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In this work, we analyze two important and simple models of short rates, namely Vasicek and CIR models. The models are described and then the sensitivity of the models with respect to changes in the parameters are studied. Finally, we give the results for the estimation of the model parameters by using two different ways.
In this article we give a sufficient condition that a simply connected flexible body does not penetrate itself, if it is subjected to a continuous deformation. It is shown that the deformation map is automatically injective, if it is just locally injective and injective on the boundary of the body. Thereby, it is very remarkable that no higher regularity assumption than continuity for the deformation map is required. The proof exclusively relies on homotopy methods and the Jordan-Brouwer separation theorem.
Embedded systems have become ubiquitous in everyday life, and especially in the automotive industry. New applications challenge their design by introducing a new class of problems that are based on a detailed analysis of the environmental situation. Situation analysis systems rely on models and algorithms of the domain of computational geometry. The basic model is usually an Euclidean plane, which contains polygons to represent the objects of the environment. Usual implementations of computational geometry algorithms cannot be directly used for safety-critical systems. First, a strict analysis of their correctness is indispensable and second, nonfunctional requirements with respect to the limited resources must be considered. This thesis proposes a layered approach to a polygon-processing system. On top of rational numbers, a geometry kernel is formalised at first. Subsequently, geometric primitives form a second layer of abstraction that is used for plane sweep and polygon algorithms. These layers do not only divide the whole system into manageable parts but make it possible to model problems and reason about them at the appropriate level of abstraction. This structure is used for the verification as well as the implementation of the developed polygon-processing library.
Nowadays, accounting, charging and billing users' network resource consumption are commonly used for the purpose of facilitating reasonable network usage, controlling congestion, allocating cost, gaining revenue, etc. In traditional IP traffic accounting systems, IP addresses are used to identify the corresponding consumers of the network resources. However, there are some situations in which IP addresses cannot be used to identify users uniquely, for example, in multi-user systems. In these cases, network resource consumption can only be ascribed to the owners of these hosts instead of corresponding real users who have consumed the network resources. Therefore, accurate accountability in these systems is practically impossible. This is a flaw of the traditional IP address based IP traffic accounting technique. This dissertation proposes a user based IP traffic accounting model which can facilitate collecting network resource usage information on the basis of users. With user based IP traffic accounting, IP traffic can be distinguished not only by IP addresses but also by users. In this dissertation, three different schemes, which can achieve the user based IP traffic accounting mechanism, are discussed in detail. The inband scheme utilizes the IP header to convey the user information of the corresponding IP packet. The Accounting Agent residing in the measured host intercepts IP packets passing through it. Then it identifies the users of these IP packets and inserts user information into the IP packets. With this mechanism, a meter located in a key position of the network can intercept the IP packets tagged with user information, extract not only statistic information, but also IP addresses and user information from the IP packets to generate accounting records with user information. The out-of-band scheme is a contrast scheme to the in-band scheme. It also uses an Accounting Agent to intercept IP packets and identify the users of IP traffic. However, the user information is transferred through a separated channel, which is different from the corresponding IP packets' transmission. The Multi-IP scheme provides a different solution for identifying users of IP traffic. It assigns each user in a measured host a unique IP address. Through that, an IP address can be used to identify a user uniquely without ambiguity. This way, traditional IP address based accounting techniques can be applied to achieve the goal of user based IP traffic accounting. In this dissertation, a user based IP traffic accounting prototype system developed according to the out-of-band scheme is also introduced. The application of user based IP traffic accounting model in the distributed computing environment is also discussed.
This paper disscuses the minimal area rectangular packing problem of how to pack a set of specified, non-overlapping rectangels into a rectangular container of minimal area. We investigate different mathematical programming approaches of this and introduce a novel approach based on non-linear optimization and the \\\"tunneling effect\\\" achieved by a relaxation of the non-overlapping constraints.
In this article, we present an analytic solution for Jiang's constitutive model of elastoplasticity. It is considered in its stress controlled form for proportional stress loading under the assumptions that the one-to-one coupling of the yield surface radius and the memory surface radius is switched off, that the transient hardening is neglected and that the ratchetting exponents are constant.
This dissertation is intended to transport the theory of Serre functors into the context of A-infinity-categories. We begin with an introduction to multicategories and closed multicategories, which form a framework in which the theory of A-infinity-categories is developed. We prove that (unital) A-infinity-categories constitute a closed symmetric multicategory. We define the notion of A-infinity-bimodule similarly to Tradler and show that it is equivalent to an A-infinity-functor of two arguments which takes values in the differential graded category of complexes of k-modules, where k is a commutative ground ring. Serre A-infinity-functors are defined via A-infinity-bimodules following ideas of Kontsevich and Soibelman. We prove that a unital closed under shifts A-infinity-category over a field admits a Serre A-infinity-functor if and only if its homotopy category admits an ordinary Serre functor. The proof uses categories and Serre functors enriched in the homotopy category of complexes of k-modules. Another important ingredient is an A-infinity-version of the Yoneda Lemma.
An efficient approach for calculating the effective heat conductivity for a class of industrial composite materials, such as metal foams, fibrous glass materials, and the like, is discussed. These materials, used in insulation or in advanced heat exchangers, are characterized by a low volume fraction of the highly conductive material (glass or metal) having a complex, network-like structure and by a large volume fraction of the insulator (air). We assume that the composite materials have constant macroscopic thermal conductivity tensors, which in principle can be obtained by standard up-scaling techniques, that use the concept of representative elementary volumes (REV), i.e. the effective heat conductivities of composite media can be computed by post-processing the solutions of some special cell problems for REVs. We propose, theoretically justify, and numerically study an efficient approach for calculating the effective conductivity for media for which the ratio of low and high conductivities satisfies 1. In this case one essentially only needs to solve the heat equation in the region occupied by the highly conductive media. For a class of problems we show, that under certain conditions on the microscale geometry, the proposed approach produces an upscaled conductivity that is O() close to the exact upscaled permeability. A number of numerical experiments are presented in order to illustrate the accuracy and the limitations of the proposed method. Applicability of the presented approach to upscaling other similar problems, e.g. flow in fractured porous media, is also discussed.
Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) sind das Ergebnis der zunehmenden Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mittels neuerer Netzwerkstrukturen. Eine ganze Fülle von Einflussfaktoren führt jedoch zu einem Spektrum von nicht-deterministischen Verzögerungen, die direkten Einfluss auf Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierungsanlagen haben. Eine genaue Analyse dieser Einflussfaktoren ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem Beitrag wird gezeigt, welchen Einfluss einzelne Komponenten sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) verwendet. Umfangreiche Messungen wurden zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt.
In der vorliegenden Arbeit werden Sekundärstrukturmotive von isolierten Peptiden und Peptid-Aggregaten in der Gasphase analysiert. Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Eigenschaften werden die isolierten Peptide durch adiabatische Abkühlung in Molekularstrahlen erzeugt. Durch die Anwendung hochsensitiver Techniken der Doppelresonanzspektroskopie, Resonante zwei Photonen Ionisation (R2PI) und Infrarot/Resonante zwei Photonen Ionisation (IR/R2PI), werden die Peptide und Peptid-Aggregate hinsichtlich ihrer Elektronen – und Schwingungsübergängen analysiert. Die Schwingungsfrequenzen im Bereich der Amid A, I, II Moden und im oberen „Fingerprintbereich“ von Peptiden sind sehr signifikant für die Geometrie des Rückgrates und der Seitenketten, z.B. unterscheiden sich Schwingungen von Gruppen, die an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sind, sehr stark durch ihre Lage und Intensität gegenüber Schwingungen von frei vorliegenden Gruppen. Ein Vergleich mit berechneten Schwingungsfrequenzen aus ab initio und Dichtefunktionaltheorie Rechnungen ermöglicht eine Zuordnung zu einer bestimmten Struktur. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Sekundärstrukturen über die Analyse von geschützten Aminosäuren, Di- und Tripeptiden untersucht. Insbesondere gelang es erstmals, ein ß-Faltblattmodellsystem für ein isoliertes Dimer eines Peptids nachzuweisen. Weiterhin werden zum molekularen Verständnis der Mikrosolvatation Aggregate mit Wassermolekülen betrachtet und somit der Einfluss auf die Sekundärstruktur durch sukzessive Aggregation von Wassermolekülen analysiert. In Kooperation mit Prof. Schrader (Universität Duisburg-Essen) werden Templatmoleküle charakterisiert, um ihre Fähigkeiten zur Anlagerung an schädliche ß-Faltblattstrukturen zu untersuchen, die in sogenannten neurodegenerativen Krankheiten häufig auftreten. Die Effizienz ist sowohl über die Analyse der Zahl und Stärke der inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen als auch über die gebildete Clusterstruktur untersucht worden.
Anionenrezeptoren aus Cyclopeptiden mit 6-Aminopicolinsäure- und substituierten Prolinuntereinheiten
(2007)
Ziel dieser Arbeit war es, neue Cyclopeptide auf Basis der in der Arbeitsgruppe um S. Kubik untersuchten Anionenrezeptoren aus L-Prolin- und 6-Aminopicolinsäure zu entwickeln und hinsichtlich ihrer Rezeptor- und Sensoreigenschaften zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Einfluss von Substituenten an den Prolinuntereinheiten auf die Bindungsaffinität und -selektivität. Durch eine systematische Syntheseoptimierung konnte eine effiziente Strategie für ein 4R-Amino-L-prolin-haltiges Dipeptid erarbeitet werden, welches es ermöglicht, verschiedene Substituenten mit der gewünschten Konfiguration an den C(γ)-Atomen der Prolineinheiten einzuführen. Aus den funktionalisierten Dipeptiden konnten anschließend die entsprechenden Cyclopeptide nach Standardmethoden aufgebaut werden. Die Charakterisierung der Bindungseigenschaften dieser Verbindungen hinsichtlich der Komplexierung verschiedener Sulfonate und Acetat erfolgte mittels NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie in unterschiedlichen Lösungsmitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass die Struktur und die Flexibilität der peripheren Substituenten um den Cyclopeptidhohlraum einen signifikanten Einfluss auf die Substratbindung besitzt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Anionenrezeptoren aus einfach und zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden). Die Cyclohexapeptiduntereinheiten bestehen dabei aus einer alternierenden Sequenz aus L-Prolin und 6-Aminopicolinsäure. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden eine Reihe neuer einfach verbrückter Bis(cyclopeptide) synthetisiert und mit dem bis jetzt einzigen bekannten verbrückten Bis(cyclopeptid) dieser Art verglichen. Bei diesen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die neu dargestellten Bis(cyclopeptide) anorganische Anionen auf die gleiche Art wie das bereits bekannte binden. Dabei wird das Anion kooperativ durch die Cyclopeptiduntereinheiten über sechs Wasserstoffbrücken koordiniert. Mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) wurden die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung der Anionen mit den Bis(cyclopeptiden) bestimmt. Es stellte sich heraus, dass die Linkerstruktur einen großen Einfluss auf die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung besitzt, wenn auch die resultierenden Bindungskonstanten der Rezeptoren für ein Anion in einer ähnlichen Größenordung liegen. Mit einem log Ka von etwa 6,0 konnte in dieser Untersuchung einer der besten neutralen Sulfatrezeptoren in wässrigen Lösungsmitteln identifiziert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Strategie erarbeitet, die den Zugang zu zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) ermöglicht. Dabei wurde die dynamische kovalente Chemie (DCC) bei der Synthese verwendet. Als reversible Reaktion wurde der Disulfidaustausch eingesetzt. Bei der Synthese wurde ein entsprechend dithiofunktionalisiertes Bis(cyclopeptid) in Anwesenheit verschiedener Dithiole als Linker und eines Templats umgesetzt. Dabei bildete sich die thermodynamisch stabilste Bis(cyclopeptid)-Linker Struktur aus. Es konnten im Laufe dieser Untersuchungen bereits erste Strukturen identifiziert werden, die selektiv für Anionen der Größe und Geometrie von Sulfat und Iodid waren. Dabei wurden nur Bis(cyclopeptide) gebildet, die einen Linker pro Brücke besaßen und es kam nicht zum Einbau verschiedener Linker in ein Bis(cyclopeptid). Im letzten Teil dieser Arbeit wurde überprüft, ob die Entwicklung eines Sensors auf Basis von einfach verbrückten Bis(cycloeptiden) möglich ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Bis(cyclopeptiden) als Ionophore in ionenselektiven Elektroden (ISEs) kein viel versprechender Weg zur Erzeugung eines Sensors ist. Durch die Einführung eines fluoreszenzaktiven Linker konnte aber Bis(cyclopeptid) synthetisiert werden, dass in wässrigen Lösungen einen hochselektiven Fluoreszenzsensor für Sulfat darstellt. Dabei kommt es in Anwesenheit von Sulfat, selbst in Anwesenheit von 100 Äquivalenten Natriumchlorid, zu einer Löschung der Fluoreszenz. Keins der anderen acht untersuchten Anionen hatte einen ähnlichen Effekt auf das Fluoreszenzspektrum. Durch theoretische DFT Rechnungen konnte die Löschung der Fluoreszenz rationalisiert werden. Damit eröffnen sich erste praktische Anwendungen für die Bis(cyclopetide).
Annual Report 2006
(2007)
Annual Report, Jahrbuch AG Magnetismus
The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical solver for the Navier-Stokes equations, based on an underlying molecular dynamic model. Recently, it has been extended towardsthe simulation of complex fluids. We use the asymptotic expansion technique to investigate the standard scheme, the initialization problem and possible developments towards moving boundary and fluid-structure interaction problems. At the same time, it will be shown how the mathematical analysis can be used to understand and improve the algorithm. First of all, we elaborate the tool "asymptotic analysis", proposing a general formulation of the technique and explaining the methods and the strategy we use for the investigation. A first standard application to the LBM is described, which leads to the approximation of the Navier-Stokes solution starting from the lattice Boltzmann equation. As next, we extend the analysis to investigate origin and dynamics of initial layers. A class of initialization algorithms to generate accurate initial values within the LB framework is described in detail. Starting from existing routines, we will be able to improve the schemes in term of efficiency and accuracy. Then we study the features of a simple moving boundary LBM. In particular, we concentrate on the initialization of new fluid nodes created by the variations of the computational fluid domain. An overview of existing possible choices is presented. Performing a careful analysis of the problem we propose a modified algorithm, which produces satisfactory results. Finally, to set up an LBM for fluid structure interaction, efficient routines to evaluate forces are required. We describe the Momentum Exchange algorithm (MEA). Precise accuracy estimates are derived, and the analysis leads to the construction of an improved method to evaluate the interface stresses. In conclusion, we test the defined code and validate the results of the analysis on several simple benchmarks. From the theoretical point of view, in the thesis we have developed a general formulation of the asymptotic expansion, which is expected to offer a more flexible tool in the investigation of numerical methods. The main practical contribution offered by this work is the detailed analysis of the numerical method. It allows to understand and improve the algorithms, and construct new routines, which can be considered as starting points for future researches.
Mit der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes im Jahr 2005 wurde die Bundesnetzagentur damit beauftragt, ein Regulierungskonzept für den Energiesektor zu entwickeln. Im Sommer 2006 hat die Regulierungsbehörde einen Entwurf zur Anreizregulierung vorgelegt, der in Form einer Verordnung im Sommer 2007 in Kraft treten wird. Die Anwendung der Anreizregulierung ab dem 1.1.2009 ist ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zum angepeilten wettbewerbsorientierten und nachhaltigen Stromsystem. Dieses Ziel wird seit Beginn der Liberalisierung in den 90er Jahren vor allem auf gesamteuropäischer Ebene verfolgt, und Schritt für Schritt auf die nationale Ebene übertragen. Da die Netzentgeltregulierung wie in den meisten europäischen Ländern auch in Deutschland als Anreizregulierung ausgestaltet wird, besteht die Herausforderung darin,in diesem Verfahren die Anreize so zu setzen, dass die Netzbetreiber den angedeuteten Umbau des Stromsystems im eigenen ökonomischen Interesse unterstützen oder ihn zumindest nicht behindern. Ziel dieser Arbeit ist es das Regulierungskonzept der Bundesnetzagentur daraufhin zu untersuchen, welche Anreizstrukturen für Stromnetzbetreiber geschaffen werden. Schließlich ergibt sich aus den Regulierungsanreizen die Bedeutung der Anreizregulierung für dezentrale Stromversorgung. Als Maßstab für den Grad der Zielerreichnung dient das Ideal des gleichberechtigten Spielfeldes, das einen Handlungsrahmen setzt, in dem faire Bedingungen sowohl für dezentrale als auch für zentrale Stromoptionen herrschen.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen analysiert und ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts entwickelt. Die Basis dazu bilden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Des Weiteren wird die Reibung zwischen dem Schaft von einbetonierten Kopfbolzendübeln und dem umgebendem Beton experimentell untersucht. Anhand von 21 großmaßstäblichen Traglastversuchen, die erstmals so konzipiert waren, dass im Öffnungsbereich nahezu die gesamte Querkraft durch den Betongurt übertragen wurde, konnte die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts experimentell in engen Grenzen bestimmt werden. Neue Erkenntnisse über den Lastabtragungs- und Versagensmechanismus im Öffnungsbereich wurden durch die Auswertung der Dehnungen der Kopfbolzendübel im Öffnungsbereich und das nachträgliche Aufsägen des Betongurts der Versuchsträger gewonnen. Die Versuche wurden mit einem dreidimensionalen FE-Modell, das die Versuche in ihren wesentlichen Teilen abbildete, simuliert. Durch den Vergleich der rechnerischen mit den experimentell ermittelten Werten wurde dieses Modell überprüft und anschließend wurden damit Parameteruntersuchungen durchgeführt. Mit den Erkenntnissen aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen konnte der Lastabtragungsmechanismus im Öffnungsbereich umfassend analysiert werden und ein Ingenieurmodell zur Bestimmung und zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts im Öffnungsbereich entwickelt werden.
