micro, meso, and macro scales. These scales can be modeled separately or in correlation with coarser scales. Depend on the interested scales modeling, the right selection of multi-scale methods leads to reliable results and affordable computational cost. The present dissertation deals with the problems in various length and time scales using computational methods include density functional theory (DFT), molecular mechanics (MM), molecular dynamics (MD), and finite element (FE) methods. Physical and chemical interactions in lower scales determine the coarser scale properties. Particles interaction modeling and exploring fundamental properties are significant challenges of computational science. Downscale modelings need more computational effort due to a large number of interacted atoms/particles. To deal with this problem and bring up a fine-scale (nano) as a coarse-scale (macro) problem, we extended an atomic-continuum framework. The discrete atomic models solve as a continuum problem using the computationally efficient FE method. MM or force field method based on a set of assumptions approximates a solution on the atomic scale. In this method, atoms and bonds model as a harmonic oscillator with a system of mass and springs. The negative gradient of the potential energy equal to the forces on each atom. In this way, each bond's total potential energy includes bonded, and non-bonded energies are simulated as equivalent structural strain energies. Finally, the chemical nature of the atomic bond is modeled as a piezoelectric beam element that solves by the FE method. Exploring novel materials with unique properties is a demand for various industrial applications. During the last decade, many two-dimensional (2D) materials have been synthesized and shown outstanding properties. Investigation of the probable defects during the formation/fabrication process and studying their strength under severe service life are the critical tasks to explore performance prospects. We studied various defects include nano crack, notch, and point vacancy (Stone-Wales defect) defects employing MD analysis. Classical MD has been used to simulate a considerable amount of molecules at micro-, and meso- scales. Pristine and defective nanosheet structures considered under the uniaxial tensile loading at various temperatures using open-source LAMMPS codes. The results were visualized with the open-source software of OVITO and VMD. Quantum based first principle calculations have been conducting at electronic scales and known as the most accurate Ab initio methods. However, they are computationally expensive to apply for large systems. We used density functional theory (DFT) to estimate the mechanical and electrochemical response of the 2D materials. Many-body Schrödinger's equation describes the motion and interactions of the solid-state particles. Solid describes as a system of positive nuclei and negative electrons, all electromagnetically interacting with each other, where the wave function theory describes the quantum state of the set of particles. However, dealing with the 3N coordinates of the electrons, nuclei, and N coordinates of the electrons spin components makes the governing equation unsolvable for just a few interacted atoms. Some assumptions and theories like Born Oppenheimer and Hartree-Fock mean-field and Hohenberg-Kohn theories are needed to treat with this equation. First, Born Oppenheimer approximation reduces it to the only electronic coordinates. Then Kohn and Sham, based on Hartree-Fock and Hohenberg-Kohn theories, assumed an equivalent fictitious non-interacting electrons system as an electron density functional such that their ground state energies are equal to a set of interacting electrons. Exchange-correlation energy functionals are responsible for satisfying the equivalency between both systems. The exact form of the exchange-correlation functional is not known. However, there are widely used methods to derive functionals like local density approximation (LDA), Generalized gradient approximation (GGA), and hybrid functionals (e.g., B3LYP). In our study, DFT performed using VASP codes within the GGA/PBE approximation, and visualization/post-processing of the results realized via open-source software of VESTA. The extensive DFT calculations are conducted 2D nanomaterials prospects as anode/cathode electrode materials for batteries. Metal-ion batteries' performance strongly depends on the design