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Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wärmetransportmodells für tiefe geothermische (hydrothermale) Reservoire. Existenz- und Eindeutigkeitsaussagen bezüglich einer schwachen Lösung des vorgestellten Modells werden getätigt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Approximation dieser Lösung basierend auf einem linearen Galerkin-Schema dargelegt, wobei sowohl die Konvergenz nachgewiesen als auch eine Konvergenzrate erarbeitet werden.
This paper discusses the possibility to use and apply the ideas of theWave BasedMethod, which has been developed especially for the steady–state acoustic areas, i.e. to solve the Helmholtz type boundary value problems in a bounded domain, in non–acoustics areas such as steady–state temperature propagation, calculation of the velocity potential function of a liquid flux, calculation of the light irradience in a liver tissue/tumor, etc.
Von der Bauplanung zur Gebäudebewirtschaftung: Ein integrales Bewertungs- und Transformationsmodell
(2009)
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf eines integralen Bewertungs- und Transformationsmodells zur Integration der Gebäudebewirtschaftung in die Bauplanungsphase. Das Ziel der Untersuchung ist die Bildung eines Modells zur Identifizierung einer Bauplanungsvariante, die hinsichtlich ihrer späteren Nutzung bezüglich des Ressourcenverbrauchs, der Belastung für Mensch und Umwelt, der Durchführung von Bewirtschaftungsprozessen und bezüglich der Umgebungsressourcen eine optimierte Variante darstellt. Im ersten Teil der Arbeit werden nach einer kurzen Einführung zunächst die Motivation zur vorliegenden Arbeit, ihre Zielsetzung und die Grundlagen des Facility Management, der Bauplanung und Baukosten erläutert. Die ganzheitliche Betrachtung von Facility Management über den gesamten Lebenszyklus unter Berücksichtigung auch nicht monetärer Ziele wie Belastungsvermeidung oder Optimierung der Umgebungsressourcen macht eine eigene Neudefinition von Facility Management notwendig. Basis der weiteren Untersuchungen sind die entwickelten Übergeordneten Ziele des Facility Management. Zur Befriedigung der Übergeordneten Ziele des Facility Management muss Facility Management schon in der frühen Phase der Rahmen- und Nutzungsplanung und auf der funktional organisatorischen Bauplanungsebene integriert werden und muss die Interessen aller an Bau und Nutzung beteiligten integrieren. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Integration von Facility Management in den Bauplanungsprozess. Dazu werden in einem ersten Schritt planungsabhängige Kosten und Leistungen des Facility Management identifiziert. Durch eine Analyse der Planungsabhängigkeiten der Übergeordneten Ziele des Facility Management wird aufgezeigt, wie Planungsobjekte identifiziert werden. Das entwickelte Transformationsmodell erlaubt die Transformation von Planungsobjekten zu Bewirtschaftungsobjekten, deren Variation in der Planungsphase die Bewirtschaftungsphase maßgeblich beeinflussen. Das erarbeitete Objektmodell zeigt im Sinne der Objektorientierung die Beziehungen der Bewirtschaftungsobjekte untereinander auf. Das Transformationsmodell bildet die Grundlage zur abschließenden Planungsbewertung anhand derer verschiedene Bauplanungsalternativen untereinander vergleichbar gemacht werden und hinsichtlich ihres Nutzwertes bezüglich der Bewirtschaftungsphase bewertet werden können.
Diese Arbeit beschreibt einen in der Praxis bereits vielfach erprobten, besonders leistungsfähigen Ansatz zur Verifikation digitaler Schaltungsentwürfe. Der Ansatz ist im Hinblick auf die Schaltungsqualität nach der Verifikation, als auch in Bezug auf den Verifikationsaufwand der simulationsbasierten Schaltungsverifikation deutlich überlegen. Die Arbeit überträgt zunächst das Paradigma der transaktionsbasierten Verifikation aus der Simulation in die formale Verifikation. Ein Ergebnis dieser Übertragung ist eine bestimmte Form von formalen Eigenschaften, die Operationseigenschaften genannt werden. Schaltungen werden mit Operationseigenschaften untersucht durch Interval Property Checking, einer be-sonders leistungsfähigen SAT-basierten funktionalen Verifikation. Dadurch können Schaltungen untersucht werden, die sonst als zu komplex für formale Verifikation gelten. Ferner beschreibt diese Arbeit ein für Mengen von Operationseigenschaften geeignetes Werkzeug, das alle Verifikationslücken aufdeckt, komplexitätsmäßig mit den Fähigkeiten der IPC-basierten Schaltungsuntersuchung Schritt hält und als Vollständigkeitprüfer bezeichnet wird. Die Methodik der Operationseigenschaften und die Technologie des IPC-basierten Eigenschaftsprüfers und des Vollständigkeitsprüfers gehen eine vorteilhafte Symbiose zum Vorteil der funktionalen Verifikation digitaler Schaltungen ein. Darauf aufbauend wird ein Verfahren zur lückenlosen Überprüfung der Verschaltung derartig verifizierter Module entwickelt, das aus den Theorien zur Modellierung digitaler Systeme abgeleitet ist. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz hat in vielen kommerziellen Anwendungsprojekten unter Beweis gestellt, dass er den Namen "vollständige funktionale Verifikation" zu Recht trägt, weil in diesen Anwendungsprojekten nach dem Erreichen eines durch die Vollständigkeitsprüfung wohldefinierten Abschlusses keine Fehler mehr gefunden wurden. Der Ansatz wird von OneSpin Solutions GmbH unter dem Namen "Operation Based Verification" und "Gap Free Verification" vermarktet.
Diese Doktorarbeit befasst sich mit Volatilitätsarbitrage bei europäischen Kaufoptionen und mit der Modellierung von Collateralized Debt Obligations (CDOs). Zuerst wird anhand einer Idee von Carr gezeigt, dass es stochastische Arbitrage in einem Black-Scholes-ähnlichen Modell geben kann. Danach optimieren wir den Arbitrage- Gewinn mithilfe des Erwartungswert-Varianz-Ansatzes von Markowitz und der Martingaltheorie. Stochastische Arbitrage im stochastischen Volatilitätsmodell von Heston wird auch untersucht. Ferner stellen wir ein Markoff-Modell für CDOs vor. Wir zeigen dann, dass man relativ schnell an die Grenzen dieses Modells stößt: Nach dem Ausfall einer Firma steigen die Ausfallintensitäten der überlebenden Firmen an, und kehren nie wieder zu ihrem Ausgangsniveau zurück. Dieses Verhalten stimmt aber nicht mit Beobachtungen am Markt überein: Nach Turbulenzen auf dem Markt stabilisiert sich der Markt wieder und daher würde man erwarten, dass die Ausfallintensitäten der überlebenden Firmen ebenfalls wieder abflachen. Wir ersetzen daher das Markoff-Modell durch ein Semi-Markoff-Modell, das den Markt viel besser nachbildet.
Verteilung von Na+/Ca2+-Austauschern während der Ontogenese des auditorischen Hirnstamms der Ratte
(2009)
Die Homöostase der intrazellulären Ca2+-Konzentration ist eine essenzielle Aufgabe in allen Zellen, da Ca2+ an diversen zellulären Prozessen beteiligt ist. Besonders Neurone des auditorischen Hirnstamms sind auf eine optimale Ca2+-Regulation angewiesen, da ihr Überleben und ihre Entwicklung von der intrazellulären Ca2+-Konzentration abhängen. Neben Ca2+-bindenden Proteinen und Ca2+-ATPasen sind besonders Na+/Ca2+-Austauscher, welche sich in die Familien NCX (NCX1-3), NCKX (NCKX1-5) und CCX (NCKX6) gliedern, in vielen neuronalen und nicht-neuronalen Strukturen maßgeblich für die Ca2+-Regulation verantwortlich. In meiner Arbeit wurde die Verteilung von NCX1-3 sowie NCKX2-6 im Nucleus cochlearis(CN), superioren Olivenkomplex (SOC) und inferioren Colliculus (IC), welche Strukturen des auditorischen Hirnstamms darstellen, untersucht. Dies erfolgte auf Boten-Ribonukleinsäure(messenger ribonucleic acid, mRNA)-Ebene qualitativ mittels reverser Transkription (RT)gefolgt von genspezifischer Polymerasekettenreaktion (PCR) sowie quantitativ mittels realtime-PCR, auf Proteinebene qualitativ mittels Immunhistochemie. Um auch ontogenetische Aspekte der Ca2+-Homöostase zu berücksichtigen, wurden Ratten in einem unreifen Entwicklungsstadium (P4) sowie junge adulte Ratten (P60) analysiert. Die Genexpression aller untersuchten ncx- und nckx-Isoformen wurde mittels RT-PCR in beiden Entwicklungsstadien in CN, SOC und IC nachgewiesen. Besonders auffallend war bei den ncx-Isoformen eine im Verlauf der Entwicklung meist verstärkte Transkription, während die nckx-Isoformen in den meisten Fällen eine verminderte Transkription im adulten Tier zeigten. Mittels Immunhistochemie zeigt meine Arbeit zum ersten Mal eine entwicklungsabhängige Umverteilung der Austauscher. Während die Isoformen bei P4 hauptsächlich im Neuropil lokalisiert waren, zeigte sich im Gegensatz dazu bei P60 eine verstärkte Immunfluoreszenz innerhalb der Somata. Ausnahme war hier NCKX2, welcher im CN auch bei P60 hauptsächlich im Neuropil exprimiert wurde. Die Expression von NCX1-3 und NCKX2 im Neuropil junger auditorischer Hirnstammneurone legt eine Ca2+-regulierende Funktion im Bereich dendritischer Synapsen nahe. Die Synapsen befinden sich in diesem Alter noch in einem unreifen Zustand, so dass die Na+/Ca2+-Austauscher einen maßgeblichen Einfluss auf die synaptische Plastizität ausüben können. Abschließend deutet die Verteilung der Na+/Ca2+-Austauscher darauf hin, dass alle NCX- und NCKX-Isoformen, im Zusammenspiel mit weiteren Ca2+-regulierenden Proteinen, an der Ca2+-Homöostase in den Strukturen des auditorischen Hirnstamms beteiligt sind.
In this paper we investigate the use of the sharp function known from functional analysis in image processing. The sharp function gives a measure of the variations of a function and can be used as an edge detector. We extend the classical notion of the sharp function for measuring anisotropic behaviour and give a fast anisotropic edge detection variant inspired by the sharp function. We show that these edge detection results are useful to steer isotropic and anisotropic nonlinear diffusion filters for image enhancement.
