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With the burgeoning computing power available, multiscale modelling and simulation has these days become increasingly capable of capturing the details of physical processes on different scales. The mechanical behavior of solids is oftentimes the result of interaction between multiple spatial and temporal scales at different levels and hence it is a typical phenomena of interest exhibiting multiscale characteristic. At the most basic level, properties of solids can be attributed to atomic interactions and crystal structure that can be described on nano scale. Mechanical properties at the macro scale are modeled using continuum mechanics for which we mention stresses and strains. Continuum models, however they offer an efficient way of studying material properties they are not accurate enough and lack microstructural information behind the microscopic mechanics that cause the material to behave in a way it does. Atomistic models are concerned with phenomenon at the level of lattice thereby allowing investigation of detailed crystalline and defect structures, and yet the length scales of interest are inevitably far beyond the reach of full atomistic computation and is rohibitively expensive. This makes it necessary the need for multiscale models. The bottom line and a possible avenue to this end is, coupling different length scales, the continuum and the atomistics in accordance with standard procedures. This is done by recourse to the Cauchy-Born rule and in so doing, we aim at a model that is efficient and reasonably accurate in mimicking physical behaviors observed in nature or laboratory. In this work, we focus on concurrent coupling based on energetic formulations that links the continuum to atomistics. At the atomic scale, we describe deformation of the solid by the displaced positions of atoms that make up the solid and at the continuum level deformation of the solid is described by the displacement field that minimize the total energy. In the coupled model, continuum-atomistic, a continuum formulation is retained as the overall framework of the problem and the atomistic feature is introduced by way of constitutive description, with the Cauchy-Born rule establishing the point of contact. The entire formulation is made in the framework of nonlinear elasticity and all the simulations are carried out within the confines of quasistatic settings. The model gives direct account to measurable features of microstructures developed by crystals through sequential lamination.
In this thesis, we have dealt with two modeling approaches of the credit risk, namely the structural (firm value) and the reduced form. In the former one, the firm value is modeled by a stochastic process and the first hitting time of this stochastic process to a given boundary defines the default time of the firm. In the existing literature, the stochastic process, triggering the firm value, has been generally chosen as a diffusion process. Therefore, on one hand it is possible to obtain closed form solutions for the pricing problems of credit derivatives and on the other hand the optimal capital structure of a firm can be analysed by obtaining closed form solutions of firm's corporate securities such as; equity value, debt value and total firm value, see Leland(1994). We have extended this approach by modeling the firm value as a jump-diffusion process. The choice of the jump-diffusion process was a crucial step to obtain closed form solutions for corporate securities. As a result, we have chosen a jump-diffusion process with double exponentially distributed jump heights, which enabled us to analyse the effects of jump on the optimal capital structure of a firm. In the second part of the thesis, by following the reduced form models, we have assumed that the default is triggered by the first jump of a Cox process. Further, by following Schönbucher(2005), we have modeled the forward default intensity of a firm as a geometric Brownian motion and derived pricing formulas for credit default swap options in a more general setup than the ones in Schönbucher(2005).
We present a constructive theory for locally supported approximate identities on the unit ball in \(\mathbb{R}^3\). The uniform convergence of the convolutions of the derived kernels with an arbitrary continuous function \(f\) to \(f\), i.e. the defining property of an approximate identity, is proved. Moreover, an explicit representation for a class of such kernels is given. The original publication is available at www.springerlink.com
This report discusses two approaches for a posteriori error indication in the linear elasticity solver DDFEM: An indicator based on the Richardson extrapolation and Zienkiewicz-Zhu-type indicator. The solver handles 3D linear elasticity steady-state problems. It uses own input language to describe the mesh and the boundary conditions. Finite element discretization over tetrahedral meshes with first or second order shape functions (hierarchical basis) has been used to resolve the model. The parallelization of the numerical method is based on the domain decomposition approach. DDFEM is highly portable over a set of parallel computer architectures supporting the MPI-standard.