Der Bericht beinhaltet schwerpunktmäßig die Punkte "Informationstechnik und digitale Bibliotheksdienste", "Informationsportal Internet", Online-Fachdatenbanken", "Elektronische Hochschulschriften, Lernmaterialien und Zeitschriften", "Literatur- und Sachmittel", "Literaturerwerbung, Bestand, Bestanderschließung", "Benutzung", "Öffentlichkeitsarbeit/Ausstellungen" und "Personelle Änderungen" innerhalb der Universitätsbibliothek Kaiserslautern für das Jahr 2006.
Analog sensor electronics requires special care during design in order to increase the quality and precision of the signal, and the life time of the product. Nevertheless, it can experience static deviations due to the manufacturing tolerances, and dynamic deviations due to operating in non-ideal environment. Therefore, the advanced applications such as MEMS technology employs calibration loop to deal with the deviations, but unfortunately, it is considered only in the digital domain, which cannot cope with all the analog deviations such as saturation of the analog signal, etc. On the other hand, rapid-prototyping is essential to decrease the development time, and the cost of the products for small quantities. Recently, evolvable hardware has been developed with the motivation to cope with the mentioned sensor electronic problems. However the industrial specifications and requirements are not considered in the hardware learning loop. Indeed, it minimizes the error between the required output and the real output generated due to given test signal. The aim of this thesis is to synthesize the generic organic-computing sensor electronics and return hardware with predictable behavior for embedded system applications that gains the industrial acceptance; therefore, the hardware topology is constrained to the standard hardware topologies, the hardware standard specifications are included in the optimization, and hierarchical optimization are abstracted from the synthesis tools to evolve first the building blocks, then evolve the abstract level that employs these optimized blocks. On the other hand, measuring some of the industrial specifications needs expensive equipments and some others are time consuming which is not fortunate for embedded system applications. Therefore, the novel approach "mixtrinsic multi-objective optimization" is proposed that simulates/estimates the set of the specifications that is hard to be measured due to the cost or time requirements, while it measures intrinsically the set of the specifications that has high sensitivity to deviations. These approaches succeed to optimize the hardware to meet the industrial specifications with low cost measurement setup which is essential for embedded system applications.
Bringing robustness to patient flow management through optimized patient transports in hospitals
(2007)
Intra-hospital transports are often required for diagnostic or therapeutic reasons. Depending on the hospital layout, transportation between nursing wards and service units is either provided by ambulances or by trained personnel who accompany patients on foot. In many large German hospitals, the patient transport service is poorly managed and lacks workflow coordination. This contributes to higher hospital costs (e.g. when a patient is not delivered to the operating room on time) and to patient inconvenience due to longer waiting times. We have designed a computer-based planning system - Opti-TRANS c - that supports all phases of the transportation flow, ranging from travel booking, dispatching transport requests to monitoring and reporting trips in real-time. The methodology developed to solve the underlying optimization problem - a dynamic dial-a-ride problem with hospital-specific constraints - draws on fast heuristic methods to ensure the efficient and timely provision of transports. We illustrate the strong impact of Opti-TRANS c on the daily performance of the patient transportation service of a large German hospital. The major benefits obtained with the new tool include streamlined transportation processes and workflow, significant savings and improved patient satisfaction. Moreover, the new planning system has contributed to increase awareness among hospital staff about the importance of implementing efficient logistics practices.
Given a directed graph G = (N,A) with arc capacities u and a minimum cost flow problem defined on G, the capacity inverse minimum cost flow problem is to find a new capacity vector u' for the arc set A such that a given feasible flow x' is optimal with respect to the modified capacities. Among all capacity vectors u' satisfying this condition, we would like to find one with minimum ||u' - u|| value. We consider two distance measures for ||u' - u||, rectilinear and Chebyshev distances. By reduction from the feedback arc set problem we show that the capacity inverse minimum cost flow problem is NP-hard in the rectilinear case. On the other hand, it is polynomially solvable by a greedy algorithm for the Chebyshev norm. In the latter case we propose a heuristic for the bicriteria problem, where we minimize among all optimal solutions the number of affected arcs. We also present computational results for this heuristic.
Esterases and lipases are widely used as industrial enzymes and for the synthesis of chiral drugs. Because of their rich secondary metabolism, Streptomyces species offer a relatively untapped source of interesting esterases and lipases. S. coelicolor and S. avermitilis contain 51 genes annotated as esterases and/or lipases. In this study I have cloned 14 different genes encoding for lipolytic enzymes from S. coelicolor (11 genes) and S. avermitilis (four genes). Some of these genes were over-expressed in E. coli. Three of the produced enzymes, which were produced by the genes SCO 7131, SCO6966 and SCO3644, were characterized biochemically and one of them was subjected for directed evolution. The gene estA (locus SCO 7131) was annotated as a putative lipase/esterase in the genome sequence of S. coelicolor A3(2), but does not have a homologue in the genome sequence of S. avermitilis or in other known Streptomyces sequences. estA was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. The protein was purified and could be recovered in its non-tagged form after digestion with factor Xa. The relative molecular weight was estimated to be 35.5kDa. The enzyme was only active towards acetate esters and not on larger substrates. It had a stereospecificity towards α-naphathylacetate. It was thermostable, with a half-life at 50C of 4.5 hours. Est A showed stability over pH range 5.5-10, and had optimum pH of 7.5. Its activity was drastically decreased when it was pre-incubated in 10mM PMSF, Cu+2 and Hg+2. It was not very stable in most organic solvents and had only slight enantioselectivity. Est A belongs to the HSL family whose founder member is the human hormone-sensitive lipase. I have developed a protein profile for the HSL family modifying the conserved motifs found by Arpigny and Jaeger (1999). Due to the presence of several HSL members with known 3D structure and good homology to Est A, I was able to make a homology model of Est A. Five different mutants of Est A were produced through site directed mutagenesis: W87F, V158A, W87F/V158A, M162L and S163A. The mutants M162L and S163A did not produce a significant change either in substrate specificity or enzyme kinetics. The mutants V158A and W87F/V158A could act on the larger substrates p-nitrophenylbutyrate and caproate and tributyrin. The mutant V158A had improved thermostability and its t1/2 at 50ºC increased to 24h. The affinity of V158A towards p-nitrophenyacetate increased 6-fold when compared with the wild type, whereas the affinity of W87F decreased 4-fold. Directed evolution of Est A was done through random mutagenesis and ER-PCR. A library of 6336 mutants was constructed and screened for mutants with a broader spectrum of substrate specificity. The mutant XXVF7 did show alteration in the substrate specificity of Est A. The mutant XXVF7 had 5 amino acids changes L76R, L146P, S196G, W213R and L267R. The gene locus SCO 6966 (estB gene) was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. It was not possible to remove the His-tag using factor Xa. The tagged protein had a molecular weight 31.9kDa. Est B was active against short chain fatty acid esters (C2-C6). Its optimum temperature was 30ºC and was stable for 1h at temperatures up to 37ºC. The enzyme had maximum activity at pH 8-8.5 and was stable over pH range 7.5-11 for 24h. It was highly sensitive for PMSF, Cu+2 and Hg+2. The enzymatic activity deceased in presence of organic solvents, however it was fairly stable for 1h in 20% organic solvents solutions. A third esterase was produced from the gene locus SCO 3644. This esterase was a thermosensitive one with optimum temperature of 35ºC. The three characterized enzymes included a thermophilic, mesophilic and psychrophilic ones. This indicates the high variation in the characters of Streptomyces lipolytic enzymes and highlighting Streptomyces as a source for esterases and lipases of interesting catalytic activity. This study was an initial trial to provide a strategy for a comprehensive use of genome data.
The broad engineering applications of polymers and composites have become the
state of the art due to their numerous advantages over metals and alloys, such as
lightweight, easy processing and manufacturing, as well as acceptable mechanical
properties. However, a general deficiency of thermoplastics is their relatively poor
creep resistance, impairing service durability and safety, which is a significant barrier
to further their potential applications. In recent years, polymer nanocomposites have
been increasingly focused as a novel field in materials science. There are still many
scientific questions concerning these materials leading to the optimal property
combinations. The major task of the current work is to study the improved creep
resistance of thermoplastics filled with various nanoparticles and multi-walled carbon
nanotubes.
A systematic study of three different nanocomposite systems by means of
experimental observation and modeling and prediction was carried out. In the first
part, a nanoparticle/PA system was prepared to undergo creep tests under different
stress levels (20, 30, 40 MPa) at various temperatures (23, 50, 80 °C). The aim was
to understand the effect of different nanoparticles on creep performance. 1 vol. % of
300 nm and 21 nm TiO2 nanoparticles and nanoclay was considered. Surface
modified 21 nm TiO2 particles were also investigated. Static tensile tests were
conducted at those temperatures accordingly. It was found that creep resistance was
significantly enhanced to different degrees by the nanoparticles, without sacrificing
static tensile properties. Creep was characterized by isochronous stress-strain curves,
creep rate, and creep compliance under different temperatures and stress levels.
Orientational hardening, as well as thermally and stress activated processes were
briefly introduced to further understanding of the creep mechanisms of these
nanocomposites. The second material system was PP filled with 1 vol. % 300 nm and 21 nm TiO2
nanoparticles, which was used to obtain more information about the effect of particle
size on creep behavior based on another matrix material with much lower Tg. It was
found especially that small nanoparticles could significantly improve creep resistance.
Additionally, creep lifetime under high stress levels was noticeably extended by
smaller nanoparticles. The improvement in creep resistance was attributed to a very
dense network formed by the small particles that effectively restricted the mobility of
polymer chains. Changes in the spherulite morphology and crystallinity in specimens
before and after creep tests confirmed this explanation.
In the third material system, the objective was to explore the creep behavior of PP
reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Short and long aspect ratio nanotubes
with 1 vol. % were used. It was found that nanotubes markedly improved the creep
resistance of the matrix, with reduced creep deformation and rate. In addition, the
creep lifetime of the composites was dramatically extended by 1,000 % at elevated
temperatures. This enhancement contributed to efficient load transfer between
carbon nanotubes and surrounding polymer chains.
Finally, a modeling analysis and prediction of long-term creep behaviors presented a
comprehensive understanding of creep in the materials studied here. Both the
Burgers model and Findley power law were applied to satisfactorily simulate the
experimental data. The parameter analysis based on Burgers model provided an
explanation of structure-to-property relationships. Due to their intrinsic difference, the
power law was more capable of predicting long-term behaviors than Burgers model.
The time-temperature-stress superposition principle was adopted to predict long-term
creep performance based on the short-term experimental data, to make it possible to
forecast the future performance of materials.