Untersuchungen zu Raum und Abschirmung am Beispiel der privaten Wohnhäuser von Philip Johnson
(2009)
Architektur ist geprägt vom Wandel. Auch wenn viele Architekten den daraus resultierenden Verlust von Konstanz in der Architektur bemängeln, lohnt sich die Auseinandersetzung mit dem Wandel. Er beinhaltet Entwicklungsmöglichkeiten der Architektur, aus denen wiederum Rückschlüsse für das eigene Entwerfen gewonnen werden können. Da sich die Gründe des Wandels selten eindeutig bestimmen lassen, liegt der Interessensschwerpunkt der Dissertation auf dessen Erscheinungen. Die Aufmerksamkeit wird deshalb auf die wesentlichen Elemente der Architektur, nämlich Raum und Abschirmung, gerichtet. An ihnen werden die Prinzipien des Wandels beschrieben. Dazu werden die Veränderungen von Raum und Abschirmung exemplarisch an den privaten Wohnhäusern von Philip Johnson untersucht. Diese Analyse ergibt, dass sich der Wandel in der Transformation von Raumtyp und Abschirmung bzw. im Wechsel zwischen Raumtypen manifestiert. Während durch die Transformation ein Raumtyp weiterentwickelt wird - Mittel der Transformation sind z.B. die Verformung oder die Verselbständigung von Elementen-, steht der Wechsel von einem Raumtyp zu einem anderen für den fundamentalen Wandel eines Raum- und Gestaltungskonzeptes. Die Wohnhäuser von Philip Johnson können in Bezug auf den Wandel nicht als inhaltlich abschließend bezeichnet werden. Zum einen arbeitet Johnson bei den Wohnhäusern nur mit den vier Raumtypen „Das klar definierte Innen“, „Das Ineinanderfließen von Innen und Außen“, „Innen und Außen als Raumeinheiten“ und „Das Innen im Außen“, zum anderen blendet er z.B. konstruktive Aspekte, wie Bauteilstärken aus. Dennoch können aus der Untersuchung allgemeingültige Rückschlüsse gewonnen werden. Zunächst ist festzustellen, dass der Wandel nicht so komplex ist, wie er durch die Masse diffuser Erscheinungsformen der Architektur erscheint. Er ist rückführbar auf die Veränderungen von Raum und Abschirmung. Sie bilden gemeinsam ein gedankliches und gebautes System, innerhalb dessen sich Architektur bewegt. Dieses System ist offen für potentielle Entwicklungen, d.h. es lässt neue Raumtypen oder aber Veränderungen des Raumtyps und der Abschirmung zu. Darüber hinaus ermöglicht es ein systematisches Vorgehen beim Entwerfen. Entwurfsalternativen und -varianten können aufbauend auf diesen Erkenntnissen aus Raum und Abschirmung gezielt entwickelt werden.
In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen für die Löslichkeiten von Methan in den organischen Lösungsmitteln Petroleumbenzin, 1-Oktanol, n-Hexan und n-Dodekan sowie Untersuchungen des LW-H-V-Gleichgewichts des Systems (CH4 + H2O) vorgestellt. Im Vergleich zu den Vorhersageergebnissen von Sloan sowie Parrish und Praus-nitz wurde mit dem in der vorliegenden Arbeit weiterentwickelten, thermodynamischen Modell für das Hydratgleichgewicht des Systems (CH4 + H2O) durch Berücksichtigung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts gerade im Bereich erhöhter Drücke eine wesentlich bessere Übereinstimmung der berechneten Hydratgleichgewichtsdrücke mit den Messdaten der vorliegenden Arbeit sowie mit Literaturdaten erreicht. Die Untersuchungen zur physikalischen Löslichkeit von Methan in den organischen Lö-sungsmitteln und Wasser wurden in einem Temperaturbereich von 273,2 K bis 293 K bei Ge-samtdrücken bis maximal 10 MPa durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit Rechenwerten verglichen, die mit dem in der vorliegenden Arbeit entwickelten Modell erhalten wurden. Die maximale Konzentration von Methan in der organischen Lösemittelphase betrug im System (CH4 + n-Hexan) bei max. 8,7 Mol CH4 pro Kilogramm Hexan. Dieses entspricht einer Beladung des Lösungsmittels von 140 Gramm Methan pro Kilogramm Hexan. Die Untersuchungen zur Löslichkeit von Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasser-stoff (H2S) in wässrigen Aminlösungen (Amine A, B, C, D) waren Teil einer Industriekooperation mit der BASF AG, Ludwigshafen. Ziel des Gesamtprojekts war es, ein bestehendes Aminsystem zu ersetzen. Die experimentellen Ergebnisse für die Löslichkeit von Kohlendi-oxid in diesen Aminmischungen liefern fundierte Grundlagen zur Thermodynamik solcher Lösungen in einem industriellen Absorptionsprozess. Die Untersuchungen am System (CO2 + MDEA + PIPH2 + H2O) stellen eine Weiter-entwicklung des von Pérez-Salado Kamps entwickelten thermodynamischen Modells dar. Die experimentellen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit und von Speyer erweitern den Konzentrationsbereich dieses Modells und führten zu einer Neuparametrisierung im Hoch- und Niederdruckbereich. Dabei wurden auch Wechselwirkungen zwischen den aus MDEA und Piperazin entstehenden Spezies berücksichtigt. Die Korrelations- und Vorhersa-geergebnisse werden im Vergleich zu den Vorhersagen von Ermatchkov deutlich verbessert. Die Messungen erfolgten in einer Phasengleichgewichtsapparatur, die nach der synthetischen, d.h. mit bekannter Zusammensetzung des Lösungsmittels/-gemisches und bekannter Gasmenge, Methode arbeitet. Bei der experimentellen Vorgehensweise wurde die evakuierte Hochdrucksichtzelle mit dem zu lösenden Gas bei gemessenem Druck und konstanter Temperatur und einem Teil des Lösungsmittels befüllt. Mit einem Hochdruckverdränger wird gerade soviel Lösungsmittel in die Zelle nachgepresst, bis sich gerade eine homogene Phase bildet, d.h. bis keine Gasphase mehr sichtbar ist. Damit ist die gesamte Menge an Gas in der flüssi-gen Phase gelöst, allerdings liegt der Druck deutlich über dem Löslichkeitsdruck. Durch Entnehmen geringer Menge der Lösung (Herausdrehen der Verdrängerspindel) wird der Druck schrittweise gesenkt. Bei Erreichen der Siedelinie beginnt das Gas aus dem Lösungsmittel auszugasen. Der sich einzustellende Gleichgewichtsdruck ist derjenige Druck, der notwendig ist, um die gesamte Menge an Gas in der in die Zelle eingebrachte Lösungsmittelmenge zu lösen. Die Modellierung der gemessenen Gaslöslichkeiten erfolgte für die flüssigen Phasen mit dem von Edwards, Maurer und Newman modifizierten GE-Ansatz von Pitzer zur Be-rücksichtigung der Nichtidealitäten und Berechnung der Aktivitätskoeffizienten. Die Abweichungen von dem idealen Gasverhalten in der Gasphase wurden durch die Berech-nung der Fugazitätskoeffizienten mit der nach dem zweiten Koeffizienten abgebrochenen Virialgleichung ausgedrückt.
Der Entkopplermechanismus von UCP-2 sollte weitergehend untersucht sowie eine Methode zur Messung des Einfluss von UCP-2 auf die ROS-Homöostase gefunden werden. Durch Kompetitionsmessungen mit spinmarkierten Fettsäuren an rekonstituiertem UCP-2 sollte das Flip Flop Modell als Entkopplungsmechanismus weiter unterstützt und Bindungskonstanten abgeschätzt werden. Dies sollte in Titrationsmessungen mit kompetitierenden Fettsäuren und Purinnucleotiden gezeigt und mit Messungen in Gegenwart eines Kontrollproteins ohne Fettsäurebindungsstelle verglichen werden. Es konnte allerdings kein substöchiometrischer Verdrängungseffekt mit den Fettsäuren oder ATP gezeigt werden. Deswegen wurde der Einfluss des Detergens sowie der Ionenstärke auf das ESR-Signal untersucht und das Vorhandensein hochimmobilisierter spektraler Komponenten, typisch für die Einlagerung in eine Bindungsstelle, auch in Abwesenheit von UCP-2 gefunden. Um einen potenziellen Einfluss von UCP-2 auf die Homöostase von ROS zeigen zu können, sollte ein ESR-basierter Assay etabliert werden. Dazu wurden Spin Trapping Experimente mit ex vivo Detektion (Extraktion der generierten ROS in Ethylacetat) und in situ Detektion (direktes Messen bei der Entstehung) mit biologischen Proben (Mitochondrien, Mitoplasten und Zellen aus Zellkulturen) durchgeführt. Der in situ Assay schien geeigneter, allerdings waren die Radikalkonzentrationen nahe der Nachweisgrenze. Um dennoch eine zeitaufgelöste Auswertung der Daten zu ermöglichen und das Signal-Rauschen-Verhältnis zu verbessern, wurde zur Datenanalyse das Rauschen mit einer auf Singulärwertzerlegung basierten Methode gefiltert und zum Teil die zeitlichen Spuren der verschiedenen Radikaladdukte bestimmt. Eine weitere Methode zum Nachweis von UCP-2 auf die ROS-Homöostase ist die Verwendung fluoreszierender Double Spin Traps. Hier erlischt die zuächst vorhandene Fluoreszenz durch ROS-Einwirkung. Die Double Trap p-Nitrostilbentert.butylnitron sollte durch veränderte Substitution so modifiziert werden, dass sich die spektroskopischen Eigenschaften verbessern. Beide Spin Traps wurden hinsichtlich optischer und ESR-spektroskopischer Eigenschaften sowie dem Verhalten in der Zelle verglichen. Da die Einführung eines Coumarinrestes als Fluorophor nicht zur erhofften Rotverschiebung der Anregungswellenlänge führt, aber die Cytotoxizität ausgeprägter ist, ist NSN geeigneter, zumal dessen Fluoreszenz deckungsgleich mit dem mitochondrialem Marker TMRE ist. Das spricht für Akkumulation an diesem wichtigen Entstehungsort von ROS. In Gegenwart von ROS zeigen beide Spin Traps ein ESR-Signal und auch das Löschen der Fluoreszenz aufgrund des nahe gelegenen stabilen Radikals. Bei NSN war der Effekt ausgeprägter: Die Halbwertszeiten des Fluoreszenzrückgangs wurden zu typischerweise 25 s in Anwesenheit von ROS-induzierenden Atmungsketteninhibitoren und 180 s in deren Abwesenheit bestimmt. Zusammenfassend kann mit den vorgestellten Spin Trapping Methoden der Einfluss von UCP-2 auf die ROS-Homöostase direkt gemessen werden, indem Zellen mit deletierter Expression von UCP-2 mit adäquaten Wildtypzellen verglichen werden. Mit NSN lässt sich ROS mittels Fluoreszenzmikroskopie mit subzellulärer Auflösung in Mitochondrien detektieren.
