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With the burgeoning computing power available, multiscale modelling and simulation has these days become increasingly capable of capturing the details of physical processes on different scales. The mechanical behavior of solids is oftentimes the result of interaction between multiple spatial and temporal scales at different levels and hence it is a typical phenomena of interest exhibiting multiscale characteristic. At the most basic level, properties of solids can be attributed to atomic interactions and crystal structure that can be described on nano scale. Mechanical properties at the macro scale are modeled using continuum mechanics for which we mention stresses and strains. Continuum models, however they offer an efficient way of studying material properties they are not accurate enough and lack microstructural information behind the microscopic mechanics that cause the material to behave in a way it does. Atomistic models are concerned with phenomenon at the level of lattice thereby allowing investigation of detailed crystalline and defect structures, and yet the length scales of interest are inevitably far beyond the reach of full atomistic computation and is rohibitively expensive. This makes it necessary the need for multiscale models. The bottom line and a possible avenue to this end is, coupling different length scales, the continuum and the atomistics in accordance with standard procedures. This is done by recourse to the Cauchy-Born rule and in so doing, we aim at a model that is efficient and reasonably accurate in mimicking physical behaviors observed in nature or laboratory. In this work, we focus on concurrent coupling based on energetic formulations that links the continuum to atomistics. At the atomic scale, we describe deformation of the solid by the displaced positions of atoms that make up the solid and at the continuum level deformation of the solid is described by the displacement field that minimize the total energy. In the coupled model, continuum-atomistic, a continuum formulation is retained as the overall framework of the problem and the atomistic feature is introduced by way of constitutive description, with the Cauchy-Born rule establishing the point of contact. The entire formulation is made in the framework of nonlinear elasticity and all the simulations are carried out within the confines of quasistatic settings. The model gives direct account to measurable features of microstructures developed by crystals through sequential lamination.
In this thesis, we have dealt with two modeling approaches of the credit risk, namely the structural (firm value) and the reduced form. In the former one, the firm value is modeled by a stochastic process and the first hitting time of this stochastic process to a given boundary defines the default time of the firm. In the existing literature, the stochastic process, triggering the firm value, has been generally chosen as a diffusion process. Therefore, on one hand it is possible to obtain closed form solutions for the pricing problems of credit derivatives and on the other hand the optimal capital structure of a firm can be analysed by obtaining closed form solutions of firm's corporate securities such as; equity value, debt value and total firm value, see Leland(1994). We have extended this approach by modeling the firm value as a jump-diffusion process. The choice of the jump-diffusion process was a crucial step to obtain closed form solutions for corporate securities. As a result, we have chosen a jump-diffusion process with double exponentially distributed jump heights, which enabled us to analyse the effects of jump on the optimal capital structure of a firm. In the second part of the thesis, by following the reduced form models, we have assumed that the default is triggered by the first jump of a Cox process. Further, by following Schönbucher(2005), we have modeled the forward default intensity of a firm as a geometric Brownian motion and derived pricing formulas for credit default swap options in a more general setup than the ones in Schönbucher(2005).
We present a constructive theory for locally supported approximate identities on the unit ball in \(\mathbb{R}^3\). The uniform convergence of the convolutions of the derived kernels with an arbitrary continuous function \(f\) to \(f\), i.e. the defining property of an approximate identity, is proved. Moreover, an explicit representation for a class of such kernels is given. The original publication is available at www.springerlink.com
This report discusses two approaches for a posteriori error indication in the linear elasticity solver DDFEM: An indicator based on the Richardson extrapolation and Zienkiewicz-Zhu-type indicator. The solver handles 3D linear elasticity steady-state problems. It uses own input language to describe the mesh and the boundary conditions. Finite element discretization over tetrahedral meshes with first or second order shape functions (hierarchical basis) has been used to resolve the model. The parallelization of the numerical method is based on the domain decomposition approach. DDFEM is highly portable over a set of parallel computer architectures supporting the MPI-standard.
Wetting of a solid surface with liquids is an important parameter in the chemical engineering process such as distillation, absorption and desorption. The degree of wetting in packed columns mainly contributes in the generating of the effective interfacial area and then enhancing of the heat and mass transfer process. In this work the wetting of solid surfaces was studied in real experimental work and virtually through three dimensional CFD simulations using the multiphase flow VOF model implemented in the commercial software FLUENT. That can be used to simulate the stratified flows [1]. The liquid rivulet flow which is a special case of the film flow and mostly found in packed columns has been discussed. Wetting of a solid flat and wavy metal plate with rivulet liquid flow was simulated and experimentally validated. The local rivulet thickness was measured using an optically assisted mechanical sensor using a needle which is moved perpendicular to the plate surface with a step motor and in the other two directions using two micrometers. The measured and simulated rivulet profiles were compared to some selected theoretical models founded in the literature such as Duffy & Muffatt [2], Towell & Rothfeld [3] and Al-Khalil et al. [4]. The velocity field in a cross section of a rivulet flow and the non-dimensional maximum and mean velocity values for the vertical flat plate was also compared with models from Al-Khalil et al. [4] and Allen & Biggin [5]. Few CFD simulations for the wavy plate case were compared to the experimental findings, and the Towel model for a flat plate [3]. In the second stage of this work 3-D CFD simulations and experimental study has been performed for wetting of a structured packing element and packing sheet consisting of three elements from the type Rombopak 4M, which is a product of the company Kuhni, Switzerland. The hydrodynamics parameters of a packed column, e. i. the degree of wetting, the interfacial area and liquid hold-up have been depicted from the CFD simulations for different liquid systems and liquid loads. Flow patterns on the degree of wetting have been compared to that of the experiments, where the experimental values for the degree of wetting were estimated from the snap shooting of the flow on the packing sheet in a test rig. A new model to describe the hydrodynamics of packed columns equipped with Rombopak 4M was derived with help of the CFD–simulation results. The model predicts the degree of wetting, the specific or interfacial area and liquid hold-up at different flow conditions. This model was compared to Billet & Schultes [6], the SRP model Rocha et al. [7-9], to Shi & Mersmann [10] and others. Since the pressure drop is one of the most important parameter in packed columns especially for vacuum operating columns, few CFD simulations were performed to estimate the dry pressure drop in a structured and flat packing element and were compared to the experimental results. It was found a good agreement from one side, between the experimental and the CFD simulation results, and from the other side between the simulations and theoretical models for the rivulet flow on an inclined plate. The flow patterns and liquid spreading behaviour on the packing element agrees well with the experimental results. The VOF (Volume of Fluid) was found very sensitive to different liquid properties and can be used in optimization of the packing geometries and revealing critical details of wetting and film flow. An extension of this work to perform CFD simulations for the flow inside a block of the packing to get a detailed picture about the interaction between the liquid and packing surfaces is recommended as further perspective.