Acrylamid (AA) ist ein Kanzerogen, das beim Braten, Backen und Frittieren stärkehaltiger Le-bensmittel im Wesentlichen aus dem Vorläufer Asparagin in Gegenwart reduzierender Zucker in substantiellen Mengen gebildet wird. AA wird im Organismus metabolisch zu Glycidamid (GA) umgewandelt. Für GA wurden DNA-Addukte insbesondere mit dem N7 des Guanins nachgewiesen. Von besonderem Interesse für die Risikobewertung von AA ist Aufklärung des kanzerogenen Wirkmechanismus sowie des genotoxischen Potentials im Vergleich zu anderen bekannten Kanzerogenen. Ziel der Arbeit war es daher, das genotoxische Potential von AA und seinen Metaboliten GA sowie deren genotoxischen Wirkmechanismus zu charakterisieren. AA wurde im Vergleich zu den alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Acrolein (Ac) und Hexenal (Hex) getestet, GA vergleichend zu aktiven Formen der Kanzerogene Benzo[a]pyren (B[a]P) und N-Nitrosodiethanolamin (NDELA) sowie den N-Nitrosoharnstoffen MNU und HENU und ausgewählten N-Nitroso-oxazolidinonen, einer Gruppe von N-Nitrosaminen, welche möglicherweise endogen im Organismus gebildet und nach Hydrolyse in ihre biologisch aktive Form überführt werden. Humanes Vollblut, isolierte Lymphozyten sowie V79-Säugerzellen wurden als Testsysteme verwendet. Als Endpunkte der Genotoxizität wurde die Induktion und Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen sowie der Einfluss von Glutathion auf die DNA-Strangbruchinduktion im Comet Assay bestimmt. Die Sensitivität und Selektivität des Comet Assays wurde durch zusätzliche Behandlung der DNA mit dem DNA-Reparaturenzym Formamido-pyrimidin-DNA-glykosylase (FPG) gesteigert. FPG erkennt AP Stellen, ring-geöffnete Pyrimidine sowie oxidierte Purine und überführt diese in zusätzliche DNA-Strangbrüche. Das mutagene Potential der Verbindungen nach 5-tägiger Expressionszeit wurde in V79 Zellen mittels hPRT-Genmutations-Assay untersucht. AA erwies sich in allen Testsystemen als nicht genotoxisch. Die im Vergleich getesteten alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Ac und Hex waren ebenfalls in humanem Vollblut nicht genotoxisch, verursachten jedoch in isolierten Lymphozyten in hohen Konzentrationen(> 3000 µM) DNA-Strangbrüche. GA war in allen Testsystemen genotoxisch. Im Comet Assay ohne FPG zeigten sich DNA-Strangbrüche ab 300 µM (1h). Nach zusätzlicher Behandlung der DNA mit FPG wurden bereits ab 10 µM (4h) DNA-Strangbrüche detektiert. DNA-Schäden waren erst ab einer Inkubationszeit von einer Stunde signifikant und erreichten nach 24h ein Maximum. GA induzierte in V79 Zellen zudem erst in 80-fach höheren Konzentrationen hPRT-Mutationen (800 µM) als DNA-Strangbrüche. Zusätzlich zeigte sich, dass die Mutationsrate erst in Konzentrationen signifikant erhöht war, in denen eine Reduktion der DNA-Schäden nicht mehr effektiv erfolgte. Die Genotoxizität von GA beruht vermutlich auf der präferentiellen Bindung an N7-Guanin. Die entstehenden N7-G-Addukte werden entweder spontan zur AP Stelle depuriniert oder zum Formamido-pyrimidin ring-geöffnet. Beide Arten von Folgeprodukten sind FPG-Substrate und werden vermutlich effizient repariert, sodass es erst bei hohen lokalen Konzentrationen (> 800 µM) zu einer signifikanten Ausprägung von Mutationen kommt. Die im Vergleich zu GA getesteten Kanzerogene (±)-BPDE und alpha-Acetoxy-NDELA waren im Comet Assay bei ähnlichen Konzentrationen genotoxisch (10-30 µM; 1h). Im Gegensatz zu GA induzierten beide allerdings hPRT-Mutationen (3-10 µM) im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche. Ähnliche genotoxische Eigenschaften zeigten auch die im Vergleich zu GA getesteten N-Nitrosoverbindungen. Die Gruppe der N-Nitroso-oxazolidinone wurde erstmals im Hinblick auf Genotoxizität und Mutagenität geprüft. NOZ-2 induzierte in V79 Zellen bereits nach 15’ ab 3 µM maximal DNA-Strangbrüche. HENU induzierte DNA-Strangbrüche ab 100 µM (15’). In beiden Fällen hatte FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion. Sowohl NOZ-2 als auch HENU sind hydroxyethylierend. Im Gegensatz dazu, waren das carboxymethylierende oder methylierende NOZ-5 und das methylierende MNU im Comet Assay ohne FPG nur gering aktiv (> 300 resp. 1000 µM; 15’), während nach FPG-Behandlung die Aktivität im Comet Assay (NOZ-5: >10µM; MNU: >100µM; 15’) deutlich gesteigert war. Die Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen ist für die Verbindungen unterschiedlich. Während die NOZ-2-induzierten DNA-Läsionen (30µM) persistieren, wurden die durch NOZ-5 und HENU induzierten DNA-Schäden -vergleichbar mit GA- effektiv innerhalb einer 8-stündigen Nachbehandlungszeit reduziert. Für alle untersuchten N-Nitrosoverbindungen waren hPRT-Mutationen im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche im Comet Assay mit FPG nachweisbar. Die N-Nitrosoverbindungen sind damit insgesamt deutlich potenter mutagen als GA. NOZ-2 und HENU führen vermutlich vergleichbar mit alpha-Acetoxy-NDELA zu einer Hydroxyethylierung der DNA-Phosphodiester. Die resultierenden Phosphotriester sind instabil und werden voraussichtlich schnell in DNA-Strangbrüche gespalten. Des Weiteren ist die Bildung instabiler N7-G- und promutagener O6-G-2-Hydroxyethyl-Addukte zu erwarten. Das potentiell DNA-carboxymethylierende/methylierende NOZ-5 und das DNA-methylierende MNU alkylieren ver-mutlich die gleichen Positionen in der DNA. Allerdings scheinen die gebildeten Methyl- oder Carboxymethyl-Phosphotriester stabil zu sein und werden nicht spontan in Strangbrüche überführt. Die gebildeten N7-G-Addukte sind FPG-Substrate, was sich am FPG-vermittelten Anstieg der DNA-Strangbruchrate zeigt. Dies steht im Gegensatz zu NOZ-2, bei welchem FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion hatte. Vermutlich ist dies auf die Hydroxyethylierung der Phosphat-Gruppen durch NOZ-2 zurückzuführen, deren spontane DNA-Strangbruch-Induktion den Nachweis von N7-G-Addukten mittels FPG überlagert. Weiterhin zeigte sich, dass trotz vergleichbar hoher hPRT-Mutagenität, NOZ-5-induzierte DNA-Schäden deutlich geringer persistent als entsprechende NOZ-2-Läsionen sind. Das mutagene Potential von NOZ-5 ist daher vermutlich, neben anderen nicht reparierten DNA-Schäden, auf promutagene O6-G-Addukte zurückzuführen, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden. Orientierend wurde der Einfluss detoxifizierender Makromoleküle auf die Genotoxizität von GA und alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen durch Vergleich der Aktivitäten in humanem Vollblut und isolierten Lymphozyten sowie durch Co-Inkubation mit Glutathion (GSH) in V79 Zellen untersucht. Während Ac und Hex in isolierten Lymphozyten deutlich potenter DNA-schädigend als in humanem Vollblut sind, ist GA in beiden Systemen vergleichbar genotoxisch. Offensichtlich wird in humanem Vollblut die Aktivität von GA durch detoxifizierende Blutbestandteile nur unwesentlich beeinflusst. Ein entsprechender Effekt zeigt sich auch bei der Co-Inkubation von V79 Zellen. Während GSH die DNA-schädigende Wirkung von Ac und Hex in V79 Zellen deutlich reduzierte, war für GA kein signifikanter Unterschied zur DNA-Strangbruchrate in ausschließlich GA-behandelten Zellen nachzuweisen. Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass AA selbst nicht genotoxisch bzw. mutagen ist; Ac und Hex in humanem Vollblut ebenfalls nicht genotoxisch sind, allerdings in isolierten Lymphozyten bei hohen Konzentrationen (> 3000 µM) Genotoxizität induzieren; die genotoxische/ mutagene Wirkung von AA durch GA vermittelt wird; GA im Vergleich zu anderen potenten Kanzerogenen Genotoxizität nur sehr langsam induziert (signifikant nach 1h) und eher schwach mutagen ist; GA-induzierte DNA-Läsionen schnell (innerhalb von 8h) repariert werden;die physiologische Umgebung in Humanblut nur geringen Einfluss auf die biologische Aktivität von GA hat; NOZ-2 vergleichbar mit HENU mit und ohne FPG-Behandlung signifikant DNA-Strangbrüche erzeugt. Vermutlich führt die Hydroxylierung am Phosphat-Rückgrad zu spontanen Strangbrüchen, die den FPG-Effekt überlagern; NOZ-5 (vermutlich methylierend oder carboxymethylierend im Comet Assay) im Gegensatz dazu ohne FPG-Behandlung im Comet Assay nur schwach aktiv ist, während nach FPG-Behandlung offenbar die vermutete Bildung von N7-G-Addukten zum Tragen kommt; NOZ’s in V79-Zellen potente Mutagene sind; dies vermutlich in Folge von O6-Guanin-Addukt-Bildung, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden; durch Kombination unterschiedlicher Protokolle des Comet-Genotoxizitäts- und hPRT-Mutagenitätstests orientierende Aussagen über den Zusammenhang zwischen DNA-Alkylierung, Detoxifizierung, DNA-Reparatur und der Entstehung von Mutationen gemacht werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Membranproteine mit strukturellen Ähnlichkeiten zu Anion:Cation-Symportern, insbesondere zu den Transportern der NaPi1- Familie aus Tieren untersucht. Neben den bereits bekannten Anion-Transporter (ANTR) aus Arabidopsis thaliana (ROTH et al., 2004) wurde in dieser Arbeit eine homologe Proteinfamilie aus Oryza sativa identifiziert. Dabei konnte die funktionelle Verwandtschaft der Proteine AtANTR5 aus A. thaliana und OsANTR5.1 aus O. sativa mittels Komplementation der antr5-Mutante nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung der physiologischen Bedeutung des AtANTR5-Proteins in der Phosphathomöostase, im Stickstoffstoffwechsel oder bei Pathogenbefall. Mittels GFP-Fusionsexperimenten konnte für AtANTR5 eine subzelluläre Lokalisierung im Golgi-Apparat festgestellt werden. Durch AtANTR5-Promotor-GUS-Pflanzen wurde die gewebe- und entwicklungsspezifische Expression des Membranproteins untersucht. AtANTR5 weist in den meisten Geweben eine sehr geringe Transkriptmenge auf und ist mittels GUS-Färbung nur in Pollen detektierbar. Dennoch ist das AtANTR5-Protein für die ganze Pflanze von essentieller Bedeutung, da eine Inaktivierung des Gen zu gravierenden phänotypischen Veränderungen, gekennzeichnet durch zwergenhaften Wuchs, eingerollten Blättern und Blattläsionen. Aufgrund der Ähnlichkeit zu tierischen Phosphattransportern, wurde zunächst der Einfluss von AtANTR5 auf die Phosphathomöostase in entsprechenden „knock out“-Mutanten untersucht. Es konnte jedoch keine Veränderungen im Phosphathaushalt festgestellt werden. Vielmehr weist die antr5-Mutante eine erhöhte Sensitivität gegenüber Aminosäuren, Ammonium und Salz auf. Offensichtlich ist die durch AtANTR5 Transportaktivität innerhalb des Golgi-Apparates von außerordentlichen Wichtigkeit für den pflanzlichen Stoffwechsel. Des weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen AtANTR5 und Pathogenabwehr festgestellt werden. „Northern-Blot“-Analysen zeigten eine Induktion der AtANTR5-Expression als Antwort auf Pathogenbefall durch P. syringae. Zytologische sowie histochemische Analysen haben bei antr5-Pflanzen die Ausprägung zahlreicher Abwehrmechanismen, wie Ablagerungen von Callose in den Zellwänden, Akkumulation von phenolischen Metaboliten, Salizylsäure, PR Proteinen und Wasserstoffperoxid oder Absterben der Zellen, gezeigt. Weiterhin konnte eine erhöhte Resistenz der antr5-Pflanzen gegenüber dem Befall von P. syringae ermittelt werden. Durch die Expression des NahG-Gens in antr5-Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Expression der PR-Gene Salizylsäure abhängig, das spontane Absterben der Zellen jedoch Salizylsäure unabhängig war. Dieses Befund lässt den Schluss zu, dass erhöhte SA-Akkumulation und die dadurch aktivierte Abwehr, sekundäre Effekte der AtANTR5-Inaktivierung darstellen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese neuartiger, substituierter N,N,N-tridentater Liganden auf der Basis der Stammverbindungen 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridin und 2,6-Di(pyrimidin-4-yl)pyridin. Die katalytische Aktivität von Dichloroeisen- und Dichlorocobaltkomplexen dieser Liganden in der Olefinpolymerisation wurde getestet. Einen weiteren Schwerpunkt stellte die Synthese von Rutheniumkomplexen auf der Basis dieser neuartigen Liganden und deren Anwendbarkeit in homogen katalysierten Oxidations- und Epoxidationsreaktionen sowie der Hydrovinylierungsreaktion dar. Die Möglichkeit den Liganden 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridin leicht chemisch modifizieren zu können, wurde genutzt, um Eigenschaften (z. B. die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln) des Liganden und der sich ableitenden Komplexe zu beeinflussen. Zur regioselektiven N-Funktionalisierung der Pyrazolringe wurden nucleophile Substitutionsreaktionen genutzt. Dieser einfache Zugangsweg zu substituierten 2,6-Di(pyrazol-3-yl)pyridinen wurde ebenso dazu verwendet, um funktionelle Gruppen, die eine Substraterkennung über Wasserstoffbrückenbindungen und eine Komplexierung von Lewis-Säuren ermöglichen sollte, in die Peripherie dieser Liganden anzubinden.
A fully automatic procedure is proposed to rapidly compute the permeability of porous materials from their binarized microstructure. The discretization is a simplified version of Peskin’s Immersed Boundary Method, where the forces are applied at the no-slip grid points. As needed for the computation of permeability, steady flows at zero Reynolds number are considered. Short run-times are achieved by eliminating the pressure and velocity variables using an Fast Fourier Transform-based and 4 Poisson problembased fast inversion approach on rectangular parallelepipeds with periodic boundary conditions. In reference to calling it a fast method using fictitious or artificial forces, the implementation is called FFF-Stokes. Large scale computations on 3d images are quickly and automatically performed to estimate the permeability of some sample materials. A matlab implementation is provided to allow readers to experience the automation and speed of the method for realistic three-dimensional models.
The main concern of this contribution is the computational modeling of biomechanically relevant phenomena. To minimize resource requirements, living biomaterials commonly adapt to changing demands. One way to do so is the optimization of mass. For the modeling of biomaterials with changing mass, we distinguish between two different approaches: the coupling of mass changes and deformations at the constitutive level and at the kinematic level. Mass change at the constitutive level is typically realized by weighting the free energy function with respect to the density field, as experimentally motivated by Carter and Hayes [1977] and computationally realized by Harrigan and Hamilton [1992]. Such an ansatz enables the simulation of changes in density while the overall volume remains unaffected. In this contribution we call this effect remodeling. Although in principle applicable for small and large strains, this approach is typically adopted for hard tissues, e.g. bone, which usually undergo small strain deformations. Remodeling in anisotropic materials is realized by choosing an appropriate anisotropic free energy function. <br> Within the kinematic coupling, a changing mass is characterized through a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a growth part and an elastic part, as first introduced in the context of plasticity by Lee [1969]. In this formulation, which we will refer to as growth in the following, mass changes are attributed to changes in volume while the material density remains constant. This approach has classically been applied to model soft tissues undergoing large strains, e.g. the arterial wall. The first contribution including this ansatz is the work by Rodriguez, Hoger and McCulloch [1994]. To model anisotropic growth, an appropriate anisotropic growth deformation tensor has to be formulated. In this contribution we restrict ourselves to transversely isotropic growth, i.e., growth characterized by one preferred direction. On that account, we define a transversely isotropic growth deformation tensor determined by two variables, namely the stretch ratios parallel and perpendicular to the characteristic direction. <br> Another method of material optimization is the adaption of the inner structure f a material to its loading conditions. In anisotropic materials this can be realized by a suitable orientation of the material directions. For example, the trabeculae in the human femur head are oriented such that they can carry the daily loads with an optimum mass. Such a behavior can also be observed in soft tissues. For instance, the fibers of muscles and the collagen fibers in the arterial wall are oriented along the loading directions to carry a maximum of mechanical load. If the overall loading conditions change, for instance during a balloon angioplasty or a stent implantation, the material orientation readapts, which we call reorientation. The anisotropy type in biomaterials is often characterized by fiber reinforcement. A particular subclass of tissues, which includes muscles, tendons and ligaments, is featured by one family of fibers. More complex microstructures, such as arterial walls, show two fiber families, which do not necessarily have to be perpendicular. Within this contribution we confine ourselves to the first case, i.e., transversely isotropic materials indicated by one characteristic direction. The reorientation of the fiber direction in biomaterials is commonly smooth and continuous. For transverse isotropy it can be described by a rotation of the characteristic direction. Analogous to the theory of shells, we additionally exclude drilling rotations, see also Menzel [2006]. However, the driving force for these reorientation processes is still under discussion. Mathematical considerations promote strain driven reorientations. As discussed, for instance, in Vianello [1996], the free energy reaches a critical state for coaxial stresses and strains. For transverse isotropy, it can be shown that this can be achieved if the characteristic direction is aligned with a principal strain direction. From a biological point of view, depending on the kind of material (i.e. bone, muscle tissue, cartilage tissue, etc.), both strains and stresses can be suggested as stimuli for reorientation. Thus, whithin this contribution both approaches are investigated. <br> In contrast to previous works, in which remodeling, growth and reorientation are discussed separately, the present work provides a framework comprising all of the three mentioned effects at once. This admits a direct comparison how and on which level the individual phenomenon is introduced into the material model, and which influence it has on the material behavior. For a uniform description of the phenomenological quantities an internal variable approach is chosen. Moreover, we particularly focus on the algorithmic implementation of the three effects, each on its own, into a finite element framework. The nonlinear equations on the local and the global level are solved by means of the Newton-Raphson scheme. Accordingly, the local update of the internal variables and the global update of the deformation field are consistently linearized yielding the corresponding tangent moduli. For an efficient implementation into a finite element code, unitized update algorithms are given. The fundamental characteristics of the effects are illustrated by means of some representative numerical simulations. Due to the unified framework, combinations of the individual effects are straightforward.
Congress Report 2007.01
(2007)
Congress Report 2007.02
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Congress Report 2007.11-12
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We study nonlinear finite element discretizations for the density gradient equation in the quantum drift diffusion model. Especially, we give a finite element description of the so--called nonlinear scheme introduced by {it Ancona}. We prove the existence of discrete solutions and provide a consistency and convergence analysis, which yields the optimal order of convergence for both discretizations. The performance of both schemes is compared numerically, especially with respect to the influence of approximate vacuum boundary conditions.
In der betriebswirtschaftlichen Literatur hat sich bisher keine einheitliche Controllingkon-zeption durchsetzen können. Deswegen ist auch weitestgehend unklar, welche Instrumente dem Controlling zugeordnet werden können, obwohl eine starke instrumentelle Prägung des Controllings zu beobachten ist. Dieser Beitrag versucht, mit Hilfe kognitionswissen-schaftlicher Erkenntnisse und auf Basis einer breiten Literaturanalyse eine konsistente Zuordnung der betriebswirtschaftlichen Instrumente auf die betrieblichen Funktionsberei-che vorzunehmen. Dabei werden sechs Instrumentengruppen identifiziert, die unterschied-liche Arten von Methoden- und Faktenwissen benötigen. Diese Gruppen können zu weiten Teilen eindeutig einzelnen Funktionsbereichen zugeordnet werden. Auf diese Weise kann für eine ganze Reihe von betriebswirtschaftlichen Instrumenten die Controllingrelevanz präzise herausgearbeitet werden.
