TY  - THES
A1  - Habtemariam, Abinet Kifle
T1  - Generalized Beam Theory for the analysis of thin-walled circular pipe members
N2  - The detailed structural analysis of thin-walled circular pipe members often requires the use of a shell or solid-based finite element method. Although these methods provide a very good approximation of the deformations, they require a higher degree of discretization which causes high computational costs. On the other hand, the analysis of thin-walled circular pipe members based on classical beam theories is easy to implement and needs much less computation time, however, they are limited in their ability to approximate the deformations as they cannot consider the deformation of the cross-section.

This dissertation focuses on the study of the Generalized Beam Theory (GBT) which is both accurate and efficient in analyzing thin-walled members. This theory is based on the separation of variables in which the displacement field is expressed as a combination of predetermined deformation modes related to the cross-section, and unknown amplitude functions defined on the beam's longitudinal axis. Although the GBT was initially developed for long straight members, through the consideration of complementary deformation modes, which amend the null transverse and shear membrane strain assumptions of the classical GBT, problems involving short members, pipe bends, and geometrical nonlinearity can also be analyzed using GBT. In this dissertation, the GBT formulation for the analysis of these problems is developed and the application and capabilities of the method are illustrated using several numerical examples. Furthermore, the displacement and stress field results of these examples are verified using an equivalent refined shell-based finite element model.

The developed static and dynamic GBT formulations for curved thin-walled circular pipes are based on the linear kinematic description of the curved shell theory. In these formulations, the complex problem in pipe bends due to the strong coupling effect of the longitudinal bending, warping and the cross-sectional ovalization is handled precisely through the derivation of the coupling tensors between the considered GBT deformation modes. Similarly, the geometrically nonlinear GBT analysis is formulated for thin-walled circular pipes based on the nonlinear membrane kinematic equations. Here, the initial linear and quadratic stress and displacement tangent stiffness matrices are built using the third and fourth-order GBT deformation mode coupling tensors.

Longitudinally, the formulation of the coupled GBT element stiffness and mass matrices are presented using a beam-based finite element formulation. Furthermore, the formulated GBT elements are tested for shear and membrane locking problems and the limitations of the formulations regarding the membrane locking problem are discussed.
N2  - Eine detaillierte Strukturanalyse dünnwandiger, kreisförmiger Rohrelemente erfordert oft die Verwendung von Schalenelementen in der Finite Elemente Methode. Diese Methode ermöglicht eine sehr gute Approximation des Verformungszustandes, erfordert jedoch einen hohen Grad der Diskretisierung, welcher wiederum einen hohen Rechenaufwand verursacht. Eine alternative Methode hierzu basiert auf klassischen Balkentheorien, welche eine einfache Modellierung ermöglichen und wesentlich geringeren Rechenaufwand erfordern. Diese weisen jedoch Einschränkungen bei der Approximation von Verformungen auf, da Querschnittsverformungen nicht berücksichtigt werden können.

Schwerpunkt dieser Dissertation ist eine Untersuchung der Verallgemeinerten Technischen Biegetheorie (VTB), die sowohl eine genaue als auch eine effiziente Analyse von dünnwandigen Tragwerkselementen ermöglicht. Diese Theorie basiert auf einer Trennung der Variablen, in der das Verschiebungsfeld als eine Kombination von vorbestimmten Verformungsmoden der Querschnitts und unbekannten Amplitudenfunktionen in Längsrichtung ausgedrückt wird. Obwohl die VTB ursprünglich für lange, gerade Elemente entwickelt wurde, können durch die Berücksichtigung komplementärer Verformungsmoden, welche die Null-Annahmen der klassischen VTB für Quer- und Schubmembrandehnung abändern, Probleme mit kurzen Elementen, Rohrbögen und geometrischer Nichtlinearität analysiert werden. In dieser Dissertation wird die VTB-Formulierung für die Analyse dieser Probleme entwickelt. Die Anwendung und Möglichkeiten der Methode werden anhand mehrerer numerischer Beispiele veranschaulicht, deren Verschiebungs- und Spannungsfeldanalysen anhand eines äquivalenten, verfeinerten, schalenbasierten Finite-Elemente-Modells verifiziert werden.

