620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.
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.
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.
Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise
(2006)
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.
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.
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.
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.
Numerische Approximation makroskopischer Verkehrsmodelle mit der Methode der Finiten Elemente
(2000)
Makroskopische Verkehrsmodelle sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Beurteilung und Steuerung von Verkehrsflüssen auf Hauptverkehrsadern. Für die notwendige Beeinflussung des Verkehrsablaufs werden Online-Messungen und prognostische numerische Simulationen benötigt. Für die Simulationen bieten sich makroskopische Verkehrsmodelle an, die den Verkehr als kontinuierliche Fahrzeugströmeabbilden. Aufgrund der Analogie zu den Modellen der Strömungsmechanik lassen sich die numerischen Verfahren aus diesem Bereich auch zur Lösung makroskopischer Verkehrsmodelle verwenden. Es wird eine Finite-Elemente-Approximation für die numerische Umsetzung makroskopischer Verkehrsmodelle vorgestellt. Exemplarisch wird sie am Verkehrsmodell von Kerner und Konhäuser erläutert. Dieses und andere makroskopische Verkehrsmodelle wurden bisher mit der Methode der Finiten Differenzen gelöst. Die vorgestellte Approximation entspricht einem Petrov-Galerkin-Verfahren, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegenden Gleichungen. Die Ergebnisse zeigen typische Phänomene eines Verkehrsablaufs wie die Entstehung von Stop-and-Go-Wellen oder Staus. Die Finite-Elemente-Methode erweist sich für unter-schiedlichste Verkehrsmodelle als ausgesprochen stabil.
This study aims at constructing the simulation system of distribution patterns of solar irradiance, sunshine duration and sky factor with the user-friendly interface and sharing this system with users on the Internet. The characteristics of this simulation system are as follows: (1) Web-based user interface, (2) Accessible system through the Internet and (3) Sunlight and skylight simulation based on physically accurate equations with considering various sky conditions and the reflection from the surface of objects. As a case study, impact of the development plans are analyzed and evaluated using this system. Solar irradiance, sunshine duration and sky factor are calculated at the surface of the buildings and open spaces every 10 minutes from 8 to 16 on the winter solstice. The values of these indices are expressed as the ratio to those calculated under the condition with no buildings. In conclusion, this web-based simulation system can be useful for visualizing the sunlight and skylight conditions on outdoor open spaces and the surface of the buildings to evaluate development plans objectively. Users can make access to the system from almost all of the computers connected with the Internet and modify parameters by themselves to get desirable results. Further improvement of the user interface is necessary using more advanced technology of CGI, Java and JavaScript.
The availability of the WWW technology and the introduction of the Internet as basic resource like water, electricity or gas changes dramatically normal live, business and of course civil engineering. New technologies enable innovative technical solutions and offer new potential for improvements towards support of humans nature appropriate ways of working. This demands a new culture of work and collaboration. To contribute to theses challenges is a matter the discipline 'Bauinformatik' by supporting related research, development, education and training in civil engineering. This contribution to the IKM Conference 2000 in Weimar sketches selected research and education activities of the institutes of the authors on the topics of WWW based simulation systems (example WEASEL) and of WWW based project platforms (projects MorWin and TaiGer as well as an European education experiment). Both topics supports the collaboration by new ways of tele cooperation in international, heterogeneous and interdisciplinary engineering. Demonstration from this developments and projects will be used to illustrate the dimension of changes in civil engineering in due to modern ICT.
Die fachlichen Grundlagen der Aufgaben, die in einem Bauunternehmen zu bearbeiten sind, wurden in verschiedenen Disziplinen entwickelt. Maßgeblich waren der Baubetrieb und die Betriebswirtschaftslehre. Die parallele Entwicklung hat jedoch dazu geführt, dass grundlegende Begriff und Verfahren zwischen den Disziplinen nicht aufeinander abgestimmt sind. Die verschiedenen Aufgaben beeinflussen jedoch einander. Innerhalb der jeweiligen Disziplin wurden Informationssysteme entwickelt, mit denen sich die Aufgaben aus der jeweiligen Disziplin bearbeiten lassen. Zur Verbindung der "verschiedenen Welten" existieren zwar ausgewählte Schnittstellen, eine durchgängige verteilte Bearbeitung der verschiedenen Aufgaben wird jedoch noch nicht umfassend unterstützt. Im vorliegenden Beitrag wird ein Vorgehen vorgestellt, auf dessen Grundlage eine verteilte Bearbeitung der fachgebietsübergreifenden Aufgaben erfolgen kann. Das Vorgehen beruht auf der Modellierung der Prozesse sowie der zur Bearbeitung der als Bestandteil der Prozesse spezifizierten Aufgaben benötigten Informationen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Mengenlehre mit einem entsprechenden Werkzeug aufgebaut. Die Spezifikation der Informationen wird genutzt, um Datenbankschemata zu generieren, die Spezifikation der Aufgaben wird genutzt, um Werkzeuge zur Bearbeitung zu identifizieren. Diese Werkzeuge sind in Java als Applets implementiert und können über entsprechende Treiber auf die Datenbanken zugreifen. Das Prozessmodell wird in einem nächsten Schritt erweitert. Personen werden eingeführt. Diesen Personen werden Aufgaben zugewiesen, deren Bearbeitung sie ausführen sollen. Auf der Grundlage des erweiterten Prozessmodells werden die Applets, die eine Person benötigt, auf einer entsprechenden Internet-Seite zusammengestellt. Damit kann projektspezifisch ein Informationssystem zusammengestellt werden, das eine verteilte Bearbeitung der verschiedenartigen Aufgaben unterstützt.