In the ground vehicle industry it is often an important task to simulate full vehicle models based on the wheel forces and moments, which have been measured during driving over certain roads with a prototype vehicle. The models are described by a system of differential algebraic equations (DAE) or ordinary differential equations (ODE). The goal of the simulation is to derive section forces at certain components for a durability assessment. In contrast to handling simulations, which are performed including more or less complex tyre models, a driver model, and a digital road profile, the models we use here usually do not contain the tyres or a driver model. Instead, the measured wheel forces are used for excitation of the unconstrained model. This can be difficult due to noise in the input data, which leads to an undesired drift of the vehicle model in the simulation.
Durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix lässt sich eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe erzielen. Dazu ist allerdings eine Separierung und homogene Verteilung der Verstärkungsstoffe in der Matrix notwendig, um die spezifische Oberfläche der Nanopartikel ausnutzen zu können, die dann als Grenzfläche mit der Matrix in Wechselwirkung treten kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dispergierung von anorganischen Nanopartikeln am Beispiel von Titandioxid und Bariumsulfat in Epoxidharz mithilfe von Ultraschallwellen systematisch untersucht. Dazu wurden die Prozessparameter, wie z.B. die Amplitude und das beschallte Volumen, variiert, um die optimalen Dispergierparameter zu ermitteln, die zu einer guten Dispergierung der Nanopartikel führen, ohne dabei jedoch die Molekülstruktur des Epoxidharzes zu verändern. Eine Veränderung der Molekülstruktur der Matrix kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs negativ beeinflussen. Deshalb wurden für das unbehandelte und das beschallte Harz Morphologieuntersuchungen mittels FourierTransform-Infrarotspektroskopie und Gel-Permeations-Chromatographie durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Nanopartikel im Harz mit der maximalen Amplitude von 100% und einer Beschallungszeit von 15 Minuten optimal dispergiert werden können, ohne die Morphologie des Harzes merklich zu verändern.
Für den Ultraschalldispergierprozess wurde ein Dispergiermodell erarbeitet, das die Entwicklung der Partikelgröße in Abhängigkeit von den Prozessparametern beschreibt. Dieses Modell ist auf andere Partikelsysteme übertragbar und soll Vorhersagen für zukünftige Dispergierexperimente ermöglichen.
Das Ziel der Fertigung der Nanoverbundwerkstoffe ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Zug-, Bruchzähigkeits-, Kerbschlagzähigkeits- und Biegeversuch. Hierbei wurde sowohl die Wirkung der Dispergierung als auch der Einfluss des Verstärkungsstoffgehaltes auf das Eigenschaftsprofil untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein weiteres Epoxidharz überprüft.
Um die Verstärkungsmechanismen der Nanopartikel in der Polymermatrix, die zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen, zu verstehen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Bruchflächen ausgeführt. Diese zeigten,dass Nanoverbundwerkstoffe eine rauere Bruchoberfläche als reines Epoxidharz besitzen, was auf eine Änderung der Bruchmechanismen hindeutet.
Insgesamt konnten mithilfe der Ultraschalldispergierung Nanoverbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden und ihre Dispergierung durch ein Modell beschrieben werden, das auch Vorhersagen für weitere Partikel-Harz-Systeme erlaubt.
We prove a general monotonicity result about Nash flows in directed networks and use it for the design of truthful mechanisms in the setting where each edge of the network is controlled by a different selfish agent, who incurs costs when her edge is used. The costs for each edge are assumed to be linear in the load on the edge. To compensate for these costs, the agents impose tolls for the usage of edges. When nonatomic selfish network users choose their paths through the network independently and each user tries to minimize a weighted sum of her latency and the toll she has to pay to the edges, a Nash flow is obtained. Our monotonicity result implies that the load on an edge in this setting can not increase when the toll on the edge is increased, so the assignment of load to the edges by a Nash flow yields a monotone algorithm. By a well-known result, the monotonicity of the algorithm then allows us to design truthful mechanisms based on the load assignment by Nash flows. Moreover, we consider a mechanism design setting with two-parameter agents, which is a generalization of the case of one-parameter agents considered in a seminal paper of Archer and Tardos. While the private data of an agent in the one-parameter case consists of a single nonnegative real number specifying the agent's cost per unit of load assigned to her, the private data of a two-parameter agent consists of a pair of nonnegative real numbers, where the first one specifies the cost of the agent per unit load as in the one-parameter case, and the second one specifies a fixed cost, which the agent incurs independently of the load assignment. We give a complete characterization of the set of output functions that can be turned into truthful mechanisms for two-parameter agents. Namely, we prove that an output function for the two-parameter setting can be turned into a truthful mechanism if and only if the load assigned to every agent is nonincreasing in the agent's bid for her per unit cost and, for almost all fixed bids for the agent's per unit cost, the load assigned to her is independent of the agent's bid for her fixed cost. When the load assigned to an agent is continuous in the agent's bid for her per unit cost, it must be completely independent of the agent's bid for her fixed cost. These results motivate our choice of linear cost functions without fixed costs for the edges in the selfish routing setting, but the results also seem to be interesting in the context of algorithmic mechanism design themselves.
This thesis is devoted to two main topics (accordingly, there are two chapters): In the first chapter, we establish a tropical intersection theory with analogue notions and tools as its algebro-geometric counterpart. This includes tropical cycles, rational functions, intersection products of Cartier divisors and cycles, morphisms, their functors and the projection formula, rational equivalence. The most important features of this theory are the following: - It unifies and simplifies many of the existing results of tropical enumerative geometry, which often contained involved ad-hoc computations. - It is indispensable to formulate and solve further tropical enumerative problems. - It shows deep relations to the intersection theory of toric varieties and connected fields. - The relationship between tropical and classical Gromov-Witten invariants found by Mikhalkin is made plausible from inside tropical geometry. - It is interesting on its own as a subfield of convex geometry. In the second chapter, we study tropical gravitational descendants (i.e. Gromov-Witten invariants with incidence and "Psi-class" factors) and show that many concepts of the classical Gromov-Witten theory such as the famous WDVV equations can be carried over to the tropical world. We use this to extend Mikhalkin's results to a certain class of gravitational descendants, i.e. we show that many of the classical gravitational descendants of P^2 and P^1 x P^1 can be computed by counting tropical curves satisfying certain incidence conditions and with prescribed valences of their vertices. Moreover, the presented theory is not restricted to plane curves and therefore provides an important tool to derive similar results in higher dimensions. A more detailed chapter synopsis can be found at the beginning of each individual chapter.
One approach to multi-criteria IMRT planning is to automatically calculate a data set of Pareto-optimal plans for a given planning problem in a first phase, and then interactively explore the solution space and decide for the clinically best treatment plan in a second phase. The challenge of computing the plan data set is to assure that all clinically meaningful plans are covered and that as many as possible clinically irrelevant plans are excluded to keep computation times within reasonable limits. In this work, we focus on the approximation of the clinically relevant part of the Pareto surface, the process that consititutes the first phase. It is possible that two plans on the Parteto surface have a very small, clinically insignificant difference in one criterion and a significant difference in one other criterion. For such cases, only the plan that is clinically clearly superior should be included into the data set. To achieve this during the Pareto surface approximation, we propose to introduce bounds that restrict the relative quality between plans, so called tradeoff bounds. We show how to integrate these trade-off bounds into the approximation scheme and study their effects.
Interactive visualization of large structured and unstructured data sets is a permanent challenge for scientific visualization. Large data sets are for example created by magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography (CT), Computational fluid dynamics (CFD) finite element method (FEM), and computer aided design (CAD). For visualizing those data sets not only accelerated rasterization by means of using specialized hardware i.e. graphics cards is of interest, but also ray casting, as it is perfectly suited for scientific visualization. Ray casting does not only support many rendering modes (e.g., opaque rendering, semi transparent rendering, iso surface rendering, maximum intensity projection, x-ray, absorption emitter model, ...) for which it allows the creation of high quality images, but it also supports many primitives (e.g., not only triangles but also spheres, curved iso surfaces, NURBS, implicit functions, ...). It furthermore scales basically linear to the amount of processor cores used and - this makes it highly interesting for the visualization of large data sets - it scales for static scenes sublinear to data size. Interactive ray casting is currently not widely used within the scientifc visualization community. This is mainly based on historical reasons, as just a few years ago no applicable interactive ray casters for commodity hardware did exist. Interactive scientific visualization has only been possible by using graphics cards or specialized and/or expensive hardware. The goal of this work is to broaden the possibilies for interactive scientific visualization, by showing that interactive CPU based ray casting is today feasible on commodity hardware and that it may efficiently be used together with GPU based rasterization. In this thesis it is first shown that interactive CPU based ray casters may efficiently be integrated into already existing OpenGL frameworks. This is achieved through an OpenGL friendly interface that supports multiple threads and single instruction multiple data (SIMD) operations. For the visualization of rectilinear (and not necessarily cartesian) grids are new implicit kd-trees introduced. They have fast construction times, low memory requirements, and allow ontoday's commodity desktop machines interactive iso surface ray tracing and maximum intensity projection of large scalar fields. A new interactive SIMD ray tracing technique for large tetrahedral meshes is introduced. It is very portable and general and is therefore suited for portation upon different (future) hardware and for usage upon several applications. The thesis ends with a real life commercial application which shows that CPU-based ray casting has already reached the state where it may outperform GPU-based rasterization for scientific visualization.
Within this thesis we present a novel approach towards the modeling of strong discontinuities in a three dimensional finite element framework for large deformations. This novel finite element framework is modularly constructed containing three essential parts: (i) the bulk problem, ii) the cohesive interface problem and iii) the crack tracking problem. Within this modular design, chapter 2 (Continuous solid mechanics) treats the behavior of the bulk problem (i). It includes the overall description of the continuous kinematics, the required balance equations, the constitutive setting and the finite element formulation with its corresponding discretization and required solution strategy for the emerging highly non-linear equations. Subsequently, we discuss the modeling of strong discontinuities within finite element discretization schemes in chapter 3 (Discontinuous solid mechanics). Starting with an extension of the continuous kinematics to the discontinuous situation, we discuss the phantom-node discretization scheme based on the works of Hansbo & Hansbo. Thereby, in addition to a comparison with the extended finite element method (XFEM), importance is attached to the technical details for the adaptive introduction of the required discontinuous elements: The splitting of finite elements, the numerical integration, the visualization and the formulation of geometrical correct crack tip elements. In chapter 4 (The cohesive crack concept), we consider the treatment of cohesive process zones and the associated treatment of cohesive tractions. By applying this approach we are able to merge all irreversible, crack propagation accompanying, failure mechanisms into an arbitrary traction separation relation. Additionally, this concept ensures bounded crack tip stresses and allows the use of stress-based failure criteria for the determination of crack growth. In summary, the use of the discontinuous elements in conjunction with cohesive traction separation allows the mesh-independent computation of crack propagation along pre-defined crack paths. Therefore, this combination is defined as the interface problem (ii) and represents the next building block in the modular design of this thesis. The description and the computation of the evolving crack surface, based on the actual status of a considered specimen is the key issue of chapter 5 (Crack path tracking strategies). In contrast to the two-dimensional case, where tracking the path in a C0-continuous way is straightforward, three-dimensional crack path tracking requires additional strategies. We discuss the currently available approaches regarding this issue and further compare the approaches by means of usual quality measures. In the modular design of this thesis these algorithms represent the last main part which is classified as the crack tracking problem (iii). Finally chapter 6 (Representative numerical examples) verifies the finite element tool by comparisons of the computational results which experiments and benchmarks of engineering fracture problems in concrete. Afterwards the finite element tool is applied to model folding induced fracture of geological structures.