For the last decade, optimization of beam orientations in intensity-modulated radiation therapy (IMRT) has been shown to be successful in improving the treatment plan. Unfortunately, the quality of a set of beam orientations depends heavily on its corresponding beam intensity profiles. Usually, a stochastic selector is used for optimizing beam orientation, and then a single objective inverse treatment planning algorithm is used for the optimization of beam intensity profiles. The overall time needed to solve the inverse planning for every random selection of beam orientations becomes excessive. Recently, considerable improvement has been made in optimizing beam intensity profiles by using multiple objective inverse treatment planning. Such an approach results in a variety of beam intensity profiles for every selection of beam orientations, making the dependence between beam orientations and its intensity profiles less important. This thesis takes advantage of this property to accelerate the optimization process through an approximation of the intensity profiles that are used for multiple selections of beam orientations, saving a considerable amount of calculation time. A dynamic algorithm (DA) and evolutionary algorithm (EA), for beam orientations in IMRT planning will be presented. The DA mimics, automatically, the methods of beam's eye view and observer's view which are recognized in conventional conformal radiation therapy. The EA is based on a dose-volume histogram evaluation function introduced as an attempt to minimize the deviation between the mathematical and clinical optima. To illustrate the efficiency of the algorithms they have been applied to different clinical examples. In comparison to the standard equally spaced beams plans, improvements are reported for both algorithms in all the clinical examples even when, for some cases, fewer beams are used. A smaller number of beams is always desirable without compromising the quality of the treatment plan. It results in a shorter treatment delivery time, which reduces potential errors in terms of patient movements and decreases discomfort.
This paper analyzes and solves a patient transportation problem arising in several large hospitals. The aim is to provide an efficient and timely transport service to patients between several locations on a hospital campus. Transportation requests arrive in a dynamic fashion and the solution methodology must therefore be capable of quickly inserting new requests in the current vehicle routes. Contrary to standard dial-a-ride problems, the problem under study contains several complicating constraints which are specific to a hospital context. The paper provides a detailed description of the problem and proposes a two-phase heuristic procedure capable of handling its many features. In the first phase a simple insertion scheme is used to generate a feasible solution, which is improved in the second phase with a tabu search algorithm. The heuristic procedure was extensively tested on real data provided by a German hospital. Results show that the algorithm is capable of handling the dynamic aspect of the problem and of providing high quality solutions. In particular, it succeeded in reducing waiting times for patients while using fewer vehicles.
In this thesis diverse problems concerning inflation-linked products are dealt with. To start with, two models for inflation are presented, including a geometric Brownian motion for consumer price index itself and an extended Vasicek model for inflation rate. For both suggested models the pricing formulas of inflation-linked products are derived using the risk-neutral valuation techniques. As a result Black and Scholes type closed form solutions for a call option on inflation index for a Brownian motion model and inflation evolution for an extended Vasicek model as well as for an inflation-linked bond are calculated. These results have been already presented in Korn and Kruse (2004) [17]. In addition to these inflation-linked products, for the both inflation models the pricing formulas of a European put option on inflation, an inflation cap and floor, an inflation swap and an inflation swaption are derived. Consequently, basing on the derived pricing formulas and assuming the geometric Brownian motion process for an inflation index, different continuous-time portfolio problems as well as hedging problems are studied using the martingale techniques as well as stochastic optimal control methods. These utility optimization problems are continuous-time portfolio problems in different financial market setups and in addition with a positive lower bound constraint on the final wealth of the investor. When one summarizes all the optimization problems studied in this work, one will have the complete picture of the inflation-linked market and both counterparts of market-participants, sellers as well as buyers of inflation-linked financial products. One of the interesting results worth mentioning here is naturally the fact that a regular risk-averse investor would like to sell and not buy inflation-linked products due to the high price of inflation-linked bonds for example and an underperformance of inflation-linked bonds compared to the conventional risk-free bonds. The relevance of this observation is proved by investigating a simple optimization problem for the extended Vasicek process, where as a result we still have an underperforming inflation-linked bond compared to the conventional bond. This situation does not change, when one switches to an optimization of expected utility from the purchasing power, because in its nature it is only a change of measure, where we have a different deflator. The negativity of the optimal portfolio process for a normal investor is in itself an interesting aspect, but it does not affect the optimality of handling inflation-linked products compared to the situation not including these products into investment portfolio. In the following, hedging problems are considered as a modeling of the other half of inflation market that is inflation-linked products buyers. Natural buyers of these inflation-linked products are obviously institutions that have payment obligations in the future that are inflation connected. That is why we consider problems of hedging inflation-indexed payment obligations with different financial assets. The role of inflation-linked products in the hedging portfolio is shown to be very important by analyzing two alternative optimal hedging strategies, where in the first one an investor is allowed to trade as inflation-linked bond and in the second one he is not allowed to include an inflation-linked bond into his hedging portfolio. Technically this is done by restricting our original financial market, which is made of a conventional bond, inflation index and a stock correlated with inflation index, to the one, where an inflation index is excluded. As a whole, this thesis presents a wide view on inflation-linked products: inflation modeling, pricing aspects of inflation-linked products, various continuous-time portfolio problems with inflation-linked products as well as hedging of inflation-related payment obligations.
Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für ein kapazitives Messsystem entwickelt und als Prototyp realisiert. Um realistische Rahmenbedingungen zu schaffen wurde der Prototyp auf einer Ultrapräzisionsmaschine des Lehrstuhls für Feinwerktechnik montiert und getestet. Für die Auswertung eines kapazitiven Sensors wurde das Trägerfrequenzmessverfahren gewählt. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können musste das TF-Verfahren zunächst entscheidend modifiziert werden. Die klassischen Verfahren zur Demodulation, wie z.B. wie die synchrone Demodulation oder die Hüllkurvendemodulation sind ungeeignet, da sie zunächst das analoge modulierte Signal ins Basisband verschieben und dann erst für weitere Verarbeitung das Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Dieser Zwischenschritt ist besonders anfällig für Signalverzerrungen und Phasenfehlern zwischen Trägerschwingung und moduliertem Signal. Um nun diese Nachteile zu umgehen erfolgt die Demodulation direkt durch die Abtastung des modulierten Signals mittels eines sehr schnellen AD-Wandlers. Das modulierte Signal wird so direkt ins Basisband zurückgefaltet. Da es sich bei dem modulierten Signal um ein bandbegrenztes Signal handelt kann die Abtastrate des AD-Wandlers an die Bandbreite des modulierten Signals angepasst werden, es findet eine Unterabtastung statt. Nachteilig ist hierbei, dass die hochfrequenten Anteile des thermischen Rauschens durch die Unterabtastung in das Basisband zurückgefaltet werden und so den Signal/Rauschabstand verschlechtern. Durch den Einsatz einer rauscharmen Sensorelektronik und der Optimierung der Messbrückenparameter konnte dieser Nachteil streckenweise wieder kompensiert werden. Aufgrund der geringen Kapazitäten von kapazitiven Sensoren spielt der Einfluss von parasitären Effekten eine besonders große Rolle und muss daher vermieden werden. Als Gegenmaßnahmen wurde neben einem kapazitätsarmen Aufbau der Schaltung die Guardtechnik zur Unterdrückung parasitärerer Kapazitäten eingesetzt. Die aktive Abschirmung der empfindlichen signalführenden Leitungen auf Leiterplatte, Sensor und Anschlusskabel bietet einen wirksamen Schutz gegen den negativen Einfluss parasitäre Kapazitäten. Der Einfluss dieser aktiven Schaltung hinsichtlich des Rauschen und des Verstärkungsfehlers auf die Performance des Messsystems wurde bewertet. Anhand von Modellen wurden der Verstärkungsfehler und die Rauschspannung quantifiziert. Neben diesen zentralen Störgrößen wurde weiter der Einfluss der Temperatur untersucht und quantifiziert Das verstärkte Messsignal wird durch einen schnellen AD-Wandler in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Obwohl die Datenrate des Messsystems durch Unterabtastung deutlich gesenkt werden konnte, fällt dennoch eine recht große weiterzuverarbeitende Datenmenge von einigen Megabyte pro Sekunde an, die auf einen PC gespeichert wird. Damit eine fehlerfreie Datenübertragung an den PC erfolgen kann ist eine Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten in einem Puffer notwendig. Die Zwischenspeicherung erfolgt mit einem insgesamt 12k-Byte großen und 16 Bit breiten Fifo-Speicher, der zusammen mit der AD-Wandlerelektronik auf einer Platine untergebracht werden konnte. Diese Elektronik ist neben der Sensorelektronik und der Signalerzeugung für die Trägerfrequenz ein zentraler Bestandteil des Prototyps. Der Prototyp wird durch einen handels-üblichen PC angesteuert. Der Aufbau des gesamten Messsystems und die abschließenden Untersuchungen erfolgten auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine. Diese Maschine bot aufgrund ihrer bekannten mechanischen Eigenschaften eine präzise Grundlage für die Untersuchungen am Messsystem. Hierbei zeigte sich, dass neben den deterministischen Störgrößen eine Vielzahl von weiteren unvorhersehbaren Störungen negativen Einfluss auf die Gesamtperformance des Messsystems nehmen kann. Diese Störgrößen wie z.B. Netzstörungen konnten durch verschiedene Abschirmmaßnahmen deutlich verbessert werden. So enthielten die ersten Messungen deutliche Zeichen dieser Störanteile die nur unzureichend durch eine softwareseitige digitale Filterung