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Implementation and Test of an Optimization Method Solving Nonlinear Equations of Structural Mechanics

Implementation und Test eines Optimierungsverfahrens zur Loesung nichtlinearer Gleichungen der Strukturmechanik

  • In displacement oriented methods of structural mechanics may static and dynamic equilibrium conditions lead to large coupled nonlinear systems of equations. In many cases they are solved iteratively utilizing derivatives of Newton's method. Alternatively, the equations may be expressed in terms of the Karush-Kuhn-Tucker conditions of an optimization problem and, therefore, may be solved using methods of mathematical programming. To begin with, the work deals with the fundamentals of the formulation as optimization problem. In particular, the requirements of material nonlinearity and contact situations are analyzed. Proximately, an algorithm is implemented which utilizes the usually sparse structure of the Hessian matrix, whereby particularly the convergence behaviour is analyzed and adjusted. The implementation was tested using examples from statics and dynamics of large systems. The results are verified considering the accuracy comparing alternative solutions (e.g. explicit methods). The potential areas of application is shown and the efficiency of the method is evaluated.
  • In weggroeßenorientierten Verfahren der Strukturmechanik fuehren die statischen oder dynamischen Gleichgewichtsbedingungen auf große gekoppelte nichtlineare Gleichungssysteme. In vielen Faellen werden diese Gleichungssysteme iterativ auf der Grundlage des Newton'schen Naeherungsverfahrens gelost. Die Gleichungen koennen alternativ als Karush-Kuhn-Tucker-Bedingungen eines Optimierungsproblems aufgefasst, und daher mit Verfahren der mathematischen Optimierung geloest werden. Die Arbeit beschaeftigt sich zunaechst mit den Grundlagen der Problemformulierung als Optimierungsaufgabe, um dabei speziell die Anforderungen aus Werkstoffnichtlinearitaet und Kontakt untersuchen. In weiterer Folge ist ein Optimierungsalgorithmus innerhalb der Softwareumgebung SLang zu implementieren, der die in der Strukturmechanik typische schwach besetzte Struktur der Hessematrix ausnutzt. Dabei ist insbesondere das Konvergenzverhalten des Algorithmus zu untersuchen und moeglichst gut einzustellen. Die Implementation soll anhand von Beispielen aus der Statik und Dynamik großer Systeme getestet und die Resultate hinsichtlich ihrer Genauigkeit anhand von Alternativloesungen (z.B. aus expliziten Verfahren) verifiziert werden. Die potenziellen Anwendungsgebiete des entwickelten Algorithmus sind aufzuzeigen, und die Effizienz des Verfahrens ist zu bewerten.

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Metadaten
Document Type:Master's Thesis
Author: Sebastian Wolff
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.727Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-7271Cite-Link
Language:English
Date of Publication (online):2005/12/19
Year of first Publication:2005
Release Date:2005/12/19
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes:Fakultät Bauingenieurwesen / Professur Baumechanik
GND Keyword:Nichtlineare Optimierung; Nichtlineare Finite-Elemente-Methode; Kontaktmechanik; Kontaktkraft; Dynamik
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
BKL-Classification:56 Bauwesen / 56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
Licence (German):License Logo Copyright All Rights Reserved
Note:
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