Wetting of a solid surface with liquids is an important parameter in the chemical engineering process such as distillation, absorption and desorption. The degree of wetting in packed columns mainly contributes in the generating of the effective interfacial area and then enhancing of the heat and mass transfer process. In this work the wetting of solid surfaces was studied in real experimental work and virtually through three dimensional CFD simulations using the multiphase flow VOF model implemented in the commercial software FLUENT. That can be used to simulate the stratified flows [1]. The liquid rivulet flow which is a special case of the film flow and mostly found in packed columns has been discussed. Wetting of a solid flat and wavy metal plate with rivulet liquid flow was simulated and experimentally validated. The local rivulet thickness was measured using an optically assisted mechanical sensor using a needle which is moved perpendicular to the plate surface with a step motor and in the other two directions using two micrometers. The measured and simulated rivulet profiles were compared to some selected theoretical models founded in the literature such as Duffy & Muffatt [2], Towell & Rothfeld [3] and Al-Khalil et al. [4]. The velocity field in a cross section of a rivulet flow and the non-dimensional maximum and mean velocity values for the vertical flat plate was also compared with models from Al-Khalil et al. [4] and Allen & Biggin [5]. Few CFD simulations for the wavy plate case were compared to the experimental findings, and the Towel model for a flat plate [3]. In the second stage of this work 3-D CFD simulations and experimental study has been performed for wetting of a structured packing element and packing sheet consisting of three elements from the type Rombopak 4M, which is a product of the company Kuhni, Switzerland. The hydrodynamics parameters of a packed column, e. i. the degree of wetting, the interfacial area and liquid hold-up have been depicted from the CFD simulations for different liquid systems and liquid loads. Flow patterns on the degree of wetting have been compared to that of the experiments, where the experimental values for the degree of wetting were estimated from the snap shooting of the flow on the packing sheet in a test rig. A new model to describe the hydrodynamics of packed columns equipped with Rombopak 4M was derived with help of the CFD–simulation results. The model predicts the degree of wetting, the specific or interfacial area and liquid hold-up at different flow conditions. This model was compared to Billet & Schultes [6], the SRP model Rocha et al. [7-9], to Shi & Mersmann [10] and others. Since the pressure drop is one of the most important parameter in packed columns especially for vacuum operating columns, few CFD simulations were performed to estimate the dry pressure drop in a structured and flat packing element and were compared to the experimental results. It was found a good agreement from one side, between the experimental and the CFD simulation results, and from the other side between the simulations and theoretical models for the rivulet flow on an inclined plate. The flow patterns and liquid spreading behaviour on the packing element agrees well with the experimental results. The VOF (Volume of Fluid) was found very sensitive to different liquid properties and can be used in optimization of the packing geometries and revealing critical details of wetting and film flow. An extension of this work to perform CFD simulations for the flow inside a block of the packing to get a detailed picture about the interaction between the liquid and packing surfaces is recommended as further perspective.
For the last decade, optimization of beam orientations in intensity-modulated radiation therapy (IMRT) has been shown to be successful in improving the treatment plan. Unfortunately, the quality of a set of beam orientations depends heavily on its corresponding beam intensity profiles. Usually, a stochastic selector is used for optimizing beam orientation, and then a single objective inverse treatment planning algorithm is used for the optimization of beam intensity profiles. The overall time needed to solve the inverse planning for every random selection of beam orientations becomes excessive. Recently, considerable improvement has been made in optimizing beam intensity profiles by using multiple objective inverse treatment planning. Such an approach results in a variety of beam intensity profiles for every selection of beam orientations, making the dependence between beam orientations and its intensity profiles less important. This thesis takes advantage of this property to accelerate the optimization process through an approximation of the intensity profiles that are used for multiple selections of beam orientations, saving a considerable amount of calculation time. A dynamic algorithm (DA) and evolutionary algorithm (EA), for beam orientations in IMRT planning will be presented. The DA mimics, automatically, the methods of beam's eye view and observer's view which are recognized in conventional conformal radiation therapy. The EA is based on a dose-volume histogram evaluation function introduced as an attempt to minimize the deviation between the mathematical and clinical optima. To illustrate the efficiency of the algorithms they have been applied to different clinical examples. In comparison to the standard equally spaced beams plans, improvements are reported for both algorithms in all the clinical examples even when, for some cases, fewer beams are used. A smaller number of beams is always desirable without compromising the quality of the treatment plan. It results in a shorter treatment delivery time, which reduces potential errors in terms of patient movements and decreases discomfort.