unterdrückt werden konnten. Mit weiteren Messungen konnte dann die deutliche Abnahme des Störpegels verifiziert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit ist eine existierende, hochpräzise Mehrachsendrehmaschine untersucht worden. Die Drehmaschine ist durch einen unkonventionellen Aufbau in der Summe als neuartig zu benennen. Vom Üblichen abweichende Führungen (Doppelprismenführungen als berührende Gleitführungen statt Wälzführung oder berührungsfreie Gleitpaarung) werden durch schwingungsanregende Motoren (Schrittmotoren statt Servomotoren) angetrieben. Durch den Einsatz von Schrittmotoren wird die Position der Achsen gesteuert und nicht geregelt, eine Anzeige der Achsstellungen wird nur zur Arbeitserleichterung bei der Einstellung von Referenzpunkten verwendet. Aufgrund der Unkonventionalität des Maschinenaufbaus bestand trotz grundsätzlich nachgewiesener Eignung zu höchst präziser Fertigung Unsicherheit hinsichtlich erreichbarer Oberflächengüte und Formtreue für typische Bearbeitungsaufgaben der Metalloptikherstellung. Die Eignung der Maschine zur Herstellung einer weiteren Kategorie höchst präziser Optikelemente, Gitter oder allgemeiner Mikrostrukturen, wurde in der Vergangenheit zwar immer wieder gefordert, postuliert und teilweise auch nachgewiesen, eine Grenze der auf dieser Maschine möglichen Mikrostrukturgenauigkeiten ist jedoch bisher nicht nachgewiesen worden. Zur Erlangung besserer Planungssicherheit für die Weiterentwicklung und auch tägliche Arbeit mit dieser Maschine wurde eine mathematische Beschreibung inkl. Fehlerbetrachtung der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Achsstellungen erstellt. In diese Fehlerbetrachtung fließt mit der praktischen Ausrichtung und Justierung der Maschine ein wichtiger genauigkeitsbestimmender Arbeitsschritt ein. Weitere Fehlerfaktoren, z.B. thermisch induzierte Positionsfehler und Schwingungen, wurden in den auftretenden Wirkungen beobachtet und angegeben. Dieses mathematische Modell und die Fehlerbetrachtung werden auf beispielhafte, typische Bearbeitungsaufgaben aus dem Bereich der Metalloptiken (Spiegel: Planflächen, sphärisch konkave Flächen, asphärisch konkave Flächen) und zusätzlich Gitter als Mikrostrukturierung angewendet. Es wird die aus dem mathematischen Modell abgeleitete Vorhersage erreichbarer Oberflächen / Rauheiten mit den tatsächlich erreichten Werten verglichen. Dieser Vergleich stützt bei Planflächen, Sphären und Asphären das Modell, gleichzeitig kann nur geringes Verbesserungspotential ausgemacht werden. Bei Gittern stützt der Vergleich im Betriebsmodus kontinuierliches Vorschubdrehen ebenfalls das Modell, jedoch kann aus Modell und Praxis Verbesserungspotential durch kleinere Winkelschritte der Antriebsmotoren abgeleitet werden. Die Grenze des Modells wird bei der Gitterherstellung durch nicht kontinuierliches Vorschubdrehen (Burst-Mode, Feuerstoß-Vorschub) aufgezeigt: Diese Betriebsart regt mit harten Stößen die gesamte Maschine zu deutlichen Schwingungen an und überfordert zusätzlich die Gleiteigenschaften der Führungen, so dass entgegen theoretischer Vorhersagen eine deutliche Verschlechterung der Konstanz der Grabenabstände realisiert wird. Die gesammelten Erkenntnisse führen im Kapitel Ausblick zu einer Vielzahl an Verbesserungsmöglichkeiten. Letztendlich wird prinzipbedingt eine Schwäche bei der Mikrostrukturierung nachgewiesen, wodurch sich hier das höchste Verbesserungspotential ableiten lässt. Bei realistischer Betrachtungsweise wird jedoch eine Empfehlung zur Bearbeitung kontinuierlicher Oberflächen erkannt werden. Hier liegt das Verbesserungspotential allerdings vorwiegend in einer Rationalisierung der Programmierung und Achssteuerung für häufig wechselnde Prototypen, also auf wenig wissenschaftlichem Gebiet. Als Fortführung dieser Arbeit wird das Aufstellen und Überprüfen eines thermischen Modells der Maschine empfohlen. Hieraus könnten nicht nur weitere Verbesserungsmöglichkeiten abgeleitet werden, darüber hinaus sind die beim Aufstellen und Überprüfen des thermischen Modells gefundenen Kenntnisse schon jetzt im Bereich der UP-Fertigung wichtig und werden weiter an Bedeutung gewinnen.