2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) is a highly toxic and persistent organic pollutant, which is ubiquitously found in the environment. The prototype dioxin compound was classified as a human carcinogen by the International Agency for Research on Cancer. TCDD acts as a potent liver tumor promoter in rats, which is one of the major concerns related to TCDD exposure. There is extensive evidence, that TCDD exerts anti-estrogenic effects via arylhydrocarbon receptor (AhR)-mediated induction of cytochromes P450 and interferes with the estrogen receptor alpha (ERalpha)-mediated signaling pathway. The present work was conducted to shed light on the hypothesis that enhanced activation of estradiol metabolism by TCDD-induced enzymes, mainly CYP1A1 and CYP1B1, leads to oxidative DNA damage in liver cells. Furthermore, the possible modulation by 17beta-estradiol (E2) was investigated. The effects were examined using four different AhR-responsive species- and sex-specific liver cell models, rat H4II2 and human HepG2 hepatoma cell lines as well as rat primary hepatocytes from male and female Wistar rats. The effective induction of CYP1A1 and CYP1B1 by TCDD was demonstrated in all liver cell models. Basal and TCDD-induced expression of CYP1B1, which is a key enzyme in stimulating E2 metabolism via the more reactive formation of the genotoxic 4-hydroxyestradiol, was most pronounced in rat primary hepatocytes. CYP-dependent induction of reactive oxygen species (ROS) was only observed in rodent cells. E2 induced ROS only in primary rat hepatocytes, which was associated with a weak CYP1B1 mRNA induction. Thus, E2 itself was suggested to induce its own metabolism in primary rat hepatocytes, resulting in the redox cycling of catechol estradiol metabolites leading to ROS formation. In this study the role of TCDD and E2 on oxidative DNA damage was investigated for the first time in vitro in the comet assay using liver cells. Both TCDD and E2 were shown to induce oxidative DNA base modifications only in rat hepatocytes. Additionally, direct oxidative DNA-damaging effects of the two main E2 metabolites, 4-hydroxyestradiol and 2-hydroxyestradiol, were only observed in rat hepatocytes and revealed that E2 damaged the DNA to the same extent. However, the induction of oxidative DNA damage by E2 could not completely be explained by the metabolic conversion of E2 via CYP1A1 and CYP1B1 and has to be further investigated. The expression of low levels of endogenous ERalpha mRNA in primary rat hepatocytes and the lack of ERalpha in hepatoma cell lines were identified as crucial. Therefore, the effects of interference of ERalpha with AhR were examined in HepG2 cells, which were transiently transfected with ERalpha. The over-expression of ERalpha led to enhanced AhR-mediated transcriptional activity by E2, suggesting a possible regulation of E2 levels. In turn, TCDD reduced E2-mediated ERalpha signaling, confirming the anti-estrogenic action of TCDD. Such a modulation of the combined effects of TCDD with E2 was not observed in any of the other experiments. Thus, the role of low endogenous ERalpha levels has to be further investigated in transfection experiments using rat primary hepatocytes. Overall, rat primary hepatocyte culture turned out to be the more adaptive cell model to investigate metabolism in the liver, reflecting a more realistic situation of the liver tissue. Nevertheless, during this work a crosstalk between ERalpha and AhR was shown for the first time using human hepatoma cell line HepG2 by transiently transfecting ERalpha.
In this article we prove existence and uniqueness results for solutions to the outer oblique boundary problem for the Poisson equation under very weak assumptions on boundary, coefficients and inhomogeneities. Main tools are the Kelvin transformation and the solution operator for the regular inner problem, provided in [1]. Moreover we prove regularisation results for the weak solutions of both, the inner and the outer problem. We investigate the non-admissible direction for the oblique vector field, state results with stochastic inhomogeneities and provide a Ritz-Galerkinm approximation. The results are applicable to problems from Geomathematics, see e.g. [2] and [3].
Proteins of the intermembrane space of mitochondria are generally encoded by nuclear genes that are synthesized in the cytosol. A group of small intermembrane space proteins lack classical mitochondrial targeting sequences, but these proteins are imported in an oxidation-driven reaction that relies on the activity of two components, Mia40 and Erv1. Both proteins constitute the mitochondrial disulfide relay system. Mia40 functions as an import receptor that interacts with incoming polypeptides via transient, intermolecular disulfide bonds. Erv1 is an FAD-binding sulfhydryl oxidase that activates Mia40 by re-oxidation, but the process how Erv1 itself is re-oxidized has been poorly understood. Here, I show that Erv1 interacts with cytochrome c which provides a functional link between the mitochondrial disulfide relay system and the respiratory chain. This mechanism not only increases the efficiency of mitochondrial inport by the re-oxidation of Erv1 and Mia40 but also prevents the formation of deleterious hydrogen peroxide within the intermembrane space. Thus, the miochondrial disulfide relay system is, analogous to that of the bacterial periplasm, connected to the electron transport chain of the inner membrane, which possibly allows an oxygen-dependend regulation of mitochondrial import rates. In addition, I modeled the structure of Erv1 on the basis of the Saccharomyces cerevisiae Erv2 crystal structure in order to gain insight into the molecular mechanism of Erv1. According to the high degree of sequence homologies, various characteristics found for Erv2 are also valid for Erv1. Finally, I propose a regulatory function of the disulfide relay system on the respiratory chain. The disulfide relay system senses the molecular oxygen levels in mitochondria and, thus, is able to adapt respiratory chain activity in order to prevent wastage of NADH and production of ROS.
The capacitated single-allocation hub location problem revisited: A note on a classical formulation
(2009)
Denote by G = (N;A) a complete graph where N is the set of nodes and A is the set of edges. Assume that a °ow wij should be sent from each node i to each node j (i; j 2 N). One possibility is to send these °ows directly between the corresponding pairs of nodes. However, in practice this is often neither e±cient nor costly attractive because it would imply that a link was built between each pair of nodes. An alternative is to select some nodes to become hubs and use them as consolidation and redistribution points that altogether process more e±ciently the flow in the network. Accordingly, hubs are nodes in the graph that receive tra±c (mail, phone calls, passengers, etc) from di®erent origins (nodes) and redirect this tra±c directly to the destination nodes (when a link exists) or else to other hubs. The concentration of tra±c in the hubs and its shipment to other hubs lead to a natural decrease in the overall cost due to economies of scale.
This thesis deals with the application of binomial option pricing in a single-asset Black-Scholes market and its extension to multi-dimensional situations. Although the binomial approach is, in principle, an efficient method for lower dimensional valuation problems, there are at least two main problems regarding its application: Firstly, traded options often exhibit discontinuities, so that the Berry- Esséen inequality is in general tight; i.e. conventional tree methods converge no faster than with order 1/sqrt(N). Furthermore, they suffer from an irregular convergence behaviour that impedes the possibility to achieve a higher order of convergence via extrapolation methods. Secondly, in multi-asset markets conventional tree construction methods cannot ensure well-defined transition probabilities for arbitrary correlation structures between the assets. As a major aim of this thesis, we present two approaches to get binomial trees into shape in order to overcome the main problems in applications; the optimal drift model for the valuation of single-asset options and the decoupling approach to multi-dimensional option pricing. The new valuation methods are embedded into a self-contained survey of binomial option pricing, which focuses on the convergence behaviour of binomial trees. The optimal drift model is a new one-dimensional binomial scheme that can lead to convergence of order o(1/N) by exploiting the specific structure of the valuation problem under consideration. As a consequence, it has the potential to outperform benchmark algorithms. The decoupling approach is presented as a universal construction method for multi-dimensional trees. The corresponding trees are well-defined for an arbitrary correlation structure of the underlying assets. In addition, they yield a more regular convergence behaviour. In fact, the sawtooth effect can even vanish completely, so that extrapolation can be applied.
This dissertation deals with two main subjects. Both are strongly related to boundary problems for the Poisson equation and the Laplace equation, respectively. The oblique boundary problem of potential theory as well as the limit formulae and jump relations of potential theory are investigated. We divide this abstract into two parts and start with the oblique boundary problem. Here we prove existence and uniqueness results for solutions to the outer oblique boundary problem for the Poisson equation under very weak assumptions on boundary, coefficients and inhomogeneities. Main tools are the Kelvin transformation and the solution operator for the regular inner problem, provided in my diploma thesis. Moreover we prove regularization results for the weak solutions of both, the inner and the outer problem. We investigate the non-admissible direction for the oblique vector field, state results with stochastic inhomogeneities and provide a Ritz-Galerkin approximation. Finally we show that the results are applicable to problems from Geomathematics. Now we come to the limit formulae. There we combine the modern theory of Sobolev spaces with the classical theory of limit formulae and jump relations of potential theory. The convergence in Lebesgue spaces for integrable functions is already treated in literature. The achievement of this dissertation is this convergence for the weak derivatives of higher orders. Also the layer functions are elements of Sobolev spaces and the surface is a two dimensional suitable smooth submanifold in the three dimensional space. We are considering the potential of the single layer, the potential of the double layer and their first order normal derivatives. Main tool in the proof in Sobolev norm is the uniform convergence of the tangential derivatives, which is proved with help of some results taken from literature. Additionally, we need a result about the limit formulae in the Lebesgue spaces, which is also taken from literature, and a reduction result for normal derivatives of harmonic functions. Moreover we prove the convergence in the Hölder spaces. Finally we give an application of the limit formulae and jump relations. We generalize a known density of several function systems from Geomathematics in the Lebesgue spaces of square integrable measureable functions, to density in Sobolev spaces, based on the results proved before. Therefore we have prove the limit formula of the single layer potential in dual spaces of Soboelv spaces, where also the layer function is an element of such a distribution space.