Die entwickelten statischen und dynamischen VTB-Formulierungen für Rohrbogenelemente basieren auf der linearen kinematischen Beschreibung der Theorie gekrümmter Schalen. In diesen Formulierungen wird das komplexe Problem in Rohrbögen aufgrund des starken Kopplungseffekts der Längsbiegung, der Verwölbung und der Querschnittsovalisierung durch die Herleitung der Kopplungstensoren zwischen den betrachteten VTB-Verformungsmoden präzise behandelt. In ähnlicher Weise wird die geometrisch nichtlineare VTB-Analyse für gerade Rohrelemente auf der Grundlage der nichtlinearen kinematischen Membrangleichungen formuliert. Die anfänglichen linearen und quadratischen Spannungs- und Verschiebungs-Tangentensteifigkeitsmatrizen werden dabei unter Verwendung der VTB-Kopplungstensoren dritter und vierter Ordnung aufgebaut.

In Längsrichtung wird die Formulierung der gekoppelten VTB-Element-Steifigkeits- und Massenmatrizen unter Verwendung einer balkenbasierten Finite-Elemente Formulierung dargestellt. Weiterhin werden die VTB-Elemente auf Schub- und Membran-Locking-Probleme getestet und die Einschränkungen der Formulierungen bezüglich des Membran-Locking-Problems diskutiert.
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2022,2 
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Dynamische Analyse
KW  - Generalized Beam Theory (GBT)
KW  - Finite Element Method
KW  - Dynamic Analysis
KW  - Geometrically nonlinear analysis
KW  - Curved thin-walled circular pipes
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20220127-45723
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TY  - THES
A1  - Keßler, Andrea
T1  - Matrix-free voxel-based finite element method for materials with heterogeneous microstructures
T1  - Matrixfreie voxelbasierte Finite-Elemente-Methode für Materialien mit komplizierter Mikrostruktur
N2  - Modern image detection techniques such as micro computer tomography
(μCT), magnetic resonance imaging (MRI) and scanning electron microscopy (SEM) provide us with high resolution images of the microstructure of materials in a non-invasive and convenient way. They form the basis for the geometrical models of high-resolution analysis, so called image-based analysis.
However especially in 3D, discretizations of these models reach easily the size of 100 Mill. degrees of freedoms and require extensive hardware resources in terms of main memory and computing power to solve the numerical model. Consequently, the focus of this work is to combine and adapt numerical solution methods to reduce the memory demand first and then the computation time and therewith enable an execution of the image-based analysis on modern computer desktops. Hence, the numerical model is a straightforward grid discretization of the voxel-based (pixels with a third dimension) geometry which omits the boundary detection algorithms and allows reduced storage of the finite element data structure and a matrix-free solution algorithm.
This in turn reduce the effort of almost all applied grid-based solution techniques and results in memory efficient and numerically stable algorithms for the microstructural models. Two variants of the matrix-free algorithm are presented. The efficient iterative solution method of conjugate gradients is used with matrix-free applicable preconditioners such as the Jacobi and the especially suited multigrid method. The jagged material boundaries of the voxel-based mesh are smoothed through embedded boundary elements which contain different material information at the integration point and are integrated sub-cell wise though without additional boundary detection. The efficiency of the matrix-free methods can be retained.
N2  - Moderne bildgebende Verfahren wie Mikro-Computertomographie (μCT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) liefern nicht-invasiv hochauflösende Bilder der Mikrostruktur von Materialien. Sie bilden die Grundlage der geometrischen Modelle der hochauflösenden bildbasierten Analysis. Allerdings erreichen vor allem in 3D die Diskretisierungen dieser Modelle leicht die Größe von 100 Mill. Freiheitsgraden und erfordern umfangreiche Hardware-Ressourcen in Bezug auf Hauptspeicher und Rechenleistung, um das numerische Modell zu lösen. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher darin, numerische Lösungsmethoden zu kombinieren und anzupassen, um den Speicherplatzbedarf und die Rechenzeit zu reduzieren und damit eine Ausführung der bildbasierten Analyse auf modernen Computer-Desktops zu ermöglichen. Daher ist als numerisches Modell eine einfache Gitterdiskretisierung der voxelbasierten (Pixel mit der Tiefe als dritten Dimension) 
Geometrie gewählt, die die Oberflächenerstellung weglässt und eine reduzierte Speicherung der finiten Elementen und einen matrixfreien Lösungsalgorithmus ermöglicht. Dies wiederum verringert den Aufwand von fast allen angewandten gitterbasierten Lösungsverfahren und führt zu Speichereffizienz und numerisch stabilen Algorithmen für die Mikrostrukturmodelle. Es werden zwei Varianten der Anpassung der matrixfreien Lösung präsentiert, die Element-für-Element Methode und eine Knoten-Kanten-Variante. Die Methode der konjugierten Gradienten in Kombination mit dem Mehrgitterverfahren als sehr effizienten Vorkonditionierer wird für den matrixfreien Lösungsalgorithmus adaptiert. Der stufige Verlauf der Materialgrenzen durch die voxelbasierte Diskretisierung wird durch Elemente geglättet, die am Integrationspunkt unterschiedliche Materialinformationen enthalten und über Teilzellen integriert werden (embedded boundary elements). Die Effizienz der matrixfreien Verfahren bleibt erhalten.
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2018,7 
KW  - Dissertation
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Konjugierte-Gradienten-Methode
KW  - Mehrgitterverfahren
KW  - conjugate gradient method
KW  - multigrid method
KW  - grid-based
KW  - finite element method
KW  - matrix-free
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190116-38448
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TY  - THES
A1  - Jia, Yue
T1  - Methods based on B-splines for model representation, numerical analysis and image registration
N2  - The thesis consists of inter-connected parts for modeling and analysis using newly developed isogeometric methods. The main parts are reproducing kernel triangular B-splines, extended isogeometric analysis for solving weakly discontinuous problems, collocation methods using superconvergent points, and B-spline basis in image registration applications. 
Each topic is oriented towards application of isogeometric analysis basis functions to ease the process of integrating the modeling and analysis phases of simulation.

