54.80 Angewandte Informatik
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Keywords
The point collocation method of finite spheres (PCMFS) is used to model the hyperelastic response of soft biological tissue in real time within the framework of virtual surgery simulation. The proper orthogonal decomposition (POD) model order reduction (MOR) technique was used to achieve reduced-order model of the problem, minimizing computational cost. The PCMFS is a physics-based meshfree numerical technique for real-time simulation of surgical procedures where the approximation functions are applied directly on the strong form of the boundary value problem without the need for integration, increasing computational efficiency. Since computational speed has a significant role in simulation of surgical procedures, the proposed technique was able to model realistic nonlinear behavior of organs in real time. Numerical results are shown to demonstrate the effectiveness of the new methodology through a comparison between full and reduced analyses for several nonlinear problems. It is shown that the proposed technique was able to achieve good agreement with the full model; moreover, the computational and data storage costs were significantly reduced.
This study is focused on finite element analysis of a model comprising femur into which a femoral component of a total hip replacement was implanted. The considered prosthesis is fabricated from a functionally graded material (FGM) comprising a layer of a titanium alloy bonded to a layer of hydroxyapatite. The elastic modulus of the FGM was adjusted in the radial, longitudinal, and longitudinal-radial directions by altering the volume fraction gradient exponent. Four cases were studied, involving two different methods of anchoring the prosthesis to the spongy bone and two cases of applied loading. The results revealed that the FG prostheses provoked more SED to the bone. The FG prostheses carried less stress, while more stress was induced to the bone and cement. Meanwhile, less shear interface stress was stimulated to the prosthesis-bone interface in the noncemented FG prostheses. The cement-bone interface carried more stress compared to the prosthesis-cement interface. Stair climbing induced more harmful effects to the implanted femur components compared to the normal walking by causing more stress. Therefore, stress shielding, developed stresses, and interface stresses in the THR components could be adjusted through the controlling stiffness of the FG prosthesis by managing volume fraction gradient exponent.
The node moving and multistage node enrichment adaptive refinement procedures are extended in mixed discrete least squares meshless (MDLSM) method for efficient analysis of elasticity problems. In the formulation of MDLSM method, mixed formulation is accepted to avoid second-order differentiation of shape functions and to obtain displacements and stresses simultaneously. In the refinement procedures, a robust error estimator based on the value of the least square residuals functional of the governing differential equations and its boundaries at nodal points is used which is inherently available from the MDLSM formulation and can efficiently identify the zones with higher numerical errors. The results are compared with the refinement procedures in the irreducible formulation of discrete least squares meshless (DLSM) method and show the accuracy and efficiency of the proposed procedures. Also, the comparison of the error norms and convergence rate show the fidelity of the proposed adaptive refinement procedures in the MDLSM method.
Different types of data provide different type of information. The present research analyzes the error on prediction obtained under different data type availability for calibration. The contribution of different measurement types to model calibration and prognosis are evaluated. A coupled 2D hydro-mechanical model of a water retaining dam is taken as an example. Here, the mean effective stress in the porous skeleton is reduced due to an increase in pore water pressure under drawdown conditions. Relevant model parameters are identified by scaled sensitivities. Then, Particle Swarm Optimization is applied to determine the optimal parameter values and finally, the error in prognosis is determined. We compare the predictions of the optimized models with results from a forward run of the reference model to obtain the actual prediction errors. The analyses presented here were performed calibrating the hydro-mechanical model to 31 data sets of 100 observations of varying data types. The prognosis results improve when using diversified information for calibration. However, when using several types of information, the number of observations has to be increased to be able to cover a representative part of the model domain. For an analysis with constant number of observations, a compromise between data type availability and domain coverage proves to be the best solution. Which type of calibration information contributes to the best prognoses could not be determined in advance. The error in model prognosis does not depend on the error in calibration, but on the parameter error, which unfortunately cannot be determined in inverse problems since we do not know its real value. The best prognoses were obtained independent of calibration fit. However, excellent calibration fits led to an increase in prognosis error variation. In the case of excellent fits; parameters' values came near the limits of reasonable physical values more often. To improve the prognoses reliability, the expected value of the parameters should be considered as prior information on the optimization algorithm.