Embedded systems are becoming more and more important in today’s life in many ways. They can be found in dishwashers, mobile phones, coffee machines, PDAs, etc. Although there is no common definition of what an embedded system is, it can be generally defined as a special-purpose information processing system, containing both: software and hardware. Embedded systems are integrated in a larger systems which interact with environment for achieving a set of predefined tasks or applications. In general, embedded systems are characterized by resources scarcity, among which energy is becoming more and more important (especially the energy consumed by the processor). The energy consumed by an embedded system is strongly influenced by the software running on it (the embedded software). That is why it is crucial to explore the software characteristics that have an influence on the energy consumption, and to understand how this influence could be represented. In order to realize this task, there is a need for the construction of a reliable measurement platform for energy consumption by embedded devices. The target of this work is to design and implement a framework for measuring energy consumption of embedded software. This framework is based on the XScale architecture, a popular Intel platform designed for energy aware applications. The framework has a software repository which contains a number of programs (user-defined) that are supposed to run on the mentioned platform. These program codes are the input of the framework. Automated measurements for energy consumption are performed on all programs for gathering the required information. In the context of this work, a first evaluation of the framework was performed to make an initial check its quality.
Sepsis ist eine lebensbedrohliche Krankheit und eine der häufigsten Todesursachen auf Intensiv-Stationen. Eine der Hauptursachen für die Schwere dieser Krankheit ist die Lymphopenie, d. h. die apoptotische Depletion von Lymphozyten, die vor allem in der späten hypo-inflammatorischen Phase der Sepsis auftritt. Die dafür verantwortlichen Signalwege sind jedoch nicht im Detail geklärt. Die Liganden-vermittelte Aktivierung von PPARgamma (‚peroxisome proliferator activated receptor gamma’), einem wichtigen Regulator der Immunantwort, führt zur Apoptose in aktivierten T-Zellen. Daher postulierte ich, dass die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen zur Lymphopenie während der Sepsis beiträgt. Hierbei konnte ich zeigen, dass T-Zellen aus dem peripheren Blut von Sepsis-Patienten eine stark erhöhte PPARgamma-mRNA-Expression zeigten und in vitro stark erhöhte Apoptoseraten infolge einer Liganden-vermittelten PPARgamma-Aktivierung aufwiesen. Die hierfür erforderlichen PPARgamma-Liganden lagen im Plasma von Sepsis-Patienten vor. D. h. die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen könnte zur nachgewiesenen Lymphopenie während der Sepsis beitragen. Aufgrund der anti-inflammatorischen Wirkung von PPARgamma könnte dessen gezielte Aktivierung in der frühen hyper-inflammatorischen Phase durch Thiazolidindione (TZDs) als synthetische PPARgamma-Aktivatoren therapeutisch interessant sein. Da diese jedoch auch auf PPARgamma-unabhängigen Wegen den Zelltod in T-Zellen induzieren können, war es essentiell, die dafür verantwortlichen Signalwege zu klären. Dabei konnte ich feststellen, dass Ciglitazon Nekrose und Troglitazon Apoptose auf PPARgamma-unabhängigen Wegen bereits nach 4 h in Jurkat T-Zellen induzierten, wohingegen Rosiglitazon keinen Einfluss auf den Zelltod hatte. Die Inkubation der TZDs führte zur Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, welche eine wichtige Rolle bei der Ciglitazon-induzierten Nekrose, jedoch nur marginal bei der Troglitazon-induzierten Apoptose spielten. Durch Studien in submitochondrialen Partikeln konnte ich zeigen, dass die getesteten TZDs den Komplex I der mitochondrialen Atmungskette inhibierten, während nur Ciglitazon und Troglitazon zusätzlich den Komplex II hemmen konnten. Mit Hilfe synthetischer Atmungskette-Inhibitoren konnte ich weiterhin zeigen, dass die Zelltod-Induktion nach Ciglitazon und Troglitazon in Jurkat T-Zellen hauptsächlich auf der Hemmung des Komplexes II beruhte. Da die Ciglitazon-Inkubation zur Depletion des ATP-Gehaltes führte, erfolgte eine Nekrose-Induktion nach Ciglitazon, wohingegen Troglitazon den ATP-Gehalt nicht beeinflusste und daher Apoptose induzierte. Die von mir identifizierten PPARgamma-unabhängigen Mechanismen der Zelltod-Induktion durch TZDs könnten eventuell Nebenwirkungen bei TZD-basierten Therapien erklären.
The IEEE 802.11 networks have a tremendous growth in the last years, but also now there is a rapid development of the wireless LAN technologies. High transmission rates, simple deployment and especially low costs make this network technology an efficient and cheap way to get access to the Internet. Fon is the world-wide greatest WIFI community and in January 2007 this community offers more than 11.000 access points in Germany and nearly 55.000 all over the world. However, this technology has also his shady sides. For example, it is possible for everyone to receive data from the wireless medium. So a protection against this open data traffic is a encryption mechanism called Wired Equivalent Privacy (WEP). The tragic end of theWired Equivalent Privacy (WEP) and the simplicity of various Denial-of-Service (DoS) attacks on the wireless medium have resulted in giving up the security at the logical-link layer and shifting it to upper layers (or in the best case leaving it within virtual private networks (VPNs)). Nevertheless, there is an enormous growth in using public access to the Internet via HotSpots in cafés, libraries, schools or at airports, train stops etc. Therefore, it is important for the Wireless Internet Service Provider (WISP) to make sure that anyone with a usual wireless device can connect to their access points. Offering this service to anybody makes giving a sufficient level of security very difficult. On the one hand it should be easy for everyone to use this access, on the other hand there is, in most cases, no security. A businessman is not very pleased about phishing his account data for a great enterprise or for his online office like the KIS at the University of Technology in Kaiserslautern. In most cases the WISPs use a simple web based authentication mechanism. By connecting to the WISPs services, the user is redirected to a webpage requesting his login data or credit card information. Therefore the user only needs a wireless LAN device and a webbrowser to authenticate. An attacker could sniff on the wireless medium to phish delicate data from a legal connected user or use DoS attacks as initial point for various other attacks. In most cases, this can be done with no or only small effort. On the other side, in some cases, the WISP has to do a hard reset on his wireless devices after a DoS attack. Therefore an analysis of access points is done in this work. So, the first part is to show how "‘new"’ access points react to flooding attacks and what mechanisms are used to protect them. The second part implements an attack using an anomaly of some access points that are discovered in the first part. And the last chapter deals with some information about using an Intrusion Detection System (IDS) to protect the devices against such attacks.
In this paper we extend the slender body theory for the dynamics of a curved inertial viscous Newtonian fiber [23] by the inclusion of surface tension in the systematic asymptotic framework and the deduction of boundary conditions for the free fiber end, as it occurs in rotational spinning processes of glass fibers. The fiber ow is described by a three-dimensional free boundary value problem in terms of instationary incompressible Navier-Stokes equations under the neglect of temperature dependence. From standard regular expansion techniques in powers of the slenderness parameter we derive asymptotically leading-order balance laws for mass and momentum combining the inner viscous transport with unrestricted motion and shape of the fiber center-line which becomes important in the practical application. For the numerical investigation of the effects due to surface tension, viscosity, gravity and rotation on the fiber behavior we apply a fnite volume method with implicit flux discretization.
In this thesis, the quasi-static Biot poroelasticity system in bounded multilayered domains in one and three dimensions is studied. In more detail, in the one-dimensional case, a finite volume discretization for the Biot system with discontinuous coefficients is derived. The discretization results in a difference scheme with harmonic averaging of the coefficients. Detailed theoretical analysis of the obtained discrete model is performed. Error estimates, which establish convergence rates for both primary as well as flux unknowns are derived. Besides, modified and more accurate discretizations, which can be applied when the interface position coincides with a grid node, are obtained. These discretizations yield second order convergence of the fluxes of the problem. Finally, the solver for the solution of the produced system of linear equations is developed and extensively tested. A number of numerical experiments, which confirm the theoretical considerations are performed. In the three-dimensional case, the finite volume discretization of the system involves construction of special interpolating polynomials in the dual volumes. These polynomials are derived so that they satisfy the same continuity conditions across the interface, as the original system of PDEs. This technique allows to obtain such a difference scheme, which provides accurate computation of the primary as well as of the flux unknowns, including the points adjacent to the interface. Numerical experiments, based on the obtained discretization, show second order convergence for auxiliary problems with known analytical solutions. A multigrid solver, which incorporates the features of the discrete model, is developed in order to solve efficiently the linear system, produced by the finite volume discretization of the three-dimensional problem. The crucial point is to derive problem-dependent restriction and prolongation operators. Such operators are a well-known remedy for the scalar PDEs with discontinuous coefficients. Here, these operators are derived for the system of PDEs, taking into account interdependence of different unknowns within the system. In the derivation, the interpolating polynomials from the finite volume discretization are employed again, linking thus the discretization and the solution processes. The developed multigrid solver is tested on several model problems. Numerical experiments show that, due to the proper problem-dependent intergrid transfer, the multigrid solver is robust with respect to the discontinuities of the coefficients of the system. In the end, the poroelasticity system with discontinuous coefficients is used to model a real problem. The Biot model, describing this problem, is treated numerically, i.e., discretized by the developed finite volume techniques and then solved by the constructed multigrid solver. Physical characteristics of the process, such as displacement of the skeleton, pressure of the fluid, components of the stress tensor, are calculated and then presented at certain cross-sections.
Software stellt ein komplexes Werkzeug dar, das durch seine umfassenden Möglichkeiten die moderne Gesellschaft entscheidend geprägt hat. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Funktion und Fehlfunktion der Software, die eine an den funktionalen Anforderungen orientierte Entwicklung und Qualitätssicherung der Software notwendig macht. Die vorliegende Arbeit schafft durch Formalisierung und Systematisierung der Verfahren im funktionsorientierten Test eine fundierte Basis für eine Hinwendung zu den funktionsorientierten Techniken in Softwareentwicklung und –qualitätssicherung. Hierzu wird in der Arbeit zunächst ein formales Modell für das Vorgehen im dynamischen Test beschrieben, das sich an der Begriffsbildung der Literatur und dem Verständnis der Praxis orientiert. Das Modell beruht auf wenigen zentralen Annahmen, eignet sich für formale Untersuchungen und Nachweise und ist wegen seiner sehr allgemein gehaltenen Definitionen breit anwendbar und einfach erweiterbar. Auf dieser Basis werden Vorgehen und Verfahren zum funktionsorientierten Test analysiert. Zunächst wird dazu das Vorgehen im funktionsorientierten Test im Rahmen des Modells dargestellt. Darauf aufbauend werden zentrale Verfahren des funktionsorientierten Tests analysiert, die zum Gegenstand die systematische Prüfung der Umsetzung von weitgehend informal beschriebenen Anforderungen in einem Softwareprodukt haben. Betrachtet werden Verfahren der funktionalen Partitionierung, der funktionalen Äquivalenzklassenanalyse und Grenzwertbildung, Verfahren zur Prüfung von kausalen Zusammenhängen zwischen Ursachen und Wirkungen, Verfahren zur Prüfung von graphisch spezifizierter Funktionalität in Syntaxdiagrammen, Aktivitätsdiagrammen, Sequenz- und Kollaborationsdiagrammen und Petrinetzen, Verfahren zum Test zustandsbasierter Systeme sowie Ansätze einer funktionalen Dekomposition. Die Analyse und Diskussion der bekannten Verfahren im formalisierten Rahmenwerk führt zu zahlreichen Ergebnissen und Verfahrensergänzungen. So zeigt sich, dass in den klassischen, informalen Beschreibungen häufig Unklarheiten bestehen. Diese werden hier adressiert und durch Angabe von Kriterien präzisiert, Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird an der einheitlichen formalen Darstellung der in der Literatur meist separat betrachteten Verfahren deutlich, welche Vergleichbarkeit zwischen den Verfahren besteht, welche Verfahrenskombinationen sinnvoll sind und wie durch ein kombiniert funktions- und strukturorientiertes Vorgehen eine hohe Aussagekraft in der analytischen Qualitätssicherung erreicht werden kann. Bei der Formulierung der Verfahren im Rahmen des Modells wird herausgearbeitet, wo zur Verfahrensdurchführung die kreative Leistung des Testers notwendig ist und welche Anteile formalisiert und damit automatisiert unterstützt werden können. Diese Betrachtungen bilden die Grundlage für die Skizzierung einer integrierten Entwicklungsumgebung, in der ein funktionsorientiertes Vorgehen in Entwicklung und Qualitätssicherung umgesetzt wird: Hier helfen funktionsorientierte Beschreibungsformen bei der Angabe der Spezifikation, ihrer Verfeinerung und ihrer Vervollständigung, sie unterstützen die Entwicklung durch Modellbildung, sie liefern die Basis für eine funktionsorientierte Testdatenselektion mit Adäquatheitsprüfung, sie können bei geeigneter Interpretierbarkeit über den Datenbereichen zur automatisierten Testfallgenerierung genutzt werden und unterstützen als suboptimale Testorakel eine automatisierte Auswertung des dynamischen Tests. Diese Skizze zeigt die praktische Umsetzbarkeit der vorwiegend theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit und setzt einen Impuls für ein verstärktes Aufgreifen funktionsorientierter Techniken in Wissenschaft und Praxis.
Die enorme Nachfrage nach neuartigen Naturstoffen sowie Leitstrukturen für die (Teil-) Synthese pharmazeutischer Produkte verlangt ständig nach neuen Innovationen. Ein bedeutender Impuls ist dabei von der Marinen Biotechnologie zu erwarten, die seit einigen Jahren versucht, die sich bietenden medizinischen Potentiale auszuschöpfen. So können neuartige Wirkstoffe bzw. die für deren Produktion verantwortlichen Organismen und Enzyme isoliert und bereitgestellt werden. Häufig ist das Wachstum der Organismen jedoch stark limitiert sowie eine Produktion der Ziel-Metabolite nur unter bestimmten Bedingungen möglich, weshalb ein enormes Interesse an neuen Optimiermethoden zur Lösung des Problems besteht. Neuartige Lösungsansätze sollten daher im Rahmen dieser Arbeit verfolgt werden. Untersucht wurde eine „biochemische“ Wachstums- und Produktionsoptimierung mariner Bakterien durch einen Zusatz von Homoserinlactonen zum Kultivierungsmedium. Dabei konnte neben einem verbesserten Wachstum diverser Prokaryonten eine leichte Variation im Metabolitspektrum ermittelt sowie eine geringfügig erhöhte Produktion biologisch aktiver Substanzen detektiert werden. Soll das Wachstum von (marinen) Mikroorganismen optimiert werden, wird vom Anwender häufig eine unstrukturierte one-factor-at-a-time-Methode angewendet. Da diese in der Regel keine Beeinflussung der zu optimierenden variablen Parameter beachtet, wurden in dieser Arbeit alternativ rechnergestützte Optimierungen zur Umgehung dieses Problems durchgeführt. Zum Einsatz kam dabei eine Kombination aus einem Genetischen Algorithmus, welcher die Identifikation des globalen Optimums erlaubt und einem Simplex-Algorithmus, der zur Verfeinerung des bereits aufgefundenen Optimums dient. Hiermit konnte die Produktion einer marinen L-Serindehydratase im Rahmen einer Nährmediumsoptimierung um mehr als 50 % im Vergleich zum Referenzmedium gesteigert werden. Des Weiteren wurde ein im Polyketidscreening positiv aufgefallenes Bakterium (Halomonas marina) als Modellorganismus für ein neuartiges rechnergestütztes Verfahren eingesetzt, welches eine schnelle Identifizierung der Güte von Wachstumsparametern erlaubt und dabei eine repetitiv geführte Batch-Betriebsweise von Bioreaktoren nutzt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung einer rekombinant exprimierten Tryptophan-5-Halogenase. Hierbei konnte nach der Identifizierung des Aktivitätsoptimums hinsichtlich des einzustellenden pH-Werts sowie der Temperatur die Halbwertszeit des Enzyms bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und mittels 2 D-Gelelektrophorese der pI-Wert des Enzyms erstmalig determiniert werden. Ein Fokus dieser Untersuchungen lag auf der Optimierung der Enzymkinetik. Dabei konnte insgesamt eine Verbesserung der Ausbeute um den Faktor 1,6 erzielt werden.