of novel electrode material. Two-dimensional (2D) materials have developed a remarkable interest in using as an electrode in battery cells due to their excellent properties. Desirable battery energy storage systems (BESS) must satisfy the high energy density, safe operation, and efficient production costs. Batteries have been using in electronic devices and provide a solution to the environmental issues and store the discontinuous energies generated from renewable wind or solar power plants. Therefore, exploring optimal electrode materials can improve storage capacity and charging/discharging rates, leading to the design of advanced batteries. Our results in multiple scales highlight not only the proposed and employed methods' efficiencies but also promising prospect of recently synthesized nanomaterials and their applications as an anode material. In this way, first, a novel approach developed for the modeling of the 1D nanotube as a continuum piezoelectric beam element. The results converged and matched closely with those from experiments and other more complex models. Then mechanical properties of nanosheets estimated and the failure mechanisms results provide a useful guide for further use in prospect applications. Our results indicated a comprehensive and useful vision concerning the mechanical properties of nanosheets with/without defects. Finally, mechanical and electrochemical properties of the several 2D nanomaterials are explored for the first time—their application performance as an anode material illustrates high potentials in manufacturing super-stretchable and ultrahigh-capacity battery energy storage systems (BESS). Our results exhibited better performance in comparison to the available commercial anode materials. KW - Batterie KW - Modellierung KW - Nanostrukturiertes Material KW - Mechanical properties KW - Multi-scale modeling KW - Energiespeichersystem KW - Elektrodenmaterial KW - Elektrode KW - Mechanische Eigenschaft KW - Elektrochemische Eigenschaft KW - Electrochemical properties KW - Battery development KW - Nanomaterial Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200623-41830 ER - TY - JOUR A1 - Gürlebeck, Klaus A1 - Legatiuk, Dmitrii A1 - Nilsson, Henrik A1 - Smarsly, Kay T1 - Conceptual modelling: Towards detecting modelling errors in engineering applications JF - Mathematical Methods in Applied Sciences N2 - Rapid advancements of modern technologies put high demands on mathematical modelling of engineering systems. Typically, systems are no longer “simple” objects, but rather coupled systems involving multiphysics phenomena, the modelling of which involves coupling of models that describe different phenomena. After constructing a mathematical model, it is essential to analyse the correctness of the coupled models and to detect modelling errors compromising the final modelling result. Broadly, there are two classes of modelling errors: (a) errors related to abstract modelling, eg, conceptual errors concerning the coherence of a model as a whole and (b) errors related to concrete modelling or instance modelling, eg, questions of approximation quality and implementation. Instance modelling errors, on the one hand, are relatively well understood. Abstract modelling errors, on the other, are not appropriately addressed by modern modelling methodologies. The aim of this paper is to initiate a discussion on abstract approaches and their usability for mathematical modelling of engineering systems with the goal of making it possible to catch conceptual modelling errors early and automatically by computer assistant tools. To that end, we argue that it is necessary to identify and employ suitable mathematical abstractions to capture an accurate conceptual description of the process of modelling engineering systems. KW - Angewandte Mathematik KW - Angewandte Informatik KW - Ingenieurwissenschaften KW - Modellierung KW - engineering KW - abstraction KW - modelling KW - formal approaches KW - type theory Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200110-40614 UR - https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mma.5934 SP - 1 EP - 10 ER - TY - THES A1 - Göbel, Luise T1 - Experimental and semi-analytical multiscale approaches for the characterization of the elastic and viscoelastic behavior of polymer-modified cement-based materials T1 - Experimentelle und semi-analytische Multiskalenmethoden für die Charakterisierung des elastischen und viskoelastischen