Motivation dieser Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von Katalysatoren zur selektiven Dimerisierung von 1-Hexen zu n-Dodecen und zu möglichst wenig verzweigten Produkten. Untersucht wurden die Zeolithe Y, L und ZSM-12 sowie die Silicoalumophosphate SAPO-5, SAPO-11, SAPO-31 und SAPO-41. Für die BrØnsted-aciden Katalysatoren ist festzuhalten: Alle hergestellten Zeolithe, das heißt H-Y, H-L und H-ZSM-12, verfügten über starke acide Zentren. Zeolith H-L erwies sich ebenfalls als sehr aktives Material. Die Selektivitäten zu den Zielprodukten waren bei vergleichbaren Umsätzen etwas höher als bei Verwendung von H-Y, was für einen schwachen formselektiven Effekt spricht. An Zeolith H-ZSM-12 wurden nur geringe Umsätze erzielt. Für die Silicoalumophosphate wurde gefunden: Alle verfügen über acide Zentren, welche jedoch etwas schwächer waren als die der BrØnsted-aciden Zeolithe. Um vergleichbare Umsätze wie an den Zeolithen zu erzielen, waren daher höhere Reaktionstemperaturen oder längere Reaktionszeiten erforderlich. H-SAPO-5 zeigte dabei eine gegenüber H-L erhöhte Selektivität zu den Zielprodukten, vermutlich aufgrund der etwas engeren Poren. H-SAPO-11, H-SAPO-31 und H-SAPO-41 zeigten trotz vorhandener und zugänglicher acider Zentren nur vernachlässigbare Umsätze. Analog zu Zeolith H-ZSM-12 wird dies auch hier auf die zu engen Poren zurückgeführt, welche die Bildung des Übergangszustandes offensichtlich nicht zulassen. Wurde Nickel in die Katalysatoren eingebracht, zeigten sich Unterschiede, die vor allem von der Präparationsmethode abhängen. Durch verschiedene Methoden gelang es, Katalysatoren herzustellen, die eine hohe Selektivität entweder zu n-Dodecen oder zu einfach verzweigten Dodecenen aufwiesen. Durch Ionenaustausch mit Nickelacetat in wässriger Lösung wurden Ni-Y, Ni-L und NiH-SAPO-5 hergestellt. Diese Materialien verfügten wahrscheinlich über Nickel auf Kationenpositionen. Sie zeigten eine gegenüber der sauren Form deutlich erhöhte Selektivität zu den Zielprodukten, der Effekt nahm in der Reihe Ni-Y < Ni-L < NiH-SAPO-5 zu. Analog zu den Resultaten an H-Y, H-L und H-SAPO-5 lässt sich dies mit einer zunehmenden Formselektivität durch das Porensystem der Katalysatoren begründen. Bei Ni-Y und NiH-SAPO-5 ließen sich mittels Temperaturprogrammierter Reduktion zwei verschiedene Nickelspezies nachweisen, die sich vermutlich durch die ihre Position in Gitter unterscheiden und dadurch eine unterschiedliche Stabilisierung gegenüber einer Reduktion erfahren. Wurde bei Ni-Y und NiH-SAPO-5 die jeweils leichter zu reduzierende Nickelspezies mit Wasserstoff reduziert, zeigten die so behandelten Katalysatoren eine stark verringerte Aktivität in der Katalyse. Dies ist in Einklang mit dem vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus, der von Ni(I) als aktiver Spezies ausgeht (welche durch eine Autoreduktion von Ni(II) während der Aktivierung des Katalysators erzeugt werden): Wird Nickel durch den Träger sehr stark stabilisiert, ist keine Autoreduktion mehr möglich und somit die Aktivität des Katalysators sehr gering. NiH-SAPO-5 wurde mit verschiedenen Siliciumanteilen hergestellt, was das Einbringen verschiedener Mengen an Nickel durch Ionenaustausch erlaubte. Hierbei zeigte sich, dass die Selektivität zu den Zielprodukten mit dem Nickelgehalt zunimmt und durch Verwendung eines H-SAPO-5 mit xSi = 0,20 (und damit hoher Ionenaustauschkapazität) bis zu 89 % Selektivität zu C12-Isomeren erreicht werden können, wobei diese je etwa zur Hälfte aus n-Dodecen und zur Hälfte einfach verzweigte Dimeren bestanden. Sollten bevorzugt einfach verzweigte Dodecene hergestellt werden, so war es durch Festkörperreaktion des BrØnsted-aciden Trägers mit Nickelacetat möglich, einen Katalysator zu präparieren, der keine linearen Produkte lieferte und bei geeignetem Nickelgehalt eine hohe Selektivität zu einfach verzweigten Dimeren aufwies. Dieser Effekt ist nur wenig vom Porensystem des Trägers, jedoch stark von dessen Ionenaustauschkapazität abhängig. Je höher diese ist, umso höher ist auch die Selektivität des resultierenden Katalysators. Wie TPD-Messungen mit 1-Aminopentan und Ammoniak als Sondenmoleküle zeigten, besaßen die so präparierten Materialien keine sauren Zentren mehr. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass es durch geeignete Wahl der Präparationsmethode und der Porengeometrie möglich ist, Katalysatoren zu erhalten, die entweder zur Herstellung von n-Dodecen oder zu überwiegend wenig verzweigten C12-Isomeren geeignet sind. Überraschenderweise, gelang es außerdem, mit dem gleichem Trägermaterial Katalysatoren herzustellen, welche kein n-Dodecen liefern, aber eine sehr hohe Selektivität zu einfach verzweigten C12-Isomeren besitzen. Vor allem anhand von NiH-SAPO-5 konnte weiterhin belegt werden, dass die Kombination aus geeigneter Porengeometrie und Nickel eine geeignete Methode zur Herstellung von Katalysatoren für die selektive Dimerisierung von 1-Hexen zu n-Dodecen ist.
Das aktuelle Design von Wirkstoffen ist fokussiert auf die Entwicklung von Molekülen, die das Tumorzellwachstum durch Inhibition mehrerer Signalwege unterdrücken können. Indirubin wurde als Hauptwirkstoff von Dangui Longhui Wan, einem Mittel der Traditionellen Chinesischen Medizin identifiziert, welches in China zur Behandlung vieler Krankheiten wie Leukämie benutzt wurde. Indirubine wurden als potente ATP-kompetitive CDK-Inhibitoren identifiziert, die in der ATP-Bindungstasche binden, Apoptose induzieren und das Wachstum von Tumorzellen effizient hemmen. Darüber hinaus zeigten Indirubin-Derivate Hemmwirkungen auf eine ganze Reihe anderer Kinasen wie z. B. GSK-3ß, VEGFR und c-Src, die beim Tumorzellwachstum eine entscheidende Rolle spielen. Ziel war es, Substituenten am Indirubingrundgerüst in die 5-, 5’- und 3’-Position einzuführen, um die Wasserlöslichkeit weiter zu verbessern, die metabolische Stabilität zu erhöhen, ohne jedoch Antitumorwirksamkeit abzuschwächen. Durch Einführung weiterer N-Atome in das Indirubingrundgerüst sollten CYP450-induzierte Hydroxylierungen am Kern vermieden werden, die zur Wirkungsabschwächung führten, wie frühere Arbeiten gezeigt haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 19 neue Indirubin-Derivate und 3 neue Aza- und Diazaindirubine hergestellt und mittels CHN-Analyse und NMR-spektroskopisch charakterisiert. Für das bei der Kondensation zu 7-Aza- und 7,7’-Diazaindirubin benötigte 7-Azaisatin wurde eine neue Synthesemethode entwickelt. Die Wasserlöslichkeit der neuen Indirubine wurde photometrisch und ihre Zytotoxizität mit Hilfe von SRB-Assays an LXFL529L-Tumorzellen bestimmt. Durch Inkubation mit Rinderlebermikrosomen wurde der Phase-I-Metabolismus von Indirubin-5- carboxamiden und Indirubin-3’-oximethern untersucht. Die Hauptmetaboliten von E748, E857, E857a, E860 und E860a wurden mittels HPLC, HPLC-NMR und LC-MS/MS identifiziert. Weitere Untersuchungen zum Wirkmechanismus ausgewählter neuer Verbindungen, wie z. B. die Hemmung von Topoisomerasen und die Erstellung eines Hemmprofils an 30 verschiedenen Kinasen wurden durch andere Institute durchgeführt. Im Vergleich zu Indirubin-5-carboxamiden zeigen Indirubin-5’-carboxamide mit gleichem Substituenten eine 2 – 15 fache schwächere Wachstumshemmung an LXFL529L-Zellen und trotz basischem Zentrums auch keine signifikant verbesserte Wasserlöslichkeit. 5,5’-Disubstituierte Indirubine mit Carboxyl- oder Carboxamid- Gruppe als Substituent zeigten sogar bis zu einer Konzentration von 100 μM keine Hemmwirkung mehr. Eine Erklärung hierfür könnte der knapp bemessene Raum der ATP-Bindungstasche im Bereich der 5’-Position sein. Die Oximether E857 und E860, sowie die Hydrochloride E857a und E860a zeigten eine sehr potente Proliferationshemmung an LXFL529L-Zellen mit IC50-Werten von ca. 1 μM. Die Hydrochloride wiesen hervorragende Werte für die Wasserlöslichkeit mit über 25000 mg/L auf, so dass in vivo Applikationen ohne weitere Formulierungen durchführbar sind. 7,7’-Diazaindirubin (E864) zeigte eine äußerst potente Wachstumshemmung von humanen Tumorzellen. Die IC50-Werte im SRB-Assay von E864 lagen im unteren nanomolaren Bereich an verschiedenen Tumorzellen. 7-Azaindirubin (E866) zeigte im Vergleich mit Indirubin eine erhöhte Wasserlöslichkeit und verbesserte antiproliferative Wirkung, insbesondere löst es sich in vielen organischen Lösungsmitteln. E865 ist das 7’-Aza-Analoge von E857, einem 3’-Oximether mit basischen Zentrum und zeigt 7-fach verbesserte Wasserlöslichkeit ohne Abschwächung der Hemmwirkung an der Tumorzelllinie LXFL529L. Ergebnisse des Kinaseprofilings ergaben jedoch, dass die ATP-Bindungsstelle von Proteinkinasen vermutlich nicht das Haupttarget dieser Wirkstoffe sind. Beim Testen von 277 Proteinkinasen konnte keine Proteinkinase als Target für E864, dem potentesten Inhibitor der Tumorzellproliferation, identifiziert werden. Bei Inkubationen mit Rinderlebermikrosomen von E748, einem Indirubin-5- carboxamid, fand eine Hydroxylierung an der 7’-Position statt. Weil eine Hydroxylierung an dieser Position eine Bindung des Moleküls in der ATP-Bindungstasche erschwert oder verhindert, ist der Metabolit vermutlich ein schwächerer Tumorzellwachstumsinhibitor. Zur Vermeidung einer derartigen Hydroxylierung erschien es sinnvoll, die Substituenten zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit in 3’-Position anzubringen, was die Ergebnisse der Metabolisierung von E857 und E857a bestätigten. Nach Inkubation mit Lebermikrosomen fanden die Metabolisierungen nicht am Indirubin-Gerundgerüst statt. Als Hauptmetaboliten konnten das N-oxid (E867) und ein Hydroxymethylpiperazin-Derivat identifiziert werden. Das Kinaseprofiling, das Rückschlüsse auf den Wirkmechanismus ermöglicht, zeigte, dass E857 nicht nur CDKs und GSK-3ß hemmt (IC50 = 1-10 μM), sondern auch andere für eine Tumorentstehung relevante Targets wie z. B. FAK und IGF1-R (IC50 < 1 μM). Damit scheinen E857 und E857a die bisher am besten geeigneten Indirubine für eine Weiterentwicklung zum Antitumortherapeutikum zu sein und weitere Untersuchungen sollen in vivo durchgeführt werden, um die Ergebnisse mit den in vitro-Daten zu vergleichen und abzusichern.