Retentionsbodenfilter (RBF) werden in den letzten Jahren zunehmend zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Insbesondere bei empfindlichen Gewässern haben sich Retentionsbodenfilter als eine wertvolle Maßnahme zur Erfüllung der immissionsorientierten Anforderungen erwiesen, die sich vermehrt aus neuen europäischen Regelungen (EU WRRL, 2000) ergeben. Der überwiegend hohe Wirkungsgrad von RBF hinsichtlich der Elimi-nation von C-Verbindungen (CSB) und Ammonium (NH4) wurde mittlerweile an verschiede-nen Anlagen nachgewiesen. Es bestehen weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich des Einflus-ses unterschiedlicher Beschickungs- und Betriebssituationen auf die Reinigungsleistung von Bodenfiltern. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Verbesserung des Kenntnisstan-des zur Belastbarkeit von RBF liefern. Im Vordergrund steht die Ermittlung des maximalen Frachtrückhaltes hinsichtlich organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindun-gen unter hohen hydraulischen und stofflichen Belastungen. Die Untersuchungen wurden im Labormaßstab an Säulenmodellen mit zwei unterschiedli-chen Filtersubstraten durchgeführt. Durch die gezielte Variierung der Beschickungsmengen und Filtergeschwindigkeit wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände untersucht. Ferner wurden Sauerstoff- und Redoxpotential im Säulenablauf sowie im Filter-körper gemessen. In Anschluss an die Versuchsreihen wurden die Säulen abgebaut und ergänzende bodenkundliche und mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer ergänzenden Volumenbilanz zeigen, dass selbst in einem überstauten Filterkörper nicht alle Poren im mit Wasser gefüllt sind. Der in der eingeschlossenen Boden-luft enthaltene Sauerstoff trägt zur Wiederbelüftung des infiltrierenden Beschickungswassers bei. Die mikrobiell bedingten Unterschiede des O2-Verbrauchs im vertikalen Filterprofil haben zur Folge, dass in einem Filterkörper gleichzeitig aerobe, anoxische und anaerobe Zonen existieren können. Der Rückhalt von Ammonium hat sich als signifikant abhängig von der Filtrationsgeschwin-digkeit und der substratspezifischen Sorptionskapazität erwiesen. Die Gesamtbetrachtung der Stickstoffkomponenten und insbesondere NO3-Konzentrationsganglinien in Säulenablauf führt im Zusammenhang mit der Sauerstoffverfügbarkeit im Filterkörper zur Folgerung, dass NH4-Rückhalt nicht wie bisher als streng zweistufiger Prozess mit Teilschritten Sorption (in der Betriebsphase) und Nitrifikation (in der Trockenphase) angesehen werden kann. Die Er-gebnisse der Arbeit zeigen erstmals, dass unter bestimmten Bedingungen die Nitrifikation schon während der Betriebsphase stattfindet. Die Analyse des Sauerstoffverbrauchs in den Filterkörpern der untersuchten Säulen in Ver-bindung mit der CSB-Reinigungsleistung belegt, dass während der Betriebsphase auch für die CSB-Verbindungen ein unmittelbarer Abbau stattfindet. Unter aeroben Verhältnissen ist die Reinigungsleistung in allen untersuchten Säulen – unabhängig von Substrat und Filter-geschwindigkeit - weitgehend stabil.
Wässrige Lösungen sowohl neutraler als auch ionischer Polymerer gewinnen ein zunehmendes Interesse in vielen Bereichen. Für den Einsatz solcher Systeme muss deren Phasenverhalten bekannt sein. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Phasengleichgewicht solcher Systeme. Als Bausteine der Polymere werden dabei sowohl die neutrale organischen Komponente Vinylpyrrolidon (VP) als auch ein ionisches Monomer auf Basis von Imidazolium (3-Methyl-1-vinyl-1H-Imidazoliummethylsulfat - QVI), als niedrigmolekularer Elektrolyt ausschließlich Natriumsulfat verwendet. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, das Phasenverhalten einer Reihe technisch interessierender Systeme in experimentellen Untersuchungen bei 25 und 65°C zu bestimmen und damit eine Datenbasis für theoretische Arbeiten zu liefern, die im Anschluss an diese Untersuchungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Modellen zur Korrelation bzw. Vorhersage solcher Phasengleichgewichte vorgesehen sind. Die Grenze zwischen einem einphasigen, flüssigen Bereich und Zwei- bzw. Drei-Phasen-Gebieten wurde durch visuelle Bestimmung der Trübung bei der Titration einer wässrigen Lösung (entweder des Polymeren oder des Salzes) bestimmt. Die Zusammensetzung der koexistierenden Phasen wurde in Phasengleichgewichtsexperimenten bestimmt, bei denen Proben der koexistierenden Phasen analysiert wurden. Dazu wurden mehrere Analysenmethoden entwickelt/erprobt (z. B. die Gefriertrocknung, die thermische (gravimetrische) Analyse, die Gaschromatographie und die Ionenchromatographie). Insgesamt wurden für 42 Systeme der Verlauf der Trübungskurve und für 34 Systeme das Phasengleichgewicht bestimmt. Dabei handelte es sich überwiegend um ternäre Systeme aus einem Polymeren (auf Basis von VP und/bzw. QVI), Natriumsulfat und Wasser, teilweise auch um quaternäre Systeme aus den zuvor erwähnten Komponenten und einem der Monomeren (VP bzw. QVI). Dabei zeigte die Mehrzahl der untersuchten Systeme eine flüssig-flüssig Entmischung, teilweise jedoch auch nur die häufiger anzutreffenden Fest-Flüssig-Phasengleichgewichte (z.B. Ausfall eines Salzes als Feststoff). Die experimentellen Untersuchungen wurden insbesondere bei hohen Polymerkonzentrationen durch die Zähigkeit der wässrigen Lösungen erschwert. Neben den Untersuchungen zum Phasengleichgewicht in ternären und quaternären Systemen wurden im Hinblick auf die in weiterführenden Arbeiten geplanten Modellierungsarbeiten auch experimentelle Untersuchungen an binären Subsystemen durchgeführt. Dabei handelte es sich ausschließlich um sogenannte isopiestische Messungen an wässrigen Lösungen der Polymere bzw. der Monomere. In solchen Untersuchungen wird der Einfluss der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen eines in Wasser gelösten Stoffes auf den Dampfdruck der Lösung bestimmt. Der dabei quantitativ bestimmte Einfluss von Art und Menge des Polymeren auf den Dampfdrucks des Lösungsmittels soll in weiterführenden Arbeiten zur Bestimmung von Parametern thermodynamischer Modelle zur Beschreibung der Gibbsschen Exzessenergie wässriger Polymerlösungen verwendet werden. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig bzw. Fest-Flüssig-Phasengleichgewicht lassen sich folgendermaßen charakterisieren: In fast allen Systemen mit Polymeren auf Basis von Vinylpyrrolidon wurden Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte mit einer salzreichen, nahezu polymerfreien wässrigen Phase und einer polymerreichen wässrigen auch salzhaltigen flüssigen Phase gefunden. D. h. in einem Gibbsschen Dreiecksdiagramm, in dem die Zusammensetzung einer ternären Mischung (mit Hilfe des Konzentrationsmaßes „Massenanteil“ ausgedrückt) durch einen Punkt dargestellt wird zeigt die Phasengrenze zwischen dem einphasigen und dem mehrphasigen Gebiet eine starke Asymmetrie. Der Wassergehalt der polymerreichen Phase ist dabei häufig deutlich geringer als der Wassergehalt der salzreichen Phase. In Systemen mit (Natriumsulfat und) Polymeren auf Basis des Imidazoliumsalzes QVI wurden dagegen überwiegend Fest-Flüssig-Gleichgewichte beobachtet. Es zeigte sich, dass die Molmasse der verwendeten Polymere nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Ausdehnung des einphasigen flüssigen Gebietes hat. I. d. R. nimmt mit steigender Molmasse die Ausdehnung der Mischungslücke zu. Auch der Temperatureinfluss auf die beobachteten Phasengleichgewichte ist relativ gering. Dies war im Fall der Polymere auf Basis von Vinylpyrrolidon aus früheren Untersuchungen an wässrigen, salzfreien Lösungen dieser Polymere zu erwarten. Wie schon erwähnt, sind die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit im Zusammenhang mit dem Einsatz solcher polymer- und salzhaltigen Systeme in verschiedenen Bereichen von Interesse. Sie bilden aber auch die Datenbasis für anstehende theoretische Arbeiten, die sich mit der Entwicklung thermodynamischer Modelle zur Beschreibung von Phasengleich- gewichten salz- und polymerhaltiger, wässriger Systeme beschäftigen werden.
Facility location decisions play a critical role in the strategic design of supply chain networks. In this paper, an extensive literature review of facility location models in the context of supply chain management is given. Following a brief review of core models in facility location, we identify basic features that such models must capture to support decision-making involved in strategic supply chain planning. In particular, the integration of location decisions with other decisions relevant to the design of a supply chain network is discussed. Furthermore, aspects related to the structure of the supply chain network, including those specific to reverse logistics, are also addressed. Significant contributions to the current state-of-the-art are surveyed taking into account numerous factors. Supply chain performance measures and optimization techniques are also reviewed. Applications of facility location models to supply chain network design ranging across various industries are discussed. Finally, a list of issues requiring further research are highlighted.
The thesis is concerned with multiscale approximation by means of radial basis functions on hierarchically structured spherical grids. A new approach is proposed to construct a biorthogonal system of locally supported zonal functions. By use of this biorthogonal system of locally supported zonal functions, a spherical fast wavelet transform (SFWT) is established. Finally, based on the wavelet analysis, geophysically and geodetically relevant problems involving rotation-invariant pseudodifferential operators are shown to be efficiently and economically solvable.
Feature Based Visualization
(2007)
In this thesis we apply powerful mathematical tools such as interval arithmetic for applications in computational geometry, visualization and computer graphics, leading to robust, general and efficient algorithms. We present a completely novel approach for computing the arrangement of arbitrary implicit planar curves and perform ray casting of arbitrary implicit functions by jointly achieving, for the first time, robustness, efficiency and flexibility. Indeed we are able to render even the most difficult implicits in real-time with guaranteed topology and at high resolution. We use subdivision and interval arithmetic as key-ingredients to guarantee robustness. The presented framework is also well-suited for applications to large and unstructured data sets due to the inherent adaptivity of the techniques that are used. We also approach the topic of tensors by collaborating with mechanical engineers on comparative tensor visualization and provide them with helpful visualization paradigms to interpret the data.
This technical report contains the preliminary versions of the regular papers presented at the first workshop on Verification of Adaptive Systems (VerAS) that has been held in Kaiserslautern, Germany, on September 14th, 2007 as part of the 20th International Conference on Theorem Proving in Higher Order Logics. The final versions will be published with Elsevier's Electronic Notes on Theoretical Computer Science (ENTCS). VerAS is the first workshop that aims at considering adaptation as a cross-cutting system aspect that needs to be explicitly addressed in system design and verification. The program committee called for original submissions on formal modeling, specification, verification, and implementation of adaptive systems. There were six submissions from different countries of Europe. Each submission has been reviewed by three programme committee members. Finally, the programme committee decided to accept three of the six submissions. Besides the presentations of the regular papers, the workshop's programme included a tutorial on the `Compositional Verification of Self-Optimizing Mechatronic Systems' held by Holger Giese (University of Paderborn, Germany) as well as three presentations of DASMOD projects on the verification of adaptive systems.
Die Architekturen vieler technischer Systeme sind derzeit im Umbruch. Der fortschreitende Einsatz von Netzwerken aus intelligenten rechnenden Knoten führt zu neuen Anforderungen an den Entwurf und die Analyse der resultierenden Systeme. Dabei spielt die Analyse des Zeitverhaltens mit seinen Bezügen zu Sicherheit und Performanz eine zentrale Rolle. Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) unterscheiden sich hierbei von anderen verteilten Echtzeitsystemen durch ihr zyklisches Komponentenverhalten. Das aus der asynchronen Verknüpfung entstehende Gesamtverhalten ist mit klassischen Methoden kaum analysierbar. Zur Analyse von NAS wird deshalb der Einsatz der wahrscheinlichkeitsbasierten Modellverifikation (PMC) vorgeschlagen. PMC erlaubt detaillierte, quantitative Aussagen über das Systemverhalten. Für die dazu notwendige Modellierung des Systems auf Basis wahrscheinlichkeitsbasierter, zeitbewerteter Automaten wird die Beschreibungssprache DesLaNAS eingeführt. Exemplarisch werden der Einfluss verschiedener Komponenten und Verhaltensmodi auf die Antwortzeit eines NAS untersucht und die Ergebnisse mittels Labormessungen validiert.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Existing approaches to the specification of network QoS requirements are mainly focused on specific domains or individual system layers. In this paper, we present a holistic, comprehensive formalization of network QoS requirements, across layers. QoS requirements are specified on each layer by defining QoS domain, consisting of QoS performance, reliability, and guarantee, and QoS scalability, with utility and cost functions. Furthermore, we derive preorders on multi-dimensional QoS domains, and present criteria to reduce these domains, leading to a manageable subset of QoS values that is sufficient for system design and implementation. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
The scope of this diploma thesis is to examine the four generations of asset pricing models and the corresponding volatility dynamics which have been devepoled so far. We proceed as follows: In chapter 1 we give a short repetition of the Black-Scholes first generation model which assumes a constant volatility and we show that volatility should not be modeled as constant by examining statistical data and introducing the notion of implied volatility. In chapter 2, we examine the simplest models that are able to produce smiles or skews - local volatility models. These are called second generation models. Local volatility models model the volatility as a function of the stock price and time. We start with the work of Dupire, show how local volatility models can be calibrated and end with a detailed discussion of the constant elasticity of volatility model. Chapter 3 focuses on the Heston model which represents the class of the stochastic volatility models, which assume that the volatility itself is driven by a stochastic process. These are called third generation models. We introduce the model structure, derive a partial differential pricing equation, give a closed-form solution for European calls by solving this equation and explain how the model is calibrated. The last part of chapter 3 then deals with the limits and the mis-specifications of the Heston model, in particular for recent exotic options like reverse cliquets, Accumulators or Napoleons. In chapter 4 we then introduce the Bergomi forward variance model which is called fourth generation model as a consequence of the limits of the Heston model explained in chapter 3. The Bergomi model is a stochastic local volatility model - the spot price is modeled as a constant elasticity of volatility diffusion and its volatility parameters are functions of the so called forward variances which are specified as stochastic processes. We start with the model specification, derive a partial differential pricing equation, show how the model has to be calibrated and end with pricing examples and a concluding discussion.
In recent years, nanofiller-reinforced polymer composites have attracted considerable
interest from numerous researchers, since they can offer unique mechanical,
electrical, optical and thermal properties compared to the conventional polymer
composites filled with micron-sized particles or short fibers. With this background, the
main objective of the present work was to investigate the various mechanical
properties of polymer matrices filled with different inorganic rigid nanofillers, including
SiOB2B, TiOB2B, AlB2BOB3B and multi-walled carbon nanotubes (MWNT). Further, special
attention was paid to the fracture behaviours of the polymer nanocomposites. The
polymer matrices used in this work contained two types of epoxy resin (cycloaliphatic
and bisphenol-F) and two types of thermoplastic polymer (polyamide 66 and isotactic
polypropylene).
The epoxy-based nanocomposites (filled with nano-SiOB2B) were formed in situ by a
special sol-gel technique supplied by nanoresins AG. Excellent nanoparticle
dispersion was achieved even at rather high particle loading. The almost
homogeneously distributed nanoparticles can improve the elastic modulus and
fracture toughness (characterized by KBICB and GBICB) simultaneously. According to
dynamic mechanical and thermal analysis (DMTA), the nanosilica particles in epoxy
resins possessed considerable "effective volume fraction" in comparison with their
actual volume fraction, due to the presence of the interphase. Moreover, AFM and
high-resolution SEM observations also suggested that the nanosilica particles were
coated with a polymer layer and therefore a core-shell structure of particle-matrix was
expected. Furthermore, based on SEM fractography, several toughening
mechanisms were considered to be responsible for the improvement in toughness,
which included crack deflection, crack pinning/bowing and plastic deformation of
matrix induced by nanoparticles.
The PA66 or iPP-based nanocomposites were fabricated by a conventional meltextrusion
technique. Here, the nanofiller content was set constant as 1 vol.%. Relatively good particle dispersion was found, though some small aggregates still
existed. The elastic modulus of both PA66 and iPP was moderately improved after
incorporation of the nanofillers. The fracture behaviours of these materials were
characterized by an essential work fracture (EWF) approach. In the case of PA66
system, the EWF experiments were carried out over a broad temperature range
(23~120 °C). It was found that the EWF parameters exhibited high temperature
dependence. At most testing temperatures, a small amount of nanoparticles could
produce obvious toughening effects at the cost of reduction in plastic deformation of
the matrix. In light of SEM fractographs and crack opening tip (COD) analysis, the
crack blunting induced by nanoparticles might be the major source of this toughening.
