620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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We give a summary of our results based on discrete Cauchy-Riemann operators in the plane. These operators are defined in a way that the factorization of the real Laplacian into two adjoint Cauchy-Riemann operators is possible. This property is similar to the continuous case and can especially be used for calculating the discrete fundamental solution of our finite difference operators. Based on the discrete fundamental solution we define a discrete operator that is right inverse to the discrete Cauchy-Riemann operator. In relation with this operator and an operator on the boundary we are able to prove a discrete version of the Borel-Pompeiu formula. In the second part we present a possibility to solve discrete Stokes and Navier-Stokes problems. The concept is based on the orthogonal decomposition of the space l2 into the space of discrete holomorphic functions and its orthogonal complement. By introducing the orthoprojectors P+h and Q+h we can prove the existence and uniqueness of the solution of discrete Stokes problems. In addition we state a problem that is equivalent to the discrete Navier-Stokes problem and can be used in an iteration procedure to describe the solution of this problem. For a special case of the Navier-Stokes equations we are able to calculate discrete potential and stream functions. The adapted model includes important algebraical properties and can immediately be used for numerical calculations. A numerical example is presented at the end of the article.
Usually, the co-ordination of design and planning tasks of a project in the construction industries is done in a paper based way. Subsequent modifications have to be handled manually. The effects of modifications cannot be determined automatically. The approach to specify a complete process model before project start does not consider the requirements of the construction industries. The effort of specification at the beginning and during the process (modifications) does not justify the use of standard process model techniques. A new approach is presented in the according paper. A complete process model is deducted on the basis of a core. The core consists of process elements and specific relations between them. Modifications need to be specified in the core only. The effort of specification is therefore reduced. The deduction of the complete process is based on the graph theory. Algorithms of the graph theory are also used to determine the effects of modifications during project work.
Modellverwaltungssysteme sind eine geeignete technologische Basis zum Management digitaler Bauwerksmodelle bei Planungstätigkeiten für den Neubau als auch für die Revitalisierung von Bauwerken. Die Unterstützung von Revitalisierungsprozessen impliziert für den Entwurf integrierter Planungsumgebungen spezifische Anforderungen wie die Repräsentation von Informationen, die mit verschiedenen Typen von Vagheit behaftet sind, die Notwendigkeit, den Soll- sowie den Ist- Zustand des Bauwerks abzubilden und die Fähigkeit des Umgangs mit temporal inkonsistenten Modellzuständen. Die erforderliche Dynamik der Domänenmodelle und die erforderliche Nutzbarkeit in Virtual Enterprises stellen weitere Ansprüche an die Realisierungsbasis der Modellverwaltungssysteme. Zur Implementierung derartiger Systeme erweist es sich als vorteilhaft, Eigenschaften objektorientierter Programmiersprachen mit nichtstatischen Typsystemen auszunutzen, da diese durch die vorhandene Metaebene sowie Introspektions- und Reflektionsmechanismen eine effiziente Realisierungsbasis bereitstellen. Zur effektiven Unterstützung synchroner kooperativer Planungstätigkeiten innerhalb einzelner Fachdisziplinen wurde ein Benachrichtigungsmechanismus realisiert, der an das Modellverwaltungssystem angekoppelte Fachapplikationen über nebenläufig vorgenommene Modifikationen am zugehörigen Domänenmodell oder an Projektinformationen informiert. Weiterhin existiert ein Mechanismus zur vereinfachten Anbindung von existierenden Applikationen, die auf statischen Partialmodellen beruhen oder standardisierte, modellbasierte Austauschformate unterstützen. Abschließend wird eine aus einem zentralen Projektserver, Domänenservern und Domänenclients bestehende hybride Systemarchitektur vorgestellt, die geeignet ist, unter den Randbedingungen kooperativer und geographisch verteilter Arbeit bei Revitalisierungsvorhaben in Virtual Enterprises eingesetzt zu werden.