Funktionalisierte Binaphthyle erlangen immer größere Bedeutung für die enantioselektive Katalyse. Durch Koordination an entsprechende Metallzentren vermögen sie Reaktionen zu katalysieren und Chiralität zu induzieren. Die Synthese neuer chiraler P,N-Binaphthylliganden mit verschiedenen Heterozyklen wie Pyrazol oder Triazol als N-Donoreinheit war das Ziel dieser Arbeit. Ausgehend von 1,1’-Binaphth-2,2’-diol (BINOL) konnten auf unterschiedlichen Reaktionswegen entsprechende Ligandvorstufen mit Phosphanoyleinheit in 2-Position synthetisiert werden. Anhand von Einkristallen konnte die Festkörperstruktur der zum Teil enantiomerenreinen Binaphthyle mit Cyano-, Acetyl-, Methylester-, Carbonsäure- und Amidgruppe in 2’-Position mittels Röntgenstrukturanalyse nachgewiesen werden. Durch die Kondensation der Acetyl- bzw. Amidvorstufe mit N,N-Dimethylformamiddimethylacetal sowie der anschließenden Zyklisierung mit Hydrazin-Monohydrat gelang es den Pyrazol- bzw. Triazolring in das Binaphthylgerüst einzuführen. Die Reduktion der Phosphanoyleinheit mit Trichlorsilan komplettierte die Ligandsynthesen. Während vom Triazolliganden die Synthese beider Enantiomere durchgeführt wurde, konnte vom Pyrazolliganden im Rahmen dieser Arbeit nur das S-Enantiomer erhalten werden. Die neuen P,N-Liganden wurden im weiteren Verlauf der Arbeit auf ihre Fähigkeit zur Koordination an Übergangsmetallen wie Palladium untersucht. Die Komplexierung mit PdCl2(PhCN)2 konnte bislang jedoch nur mit dem Triazolliganden erfolgreich durchgeführt werden. Spektroskopische und kristallographische Untersuchungen zeigten dabei einen interessanten Aspekt im Koordinationsverhalten dieses neuen P,N-Binaphthyls. Sowohl beim S-Enantiomer als auch beim R-Enantiomer dieses Liganden wurde die Bildung eines dimeren Pd2Cl2-Komplexes beobachtet und durch Röntgenstrukturanalyse des enantiomerenreinen R-Komplexes bestätigt.
An efficient mathematical model to virtually generate woven metal wire meshes is
presented. The accuracy of this model is verified by the comparison of virtual structures with three-dimensional
images of real meshes, which are produced via computer tomography. Virtual structures
are generated for three types of metal wire meshes using only easy to measure parameters. For these
geometries the velocity-dependent pressure drop is simulated and compared with measurements
performed by the GKD - Gebr. Kufferath AG. The simulation results lie within the tolerances of
the measurements. The generation of the structures and the numerical simulations were done at
GKD using the Fraunhofer GeoDict software.
Continuous stochastic control theory has found many applications in optimal investment. However, it lacks some reality, as it is based on the assumption that interventions are costless, which yields optimal strategies where the controller has to intervene at every time instant. This thesis consists of the examination of two types of more realistic control methods with possible applications. In the first chapter, we study the stochastic impulse control of a diffusion process. We suppose that the controller minimizes expected discounted costs accumulating as running and controlling cost, respectively. Each control action causes costs which are bounded from below by some positive constant. This makes a continuous control impossible as it would lead to an immediate ruin of the controller. We give a rigorous development of the relevant theory, where our guideline is to establish verification and convergence results under minimal assumptions, without focusing on the existence of solutions to the corresponding (quasi-)variational inequalities. If the impulse control problem can be characterized or approximated by (quasi-)variational inequalities, it remains to solve these equations. In Section 1.2, we solve the stochastic impulse control problem for a one-dimensional diffusion process with constant coefficients and convex running costs. Further, in Section 1.3, we solve a particular multi-dimensional example, where the uncontrolled process is given by an at least two-dimensional Brownian motion and the cost functions are rotationally symmetric. By symmetry, this problem can be reduced to a one-dimensional problem. In the last section of the first chapter, we suggest a new impulse control problem, where the controller is in addition allowed to invest his initial capital into a market consisting of a money market account and a risky asset. The costs which arise upon controlling the diffusion process and upon trading in this market have to be paid out of the controller's bond holdings. The aim of the controller is to minimize the running costs, caused by the abstract diffusion process, without getting ruined. The second chapter is based on a paper which is joint work with Holger Kraft and Frank Seifried. We analyze the portfolio decision of an investor trading in a market where the economy switches randomly between two possible states, a normal state where trading takes place continuously, and an illiquidity state where trading is not allowed at all. We allow for jumps in the market prices at the beginning and at the end of a trading interruption. Section 2.1 provides an explicit representation of the investor's portfolio dynamics in the illiquidity state in an abstract market consisting of two assets. In Section 2.2 we specify this market model and assume that the investor maximizes expected utility from terminal wealth. We establish convergence results, if the maximal number of liquidity breakdowns goes to infinity. In the Markovian framework of Section 2.3, we provide the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman equations and prove a verification result. We apply these results to study the portfolio problem for a logarithmic investor and an investor with a power utility function, respectively. Further, we extend this model to an economy with three regimes. For instance, the third state could model an additional financial crisis where trading is still possible, but the excess return is lower and the volatility is higher than in the normal state.
Using a stereographical projection to the plane we construct an O(N log(N)) algorithm to approximate scattered data in N points by orthogonal, compactly supported wavelets on the surface of a 2-sphere or a local subset of it. In fact, the sphere is not treated all at once, but is split into subdomains whose results are combined afterwards. After choosing the center of the area of interest the scattered data points are mapped from the sphere to the tangential plane through that point. By combining a k-nearest neighbor search algorithm and the two dimensional fast wavelet transform a fast approximation of the data is computed and mapped back to the sphere. The algorithm is tested with nearly 1 million data points and yields an approximation with 0.35% relative errors in roughly 2 minutes on a standard computer using our MATLAB implementation. The method is very flexible and allows the application of the full range of two dimensional wavelets.
In this paper, an extension to the classical capacitated single-allocation hub location problem is studied in which the size of the hubs is part of the decision making process. For each potential hub a set of capacities is assumed to be available among which one can be chosen. Several formulations are proposed for the problem, which are compared in terms of the bound provided by the linear programming relaxation. Di®erent sets of inequalities are proposed to enhance the models. Several preprocessing tests are also presented with the goal of reducing the size of the models for each particular instance. The results of the computational experiments performed using the proposed models are reported.
Selfish Bin Coloring
(2009)
We introduce a new game, the so-called bin coloring game, in which selfish players control colored items and each player aims at packing its item into a bin with as few different colors as possible. We establish the existence of Nash and strong as well as weakly and strictly Pareto optimal equilibria in these games in the cases of capacitated and uncapacitated bins. For both kinds of games we determine the prices of anarchy and stability concerning those four equilibrium concepts. Furthermore, we show that extreme Nash equilibria, those with minimal or maximal number of colors in a bin, can be found in time polynomial in the number of items for the uncapcitated case.
Epoxy resins have achieved acceptance as adhesives, coatings, and potting compounds,
but their main application is as matrix to produce reinforced composites.
However, their usefulness in this field still limited due to their brittle nature. Some
studies have been done to increase the toughness of epoxy composites, of which the
most successful one is the modification of the polymer matrix with a second toughening
phase.
Resin Transfer Molding (RTM) is one of the most important technologies to manufacture
fiber reinforced composites. In the last decade it has experimented new impulse,
due to its favorable application to produce large surface composites with good technical
properties and at relative low cost.
This research work focuses on the development of novel modified epoxy matrices,
with enhanced mechanical and thermal properties, suitable to be processed by resin
transfer molding technology, to manufacture Glass Fiber Reinforced Composites
(GFRC’s) with improved performance in comparison to the commercially available
ones.
In the first stage of the project, a neat epoxy resin (EP) was modified using two different
nano-sized ceramics: silicium dioxide (SiO2) and zirconium dioxide (ZrO2); and
micro-sized particles of silicone rubber (SR) as second filler. Series of nanocomposites
and hybrid modified epoxy resins were obtained by systematic variation of filler
contents. The rheology and curing process of the modified epoxy resins were determined
in order to define their aptness to be processed by RTM. The resulting matrices
were extensively characterized qualitatively and quantitatively to precise the effect
of each filler on the polymer properties.
It was shown that the nanoparticles confer better mechanical properties to the epoxy
resin, including modulus and toughness. It was possible to improve simultaneously
the tensile modulus and toughness of the epoxy matrix in more than 30 % and 50 %
respectively, only by using 8 vol.-% nano-SiO2 as filler. A similar performance was
obtained by nanocomposites containing zirconia. The epoxy matrix modified with 8 vol.-% ZrO2 recorded tensile modulus and toughness improved up to 36% and 45%
respectively regarding EP.
On the other hand, the addition of silicone rubber to EP and nanocomposites results
in a superior toughness but has a slightly negative effect on modulus and strength.
The addition of 3 vol.-% SR to the neat epoxy and nanocomposites increases their
toughness between 1.5 and 2.5 fold; but implies also a reduction in their tensile modulus
and strength in range 5-10%. Therefore, when the right proportion of nanoceramic
and rubber were added to the epoxy resin, hybrid epoxy matrices with fracture
toughness 3 fold higher than EP but also with up to 20% improved modulus were
obtained.