Die technische Entwicklung, insbesondere auf dem Gebiet der Digitaltechnik eröffnet heute neue und sehr weitreichende Möglichkeiten für die Automatisierung in Zweck- und Wohnbauten. Die zur Verfügung stehenden technischen Komponenten (intelligente Sensoren und Aktoren sowie ein hausinternes Netz für die Datenübertragung -Feldbus-) unterscheiden sich für diese Einsatzfälle kaum. Die Zielstellungen sind jedoch gänzlich andere. Intelligenz im Wohnbau bedeutet vor allem intelligente Alltagsbewältigung (z.B. Zeiteinsparung), Komfort und Wohlbefinden. Daß im Heimbereich nichtfunktionale Faktoren (Human Interface, Ästhetik, Preis, Attraktivität) eine große Rolle spielen, ist in das Problembewußtsein der Gerätehersteller und Käufer getreten. Im Bereich der Heimautomatisierung werden zunehmend moderne, die Möglichkeiten der konventioellen Steuerungs- und Regelungstechnik ergänzende Technologien wie Fuzzy- Steuerungen zur Optimierung der internen Arbeitsweise von Geräten eingesetzt. Die informatorische Vernetzung im Wohnbau unterstützt darüberhinaus wichtige Anliegen des Gebäudemanagements (energetische, ergonomische und ökologische Betrachtungen der Gebäudenutzung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten).
Im rechnergestützten Bauplanungsprozess arbeiten verschiedene Fachplaner an der gemeinsamen Aufgabe, ein Bauwerk zu planen, zusammen. Verfügbare Kooperationsansätze beschäftigen sich mit versionierten und verteilten Bauwerksmodellen, die auf Basis der Objektorientierung virtuelle Bauwerkszustände beschreiben. Die in diesen zustandsorientierten Modellen unberücksichtigten Zustandsänderungen führen zu derzeitigen Problemen beim Austausch, beim Vergleich und bei der Zusammenführung von versionierten Bauwerksinformationen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines verarbeitungsorientierten Ansatzes zur ganzheitlichen Betrachtung der Bauwerksmodellierung. Neben der zustandsorientierten Beschreibung eines virtuellen Bauwerks werden zusätzlich änderungsorientierte Informationen in Form von Modellieroperationen in der Modellbildung berücksichtigt. Es wird eine Modellierungssprache definiert, um Operationen formal zu beschreiben. Modellieroperationen bilden eine Verarbeitungsschnittstelle für Objektmodelle, repräsentieren Entwurfsabsichten, reichern bestehende Bauwerksmodelle mit Änderungssemantik an und tragen zur Konsistenzsicherung in diesen Modellen bei. Neuartige Kooperationskonzepte für den Austausch, den Vergleich und das Zusammenführen von versionierten Bauwerksinformationen werden auf Grundlage des vorgeschlagenen Ansatzes entwickelt. Sowohl das Modell als auch die Sprache werden unabhängig von aktuellen Technologien formal beschrieben. Die prinzipielle Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird im Rahmen einer Pilotimplementierung auf Basis eines Open-Source-Systems im Bauwesen nachgewiesen.
Als Folge des hohen Termindrucks während des Bauablaufes, ist es besonders wichtig den Fortschritt eines Bauvorhabens zeitnah zu überwachen. Auf Großbaustellen kann die effektive Kontrolle nicht mehr ohne technische Hilfsmittel durchgeführt werden. Die Arbeit stellt verschiedene Szenarien für die verteilte Fortschrittserfassung vor und untersucht welche Anforderungen an ein System für die verteilte Erfassung gestellt werden. Dazu wird zuerst das bestehende CVS-System analysiert, um anschließend daraus ein Konzept für die Versionierung von Objekten und den automatischen Abgleich von Objektversionen zu entwickeln. Später wird gezeigt, wie dieses Konzept mit Hilfe von C# und dem Microsoft®-.NET-Framework umgesetzt werden kann.
Schwerpunkt der Arbeit ist die Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten und Grenzen der Desktop-VR als neue Generation der Benutzerschnittstellen. Besondere Bedeutung bei dieser Art des Interface-Designs kommt den Metaphern zu. Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Klassifikation, der Auswahl und dem Einsatz passender Metaphern unter Berücksichtigung der in der Applikation darzustellenden Informationsinhalte. Aus der Kombination dieser beiden Merkmale (Art der Metapher, Informationsinhalt) ergeben sich vier verschiedene virtuelle Umgebungen, deren Eigenschaften und Besonderheiten konkretisiert und an Beispielen aus dem Anwendungsgebiet der Stadtinformationssysteme vorgestellt werden. Als praktischer Untersuchungsgegenstand dient das Anwendungsgebiet der Stadtinformationssysteme. Die theoretisch basierten Erkenntnisse und Schlußfolgerungen werden durch statistische Untersuchungen, in Form von Fragebögen zu Stadtinformationssystemen, überprüft und konkretisiert.