Der Bedarf an Spenderlebern für die Behandlung akuter und chronischer Lebererkrankungen kann zurzeit nicht gedeckt werden. Insbesondere für metabolische Lebererkrankungen hat sich die Transplantation von Hepatozyten als Alternative zur Lebertransplantation erwiesen. Diese Therapie wird wegen Mangel an Hepatozyten ausreichender Qualität nicht flächendeckend eingesetzt. Falls es möglich wäre, Stammzellen zu Hepatozyten zu differen-zieren, könnte dies für die Behandlung von Lebererkrankungen einen erheblichen Fortschritt bedeuten. Eine von vielen Arbeitsgruppen verfolgte Strategie zur Beurteilung des Differenzie-rungspotentials hepatischer Vorläuferzellen ist die Transplantation in die Leber immundefi-zienter Mäuse. Die in der vorliegenden Arbeit verfolgte Strategie bestand darin, zunächst 750.000 zu beurteilende Zellen entweder direkt in das Parenchym des linken Leberlappens oder in die Milz zu injizieren. Die anschließende Analytik verfolgte folgende Ziele: i) Identi-fikation der transplantierten Zellen. Dies wurde durch den kombinierten Einsatz von CM-DiI und Sonden gegen humane Alu-Sequenzen erreicht. Hierbei markierte CM-DiI lediglich grob die Areale, in die transplantiert wurde. Die in situ Hybridisierung mit Alu-Sonden ermöglichte die konkrete Identifikation humaner Kerne. ii) Analyse der Expression hepatischer Faktoren, die von den ursprünglichen Stammzellen nicht gebildet wurden. Hierzu wurde ein für huma-nes Albumin spezifischer Antikörper eingesetzt. iii) Überprüfung, ob die human Albumin-positiven Zellen menschlichen Ursprungs sind. Hierzu wurde eine Kombination aus in situ Hybridisierung mit Alu-Sonden und Immunhistochemie gegen humanes Albumin etabliert. Als Positivkontrolle dienten in der vorliegenden Arbeit primäre humane Hepatozyten. Das Ergebnis nach Transplantation humaner Hepatozyten wurde mit dem Ergebnis nach Trans-plantation adhärent proliferierender Nabelschnurblutzellen, hepatopankreatischen Vorläufer-zellen und aus peripheren humanen Blutmonozyten in vitro ausdifferenzierten Neohepatozy-ten verglichen. Anhand positiver Rotfluoreszenz wurden bereits im paraffinisierten Schnitt die Be-reiche der transplantierten CM-DiI-markierten Stammzellen identifiziert. Durch die in situ Hybridisierung mit Mensch-spezifischen Alu-Sonden wurden in den CM-DiI-positiven Area-len Menschkerne nachgewiesen. Immunhistochemisch wurde in diesen Bereichen eine Ex-pression humanen Albumins gezeigt. Vom umgebenden Gewebe waren die identifizierten Zellen durch einen kleinen dezentral gelegenen Zellkern, geringe Zellgröße und einer Hepato-zyten unähnlichen Morphologie zu unterschieden. Diese Zellen traten in der Regel als kleine-re Zellagglomerate auf, die entweder in Gefäßen oder ohne Endothelabgrenzung im Gewebe zu finden waren. Bei der Auswertung weiterer auf humanes Albumin untersuchter Gewebe-schnitte wurde ein zweiter morphologisch unterschiedlicher Typ humanes Albumin-exprimierender Zellen gefunden. Dieser war durch eine perfekte Hepatozytenmorphologie mit großem, zentral gelegenem Kern und polygonaler Form der Zelle charakterisiert. Im Gewebe lagen diese Zellen vereinzelt, ohne immunhistochemische Detektion wäre eine Unterschei-dung von Maushepatozyten nicht möglich gewesen. Mit der in situ Hybridisierung wurde für diese Zellen ein Mauskern nachgewiesen. Der seltener auftretende Zelltyp mit perfekter He-patozytenmorphologie wurde als Typ I und der kleinzellige Zelltyp als Typ II bezeichnet. Bemerkenswert hierbei ist, dass die beobachteten Typen human Albumin-positiver Zellen nach Transplantation aller drei miteinander verglichenen Zelltypen nachweisbar waren. Eine mögliche Erklärung des Befundes der Typ II-Zellen besteht in einer teilweisen Differenzie-rung in Richtung Hepatozyte. Die menschlichen Zellen exprimieren zwar Albumin, nicht aber andere Faktoren wie CYP3A4, und nehmen keine hepatozelluläre Morphologie an. Ein über-raschender Befund war die Typ I-Zelle. Der Mechanismus, der in diesen Zellen zur Expressi-on humanen Albumins führt, ist zurzeit ungeklärt. Mithilfe des EROD-Assays wurde die metabolische Aktivität der CYP1A-Isoenzyme bei in vitro differenzierten Neohepatozyten bestimmt. Hierbei wurde ein zeitabhängiger Um-satz von EROD zu Resorufin beobachtet, der aber nicht durch 3-Methylcholanthren induzier-bar war. Damit fehlt den Neohepatozyten in diesem Punkt eine wichtige Eigenschaft primärer Hepatozyten. Allerdings sind durch publizierte Untersuchungen an Neohepatozyten weitere Hepatozyten-spezifische Parameter wie Harnstoffzyklus und Albuminproduktion belegt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass nach Transplantation humaner Vor-läuferzellen verschiedenen Ursprungs ein qualitativ ähnliches Ergebnis mit zwei unterschied-lichen Typen human Albumin-positiver Zellen beobachtet wurde. Ob diese Zelltypen thera-peutisch nutzbar sind, bedarf weiterer Untersuchungen, beispielsweise mit Tiermodellen für menschliche Lebererkrankungen.
Ein typisches Mittelklassefahrzeug hat mittlerweile 100 Computerprozessoren,die miteinander kommunizieren, und bildet damit ein komplexes Softwaresystem. Die steigende Anzahl der miteinander kommunzierenden Funktionen trägt dazu bei, dass die Komplexität der Steurungssoftware immer schwerer zu beherrschen ist. Trotz eines enormen Kostenaufwands zur Entwicklung der entsprechenden Softwarekomponenten sind Softwarefehler bei Fahrzeugen der automobilen Oberklasse eine der am häufigsten angeführten Ursachen in der Pannenstatistik. Die Tatsache, dass die angeführten Funktionalitäten verteilt und parallel auf einer steigenden Anzahl unterschiedlicher Mikrokontroller abgearbeitet werden, birgt zusätzliche Probleme. Es ist jedoch Fakt, dass der Markt nach Funktionalitäten wie ABS, ASR und ESP verlangt, die zu einem wesentlichen Teil aus Software bestehen. Es ist also notwendig, einen alternativen Softwareansatz zu finden, der die Komplexität der Steuerungssoftware beherrschbar werden lässt und dennoch den Anforderungen des automobilen Umfelds, wie zum Beispiel der Verlässlichkeit gerecht wird. Dies wird in dieser Arbeit mit hilfe einer verhaltensbasierten steuerung erreicht.