First, we develop reproducing a kernel triangular B-spline-based FEM for solving PDEs. We review the triangular B-splines and their properties. By definition, the triangular basis function is very flexible in modeling complicated domains. However, instability results when it is applied for analysis. We modify the triangular B-spline by a reproducing kernel  technique, calculating a correction term for the triangular kernel function from the chosen surrounding basis. The improved triangular basis is capable to obtain the results with higher accuracy and almost optimal convergence rates.

Second, we propose an extended isogeometric analysis for dealing with weakly discontinuous problems such as material interfaces. The original IGA is combined with XFEM-like enrichments which are continuous functions themselves but with discontinuous derivatives. Consequently, the resulting solution space can approximate solutions with weak discontinuities. The method is also applied to curved material interfaces, where the inverse mapping and the curved triangular elements are considered. 

Third, we develop an IGA collocation method using superconvergent points. The collocation methods are efficient because no numerical integration is needed. In particular when higher polynomial basis applied, the method has a lower computational cost than Galerkin methods. However, the positions of the collocation points are crucial for the accuracy of the method, as they affect the  convergent rate significantly. The proposed IGA collocation method uses superconvergent points  instead of the traditional Greville abscissae points. The numerical results show the proposed method can have better accuracy and optimal convergence rates, while the traditional IGA collocation  has optimal convergence only for even polynomial degrees.

Lastly, we propose a novel dynamic multilevel technique for handling image registration. It is application of the B-spline functions in image processing. The procedure considered aims to align a target image from a reference image by  a spatial transformation. The method starts with an energy function which is the same as a FEM-based image registration. However, we simplify the  solving procedure, working on the energy function directly. We dynamically solve for control points which are coefficients of B-spline basis functions. The new approach is more simple and fast. Moreover, it is also enhanced by a multilevel technique in order to prevent instabilities. The numerical testing consists of two artificial images, four real bio-medical MRI brain and CT heart images, and they show our registration method is accurate, fast and efficient, especially for large deformation problems.
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - isogeometric methods
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20151210-24849
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