Verhaltens polymermodifizierter zementgebundener Materialien N2 - Polymer-modified cement concrete (PCC) is a heterogeneous building material with a hierarchically organized microstructure. Therefore, continuum micromechanics-based multiscale models represent a promising method to estimate the mechanical properties. By means of a bottom-up approach, homogenized properties at the macroscopic scale are derived considering microstructural characteristics. The extension of existing multiscale models for the application to PCC is the main objective of this work. For that, cross-scale experimental studies are required. Both macroscopic and microscopic mechanical tests are performed to characterize the elastic and viscoelastic properties of different PCC. The comparison between experiment and model prediction illustrates the success of the modeling approach. N2 - Polymermodifizierter Beton (PCC) ist ein heterogener Baustoff mit einer hierarchisch organisierten Mikrostruktur. Deshalb sind Multiskalenmodelle, die auf Prinzipien der Kontinuumsmikromechanik beruhen, sehr gut für die Abschätzung mechanischer Eigenschaften geeignet. Mit Hilfe eines Bottom-Up-Ansatzes werden unter Berücksichtigung mikrostruktureller Charakteristika homogenisierte Eigenschaften auf der makroskopischen Materialebene erhalten. Die Erweiterung bestehender Multiskalenmodelle für die Anwendung auf PCC ist das Hauptziel dieser Arbeit. Dafür werden skalenübergreifende Experimente herangezogen. Sowohl makroskopische als auch mikroskopische mechanische Tests werden durchgeführt, um das elastische und viskoelastische Verhalten verschiedener PCC zu charakterisieren. Ein Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und der entsprechenden Modellvorhersage verdeutlicht den Erfolg des Modellierungsansatzes. T3 - Schriftenreihe des DFG Graduiertenkollegs 1462 Modellqualitäten // Graduiertenkolleg Modellqualitäten - 19 KW - Elastizitätsmodul KW - Zementstein KW - Kunststoffadditiv KW - Modellierung KW - Mehrphasensystem KW - Multiskalenmodellierung KW - Multiscale modeling KW - Mikrostruktur KW - Polymermodifizierung KW - Kriechen KW - Elastizitätsmodul KW - Microstructure KW - Polymer modification KW - Creep KW - Young's modulus Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181211-38279 SN - 978-3-95773-269-9 PB - Bauhaus-Universitätsverlag CY - Weimar ER - TY - JOUR A1 - Zhuang, Xiaoying A1 - Huang, Runqiu A1 - Liang, Chao A1 - Rabczuk, Timon T1 - A coupled thermo-hydro-mechanical model of jointed hard rock for compressed air energy storage JF - Mathematical Problems in Engineering N2 - Renewable energy resources such as wind and solar are intermittent, which causes instability when being connected to utility grid of electricity. Compressed air energy storage (CAES) provides an economic and technical viable solution to this problem by utilizing subsurface rock cavern to store the electricity generated by renewable energy in the form of compressed air. Though CAES has been used for over three decades, it is only restricted to salt rock or aquifers for air tightness reason. In this paper, the technical feasibility of utilizing hard rock for CAES is investigated by using a coupled thermo-hydro-mechanical (THM) modelling of nonisothermal gas flow. Governing equations are derived from the rules of energy balance, mass balance, and static equilibrium. Cyclic volumetric mass source and heat source models are applied to simulate the gas injection and production. Evaluation is carried out for intact rock and rock with discrete crack, respectively. In both cases, the heat and pressure losses using air mass control and supplementary air injection are compared. KW - Energiespeicherung KW - Druckluft KW - Kaverne KW - Modellierung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170428-31726 ER - TY - JOUR A1 - Kreibich, H. A1 - Piroth, K. A1 - Seifert, I. A1 - Maiwald, Holger A1 - Kunert, U. A1 - Schwarz, Jochen A1 - Merz, B. A1 - Thieken, A. H. T1 - Is flow velocity a significant parameter in flood damage modelling? JF - Natural Hazards and Earth System Science N2 - Flow velocity is generally presumed to influence flood damage. However, this influence is hardly quantified and virtually no damage models take it into account. Therefore, the influences of flow velocity, water depth and combinations of these two impact parameters on various types of flood damage were investigated in five communities affected by the Elbe catchment flood in Germany in 2002. 