Der lebensdauerorientierte Entwurf von Stabbogenbrücken, mit Zuschnitt auf die Auslegung von Hängern, die durch Ermüdung infolge wirbelinduzierter Querschwingungen gefährdet sind, wird als stochastisches semi-infinites Optimierungsproblem formuliert. Zur Lösung dieses Problems sind mehrere Modellierungsebenen erforderlich, so dass ein Mehrebenenproblem entsteht. Es wird der derzeitige Entwicklungs- und Implementierungsstand bei der Umsetzung des Mehrebenenproblems in ein Entwurfsleitsystem (Software) aufgezeigt. Außerdem werden die Konzepte der noch ausstehenden Forschungsarbeit, die bereits erfolgreich beim lebensdauerorientierten Entwurf von Industriehallen mit Rahmensystem als Haupttragwerk eingesetzt wurden, diskutiert und ihre Einbildung in die bisher umgesetzte Forschungsarbeit erläutert.
Objektorientierte Anwendungen aus dem Ingenieurwesen bestehen aus strukturierten Mengen, deren Elemente Objekte sind. Zwischen den Objekten bestehen vielfältige Abhängigkeiten. Die Beziehungen sind zur Zeit der Entwicklung einer Anwendung nur teilweise bekannt. Beziehungen zwischen Objekten müssen deshalb auch zur Laufzeit der Anwendung erzeugt und gelöscht werden können. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes wird die Objektbasis einer Anwendung verzögert aktualisiert. Eine objektorientierte Anwendung wird auf Grundlage der Systemtheorie als System formal beschrieben. Als Elemente des Systems werden Attribute, Objekte und Objektmengen eingeführt. Die in den Methoden der Objekte implementierten Algorithmen bestimmen die Bindungsrelation des Systems. Auf Grundlage der Graphentheorie wird die Reihenfolge der Aktualisierung der Objektbasis berechnet. ...
Bei der Untersuchung hybrider Strukturen kann eine Kopplung von Modellen unterschiedlicher Modellebenen vorteilhaft sein. Durch selektive Kopplung von Tragwerks- und Querschnittsmodellen in ausgewählten Bereichen der Konstruktion kann z.B. eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit erzielt werden. Dadurch werden erweiterte Aussagen über das Querschnittstragverhalten in extrem beanspruchten Teilen des Tragwerks bei optionaler Skalierbarkeit des Modellumfangs möglich. Im Beitrag werden ausgewählte Varianten der Modellbildung gegenübergestellt und bewertet. Hierbei werden Aspekte der physikalischen Nichtlinearität von hybriden Konstruktionen insbesondere von Stahlbetonkonstruktionen berücksichtigt. Die Einbeziehung von Verfahren der mathematischen Optimierung in die Berechnungsstrategie ermöglicht die Lösung der zugrunde liegenden nichtlinearen Problemstellungen unter Vorgabe von Bemessungszielen und unter Beachtung von Grenzzustandsbedingungen.
A geometrical inclusion-matrix model for the finite element analysis of concrete at multiple scales
(2003)
This paper introduces a method to generate adequate inclusion-matrix geometries of concrete in two and three dimensions, which are independent of any specific numerical discretization. The article starts with an analysis on shapes of natural aggregates and discusses corresponding mathematical realizations. As a first prototype a two-dimensional generation of a mesoscale model is introduced. Particle size distribution functions are analysed and prepared for simulating an adequate three-dimensional representation of the aggregates within a concrete structure. A sample geometry of a three-dimensional test cube is generated and the finite element analysis of its heterogeneous geometry by a uniform mesh is presented. Concluding, aspects of a multiscale analysis are discussed and possible enhancements are proposed.