This paper analyzes and solves a patient transportation problem arising in several large hospitals. The aim is to provide an efficient and timely transport service to patients between several locations on a hospital campus. Transportation requests arrive in a dynamic fashion and the solution methodology must therefore be capable of quickly inserting new requests in the current vehicle routes. Contrary to standard dial-a-ride problems, the problem under study contains several complicating constraints which are specific to a hospital context. The paper provides a detailed description of the problem and proposes a two-phase heuristic procedure capable of handling its many features. In the first phase a simple insertion scheme is used to generate a feasible solution, which is improved in the second phase with a tabu search algorithm. The heuristic procedure was extensively tested on real data provided by a German hospital. Results show that the algorithm is capable of handling the dynamic aspect of the problem and of providing high quality solutions. In particular, it succeeded in reducing waiting times for patients while using fewer vehicles.
In this thesis diverse problems concerning inflation-linked products are dealt with. To start with, two models for inflation are presented, including a geometric Brownian motion for consumer price index itself and an extended Vasicek model for inflation rate. For both suggested models the pricing formulas of inflation-linked products are derived using the risk-neutral valuation techniques. As a result Black and Scholes type closed form solutions for a call option on inflation index for a Brownian motion model and inflation evolution for an extended Vasicek model as well as for an inflation-linked bond are calculated. These results have been already presented in Korn and Kruse (2004) [17]. In addition to these inflation-linked products, for the both inflation models the pricing formulas of a European put option on inflation, an inflation cap and floor, an inflation swap and an inflation swaption are derived. Consequently, basing on the derived pricing formulas and assuming the geometric Brownian motion process for an inflation index, different continuous-time portfolio problems as well as hedging problems are studied using the martingale techniques as well as stochastic optimal control methods. These utility optimization problems are continuous-time portfolio problems in different financial market setups and in addition with a positive lower bound constraint on the final wealth of the investor. When one summarizes all the optimization problems studied in this work, one will have the complete picture of the inflation-linked market and both counterparts of market-participants, sellers as well as buyers of inflation-linked financial products. One of the interesting results worth mentioning here is naturally the fact that a regular risk-averse investor would like to sell and not buy inflation-linked products due to the high price of inflation-linked bonds for example and an underperformance of inflation-linked bonds compared to the conventional risk-free bonds. The relevance of this observation is proved by investigating a simple optimization problem for the extended Vasicek process, where as a result we still have an underperforming inflation-linked bond compared to the conventional bond. This situation does not change, when one switches to an optimization of expected utility from the purchasing power, because in its nature it is only a change of measure, where we have a different deflator. The negativity of the optimal portfolio process for a normal investor is in itself an interesting aspect, but it does not affect the optimality of handling inflation-linked products compared to the situation not including these products into investment portfolio. In the following, hedging problems are considered as a modeling of the other half of inflation market that is inflation-linked products buyers. Natural buyers of these inflation-linked products are obviously institutions that have payment obligations in the future that are inflation connected. That is why we consider problems of hedging inflation-indexed payment obligations with different financial assets. The role of inflation-linked products in the hedging portfolio is shown to be very important by analyzing two alternative optimal hedging strategies, where in the first one an investor is allowed to trade as inflation-linked bond and in the second one he is not allowed to include an inflation-linked bond into his hedging portfolio. Technically this is done by restricting our original financial market, which is made of a conventional bond, inflation index and a stock correlated with inflation index, to the one, where an inflation index is excluded. As a whole, this thesis presents a wide view on inflation-linked products: inflation modeling, pricing aspects of inflation-linked products, various continuous-time portfolio problems with inflation-linked products as well as hedging of inflation-related payment obligations.
Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für ein kapazitives Messsystem entwickelt und als Prototyp realisiert. Um realistische Rahmenbedingungen zu schaffen wurde der Prototyp auf einer Ultrapräzisionsmaschine des Lehrstuhls für Feinwerktechnik montiert und getestet. Für die Auswertung eines kapazitiven Sensors wurde das Trägerfrequenzmessverfahren gewählt. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können musste das TF-Verfahren zunächst entscheidend modifiziert werden. Die klassischen Verfahren zur Demodulation, wie z.B. wie die synchrone Demodulation oder die Hüllkurvendemodulation sind ungeeignet, da sie zunächst das analoge modulierte Signal ins Basisband verschieben und dann erst für weitere Verarbeitung das Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Dieser Zwischenschritt ist besonders anfällig für Signalverzerrungen und Phasenfehlern zwischen Trägerschwingung und moduliertem Signal. Um nun diese Nachteile zu umgehen erfolgt die Demodulation direkt durch die Abtastung des modulierten Signals mittels eines sehr schnellen AD-Wandlers. Das modulierte Signal wird so direkt ins Basisband zurückgefaltet. Da es sich bei dem modulierten Signal um ein bandbegrenztes Signal handelt kann die Abtastrate des AD-Wandlers an die Bandbreite des modulierten Signals angepasst werden, es findet eine Unterabtastung statt. Nachteilig ist hierbei, dass die hochfrequenten Anteile des thermischen Rauschens durch die Unterabtastung in das Basisband zurückgefaltet werden und so den Signal/Rauschabstand verschlechtern. Durch den Einsatz einer rauscharmen Sensorelektronik und der Optimierung der Messbrückenparameter konnte dieser Nachteil streckenweise wieder kompensiert werden. Aufgrund der geringen Kapazitäten von kapazitiven Sensoren spielt der Einfluss von parasitären Effekten eine besonders große Rolle und muss daher vermieden werden. Als Gegenmaßnahmen wurde neben einem kapazitätsarmen Aufbau der Schaltung die Guardtechnik zur Unterdrückung parasitärerer Kapazitäten eingesetzt. Die aktive Abschirmung der empfindlichen signalführenden Leitungen auf Leiterplatte, Sensor und Anschlusskabel bietet einen wirksamen Schutz gegen den negativen Einfluss parasitäre Kapazitäten. Der Einfluss dieser aktiven Schaltung hinsichtlich des Rauschen und des Verstärkungsfehlers auf die Performance des Messsystems wurde bewertet. Anhand von Modellen wurden der Verstärkungsfehler und die Rauschspannung quantifiziert. Neben diesen zentralen Störgrößen wurde weiter der Einfluss der Temperatur untersucht und quantifiziert Das verstärkte Messsignal wird durch einen schnellen AD-Wandler in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Obwohl die Datenrate des Messsystems durch Unterabtastung deutlich gesenkt werden konnte, fällt dennoch eine recht große weiterzuverarbeitende Datenmenge von einigen Megabyte pro Sekunde an, die auf einen PC gespeichert wird. Damit eine fehlerfreie Datenübertragung an den PC erfolgen kann ist eine Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten in einem Puffer notwendig. Die Zwischenspeicherung erfolgt mit einem insgesamt 12k-Byte großen und 16 Bit breiten Fifo-Speicher, der zusammen mit der AD-Wandlerelektronik auf einer Platine untergebracht werden konnte. Diese Elektronik ist neben der Sensorelektronik und der Signalerzeugung für die Trägerfrequenz ein zentraler Bestandteil des Prototyps. Der Prototyp wird durch einen handels-üblichen PC angesteuert. Der Aufbau des gesamten Messsystems und die abschließenden Untersuchungen erfolgten auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine. Diese Maschine bot aufgrund ihrer bekannten mechanischen Eigenschaften eine präzise Grundlage für die Untersuchungen am Messsystem. Hierbei zeigte sich, dass neben den deterministischen Störgrößen eine Vielzahl von weiteren unvorhersehbaren Störungen negativen Einfluss auf die Gesamtperformance des Messsystems nehmen kann. Diese Störgrößen wie z.B. Netzstörungen konnten durch verschiedene Abschirmmaßnahmen deutlich verbessert werden. So enthielten die ersten Messungen deutliche Zeichen dieser Störanteile die nur unzureichend durch eine softwareseitige digitale Filterung