Widespread investigations were carried out to define the structural mechanisms responsible
for these improvements. It was stated, that each type of filler induces specific
energy dissipating mechanisms during the mechanical loading and fracture
processes, which are closely related to their nature, morphology and of course to
their bonding with the epoxy matrix. When both nanoceramic and silicone rubber are
involved in the epoxy formulation, a superposition of their corresponding energy release
mechanisms is generated, which provides the matrix with an unusual properties
balance.
From the modified matrices glass fiber reinforced RTM-plates were produced. The
structure of the obtained composites was microscopically analyzed to determine their
impregnation quality. In all cases composites with no structural defects (i.e. voids,
delaminations) and good superficial finish were reached. The composites were also
properly characterized. As expected the final performance of the GFRCs is strongly
determined by the matrix properties. Thus, the enhancement reached by epoxy matrices
is translated into better GFRC´s macroscopical properties. Composites with up
to 15% enhanced strength and toughness improved up to 50%, were obtained from
the modified epoxy matrices.
Obwohl in mikrobiologischen Hochsicherheitslaboratorien einzelne Methoden des Risikomanagements durch gesetzliche Vorgaben verankert sind bzw. aufgrund von negativen Erfahrungen mit Laborinfektionen und prospektiver Sicherheitsforschung eingeführt wurden, fehlt bisher meist ein systematischer Riskomanagementansatz. Eine Möglichkeit zur Implementierung von „Risikomanagement als Führungsprozess” mittels der neuen, generischen Norm ISO 31000 „Risk management - Principles and guidelines” sollte in dieser Arbeit auf seine Eignung für ein Hochsicherheitslabor betrachtet werden. Dabei zeigte sich am konkreten Beispiel, dass durch die aktuelle Einführung eines QM-Systems die für ein Risikomanagementsystem notwendigen Strukturen prinzipiell vorhanden sind und genutzt werden können, aber dennoch ein erheblicher Schulungsbedarf bei den Mitarbeitern hinsichtlich methodischer Kompetenzen bestehen dürfte. Trotz theoretisch guter Integrierbarkeit des Risikomanagements in das QM-System würde die Einführung ein mittelfristiges, personalintensives Projekt darstellen. Als erfolgskritische Faktoren für die Einführung wurden weiterhin die Unterstützung durch die Leitung des Labors und die Entwicklung einer adäquaten, offenen Risikokultur identifiziert. Die Öffnung einer eher hierarchisch geprägten Organisationskultur würde ebenfalls Zeit kosten und wäre wahrscheinlich nicht ohne externe Beratung zu bewältigen. Erst dann könnte die gewünschte Risikokultur verwirklicht werden. Der grundlegende Wunsch zu einem veränderten Management im Labor ist aber auf allen Ebenen des betrachteten Forschungsinstituts spürbar, auch die Laborleitung unterstützt partizipative Elemente explizit. Das Rahmenwerk für ein Risikomanagementsystem wurde daher entworfen und in seinen Elementen für ein Hochsicherheitslabor betrachtet. Die jeweilige Ausgestaltung sollte durch eine Projektgruppe entwickelt werden. Dies stellt aufgrund der guten Erfahrungen mit Projektarbeit im betrachteten Institut keine relevante Hürde dar. Es erscheint daher möglich, mit der künftigen ISO 31000 (unter Zuhilfenahme verwandter Dokumente), ein Risikomanagementsystem für ein mikrobiologisches Hochsicherheitslabor einzuführen.
The enamide moiety is an important substructure often encountered in biologically active compounds and synthetic drugs. Furthermore, enamides and their derivatives are versatile synthetic intermediates for polymerization, [4+2] cycloaddition, crosscoupling, Heck-olefinination, Halogenation, enantioselective addition or asymmetric hydrogenation. Traditional syntheses of this important substrate class involve rather harsh reaction conditions such as high temperatures and/or the use of strong bases. In continuation of our work on the addition of secondary amides to alkynes, we have developed a broadly applicable protocol for the catalytic addition of N-nucleophiles such as primary amides, imides and thioamides to terminal alkynes. The choice of ligands and additives determines the regiochemical outcome so that with two complementary catalyst systems, both the E-anti-Markovnikov products and the Z-anti-Markovnikov products can be synthesized highly regio- and stereoselectively.
In this work we use the Parsimonious Multi–Asset Heston model recently developed in [Dimitroff et al., 2009] at Fraunhofer ITWM, Department Financial Mathematics, Kaiserslautern (Germany) and apply it to Quanto options. We give a summary of the model and its calibration scheme. A suitable transformation of the Quanto option payoff is explained and used to price Quantos within the new framework. Simulated prices are given and compared to market prices and Black–Scholes prices. We find that the new approach underprices the chosen options, but gives better results than the Black–Scholes approach, which is prevailing in the literature on Quanto options.
In nancial mathematics stock prices are usually modelled directly as a result of supply and demand and under the assumption that dividends are paid continuously. In contrast economic theory gives us the dividend discount model assuming that the stock price equals the present value of its future dividends. These two models need not to contradict each other - in their paper Korn and Rogers (2005) introduce a general dividend model preserving the stock price to follow a stochastic process and to be equal to the sum of all its discounted dividends. In this paper we specify the model of Korn and Rogers in a Black-Scholes framework in order to derive a closed-form solution for the pricing of American Call options under the assumption of a known next dividend followed by several stochastic dividend payments during the option's time to maturity.
This thesis is devoted to applying symbolic methods to the problems of decoding linear codes and of algebraic cryptanalysis. The paradigm we employ here is as follows. We reformulate the initial problem in terms of systems of polynomial equations over a finite field. The solution(s) of such systems should yield a way to solve the initial problem. Our main tools for handling polynomials and polynomial systems in such a paradigm is the technique of Gröbner bases and normal form reductions. The first part of the thesis is devoted to formulating and solving specific polynomial systems that reduce the problem of decoding linear codes to the problem of polynomial system solving. We analyze the existing methods (mainly for the cyclic codes) and propose an original method for arbitrary linear codes that in some sense generalizes the Newton identities method widely known for cyclic codes. We investigate the structure of the underlying ideals and show how one can solve the decoding problem - both the so-called bounded decoding and more general nearest codeword decoding - by finding reduced Gröbner bases of these ideals. The main feature of the method is that unlike usual methods based on Gröbner bases for "finite field" situations, we do not add the so-called field equations. This tremendously simplifies the underlying ideals, thus making feasible working with quite large parameters of codes. Further we address complexity issues, by giving some insight to the Macaulay matrix of the underlying systems. By making a series of assumptions we are able to provide an upper bound for the complexity coefficient of our method. We address also finding the minimum distance and the weight distribution. We provide solid experimental material and comparisons with some of the existing methods in this area. In the second part we deal with the algebraic cryptanalysis of block iterative ciphers. Namely, we analyze the small-scale variants of the Advanced Encryption Standard (AES), which is a widely used modern block cipher. Here a cryptanalyst composes the polynomial systems which solutions should yield a secret key used by communicating parties in a symmetric cryptosystem. We analyze the systems formulated by researchers for the algebraic cryptanalysis, and identify the problem that conventional systems have many auxiliary variables that are not actually needed for the key recovery. Moreover, having many such auxiliary variables, specific to a given plaintext/ciphertext pair, complicates the use of several pairs which is common in cryptanalysis. We thus provide a new system where the auxiliary variables are eliminated via normal form reductions. The resulting system in key-variables only is then solved. We present experimental evidence that such an approach is quite good for small scaled ciphers. We investigate further our approach and employ the so-called meet-in-the-middle principle to see how far one can go in analyzing just 2-3 rounds of scaled ciphers. Additional "tuning techniques" are discussed together with experimental material. Overall, we believe that the material of this part of the thesis makes a step further in algebraic cryptanalysis of block ciphers.
Home Health Care (HHC) services are becoming increasingly important in Europe’s aging societies. Elderly people have varying degrees of need for assistance and medical treatment. It is advantageous to allow them to live in their own homes as long as possible, since a long-term stay in a nursing home can be much more costly for the social insurance system than a treatment at home providing assistance to the required level. Therefore, HHC services are a cost-effective and flexible instrument in the social system. In Germany, organizations providing HHC services are generally either larger charities with countrywide operations or small private companies offering services only in a city or a rural area. While the former have a hierarchical organizational structure and a large number of employees, the latter typically only have some ten to twenty nurses under contract. The relationship to the patients (“customers”) is often long-term and can last for several years. Therefore acquiring and keeping satisfied customers is crucial for HHC service providers and intensive competition among them is observed.
A series of (oligo)phenthiazines, thiazolium salts and sulfonic acid functionalized organic/inorganic hybrid materials were synthesized. The organic groups were covalently bound on the inorganic surface through reactions of organosilane precursors with TEOS or with the silanol groups of material surface. These synthetic methods are called the co-condensation process and the post grafting. The structures and the textural parameters of the generated hybrid materials were characterized by XRD, N2 adsorption-desorption measurements, SEM and TEM. The incorporations of the organic groups were verified by elemental analysis, thermogravimetric analysis, FT-IR, UV-Vis, EPR, CV, as well as by 13C CP-MAS NMR and 29Si CP-MAS NMR spectroscopy. Introduction of various organic groups endow different phsysical, chemical properties to these hybrid materials. The (oligo)phenothiazines provide a group of novel redox acitive hybrid materials with special electronic and optic properties. The thiazolium salts modified materials were applied as heterogenized organo catalysts for the benzoin condensation and the cross-coupling of aldehydes with acylimines to yield a-amido ketones. The sulfonic acid containing materials can not only be used as Broensted acid catalysts, but also can serve as ion exchangable supports for further modifications and applications.