We consider an industrial application consisting of the mass minimization of a frame in an injection moulding machine. This frame has to compensate the forces acting on the mould inside the machine and has to fulfill certain critical constraints. The deformation of that frame with constant thickness is described by the plain stress state equations for linear elasticity. If the thickness varies then we use a generalized plain stress state with constant thickness in the coarse grid elements. These direct problems are solved by an adaptive multigrid solver. The mass minimization problem leads to a constrained minimization problem for a non-linear functional which will be solved by some standard optimization algorithm which requires the gradients with respect to design parameters. For the shape optimization problem, we assume that the machine components consist of simple geometrical primitives determined by a few design parameters. Therefore, we calculate the gradient in the shape optimization by means of numerical differentiation which requires the solution of approximately 4 direct problems per design parameter. The adaptive solver guarantees the detection of critical regions automatically, and ensures a good approximation to the exact solution of the direct problem. This rather slow approach can be significantly accelerated by using the adjoint method to express the gradient. It will be combined with a direct implementation of several terms that appear after applying the chain rule to the gradient.
In this paper we revisit the so-called Bergman kernel method (BKM) for solving conformal mapping problems. This method is based on the reproducing property of the Bergman kernel function. The main drawback of this well known technique is that it involves an orthonormalization process and thus is numerically unstable. This difficulty can be, in some cases, overcome by using the Maple system, which makes no use of numeric quadrature. We illustrate this implementation by presenting a numerical example. The construction of reproducing kernel functions is not restricted to real dimension 2. Results concerning the construction of Bergman kernel functions in closed form for special domains in the framework of hypercomplex function theory suggest that BKM can also be extended to mapping problems in higher dimensions, particularly 3-dimensional cases. We describe such a generalized BKM-approach and present numerical examples obtained by the use of specially developed software packages for quaternions.
In ersten Teil des Vortrages wird eine Heuristik zur Approximation der Pareto Menge multikriterielle verallgemeinerter Job-Shop Scheduling-Probleme vorgestellt. Der Algorithmus basiert auf einer genetischen lokale Suche Heuristik. Die Mittelwertbildung der Startzeiten der Vorgänge wurde hierbei als Rekombinationsoperator verwendet. Als lokale Suche wurde ein Threshold Accepting Algorithmus implementiert. Der Algorithmus wurde auf einer großen Menge von Benchmark-Instanzen und den Zielfunktionen Makespan, Tardiness, Lateness und Summe der Fertigstellungszeiten getestet. Die Ergebnisse zu den verschiedenen Zielfunktionen werden vorgestellt. Die vom Algorithmus erzeugte Approximation der Pareto Menge kann eine große Anzahl von Lösungen enthalten. Aus dieser Menge muss der Entscheidungsträger eine Lösung auswählen. Da die Datenmenge schon bei moderaten Problemdimensionen sehr umfangreich wird, stellt dies ein Problem für den Entscheider dar. Deshalb muss die große Menge der Lösungen auf eine überschaubare Anzahl reduziert werden. Bei dieser Reduktion der Lösungen muss die Diversität der verbleibenden Lösungen beachtet werden. Diese Reduzierung wird als Short Listing bezeichnet und im zweiten Teil des Vortrages vorgestellt. Im ersten Schritt des Short Listings werden die Lösungen mittels Abstandsmaßen im Lösungsraum geclustert. Die dazu verwendeten Abstandsmaße werden auf den Permutationen der Vorgänge auf den Ressourcen definiert. Es wurden fünf Abstandsmaße und zwei Clusterverfahren, ein hierarchisches und ein nicht-hierarchisches, untersucht. Im zweiten Schritt wird aus jedem Cluster jeweils eine Lösung ausgewählt und dem Entscheidungsträger vorgelegt. Dabei wurden zwei Methoden untersucht. Im ersten Fall wurde die bezüglich einer Ranking-Funktion beste Lösung und im zweiten Fall die Medianlösung bezüglich des Abstandsmaßes ausgewählt. Die Abstandsmaße, Clusteralgorithmen und Auswahlmethoden wurden auf einer großen Menge von Benchmark-Instanzen verglichen. Die Ergebnisse werden im Vortrag vorgestellt.