Nowadays piezoelectric and ferroelectric materials are becoming more and more an interesting part of smart materials in scientific and engineering applications. Precision machining in manufacturing, micropositioning in metrology, common rail systems with piezo fuel injection control in automobile industry, and ferroelectric random access memories (FRAM) in microelectromechanical systems (MEMS) besides commercial piezo actuators and sensors can be very good examples for the application of piezoceramic and ferroelectric materials. In spite of having good characteristics, piezoelectric and ferroelectric materials have significant nonlinearities, which limit the applications in high performance usage. Domain switching (ferroelastic or ferroelectric) is the main reason for the nonlinearity of ferroelectric materials. External excessive electromechanical loads (mechanical stress and electric field) are driving forces for domain switching. In literature, various important experiments related to the non-linear properties of piezoelectric and ferroelectric materials are reported. Simulations of nonlinear properties of piezoelectric and ferroelectric materials based on physical insights of the material have been performed during the last two decades by using micromechanical and phenomenological models. The most significant experiments and models are deeply discussed in the literature survey. In this thesis the nonlinear behaviour of tetragonal perovskite type piezoceramic materials is simulated theoretically using two and three dimensional micromechanical models which are based on physical insights of the material. In the simulations a bulk piezoceramic material which has numerous grains is considered. Each grain has random orientation in properties of polarization and strain. Randomness of orientations is given by Euler angles equally distributed between \(0\) and \(2\pi\). Each element in the micromechanical model has been assumed to have the same properties of the real piezoelectric grain. In the first part of the simulations, quasi-static characteristics of piezoelectric materials are investigated by applying cyclic, rate independent, bipolar, uni-axial and external electrical loading with an amplitude of 2 kV/mm gradually starting from zero value in virgin state. Moreover, the simulations are undertaken for these materials which are subjected to quasi-static, uni-polar, uni-axial mechanical stress, namely compressive stress. The calculations are performed at each element based on linear constitutive equations, nonlinear domain switching and a probability theory for domain switching. In order to fit the simulations to the experimental data, some parameters such as spontaneous polarization, spontaneous strain, piezoelectric and dielectric constants are chosen from literature. The domain switching of each grain is determined by an electromechanical energy criterion. Depending on the actual energy related to a critical energy a certain probability is introduced for domain switching of the polarization direction. Same energy levels are assumed in the electromechanical energy relation for different types of domain switching like 90º and 180º for perovskite type tetragonal or 70.5º and 109.5º for rhombohedral microstructures. It is assumed that intergranular effects between grains can be modelled by such probability functions phenomenologically. The macroscopic response of the material to the applied electromechanical loading is calculated by using Euler transformations and averaging the individual grains. Properties of piezoelectric materials under fixed mechanical stresses are also investigated by applying constant compressive stress in addition to cyclic electrical loading in the simulations. Compressive stress is applied and kept constant before cyclic bipolar electrical loading is implemented. In the following chapters, a three-dimensional micromechanical model is extended for the simulation of the rate dependent properties of certain perovskite type tetragonal piezoelectric materials. The frequency dependent micromechanical model is now not only based on linear constitutive and nonlinear domain switching but also linear kinetics theories. The material is loaded both electrically and mechanically in separate manner with an alternating electrical voltage and mechanical stress values of various moderate frequencies, which are in the order of 0.01 Hz to 1 Hz. Electromechanical energy equation in combination with a probability function is again used to determine the onset of the domain switching inside the grains. The propagation of the domain wall during the domain switching process in grains is modelled by means of linear kinetics relations after a new domain nucleates. Electric displacement versus electric field hysteresis loops, mechanical strain versus mechanical stress and electric displacement versus mechanical stress for different frequencies and amplitudes of the alternating electric fields and compressive stresses are simulated and presented. A simple micromechanical model without using probabilistic approach is compared with the one that takes it into account. Both models give important insights into the rate dependency of piezoelectric materials, which was observed in some experiments reported in the literature. Intergranular effects are other significant factors for nonlinearities of polycrystalline ferroelectric materials. Even piezoelectric actuators and sensors show nonlinearities when they are operated with electrical loading, which is much lower than the coercive electric field level. Intergranular effects are the main cause of such small hysteresis loops. In the corresponding chapter, two basic field effects which are electrical and mechanical are taken into account for the consideration of intergranular effects micromechanically in the simulations of the two dimensional model. Therefore, a new electromechanical energy equation for the threshold of domain switching is introduced to explain nonlinearities stemming from both domain switching and intergranular effects. The material parameters like coercive electric field and critical spontaneous polarization or strain quantities are not implemented in the electromechanical energy relation. But, this relation contains new parameters which consider both mechanical and electrical field characteristics of neighbouring elements. By using this new model, mechanical strain versus electric field butterfly curves under small electrical loading conditions are also simulated. Hence, a rate dependent concept is applied in butterfly curves by means of linear kinetics model. As a result, the simulations have better matching with corresponding experiments in literature. In the next step, the model can be extended in three dimensional case and the parameters of electromechanical energy relation can be improved in order to get better simulations of nonlinear properties of polycrystalline piezoelectric materials.