Microfibrillar reinforced composites (MFC) have attracted considerable academic and practical interests after the concept was introduced more than a decade years ago. This new type of composites will be created by blending of two polymers with different melting temperatures and processing the blend under certain thermo-mechanical conditions to generate in-situ formed microfibrils of the higher melting polymer grade of temperature in the blend. The compression molded microfibrillar composites were reported to possess excellent mechanical properties and thus they are promising materials for different applications. In the present work, a typical immiscible polymer blend PET/PP was selected for the preparation of PET/PP, PET/PP/TiO2 microfibrillar reinforced composites. The objective of this study is to analyse the processing-structure-property relationship in the PET/PP based MFCs. The morphology of the PET microfibrils and the dispersion of the TiO2 nanoparticles were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and discussed. The crystallization behaviour of PET and PP was studied by means of differential scanning calorimetry (DSC). The thermomechanical and mechanical properties of the composites were determined by dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) and uniaxial tensile tests and the related results discussed as a function of the composition of the corresponding system. During stretching of the PET/PP extrudate, the PET dispersed phase was deformed into microfibrils. These microfibrils were still well persevered after compression molding of the drawn strands. Therefore the PET microfibrils acted as the reinforcement for the PP matrix. Compared with neat PP, the tensile properties of the PET/PP MFC were greatly improved. For the PET/PP/TiO2 MFC, the effects of polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA, introduced as compatibilizer) and TiO2 particles on the structure and properties of drawn strands and composites were investigated. Upon the addition of PP-g-MA, the preferential location of TiO2 particles changed: they migrated from the PET dispersed phase to the continuous PP matrix phase. This was accompanied with structural changes of the drawn strands. The microfibril formation mechanism was also investigated. After injection molding of the microfibrillar composites, the preferential location of TiO2 particles was still preserved. DMTA analysis of drawn strands, the tensile and impact tests of the composites demonstrated that the mechanical properties of the drawn strands of the microfibrillar composites were strongly dependent on the respective structures of the tested materials. To further investigate the preferential location of TiO2 particles in the PET/PP blend which were discovered during the preparation of PET/PP/TiO2 MFCs, PET/PP/TiO2 ternary nanocomposites were prepared according to four blending procedures. The preferential location of TiO2 nanoparticles was influenced by the blending sequence and the amount of PP-g-MA incorporated. Furthermore, it was discovered that TiO2 nanoparticles exerted a compatibilizing effect on the morphology of the composites. Three different compatibilization mechanisms of nanoparticles were proposed depending on the location of the nanoparticles.
In der Automobilindustrie muss der Nachweis von Bauteilzuverlässigkeiten auf statistischen Verfahren basieren, da die Bauteilfestigkeit und Kundenbeanspruchung streuen. Die bisherigen Vorgehensweisen der Tests führen häufig Fehlentscheidungen bzgl. der Freigabe, was unnötige Design-Änderungen und somit hohe Kosten bedeuten kann. In vorliegender Arbeit wird der Ansatz der partiellen Durchläuferzählung entwickelt, welche die statische Güte der bisherigen Testverfahren (Success Runs) erhöht.
This thesis deals with 3 important aspects of optimal investment in real-world financial markets: taxes, crashes, and illiquidity. An introductory chapter reviews the portfolio problem in its historical context and motivates the theme of this work: We extend the standard modelling framework to include specific real-world features and evaluate their significance. In the first chapter, we analyze the optimal portfolio problem with capital gains taxes, assuming that taxes are deferred until the end of the investment horizon. The problem is solved with the help of a modification of the classical martingale method. The second chapter is concerned with optimal asset allocation under the threat of a financial market crash. The investor takes a worst-case attitude towards the crash, so her investment objective is to be best off in the most adverse crash scenario. We first survey the existing literature on the worst-case approach to optimal investment and then present in detail the novel martingale approach to worst-case portfolio optimization. The first part of this chapter is based on joint work with Ralf Korn. In the last chapter, we investigate optimal portfolio decisions in the presence of illiquidity. Illiquidity is understood as a period in which it is impossible to trade on financial markets. We use dynamic programming techniques in combination with abstract convergence results to solve the corresponding optimal investment problem. This chapter is based on joint work with Holger Kraft and Peter Diesinger.
This study deals with the optimal control problems of the glass tube drawing processes where the aim is to control the cross-sectional area (circular) of the tube by using the adjoint variable approach. The process of tube drawing is modeled by four coupled nonlinear partial differential equations. These equations are derived by the axisymmetric Stokes equations and the energy equation by using the approach based on asymptotic expansions with inverse aspect ratio as small parameter. Existence and uniqueness of the solutions of stationary isothermal model is also proved. By defining the cost functional, we formulated the optimal control problem. Then Lagrange functional associated with minimization problem is introduced and the first and the second order optimality conditions are derived. We also proved the existence and uniqueness of the solutions of the stationary isothermal model. We implemented the optimization algorithms based on the steepest descent, nonlinear conjugate gradient, BFGS, and Newton approaches. In the Newton method, CG iterations are introduced to solve the Newton equation. Numerical results are obtained for two different cases. In the first case, the cross-sectional area for the entire time domain is controlled and in the second case, the area at the final time is controlled. We also compared the performance of the optimization algorithms in terms of the solution iterations, functional evaluations and the computation time.
Limit theorems constitute a classical and important field in probability theory. In several applications, in particular in demographic or medical contexts, killed Markov processes suggest themselves as models for populations undergoing culling by mortality or other processes. In these situations mathematical research features a general interest in the observable distribution of survivors, which is known as Yaglom limit or quasi-stationary distribution. Previous work often focuses on discrete state spaces, commonly birth-death processes (or with some more flexible localization of the transitions), with killing only on the boundary. The central concerns of this thesis are to describe, for a given class of one dimensional diffusion processes, the quasistationary distributions (if any), and to describe the convergence (or not) of the process conditioned on survival to one of these quasistationary distributions. Rather general diffusion processes on the half-line are considered, where 0 is allowed to be regular or an exit boundary. Very similar techniques are applied in this work in order to derive results on the large time behavior of an exotic measure valued process, which is closely related to so-called point interactions, which have been widely studied in the mathematical physics literature.
The goal of this work is the development and investigation of an interdisciplinary and in itself closed hydrodynamic approach to the simulation of dilute and dense granular flow. The definition of “granular flow” is a nontrivial task in itself. We say that it is either the flow of grains in a vacuum or in a fluid. A grain is an observable piece of a certain material, for example stone when we mean the flow of sand. Choosing a hydrodynamic view on granular flow, we treat the granular material as a fluid. A hydrodynamic model is developed, that describes the process of flowing granular material. This is done through a system of partial differential equations and algebraic relations. This system is derived by the kinetic theory of granular gases which is characterized by inelastic collisions extended with approaches from soil mechanics. Solutions to the system have to be obtained to understand the process. The equations are so difficult to solve that an analytical solution is out of reach. So approximate solutions must be obtained. Hence the next step is the choice or development of a numerical algorithm to obtain approximate solutions of the model. Common to every problem in numerical simulation, these two steps do not lead to a result without implementation of the algorithm. Hence the author attempts to present this work in the following frame, to participate in and contribute to the three areas Physics, Mathematics and Software implementation and approach the simulation of granular flow in a combined and interdisciplinary way. This work is structured as follows. A continuum model for granular flow which covers the regime of fast dilute flow as well as slow dense flow up to vanishing velocity is presented in the first chapter. This model is strongly nonlinear in the dependence of viscosity and other coefficients on the hydrodynamic variables and it is singular because some coefficients diverge towards the maximum packing fraction of grains. Hence the second difficulty, the challenging task of numerically obtaining approximate solutions for this model is faced in the second chapter. In the third chapter we aim at the validation of both the model and the numerical algorithm through numerical experiments and investigations and show their application to industrial problems. There we focus intensively on the shear flow experiment from the experimental and analytical work of Bocquet et al. which serves well to demonstrate the algorithm, all boundary conditions involved and provides a setting for analytical studies to compare our results. The fourth chapter rounds up the work with the implementation of both the model and the numerical algorithm in a software framework for the solution of complex rheology problems developed as part of this thesis.
In the context of inverse optimization, inverse versions of maximum flow and minimum cost flow problems have thoroughly been investigated. In these network flow problems there are two important problem parameters: flow capacities of the arcs and costs incurred by sending a unit flow on these arcs. Capacity changes for maximum flow problems and cost changes for minimum cost flow problems have been studied under several distance measures such as rectilinear, Chebyshev, and Hamming distances. This thesis also deals with inverse network flow problems and their counterparts tension problems under the aforementioned distance measures. The major goals are to enrich the inverse optimization theory by introducing new inverse network problems that have not yet been treated in the literature, and to extend the well-known combinatorial results of inverse network flows for more general classes of problems with inherent combinatorial properties such as matroid flows on regular matroids and monotropic programming. To accomplish the first objective, the inverse maximum flow problem under Chebyshev norm is analyzed and the capacity inverse minimum cost flow problem, in which only arc capacities are perturbed, is introduced. In this way, it is attempted to close the gap between the capacity perturbing inverse network problems and the cost perturbing ones. The foremost purpose of studying inverse tension problems on networks is to achieve a well-established generalization of the inverse network problems. Since tensions are duals of network flows, carrying the theoretical results of network flows over to tensions follows quite intuitively. Using this intuitive link between network flows and tensions, a generalization to matroid flows and monotropic programs is built gradually up.
The thesis at hand deals with the numerical solution of multiscale problems arising in the modeling of processes in fluid and thermo dynamics. Many of these processes, governed by partial differential equations, are relevant in engineering, geoscience, and environmental studies. More precisely, this thesis discusses the efficient numerical computation of effective macroscopic thermal conductivity tensors of high-contrast composite materials. The term "high-contrast" refers to large variations in the conductivities of the constituents of the composite. Additionally, this thesis deals with the numerical solution of Brinkman's equations. This system of equations adequately models viscous flows in (highly) permeable media. It was introduced by Brinkman in 1947 to reduce the deviations between the measurements for flows in such media and the predictions according to Darcy's model.
Classical geometrically exact Kirchhoff and Cosserat models are used to study the nonlinear deformation of rods. Extension, bending and torsion of the rod may be represented by the Kirchhoff model. The Cosserat model additionally takes into account shearing effects. Second order finite differences on a staggered grid define discrete viscoelastic versions of these classical models. Since the rotations are parametrised by unit quaternions, the space discretisation results in differential-algebraic equations that are solved numerically by standard techniques like index reduction and projection methods. Using absolute coordinates, the mass and constraint matrices are sparse and this sparsity may be exploited to speed-up time integration. Further improvements are possible in the Cosserat model, because the constraints are just the normalisation conditions for unit quaternions such that the null space of the constraint matrix can be given analytically. The results of the theoretical investigations are illustrated by numerical tests.
The rotational spinning of viscous jets is of interest in many industrial applications, including pellet manufacturing [4, 14, 19, 20] and drawing, tapering and spinning of glass and polymer fibers [8, 12, 13], see also [15, 21] and references within. In [12] an asymptotic model for the dynamics of curved viscous inertial fiber jets emerging from a rotating orifice under surface tension and gravity was deduced from the three-dimensional free boundary value problem given by the incompressible Navier-Stokes equations for a Newtonian fluid. In the terminology of [1], it is a string model consisting of balance equations for mass and linear momentum. Accounting for inner viscous transport, surface tension and placing no restrictions on either the motion or the shape of the jet’s center-line, it generalizes the previously developed string models for straight [3, 5, 6] and curved center-lines [4, 13, 19]. Moreover, the numerical results investigating the effects of viscosity, surface tension, gravity and rotation on the jet behavior coincide well with the experiments of Wong et.al. [20].