Model of stressed-strained State of Multilayer Masses with regard for Non-Ideal Contact of Layers
(1997)
Thus, mathematical model stressed- strained of a condition of layered masses is constructed. The model has high accuracy. It allows to simulate slippery contact of layers without friction. Thus not the order of permitting system of the equations is increased, and at its realization the method of fenite elements does not increase quantity of required degrees freedom. The differential operators included in system the equations are similar known in the classical theory of shells. It facilitates construction of a finite element. Presence in system of the differential equations of derivative of external forces allows to use her for the decision of contact problems with a stain of contact commensurable with thickness of a masses.
The effectiveness of working processes accomplished by various technological machines to a large extend depends on working quality of supply, transporting and orientating mechanisms which are very often produced as positional hydro-mechanical systems. The choice of their best type and regimes of work requires construction and analysis of models of their optimum steering which are complicated by nonlinearness, multy-criterialness of problem and also by occasional outbreaks of parameters and moments of steering regime changing. It was developed the common structure of such systems allowing within common scheme to vary the complexity degree of PHMS and the methods of inhibitory efforts supplement. For some systems which are complicated in series (from two-measured linear system to nine-measured non-linear) puzzles of the most fast zero-ambit getting are solved and two-criterial problems are analyzed. (T-min-speed, Z(T)- accuracy). There are suggested the computing procedures of optimum PHMS synthesis. The effectiveness of accepted methods of solving is asserted by the analogy of the results of gradually complicated models investigation and by their good analogy with the natural experiment. It was exposed the sense of heuristic methods of improving of approximately optimum steering, their elaboration on the base of theoretical models. The basic methods of optimum PGMS construction were also nominated.
The purpose of this paper is to review model for finite element techniques for non-linear crack analysis of reinforced concrete beams and slabs. The non-linear behaviour of concrete and steel were described. Some calculations of >self-stress< for concrete and reinforced concrete beam was made. Current computational aspects are discussed. Several remarks for future studies are also given. The numerical model of the concrete and reinforced concrete was described. The paper shows the results of calculations on a reinforced concrete plane stress panel with cracks. The non-linear, numerical model of calculations of reinforced concrete was assumed. Using finite elements method some calculations were made. The results of calculations like displacements, stresses and cracking are shown on diagrams. They were compared with experimental results and other finding. Some conclusions about the described model and results of calculation are shown.
In the given paper the generalized formulation of the problem of computer modelling of the complex-composite structure interaction with different types of dynamic loads and effects is discussed. Here the analysis is given as for the usage of some universal computing systems for the solution of such problems. Also if is shown that the quantification of the dynamic models of the complex-composite systems with the variable structure, depending on the character and intensivity of the effects, is necessary. The different variants of the joint and the space structure element modelling are gested. It allows to consider the complex modes of the joint bending-torsional oscillations of such structures as bridges, towers, high-rise buildings. The peculiarities of the modelling and testing of some problems of the objects aerodynamics and the interaction of the frameworks constructions with shock and movable loads are considered. In this paper the examples of the complex-composite structure dynamic analysis are shown. It is achieved by means of some special methods of the input of the real inducements and loads of the exploitated analog-object into the computing model. The suggested models found a wide use both at the design of new structures and the dynamic monitoring of the exploitated structures.
There is an increasing need for 3D building extraction from aerial images for various applications such astown planning, environmental- and property-related studies. Aerial images usually reveal on one hand a certain amount of information not relevant for the given task of building extraction like vegetation, cars etc. On the other hand there is a loss of relevant information due to occlusions, low contrasts or disadvantageous perspectives. Therefore a promising concept for automated building reconstruction must incorporate a suffciantly complete model of the objects of interest. We propose a model-based approach to 3D building extraction from aerial images which reveals a tight coupling between a generic 3D object model and an explicit 2D image model. The generic object model employes domain specific volumetric primitives (i. e. building part models) and combination schemes. To cover the gap between 3D object models and 2D image data the image model is employed to predict the projective building appearences in aerial images. We present a strategy for a model-based building extraction based on the recognition-by-components principle and show first experimental results derived from international test sets
Essence of service unreliability on account of irregularity has been given. The reasons of occurance of overcrowded vehicles have been listed. The factor of service unreliability on account of irregularity has been determined. It is probability of the event, that the passenger finds departing vehicle fully filled, i.e. when all places seating and standing are occupied or condition of the travel, which would be not acceptable for passenger. Large dispersion of headways (i.e. irregularity) increases probability of such situations. To calculate the mentioned factor, the computer simulation was used. Both, passenger arrivals and vehicle operation have been modelled as stochastic interacted processes. Distributions of headways and passenger arrivals have been fixed by statistical methods. The >maximal capacity< of a vehicle has been determined. The set of parameters values for simulation runs has been given. The transformed results of computer simulation are series of nomographs for determination of a factor value. They were prepared for many types of trams and city buses, but only one nomograph has been presented. Difficulties in verification of model were discussed. Recommendations for rational utilisation level of public transport means capacity in the condition of randomness of passenger arrivals and disturbances in vehicle operation have been proposed. The other possibilities of service unreliability have been mentioned. General conclusions have been given
Die Zielstellung der ModalSplitBetrachtungen läuft darauf hinaus, Entscheidungs-kriterien zu erarbeiten, nach denen die einzelnen Personen ihre Verkehrsmittel auswählen. In dieser Veröffentlichung wurden alle drei Gruppen der Modelle (klassische, verhaltensorientierte und der Analyse) der Verkehrsaufteilung kurz charakterisiert. Dann wurden vier ausgewählte Modelle genauer beschrieben. Zum Schluß wird das Modell der Verkehrsmittelwahl dargestellt , das für die Untersuchung der Verkehrsaufteilung in Krakau verwendet wurde .