The fracture behaviours of PP filled with MWNTs were investigated over a broad
temperature range (-196~80 °C) in terms of notched impact resistance. It was found
that MWNTs could enhance the notched impact resistance of PP matrix significantly
once the testing temperature was higher than the glass transition temperature (TBgB) of
neat PP. At the relevant temperature range, the longer the MWNTs, the better was
the impact resistance. SEM observation revealed three failure modes of nanotubes:
nanotube bridging, debonding/pullout and fracture. All of them would contribute to
impact toughness to a degree. Moreover, the nanotube fracture was considered as
the major failure mode. In addition, the smaller spherulites induced by the nanotubes
would also benefit toughness.
The main goal of this work is to examine various aspects of `inelastic continuum mechanics': first, fundamental aspects of a general finite deformation theory based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient with special emphasis on the incompatibility of the so-called intermediate configuration are discussed in detail. Moreover, various balance of linear momentum representations together with the corresponding volume forces are derived in a configurational mechanics context. Subsequent chapters are consequently based on these elaborations so that the applied multiplicative decomposition generally serves as a fundamental modelling concept in this work; after generalised strain measures are introduced, a kinematic hardening model coupled with anisotropic damage, a substructure evolution framework as well as two different growth and remodelling formulations for biological tissues are presented.
Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell. Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell.
Elastomeric and other rubber-like materials are often simultaneously exposed to short- and long-time loads within engineering applications. When aiming at establishing a general simulation tool for viscoelastic media over these different time scales, a suitable material model and its corresponding material parameters can only be determined if an appropriate number of experimental data is taken into account. In this work an algorithm for the identification of material parameters for large strain viscoelasticity is presented. Thereby, data of multiple experiments are considered. Based on this method the experimental loading intervals for long-time experiments can be shortened in time and the parameter identification procedure is now referred to experimental data of tests under short- and long-time loads without separating the parameters due to these different time scales. The employed viscoelastic material law is based on a nonlinear evolution law and valid far from thermodynamic equilibrium. The identification is carried out by minimizing a least squares functional comparing inhomogeneous displacement fields from experiments and FEM simulations at given (measured) force loads. Within this optimization procedure all material parameters are identified simultaneously by means of a gradient based method for which a semi-analytical sensitivity analysis is calculated. Representative numerical examples are referred to measured data for different polyurethanes. In order to show the general applicability of the identification method for multiple tests, in the last part of this work the parameter identification for small strain plasticity is presented. Thereby three similar test programs on three specimen of the aluminum alloy AlSi9Cu3 are analyzed, and the parameter sets for the respective individual identifications, and for the combination of all tests in one identification, is compared.
GPU Stereo Vision
(2007)
To analyze scenery obstacles in robotics applications depth information is very valuable. Stereo vision is a powerful way to extract dense range information out of two camera images. In order to unload the CPU the intensive computation can be moved to GPU, taking advantage of the parallel processing capabilities of todays consumer level graphics hardware. This work shows how an efficient implementation on the GPU can be realized utilizing the NVIDIA Cuda framework.
With the ever-increasing significance of software in our everyday lives, it is vital to afford reliable software quality estimates. Typically, quantitative software quality analyses rely on either statistical fault prediction methods (FPMs) or stochastic software reliability growth models (SRGMs). Adopting solely FPMs or SRGMs, though, may result in biased predictions that do not account for uncertainty in the distinct prediction methods; thus rendering the prediction less reliable. This paper identifies flaws of the individual prediction methods and suggests a hybrid prediction approach that combines FPMs and SRGMs. We adopt FPMs for initially estimating the expected number of failures for fi- nite failure SRGMs. Initial parameter estimates yield more accurate reliability predictions until sufficient failures are observed that enable stable parameter estimates in SRGMs. Being at the equilibrium level of FPM and SRGM pre- dictions we suggest combining the competing prediction methods with respect to the principle of heterogeneous redundancy. That is, we propose using the in- dividual methods separately and combining their predictions. In this paper we suggest Bayesian model averaging (BMA) for combining the different methods. The hybrid approach allows early reliability estimates and encourages higher confidence in software quality predictions.
In this paper, a stochastic model [5] for the turbulent fiber laydown in the industrial production of nonwoven materials is extended by including a moving conveyor belt. In the hydrodynamic limit corresponding to large noise values, the transient and stationary joint probability distributions are determined using the method of multiple scales and the Chapman-Enskog method. Moreover, exponential convergence towards the stationary solution is proven for the reduced problem. For special choices of the industrial parameters, the stochastic limit process is an Ornstein{Uhlenbeck. It is a good approximation of the fiber motion even for moderate noise values. Moreover, as shown by Monte{Carlo simulations, the limiting process can be used to assess the quality of nonwoven materials in the industrial application by determining distributions of functionals of the process.
Induktionsschweißen kann sowohl für das Schweißen von thermoplastischen Faser-
Kunststoff-Verbunden als auch für das Verbinden von Metall/Faser-Kunststoff-
Verbunden eingesetzt werden. Nach Betrachtung der Möglichkeiten einer solchen
Verbindung wurde festgestellt, dass die Verbindungsqualität durch die
Oberflächenvorbehandlung des metallischen und des polymeren Fügepartners und
durch die Prozessbedingungen bestimmt wird.
Verschiedene neue Werkzeuge (z.B. spezielle Probenhalterungen, temperierbarer
Anpressstempel, Erwärmungs- und Konsolidierungsrolle) wurden entwickelt und in
die Induktionsschweißanlage zur Herstellung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden
integriert. Topografische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und
Laserprofilometrie zeigen einen großen Einfluss der Vorbehandlungsmethoden auf
die Oberflächenrauhigkeit. Zusätzlich ändert die Vorbehandlung die physikalischen
(Oberflächenenergie) und die chemischen Eigenschaften (Atomkonzentration). Die
Eigenschaften der Verbindungen wurden zuerst anhand von Zugscherprüfungen und
parallel durch Oberflächenanalysen untersucht. Die Ergebnisse dieser
Untersuchungen zeigen:
• Die Vorbehandlungsmethoden Korundstrahlen und Sauerbeizen führen bei
dem metallischen Fügepartner zu den höchsten Verbundfestigkeiten. Die
Atmosphären-Plasmareinigung des polymeren Fügepartners ergibt eine
Zunahme der Zugscherfestigkeit von ca. 10 % sowie auch eine Verkleinerung
des Vertrauensbereiches.
• Die Zugscherfestigkeit hängt vom Prozessdruck und damit vom Fließverhalten
des Polymers in der Fügezone ab.
• Die Orientierung der Prüfkraft relativ zur Faserorientierung hat keinen Einfluss
auf die Zugscherfestigkeit der eingesetzten faserverstärkten Materialien.
• Die Leinwand-Bindung, mit mehr polymerreichen Zonen, führt zu einem
geringen Anstieg der Zugscherfestigkeit im Vergleich zu einer Atlas 1/4-
Bindung. Die Gelege-Struktur ergibt durch Faserverschiebungen ähnliche
Festigkeiten wie die Leinwand-Bindung. Es zeigt sich, dass die
Verbundfestigkeit durch das Polymer bestimmt wird. • Die Zugscherfestigkeit gewinnt einen großen Anstieg durch eine zusätzliche
Polymerfolie in der Fügezone. Die Schliffbilder zeigen eine polymere
Zwischenschichtdicke von 5 bis 20 μm für AlMg3-CF/PA66.
• Durch den gezielten Einsatz verschiedener Vorbehandlungsmethoden
(Korundstrahlen mit zusätzlichem Polymer) kann die Zugscherfestigkeit auf bis
zu 14 MPa für AlMg3-CF/PA66-Verbunde und 18 MPa für DC01-CF/PEEKVerbunde
gegenüber dem unbehandelten Zustand verdoppelt werden. Weitere Untersuchungen an den Prozessparametern ergaben für DC01-CF/PEEKVerbunde,
dass folgende Einstellungen zu einer weiteren Steigerung der
Zugscherfestigkeit auf 19 MPa führen:
• Eine Starttemperatur des Anpresstempels von 370 °C.
• Eine Haltezeit von 7 Minuten.
• Eine Abkühlrate von 6 °C/min.
Für AlMg3-CF/PA66 zeigte sich, dass eine Anpresstemperatur von 10 °C zu einer
Zugscherfestigkeit von 14,5 MPa führt. Diese beiden Zugscherfestigkeiten sind
lediglich 10 – 15 % geringer als die unter optimalen Bedingungen hergestellten
Klebeverbindungen.
Erste Untersuchungen zeigen, dass bei galvanischer Korrosion von Metall/FKVVerbunden
eine schnelle Abnahme der Zugscherfestigkeit erfolgt. Hierfür wurden die
Proben drei Wochen in Wasser gelagert. Beim direkten Kontakt zwischen
Kohlenstofffaser und Aluminium erklärt sich dies durch Korrosion in der Fügezone.
Dabei sinken die Zugscherfestigkeiten der Proben bis auf 5 MPa. Bei Proben mit
einer Glasfaserlage als Isolationsschicht zeigen sich keine Korrosionsprodukte und
die Zugscherfestigkeit nimmt um 30 % bis auf 8 – 9 MPa ab.
Bei in Salzwasser gelagerten Proben ist die galvanische Korrosion deutlich stärker
ausgeprägt. Bereits nach einer Woche besitzen die acetongereinigten Proben mit
zusätzlichem Polymer lediglich eine Restzugscherfestigkeit von 3 bis 4 MPa. Die
korundgestrahlten Proben zeigen Korrosionsprodukte am Rande der Fügezone und
in der Fügezone, weisen aber dennoch eine Zugscherfestigkeit von ca. 10 MPa auf.
Die glasfaserverstärkten Proben zeigen weder Korrosionsprodukte noch eine
Abnahme der Zugscherfestigkeit. Dynamisch thermografische Analysen wurden in verschiedenen Umgebungsgasen
durchgeführt, um die Zersetzungstemperatur des faserverstärkten Polymers zu
bestimmen. Im Falle von CF/PA66 führte dies nicht zu einer Vergrößerung des
Prozessfensters, da die Zersetzung hauptsächlich thermisch und nicht thermooxidativ
ist. Die festgestellte Zersetzungstemperatur von CF/PEEK in Luft betrug
550 °C. Die Vergrößerung des Prozessfensters ist für CF/PA66 gering und zeigte
auch keinen Anstieg in der Zugscherfestigkeit nach dem Schweißen in Stickstoff.
Trotzdem hat das Induktionsschweißen unter Schutzgas ein großes Potential für
gesättigte Kohlenwasserstoffe wie z.B. glasfaserverstärktes Polypropylen. Hier wurde
die Zersetzungstemperatur von 230 °C in Luft auf 390 °C in Stickstoff erhöht.
Es wurde ein Demonstrator bestehend aus einem Aluminium-Profil und einer
CF/PA66-Platte hergestellt, womit gezeigt werden konnte, dass die erworbenen
Kenntnisse auch für die industrielle Anwendung umsetzbar sind. Mittels analytischer
Modelle und FE-Berechnungen wurde die induktive Erwärmung erfolgreich
nachgebildet.
Tropical geometry is a very new mathematical domain. The appearance of
tropical geometry was motivated by its deep relations to other mathematical
branches. These include algebraic geometry, symplectic geometry, complex
analysis, combinatorics and mathematical biology.
In this work we see some more relations between algebraic geometry and
tropical geometry. Our aim is to prove a one-to-one correspondence between
the divisor classes on the moduli space of n-pointed rational stable curves
and the divisors of the moduli space of n-pointed abstract tropical curves.
Thus we state some results of the algebraic case first. In algebraic geometry
these moduli spaces are well understood. In particular, the group of divisor
classes is calculated by S. Keel. We recall the needed results in chapter one.
For the proof of the correspondence we use some results of toric geometry.
Further we want to show an equality of the Chow groups of a special toric
variety and the algebraic moduli space. Thus we state some results of the
toric geometry as well.
This thesis tries to discover some connection between algebraic and tropical
geometry. Thus we also need the corresponding tropical objects to the
algebraic objects. Therefore we give some necessary definitions such as fan,
tropical fan, morphisms between tropical fans, divisors or the topical moduli
space of all n-marked tropical curves. Since we need it, we show that the
tropical moduli space can be embedded as a tropical fan.
After this preparatory work we prove that the group of divisor classes in
v
classical algebraic geometry has it equivalence in tropical geometry. For this
it is useful to give a map from the group of divisor classes of the algebraic
moduli space to the group of divisors of the tropical moduli space. Our aim is
to prove the bijectivity of this map in chapter three. On the way we discover
a deep connection between the algebraic moduli space and the toric variety
given by the tropical fan of the tropical moduli space.
Sewn net-shape preform based composite manufacturing technology is widely
accepted in combination with liquid composite molding technologies for the
manufacturing of fiber reinforced polymer composites. The development of threedimensional
dry fibrous reinforcement structures containing desired fiber orientation
and volume fraction before the resin infusion is based on the predefined preforming
processes. Various preform manufacturing aspects influence the overall composite
manufacturing processes. Sewing technology used for the preform manufacturing
has number of challenges to overcome which includes consistency in preform quality,
composite quality, and composite mechanical properties.
Experimental studies are undertaken to investigate the influence of various sewing
parameters on the preform manufacturing processes, preform quality, and the fiber
reinforced polymer composite quality and properties. Sewing thread, sewing machine
parameters, shortcomings of sewing process, and remedies are explained according
to their importance during preforming and liquid composite molding. The stitches and
fiber free zone in the form of ellipse that are generated in the thickness direction were
investigated by evaluating the laminate micrographs. Correlation between ellipse
formation phenomenon, sewing thread, and sewing machine parameters is
established. A statistical tool, analysis of variance, was used to emphasize the major
preform processing factors influencing the preform imperfections.
For assessing the preform quality, the observations of sewing thread requirements
for preform and structural sewing were well documented during the experimental
studies and explained according to their significance in the composite processing.
Furthermore, selection criteria for sewing thread according to end application are
discussed in detail. Investigations on polyester sewing thread as a high speed
preform manufacturing element are also performed. Applicability of polyester sewing
thread for the preform sewing and challenges to be overcome for its extensive
utilization in the composite components are explained. Apart from this, influence of
physical structure of sewing thread on the laminate quality and properties are
explained and relationship between them is discussed in brief. Furthermore,
challenges caused due to applied spin-finishes and sizing and remedies for the same
are discussed. Sewing threads made of high performance fibers that are available in the market,
e.g., carbon, glass, and Zylon are studied for effect of thread material on through-thethickness
laminate properties. Threads made up of carbon or glass fibers are very
rigid and produces number of defects, which is a major cause of concern. Optimized
sewing procedure has been implemented to minimize the in-plane and through-thethickness
imperfections and to improve mechanical properties and surface
characteristics of composite laminate.
Preform sewing process and final ready to impregnate preforms were analyzed for
quality appearance. The sewing defects and their influence on composite structure
are monitored. Preform compressibility before and after the sewing operations are
intensively studied and correlation with sewing parameters is developed. Influence of
sewing process parameters on the warpage and change in preform area weight are
also explained in detail. Results of analytical experiments can help to improve further
exploitation of sewn preforms for composite manufacturing and overall preform and
laminate quality.
Jahresbericht 2006
(2007)
In the article the application of kernel functions – the so-called »kernel trick« – in the context of Fisher’s approach to linear discriminant analysis is described for data sets subdivided into two groups and having real attributes. The relevant facts about functional Hilbert spaces and kernel functions including their proofs are presented. The approximative algorithm published in [Mik3] to compute a discriminant function given the data and a kernel function is briefly reviewed. As an illustration of the technique an artificial data set is analysed using the algorithm just mentioned.
This paper deals with the problem of determining the sea surface topography from geostrophic flow of ocean currents on local domains of the spherical Earth. In mathematical context the problem amounts to the solution of a spherical differential equation relating the surface curl gradient of a scalar field (sea surface topography) to a surface divergence-free vector field(geostrophic ocean flow). At first, a continuous solution theory is presented in the framework of an integral formula involving Green’s function of the spherical Beltrami operator. Different criteria derived from spherical vector analysis are given to investigate uniqueness. Second, for practical applications Green’s function is replaced by a regularized counterpart. The solution is obtained by a convolution of the flow field with a scaled version of the regularized Green function. Calculating locally without boundary correction would lead to errors near the boundary. To avoid these Gibbs phenomenona we additionally consider the boundary integral of the corresponding region on the sphere which occurs in the integral formula of the solution. For reasons of simplicity we discuss a spherical cap first, that means we consider a continuously differentiable (regular) boundary curve. In a second step we concentrate on a more complicated domain with a non continuously differentiable boundary curve, namely a rectangular region. It will turn out that the boundary integral provides a major part for stabilizing and reconstructing the approximation of the solution in our multiscale procedure.