In contrast to the spatial motion setting, the material motion setting of continuum mechanics is concerned with the response to variations of material placements of particles with respect to the ambient material. The material motion point of view is thus extremely prominent when dealing with defect mechanics to which it has originally been introduced by Eshelby more than half a century ago. Its primary unknown, the material deformation map is governed by the material motion balance of momentum, i.e. the balance of material forces on the material manifold in the sense of Eshelby. Material (configurational) forces are concerned with the response to variations of material placements of 'physical particles' with respect to the ambient material. Opposed to that, the common spatial (mechanical) forces in the sense of Newton are considered as the response to variations of spatial placements of 'physical particles' with respect to the ambient space. Material forces as advocated by Maugin are especially suited for the assessment of general defects as inhomogeneities, interfaces, dislocations and cracks, where the material forces are directly related to the classical J-Integral in fracture mechanics, see also Gross & Seelig. Another classical example of a material - or rather configurational - force is emblematized by the celebrated Peach-Koehler force, see e.g. the discussion in Steinmann. The present work is mainly divided in four parts. In the first part we will introduce the basic notions of the mechanics and numerics of material forces for a quasi-static conservative mechanical system. In this case the internal potential energy density per unit volume characterizes a hyperelastic material behaviour. In the first numerical example we discuss the reliability of the material force method to calculate the vectorial J-integral of a crack in a Ramberg-Osgood type material under mode I loading and superimposed T-stresses. Secondly, we study the direction of the single material force acting as the driving force of a kinked crack in a geometrically nonlinear hyperelastic Neo-Hooke material. In the second part we focus on material forces in the case of geometrically nonlinear thermo-hyperelastic material behaviour. Therefore we adapt the theory and numerics to a transient coupled problem, and elaborate the format of the Eshelby stress tensor as well as the internal material volume forces induced by the gradient of the temperature field. We study numerically the material forces in a bimaterial bar under tension load and the time dependent evolution of material forces in a cracked specimen. The third part discusses the material force method in the case of geometrically nonlinear isotropic continuum damage. The basic equations are similar to those of the thermo-hyperelastic problem but we introduce an alternative numerical scheme, namely an active set search algorithm, to calculate the damage field as an additional degree of freedom. With this at hand, it is an easy task to obtain the gradient of the damage field which induces the internal material volume forces. Numeric examples in this part are a specimen with an elliptic hole with different semi-axis, a center cracked specimen and a cracked disc under pure mode I loading. In the fourth part of this work we elaborate the format of the Eshelby stress tensor and the internal material volume forces for geometrically nonlinear multiplicative elasto-plasticity. Concerning the numerical implementation we restrict ourselves to the case of geometrically linear single slip crystal plasticity and compare here two different numerical methods to calculate the gradient of the internal variable which enters the format of the internal material volume forces. The two numerical methods are firstly, a node point based approach, where the internal variable is addressed as an additional degree of freedom, and secondly, a standard approach where the internal variable is only available at the integration points level. Here a least square projection scheme is enforced to calculate the necessary gradients of this internal variable. As numerical examples we discuss a specimen with an elliptic inclusion and an elliptic hole respectively and, in addition, a crack under pure mode I loading in a material with different slip angles. Here we focus on the comparison of the two different methods to calculate the gradient of the internal variable. As a second class of numerical problems we elaborate and implement a geometrically linear von Mises plasticity with isotropic hardening. Here the necessary gradients of the internal variables are calculated by the already mentioned projection scheme. The results of a crack in a material with different hardening behaviour under various additional T-stresses are given.
Retentionsbodenfilter dienen der weitergehenden Behandlung von Entlastungsabflüssen konventioneller Regenüberlaufbecken. Sie kommen zum Einsatz, wenn der Schutz des betroffenen Gewässers eine Reduzierung der Belastung durch Mischwassereinleitungen erfordert. Verschiedene Untersuchungen an Pilotanlagen belegen zwar grundsätzlich eine hohe Reinigungsleistung der Filterpassage, eine gesicherte Prognose der Wirksamkeit und eine Optimierung des Verfahrens erfordern jedoch eine Weiterentwicklung des vorhandenen Kenntnisstandes. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der bei der Filterpassage in RBF ablaufenden Reinigungsprozesse liefern. Im Vordergrund stehen dabei Rückhalt und Umsatz organischer Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindungen. An einer großtechnischen Anlage wurden über zwei mehrmonatige Messphasen zu- und abfließende Stoffströme erfasst. Durch die gezielte Beeinflussung des Beschickungsverhaltens wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände realisiert. Ergänzend hierzu wurden bodenkundliche Versuche durchgeführt, die der Untersuchung des Stoffumsatzes während der Trockenphasen zwischen den Beschickungsereignissen dienten. In Laborversuchen wurden darüber hinaus einzelne Teilprozesse des Stoffrückhaltes isoliert und unter definierten Randbedingungen betrachtet. Die Ergebnisse belegen, dass die Reinigungswirkung von Retentionsbodenfiltern in Bezug auf NH4 überwiegend auf einem zweistufigen Prozess beruht. Während der Durchströmung wird NH4 im Filterkörper sorbiert, um in der anschließenden Trockenphase nitrifiziert zu werden. Dauerhafte Beschickungen, wie sie unter starkem Fremdwassereinfluss auftreten, können zu einem Durchbruch der NH4-Konzentration führen. Unmittelbar nach dem Ende der Durchströmung setzt mit der Wiederbelüftung des Filterkörpers eine intensive Nitrifikation ein. Das Sorptionsvermögen regeneriert sich innerhalb weniger Tage annähernd vollständig. Bei der Prognose der Wirksamkeit von Retentionsbodenfilter mit Hilfe von Simulationsmodellen kann der NH4-Rückhaltes vereinfacht als Speicher dargestellt werden. Organische Kohlenstoffverbindungen – repräsentiert durch den CSB – weisen ein weniger eindeutiges Verhalten auf. Die partikuläre Fraktion wird während des Betriebs weitgehend an der Filteroberfläche zurückgehalten und in den Trockenphasen mineralisiert. Diese Wirkung kann als unbegrenzter Speicher modelliert werden. Hinsichtlich der gelösten Anteile konnte nicht eindeutig ermittelt werden, ob der unmittelbare Abbau während der Durchströmung dominiert oder ob auch diese Anteile wie das NH4 zunächst sorbiert werden. Die Wirkung der Filterpassage auf die gelösten und feindispersen Anteile des CSB kann annähernd durch einen konstanten Wirkungsgrad beschrieben werden.