2-D hydraulic models with high to medium spatial resolutions were used to calculate the impact parameters at the sites in which damage occurred. A significant influence of flow velocity on structural damage, particularly on roads, could be shown in contrast to a minor influence on monetary losses and business interruption. Forecasts of structural damage to road infrastructure should be based on flow velocity alone. The energy head is suggested as a suitable flood impact parameter for reliable forecasting of structural damage to residential buildings above a critical impact level of 2m of energy head or water depth. However, general consideration of flow velocity in flood damage modelling, particularly for estimating monetary loss, cannot be recommended. KW - Strömungsgeschwindigkeit KW - Überschwemmung KW - Schaden KW - Modellierung Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170425-31455 UR - http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/9/1679/2009/nhess-9-1679-2009.pdf SP - 1679 EP - 1692 ER - TY - JOUR A1 - Chubukov, A. A1 - Kapitanov, Valeriy A1 - Monina, Olga A1 - Silyanov, Valentin A1 - Brannolte, Ulrich T1 - Simulation of Regional Mortality Rate in Road Accidents JF - Transportation Research Procedia 20 N2 - The paper gives the results of scientific research, which, being based on probabilistic and statistical modeling, identifies the relationship of certain socio-economic factors and the number of people killed in road accidents in the Russian Federation regions. It notes the identity of processes in various fields, in which there is loss of life. Scientific methods and techniques were used in the process of data processing and study findings: systematic approach, methods of system analysis (algorithmization, mathematical programming) and mathematical statistics. The scientific novelty lies in the formulation, formalization and solving problems related to the analysis of regional road traffic accidents, its modeling taking into account the factors of socio-economic impact. KW - Modellierung KW - correlation; factors; loss of life in accidents; modeling; Road traffic accidents; socio-economic aspect; statistical analysis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170331-30956 UR - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352146517300315 SP - 112 EP - 124 ER - TY - THES A1 - Janke, Lars T1 - Tragverhalten von Betondruckgliedern mit vorgespannter Umschnürung aus Formgedächtnislegierungen, Stahl oder faserverstärkten Kunststoffen N2 - Druckbeanspruchte Bauteile aus Beton können mit zugfesten Umschnürungen von außen verstärkt werden. Mit dieser etablierten Methode konnten axiale Traglast und Duktilität von unzureichend bewehrten Stützen bereits verbessert werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass der umschnürte Betonkern dennoch an Festigkeit verliert. Um die Wirksamkeit der Umschnürung zu erhöhen, wird deshalb vorgeschlagen, das umschnürende Material vorzuspannen. Dieser Vorschlag wird insbesondere von der neuen Materialgruppe der Formgedächtnislegierungen inspiriert, die thermisch vorspannbar sind. Bisher sind die Auswirkungen der Vorspannung einer Umschnürung auf das Tragverhalten von Betondruckgliedern kaum untersucht worden. Diese Lücke wird durch systematische Versuche an Betonzylindern mit vorgespannter Umschnürung aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff geschlossen. Die Abbildung der Versuchsergebnisse durch geeignete Modelle ermöglicht auch Aussagen zum Verhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus anderen Materialien, beispielsweise Formgedächtnislegierungen. Um diese in den Berechnungen zu simulieren, wird eine für das Bauwesen infrage kommende eisenbasierte Legierung in separaten axialen Versuchen charakterisiert und thermisch vorgespannt. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelten neuen Modelle orientieren sich im Wesentlichen an zwei Zielen: dem Abbilden des mehraxialen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des vorgespannt umschnürten Betons und dem Berechnen der Restfestigkeit des Betons. Die durchgeführten Versuche und Parameterstudien auf Basis der Modelle zeigen: Die Vorspannung der Umschnürung beeinflusst vor allem die Restfestigkeit des Betons wesentlich. Die gewonnenen Erkenntnisse und neuen Methoden können eingesetzt werden, um das Tragverhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus Stahl, faserverstärktem Kunststoff oder Formgedächtnislegierungen zu bewerten. KW - Beton KW - Vorspannung KW - Formgedächtnis KW - Restfestigkeit KW - Stütze KW - Formänderungsenergie KW - Umschnürung KW - Modellierung KW - Verstärkung KW - faserverstärkt Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20141023-23262 ER - TY - BOOK ED - Hildebrand, Jörg ED - Loose, Tobias ED - Sakkiettibutra, Jens ED - Brand, Marcus T1 - Simulationsforum 2013 - Schweißen und Wärmebehandlung N2 - Das Buch veröffentlicht 22 Fachbeiträge der Konferenz "Simulationsforum 2013 - Schweißen und Wärmebehandlung". KW - Schweißen KW - Wärmebehandlung KW - Simulation KW - Stahl KW - Modellierung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20140512-21820 SN - 978-3-00-045902-3 PB - Förderverein Wärmebehandlung und Schweißen e.V. CY - Weimar ER - TY - THES A1 - Rahm, Tobias T1 - Simulation von Kernprozessen eines Erddruckschildes T1 - Process simulation of an Earth Pressure Balanced Shield Machine N2 - In dieser Arbeit wird der Vortriebsprozess einer Erddruckschildmaschine in einem Simulationsmodell mit Hilfe der System Dynamics modelliert. Nach einer Einführung in den maschinellen Tunnelbau werden die Besonderheiten der Erddruckschildmaschine herausgestellt. Anschließend wird das betrachtete System mit dem Simulationskonzept der System Dynamics modelliert und in einem geeigneten Simulationstool implementiert. N2 - Within this paper the heading of an Earth Pressure Balanced Shield Machine is modelled with the help of System Dynamics. The first chapter gives a short introduction to mechanized tunnelling. Then the characteristics of the Earth Pressure Balanced Shield Machine are discussed in more detail. After that, the system is modelled with the concept of System Dynamics and finally implemented in a simulation tool. KW - Simulation KW - Kontinuierliche Simulation KW - Computersimulation KW - System Dynamics KW - Modellierung KW - Tunnelbau KW - Schildmaschinen KW - Erddruckschildmaschine KW - Earth Pressure Balanced Shield Machine Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20110909-15599 ER - TY - THES A1 - Semar, Olivier T1 - Anwendung der Perkolationstheorie zur Analyse des suffosiven Partikeltransportes T1 - An application of the percolation theory to analyse suffusive particle transport N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Suffosionsbeständigkeit von Erdstoffen. Mit dem wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz der Perkolationstheorie wurde ein analytisches Verfahren gewählt, mit dem suffosive Materialtransportprozesse modelliert und quantifiziert werden können. Mit dem verwendeten Perkolationsmodell wurde eine beliebige Porenstruktur eines realen Erdstoffes im 3-Dimensionalen modelliert. Mögliche Materialtransportprozesse innerhalb der modellierten Porenstruktur wurden anschließend simuliert. Allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten wurden hergeleitet und Grenzbedingungen formuliert. Diese sind vom Erdstoff unabhängig und beschreiben Zusammenhänge zwischen Materialtransport und Porenstruktur. Anwendbar sind diese Ergebnisse auf homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge. Aussagen über konkrete Erdstoffe können über die Transformationsmethode erfolgen. Für die Verwendung der Transformationsmethode ist vorab die relevante Porenstruktur, d. h. die Porenengstellenverteilung, zu ermitteln. N2 - This thesis presents a new approach to analyze the geometrical suffusion stability of soils. With the percolation theory an analytical method is used which takes a 3D pore structure into account. This theory is a branch of the probability theory dealing with properties of random media. Characteristic parameters of the pore structure in 3D can be denoted. Possible granular structural change of arbitrary soils can be simulated and quantified. Self similarity as well as isotropic and homogeneous conditions are therefore assumed. General mathematical interrelationships and limiting conditions of granular structural change were derived. These interrelationships and limiting conditions are irrespective of the soil. They describe the relationship between potential movement of fines and the related pore structure. This requires that in advance the relevant pore structure has to be calculated. Relevant for transport and clogging of fines is the constriction size distribution of the quasi static granular structure. T3 - Schriftenreihe Geotechnik - 23 KW - Perkolationstheorie KW - Suffosion KW - Modellierung KW - Computersimulation KW - percolation theory KW - suffusion KW - modelling KW - simulation Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20101124-15252 UR - http://vg01.met.vgwort.de/na/381cd1300fab4e448c1914ae18e63f1d ER - TY - THES A1 - Häfner, Stefan T1 - Grid-based procedures for the mechanical analysis of heterogeneous solids N2 - The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed. N2 - Die wichtige Bedeutung moderner Simulationsverfahren in der mechanischen Analyse heterogener Festkörper wird eingangs ausführlich dargestellt. Dabei wird als Problem festgestellt, dass die erforderliche hochauflösende Analyse bereits für relativ kleine Körper an die Grenzen heutiger Rechenleistung stößt, sowohl bezüglich Speicherbedarf als auch akzeptablen Rechenaufwands. Ein weiteres Problem stellt die häufig unzureichend genaue geometrische Modellierung der Zusammensetzung heterogener Körper dar. Die vorliegende Arbeit führt eine systematische Kombination und Anpassung von gitterbasierten Methoden ein, um dadurch eine wesentlich höhere Auflösung in der numerischen Analyse heterogener Körper zu erzielen. Gitterverfahren eignen sich ebenfalls ausgezeichnet, um effiziente und numerisch stabile Algorithmen zur flexiblen geometrischen Modellierung zu entwickeln. Ein Schlüsselaspekt stellt ein gleichmäßiges Datenmanagement für Gitter dar, welches dafür eingesetzt werden kann, um den Aufwand und die Komplexität von nahezu allen beteiligten Methoden zu reduzieren. Ein neues Finite-Elemente Programm, namens Mulgrido, wurde eigens dafür entwickelt, um das vorgeschlagene Konzept konsistent zu realisieren und zu untersuchen. Einige Nachteile, die sich klassischerweise aus Gitterdiskretisierungen ergeben, werden gezielt durch modifizierte Verfahren korrigiert. Die gegenwärtige Arbeit gliedert sich in ein geometrisches Modell, ein mechanisches Modell und ein numerisches Modell. Das geometrische Modell beinhaltet neben Methoden der digitalen Bildverarbeitung, insbesondere sämtliche Verfahren zur künstlichen Generierung von Einschluss-Matrix Geometrien. Wesentliche Beiträge werden bezüglich variabler Form, Größenverteilung, Überschneidungsabfragen und Platzierung von Einschlüssen geleistet. Das mechanische Modell bereitet durch Grundlagen der Kontinuumsmechanik, der Homogenisierung und der Schädigungsmodellierung auf eine numerische Umsetzung vor. Als erstes Thema des numerischen Modells wird eine besondere Umsetzung von B-Spline Finiten Elementen vorgestellt. Diese Finite Elemente können generisch für eine beliebige Ordnung k der B-Splines erzeugt werden. Für homogene Körper verfügen diese somit über beliebig skalierbare Approximationseigenschaften. Mittels des Konzepts mehrphasiger Finite Elemente in Kombination mit Übergangszonen entlang von Materialgrenzen gelingt eine hochwertige Erweiterung für heterogene Körper. Durch die Formulierung auf Elementebene, kann die Speicherung der globalen Steifigkeitsmatrix und somit wesentlicher Speicherplatz eingespart werden. Dies ist möglich in Kombination mit iterativen Lösungsverfahren, die das zweite Thema des numerischen Modells darstellen. Dabei liegt der Fokus auf Mehrgitterverfahren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Anzahl der erforderlichen Operationen um ein lineares Gleichungssystem zu lösen, nur linear mit der Problemgröße ansteigt. Durch Vorkonditionierung wird für schlecht konditionierte Probleme eine ganz wesentliche Verbesserung erreicht. Als drittes Thema des numerischen Modells werden Aspekte der Schädigungssimulation diskutiert, die in engem Zusammenhang mit der Gitterdiskretisierung stehen. Die hohe Effizienz der linearen Analyse kann durch ein schädigungskontrolliertes, schrittweise lineares Iterationsschema für die Schädigungsanalyse aufrecht erhalten werden. Abschließend wird eine Studie über das effektive Materialverhalten heterogener Körper vorgestellt. Insbesondere wird der Einfluss der Form von Einschlüssen untersucht. Mittels insgesamt weit über hunderttausend zufälliger geometrischer Anordnungen wird das effektive Materialverhalten statistisch analysiert und bewertet. T2 - Gitterbasierte Verfahren zur mechanischen Analyse heterogener Festkörper KW - B-Spline KW - Finite-Elemente-Methode KW - Mehrgitterverfahren KW - Homogenisieren KW - Schädigung KW - Festkörpermechanik KW - Numerische Mathematik KW - B-Spline Finite Elemente KW - Homogenisierung KW - mehrphasig KW - Lösungsverfahren KW - Modellierung KW - B-spline KW - finite element KW - multigrid KW - multiphase KW - effective properties Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20070830-9185 ER - TY - THES A1 - Bubner, André T1 - Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise T1 - Data Models for Processing of Engineering Tasks at the Example of Residential Buildings in Steel Construction Method N2 - Modelle bilden die Grundlage der Planung. Sie repräsentieren die zur Bearbeitung erforderlichen Eigenschaften eines Bauwerks in einer an die spezifische Aufgabe angepassten Form. Zwischen den verschiedenen zur Abbildung des Bauwerks eingesetzten Modellen bestehen fachliche Zusammenhänge bezüglich der darin abgebildeten Aspekte. Diese Abhängigkeiten werden in der praktischen Planungsbearbeitung gegenwärtig auf Grundlage von Erfahrungswerten, normativen Vorgaben und vereinfachenden Annahmen berücksichtigt. Die detailliertere Modellierung von Bauwerkseigenschaften führt zu einer engeren Verzahnung der verschiedenen Modelle. Um eine fachliche Inselbildung zu vermeiden, ist eine entsprechend angepasste Abbildung der zwischen den einzelnen Modellen bestehenden Beziehungen erforderlich. Mit den steigenden Ansprüchen an eine Bearbeitung von Ingenieuraufgaben gewinnt eine über den Zweck der Bereitstellung ausgewählter Informationen zum Bauwerk und der Unterstützung eines Datenaustauschs zwischen verschiedenen Fachplanern hinausgehende datentechnische Abbildung an Bedeutung. Dies setzt eine Diskussion der Anforderungen an eine solche Beschreibung aus fachlicher Sicht voraus. Die Untersuchung der fachlichen Anforderungen wird am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise geführt. N2 - Models form the basis of the planning. They represent the characteristics necessary for the processing of a building in a form suited to the specific task. Between the different models, which are used for the representation of the building, there exist engineer-technical interrelations with regard to the illustrated aspects. At present these dependences are taken into consideration in the practical planning on basis of empirical values, normative guidelines and simplifying assumptions. The more detailed modelling of the building characteristics leads to a more defined linkage of the different models. To avoid an engineering island formation, there is an accordingly adapted representation of the relations existing between the single models necessary. With the rising demands on the processing of engineering tasks a data-technical representation wins in importance which realises more than a supply of selected information about the building and the support of a data exchange between different planners. This requires a discussion of the requirements for such a description from an engineer-technical view. The investigation of these technical requirements is carried out by the example of residential buildings in steel construction method. KW - Modellierung KW - Stahlbau KW - Wohnungsbau KW - Datenmodell KW - Modellbildung KW - Wohnhäuser in Stahlbauweise KW - fachliche Integration KW - Bearbeitung von Ingenieuraufgaben KW - modelling KW - residential buildings KW - engineer-technical integration KW - processing of engineering tasks Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20070423-8580 ER - TY - CHAP A1 - Willenbacher, Heiko A1 - Hübler, Reinhard T1 - Relationen zwischen Domänenmodellen Ansatz zur Schaffung einer integrierenden computergestützten Bauplanungsumgebung N2 - Die zunehmend erforderliche Kooperation verschiedener Beteiligter unterschiedlicher Fachbereiche und der Einsatz hochspezialisierter Fachapplikationen in heterogenen Systemumgebungen unterstreichen die Bedeutung und Notwendigkeit neuer Konzepte und Möglichkeiten zur Schaffung einer computergestützten Integrationsebene. Ziel einer computergestützten Integrationsebene ist die Verbesserung der Kooperation und Kommunikation unter den Beteiligten. Grundlage dafür ist die Etablierung eines effizienten und fehlerfreien Daten- und Informationsaustausches zwischen den verschiedenen Fachplanern und -applikationen. Die Basis für die Datenintegrationsebene bildet ein digitales Bauwerksmodell im Sinne eines >virtuellen Bauwerks<, welches alle relevanten Daten und Informationen über ein zu planendes oder real existierendes Bauwerk zur Verfügung stellt. Bei der Verwirklichung einer Bauwerksmodell-orientierten Datenintegrationsebene und deren Modellverwaltung erweist