In this article a new data-adaptive method for smoothing of bivariate functions is developed. The smoothing is done by kernel regression with rotational invariant bivariate kernels. Two or three local bandwidth parameters are chosen automatically by a two-step plug-in approach. The algorithm starts with small global bandwidth parameters, which adapt during a few iterations to the noisy image. In the next step local bandwidths are estimated. Some general asymptotic results about Gasser-Müller-estimators and optimal bandwidth selection are given. The derived local bandwidth estimators converge and are asymptotically normal.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Since QoS functionalities are integrated across layers and hence QoS specifications exist on different system layers, a QoS mapping technique is needed to translate the specifications into each other. In this paper, we formalize the relationship between layers. Based on a comprehensive and holistic formalization of network QoS requirements, we define two kinds of QoS mappings. QoS domain mappings associate QoS domains of two abstraction levels. QoS scalability mappings associate utility and cost functions of two abstraction levels. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix Systems with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
In this dissertation we present analysis of macroscopic models for slow dense granular flow. Models are derived from plasticity theory with yield condition and flow rule. Corner stone equations are conservation of mass and conservation of momentum with special constitutive law. Such models are considered in the class of generalised Newtonian fluids, where viscosity depends on the pressure and modulo of the strain-rate tensor. We showed the hyperbolic nature for the evolutionary model in 1D and ill-posed behaviour for 2D and 3D. The steady state equations are always hyperbolic. In the 2D problem we derived a prototype nonlinear backward parabolic equation for the velocity and the similar equation for the shear-rate. Analysis of derived PDE showed the finite blow up time. Blow up time depends on the initial condition. Full 2D and antiplane 3D model were investigated numerically with finite element method. For 2D model we showed the presence of boundary layers. Antiplane 3D model was investigated with the Runge Kutta Discontinuous Galerkin method with mesh addoption. Numerical results confirmed that such a numerical method can be a good choice for the simulations of the slow dense granular flow.
Aufgrund ihrer Besonderheiten und Merkmalen ist die Innenstadt als wichtigster Stadtteil einer Stadt zu charakterisieren. Aufgrund der Zerstörungen durch den Zweiten Weltkrieg und den anschließenden Entwicklungen hat die Innenstadt an urbaner Qualität eingebüßt. Dies ist unter anderem darin begründet, dass eine Verdrängung der Wohnfunktion aus der Innenstadt an den Stadtrand oder ins Umland stattfindet. Die Stärkung der Wohnfunktion ist eine Grundvoraussetzung zur Wiedergewinnung urbaner Qualitäten und zur nachhaltigen Revitalisierung und Stabilisierung der Innenstadt. Das Wohnen an sich ist ein multidimensionales Phänomen mit vielfältigen Wirkungsgefügen und Verflechtungen. Zur Ableitung von Konzepten und Handlungsmaßnahmen sind die Wohnbedürfnisse der Bevölkerung durch verschiedene Klassifizierungen zu erheben und mit den so genannten Megatrends -allen voran der demografischen Entwicklung- und den spezifischen Kommunalsituationen zu überlagern. An diesem Prozess ist mit steigender Tendenz eine Vielzahl von öffentlichen und privaten Akteuren beteiligt. Gängige Darstellungsmethoden der Stadtplanung sind nur bedingt geeignet, die komplexen Wirkungsgefüge sowie die Ein- auf und Auswirkungen von Vorhaben als Informationen transparent und nachvollziehbar abzubilden. Der Einsatz von Mixed Reality-Techniken und von immersiven Szenarien zur Unterstützung von Entscheidungssituationen in stadtplanerischen Aufgabenfeldern ist als qualifizierend für diese einzustufen. Durch Mixed Reality-Techniken, die reale Gegebenheiten und virtuelle Objekte gleichzeitig überlagert abbilden, ist es im Sinne einer Ergebnisvisualisierung möglich, sowohl Handlungsbedarfe in der Bestandssituation zu identifizieren als auch die visuellen Ein- und Auswirkungen von Vorhaben originalmaßstäblich und dreidimensional zu simulieren. Darüber hinaus können auch originär nicht visuell wahrnehmbare Informationen visuell abgebildet werden. Neben den technischen Ausstattungen ist hierfür ein virtueller, generischer Datenschatten notwendig, der ein digitales Abbild der Realität und der geplanten Vorhaben darstellt. Der bislang theoretische Ansatz der immersiven Szenarien ist der nächste Schritt im Bereich der computergestützten Daten- und Informationsvisualisierung beziehungsweise -darstellung. Über die Ergebnisvisualisierung hinaus sind immersionserzeugende Systeme in der Lage, einen Benutzer in eine Situationsdarstellung zu versetzen, in der er nicht mehr zwischen realen und virtuellen Objekten unterscheiden kann. Zugleich bedeutet dies, dass er mit allen virtuellen Objekten intuitiv interagieren kann. Der Benutzer wird dadurch Teil des Szenarios. Seine Aktionen wirken sich wahrnehmbar rekursiv auf das Szenario aus. Sowohl Mixed Reality-Techniken als auch immersive Szenarien können für Entscheidungssituationen im Bereich des thematisierten Wirkungsgefüge ‚innerstädtisches Wohnen’ die Entscheidungsgrundlagen auf den Betrachtungsebenen Wohnstandort, Wohnanlage und Wohnung für alle beteiligten Akteure qualifizieren. Sie sind geeignet, um Handlungserfordernisse transparent und nachvollziehbar abzubilden sowie die visuell wahrnehmbaren und originär nicht visuell wahrnehmbaren Konsequenzen von Wohnbauvorhaben abzuschätzen. Anhand des innerstädtischen Projektes „Glockencarré Kaiserslautern“ wurden hierzu die Möglichkeiten der Augmented Reality-Technik (als eine Ausprägung der Mixed Reality-Techniken) aufgezeigt und die Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche Akteursgruppen charakterisiert.
Given an undirected, connected network G = (V,E) with weights on the edges, the cut basis problem is asking for a maximal number of linear independent cuts such that the sum of the cut weights is minimized. Surprisingly, this problem has not attained as much attention as its graph theoretic counterpart, the cycle basis problem. We consider two versions of the problem, the unconstrained and the fundamental cut basis problem. For the unconstrained case, where the cuts in the basis can be of an arbitrary kind, the problem can be written as a multiterminal network flow problem and is thus solvable in strongly polynomial time. The complexity of this algorithm improves the complexity of the best algorithms for the cycle basis problem, such that it is preferable for cycle basis problems in planar graphs. In contrast, the fundamental cut basis problem, where all cuts in the basis are obtained by deleting an edge, each, from a spanning tree T is shown to be NP-hard. We present heuristics, integer programming formulations and summarize first experiences with numerical tests.
We are concerned with modeling and simulation of the pressing section of a paper machine. We state a two-dimensional model of a press nip which takes into account elasticity and flow phenomena. Nonlinear filtration laws are incorporated into the flow model. We present a numerical solution algorithm and a numerical investigation of the model with special focus on inertia effects.
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, Methoden zur Beschreibung der Quellung von (nichtionischen und ionischen) Hydrogelen in wässrigen Lösungen zu entwickeln und zu erproben. Die Modelle setzen sich aus einem Beitrag, der die Gibbssche Energie von Flüssigkeiten beschreibt und aus einem Beitrag für die Helmholtz-Energie des Netzwerks zusammen. Die Beschreibung der elastischen Eigenschaften des Netzwerks beruht auf der Phantom-Netzwerk-Theorie. Die Gibbssche Exzessenergie der Flüssigkeiten wurde mit verschiedenen Modellen, abhängig vom Typ der untersuchten Systeme (wässrig/salzhaltige Lösung oder wässrig/organische Lösung), beschrieben. Bei der Modellierung wurden der Einfluss der Zusammensetzung des Netzwerks (z.B. Konzentration von Vernetzer und/bzw. von ionischem Komonomeren) und der Einfluss der Zugabe von weiteren Komponenten in der das Gel umgebenden wässrigen Lösung auf den Quellungsgrad behandelt. Als weitere Komponenten wurden einerseits anorganische Salze (Natriumchlorid,Dinatriumhydrogenphosphat) und andererseits organische Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, 1-Butanol,Methylisobutylketon) behandelt. Zur Modellierung des Quellverhaltens von nichtionischen IPAAm-Gelen in NaCl bzw. Na2HPO4-haltigen Lösungen wurde das VERS-Modell in Kombination mit der Phanom-Netzwerk-Theorie verwendet. Bei der Erweiterung dieser Modelle auf ionische Gele wurde eine gute Beschreibung nur dann erzielt, wenn sowohl das Dissoziationsgleichgewicht des ionischen Komonomeren Natriummethacrylat als auch eine Korrektur im Phantom-Netzwerk-Modell berücksichtigt wurden. Wenn beide Korrekturen allein aus wenigen experimentellen Daten für die Quellung ionischer Gele in wässrigen Lösungen von NaCl bestimmt wurden, gelingen nicht nur eine gute Korrelation für den Quellungsgrad, sondern auch zuverlässige Vorhersagen (sowohl Erweiterung auf andere (IPAAm/NaMA)Gele als auch bei Verwendung von Na2HPO4 anstelle von NaCl). Die Modellierung der Einflüsse der untersuchten Salze (NaCl bzw. Na2HPO4) auf das Quellverhalten sowohl nichtionischer VP-Gele als auch ionischer (VP/NaMA)Gele erfolgt auch in Kombination des VERS-Modells mit der Phanom-Netzwerk-Theorie. Die vorgeschlagene Methode liefert sowohl für nichtionische VP-Gele als auch für ionische (VP/NaMA)Gele in wässrigen salzhaltigen Lösungen eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Rechnung. Die Quellungsgleichgewichte nichtionischer IPAAm-Gele in Mischungen aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel (Ethanol, Aceton, Essigsäure, Butanol, Methylisobutylketon) lassen sich mit Hilfe der Kombination aus dem UNIQUAC-Modell und einem Free-Volume-Beitrag mit der Phantom-Netwerk-Theorie beschreiben. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (IPAAm/NaMA)Gele wurde der Einfluss der Konzentration des organischen Lösungsmittels auf die Dissoziationskonstante von Natriummethacrylat berücksichtigt. Ähnlich zur Modellierung der Quellung im System (IPAAm/NaMA)Gel-Wasser-Salz wurden die Abweichungen von der Phantom-Netzwerk-Theorie mit Hilfe eines empirischen Faktors betrachtet. Mit diesen Modellvorstellungen gelingt sowohl eine gute Korrelation als auch zuverlässige Vorhersage des Quellungsgrades von ionischen Gelen in wässrig/organischen Lösungen. Bei den theoretischen Studien zur Quellung von Gelen auf Basis von Vinylpyrrolidon in wässrig/organischen Lösungsmittelgemischen erwies sich, dass eine Kombination aus dem UNIQUAC-Modell (jedoch ohne kombinatorischen Beitrag) und der Phantom-Netzwerk-Theorie die besten Ergebnisse bei der Beschreibung des Quellverhaltens der nichtionischen VP-Gele liefert. Bei der Erweiterung des Modells auf ionische (VP/NaMA)Gele wurde eine Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von Natriummethacrylat von der Ethanol-, bzw. der Acetonkonzentration berücksichtigt.
Die fortschreitende Verbreitung von Ethernet-basierten Strukturen mit dezentralen und verteilten Anwendungen in der Automatisierung führt zu den so genannten netzbasier-ten Automatisierungssystemen (NAS). Diese sind zwar in Anschaffung und Betrieb kostengünstiger, moderner und flexibler als herkömmliche Strukturen, weisen jedoch nicht-deterministische Verzögerungen auf. Die genaue Analyse der resultierenden Antwortzeiten ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen, Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem ersten von zwei Beiträgen wird hierfür zunächst die für die speziellen Bedürfnisse der Strukturbeschreibung von netzbasierten Automatisierungssystemen entwickelte Modellierungssprache DesLaNAS vorgestellt und auf ein einführendes Beispiel angewendet. Im zweiten Beitrag wird darauf aufbauend gezeigt, welchen Einfluss die einzelnen System-komponenten (SPS, Netzwerk, I/O-Karten) sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse selbst wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) angewendet.
Die Peltulaceae sind eine flechtenbildende Ascomycetenfamilie, die derzeit 43 morphologisch umschriebene Spezies in drei Gattungen umfasst. Systematisch gehören sie in die Ordnung Lichinales (Lichinomycetes, Pezizomycotina), ihre genaue Stellung im System der Ascomyceten ist unbekannt. Die Familie lebt exklusiv mit Cyanobakterien in Symbiose und besiedelt weltweit aride und semi-aride Habitate. Die aktuell bekannte Verbreitung zeigt Ähnlichkeiten zu derjenigen xerophytischer Moospflanzen, für die ein gondwanischer Ursprung angenommen wird. Außerdem besiedeln mehr Peltulaceen-Spezies die ehemaligen Gondwanakontinente (Afrika, Südamerika, Australien, Indien) als die übrigen, laurasischen Kontinente (Nordamerika, Europa, Asien); der Sörensen-Koeffizient für die Florenähnlichkeit beträgt 0,697. Die Hypothese, dass die Peltulaceae gondwanischen Ursprungs sind, sollte mit Hilfe einer phylogenetischen Analyse der Familie geklärt werden, indem durch darauf aufbauende geographische Analysen das Ursprungsareal auf kontinentalem Niveau identifiziert wird. Mit Hilfe des morphologischen Merkmalskomplexes ließ sich keine aufgelöste Phylogeniehypothese erstellen. Da die geographischen Analysen eine voll aufgelöste Phylogenie erfordern, wurden sechs molekulare Marker ausgewählt (nucSSU, nucLSU, mtSSU, ITS, RPB2/7-11, β-Tubulin) und zunächst für je einen Vertreter von 37 der 43 umschriebenen Morphotaxa sequenziert. Die resultierenden Stammbäume der ML- und Bayes'schen Analysen waren unterschiedlich gut aufgelöst und untereinander dergestalt inkompatibel, dass unterschiedliche monophyletische Beziehungen unterstützt wurden. Außerdem wies das β-Tubulin-Gen eine paraloge Kopie auf. Durch Kompatibilitätstests ließen sich keine Teilmengen kongruenter Daten feststellen. Die dennoch durchgeführte kombinierte Analyse aller sechs Marker war vom phylogenetischen Signal des RPB2/7-11-Gens dominiert und ließ sich nicht durch geographische, morphologisch-anatomische oder ökologische Merkmale bestätigen. Zwei verschiedene Methoden zur Detektion von Rekombination ergaben nicht-übereinstimmende Signale nur in der nucLSU beziehungsweise in allen Markern außer der ITS. Von den Genen ITS und RPB2/7-11 wurden zusätzlich Sequenzen weiterer Peltulaceae-Individuen erzeugt und ML- und Bayes‘sche Analysen durchgeführt, in der die Vertreter von zwölf Morphospezies keine monophyletischen Einheiten bildeten. Die Suche nach phylogenetischen Spezies mittels der Konsensusmethode zeigte lediglich eine nicht-terminale Gruppierung unterschiedlicher Morphotaxa: die Vereinigung dreier durch eine peltate Wuchsform charakterisierte Spezies. Dieses Merkmal besitzen jedoch auch andere, in dieser Gruppierung nicht eingeschlossene Spezies. Die Monophylie der Peltulaceae wurde mit molekularen Daten bestätigt, die Stellung im System der Ascomyceten konnte jedoch nicht geklärt werden. Die Existenz der Gattungen Neoheppia und Phyllopeltula konnte mittels molekularer Marker nicht bestätigt werden. Sie werden als taxonomische Konsequenz mit dem älteren Gattungsnamen Peltula synonymisiert, womit die Familie monogenerisch wird. Die vorhandenen Inkongruenzen zwischen den molekularen Markern deuten auf genetisch nicht isolierte Taxa hin. Die Peltulaceae werden nun als ein Spezieskomplex mit bisher ungeklärter Spezieszahl gedeutet. Die morphologische Speziesumschreibung bedarf einer Neubewertung, da sie sich größtenteils nicht mit molekularen Daten bestätigen ließ. Die Klärung der Ausgangsfrage nach dem geographischen Ursprung der Peltulaceae muss die Überarbeitung der Speziesabgrenzungen abwarten.