unterdrückt werden konnten. Mit weiteren Messungen konnte dann die deutliche Abnahme des Störpegels verifiziert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit ist eine existierende, hochpräzise Mehrachsendrehmaschine untersucht worden. Die Drehmaschine ist durch einen unkonventionellen Aufbau in der Summe als neuartig zu benennen. Vom Üblichen abweichende Führungen (Doppelprismenführungen als berührende Gleitführungen statt Wälzführung oder berührungsfreie Gleitpaarung) werden durch schwingungsanregende Motoren (Schrittmotoren statt Servomotoren) angetrieben. Durch den Einsatz von Schrittmotoren wird die Position der Achsen gesteuert und nicht geregelt, eine Anzeige der Achsstellungen wird nur zur Arbeitserleichterung bei der Einstellung von Referenzpunkten verwendet. Aufgrund der Unkonventionalität des Maschinenaufbaus bestand trotz grundsätzlich nachgewiesener Eignung zu höchst präziser Fertigung Unsicherheit hinsichtlich erreichbarer Oberflächengüte und Formtreue für typische Bearbeitungsaufgaben der Metalloptikherstellung. Die Eignung der Maschine zur Herstellung einer weiteren Kategorie höchst präziser Optikelemente, Gitter oder allgemeiner Mikrostrukturen, wurde in der Vergangenheit zwar immer wieder gefordert, postuliert und teilweise auch nachgewiesen, eine Grenze der auf dieser Maschine möglichen Mikrostrukturgenauigkeiten ist jedoch bisher nicht nachgewiesen worden. Zur Erlangung besserer Planungssicherheit für die Weiterentwicklung und auch tägliche Arbeit mit dieser Maschine wurde eine mathematische Beschreibung inkl. Fehlerbetrachtung der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Achsstellungen erstellt. In diese Fehlerbetrachtung fließt mit der praktischen Ausrichtung und Justierung der Maschine ein wichtiger genauigkeitsbestimmender Arbeitsschritt ein. Weitere Fehlerfaktoren, z.B. thermisch induzierte Positionsfehler und Schwingungen, wurden in den auftretenden Wirkungen beobachtet und angegeben. Dieses mathematische Modell und die Fehlerbetrachtung werden auf beispielhafte, typische Bearbeitungsaufgaben aus dem Bereich der Metalloptiken (Spiegel: Planflächen, sphärisch konkave Flächen, asphärisch konkave Flächen) und zusätzlich Gitter als Mikrostrukturierung angewendet. Es wird die aus dem mathematischen Modell abgeleitete Vorhersage erreichbarer Oberflächen / Rauheiten mit den tatsächlich erreichten Werten verglichen. Dieser Vergleich stützt bei Planflächen, Sphären und Asphären das Modell, gleichzeitig kann nur geringes Verbesserungspotential ausgemacht werden. Bei Gittern stützt der Vergleich im Betriebsmodus kontinuierliches Vorschubdrehen ebenfalls das Modell, jedoch kann aus Modell und Praxis Verbesserungspotential durch kleinere Winkelschritte der Antriebsmotoren abgeleitet werden. Die Grenze des Modells wird bei der Gitterherstellung durch nicht kontinuierliches Vorschubdrehen (Burst-Mode, Feuerstoß-Vorschub) aufgezeigt: Diese Betriebsart regt mit harten Stößen die gesamte Maschine zu deutlichen Schwingungen an und überfordert zusätzlich die Gleiteigenschaften der Führungen, so dass entgegen theoretischer Vorhersagen eine deutliche Verschlechterung der Konstanz der Grabenabstände realisiert wird. Die gesammelten Erkenntnisse führen im Kapitel Ausblick zu einer Vielzahl an Verbesserungsmöglichkeiten. Letztendlich wird prinzipbedingt eine Schwäche bei der Mikrostrukturierung nachgewiesen, wodurch sich hier das höchste Verbesserungspotential ableiten lässt. Bei realistischer Betrachtungsweise wird jedoch eine Empfehlung zur Bearbeitung kontinuierlicher Oberflächen erkannt werden. Hier liegt das Verbesserungspotential allerdings vorwiegend in einer Rationalisierung der Programmierung und Achssteuerung für häufig wechselnde Prototypen, also auf wenig wissenschaftlichem Gebiet. Als Fortführung dieser Arbeit wird das Aufstellen und Überprüfen eines thermischen Modells der Maschine empfohlen. Hieraus könnten nicht nur weitere Verbesserungsmöglichkeiten abgeleitet werden, darüber hinaus sind die beim Aufstellen und Überprüfen des thermischen Modells gefundenen Kenntnisse schon jetzt im Bereich der UP-Fertigung wichtig und werden weiter an Bedeutung gewinnen.