sich speziell die Definition des Bauwerksmodells also die Spezifikation der relevanten auszutauschenden Daten als äußerst komplex. Der hier vorzustellende Relationen-orientierte Ansatz, d.h. die Realisierung des Daten- und Informationsaustauschs mittels definierter Relationen und Beziehungen zwischen dynamisch modifizierbaren Domänenmodellen, bietet Ansätze zur: * Verringerung und Beherrschung der Komplexität des Bauwerksmodells (Teilmodellbildung) * Realisierung eines effizienten Datenaustauschs (Relationenmanagement) Somit stellt der Relationenorientierte Ansatz einen adäquaten Lösungsweg zur Modellierung eines digitalen Bauwerksmodells als Datenintegrationsebene für den Lebenszyklus eines Bauwerkes dar. KW - Bauwesen KW - CAD KW - Datenaustausch KW - Modellierung Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-6178 ER - TY - CHAP A1 - Schlegel, Roger A1 - Rautenstrauch, Karl T1 - Numerische Simulation von Mauerwerk als Kontinuum N2 - Im vorliegenden Beitrag wird ein in das FE-Programmsystem ANSYS implementiertes elastoplastisches Berechnungsmodell zur nichtlinearen, räumlichen Untersuchung von Mauerwerkstrukturen vorgestellt. Die Modellierung des heterogenen Baustoffs Mauerwerk erfolgt mit Hilfe eines verschmierten Ersatzkontinuums. Das anisotrope Materialverhalten wird sowohl hinsichtlich der Spannungs-Dehnungsbeziehung als auch bei der Beschreibung der Festigkeit berücksichtigt. Durch die Verwendung einer zusammengesetzten Fließbedingung ist es möglich, das Versagen der einzelnen Mauerwerkkomponenten Stein und Mörtelfugen und des Verbundes zu berücksichtigen. Dadurch ist die Anwendbarkeit des Modells für mehrere Mauerwerksarten gegeben. Die hierfür verwendeten Materialparameter sind aus einfachen Kleinkörperversuchen bestimmbar oder innerhalb gewisser Grenzen aus empirischen Formeln berechenbar. Die notwendige Beschränkung der Anzahl der Materialparameter sichert die praktische Anwendbarkeit des entwickelten Berechnungsmodells. Die numerische Umsetzung des hier verwendeten impliziten Berechnungsverfahrens lässt sich in eine lokale und eine globale Iterationsebene gliedern. Die lokale Iteration am Integrationspunkt dient der Spannungsrückführung. Dabei sind die Besonderheiten der Verarbeitung mehrflächiger Fließfiguren zu beachten. Die globale Iteration auf Systemebene sichert die Umlagerung des Residuums. Mit der Nachrechnung von Versuchsergebnissen soll das entwickelte Modell verifiziert und seine physikalische Leistungsfähigkeit eingeschätzt werden. KW - Mauerwerk KW - Modellierung KW - Elastoplastizität KW - Finite-Elemente-Methode KW - ANSYS KW - Zusammengesetzte Fließbedingung KW - Kontinuum Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-6106 ER - TY - CHAP A1 - Phirsof, Alexander T1 - Research of special models describing technological processes N2 - The technological processes, schedules, parallel algorithms, etc., having some technological limitations and exacting increases of efficiency of their execution can be described through digraphs, on which the appropriate optimization problem (construction of optimal scheduling of tops of digraph) can be solved. The problems, researched in the given operation, have a generally following statement: The problem 1: Under the given graph G and option value h to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum length. Let's designate the problem S(G, h, l). The problem 2: Under the given graph G and option value l to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum width. Let's designate the problem S(G, l, h). The problem 3: Under the given graph G, option value h and periods of execution of operations di, i=1, …, n to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum length. Let's designate the problem S(G, h, di, l). The problems 1,2,3 in a case when h-arbitrary have exponential complexity. In operation the method of solution of the problem S(T, h, di, l) is offered on the basis of choice of tops having greatest weight. The approach to solution of the problem S(G, 3, l) is offered, where G the graph satisfying property : S[i] =S [i], i=1, …, l. For obtaining a rating of width of scheduling on an available estimator of length, we offer to use iterative algorithm of polynomial complexity, on which each step the current value of width of scheduling is set, which is used for specification of length of scheduling. KW - Ablaufplanung KW - Modellierung Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-6072 ER -