Entwicklung eines Freilandtests zur Überprüfung der Wirksamkeit von Pheromonanwendungen im Weinbau
(2006)
Bei der Insektenbekämpfung durch die Paarungsstörung wird das synthetisch hergestellte Pheromon des Schädlings durch Dispenser in größeren Mengen im Freiland ausgebracht, wodurch die Paarung der Falter gestört wird. Zur Optimierung dieser Methode ist es entscheidend, die für einen wirksamen Effekt notwendigen Pheromonkonzentrationen im Freiland zu kennen. In-situ Messungen der Pheromonkonzentrationen mit gleichzeitiger Erhebung des Schadens scheiden als Methode aus, da die Messmethoden für die Pheromonkonzentration im Freiland sehr aufwendig und nicht ausreichend genau sind. Somit ergibt sich die Notwendigkeit alternative Methoden zu entwickeln, mit denen die Wirksamkeit einer bestimmten Dispenserbehandlung abschätzbar wird. Generell sind die bisher üblichen Nachweismethoden für die Wirksamkeit einer Pheromonanwendung mit großen Unsicherheiten und Kosten behaftet. In dieser Arbeit wird ein neu entwickeltes System beschrieben, mit dem es möglich ist in sehr kurzer Zeit und mit vertretbarem Aufwand die Wirksamkeit einer Pheromonanwendung abzuschätzen. Hierbei wird ein Käfig mit 8,5 m3 Volumen in einem pheromonbehandelten Weinberg aufgestellt und im Zentrum mit einer mit Weibchen der entsprechenden Art bestückten Lockfalle versehen. In diesen Käfig werden genau definierte Anzahlen von Männchen freigelassen und die in der Weibchenfalle gefangenen Männchen über mehrere Tage registriert. Ein identischer Käfig mit gleichem Männchenbesatz und Weibchenfalle in einem unbehandelten Weinberg dient als Kontrolle. Aus den Unterschieden in den Rückfangergebnissen lässt sich die Wirksamkeit einer Pheromonbehandlung bestimmen. Das Mess-System wurde mit unterschiedlichen Methoden auf seine Tauglichkeit für die angestrebten Fragestellungen überprüft. Hierbei ergab sich, dass über die Fragen der Paarungsstörung hinaus eine Vielzahl anderer Verhaltensuntersuchungen möglich wird. Erste Ergebnisse liefern unter anderem eine Dosis-Wirkungskurve für Lobesia botrana und Eupoecilia ambiguella mit der abgeschätzt werden kann, welche Abgaberate die Dispenser haben müssen um eine wirksame Paarungsstörung zu gewährleisten.
We consider optimal design problems for semiconductor devices which are simulated using the energy transport model. We develop a descent algorithm based on the adjoint calculus and present numerical results for a ballistic diode. Further, we compare the optimal doping profile with results computed on basis of the drift diffusion model. Finally, we exploit the model hierarchy and test the space mapping approach, especially the aggressive space mapping algorithm, for the design problem. This yields a significant reduction of numerical costs and programming effort.
Selbstorganisation ist eine interessante und vielversprechende Möglichkeit, um die Komplexität verteilter Systeme beherrschbar zu machen. In diesem Beitrag schlagen wir ein leistungsfähiges Rechnersystem auf Basis von rekonfigurierbarer Hardware vor, welches aufgrund seiner Flexibilität in vielen Bereichen eingesetzt werden kann. Es wird die geplante Systemarchitektur und Systemsoftware beschrieben und ein intelligentes, verteiltes Kamerasystem vorgestellt, welches wir als Anwendung mit dem vorgeschlagenen System realisieren wollen, um Selbstorganisation in verteilten Systemen näher zu untersuchen.
Reliable methods for the analysis of tolerance-affected analog circuits are of great importance in nowadays microelectronics. It is impossible to produce circuits with exactly those parameter specifications proposed in the design process. Such component tolerances will always lead to small variations of a circuit’s properties, which may result in unexpected behaviour. If lower and upper bounds to parameter variations can be read off the manufacturing process, interval arithmetic naturally enters the circuit analysis area. This paper focuses on the frequency-response analysis of linear analog circuits, typically consisting of current and voltage sources as well as resistors, capacitances, inductances, and several variants of controlled sources. These kind of circuits are still widely used in analog circuit design as equivalent circuit diagrams for representing in certain application tasks Interval methods have been applied to analog circuits before. But yet this was restricted to circuit equations only, with no interdependencies between the matrix elements. But there also exist formulations of analog circuit equations containing dependent terms. Hence, for an efficient application of interval methods, it is crucial to regard possible dependencies in circuit equations. Part and parcel of this strategy is the handling of fill-in patterns for those parameters related to uncertain components. These patterns are used in linear circuit analysis for efficient equation setup. Such systems can efficiently be solved by successive application of the Sherman-Morrison formula. The approach can also be extended to complex-valued systems from frequency domain analysis of more general linear circuits. Complex values result here from a Laplace transform of frequency-dependent components like capacitances and inductances. In order to apply interval techniques, a real representation of the linear system of equations can be used for separate treatment of real and imaginary part of the variables. In this representation each parameter corresponds to the superposition of two fill-in patterns. Crude bounds – obtained by treating both patterns independently – can be improved by consideration of the correlations to tighter enclosures of the solution. The techniques described above have been implemented as an extension to the toolbox Analog Insydes, an add-on package to the computer algebra system Mathematica for modeling, analysis, and design of analog circuits.