Zwei zentrale Probleme der modernen Finanzmathematik sind die Portfolio-Optimierung und die Optionsbewertung. Während es bei der Portfolio-Optimierung darum geht, das Vermögen optimal auf verschiedene Anlagemöglichkeiten zu verteilen, versucht die Optionsbewertung faire Preise von derivativen Finanzinstrumenten zu bestimmen. In dieser Arbeit werden Fragestellungen aus beiden dieser Themenbereiche bearbeitet. Die Arbeit beginnt mit einem Kapitel über Grundlagen, in dem zum Beispiel das Portfolio-Problem von Merton dargestellt und die Black/Scholes-Formel zur Optionsbewertung hergeleitet wird. In Kapitel 2 wird das Portfolio-Problem von Morton und Pliska betrachtet, die in das Merton-Modell fixe Transaktionskosten eingeführt haben. Dabei muß der Investor bei jeder Transaktion einen fixen Anteil vom derzeitigen Vermögen als Kosten abführen. Es wird die asymptotische Approximation dieses Modells von Atkinson und Wilmott vorgestellt und die optimale Portfoliostrategie aus den Marktparametern hergeleitet. Danach werden die tatsächlichen Transaktionskosten abgeschätzt und ein User Guide zur praktischen Anwendung dieses Transaktionskostenmodells angegeben. Zum Schluß wird das Modell numerisch analysiert, indem unter anderem die erwartete Handelszeit und die Güte der Abschätzung der tatsächlichen Transaktionskosten berechnet werden. Ein Portfolio-Problem mit internationalen Märkten wird in Kapitel 3 vorgestellt. Dem Investor steht zusätzlich zu seinem Heimatland noch ein weiteres Land für seine Vermögensanlagen zur Verfügung. Dabei werden die Preisprozesse für die ausländischen Wertpapiere mit einem stochastischen Wechselkurs in die Heimatwährung umgerechnet. In einer statischen Analyse wird unter anderem berechnet, wieviel weniger Vermögen der Investor benötigt, um das gleiche erwartete Endvermögen zu erhalten wie in dem Fall, wenn ihm keine Auslandsanlagen zur Verfügung stehen. Kapitel 4 behandelt drei verschiedene Portfolio-Probleme mit Sprung-Diffusions-Prozessen. Nach der Herleitung eines Verifikationssatzes wird das Problem bei Anlagemöglichkeit in eine Aktie und in ein Geldmarktkonto jeweils für eine konstante und eine stochastische Zinsrate untersucht. Im ersten Fall wird eine implizite Darstellung für den optimalen Portfolioprozeß und eine Bedingung angegeben, unter der diese Darstellung eindeutig lösbar ist. Außerdem wird der optimale Portfolioprozeß für verschiedene Verteilungen für die Sprunghöhe untersucht. Im Falle einer stochastischen Zinsrate kann nur ein Kandidat für den optimalen Lösungsprozeß angeben werden. Dieser hat wieder eine implizite Darstellung. Das letzte Portfolio-Problem ist eine Abwandlung des Modells aus Kapitel 3. Wird dort der Wechselkurs durch eine geometrisch Brownsche Bewegung modelliert, ist er hier ein reiner Sprungprozeß. Es wird wieder der optimale Portfolioprozeß hergeleitet, wobei ein Anteil davon unter Umständen nur numerisch lösbar ist. Eine hinreichende Bedingung für die Lösbarkeit wird angegeben. In Kapitel 5 werden verschiedene Bewertungsansätze für Optionen auf Bondindizes präsentiert. Es wird eine Methode vorgestellt, mit der die Optionen anhand von Marktpreisen bewertet werden können. Für den Fall, daß es nicht genug Marktpreise gibt, wird ein Verfahren angegeben, um den Bondindex realitätsnah zu simulieren und künstliche Marktpreise zu erzeugen. Diese Preise können dann für eine Kalibrierung verwendet werden.
In this paper, a new mixed integer mathematical programme is proposed for the application of Hub Location Problems (HLP) in public transport planning. This model is among the few existing ones for this application. Some classes of valid inequalities are proposed yielding a very tight model. To solve instances of this problem where existing standard solvers fail, two approaches are proposed. The first one is an exact accelerated Benders decomposition algorithm and the latter a greedy neighborhood search. The computational results substantiate the superiority of our solution approaches to existing standard MIP solvers like CPLEX, both in terms of computational time and problem instance size that can be solved. The greedy neighborhood search heuristic is shown to be extremely efficient.
Given an undirected connected network and a weight function finding a basis of the cut space with minimum sum of the cut weights is termed Minimum Cut Basis Problem. This problem can be solved, e.g., by the algorithm of Gomory and Hu [GH61]. If, however, fundamentality is required, i.e., the basis is induced by a spanning tree T in G, the problem becomes NP-hard. Theoretical and numerical results on that topic can be found in Bunke et al. [BHMM07] and in Bunke [Bun06]. In the following we present heuristics with complexity O(m log n) and O(mn), where n and m are the numbers of vertices and edges respectively, which obtain upper bounds on the aforementioned problem and in several cases outperform the heuristics of Schwahn [Sch05].
Nichtlinearer Horizontaler Bettungsmodulansatz für Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand
(2007)
In der allgemeinen Baugrubenstatik für Trägerbohlwände werden haltende Kräfte vor dem im Baugrund einbindenden Teil des Trägers dem Erdwiderstand gleichgesetzt. Der Erwiderstand kann jedoch nur im Grenzzustand vollständig mobilisiert werden, was ausreichend große Verschiebungen am Trägerfuß voraussetzt. Die Abhängigkeit der tatsächlich mobilisierten Erdwiderstandsspannungen von den Verschiebungen kann mathematisch durch den hori-zontalen Bettungsmodul ausgedrückt werden. Bislang liegen zum horizontalen Bettungsmodul nur grobe Näherungsansätze vor, die die tatsächlichen Wechselwirkungen zwischen Spannun-gen und Verschiebungen für beliebige Verschiebungsbilder nicht realitätsnah erfassen. Ziel dieser Arbeit ist eine realitätsnahe Beschreibung des horizontalen Bettungsmoduls und damit einer realistischere Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Trägerbohl-wänden. Zur Ermittlung des Bettungsmoduls in Größe und Verlauf sowie zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf den Bettungsmodul werden dreidimensionale Berechnungen nach der Finiten-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Dabei werden die maßgebendenden Einfluss-faktoren im Rahmen von Parameterstudien für in der Praxis häufig vorkommende Werte-intervalle untersucht. Die FEM-Berechnungen erfolgen für freistehende, einfach rückverankerte und zweifach rückverankterte Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand. Den Berechnungen liegt ein nichtlineares, elastoplastisches Stoffgesetz zugrunde. Die FEM-Berechnungen werden an den Messergebnissen vorhandener Großversuche kalibriert. Die FEM-Parameterstudien belegen eine Abhängigkeit des Bettungsmoduls von der Verschiebung u, der Tiefe z/t und der Druckflächenbreite b. Aus den FEM-Parameterstudien abgeleitet wird ein iterativer, nichtlinearer Berechnungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ksh erarbeitet. Darüber hinaus wird als Anfangswert der Iteration in der Ingenieurpraxis ein einfacher, linearer Näherungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ermittelt.
Nonlinear diffusion filtering of images using the topological gradient approach to edges detection
(2007)
In this thesis, the problem of nonlinear diffusion filtering of gray-scale images is theoretically and numerically investigated. In the first part of the thesis, we derive the topological asymptotic expansion of the Mumford-Shah like functional. We show that the dominant term of this expansion can be regarded as a criterion to edges detection in an image. In the numerical part, we propose the finite volume discretization for the Catté et al. and the Weickert diffusion filter models. The proposed discretization is based on the integro-interpolation method introduced by Samarskii. The numerical schemes are derived for the case of uniform and nonuniform cell-centered grids of the computational domain \(\Omega \subset \mathbb{R}^2\). In order to generate a nonuniform grid, the adaptive coarsening technique is proposed.
Abstract. The stationary, isothermal rotational spinning process of fibers is considered. The investigations are concerned with the case of large Reynolds (± = 3/Re ¿ 1) and small Rossby numbers (\\\" ¿ 1). Modelling the fibers as a Newtonian fluid and applying slender body approximations, the process is described by a two–point boundary value problem of ODEs. The involved quantities are the coordinates of the fiber’s centerline, the fluid velocity and viscous stress. The inviscid case ± = 0 is discussed as a reference case. For the viscous case ± > 0 numerical simulations are carried out. Transfering some properties of the inviscid limit to the viscous case, analytical bounds for the initial viscous stress of the fiber are obtained. A good agreement with the numerical results is found. These bounds give strong evidence, that for ± > 3\\\"2 no physical relevant solution can exist. A possible interpretation of the above coupling of ± and \\\" related to the die–swell phenomenon is given.
Abstract — Various advanced two-level iterative methods are studied numerically and compared with each other in conjunction with finite volume discretizations of symmetric 1-D elliptic problems with highly oscillatory discontinuous coefficients. Some of the methods considered rely on the homogenization approach for deriving the coarse grid operator. This approach is considered here as an alternative to the well-known Galerkin approach for deriving coarse grid operators. Different intergrid transfer operators are studied, primary consideration being given to the use of the so-called problemdependent prolongation. The two-grid methods considered are used as both solvers and preconditioners for the Conjugate Gradient method. The recent approaches, such as the hybrid domain decomposition method introduced by Vassilevski and the globallocal iterative procedure proposed by Durlofsky et al. are also discussed. A two-level method converging in one iteration in the case where the right-hand side is only a function of the coarse variable is introduced and discussed. Such a fast convergence for problems with discontinuous coefficients arbitrarily varying on the fine scale is achieved by a problem-dependent selection of the coarse grid combined with problem-dependent prolongation on a dual grid. The results of the numerical experiments are presented to illustrate the performance of the studied approaches.
Approximation property of multipoint flux approximation (MPFA) approach for elliptic equations with discontinuous full tensor coefficients is discussed here. Finite volume discretization of the above problem is presented in the case of jump discontinuities for the permeability tensor. First order approximation for the fluxes is proved. Results from numerical experiments are presented and discussed.
Guaranteeing correctness of compilation is a ma jor precondition for correct software. Code generation can be one of the most error-prone tasks in a compiler. One way to achieve trusted compilation is certifying compilation. A certifying compiler generates for each run a proof that it has performed the compilation run correctly. The proof is checked in a separate theorem prover. If the theorem prover is content with the proof, one can be sure that the compiler produced correct code. This paper presents a certifying code generation phase for a compiler translating an intermediate language into assembler code. The time spent for checking the proofs is the bottleneck of certifying compilation. We exhibit an improved framework for certifying compilation and considerable advances to overcome this bottleneck. We compare our implementation featuring the Coq theorem prover to an older implementation. Our current implementation is feasible for medium to large sized programs.
In this paper we consider a CHARME Model, a class of generalized mixture of nonlinear nonparametric AR-ARCH time series. We apply the theory of Markov models to derive asymptotic stability of this model. Indeed, the goal is to provide some sets of conditions under which our model is geometric ergodic and therefore satisfies some mixing conditions. This result can be considered as the basis toward an asymptotic theory for our model.
A numerical upscaling approach, NU, for solving multiscale elliptic problems is discussed. The main components of this NU are: i) local solve of auxil- iary problems in grid blocks and formal upscaling of the obtained re sults to build a coarse scale equation; ii) global solve of the upscaled coarse scale equation; and iii) reconstruction of a fine scale solution by solving local block problems on a dual coarse grid. By its structure NU is similar to other methods for solving multiscale elliptic problems, such as the multiscale finite element method, the multiscale mixed finite element method, the numerical subgrid upscaling method, heterogeneous multiscale method, and the multiscale finite volume method. The difference with those methods is in the way the coarse scale equation is build and solved, and in the way the fine scale solution is reconstructed. Essential components of the presented here NU approach are the formal homogenization in the coarse blocks and the usage of so called multipoint flux approximation method, MPFA. Unlike the usual usage as MPFA as a discretiza- tion method for single scale elliptic problems with tensor discontinuous coefficients, we consider its usage as a part of a numerical upscaling approach. The main aim of this paper is to compare NU with the MsFEM. In particular, it is shown that the resonance effect, which limits the application of the Multiscale FEM, does not appear, or it is significantly relaxed, when the presented here numerical upscaling approach is applied.
The performance of oil filters used in the automotive industry can be significantly improved, especially when computer simulation is an essential component of the design process. In this paper, we consider parallel numerical algorithms for solving mathematical models describing the process of filtration, filtering out solid particles from liquid oil. The Navier-Stokes-Brinkmann system of equations is used to describe the laminar flow of incompressible isothermal oil. The space discretization in the complicated filter geometry is based on the finite-volume method. Special care is taken for an accurate approximation of velocity and pressure on the interface between the fluid and the porous media. The time discretization used here is a proper modification of the fractional time step discretization (cf. Chorin scheme) of the Navier-Stokes equations, where the Brinkmann term is considered at both, prediction and correction substeps. A data decomposition method is used to develop a parallel algorithm, where the domain is distributed among processors by using a structured reference grid. The MPI library is used to implement the data communication part of the algorithm. A theoretical model is proposed for the estimation of the complexity of the given parallel algorithm and a scalability analysis is done on the basis of this model. Results of computational experiments are presented, and the accuracy and efficiency of the parallel algorithm is tested on real industrial geometries.
On the Complexity of the Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem with Equal Weights
(2007)
The Super-Peer Selection Problem is an optimization problem in network topology construction. It may be cast as a special case of a Hub Location Problem, more exactly an Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem with equal weights. We show that this problem is still NP-hard by reduction from Max Clique.
As a first approximation the Earth is a sphere; as a second approximation it may be considered an ellipsoid of revolution. The deviations of the actual Earth's gravity field from the ellipsoidal 'normal' field are so small that they can be understood to be linear. The splitting of the Earth's gravity field into a 'normal' and a remaining small 'disturbing' field considerably simplifies the problem of its determination. Under the assumption of an ellipsoidal Earth model high observational accuracy is achievable only if the deviation (deflection of the vertical) of the physical plumb line, to which measurements refer, from the ellipsoidal normal is not ignored. Hence, the determination of the disturbing potential from known deflections of the vertical is a central problem of physical geodesy. In this paper we propose a new, well-promising method for modelling the disturbing potential locally from the deflections of the vertical. Essential tools are integral formulae on the sphere based on Green's function of the Beltrami operator. The determination of the disturbing potential from deflections of the vertical is formulated as a multiscale procedure involving scale-dependent regularized versions of the surface gradient of the Green function. The modelling process is based on a multiscale framework by use of locally supported surface curl-free vector wavelets.
Modeling and formulation of optimization problems in IMRT planning comprises the choice of various values such as function-specific parameters or constraint bounds. These values also affect the characteristics of the optimization problem and thus the form of the resulting optimal plans. This publication utilizes concepts of sensitivity analysis and elasticity in convex optimization to analyze the dependence of optimal plans on the modeling parameters. It also derives general rules of thumb how to choose and modify the parameters in order to obtain the desired IMRT plan. These rules are numerically validated for an exemplary IMRT planning problems.
Abstraction is intensively used in the verification of large, complex or infinite-state systems. With abstractions getting more complex it is often difficult to see whether they are valid. However, for using abstraction in model checking it has to be ensured that properties are preserved. In this paper, we use a translation validation approach to verify property preservation of system abstractions. We formulate a correctness criterion based on simulation between concrete and abstract system for a property to be verified. For each distinct run of the abstraction procedure the correctness is verified in the theorem prover Isabelle/HOL. This technique is applied in the verification of embedded adaptive systems. This paper is an extended version a previously published work.
Two-level domain decomposition preconditioner for 3D flows in anisotropic highly heterogeneous porous media is presented. Accurate finite volume discretization based on multipoint flux approximation (MPFA) for 3D pressure equation is employed to account for the jump discontinuities of full permeability tensors. DD/MG type preconditioner for above mentioned problem is developed. Coarse scale operator is obtained from a homogenization type procedure. The influence of the overlapping as well as the influence of the smoother and cell problem formulation is studied. Results from numerical experiments are presented and discussed.
Calculating effective heat conductivity for a class of industrial problems is discussed. The considered composite materials are glass and metal foams, fibrous materials, and the like, used in isolation or in advanced heat exchangers. These materials are characterized by a very complex internal structure, by low volume fraction of the higher conductive material (glass or metal), and by a large volume fraction of the air. The homogenization theory (when applicable), allows to calculate the effective heat conductivity of composite media by postprocessing the solution of special cell problems for representative elementary volumes (REV). Different formulations of such cell problems are considered and compared here. Furthermore, the size of the REV is studied numerically for some typical materials. Fast algorithms for solving the cell problems for this class of problems, are presented and discussed.